Tính năng kỳ diệu ’siêu vật liệu’ graphen

Tuổi của phát minh graphene cũng quá trẻ. Vòng nguyệt quế đến với các tác giả của phát minh, Andre Geim và Konstantin Novoselov, quả là quá sớm, chỉ 6 năm. Trong lúc giải Nobel Y học đến với Robert Edwards lại quá muộn màng, chỉ sau khi thành công đã quá vang dội và mang lại hạnh phúc “có người nối dõi” cho những 4 triệu gia đình trên toàn thế giới.

Thế nhưng, cũng không phải là quá sớm nếu xét về mặt nó đã được thử thách một cách đầy đủ trong thực tế và ngày càng tỏ ra vô cùng hứa hẹn mà một trong những tác giả của nó đã ví như thành công phát minh ra polyme trước đây. Lúc đầu, polyme chưa biết có ứng dụng gì, nhưng sau đó đã mở ra cả một thời kỳ mới trong lịch sử loài người (thời đại đồ đá, thời đại đồ đồng, thời đại đồ sắt và hiện đang ở thời đại vật liệu tổng hợp).

Giờ đây, phát minh graphen quả là một “ngôi sao nhạc rock sáng chói” trong thế giới vật liệu (như cách nói của Tạp chí CEE) hoặc hình ảnh hơn, người ta đánh giá nó như Christopher Colombus tìm ra châu Mỹ.

Vậy, Graphen là gì?

Chúng ta đã biết cacbon nguyên chất trong thiên nhiên tồn tại dưới dạng than chì (graphit) và kim cương. Song trong phòng thí nghiệm, người ta đã tổng hợp thành công 2 dạng cacbon nguyên chất nữa không hề có trong Thiên nhiên là fulleren (với sự phát minh ra nó. Harold Kroto, Robert Curl và Richard Smalley đã được trao giải Nobel hóa học năm 1996) và graphen (bắt nguồn từ graphite + ene) – “nhân vật” của giải Nobel Vật lý 2010.

Graphen là những tấm phẳng, đơn lớp 2 chiều, trên đó cacbon nối với nhau thành một mạng lưới hình tổ ong (lục giác đều) bằng liên kết sp2, độ dài 0,142 nanomet. Nếu là một nhà hóa học, người ta coi graphen là một thành viên đặc biệt của hydrocacbon thơm đa vòng phẳng.

Graphen được biết đến từ khi người ta phát minh ra phương pháp Tinh thể học tia X (X-ray crystallography). Tuy nhiên, chẳng ai nhắc đến nó, mãi đến năm 2004, mới được "đổi đời" bởi chính hai nhà khoa học vật lý tài giỏi đến từ đất nước Nga và làm việc ở Trường ĐH Manchester, Anh. Họ tách được graphen dưới dạng một lớp vật liệu mỏng chưa từng có, kích cỡ một nguyên tử và xác định được tính chất “kỳ diệu” của nó.

Phát minh của họ lập tức dẫn đến một sự “bùng nổ” về nghiên cứu vật liệu mới này và có vị trí trung tâm trong thế giới khoa học. Người ta thống kê được riêng năm 2007, các nhà khoa học đa ngành đã công bố tới trên 1.000 công trình nghiên cứu liên quan đến graphen. Tháng trước, trong một Hội nghị của Hội Vật lý Mỹ có tới 374 công trình nghiên cứu mới về graphen.

Tính chất kỳ diệu dẫn đến ứng dụng đặc biệt của graphen

Graphen có nhiều tính chất chưa từng gặp ở các vật liệu khác, và các số đo tính năng của nó gây chấn động trong giới vật lý, hóa học và đặc biệt, điện tử học.

Về tính chất vật lý, graphen là chất cực kỳ cứng, hơn cả kim cương, độ bền cao hơn thép trên 200 lần,  những ở dạng đơn lớp lại dẻo như một miếng nhựa, có thể bẻ cong, gấp hoặc cuộn lại thành ống.  Nó trong suốt cho phép tối thiểu 90% ánh sáng đi qua, điện trở thấp hơn chất dẫn điện trong suốt tiêu chuẩn là indi-thiếc oxit nên mở ra một ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất màn hình cảm ứng chất lượng cao, pin mặt trời, thiết bị lưu trữ năng lượng, điện thoại di động và dần dần có thể thay thế silicon trong lĩnh vực sản xuất chip máy tính tốc độ cao.

Nó dẫn điện tử nhanh hơn bất cứ vật liệu nào đã biết, giống như chuyển động của một hạt không trọng lượng của thuyết tương đối (massless relativistic particle) là photon. Từ đó nó trở thành vật liệu để thực hiện trong phòng thí nghiệm nhằm kiểm tra lại những dự đóan của cơ học lượng tử tương đối tính mà trước đây người ta cho rằng chỉ có thể quan sát thấy trong các máy gia tốc hạt và lỗ đen.

Những tính năng kỳ diệu đã tạo cho graphen khả năng ứng dụng đặc biệt.

Trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị vi điện tử, nhờ tính chất độc đáo của mình, các transistor graphen đã tạo ra những linh kiện rất đa dạng và ưu việt, đáp ứng nhu cầu của nhiều thiết bị mà nếu không phải nhà chuyên môn, người ta khó hình dung. Những mạch tích hợp (IC) dùng graphen đã thu nhỏ được kích thước đến tối đa mà vẫn bảo đảm (và nâng cao) tính năng các thiết bị vi điện tử - một hướng tiểu hình hóa (micronisation) thiết bị đang diễn ra.

Ngành Sinh học gần đây cũng “nhòm ngó” đến graphen. Người ta đang thiết kế những thiết bị điện tử trên cơ sở những linh kiện chế tạo từ graphen để phân tích ADN và bộ gen người và các động thực vật với hy vọng sẽ có năng suất cao hơn và chính xác hơn. Viện Hàn lâm khoa học Trung quốc cũng phát hiện những tấm ôxit graphen có tính sát khuẩn cao và có khả năng dùng làm dụng cụ đựng thực phẩm có tác dụng bảo quản lâu dài.

Chính những thành công trong nghiên cứu ứng dụng, người ta triển khai rất nhanh chóng các kết quả vào thực tế. Ngành công nghiệp graphen đã khai thác các phương pháp tổng hợp vật liệu này trên quy mô công nghiệp (ở đây, phương pháp hóa học có vai trò quan trọng) và giá thành sản xuất ngày càng giảm.

Ví dụ, năm 2008 graphen được coi là một trong những sản phẩm đắt nhất xưa nay, một “miếng” graphen có diện tích bằng thiết diện một sợi tóc giá 1.000 đôla (tương đương 100.000.000 đôla/cm2) thì nay một số công ty hóa chất đã sản xuất được trên quy mô công nghiệp hàng tấn, và giá thành khi phủ trên nền cacbua silic chỉ còn 100 đôla/cm2.

Chỉ riêng sự việc đó đã cho thấy  người ta “lao vào” vật liệu quý giá ấy như thế nào. Các nhà khoa học cũng tập trung  biến tính nó bằng phương pháp hóa học để thu được những tính năng cần thiết khác phục vụ cho những mục đích xác định, đa dạng của đời sống con người.