Một vật liệu mỏng hơn tờ giấy một triệu lần nhưng cứng hơn thép 200 lần. Đó là Graphene. Siêu vật liệu này hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong mọi lĩnh vực. Đừng bỏ lỡ cơ hội tìm hiểu về công nghệ của tương lai!

Graphene là gì?  

Graphene là một tấm phẳng bao gồm các nguyên tử carbon được sắp xếp trong một cấu trúc mạng tinh thể hình tổ ong. 

Hãy tưởng tượng ruột bút chì của bạn được tạo thành từ hàng triệu lớp carbon xếp chồng lên nhau (gọi là than chì - graphite). Khi bạn tách được một lớp duy nhất chỉ dày bằng một nguyên tử từ khối than chì đó, bạn sẽ có Graphene.

Về cơ bản, nó là chất liệu graphene mỏng nhất mà con người từng tạo ra, gần như trong suốt và vô cùng nhẹ. 

Sự sắp xếp độc đáo của các nguyên tử carbon mang lại cho nó những đặc tính vật lý phi thường, biến nó trở thành một trong những vật liệu tiềm năng nhất thế kỷ 21.

Những đặc tính phi thường của vật liệu Graphene

Sức hấp dẫn của Graphene không chỉ đến từ độ mỏng của nó mà còn từ hàng loạt các đặc tính đáng kinh ngạc, vượt xa nhiều vật liệu truyền thống.

• Độ bền vượt trội: Mặc dù siêu mỏng, vật liệu graphene lại cứng hơn thép khoảng 200 lần. Một tấm graphene mỏng như giấy bóng kính có thể chịu được sức nặng của một con voi mà không bị rách.
• Dẫn điện và dẫn nhiệt xuất sắc: Graphene dẫn điện tốt hơn đồng và dẫn nhiệt hiệu quả hơn bất kỳ vật liệu nào được biết đến ở nhiệt độ phòng. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho ngành điện tử.
• Siêu nhẹ và linh hoạt: Là vật liệu hai chiều (2D), Graphene cực kỳ nhẹ và có thể uốn cong, kéo dãn mà không bị hỏng, rất lý tưởng cho các thiết bị đeo và màn hình dẻo.
• Gần như trong suốt: Nó hấp thụ chỉ khoảng 2.3% ánh sáng nhìn thấy, khiến nó gần như hoàn toàn trong suốt, phù hợp cho các ứng dụng quang học và màn hình cảm ứng.

>>> Nắm rõ thêm: Vật liệu mới đổi mới công nghệ từ siêu bền đến siêu nhẹ

Ứng dụng của Graphene trong điện tử, y sinh

Với những đặc tính độc đáo, ứng dụng của graphene trải dài trên nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các ngành công nghệ cao như điện tử và y sinh.

Trong lĩnh vực điện tử, Graphene hứa hẹn sẽ tạo ra:

• Pin sạc siêu tốc: Pin Graphene có thể sạc đầy nhanh hơn gấp nhiều lần so với pin Li-ion truyền thống và có tuổi thọ cao hơn.
• Màn hình dẻo, có thể gập lại: Nhờ tính trong suốt và linh hoạt, Graphene là vật liệu lý tưởng để chế tạo các loại màn hình có thể cuộn tròn hoặc gập lại mà không bị hư hại.
• Vi xử lý nhanh hơn: Các bóng bán dẫn từ Graphene có thể hoạt động ở tần số cao hơn nhiều so với silicon, mở đường cho thế hệ máy tính tiếp theo nhanh và mạnh hơn.

Trong y sinh, vật liệu graphene oxide (một dạng của Graphene) đang được nghiên cứu để:

• Vận chuyển thuốc mục tiêu: Các hạt Graphene có thể "cõng" thuốc và đưa chúng đến chính xác các tế bào ung thư, giảm thiểu tác dụng phụ lên các tế bào khỏe mạnh.
• Cảm biến sinh học siêu nhạy: Chế tạo các bộ cảm biến có khả năng phát hiện bệnh ở cấp độ phân tử, giúp chẩn đoán sớm và chính xác hơn.
• Cấy ghép y tế: Tạo ra các bộ phận cấy ghép y tế bền hơn, nhẹ hơn và tương thích sinh học tốt hơn với cơ thể người.

>>> Tìm hiểu đầy đủ tại: Năng lượng sinh khối từ các vật liệu hữu cơ

Thách thức trong sản xuất Graphene quy mô lớn

Mặc dù có tiềm năng khổng lồ, việc đưa Graphene từ phòng thí nghiệm ra sản xuất công nghiệp vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức. Rào cản lớn nhất hiện nay chính là chi phí và quy trình sản xuất.

Phương pháp "bóc tách" bằng băng dính, vốn đã mang lại giải Nobel Vật lý, chỉ tạo ra được những mảnh Graphene rất nhỏ và không thể áp dụng cho quy mô lớn. 

Các phương pháp khác như lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) có thể tạo ra các tấm Graphene lớn hơn nhưng lại tốn kém và đòi hỏi kỹ thuật phức tạp để đảm bảo chất lượng đồng đều. 

Việc tìm ra một phương pháp sản xuất hàng loạt với chi phí thấp mà vẫn giữ được chất lượng hoàn hảo của vật liệu vẫn là bài toán lớn nhất mà các nhà khoa học đang nỗ lực giải quyết.

Hành trình của Graphene từ phòng thí nghiệm đến đời sống vẫn còn nhiều thách thức, nhưng tiềm năng của nó là không thể phủ nhận. Hãy cùng chờ đón những đột phá mà siêu vật liệu này sẽ mang lại trong tương lai không xa.

>>> Bổ sung thêm kiến thức: Vật liệu tái chế trong xây dựng và sản xuất