Những ứng dụng khả thi nhất từ siêu vật liệu cứng hơn thép 200 lần, nhẹ hơn giấy 1.000 lần

  •  
  • 2.592

Năm 2004, hai nhà khoa học của Đại học Manchester đã tiến hành một thí nghiệm đơn giản nhưng có khả năng thay đổi cả thế giới. Các nhà nghiên cứu Andre Geim và Konstantin Novoselov đã chơi đùa với than chì - thứ có trong đầu bút chì của bạn.

Than chì được làm từ carbon nguyên chất siêu mỏng xếp chồng lên nhau. Geim và Novoselov muốn xem liệu họ có thể cô lập than chì hay không. Vì vậy, hai nhà khoa học đã lấy một cuộn băng dính và thí nghiệm.

Geim đã mô tả về cách làm của mình: "Chúng tôi đặt than chì trên băng dính rồi nạo lớp trên cùng của nó. Sau đó, những mảnh than chì sẽ vỡ vụn và rải trên băng dính. Tiếp theo, chúng tôi gấp đôi băng dính lại rồi lại tách chúng ra. Quy trình này được lặp lại từ 10 - 20 lần, mỗi lần than chì sẽ được chia ra mỏng hơn. Cuối cùng, chúng ta sẽ có những mảnh than chì siêu mỏng trên băng dính".

Phương pháp của Andre Geim và Konstantin Novoselov được gọi là phương pháp băng dính và đáng ngạc nhiên là nó hiệu quả. Bằng cách cô lập tấm carbon, họ đã được ghi nhận là khám phá ra vật liệu hoàn toàn mới với tên gọi graphene. Hiện nay đây được coi là vật liệu mạnh nhất, nhẹ nhất và dẫn điện tốt nhất trên Trái đất.

Mô hình một tấm Graphene.
Mô hình một tấm Graphene.

Năm 2010, Andre Geim và Konstantin Novoselov đã nhận giải Nobel vật lý vì phát hiện ra Graphene và các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang tìm cách để sử dụng 'siêu vật liệu' đáng chú ý này. Nó có thể giúp tạo ra những viên pin mạnh hơn, bền hơn, mạch điện linh hoạt hơn... Tuy nhiên, đến hiện tại, Graphene vẫn chưa thể được tận dụng vào các công nghệ hiện đại. Dù vậy, nhiều nhà khoa học vẫn tin rằng cuối cùng bạn sẽ thấy điện thoại thông minh, ô tô điện... sử dụng công nghệ dựa trên graphene trong tương lai không xa.

Tại sao Graphene là một siêu vật liệu?

Với kích thước chỉ dày bằng một nguyên tử, một tấm graphene có đầy đủ những yếu tố của siêu vật liệu:

  • Graphene cứng hơn thép 200 lần tính theo trọng lượng.
  • Nó nhẹ hơn giấy 1.000 lần.
  • Nó có độ trong suốt là 98%.
  • Nó dẫn điện tốt hơn bất kỳ một vật liệu nào chúng ta từng biết ở nhiệt độ phòng.
  • Graphene được làm từ carbon - nguyên tố phổ biến thứ 4 trong vũ trụ. Vì vậy, nó không có khả năng cạn kiệt.

Graphene có được siêu năng lực từ cấu trúc của nó. Nếu bạn phóng to nó lên, bạn sẽ thấy Graphene trông giống như một tổ ong quy mô nguyên tử. Các nguyên tử carbon riêng lẻ được sắp xếp theo hình lục giác. Mỗi nguyên tử carbon được liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử carbon khác và điều này mang đến cho Graphene sức mạnh đáng kinh ngạc.

Dạng thực tế của Graphene (ngoài cùng bên phải).
Dạng thực tế của Graphene (ngoài cùng bên phải).

"Góc ma thuật"

Một khám phá gần đây đã bổ sung thêm một siêu năng lực khác của Graphene. Một nhóm nghiên cứu tại viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã thử nghiệm việc xếp hai lớp graphene đơn nguyên tử chồng lên nhau. Khi các lớp được xoay hơi lệch với nhau - độ dịch chuyển chính xác là 1,1 độ - graphene sẽ trở thành chất siêu dẫn. Chất siêu dẫn là loại vật liệu hiếm nhất dẫn điện mà hoàn toàn không có điện trở và nhiệt lượng bằng không.

Việc phát hiện ra "góc ma thuật" kể trên của graphene đã được gửi đến cộng đồng khoa học quốc tế và gây ra một làn sóng chấn động. Mặc dù thí nghiệm kể trên được thực hiện ở nhiệt độ cực thấp (-459,67 độ F) nhưng nó cũng mở ra khả năng rằng bằng cách kết hợp Graphene với các nguyên tố siêu dẫn khác, chúng ta đang tiến gần hơn đến hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Một thành tựu như vậy sẽ cải thiện triệt để hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng của mọi thứ quanh ta, từ các thiết bị điện đến ô tô và thậm chí là toàn bộ lưới điện.

