Graphene là một vật liệu mới nổi giúp ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các lĩnh vực cuộc sống bởi những tính chất cực kỳ ưu việt. Tuy nhiên vật liệu này lại chưa thực sự được nhiều người biết đến. Vậy Graphene là gì? Có ứng dụng như thế nào? Cùng Coolmate tìm hiểu ngay nhé.
1. Graphene là gì?
Graphene là một dạng thù hình của carbon bao gồm một lớp (đơn lớp) nguyên tử carbon được sắp xếp, liên kết chặt chẽ với nhau trong một mạng tổ ong hai chiều.
Mỗi nguyên tử cacbon trong tấm graphene liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác ở các góc giống hệt nhau, tạo thành một cấu trúc phẳng giống như tổ ong. Tương tự như kim cương - graphene là một tinh thể carbon ba chiều, nơi mọi nguyên tử được kết nối với bốn người hàng xóm - những liên kết bền chặt này mang lại cho cấu trúc độ bền đáng kể.
Các lớp graphene xếp chồng lên nhau tạo thành graphite, với khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,335 nanomet. Các lớp graphene riêng biệt trong graphite được giữ với nhau bằng lực van der Waals, lực này có thể bị tách ra trong quá trình tách graphene khỏi graphite.
Có khoảng 3 triệu lớp graphene trong một tấm graphit dày 1 mm. Theo thuật ngữ khoa học: Các đặc điểm đặc biệt của graphene bắt nguồn từ các obitan 2p, tạo thành các dải trạng thái π phân chia vị trí trên tấm cacbon cấu thành nên graphene.
Graphene là vật liệu mạnh nhất được biết đến bởi nó cứng hơn kim cương nhưng đàn hồi hơn cao su; cứng hơn thép nhưng nhẹ hơn nhôm. Nhờ cấu trúc độc đáo của graphene, nó sở hữu những đặc điểm đáng kinh ngạc khác: Tính linh động điện tử cao, nhanh hơn silicon 100 lần; Graphene dẫn nhiệt tốt hơn kim cương gấp 2 lần; độ dẫn điện của graphene cũng tốt hơn 13 lần so với đồng.
Ngoài ra, Graphene chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng phản xạ; nó không thấm nước nên ngay cả nguyên tử nhỏ nhất (heli) cũng không thể đi qua tấm graphene đơn lớp không có khuyết điểm. Với diện tích bề mặt lên tới 2.630 mét vuông mỗi gam có nghĩa là với ít hơn 3 gam, bạn có thể bao phủ toàn bộ một sân bóng.
Graphene là hợp chất mỏng nhất mà con người biết đến với độ dày một nguyên tử, vật liệu nhẹ nhất được biết đến (với 1 mét vuông nặng khoảng 0,77 miligam), hợp chất mạnh nhất được phát hiện (mạnh hơn thép từ 100-300 lần với độ bền kéo 130 GPa và 1 Young's modulus là 1 TPa - 150.000.000 psi), chất dẫn nhiệt tốt nhất ở nhiệt độ phòng (ở (4,84 ± 0,44) × 10 ^ 3 đến (5,30 ± 0,48) × 10 ^ 3 W · m − 1 · K − 1 ) và cũng là chất dẫn điện tốt nhất được biết đến (các nghiên cứu đã chỉ ra tính linh động của điện tử ở các giá trị hơn 200.000 cm2 · V − 1 · s − 1 ).
Graphene đại diện cho một loại vật liệu mới về mặt khái niệm chỉ dày một nguyên tử, được gọi là vật liệu hai chiều (2D) (chúng được gọi là 2D vì chúng chỉ mở rộng theo hai chiều: chiều dài và chiều rộng; vì vật liệu chỉ dày một nguyên tử, chiều thứ ba, chiều cao, được coi là bằng không). Và chỉ ở trạng thái đơn hoặc ít lớp này, các đặc tính tuyệt vời của graphene mới xuất hiện.
Các đặc tính đáng chú ý khác của graphene là sự hấp thụ đồng đều ánh sáng của nó qua các phần nhìn thấy và cận hồng ngoại của quang phổ(πα ≈ 2,3%), và khả năng thích hợp của nó để sử dụng trong vận chuyển spin .
Bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng carbon là nguyên tố có nhiều thứ hai trong cơ thể con người và là nguyên tố phong phú thứ tư trong vũ trụ (tính theo khối lượng), sau hydro, heli và oxy. Điều này làm cho carbon trở thành cơ sở hóa học cho tất cả sự sống đã biết trên trái đất, làm cho graphene có khả năng trở thành một giải pháp bền vững, thân thiện với môi trường cho một số lượng ứng dụng gần như vô hạn.
Kể từ khi phát hiện ra graphene, các ứng dụng trong các ngành khoa học khác nhau đã bùng nổ, với những lợi ích to lớn được tạo ra, đặc biệt là trong thiết bị điện tử tần số cao , cảm biến sinh học, hóa học và từ tính , bộ tách sóng quang băng thông cực rộng và lưu trữ và tạo ra năng lượng.
