Graphene - Siêu vật liệu cứng hơn thép và nhẹ hơn giấy hàng trăm lần

Giới khoa học mong đợi sẽ có thể ứng dụng graphene trong nhiều lĩnh vực như công nghệ, y tế và thiên văn.

Năm 2004, hai nhà khoa học tại Đại học Manchester có một thí nghiệm đơn giản nhưng có khả năng thay đổi thế giới. Cụ thể, Andre Geim và Konstantin Novoselov đã “chơi đùa” với than chì, một vật liệu quen thuộc có trong ruột bút chì mà chúng ta vẫn sử dụng hàng ngày.

Than chì hay Graphit có cấu tạo từ nhiều tấm carbon nguyên chất, siêu mỏng và xếp chồng lên nhau. Geim và Novoselov muốn thử xem liệu họ có thể tách một tấm độc lập trong số đó, một lớp carbon chỉ dày một đơn vị nguyên tử.

Hai nhà khoa học đã sử dụng băng dính để bóc tách các lớp carbon, và đây là cách mà Geim mô tả kỹ thuật của mình được hãng BBC trích dẫn lại:

"Chúng tôi dán băng dính lên than chì và bóc lớp trên cùng, sẽ có những mảnh than chì bong ra trên miếng băng dính. Sau đó, chúng tôi gấp đôi băng dính lại, dán vào các mảnh ở trên và tách chúng ra một lần nữa. Bạn lặp lại quy trình này 10 hoặc 20 lần, mỗi lần như vậy mẫu thử sẽ mỏng dần. Cuối cùng, bạn hòa tan miếng băng dính và mọi thứ sẽ trở thành dung dịch".

Graphene có cấu tạo giống tổ ong khi phóng lớn. (Ảnh: MoneyWeek).

Bằng cách cô lập một lớp carbon, Geim và Novoselov đã tìm ra loại vật liệu hoàn toàn mới gọi là “graphene”, chất liệu chắc nhất, nhẹ nhất và dẫn điện tốt nhất trên Trái đất cho đến hiện tại.

"Siêu vật liệu" cứng hơn thép và nhẹ hơn giấy

Theo trang Howstuffworks, graphene cứng hơn thép 200 lần, nhẹ hơn giấy 1.000 lần, trong suốt 98% và dẫn điện tốt hơn bất kỳ vật liệu nào khác từng biết. Ngoài ra, chất liệu này có thể chuyển đổi ánh sáng ở bất kỳ bước sóng nào thành dòng điện.

Và cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, graphene được làm từ carbon, nguyên tố phong phú thứ tư trong vũ trụ, vì vậy gần như không bị cạn kiệt.

Từ phát hiện nói trên, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới bắt đầu tìm cách sử dụng "siêu vật liệu" này để chế tạo ra các loại pin mạnh và bền hơn, vi mạch nhanh hơn, mạch điện linh hoạt hơn, cảm biến sinh học và nhiều ứng dụng khác.

Giới khoa học tin rằng chúng ta sẽ thấy điện thoại thông minh, xe điện và cảm biến sử dụng công nghệ dựa trên graphene trong vài năm tới.

Graphene có điện trở bằng "0"

Graphene có những khả năng đặc biệt nhờ vào cấu trúc của nó. Nếu phóng to graphene, chúng ta sẽ thấy chất liệu này trông giống một tổ ong, trong đó các nguyên tử cacbon riêng lẻ được sắp xếp theo hình lục giác và gắn kết với nhau tạo thành hình một tấm lưới.

Mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử khác, mang lại cho vật liệu này sức mạnh đáng kinh ngạc. Ngoài ra, theo cách mà các nguyên tử carbon gắn kết với nhau, mỗi nguyên tử có bốn hạt điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, nhưng chỉ ba trong số được chia sẻ với ba nguyên tử còn lại.

Hạt điện tử cuối cùng được gọi là điện tử pi và tự do di chuyển trong không gian ba chiều, điều này cho phép nó truyền điện tích mà hầu như không bị ngăn cản bởi điện trở.

Bên cạnh đó, một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts, Mỹ đã thử nghiệm xếp chồng 2 lớp graphene đơn lên nhau, và tình cờ phát hiện thêm một tính chất kỳ diệu của vật liệu này.

Cụ thể, khi ta xoay hai lớp nguyên tử hơi lệch với nhau, chính xác là 1,1 độ, graphene trở thành chất siêu dẫn, loại vật liệu hiếm nhất dẫn điện với điện trở và nhiệt lượng bằng không.

Việc phát hiện ra "góc ma thuật" này của graphene mở ra khả năng tạo nên hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, bằng cách kết hợp chất liệu này với các nguyên tố siêu dẫn khác. Điều này sẽ giúp cải thiện triệt để hiệu quả năng lượng của mọi thứ, từ các thiết bị trong xe ôtô cho đến toàn bộ lưới điện trên hành tinh.

Công nghệ là lĩnh vực được mong đợi có nhiều sản phẩm ứng dụng graphene trong tương lai gần. (Ảnh: Sillicon Canals).

Andrea Ferrari, giáo sư công nghệ nano và Giám đốc Trung tâm Graphene Cambridge cho biết khả năng siêu dẫn vẫn cần nhiều thời gian nghiên cứu. Tuy nhiên, ông cho rằng các sản phẩm mang tính cách mạng, dựa trên graphene sẽ sớm được tung ra thị trường.

“Đến năm 2024, chúng ta sẽ có nhiều sản phẩm graphene trên thị trường như pin, quang tử, máy ảnh nhìn ban đêm…”, Ferrari cho biết.

Thực chất, pin làm từ graphene là thứ mà người tiêu dùng đã chờ đợi trong nhiều năm. Pin lithium-ion tuy được sử dụng rộng rãi nhưng lại có khuyết điểm là sạc chậm, nhanh hết pin và tuổi thọ pin giảm sau một số chu kỳ nhất định do quá trình điện hóa cung cấp năng lượng cho pin lithium-ion tạo ra rất nhiều nhiệt lượng, gây giảm tuổi thọ của pin.

Graphene thì ngược lại, chất liệu này tạo ra ít nhiệt lượng hơn khi sạc và trong quá trình sử dụng. Nhờ đó cũng sẽ cho tốc độ sạc nhanh hơn gấp 5 lần, tuổi thọ dài hơn 3 lần và số chu kỳ sử dụng nhiều hơn 5 lần.

Các công ty điện tử hàng đầu như Samsung và Huwei đang nỗ lực phát triển công nghệ pin dựa trên graphene cho các dòng điện thoại thông minh và thiết bị khác của mình. Nhiều chuyên gia dự đoán viên pin graphene sớm nhất có thể được tung ra thị trường trong năm 2021.

Ngoài pin, giới khoa học hi vọng graphene còn có thể ứng dụng hữu ích trong y khoa như chế tạo các loại cảm biến siêu nhỏ, được cấy vào mạch máu để theo dõi lượng đường huyết và huyết áp hoặc quang tử học, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh y tế hoặc thậm chí là kính thiên văn.

Cập nhật: 04/05/2021 Theo Zing