Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo

Cơ sở của Giải thưởng Nobel Vật lí năm nay là một lớp bong mỏng của carbon thông thường, lớp này chỉ dày một nguyên tử. Andre Geim và Konstantin Novoselov đã chứng tỏ rằng carbon ở một dạng phẳng như vậy có các tính chất ngoại hạng phát sinh từ thế giới lượng tử vốn kì dị nhưng nhiều bí ẩn.

Graphene là một dạng carbon. Là một chất liệu hoàn toàn mới – nó không những mỏng nhất mà còn bền nhất nữa. Là một chất dẫn điện, nó dẫn điện tốt như đồng. Là một chất dẫn nhiệt, nó dẫn nhiệt tốt hơn mọi chất liệu đã biết khác. Nó hầu như hoàn toàn trong suốt, nhưng lại đậm đặc tới mức ngay cả helium, nguyên tử nhỏ nhất, cũng không thể qua mặt.

Hình 1. Graphene. Mạng tinh thể gần như hoàn hảo chỉ dày một nguyên tử. Nó gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành hình lục giác đan lại như tấm lưới.

Bởi vậy, bài báo về graphene công bố trên tạp chí Science, số tháng 10/2004, đã khuấy động rất nhiều xúc cảm trên khắp thế giới. Một mặt, các tính chất kì lạ của graphene cho phép các nhà khoa học kiểm tra các nền tảng lí thuyết của vật lí học. Mặt khác, rất nhiều ứng dụng thực tế giờ đã có thể hiện thực hóa, bao gồm việc chế tạo các chất liệu mới và sản xuất các dụng cụ điện tử tân tiến.

Carbon, cơ sở của mọi dạng sống đã biết trên trái đất, một lần nữa khiến chúng ta thật bất ngờ.

Bút chì, giấy và băng dính

Không thể nào dễ thu được graphene hơn nữa, chất liệu thần kì có nguồn gốc từ graphite thông thường, như graphite tìm thấy ở các thỏi bút chì. Tuy nhiên, những điều đơn giản nhất và hiển nhiên nhất thường lẩn tránh cái nhìn của chúng ta.

Graphene gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành một mạng phẳng – tương tự như cấu trúc tổ ong, nhưng khác là chỉ dày một nguyên tử thôi. Một mili mét graphite thật ra gồm ba triệu lớp graphene bám chồng lên nhau. Các lớp được giữ một cách yếu ớt và vì thế khá dễ bóc tách chúng ra. Ai đã từng viết bằng bút chì đều có kinh nghiệm này, và có khả năng, khi họ viết, chỉ một lớp carbon, tức graphene, đã bám lên trên trang giấy.

Đây là cái xảy ra khi Andre Geim và Konstantin Novoselov sử dụng băng dính để bóc những lớp bong mỏng ra khỏi một miếng graphite lớn bằng một phương pháp không có gì mới. Lúc đầu, họ thu được những lớp bong ra gồm nhiều lớp graphene, nhưng khi họ lặp lại 10 đến 12 lần bóc băng dính thì lớp bong mỗi lúc một mỏng hơn. Bước tiếp theo là tìm những mảnh graphene nhỏ xíu trong số những lớp graphite dày hơn và những mảng bong carbon khác. Đây là lúc ý tưởng sáng tạo thứ hai của họ xuất hiện: để có thể nhìn thấy kết quả của công trình tỉ mỉ của họ, các nhà khoa học ở Manchester quyết định gắn mấy miếng bong mỏng đó lên một đĩa silicon đã oxy hóa, chất liệu chuẩn trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Khi đặt cái đĩa đó vào một chiếc kính hiển vi thường, người ta có thể thấy một cầu vồng màu, tương tự như cái được nhìn thấy khi dầu loang trên mặt nước, và như vậy xác định được số lớp graphene trong lớp bong. Bề dày của lớp silicon dioxide bên dưới, hóa ra, lại thiết yếu trong việc vén màn bí mật graphene. Dưới kính hiển vi, graphene lúc này có thể trông rõ – một chất liệu kết tinh hai chiều đích thực tồn tại ở nhiệt độ phòng. Graphene là mạng lưới carbon đều đặn một cách hoàn hảo với chỉ hai chiều kích, rộng và dài. Đơn vị cơ sở của mẫu tinh thể này gồm sáu nguyên tử carbon liên kết hóa học với nhau. Graphene, cũng như một số dạng khác của carbon mà chúng ta biết, gồm hàng tỉ nguyên tử carbon liên kết với nhau theo khuôn mẫu hình lục giác.

Chờ đợi khám phá

Hình 2. Trích graphene từ graphite. Graphite là một chất liệu cơ bản tìm thấy trong tự nhiên. Khi tách mỏng ra, các tấm graphite trở thành graphene. Một lớp graphene cuộn lại thì thành ống nano carbon, còn khi cuộn tròn thành hình quả bóng đá thì nó thành fullerene. Tiềm ẩn bên trong graphite, graphene đang chờ đợi con người khám phá.

