Các đặc điểm và ứng dụng của Graphene
Graphene là vật liệu hai chiều gồm các nguyên tử cacbon liên kết theo cấu trúc hình lục giác, tạo thành lớp dày một nguyên tử. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ các đặc tính vượt trội.
1. Graphene là gì?
Graphene là một dạng thù hình của cacbon, bao gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo cấu trúc mạng tinh thể hình lục giác, tạo thành một lớp phẳng dày một nguyên tử. Graphene được chiết xuất từ than chì, một vật liệu phổ biến trong tự nhiên.
Một milimet than chì chứa ba triệu lớp graphene. Mặc dù là vật liệu mỏng nhất từng được biết đến, graphene lại cực kỳ bền chắc.
2. Graphene được phát hiện như thế nào?
Mặc dù được nghiên cứu lý thuyết từ những năm 1940, graphene chỉ được phân tách thành công vào năm 2002 bởi Andre Geim và Kostya Novoselov tại Đại học Manchester. Họ đã sử dụng một phương pháp đơn giản đến bất ngờ: dùng băng dính bóc tách các lớp graphene từ than chì. Phát hiện đột phá này đã mang về cho họ giải Nobel Vật lý năm 2010.
Kể từ đó, các phương pháp sản xuất graphene đã được cải tiến đáng kể, cho phép tạo ra các tấm graphene với kích thước lớn hơn và chất lượng tốt hơn.
Geim và bạn đồng nghiệp của ông đã nhận giải Nobel vật lý vào năm 2010. Nguồn: Internet
3. Graphene được sản xuất như thế nào?
Việc sản xuất graphene chất lượng cao với chi phí hợp lý vẫn là một thách thức. Dưới đây là một số phương pháp sản xuất graphene phổ biến:
3.1. Phân cắt vi cơ
Phương pháp này tương tự như cách Geim và Novoselov đã làm, sử dụng băng dính để bóc tách graphene từ than chì. Tuy đơn giản nhưng phương pháp này không phù hợp để sản xuất graphene trên quy mô lớn.
Sơ đồ của quá trình phân tách vi cơ. Nguồn: Internet
3.2 Tẩy tế bào chết pha lỏng (LPE)
Sử dụng dung môi và sóng siêu âm để tách graphene từ than chì. Phương pháp này có tiềm năng nhưng vẫn gặp nhiều khó khăn trong việc ứng dụng trên quy mô lớn.
Tẩy tế bào chết pha lỏng (LPE). Nguồn: Internet
3.3 Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Phương pháp này sử dụng phản ứng hóa học trong pha hơi để tạo ra graphene trên một chất nền. CVD là một trong những phương pháp tiềm năng nhất để sản xuất graphene chất lượng cao với quy mô lớn.
Lắng đọng hơi hóa học (CVD). Nguồn: Internet
3.4 Flame synthesis
Sử dụng ngọn lửa để tổng hợp graphene. Phương pháp này được đánh giá là tiết kiệm chi phí nhưng chất lượng graphene tạo ra chưa cao.
Flame synthesis. Nguồn: Internet
3.5 Lắng đọng laser xung (PLD)
Sử dụng laser để bốc hơi vật liệu graphite và lắng đọng graphene trên chất nền. PLD cho phép tạo ra graphene chất lượng cao nhưng chi phí sản xuất còn cao.
Lắng đọng laser xung (PLD). Nguồn: Internet
4. Các đặc tính của Graphene
Graphene sở hữu nhiều đặc tính vượt trội, bao gồm:
- Độ dẫn nhiệt cao
- Độ dẫn điện cao
- Độ đàn hồi và tính linh hoạt cao
- Độ cứng cao (cứng hơn thép 200 lần)
- Kháng bức xạ ion hóa
- Có khả năng tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời
- Trong suốt
- Mật độ cao
- Tác dụng kháng khuẩn
- Hiệu ứng Joule thấp
- Tiêu thụ điện năng thấp
5. Các ứng dụng của Graphene
Nhờ các đặc tính vượt trội, graphene có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điện tử, năng lượng, y sinh, vật liệu composite,...
Ví dụ, graphene có thể được sử dụng để sản xuất vi mạch, bóng bán dẫn, pin mặt trời, pin ô tô điện, cảm biến y tế,...
6. Các ứng dụng thực tế với graphene
6.1. Nhãn bảo mật
Graphene được sử dụng trong nhãn bảo mật chống hàng giả, hàng nhái. Nhờ tính dẫn điện, nhãn có thể phát ra âm thanh cảnh báo khi bị tác động hoặc tháo rời trái phép.
6.2. Lưỡi dao Padel
Graphene được sử dụng để gia cường độ bền và độ cứng cho lưỡi dao Padel, giúp tăng tuổi thọ sản phẩm.
6.3. Cảm biến y tế
Khả năng phát hiện lượng chất cực nhỏ của graphene được ứng dụng trong cảm biến y tế, giúp phát hiện các phân tử bệnh lý với độ chính xác cao.
7. Suy xét về Graphene
Mặc dù có tiềm năng lớn, việc sản xuất graphene với chi phí thấp vẫn là một thách thức. Giá thành cao đang hạn chế ứng dụng rộng rãi của graphene trong nhiều sản phẩm.
Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, graphene được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai, mang lại nhiều ứng dụng đột phá trong cuộc sống.
Bài viết được dịch từ: What is graphene? Graphene characteristics and applications