2. Graphene được phát hiện như thế nào?
Graphene lần đầu tiên được nghiên cứu về mặt lý thuyết vào những năm 1940. Vào thời điểm đó, các nhà khoa học cho rằng vật chất hai chiều là không thể tồn tại về mặt vật lý, vì vậy họ không theo đuổi việc cô lập graphene.
Nhiều thập kỷ sau, sự quan tâm đến vấn đề này dần tăng lên và các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm ra kỹ thuật bóc tách than chì. Họ đã cố gắng chèn các phân tử giữa các lớp graphene, cạo và cọ xát graphite, nhưng vẫn chưa thể nào tách được một lớp duy nhất. Cuối cùng, họ đã có thể tách riêng graphene trên các vật liệu khác, nhưng không phải chỉ riêng graphene.
Năm 2002, nhà nghiên cứu Andre Geim của Đại học Manchester bắt đầu quan tâm đến graphene và thách thức một nghiên cứu sinh tiến sĩ đánh bóng một khối than chì thành càng ít lớp càng tốt. Nghiên cứu sinh có thể đạt được 1.000 lớp, nhưng không thể đạt được mục tiêu của Geim là 10 đến 100 lớp. Geim đã thử một cách tiếp cận khác: băng. Ông bôi nó lên than chì và bóc nó ra để tạo ra những mảnh graphene nhiều lớp. Nhiều lần bóc băng hơn tạo ra các lớp mỏng hơn và mỏng hơn, cho đến khi ông có một miếng graphene dày 10 lớp.
Nhóm của Geim đã làm việc để tinh chỉnh kỹ thuật của họ và cuối cùng tạo ra một lớp nguyên tử carbon. Họ đã công bố những phát hiện của mình trên tạp chí “Science” vào tháng 10 năm 2004. Geim và đồng nghiệp của ông Kostya Novoselov đã nhận giải Nobel vật lý năm 2010 cho công trình của họ.
Kể từ những mảnh đầu tiên được làm bằng băng keo, việc sản xuất graphene đã được cải thiện với tốc độ nhanh chóng. Năm 2009, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một màng graphene có chiều ngang 30 inch.
3. Graphene được sản xuất như thế nào?
Như đã đề cập, graphene được coi là vật liệu thông minh cho nhiều mục đích công nghiệp tiên tiến bởi những đặc tính tuyệt vời của nó. Kể từ khi graphene được phát hiện, các nhà công nghiệp đã tìm ra các phương pháp chế tạo phù hợp để tạo ra các phương pháp luận chất lượng cao, ổn định, năng suất cao và mang lại hiệu quả về chi phí.
Phương pháp chế tạo graphene là một nhiệm vụ đầy thách thức, bởi vì việc sử dụng vật liệu này cho các ứng dụng khác nhau chủ yếu phụ thuộc vào các phương pháp chế tạo ở quy mô lớn.
3.1. Phân cắt vi cơ
Phân cắt vi cơ là phương pháp sản xuất vật liệu dựa trên graphene, bao gồm việc bóc tách graphite nhiệt phân được sắp xếp theo thứ tự có hệ thống bằng cách sử dụng băng dính. Đây là một phương pháp sản xuất graphene, trong quá trình này, graphene được tách ra khỏi các tinh thể graphite
Phân tách là phương pháp được sử dụng để sản xuất graphene bằng cách bóc nó ra khỏi graphite. Sau khi hoàn thành việc bóc tách, nhiều lớp graphene vẫn còn trên băng. B được cắt thành nhiều mảnh khác nhau, có vài lớp bằng cách liên tục bóc graphene nhiều lớp.
Trong quá trình này, các lớp graphene được liên kết mạnh mẽ bằng liên kết van der Waals. Sơ đồ của quá trình tẩy tế bào chết vi cơ được thể hiện trong ảnh. Đây là phương pháp sản xuất đơn giản dễ dàng để sản xuất vật liệu graphene, nhưng nó không thích hợp cho việc phát triển vật liệu graphene trên quy mô lớn.
3.2 Tẩy tế bào chết pha lỏng (LPE)
Tẩy tế bào chết pha lỏng là phương pháp sản xuất vật liệu graphene bằng cách sử dụng dung môi như axit axetic, axit sulfuric và hydrogen peroxide, để tẩy tế bào chết graphit thông qua siêu âm. Phương pháp Sonication được sử dụng trong LPE để tẩy graphene khỏi vật liệu graphite, vì graphite chứa các lớp graphene khác nhau được gắn bởi lực Van der Waals.
Phương pháp này được sử dụng để tạo ra các băng nano graphene, nhưng việc phát triển graphene trên quy mô lớn cũng là một nhiệm vụ khó khăn trong khi sử dụng phương pháp này.