Tất nhiên, graphene luôn tồn tại; điều quan trọng là tìm ra nó. Tương tự, những dạng xuất hiện tự nhiên khác của carbon đã trình hiện trước các nhà khoa học khi họ nhìn chúng ở góc độ thích hợp: trước tiên là ống nano, sau đó là những quả bóng carbon, fullerene (Giải Nobel Hóa học 1996). Bị giữ trong graphite, graphene đang chờ được giải phóng (hình 2). Thật ra, chẳng ai nghĩ điều đó là có thể thực hiện.

Nhiều nhà khoa học nghĩ người ta không thể nào tách ra những chất liệu mỏng như vậy: chúng sẽ gấp nếp hoặc cuộn lại ở nhiệt độ phòng, hay thậm chí là hoàn toàn bị tan biến. Bất chấp như vậy, một số người vẫn thử cố gắng hết sức, mặc dù những nỗ lực trước đó nhằm thu lấy graphene đã thất bại. Trước đó, người ta đã có thể thu được những màng mỏng với bề dày chưa tới 100 nguyên tử - thật vậy, một số màng mỏng đến mức chúng trở nên trong suốt.

Một phương pháp thu lấy graphene từ graphite là đưa các chất hóa học vào giữa những lớp carbon nhằm làm yếu sự liên kết giữa chúng và sau đó tách các lớp ra. Một phương pháp nữa là bóc ra từng lớp graphite. Người ta cũng thử, thành công, “tước” silicon từ tinh thể silicon carbide. Ở những nhiệt độ rất cao, thì còn lại phía sau những lớp carbon mỏng. Các kĩ thuật khác nhau nuôi tinh thể mọc ghép, dùng để chế tạo các chất bán dẫn đa dạng, được xem là có triển vọng nhất để sản xuất graphene dùng trong công nghiệp điện tử. Cho đến nay, người ta đã chế tạo được những cuộn graphene rộng 70 cm là lớn nhất.

Hình 3. Tựa như một tấm lụa. Những tấm graphene gấp lại trên một chất nền silicon. Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử quét, phóng đại khoảng 5000 lần.

Trong một thế giới nghịch lí

Andre Geim và Konstantin Novoselo chỉ có thể thu lấy những lớp bong micro của chất liệu mới. Tuy nhỏ, nhưng giờ họ đã có thể nghiên cứu hai đặc điểm nổi bật nhất của graphene, cả hai đều ảnh hưởng tới các tính chất điện của nó.

Thứ nhất là thành phần gần như hoàn hảo của graphene. Sự trật tự không có sai sót là do sự liên kết mạnh của các nguyên tử carbon. Đồng thời, các liên kết đủ linh hoạt để cho phép mạng lưới căng ra đến 20% kích cỡ ban đầu của nó. Mạng tinh thể còn cho phép các electron di chuyển những khoảng cách xa trong graphene mà không bị nhiễu. Trong các chất dẫn điện thông thường, các electron thường bị phản xạ giống như quả cầu trong trò chơi bắn đạn. Sự phản xạ này làm giảm hiệu suất của chất dẫn điện.

Đặc điểm độc đáo kia của graphene là các electron của nó hành xử giống như các hạt ánh sáng, các photon không khối lượng, chuyển động không ngừng nghỉ trong chân không với tốc độ 300 triệu mét mỗi giây. Tương tự như vậy, các electron chuyển động trong graphene hành xử cứ như thể chúng không có khối lượng và lao về phía trước ở tốc độ không đổi một triệu mét mỗi giây. Điều này mở ra khả năng nghiên cứu những hiện tượng nhất định dễ dàng hơn ở quy mô nhỏ hơn, tức là không cần sử dụng một máy gia tốc hạt khổng lồ.

Graphene còn cho phép các nhà khoa học kiểm tra một số hiệu ứng lượng tử ma quái hơn từ trước đến nay chỉ thấy trình bày trên lí thuyết. Một hiệu ứng như vậy là một biến thể của sự chui hầm Klein, hiệu ứng được xác lập bởi nhà vật lí người Thụy Điển Oskar Klein vào năm 1929. Hiệu ứng đường hầm trong vật lí lượng tử mô tả cách thức các hạt thỉnh thoảng vượt qua một rào chắn bình thường sẽ chặn chúng lại. Rào cản càng lớn thì cơ hội của các hạt lượng tử đi qua đó càng thấp. Tuy nhiên, hiện tượng này không áp dụng cho các electron chuyển động trong graphene – trong một số trường hợp, chúng chuyển động cứ như thể rào cản chẳng hề tồn tại.

Thế giới mơ ước

Những ứng dụng khả dĩ thực tiễn đối với graphene đã thu hút nhiều sự chú ý. Cho đến nay, đa phần chúng chỉ tồn tại trong bốn khả năng, nhưng nhiều khả năng đã và đang được kiểm tra, cũng bởi chính Geim và Novoselov.

