Luyenkim.Net!

Ngày xửa ngày xưa, chuyện xảy ra trong thời gian 30 năm của thế giới khoa học được xem như chuyện đã cũ, người ta chế tạo và dùng những phân tử carbon tích tụ thành hình thể của một trái banh. Rồi từ trái banh tròn, người ta tìm ra cách "cuộn" nhưng phân tử carbon này thành hình ống gọi là "nanotube". Một cái ống thì bớt cồng kềnh hơn một quả banh về mặt thể tích.

Bây giờ thì cái ống "nano" ngày nọ đã được dàn mỏng như một tờ giấy. Cũng những phân tử carbon ấy, các nhà khoa học đã tìm ra cách dàn mỏng chúng thành một lớp carbon mỏng, rất mỏng, chiều dày của lớp phân tử này là 1 nguyên tử (one-atom-thickness sheet)! Dưới kính hiển vi điện tử, lớp phân tử carbon này có hình dáng của một màng lưới. Cái màng lưới mỏng bằng carbon ấy được gọi là graphene.

Graphene là một chất liệu "mỏng" nhất hiện nay, không chất liệu nào có thể dàn mỏng hơn nữa. Graphene có nhiều đặc tính của nanotube, nhưng graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn nanotube; vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Các nhà Vật Lý đã bắt đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn (transistor) và để thử nghiệm các hiện tượng lượng tử (quantum phenomenon) ở nhiệt độ bình thường (room temperature).

Tháng trước, trong buổi hội thảo thường niên của the American Physical Society đã có khoảng 100 bài tường trình của các khoa học gia khắp thế giới về graphene, và loại chất liệu này thu hút khá nhiều sự chú ý của cộng đồng khoa học cũng như các công ty chế tạo máy móc điện tử! Người ta hăm hở thi nhau tìm kiếm cách sử dụng loại chất liệu mới mẻ này. Thật ra, graphene là một thứ nanotube dàn mỏng, do cùng một nguyên liệu chính là các phân tử carbon.

Graphene xuất phát từ graphite, than chì, chứa nhiều lớp carbon xếp chồng lên nhau như một cỗ bài Tây. Khi viết bằng bút chì, ta sẽ thấy một vệt đen trên giấy, do lực ma sát giữa đầu chì và giấy. Lực ma sát này khiến những mảnh than chì li ti "bong" ra khỏi khối than chì. Từ những phòng thí nghiệm khác nhau trên thế giới, các nhà khoa học đã khám phá những điều tương tự. Tiến Sĩ Rodney Ruof, Đại Học Northwestern, cọ khối than chì lên một mặt phẳng silicon, sự cọ sát tạo ra những mảnh than chì li ti, và ông này nghĩ rằng ta có thể chế tạo một màng than chì nhưng chưa rõ độ dày của "màng" than chì ấy. Một nhà khoa học khác, Tiến Sĩ Philip Kim, Đại Học Columbia, cũng thực hiện một thí nghiệm tương tự. Ông này tìm ra những mảnh than chì có độ mỏng 5/1 x 10(12) (5 phần tỷ mét)! Đây là độ dày của 10 lớp nguyên tử carbon! Tại Đại Học Manchester, Anh, Tiến Sĩ Andre Geim còn khám phá xa hơn nữa, phòng thí nghiệm của khoa học gia này đã chế tạo được một mảnh than chì có độ dày của 1 lớp nguyên tử carbon! Thế là cả thế giới khoa học vật liệu (Material Science) quay đầu về Đại Học Manchester để lắng nghe.

Sự khám phá ra cách chế tạo graphene là một câu chuyện hi hữu trong lịch sử khoa học. Bắt đầu từ một cuộn băng keo, loại băng keo trên bàn giấy mà ta dùng để dán kín lá thư, nối hai miếng giấy..., mảnh băng keo giản dị ấy là một phương cách tách rời các phân tử carbon thành từng lớp mỏng! Tiến Sĩ Geim và nhóm cộng sự đặt mảnh than chì lên miếng băng keo, dán hai đầu băng keo lại với nhau, rồi mở băng keo... Cứ dán băng keo rồi mở ra, mỗi lần như thế, mảnh than chì được tách ra từng lớp, mỏng dần, mỏng dần.. Rồi họ nhúng lớp than chì vào silicon, và ta có lớp than chì mỏng nhất, có độ dày của 1 nguyên tử carbon! Lớp than chì dày 1 nguyên tử carbon được gọi là graphene. Sự khám phá vĩ đại nhưng đơn giản đến mức khó tưởng tượng này được gọi là phương pháp "Scotch tape"! 