Biểu diễn sơ đồ của quy trình LPE
3.3 Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Có một số phương pháp khác nhau để sản xuất graphene. Một trong những phương pháp phổ biến nhất trong sản xuất graphene một lớp là lắng đọng hơi hóa chất tăng cường trong huyết tương (PE-CVD). Trong phương pháp này, một hỗn hợp khí - trong đó ít nhất một khí chứa cacbon - được nung nóng cho đến khi hình thành plasma. Bộ điều khiển và đồng hồ đo lưu lượng khối lượng được sử dụng trong quy trình CVD để định lượng khí và chất lỏng một cách chính xác.
CVD là một trong những phương pháp lắng đọng quan trọng được sử dụng để chuyển tiếp kim loại. Trong quá trình CVD, niken và đồng được sử dụng để sản xuất graphene quy mô lớn. Trong quá trình CVD, màng chất xúc tác kim loại lắng đọng trên bề mặt. Quá trình ăn mòn hóa học được thực hiện trên vật liệu lắng đọng trên chất nền. Sau khi ăn mòn hóa học, một hỗn hợp có chứa carbon được đưa vào buồng phản ứng. Chất lượng của graphene thu được từ quá trình CVD là chất lượng cao.
Trong PE-CVD, plasma tạo thành một lớp graphene trên nền niken hoặc đồng. Quá trình sưởi ấm diễn ra trong chân không, nhưng quá trình CVD 'xanh' hơn cũng có thể được sử dụng, trong đó quá trình sưởi ấm diễn ra dưới áp suất khí quyển. Bằng cách sử dụng hóa chất lắng đọng hơi có thể tạo ra các tấm graphene lớn.
Một số tiền chất là chất lỏng cần được làm bay hơi trước để được sử dụng trong quá trình CVD ở dạng khí. Điều rất quan trọng là plasma được tạo ra với tỷ lệ và độ chính xác phù hợp. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các thiết bị đo lưu lượng có độ chính xác cao.
Sự sai lệch trong huyết tương có thể gây ra các khuyết điểm trong lớp graphene. Các khiếm khuyết có thể là các tạp chất trong cấu trúc 2D có thể làm thay đổi các đặc tính độc đáo của vật liệu.
3.4 Flame synthesis
Flame synthesis là phương pháp sản xuất graphene hàng loạt được sử dụng rộng rãi để tạo ra các hạt nano. Phương pháp này không được áp dụng tốt để sản xuất graphene so với phương pháp lắng đọng hơi hóa học.
Một số nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng Flame Synthesis để chế tạo vật liệu graphene do những ưu điểm của nó như khả năng mở rộng và hiệu quả chi phí. Một số nhà nghiên cứu cho rằng phương pháp này có tiềm năng sản xuất graphene một cách kinh tế
2.5 Lắng đọng laser xung (PLD)
PLD là một phương pháp tiếp cận tăng trưởng được sử dụng rộng rãi để sản xuất hầu hết các loại vật liệu. Trong quá trình PLD, nguồn năng lượng laser ở bên ngoài buồng; và buồng được duy trì chân không siêu cao. Trong quá trình này, vật liệu được lắng đọng theo một góc 45 ° bằng phương pháp chuyển khối giữa mục tiêu đã mài mòn và vật liệu nền.
Trong quá trình này, chất nền được thêm vào bề mặt của nó song song với mục tiêu ở khoảng cách 2–10 mm. Ưu điểm chính của quy trình PLD là tốc độ tăng trưởng nhiệt độ thấp đạt được để tạo ra graphene chất lượng cao mà không có khuyết điểm.
4. Những tính năng vượt trội của Graphene
4.1. Ưu điểm
Cực chắc
Độ bền kéo: 130 GPa
Mô-đun đàn hồi: 1 TPa.
Sẽ phải cần một con voi, cân bằng trên một cây bút chì để phá vỡ một tấm graphene có độ dày của màng bám
Dẫn điện tốt
Độ dẫn điện: 0,96x106 Ω-1cm-1
Tính di động của điện tử: 200,000 cm2/V.s
Độ dẫn điện tốt hơn đồng, độ linh động của hạt tải điện cao hơn silicon 200 lần
Siêu nhẹ
Trọng lượng 1m2 = 0,77mg
Nhẹ hơn nhưng chắc hơn: 1m2 graphene đơn lớp nặng 0,77 mg, tương đương với trọng lượng của sợi tóc người dài ∼1 mm
Dẫn nhiệt tốt
Dẫn nhiệt: 5000 W / m.K
Dẫn nhiệt nhanh hơn gấp 12 lần đồng
Có độ bóng, độ bền cao
Do có cấu trúc hai chiều dạng tổ ong nên graphene có độ bền cơ học cao, kết hợp với khả năng chống thấm nước, độ bóng bề mặt cao đã giúp chất liệu này trở thành một trong những lựa chọn hoàn hảo đối với các lĩnh vực công nghệ composite, hấp phụ và điện cực điện hóa.
Độ bền cơ học của graphene rất ấn tượng (Nguồn: Báo Khánh Hòa)
4.2 Nhược điểm
Mặc dù sở hữu rất nhiều ưu điểm vượt trội kể trên, nhưng graphene vẫn có một số điểm hạn chế. Vậy nhược điểm của graphene là gì?