Khả năng dẫn điện của graphene đã thôi thúc rất nhiều hứng thú. Các transistor graphene được tiên đoán về căn bản là nhanh hơn các transistor silicon ngày nay. Để các chip máy tính trở nên nhanh hơn và hiệu quả năng lượng hơn, chúng cần phải nhỏ hơn. Silicon đã đạt tới ranh giới kích cỡ tại đó chất liệu không còn hoạt động nữa. Giới hạn đó đối với graphene còn thấp hơn nữa, cho nên các linh kiện graphene có thể đóng gói trên một con chip với mật độ dày hơn ngày nay.

Một cột mốc nữa đã được vượt qua cách đây vài năm trước khi bộ phận trọng yếu của nó, transistor graphene, tỏ ra hoạt động nhanh như đối tác silicon của nó. Có lẽ chúng ta đang ở trên bờ mép của một sự thu nhỏ nữa của các linh kiện điện tử sẽ mang tới các máy vi tính hiệu quả hơn trong tương lai. Cho đến nay, các máy vi tính graphene vẫn chỉ là một giấc mơ xa vời, mặc dù các màn hình máy tính trong suốt kiểu giấy mỏng có thể cuộn lại và mang trong túi xách tay đã xuất hiện trên thị trường thương mại cho các khách hàng điện tử của ngày mai.

Trong khi chờ đợi, chúng ta chỉ có thể nói về một số ứng dụng thực tế hơn hoặc kém thực tế hơn, tất cả đều đòi hỏi những sáng kiến quan trọng với kết quả của chúng vẫn chưa chắc chắn.

Vì graphene thực tế là trong suốt (tới 98%) đồng thời có thể dẫn điện, nên nó sẽ thích hợp cho sản xuất các loại màn hình cảm ứng trong suốt, các tấm phát sáng và có lẽ cả những tế bào quang điện nhỏ hơn nữa. Đồng thời, plastic có thể trở nên dẫn điện nếu chỉ cần pha thêm 1% graphene vào trong chúng. Tương tự, chỉ bởi việc pha thêm một phần nhỏ graphene vào, thì nhiệt trở của plastic tăng thêm 30^o đồng thời làm cho chúng bền hơn về mặt cơ học. Tính chất co giãn này có thể sử dụng trong các siêu chất liệu mới, chúng vừa mỏng, vừa đàn hồi, vừa nhẹ. Trong tương lai, các vệ tinh, máy bay, và xe hơi có thể sản xuất từ những hợp chất mới trên.

Cấu trúc hoàn hảo của graphene còn khiến nó thích hợp cho việc sản xuất các bộ cảm biến cực nhạy có thể ghi nhận những hàm lượng độc nhất nhỏ nhất. Ngay cả một phân tử bị hấp thụ trên bề mặt graphene cũng có thể bị phát hiện.

Một trò chơi nghiêm túc

Danh sách các ứng dụng có thể có của graphene thật dài. Sự hăng hái nghiên cứu không ngừng bắt đầu sau khi khám phá ra nó có lẽ cuối cùng sẽ đơm hoa kết trái. Không ai có thể dự báo trước tương lai sẽ mang đến những gì, kể cả các nhà khoa học đạt giải Nobel của năm nay. Các nhà khoa học đang đi qua một mê cung cơ hội và có sự may mắn và kiến thức để chộp lấy các cơ hội khi chúng xuất hiện – như mọi người chúng ta đều biết, may mắn thường chỉ đến với những ai có sự chuẩn bị trước mà thôi.

Cả hai nhà khoa học đạt giải Nobel năm nay đều nghĩ nghiên cứu thật là vui. Cho đến nay, họ đã làm việc chung với nhau trong một thời gian dài. Konstantin Novoselov, 36 tuổi, bắt đầu làm việc với Andre Geim, 51 tuổi, khi còn là nghiên cứu sinh tiến sĩ ở Hà Lan. Sau đó, ông đã theo Geim sang Anh quốc. Cả hai người họ ban đầu học tập và khởi nghiệp với tư cách nhà vật lí ở Nga. Giờ thì họ đều là giáo sư tại trường Đại học Manchester.

Tính khôi hài là một trong những tính cách của họ. Với những viên gạch cấu trúc mà họ có trong tay, họ nỗ lực tạo ra cái gì đó mới mẻ, thỉnh thoảng bằng cách cho phép trí não họ thả nổi vu vơ. Người ta luôn học hỏi được cái gì đó trong quá trình trên và, ai biết được, có thể bạn sẽ là người trúng số. Đó là trường hợp cách đây bảy năm trước khi họ chế tạo ra một miếng băng siêu dính lấy cảm hứng từ khả năng của những con tắc kè bám dính trên những bề mặt nhẵn nhất. Trước đó, vào năm 1997, Andre Geim đã làm thí nghiệm nâng một con ếch lên bằng từ trường, một phương pháp khéo léo minh họa cho các nguyên lí vật lí. Chú ếch bay lên đã mang về cho ông giải thưởng Ig Nobel hồi năm 2000, giải thưởng trao cho những khám phá “ban đầu khiến người ta cười, sau đó thì khiến người ta suy nghĩ”.

Nay, với graphene, Andre Geim và Konstantin Novoselov đã tự ghi tên mình vào lịch sử khoa học.

Nguồn: NobelPrize.org