Tiến Sĩ Geim cho rằng sự đóng góp của ông và những người cộng sự nằm ở việc "nhìn" ra sự tách rời khối than chì thành một lớp mỏng, những miếng băng keo chỉ là một phương tiên để tìm kiếm và thử nghiệm. Như thế cách đặt tên cho phương pháp "Scotch tape" hẳn là một việc không công bằng, cộng đồng khoa học đã "bỏ qua" công khó của nhóm khảo cứu này chăng? Tiến Sĩ Geim giải thích thêm, một màng than chì dày 1 nguyên tử thì ta không thể "nhìn" thấy được, chỉ có các loại kính hiển vi điện tử tối tân nhất có thể "nhìn" ra độ dày này nhưng cũng không thể "đo" được kích thước của nó! Hơn nữa, màng carbon mỏng như thế sẽ đổi màu, đại khái như sự óng ánh của một giọt dầu trên mặt nước, có màu sắc của một chiếc cầu vồng (rainbow of colors).

Bây giờ, ta thử nhìn dưới kính hiển vi, một mảnh than chì ở độ dày 100 + lớp (100 nguyên từ carbon nằm chồng lên nhau) sẽ có màu vàng; 30-40 lớp sẽ có màu xanh lơ, khoảng 10 lớp sẽ có màu hồng và ở độ dày 1 lớp, mảnh than chì này sẽ có một màu hồng rất nhạt, hầu như không còn nhìn thấy.

Cả chục năm ròng rã tìm kiếm, nhân loại có một chất liệu mới, graphene, nhưng graphene có thể dùng vào việc chi để thay đổi hay thêm hương hoa trong việc phục vụ đời sống con người? Nói một cách giản dị hơn, graphene có thể dùng vào việc gì thực tiễn? Các nhà khoa học đã thử dùng graphene trong việc chế tạo chất dẫn (transistor) và các dụng cụ điện tử khác. Graphene có những cạnh sắc (rough edge) khi dùng để chế tạo vật dụng, có thể ảnh hưởng đến công dụng của vật ấy, và người ta còn đang loay hoay!

Một cách áp dụng khác, điện tử (electron) "đi qua" màng lưới graphene, màng lưới này hầu như không có một "khối lượng" nào (without mass), với một vận tốc không thay đổi, như những tia ánh sáng. Đặc tính này được Tiến Sĩ Beenakker của Đại Học Leiden, Hòa Lan áp dụng trong kỹ thuật điện tử có tên là "valleytronic".

Tiến Sĩ Walter de Heer, Georgia Institute of Technology, đã sáng chế ra cách dùng graphene trong việc chế tạo computer chip. Graphene được chế tạo từ silicon carbide, silicon carbide được đốt nóng ở 1,300 độ Celsius, các nguyên tử silicon bốc hơi, các nguyên tử carbon còn lại sẽ tự sắp xếp thành graphene, và các màng graphenen này sẽ được dùng để chế tạo computer chip với đặc tính điện tử tốt hơn loại computer chip hiện nay.

Từ phòng thí nghiệm đến việc chế tạo các vật dụng hàng ngày, con đường chẳng còn xa lắm, phải không bạn?

Theo Material Sciences, Apr 2007

vietno 

• 05/10/2007 07:49 - Scientists Invent 30 Year Continuous Power Laptop Batter…
• 09/09/2007 11:02 - 12 tỉ USD đầu tư cho ngành thép
• 03/07/2007 14:51 - Thị trường giá cả vật tư nghành thép
• 19/05/2007 14:15 - Chạy đua xây dựng nhà máy thép

• 10/04/2007 16:25 - Thị trường Công nghệ: “Cái cầu đặt ra cho nhà khoa học”
• 31/03/2007 14:03 - Hiện trạng và tương lai của ngành công nghiệp thép việt …
• 05/11/2006 14:12 - Ngành thép mới đáp ứng được 30% nhu cầu phôi
• 02/11/2006 06:45 - Vì sao xây nhà máy luyện thép ở Dung Quất?
• 01/11/2006 08:29 - Máy cắt kim loại của kỹ sư Kiệt