Graphene là một lớp nguyên tử carbon duy nhất xếp thành mạng lục giác như tổ ong, dày đúng một nguyên tử. Nó là vật liệu hai chiều đầu tiên được tách ra và nghiên cứu kỹ, bởi Andre Geim và Konstantin Novoselov tại Đại học Manchester năm 2004, công trình mang về cho hai ông giải Nobel Vật lý năm 2010. Graphene cực bền, dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt, gần như trong suốt, nhưng biến nó thành sản phẩm đại trà khó hơn nhiều so với kỳ vọng ban đầu.
Graphene nằm ngay trong cây bút chì của bạn
Than chì (graphite), thứ làm ruột bút chì, là hàng triệu lớp graphene xếp chồng lên nhau. Trong mỗi lớp, các nguyên tử carbon liên kết với nhau rất chắc. Nhưng giữa các lớp, lực hút yếu hơn nhiều, nên các lớp dễ trượt lên nhau. Đó là lý do than chì mềm, trơn và để lại vệt trên giấy: mỗi nét bút là vô số lớp mỏng bị bóc ra.
Về lý thuyết, nếu bóc mãi tới khi chỉ còn một lớp, bạn sẽ có graphene. Các nhà vật lý đã tính toán tính chất của một lớp như vậy từ năm 1947, khi Philip Wallace dùng nó làm mô hình để hiểu than chì. Nhưng suốt nhiều thập kỷ, nhiều người tin rằng một tấm chỉ dày một nguyên tử sẽ không thể tồn tại bền ở trạng thái tự do: nó sẽ cuộn lại hoặc co cụm vì dao động nhiệt.
Băng dính và những buổi thí nghiệm tối thứ Sáu
Andre Geim nổi tiếng với thói quen dành thời gian cho các thí nghiệm "ngoài lề", những ý tưởng nhỏ không chắc thành công. Ông từng cùng Michael Berry nhận giải Ig Nobel năm 2000 cho thí nghiệm làm một con ếch lơ lửng trong từ trường mạnh, và đến nay là người duy nhất có cả giải Ig Nobel lẫn giải Nobel.
Câu chuyện graphene được kể lại nhiều lần: nhóm của Geim cần những lớp than chì thật mỏng. Họ để ý rằng khi làm sạch bề mặt khối than chì, người ta thường dùng băng dính bóc lớp trên cùng đi, và mảnh băng dính bỏ đi ấy dính đầy những vảy than chì mỏng. Họ dán băng dính lên vảy, bóc ra, dán tiếp, bóc tiếp, cứ thế làm các vảy mỏng dần.
Vấn đề tiếp theo là tìm ra mảnh chỉ dày một lớp giữa hàng nghìn mảnh dày hơn. Mẹo then chốt là đặt chúng lên một tấm silic có lớp oxit dày được chọn kỹ. Nhờ hiệu ứng giao thoa ánh sáng, ngay cả một lớp nguyên tử cũng làm đổi màu nhẹ trên nền, đủ để nhìn thấy bằng kính hiển vi quang học thường.
Năm 2004, Geim, Novoselov và cộng sự công bố trên tạp chí Science bài báo về hiệu ứng điện trường trong những màng carbon mỏng cỡ nguyên tử. Họ không chỉ tách được graphene mà còn gắn điện cực, đo được cách các electron chuyển động trong đó. Năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thuỵ Điển trao giải Nobel Vật lý cho hai ông "vì các thí nghiệm đột phá về vật liệu hai chiều graphene".
Phương pháp băng dính, giới khoa học gọi là bóc tách cơ học, đơn giản đến mức nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới lặp lại được ngay. Chính sự dễ lặp lại đó làm nghiên cứu graphene bùng nổ trong vài năm sau.