Để có thể sử dụng graphene thì bề mặt phải được làm sạch, tẩy nhờn chất nền đúng cách để đảm bảo khả năng bám dính và tăng hiệu suất hoạt động của lớp phủ. Tùy từng dạng gốc graphene mà quy trình xử lý cũng có độ phức tạp khác nhau. Thêm vào đó, graphene có giá thành cao và quá trình sản xuất phức tạp, khó khăn. Quá trình sản xuất graphene có thể cần sử dụng đến một số hoá chất độc hại gây hại tới môi trường.
Graphene có mức giá thành cao vì quy trình sản xuất phức tạp (Nguồn: ImecE)
5. Graphene có độc hại hay không?
Mặc dù graphene được rất nhiều nhà khoa học tìm hiểu và cải tiến nhưng các kết quả nghiên cứu gần đây vẫn chỉ ra chất liệu này không thân thiện với môi trường và con người. Ở dạng phân tử, graphene có độ sắc bén cao, có thể gây ra tổn thương vật lý cho sinh vật sống tiếp xúc trực tiếp.
Thêm vào đó, đối với cấu trúc nano graphene thì các hạt này có khuynh hướng ổn định trong môi trường nước, ảnh hưởng trực tiếp đến vật chất hữu cơ và hệ sinh thái thủy sinh. Do đó, để có thể sử dụng graphene phổ biến thì còn cần rất nhiều nghiên cứu điều chỉnh và cải tiến ứng dụng của chất liệu này trong đời sống hiện đại.
Graphene được đánh giá không thân thiện với môi trường và con người (Nguồn: Azonano)
6. Những ứng dụng của Graphene trong cuộc sống
Lưu trữ năng lượng và pin mặt trời
Vật liệu nano dựa trên Graphene có nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng. Một số ví dụ có thể kể đến như: Graphene cải thiện cả dung lượng năng lượng và tốc độ sạc trong pin sạc lại được; graphene hoạt hóa tạo ra siêu tụ điện ưu việt để lưu trữ năng lượng; điện cực graphene có thể dẫn đến một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để chế tạo pin mặt trời không đắt, nhẹ và linh hoạt; và thảm graphene đa chức năng là chất nền đầy hứa hẹn cho các hệ thống xúc tác .
Các nhà nghiên cứu cũng đã phát hiện ra mối quan hệ quan trọng và bất ngờ giữa khiếm khuyết về cấu trúc/hóa học của graphene như một vật liệu chủ cho các điện cực và khả năng ngăn chặn sự phát triển của các đuôi gai - cặn dạng sợi giống như nhánh trên các điện cực có thể xuyên qua rào cản giữa hai nửa của pin và có khả năng gây chập điện, quá nhiệt và cháy.
Những ví dụ này nêu bật bốn lĩnh vực chính liên quan đến năng lượng mà graphene sẽ có tác động: pin mặt trời, siêu tụ điện, pin graphene và xúc tác cho pin nhiên liệu.
Do đặc tính vận chuyển điện tử tuyệt vời và tính linh động của hạt tải điện cực cao, graphene và các vật liệu đơn lớp dải băng trực tiếp khác như dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMDCs) và phốt pho đen cho thấy tiềm năng lớn được sử dụng với chi phí thấp, linh hoạt và hiệu quả cao thiết bị quang điện. Chúng là những vật liệu hứa hẹn nhất cho các tế bào năng lượng mặt trời tiên tiến .
Một bài báo đánh giá xuất sắc (Phương pháp tiếp cận hóa học đối với vật liệu nano dựa trên Graphene và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng ) cung cấp tổng quan ngắn gọn về nghiên cứu gần đây liên quan đến các phương pháp tiếp cận hóa học và nhiệt nhằm sản xuất vật liệu nano dựa trên graphene được xác định rõ và các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng.
Tuy nhiên, các tác giả lưu ý rằng trước khi các thiết bị và vật liệu nano dựa trên graphene được sử dụng rộng rãi trong thương mại, hai vấn đề quan trọng phải được giải quyết: một là việc điều chế các vật liệu nano dựa trên graphene với cấu trúc được xác định rõ, và hai là chế tạo có thể kiểm soát được các vật liệu này thành các thiết bị chức năng.
Ứng dụng cảm biến Graphene
Graphene chức năng hóa hứa hẹn đặc biệt cho các cảm biến sinh học và hóa học. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc 2D đặc biệt của graphene oxide (GO), kết hợp với khả năng siêu siêu thấm của nó với các phân tử nước, dẫn đến các thiết bị cảm biến với tốc độ chưa từng có.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng hơi hóa học làm thay đổi phổ nhiễu của bóng bán dẫn graphene, cho phép chúng thực hiện cảm biến khí có chọn lọc đối với nhiều hơi bằng một thiết bị duy nhất làm bằng graphene nguyên sinh - không cần chức năng hóa bề mặt graphene.
