Phát hiện về graphene đạt giải Nobel vật lý

[giuocdanh]

Giải Nobel vật lý năm nay đã được trao cho Andre Geim và Kostya Novoselov nhờ những phát hiện mới về graphene – một thành phần cấu trúc cơ bản của một số các dạng thù hình carbon (như graphite, than chì, nano carbon và fulleren). Graphene có cấu tạo gồm các lớp đơn nguyên tử lai hóa sp2 được sắp xếp dày đặc trong một mạng lưới tinh thể hình tổ ong. Các nhà nghiên cứu đến từ trường đại học Manchester, Anh, đã được nhận giải thưởng trị giá 10 triệu đô la Thụy Điển (tương đương 937,000 bảng Anh), nhờ những thí nghiệm mang tính chất đột phá, tách các lớp đơn nguyên tử từ cấu trúc của graphite.

Cấu trúc cơ bản của tấm graphene

Đôi nét về graphene

Một khái niệm tổng quát về graphene như sau:
“Graphene là một lớp một phẳng đơn phân tử carbon được sắp xếp chặt chẽ trong một mạng lưới tinh thể hai chiều hình tổ ong. Đây là đơn vị cấu trúc cơ bản của tất cả các loại thù hình của carbon, từ fullerene, nano dạng ống (1 chiều) đến graphite (3 chiều).”

Hình ảnh của lớp graphene qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Bản trích yếu của IUPAC chỉ ra rằng “Trước đây, những định nghĩa về graphene liên quan đến tấm graphite là không phù hợp, vì khi nhắc đến khái niệm graphite tức là đang đề cập đến một cấu trúc dạng ba chiều, trong khi graphene lại chỉ là các lớp đơn phân tử. Do đó, khái niệm graphene chỉ được sử dụng khi đề cập đến các phản ứng, các mối liên hệ về cấu trúc hay các tính chất khác của các lớp đơn phân tử”. Theo nghĩa này, graphene chỉ được đề cập đến giống như một hydrocarbon thơm đa vòng mà mỗi vòng nhỏ chứa 6 nguyên tử carbon. Phân tử graphene lớn nhất được biết đến hiện nay chứa 222 nguyên tử và 10 vòng benzene.

Thật khó để tổng hợp được các phân tử lớn hơn nữa, và đó vẫn còn là niềm mơ ước của nhiều nhà polymer học cũng như tổng hợp hữu cơ. Thêm vào đó, những tính toán ban đầu cho thấy lớp graphene không bền về mặt nhiệt động so với các cấu trúc fullerne khác nếu kích thước của nó nhỏ hơn 20 nanometer (graphene là cấu trúc kém bền nhất ở khoảng 6000 nguyên tử và sẽ trở nên vững chắc nhất, như graphite, khi có kích thước lớn hơn 24000 nguyên tử carbon). Tấm graphene phẳng cũng không bền nếu cuộn tròn lại, trạng thái tồn tại ở mức năng lượng thấp của nó.

Những phát hiện của Geim và Novoselov

Phát hiện được tìm ra một cách tình cờ, mà Novoselev diễn tả là “một buổi chiều thứ sáu vui vẻ”. Nhưng nó nhanh chóng tạo ra một lĩnh vực nghiên cứu lớn, vì các tính chất độc đáo của graphene được tìm ra và khai thác. Novoselov nói “Graphene là một vật liệu thật tuyệt vời. Mọi người có thể làm ra nó – điều có thể giải thích tại sao nó lại phát triển nhanh đến vậy.”

Graphene có rất nhiều các tính chất vật lý và hóa học tốt: Nó bền hơn thép 200 lần và có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần. Do đó graphene có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, bán dẫn và nghiên cứu cơ bản về cách thức electron biểu hiện trong không gian hai chiều.

Alan Usher, giám đốc trung tâm nghiên cứu về graphene của Anh, nói rằng ông không ngạc nhiên về giải thưởng này. “Nhiều thập kỉ trở lại đây, graphene đã trở thành một đề tài lý thuyết hấp dẫn vì ở giai đoạn những năm 1930, nó được dự đoán là không bền vững. Tuy nhiên Geim và Novoselov không tin vào lý thuyết này và đã thực hiện những thử nghiệm để chứng minh.” Ông cũng cho biết thêm, sự đơn giản của kĩ thuật tách lớp mà hai nhà nghiên cứu sử dụng để tạo ra phát minh mới là cực kì tuyệt vời: “Điều này xứng đáng nhận được một sự công nhận.”

Andre Geim (trái) và Konstya Novoselov (phải) đã tìm ra cách để tạo ra graphene bằng kĩ thuật tách lớp từ graphite

Novosolev và Usher cũng thừa nhận rằng, tương lai của kĩ thuật graphene nằm ở chỗ nó có khả năng tạo ta các thiết bị có tầm cỡ lớn hơn. Năm ngoái, Jong-Hyun Ahn và Byung Hee Hong, các nhà khoa học của trường đại học Sungkyunkwan University, Hàn Quốc, đã phát minh ra một màn hình có chức năng cảm ứng kích thước 30 inch được làm từ các tấm graphene. “Sẽ còn nhiều sản phẩm nữa sẽ ra đời từ kĩ thuật này”, Usher nói

Bên trái: Tấm graphene được đưa lên tấm nhựa PET 35 inch; Bên phải: Màn hình cảm ứng được làm từ tấm graphene

Novoselov rất hào hứng về tương lai của những nghiên cứu về graphene “Chúng tôi còn nhiều thời gian với graphene. Mỗi ngày đến với phòng thí nghiệm, có thể sẽ có một sản phẩm mới nào đó nữa ra đời.”

Nguyễn Thanh Tùng

Theo cyberchemvn.com