Graphene - Chất liệu phẳng nhất thế giới

Giải Nobel Vật lí năm nay được trao cho Andre Geim và Konstantin Novoselov, cả hai đều là nhà vật lí gốc Nga hiện đang làm việc tại trường Đại học Manchester ở Vương quốc Anh, cho khám phá của họ về graphene.

>>>Xem thêm:Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo: Giải Nobel Vật lí 2010

Graphene là một kiểu tấm cấu tạo từ các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo kiểu hình lục giác tuần hoàn. Về cơ bản, nó là chất liệu hai chiều đầu tiên từng được chế tạo.

Việc là mảnh vật chất mỏng nhất thế giới chỉ là một trong nhiều tính năng đặc sắc của graphene. Nó còn là chất liệu bền nhất từng được biết tới, bền hơn thép khoảng 100 lần. Vì một tấm graphene chỉ dày một nguyên tử, cho nên nó còn trong suốt, và do đó, có thể giữ vai trò nhất định trong sự phát triển của công nghệ hiển thị điện tử trong tương lai.

Một số đặc điểm hấp dẫn nhất của chất liệu này, nhìn từ quan điểm của các ứng dụng tương lai, phải kể đến các tính chất điện của nó. Dòng điện chảy nhanh qua graphene mà không bị thất thoát bao nhiêu năng lượng. Đặc điểm này, cùng với thực tế là nó tương đối dễ chế tạo, biến graphene thành một ứng cử viên để thay thế hoặc cải tiến các mạch tích hợp có đầy trong các máy vi tính của chúng ta ngày nay. Mạch điện tử này thường được chế tạo trên những miếng silicon chạm khắc nhỏ xíu chứa hàng tỉ transistor, mỗi transistor có thể tác dụng như một công tắc, lần lượt, ở vị trí ON hoặc OFF, có thể đặt là 0 hoặc 1 trong lôgic nhị phân mà các máy tính sử dụng để lưu trữ và xử lí thông tin. Các chip graphene có thể rẻ hơn, nhanh hơn, và dễ chế tạo hơn các chip silicon.

Một thứ đang làm chậm việc sử dụng graphene trong ngành điện tử là vì nó là một chất dẫn điện quá tốt. Để hoạt động như một công tắc, một transistor cần phải tắt và mở thật nhanh. Các chất bán dẫn thường được sử dụng trong transistor, do bản chất của chúng, có tính chất lưng chừng giữa dẫn điện và không dẫn điện. Nghĩa là, bằng cách đưa vào một tín hiệu rất bé, chúng có thể cho phép một dòng điện đi qua (chỉ vị trí ON), hoặc không cho dòng điện đi qua (vị trí OFF). Graphene tinh khiết, chủ yếu là một chất dẫn điện tốt, không thể bật mở và tắt. Tuy nhiên, Geim và nhiều nhàkhoa học khác tin rằng graphene có thể biến tính để giải quyết vấn đề này.

Một khám phá thực tế

Geim và Novoselov, cùng các đồng nghiệp của họ, đã khám phá ra graphene bằng một phương pháp rất khiêm tốn. Họ lấy một miếng băng dính và dán nó lên một miếng graphite, chất liệu dùng làm ruột bút chì. Băng dính làm tróc ra những mảng cacbon dày nhiều lớp. Nhưng bằng cách dùng đi dùng lại miếng băng dính, các mảng cacbon ngày một mỏng hơn có thể được bóc ra, trong đó có một số mảng cuối cùng chỉ dày có một lớp. Các ảnh chụp hiển vi đã xác nhận cái mắt người không thể nhìn thấy.

Graphene đôi khi được sánh với các ống nano cacbon, về cơ bản là những miếng graphene cuộn lại thành hình ống hút. Cả hai đều là chất dẫn nhiệt và dẫn điện rất tốt. Cả hai đều khá bền.

"Graphene là nền tảng cơ sở của mọi cấu trúc nano cacbon, bao gồm ống nano cacbon, fullerene, và vân vân, và nó đã trở thành chén thánh đối với cộng đồng nghiên cứu trong nhiều năm qua”, phát biểu của Mildred Dresselhaus, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ Massachusetts và là một chuyên gia về những dạng thức khác nhau này của cacbon. “Thật tuyệt là Geim và Novoselov nay đã được công nhận bởi giải thưởng danh giá này cho việc có ý tưởng thật sự chế tạo được graphene theo một cách đơn giản và cho sự phát triển các hiện tượng ật lí đẹp đẽ dựa trên chất liệu này”.

Nhà vua Thụy Điển sẽ trao giải thưởng cho Geim và Novoselov trong một buổi lễ tổ chức ở Stockholm vào tháng 12 tới.

Nói thêm ngoài lề một chút, với việc công bố giải thưởng vinh quang của năm nay, Andre Geim đã trở thành một trong số ít nhà khoa học có cả hai giải thưởng: Giải Nobel và giải Ig-Nobel. Ig-Nobel là một loại giải thưởng Nobel ngược; chúng được trao một phần để cho vui và một phần để khiến người ta suy nghĩ. Geim đã giành một giải Ig-Nobel hồi năm 2000 cho việc nâng các chú ếch lên bằng từ trường. Công trình này không có gì ma quái, mà chỉ hơi lạ một chút.

Trong khi đó, Geim và các nhà nghiên cứu khác kì vọng tìm được nhiều ứng dụng khác cho graphene. Ngoài công dụng trong việc chế tạo các chất liệu hay trong điện tử học, graphene còn có thể là cơ sở cho các bộ cảm biến hóa chất và cho các máy phát ra ánh sáng trong ngưỡng terahertz. Loại bức xạ này, với tần số khoảng một nghìn tỉ chu trình mỗi giây, là thứ khó tạo ra. Nó có thể là quan trọng, là một công cụ ghi ảnh mới vì cơ thể con người trong suốt ở tần số này, khiến cho loại sóng ánh sáng này có ích cho ngành an ninh hoặc cho các máy quét y khoa.

Nguồn: PhysOrg.com