Một cách tiếp cận khá hay là kết nối cảm biến nano graphene thụ động, không dây với vật liệu sinh học thông qua hấp thụ sinh học tơ như được chứng minh bằng hình xăm cảm biến nano graphene trên răng theo dõi vi khuẩn trong miệng của bạn .
Hình ảnh quang học của cảm biến không dây graphene được truyền sinh học lên bề mặt của răng. (Hình ảnh: McAlpine Group, Đại học Minnesota)
Các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu làm việc với bọt graphene - cấu trúc ba chiều của các tấm graphene liên kết với nhau có độ dẫn điện cực cao. Những cấu trúc này rất có triển vọng làm cảm biến khí và như cảm biến sinh học để phát hiện bệnh.
Màng Graphene
Màng graphene được sử dụng cho nhiều mục đích đa dạng, từ lọc nước, chẳng hạn cho mục đích khử muối; tách khí công nghiệp, chẳng hạn như thu giữ CO2; hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn (màng phân tách cho pin dòng oxy hóa khử); hoặc làm màng lọc trong công nghiệp thực phẩm (ví dụ để lọc lactose từ sữa).
Màng nanofluidic dựa trên vật liệu 2D là vật liệu đầy hứa hẹn cho quá trình khử mặn và lọc nước thế hệ tiếp theo. Ví dụ, màng graphene oxit nguyên sinh và đã được biến đổi về mặt hóa học (GOM) có hiệu quả ngăn chặn thuốc nhuộm hữu cơ và các hạt nano nhỏ đến 9 Å. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh một phương pháp khử mặn mới với khả năng loại bỏ muối gần như hoàn hảo và lưu lượng nước cao .
Màng Graphene cũng được đề xuất để thu giữ carbon , tức là loại bỏ CO 2 khỏi khí thải để ngăn nó xâm nhập vào khí quyển. Hiện tại, điều này được thực hiện bởi các màng hiệu suất cao được làm từ polyme có thể đặc biệt loại bỏ CO 2 từ hỗn hợp khí. Một lớp màng hiệu suất cao mới được đề xuất vượt quá các mục tiêu bắt giữ sau đốt với một biên độ đáng kể. Các màng này dựa trên graphene một lớp với lớp chọn lọc mỏng hơn 20 nm và có thể điều chỉnh cao về mặt hóa học.
Graphene đơn lớp cũng được đề xuất để tách khí công nghiệp. Tách các khí hỗn hợp, chẳng hạn như không khí, thành các thành phần riêng lẻ của chúng là một quá trình có nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm sản xuất khí sinh học, làm giàu không khí trong quá trình gia công kim loại, loại bỏ khí độc từ khí tự nhiên và thu hồi hydro từ các nhà máy amoniac và nhà máy lọc dầu.
Tuy nhiên, quá trình phát triển graphene đã gặp phải hai điểm khó khắn: Thứ nhất, thiếu các phương pháp để kết hợp các lỗ có kích thước phân tử vào lớp graphene, và thứ hai, thiếu các phương pháp để thực sự sản xuất cơ học mạnh mẽ, không bị nứt và không bị rách, màng có diện tích lớn.
Trong một bước đột phá giải quyết được cả hai vấn đề, các nhà khoa học đã phát triển một màng graphene một lớp diện tích lớn có thể tách hydro khỏi metan với hiệu suất cao (hệ số phân tách lên đến 25) và độ thấm hydro chưa từng có từ một độ xốp chỉ 0,025%.
Ngoài ra một ứng dụng khác liên quan nhiều đến việc lọc nước, phương pháp làm sạch nước lợ tương đối mới là công nghệ khử ion điện dung (CDI). Ưu điểm của CDI là không có ô nhiễm thứ cấp, tiết kiệm chi phí và năng lượng.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một ứng dụng CDI sử dụng các bông nano giống graphene làm điện cực để khử ion điện dung. Họ phát hiện ra rằng các điện cực graphene mang lại hiệu suất CDI tốt hơn so với các vật liệu than hoạt tính được sử dụng thông thường.
Công dụng y sinh của graphene
Graphene gần đây mới được tìm thấy trong các ứng dụng y sinh. Hầu hết các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực này tập trung vào việc sử dụng graphene như một cảm biến sinh học. Nghĩa là Graphene được coi như một phương tiện thụ động, theo dõi một số kích thích bên ngoài, bằng cách vận dụng tính chất điện trở của graphene phụ thuộc mạnh mẽ vào các trường điện và tín hiệu lân cận.
Nhưng ứng dụng này được kế thừa từ việc sử dụng dây silicon, màng kim cương và ống nano carbon cho loại ứng dụng này.
Các ứng dụng mới của Graphene trong lĩnh vực y sinh là trong các liệu pháp tế bào gốc, trong đó graphene được sử dụng làm giàn giáo tương thích sinh học không cản trở sự tăng sinh của tế bào gốc trung mô người (hMSCs) và tăng tốc độ biệt hóa cụ thể của chúng thành tế bào xương.
