Fluorographene: Chất cách điện mỏng nhất thế giới

Những tính chất nổi trội của graphene và Teflon vừa được kết hợp lại với nhau trong một chất liệu mới bởi bàn tay các nhà đoạt giải Nobel vật lí năm nay.

Kostya Novoselov và Andre Geim, hiện đang làm việc tại trường đại học Manchester, Anh quốc, lần đầu tiên tách li graphene vào năm 2004. Đó là một công việc tài tình, đúng như người ta trông đợi đối với một công trình đạt giải Nobel, dẫu rằng phương pháp của họ là sử dụng một miếng băng dính kiểu bình thường để bóc ra khỏi bề mặt từng lớp chất một. Họ nhận thấy graphene là dạng mỏng nhất và bền nhất của carbon, và nó có thể dẫn nhiệt tốt hơn bất kì chất liệu nào đã biết. Là một chất dẫn điện, nó dẫn điện tốt như đồng vậy. Những nỗ lực gần đây nhất của họ đã đưa đến một chất liệu dẫn xuất mới bền và ổn định hơn cả graphene gốc, nhưng nó không dẫn điện: đó là fluorographene.

Bản thân graphene là một lớp đơn nguyên tử của chất liệu graphite, chất thường thấy trong bút chì. Ở cấp độ phân tử, nó có một cấu trúc phẳng dạng xốp tổ ong gồm các hình lục giác liên kết với các nguyên tử carbon tại các nút mạng. Các đám mây electron phân tán khắp phía trên và phía dưới của các bề mặt, đó là nguyên do vì sao chất liệu này lại dẫn điện tốt như vậy.

Thành tựu hiện nay của nhóm Manchester, hợp tác chặt chẽ với các cộng tác viên quốc tế, là đặt một nguyên tử fluorine vào mỗi nguyên tử carbon, từ đó phá hỏng đám mây electron và ngăn cản dòng điện chạy dưới những điều kiện bình thường, nhưng không tác động đến tính nguyên vẹn cấu trúc của mạng lưới carbon. Trong nghiên cứu trước đây, họ đã thêm các nguyên tử hydrogen thay vì fluorine, nhưng họ nhận thấy chất liệu thu được không bền ở nhiệt độ cao.

Đột phá mới nhất trên được công bố trong số ra tuần này của tạp chí Small. Rahul Raveendran-Nair là một nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại trường đại học Manchester và là người chịu trách nhiệm công bố. Ông mô tả luorographene là “chất cách điện khả dĩ mỏng nhất, chế tạo bằng cách gắn các nguyên tử fluorine vào mỗi nguyên tử carbon trong graphene. Nó là chất dẫn xuất lượng pháp đầu tiên của graphene và nó là một chất bán dẫn khe rộng. Fluorographene bền về mặt cơ học và là hợp chất ổn định về mặt hóa học và nhiệt học. Các tính chất của chất liệu mới này rất giống với Teflon và chúng tôi gọi chất liệu này 2D Teflon.”

Việc phát triển một phương pháp thích hợp để chế tạo chất liệu 2D Teflon này thật không đơn giản. “Fluorine là một nguyên tố có hoạt tính cao, và nó phản ứng với hầu như mọi thứ. Cho nên, thách thức chủ yếu là làm sao fluorine hóa trọn vẹn graphene mà không làm hỏng mất graphene và các chất nền của nó. Phương pháp fluorine hóa các màng graphene đơn lớp của chúng tôi trên lưới nền trơ về mặt hóa học và khối giấy graphene ở nhiệt độ cao khắc phục được trở ngại kĩ thuật này”, Raveendran-Nair giải thích.

Các tác giả hình dung rằng fluorographene sẽ được sử dụng trong điện tử học, nhưng họ hiểu rằng “đối với các ứng dụng điện tử thực tế thì chất lượng điện tử phải có sự cải tiến. Chúng tôi hi vọng có thể sớm thu được sự cải tiến này. Một số ứng dụng điện tử có thể có của fluorographene là sử dụng nó làm rào cản đường hầm và là chất cách điện chất lượng cao hoặc chất liệu rào cản cho điện tử học hữu cơ”. Những lĩnh vực ứng dụng khác cũng có khả năng. Thí dụ, là một chất bán dẫn khe rộng hoàn toàn trong suốt với ánh sáng khả kiến, fluorographene cũng có thể tìm thấy ứng dụng trong LED (diode phát quang) và các màn hiển thị.

Nhóm Manchester không phải là nhóm duy nhất tham gia, mà các cộng tác viên đến từ Trung Quốc (Phòng thí nghiệm Quốc gia khoa học vật liệu Shenyang), Hà Lan (Đại học Nijmegen Radboud), Ba Lan (Viện Công nghệ vật liệu Điện tử), và Nga (Viện Hóa học Vô cơ Nikolaev) cũng đóng góp chuyên môn của họ. Theo Raveendran-Nair, việc có một đội hợp tác quy mô như vậy đã giúp họ thực hiện nghiên cứu fluorographene một cách thấu đáo: “Tất cả chúng tôi đều làm việc rất vất vả để cho dự án này thành công. Chúng tôi đã sử dụng nhiều kĩ thuật mô tả đặc trưng đa dạng và các nghiên cứu rất cụ thể để tìm hiểu các tính chất của chất liệu mới này”.

Trong quá trình thực thi dự án, các cá nhân lãnh đạo là các tên tuổi đạt giải Nobel, nhưng rõ ràng cuộc sống làm việc trong nhóm không thay đổi gì nhiều lắm. “Mặc dù cuộc sống mới có nhiều bận rộn, song hai vị giáo sư vẫn làm việc rất gần gũi với tất cả thành viên trong nhóm và tham gia rất nhiều trong công việc nghiên cứu từng ngày”, Raveendran-Nair nói.

Nguồn: PhysOrg.com
Ngày: 04/11/2010