Những con số làm graphene nổi tiếng
| Tính chất | Điều đã đo được | Hiểu một cách đời thường |
|---|---|---|
| Độ dày | Một nguyên tử carbon, khoảng một phần ba nanomet | Xếp ba triệu lớp mới dày bằng khoảng một milimet |
| Độ bền | Một trong những vật liệu bền nhất từng đo, theo thí nghiệm ấn mũi kim năm 2008 ở Đại học Columbia | Bền hơn thép cùng độ dày nhiều lần, tính trên tấm hoàn hảo, không khuyết tật |
| Độ trong suốt | Một lớp hấp thụ khoảng 2,3% ánh sáng nhìn thấy | Một nguyên tử mà vẫn nhìn thấy được trên nền phù hợp |
| Dẫn điện | Electron di chuyển rất nhanh, ít bị cản trở ở mẫu sạch | Hứa hẹn cho điện tử tốc độ cao |
| Dẫn nhiệt | Thuộc nhóm cao nhất trong các vật liệu đã biết | Có tiềm năng tản nhiệt cho linh kiện |
| Độ kín | Tấm hoàn hảo không cho cả nguyên tử heli đi qua | Ý tưởng làm màng chắn, màng lọc |
Tài liệu phổ biến khoa học của Uỷ ban Nobel có một hình ảnh dễ nhớ: một tấm võng graphene rộng một mét vuông chỉ nặng khoảng 0,77 miligam, nhẹ hơn một sợi râu mèo, nhưng về lý thuyết có thể đỡ được một con mèo nặng 4 kg. Đó là phép so sánh trên giấy với tấm hoàn hảo, chưa ai làm võng graphene thật.
Vì sao chưa thấy graphene ở khắp nơi
Khoảng năm 2010, báo chí gọi graphene là "vật liệu thần kỳ" sẽ thay thế silic trong chip, làm màn hình gập, pin sạc vài phút. Hơn mười lăm năm sau, phần lớn những lời hứa đó vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu. Có vài lý do cụ thể:
Làm tấm lớn, sạch, rẻ là rất khó
Băng dính cho ra mảnh nhỏ, đủ cho nghiên cứu, không đủ cho sản xuất. Phương pháp lắng đọng hoá học từ pha hơi (CVD) trên lá đồng làm được tấm lớn, nhưng tấm có ranh giới hạt, nếp nhăn, lỗ thủng, và khâu chuyển tấm từ lá đồng sang nền khác dễ làm rách, bẩn. Mỗi khuyết tật làm giảm các tính chất "kỷ lục".
Không có vùng cấm
Transistor trong chip cần bật và tắt dòng điện dứt khoát. Silic làm được nhờ có "vùng cấm" năng lượng. Graphene nguyên bản không có vùng cấm, dòng điện khó tắt hẳn, nên không thể đơn giản thay silic. Có nhiều cách tạo vùng cấm nhân tạo, nhưng mỗi cách lại làm mất bớt ưu điểm khác.
Tấm hoàn hảo khác vật liệu khối
Khi trộn graphene vào nhựa, bê tông hay sơn, người ta dùng bột các mảnh nhỏ, thường nhiều lớp. Độ bền của từng mảnh không chuyển trọn vẹn vào khối vật liệu, vì mối nối giữa các mảnh và với nền mới là điểm yếu.
"Có graphene" trên nhãn: đọc thế nào cho đúng
Ngày nay bạn có thể thấy chữ graphene trên vợt tennis, lốp xe đạp, sơn, áo thể thao, pin dự phòng. Một số sản phẩm có lợi ích thật từ việc trộn vật liệu carbon dạng tấm. Nhưng vấn đề là định nghĩa.
Theo bộ thuật ngữ quốc tế ISO/TS 80004-13, graphene là một lớp nguyên tử carbon; vật liệu có từ hai tới khoảng mười lớp gọi là graphene ít lớp; dày hơn nữa thì về bản chất là các mảnh than chì siêu mỏng. Một khảo sát công bố năm 2018 phân tích mẫu "graphene" của nhiều nhà cung cấp trên thế giới và thấy phần lớn chứa rất ít graphene đúng nghĩa, chủ yếu là mảnh than chì nhiều lớp.
Điều này không có nghĩa sản phẩm vô dụng, chỉ là chữ "graphene" trên bao bì không đảm bảo bạn đang cầm vật liệu có những tính chất trong bảng ở trên. Khi gặp quảng cáo, hãy hỏi: graphene chiếm bao nhiêu phần trăm, bao nhiêu lớp, và lợi ích được đo bằng thử nghiệm nào so với sản phẩm không có nó.
Về an toàn, bột vật liệu carbon kích thước nano vẫn đang được nghiên cứu về tác động khi hít phải. Sản phẩm thành phẩm như vợt, lốp không đáng lo, nhưng người làm việc với bột trong xưởng cần thiết bị bảo hộ hô hấp theo hướng dẫn chuyên môn.
Góc nhìn hôm nay: graphene mở ra cả một họ vật liệu
Có lẽ di sản lớn nhất của graphene không nằm ở bản thân nó mà ở cánh cửa nó mở ra. Sau graphene, các nhà khoa học tách được hàng loạt vật liệu hai chiều khác: boron nitride lục giác cách điện, molybden disulfide bán dẫn, và nhiều loại khác. Họ xếp chồng chúng như lắp ghép các lớp mỏng để tạo ra vật liệu có tính chất theo thiết kế, giới nghiên cứu gọi là cấu trúc dị thể van der Waals.
Câu chuyện cũng là lời nhắc về nghiên cứu cơ bản: một trong những phát hiện vật liệu lớn nhất đầu thế kỷ 21 bắt đầu bằng cuộn băng dính và sự tò mò ngoài giờ. Nó cũng nhắc rằng từ phòng thí nghiệm ra nhà máy là một quãng đường dài, thường tính bằng hàng chục năm, như silic và sợi carbon từng trải qua.
Muốn tìm hiểu thêm, trang nobelprize.org có bài giảng Nobel của Geim và Novoselov cùng tài liệu phổ biến dễ đọc. Đại học Manchester có Viện Graphene Quốc gia (National Graphene Institute), nơi tiếp tục nghiên cứu vật liệu hai chiều. Ở nhà, bạn có thể làm một phép quan sát nhỏ: tô thật đậm bút chì lên giấy, dán băng dính trong lên rồi bóc ra, soi ngược sáng. Bạn sẽ thấy lớp than chì mỏng tới mức ánh sáng lọt qua. Đó chưa phải graphene, nhưng là bước đầu tiên của cùng một ý tưởng.
Câu hỏi thường gặp
Graphene là gì?
Graphene là một lớp nguyên tử carbon duy nhất xếp thành mạng lục giác như tổ ong. Than chì trong ruột bút chì chính là vô số lớp graphene xếp chồng lên nhau.
Ai phát hiện ra graphene?
Andre Geim và Konstantin Novoselov tại Đại học Manchester tách và nghiên cứu graphene năm 2004 bằng phương pháp bóc than chì với băng dính. Hai ông nhận giải Nobel Vật lý năm 2010 cho công trình này.
Graphene bền đến mức nào?
Thí nghiệm năm 2008 tại Đại học Columbia cho thấy một tấm graphene hoàn hảo là một trong những vật liệu bền nhất từng đo, bền hơn thép cùng độ dày nhiều lần. Tuy vậy, khuyết tật và mối nối giữa các mảnh làm vật liệu thực tế yếu hơn nhiều.
Vì sao graphene chưa thay thế silic trong chip?
Graphene nguyên bản không có vùng cấm năng lượng nên khó tắt hẳn dòng điện, điều mà transistor cần. Việc sản xuất tấm lớn, sạch, rẻ cũng còn khó khăn.
Sản phẩm ghi "có graphene" có đáng tin không?
Không phải lúc nào cũng đúng nghĩa. Một khảo sát năm 2018 cho thấy nhiều vật liệu bán dưới tên graphene chủ yếu là mảnh than chì nhiều lớp. Nên hỏi tỷ lệ, số lớp và thử nghiệm chứng minh lợi ích.
Graphene khác than chì thế nào?
Than chì là hàng triệu lớp graphene xếp chồng, các lớp dễ trượt lên nhau nên mềm và trơn. Graphene chỉ là một lớp duy nhất, có những tính chất điện, nhiệt và cơ học mà khối than chì không thể hiện được.