Việc sử dụng các vật liệu dựa trên graphene trong công nghệ nano dược phẩm gần đây đã được chú ý nhiều hơn do cấu trúc hóa học và đặc tính hóa lý độc đáo của chúng — bao gồm diện tích bề mặt cực cao, độ dẫn quang, nhiệt và điện, và khả năng tương thích sinh học tốt.
Các bảng nano GO có xu hướng ưa nước và bề mặt chứa các nhóm phản ứng để tăng chức năng hoặc để tải thuốc thông qua các tương tác cộng hóa trị và không cộng hóa trị. Ngoài ra, vật liệu nano dựa trên graphene cũng có thể được xác định chức năng với các đầu dò chẩn đoán có đặc tính huỳnh quang hoặc phát quang và có thể nhắm mục tiêu các phối tử như protein, peptit, axit nucleic, kháng thể, lipid, carbohydrate và axit folic.
Trong các ứng dụng dược phẩm, vật liệu nano graphene có rất nhiều tiềm năng để cải thiện thời gian lưu thông thuốc, trong các hệ thống phân phối thuốc và gen đích, để hoạt động như các tác nhân điều trị và công cụ chẩn đoán, cũng như các tác nhân chẩn đoán nano graphene kết hợp cả phương pháp chẩn đoán và điều trị trong một hệ thống duy nhất.
Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát triển một kỹ thuật phân phối thuốc sử dụng các dải graphene làm “thảm bay” để phân phối tuần tự hai loại thuốc chống ung thư đến các tế bào ung thư , với mỗi loại thuốc nhắm vào phần riêng biệt của tế bào nơi nó sẽ hiệu quả nhất. Kỹ thuật này được phát hiện có hiệu quả tốt hơn so với một trong hai loại thuốc khi được thử nghiệm trên mô hình chuột nhắm vào khối u ung thư phổi ở người.
Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra cơ hội thay thế thuốc kháng sinh bằng chất quang nhiệt gốc graphene để bẫy và tiêu diệt vi khuẩn.
Trong nhiệm vụ xây dựng cơ bắp nhân tạo kéo dài nhiều thập kỷ, nhiều vật liệu đã được nghiên cứu về tính phù hợp của chúng đối với ứng dụng của cơ cấu truyền động (khả năng truyền động là khả năng của vật liệu có thể thay đổi kích thước một cách thuận nghịch dưới tác động của các kích thích khác nhau). Bên cạnh các cơ nhân tạo, các ứng dụng tiềm năng bao gồm hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), rô bốt vi mô và nano mô phỏng sinh học, và các thiết bị chất lỏng siêu nhỏ. Trong các thí nghiệm, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng các băng nano graphene có thể cung cấp khả năng truyền động .
Mực Graphene
Graphene có sự kết hợp độc đáo của các đặc tính lý tưởng cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo, bao gồm tính linh hoạt cơ học, độ dẫn điện cao và tính ổn định hóa học. Nhiều nỗ lực nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc chế tạo thiết bị điện tử dựa trên graphene thông qua các chiến lược in mực thông lượng cao.
Công thức mực graphene có thể in phun dẫn đến một con đường tốn ít chi phí hơn và có thể mở rộng để khai thác các đặc tính của graphene trong các công nghệ thế giới thực
Đọc thêm tại đây:
Bóng bán dẫn và bộ nhớ
Một số ứng dụng hứa hẹn nhất của graphene là trong điện tử (làm bóng bán dẫn và kết nối liên kết), máy dò (như phần tử cảm biến) và quản lý nhiệt (như bộ truyền nhiệt bên). Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường graphene (FET) đầu tiên - với cả cổng đáy và cổng trên - đã được chứng minh.
Đồng thời, để bất kỳ bóng bán dẫn nào hữu ích cho giao tiếp tương tự hoặc các ứng dụng kỹ thuật số, mức độ nhiễu tần số thấp của điện tử phải được giảm xuống mức có thể chấp nhận được
Các bóng bán dẫn trên cơ sở graphene được coi là sự kế thừa tiềm năng cho một số thành phần silicon hiện đang được sử dụng. Do thực tế là một điện tử có thể di chuyển nhanh hơn qua graphene so với silicon, vật liệu này cho thấy tiềm năng cho phép tính toán terahertz.
Thiết bị graphene: hình ảnh quang học của một thiết bị graphene
Trong bóng bán dẫn kích thước nano cuối cùng - được gọi là bóng bán dẫn đạn đạo - các điện tử tránh va chạm, tức là có một dòng điện hầu như không bị cản trở. Dẫn đường đạn đạo sẽ cho phép các thiết bị chuyển mạch cực kỳ nhanh chóng. Graphene có khả năng kích hoạt bóng bán dẫn đường đạn ở nhiệt độ phòng.
Trong khi graphene có tiềm năng cách mạng hóa thiết bị điện tử và thay thế các vật liệu silicon đang được sử dụng hiện nay, nó có gót chân Achilles: graphene nguyên sơ là bán kim loại và thiếu độ rộng vùng cấm cần thiết. để phục vụ như một bóng bán dẫn. Do đó cần thiết phải thiết kế các khoảng trống vùng cấm trong graphene.