Tận dụng Graphene trong chế tạo pin

Andrea Ferrari, giáo sư công nghệ nano và là người đứng đầu của trung tâm Graphene Cambridge cho biết: 'Siêu dẫn dựa vào Graphene vẫn còn nhiều thập kỷ nữa để nghiên cứu mới áp dụng được vào thực tế nhưng các sản phẩm dựa trên những điểm mạnh của vật liệu này sẽ sớm được tung ra thị trường'.

Ferrari cho biết thêm đến năm 2024 sẽ có nhiều sản phẩm liên quan đến Graphene được tung ra thị trường, bao gồm cả pin và máy ảnh. Thứ người tiêu dùng háo hức chờ đợi nhất từ vật liệu này có lẽ là pin. Trong nhiều năm qua các pin lithium-ion thống lĩnh thị trường. Tuy nhiên, nó có khá nhiều hạn chế bởi quá trình điện hóa cung cấp năng lượng cho pin lithium-ion tạo ra rất nhiều nhiệt.

Tuy nhiên, nếu Graphene được áp dụng vào việc sản xuất pin thì lại khác. Vì đây là chất dẫn điện tốt nhất thế giới nên nó sẽ tạo ra những viên pin sản sinh ít nhiệt hơn khi sạc hoặc giải phóng điện. Pin dựa trên Graphene hứa hẹn cho tốc độ sạc nhanh hơn gấp 5 lần so với lithium-ion, tuổi thọ cao hơn 3 lần và chu kỳ sử dụng cao hơn 5 lần.

Các công ty điện tử hàng đầu như Samsung hay Huawei đang tích cực phát triển pin dựa trên Graphene cho điện thoại thông minh và các thiết bị khác. Tuy nhiên, thời điểm tung ra những sản phẩm như vậy chưa được công bố. Với pin ứng dụng Graphene trên ô tô có lẽ sẽ còn khá lâu nữa mới thành hiện thực. Lý do đơn giản bởi toàn bộ ngành công nghiệp ô tô đã xây dựng trên công nghệ lithium-ion và nó sẽ không dễ thay đổi trong một sớm một chiều.

Hiện tại trên thị trường đã xuất hiện một số loại pin làm từ Graphene nhưng do chưa tạo nên khác biệt quá lớn so với lithium-ion nên chưa thể nổi bật. Ferrari hiện cũng là giám đốc khoa học và công nghệ của Graphene Flagship - một dự án hợp tác của các quốc gia trong Liên minh châu Âu trị giá 1 tỷ USD. Các đối tác nghiên cứu với dự án này hiện đang sản xuất pin Graphene có hiệu suất vượt trội hơn những loại pin lithium tốt nhất hiện nay tới 20% về dung lượng và 15% về năng lượng. Một số nhóm khác thì đã chế tạo được pin mặt trời dựa trên Graphene có hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng cao hơn 20% so với thông thường.

Một chuyên gia với tấm pin mặt trời bán trong suốt ứng dụng Graphene.
Một chuyên gia với tấm pin mặt trời bán trong suốt ứng dụng Graphene.

Các ứng dụng khác của Graphene

Các nhà khoa học trên khắp thế giới cũng đang bận rộn nghiên cứu và phát triển vô số các ứng dụng dựa vào Graphene. Cảm biến sinh học là một trong số đó. Hãy tưởng tượng một con chip cực kỳ mỏng có thể được tiêm vào mạch máu để theo dõi sức khỏe theo thời gian thực như mức insulin hoặc huyết áp. Hoặc cũng có thể là một cảm biến được làm từ Graphene gửi tín hiệu từ não bộ để phát hiện cơn động kinh sắp xảy ra và thậm chí là ngăn chặn nó.

Quang tử cũng là một lĩnh vực mà các nhà khoa học đang muốn vận dụng Graphene. Bằng cách tích hợp vật liệu này vào chip nhạy sáng, máy ảnh và các cảm biến khác có thể cải thiện đáng kể độ nhạy với ngay cả những sóng ánh sáng yếu nhất trên quang phổ. Điều này không chỉ cải thiện chất lượng hình ảnh của máy ảnh và kính thiên văn mà còn rất hữu ích trong y tế.

Lọc nước cũng là lĩnh vực có thể ứng dụng Graphene. Các bộ lọc nước đơn giản được chế tạo bằng polyme Graphene có thể bám vào các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước uống. Các nhà nghiên cứu tại Graphene Flagship cũng đã tạo ra công nghệ khử muối dựa trên Graphene có thể loại bỏ hơn 60% muối từ nước biển cho mục đích nông nghiệp.

Tất cả những ứng dụng này sẽ cần thời gian nhưng Ferrari tự tin rằng Graphene trong tương lai sẽ được tồn tại đúng với đẳng cấp của nó.

Cập nhật: 31/03/2021 Theo VnReview
  • 2.592

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook