Độ Dày bằng Một Nguyên Tử, Lại Bền hơn Bất Cứ Thứ gì trên Trái Đất. Chúng Ta Có Thể Làm Được Gì với Graphene?

Một hình minh họa của graphene. (Shutterstock*)

Graphene là một vật liệu hai chiều, độ dày bằng một nguyên tử, là chất liệu mỏng nhất và bền nhất thế giới. Nó được cấu tạo bởi các nguyên tử cácbon.

Vật liệu này được phát minh vào năm 2004 bởi Andre Geim và Konstantin Novoselov của Đại Học Manchester, và sau đó vào năm 2010 họ giành giải Nobel Vật Lý cho công trình này. Các nhà khoa học mới chỉ bắt đầu khám phá và thử nghiệm rất nhiều các ứng dụng tiềm năng khác nhau của loại vật liệu này. Sau đây là một vài ứng dụng của nó:

1. Ăng-Ten Nhỏ Một Cách Đáng Kinh Ngạc Dùng Để Điều Khiển Các “Hạt Bụi Thông Minh”(1)

Ý tưởng về những đám bụi cảm biến thông minh siêu nhỏ gặp phải một rào cản lớn, đó là: khả năng truyền thông tin là chìa khóa để kiểm soát đám bụi và với kích cỡ như thế, việc truyền thông sẽ rất khó thực thi, trích dẫn một bài báo trên trang Giz Mag.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu ở Học Viện Công Nghệ Georgia, Mỹ đã phát hiện ra rằng chất graphene có thể được dùng để tạo ra các ăng-ten siêu nhỏ với cùng mức độ hiệu quả tương đương so với các ăng-ten lớn hơn làm từ chất liệu truyền thống. Chúng ta đang ngày càng tiến gần đến khả năng tạo ra các đám robot siêu nhỏ, dẫu cho là tốt hơn hay xấu hơn.

2. Các con chíp máy tính

 

Ảnh một con chíp máy tính từ Shutterstock

Một con chíp máy tính chứa hàng triệu các bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn là thành phần cấu tạo giúp con chíp thực thi các phép tính, và nó rất quan trọng đối với khả năng hoàn thành một cách nhanh chóng các lệnh phức tạp của máy tính

Graphene cho phép các kỹ sư gắn một bộ rất nhiều các bóng bán dẫn vào một con chíp. Graphene có thể dẫn truyền electron nhanh hơn hàng ngàn lần so với các vật liệu truyền thống, một bài viết trên trang Extreme Tech giải thích. Bởi kích cỡ rất nhỏ của nó, nên nếu một ngày nào đó các nhà nghiên cứu  thành công trong việc tạo ra các dải nano bằng graphene, thì họ có thể nén các bóng bán dẫn vào một con chíp nhiều gấp 10.000 lần thông thường.

Các nhà nghiên cứu tại Đại Học California ở Berkeley đang tiến hành dự án này. Dù rằng họ vẫn chưa thể nẵm vứng được kỹ thuật tinh vi với độ chính xác cao để tạo ra một dải nano với đặc tính như thế – độ dày chỉ 10 đến 20 nguyên tử và nếu chỉ một vài nguyên tử không được đặt đúng vị trí, cả dải cacbon sẽ trở nên vô dụng – nhưng họ vẫn rất lạc quan.

3. Một lớp màng hấp thụ các sóng năng lượng độc hại.

Graphene có thể được dùng như một lớp áo chắn mỏng bao phủ ngoài xe hơi hoặc các tòa nhà để chặn các năng lượng điện từ trong một dải tần cao. Vật liệu này hoàn toàn trong suốt, nên nó có thể được phủ bên ngoài lớp cửa sổ.

Yang Hao là đồng tác giả một nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Những Bản Báo Cáo Khoa Học nhằm khai thác tính năng này của graphene.

Hao phát biểu trên một buổi họp báo rằng vật liệu này có thể “cải thiện môi trường mạng không dây an toàn”.

Các trường năng lượng điện từ đã được chứng minh là có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Graphene không chặn đứng tất cả các lớp năng lượng điện từ, nhưng nó có thể hấp thụ một phần nhỏ và do vậy có tác dụng bảo vệ nhất định.

See “Wi-Fi Could Harm Your DNA”

4. Năng Lượng Mặt Trời

 

Ảnh minh họa pin năng lượng mặt trời từ Shutterstock

Graphene giúp pin năng lượng mặt trời sạc nhanh hơn, với một mức hiệu suất kỷ lục.

Vào tháng mười hai 2013, các nhà nghiên cứu ở Đại Học Oxford đã xuất bản kết quả các thí nghiệm của họ với các tấm pin năng lượng mặt trời được phủ lớp màng graphene trên tạp chí Hội Hóa Học Mỹ.

Họ tuyên bố: “Các lớp màng nano bằng graphene mang đến khả năng sạc pin rất ưu việt… Những tấm pin năng lượng mặt trời này cho thấy.. một hiệu suất chuyển đổi thành điện năng lên đến 15,6% [kỷ lục trước đây là 8,6%]. Công trình này đã minh chứng được tiềm năng của vật liệu nano nền graphene/oxit kim loại giúp đóng góp đáng kể vào sự phát triển của pin năng lượng mặt trời có giá thành thấp.

5. Graphene nhân tạo – bước tiếp theo

Khi graphene càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi, thì một nhóm các viện nghiên cứu Châu Âu dẫn đầu bởi tiến sỹ Efterpi Kalesaki tại Đại Học Luxembourg đã tiến thêm một bước nữa để chế tạo ra graphene nhân tạo với một tiềm năng thậm chí còn lớn hơn.

Nó có cùng dạng cấu trúc, nhưng nó được làm từ các tinh thể bán dẫn vời độ dày chỉ vài nanomét thay vì nguyên tử các bon. Những tinh thể này có thể biến đổi theo cách thức mà nguyên tử các bon không thể đạt được.

Một ấn bản phát hành của Đại Học Luxembourg tuyên bố: “Khả năng thay đổi được kích cỡ, hình dạng và bản chất hóa học của các tinh thể nano giúp chúng ta có thể tùy chỉnh loại vật liệu này cho mỗi tác vụ riêng biệt.”

Chú thích: (1) : một loại cảm biến nhỏ xíu, không dây,  dùng để phát hiện bất cứ hiện tượng gì, từ ánh sáng, nhiệt độ cho đến  các rung động

*hình ảnh của graphene từ Shutterstock