Các thí nghiệm đã chứng minh lợi ích của graphene như một nền tảng cho bộ nhớ flash , cho thấy tiềm năng vượt quá hiệu suất của công nghệ bộ nhớ flash hiện tại bằng cách sử dụng các đặc tính nội tại của graphene.
Thiết bị điện tử linh hoạt, có thể co dãn và có thể gập lại
Thiết bị điện tử linh hoạt dựa trên đế có thể uốn cong và thiết bị điện tử thực sự có thể gập lại yêu cầu đế có thể gập lại với dây dẫn rất ổn định có thể chịu được sự gấp (tức là một cạnh trên đế tại điểm gấp, hình thành nếp nhăn và biến dạng vẫn còn ngay cả sau khi mở ra).
Điều đó có nghĩa là, ngoài chất nền có thể gấp lại như giấy, chất dẫn điện được đặt trên chất nền này cũng cần phải có thể gấp lại được. Để đạt được mục tiêu đó, các nhà nghiên cứu đã chứng minh một quy trình chế tạo mạch graphene có thể gập lại dựa trên nền giấy
Ảnh chụp các ứng dụng của graphene
Khả năng dẫn điện, độ bền và độ đàn hồi vượt trội của Graphene cũng đã khiến nó trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện tử có thể co giãn - một công nghệ nhằm sản xuất các mạch điện trên nền nhựa dẻo cho các ứng dụng như pin mặt trời có thể uốn cong hoặc da nhân tạo giống robot .
Các nhà khoa học đã phát minh ra một phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) để biến các tấm graphene thành bọt ba chiều xốp với độ dẫn điện cực cao. Bằng cách cho bọt này thấm vào một polyme gốc siloxan, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hỗn hợp graphene có thể xoắn, kéo căng và uốn cong mà không gây hại đến các tính chất cơ hoặc điện của nó
Bộ tách sóng quang
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng graphene có thể được sử dụng cho các ứng dụng viễn thông và phản ứng quang học phổ biến và yếu của nó có thể trở thành lợi thế cho các ứng dụng quang tử siêu nhanh. Họ cũng phát hiện ra rằng graphene có thể được khai thác tiềm năng như một chất hấp thụ bão hòa với phản ứng quang học rộng từ tia cực tím, khả kiến, tia hồng ngoại đến terahertz.
Có một mối quan tâm nghiên cứu rất lớn trong việc sử dụng graphene cho các ứng dụng trong quang điện tử. Các bộ tách sóng quang dựa trên graphene đã được thực hiện trước đây và tính phù hợp của graphene đối với khả năng phát hiện quang băng thông cao đã được chứng minh trong một liên kết dữ liệu quang 10 GBit/s
Một cách tiếp cận mới dựa trên việc tích hợp graphene vào một vi trọng lực quang học. Biên độ điện trường bên trong khoang tăng lên làm cho năng lượng bị hấp thụ nhiều hơn, dẫn đến phản ứng quang học tăng lên đáng kể
Lớp phủ
Việc phủ các vật thể bằng graphene có thể phục vụ các mục đích khác nhau. Ví dụ, các nhà nghiên cứu hiện đã chỉ ra rằng có thể sử dụng các tấm graphene để tạo ra một vật liệu phủ siêu kỵ nước thể hiện tính siêu kỵ nước ổn định trong cả điều kiện tĩnh cũng như động (tác động của giọt nước), do đó hình thành các cấu trúc chống thấm nước cực kỳ hiệu quả
Graphene cũng là lớp phủ mỏng nhất được biết đến trên thế giới để bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Người ta phát hiện ra rằng graphene, dù được làm trực tiếp trên đồng hoặc niken hoặc được chuyển sang một kim loại khác, đều cung cấp khả năng bảo vệ chống lại sự ăn mòn.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh việc sử dụng graphene làm lớp phủ dẫn điện trong suốt cho các thiết bị quang tử và cho thấy rằng độ trong suốt cao và điện trở suất thấp của nó làm cho tinh thể hai chiều này lý tưởng phù hợp cho các điện cực trong các thiết bị tinh thể lỏng (LCD).
Một ứng dụng phủ mới khác hữu ích cho các nhà nghiên cứu là việc chế tạo các đầu dò AFM cao phân tử được bao phủ bởi graphene một lớp để cải thiện hiệu suất của đầu dò AFM
Việc ghi trực tiếp bằng tia laser của graphene trên Kevlar làm cho quần áo bảo hộ trở nên 'thông minh'. Kevlar là một loại polymer có độ bền cao nổi tiếng, nhờ vào hiệu suất cơ học tuyệt vời, đã được tìm thấy trong nhiều ứng dụng an ninh quan trọng, đặc biệt là trong hàng dệt (ví dụ như áo chống đạn hoặc quần áo bảo hộ của lính cứu hỏa).
Hãy sẵn sàng cho thế hệ quần áo bảo hộ tiếp theo trở nên đa chức năng, tức là thông minh. Những vật liệu này sẽ không chỉ có thể bảo vệ cơ thể con người khỏi bị thương mà còn có các chức năng thông minh như giám sát các tín hiệu sinh lý và phát hiện các nguy cơ tiềm ẩn như khí, mầm bệnh hoặc bức xạ.
Các cấu trúc dị cấu trúc Van der Waals
Graphene cũng rất hấp dẫn để chế tạo các dị cấu trúc van der Waals hỗn hợp nhiều chiều có thể được thực hiện thông qua lai ghép graphene với các chấm lượng tử 0D hoặc các hạt nano, các cấu trúc nano 1D như dây nano hoặc ống nano carbon, hoặc vật liệu khối 3D.
Các mục đích sử dụng khác
Loa ngoài
Các đặc tính điện và cơ học phi thường của graphene đã được khai thác để tạo ra một bộ chuyển đổi điện/âm thanh rất hiệu quả. Loa graphene thử nghiệm này , không có bất kỳ thiết kế âm thanh tối ưu nào, rất dễ chế tạo và đã hoạt động tương đương hoặc tốt hơn so với các loa thương mại có kích thước tương tự và với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn nhiều.
Tai nghe Artisanphonics CB-01 Nanene® có màng chắn trong mỗi tai nghe được làm bằng graphene, vì vậy nó mỏng hơn nhiều nhưng vẫn có độ bền và độ bền như màng thông thường. Tuy nhiên, vì nó linh hoạt nên nó có thể được kiểm soát tốt hơn, cho phép tăng cường âm bổng và âm trầm.
Che chắn bức xạ
Graphene dường như là vật liệu hiệu quả nhất để che chắn nhiễu điện từ (EMI) . Các thí nghiệm cho thấy tính khả thi của việc chế tạo một tấm chắn EMI siêu mỏng, trong suốt, không trọng lượng và linh hoạt bằng một hoặc một vài lớp nguyên tử của graphene.
Quản lý nhiệt
Do mật độ công suất trong thiết bị điện tử ngày càng tăng nhanh, việc quản lý nhiệt sinh ra đã trở thành một trong những vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế máy tính và chất bán dẫn. Trên thực tế, tản nhiệt đã trở thành một vấn đề cơ bản của quá trình vận chuyển điện tử ở quy mô nano.
Đây là nơi graphene xuất hiện - nó dẫn nhiệt tốt hơn bất kỳ vật liệu nào đã biết khác. Vật liệu giao diện nhiệt (TIM) là thành phần thiết yếu của quản lý nhiệt và các nhà nghiên cứu đã đạt được sự cải tiến kỷ lục về độ dẫn nhiệt của TIM bằng cách bổ sung hỗn hợp graphene và graphene đa lớp được tối ưu hóa.
Một sản phẩm tiêu dùng gần đây trong lĩnh vực này là NanoCase cho iPhone X, iPhone 8/8 Plus và iPhone 7/7 Plus, có chứa một màng graphene giúp tản nhiệt dư thừa bên trong điện thoại một cách nhanh chóng.
Màng graphene có tên NanoGtech ™ được dán bên trong vỏ điện thoại. Vì vật liệu NanoGtech tiếp xúc với mặt sau của thiết bị nên nó sẽ tản nhiệt hiệu quả khỏi điện thoại thông minh. Nhiệt độ được giảm xuống và các thử nghiệm cho thấy (theo nhà sản xuất) rằng thiết bị có NanoGtech có thể hoạt động lâu hơn 20% so với thiết bị không có NanoGtech.
Che phủ
Khái niệm che phủ plasmonic dựa trên việc sử dụng một lớp phủ siêu vật liệu mỏng để ngăn chặn sự tán xạ từ một vật thể thụ động. Nghiên cứu cho thấy rằng ngay cả một lớp nguyên tử đơn lẻ, với các đặc tính dẫn điện thú vị của graphene, có thể đạt được chức năng này trong hình học phẳng và hình trụ. Điều này làm cho một lớp graphene trở thành chiếc áo tàng hình mỏng nhất có thể.
Bôi trơn
Trong thập kỷ qua, các vật liệu bôi trơn rắn khác nhau, các mẫu micro / nano và quy trình xử lý bề mặt đã được phát triển để hoạt động hiệu quả và kéo dài tuổi thọ trong các ứng dụng MEMS / NEMS và cho các quy trình chế tạo khác nhau như in thạch bản nanoimprint và in chuyển.
Một trong những cân nhắc quan trọng khi sử dụng chất bôi trơn rắn ở cấp độ vi mô và nano là độ dày của chất bôi trơn và sự tương thích của quá trình lắng đọng chất bôi trơn với sản phẩm mục tiêu. Graphene, với cấu trúc mỏng và mạnh về mặt nguyên tử với năng lượng bề mặt thấp, là một ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng này.
