Khi đề cập đến giải Nobel Vật lý của Andre Geim và Konstantin Novoselov, thành viên viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển nhận xét: “Phía sau giải Nobel Vật lý năm nay là một lớp carbon mỏng chỉ dày cỡ nguyên tử nằm ẩn mình ở đó”.

Trong vài năm trở lại đây, giới khoa học đã và đang dành rất nhiều sự quan tâm, chú ý tới những loại vật liệu nano 2D, đặc biệt là graphene, một dạng thù hình của carbon được GS Andre Geim tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 2004.

Những ứng dụng của graphene trong hiện tại và tương lai.

Giải Nobel đến từ điều đơn giản khó tin

Trước đây, khi nghiên cứu cấu trúc graphite (than chì), các nhà khoa học đã biết được rằng graphite có cấu trúc của các lớp nano carbon mỏng xếp chồng lên nhau và họ cho rằng những lớp mỏng này không thể tách ra được.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Andre Geim đã công bố những kết quả cho thấy họ đã thành công trong việc tách được các lớp nano carbon đó, và những lớp nano đó chính là graphene. 

Điều thú vị là trước nhóm của Andre Geim, đã có nhiều nhóm nghiên cứu khác thử tìm các lớp graphene nhưng đều không thành công. Thế nhưng, kỹ thuật mà Andre Geim tiến hành lại đơn giản đến mức làm người ta thấy khó mà tin được. Ông cùng cộng sự sử dụng những tấm băng keo thông thường và đặt mảnh graphite lên, gấp tấm băng keo lại rồi lại kéo ra để tách mảnh graphite thành hai phần.

Cứ lặp lại như vậy nhiều lần thì mảnh graphite sẽ mỏng dần, đến khi không còn làm mỏng graphite bằng băng keo nữa thì dán tấm băng keo lên tấm silicon rồi tác động nhẹ lên đó để tạo ma sát, sẽ thu được một số mảnh graphite cực mỏng, chỉ dày cỡ một nguyên tử và đó chính là graphene.

Dưới kính hiển vi điện tử, có thể quan sát thấy graphene là một lớp nano mỏng có bề dày cỡ nguyên tử, có cấu trúc mạng lục giác chặt khít (dạng tổ ong) và độ dài liên kết carbon-carbon là 1,42 Ǻ (Angstrom - 1Ǻ = 1 × 10−10 m).

Các nghiên cứu về sau cho thấy, graphene là cấu trúc cơ bản để tạo nên các dạng thù hình bền của carbon như fullerene, ống nano carbon hay graphite.

Triển vọng chưa nhìn thấy hết từ graphene

Thành công của Andre Geim và các cộng sự đã tạo tiếng vang lớn trong giới khoa học, đặc biệt là trong các lĩnh vực Vật lý lượng tử và Khoa học vật liệu.

Một mặt, những thuộc tính vật lý đặc biệt của graphene cho phép các nhà khoa học có cơ sở để kiểm tra lại những lý thuyết Vật lý trước đây. Mặc khác, graphene thể hiện được triển vọng về một loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng trong việc sản xuất các thiết bị điện tử tiên tiến.

Chính sự sắp xếp các nguyên tử carbon trong cầu trúc gần như hoàn hảo đã góp phần tạo nên những tính chất ưu việt của graphene. Vật liệu này có tính dẫn điện tương đương với đồng, nhưng tính dẫn nhiệt của nó thì vượt trội so với tất cả những vật liệu đã biết trước đây.

Sự linh động của các liên kết carbon-carbon mà vật liệu này có thể kéo dãn thêm 20 % kích thước, đồng thời cho phép các electron di chuyển trong cấu trúc mạng dễ dàng hơn chứ không như trong các vật liệu dẫn bình thường, electron thường bị bật lên như những quả bóng, do vậy làm giảm hiệu suất dẫn.

Graphene hầu như trong suốt (chỉ hấp thụ 2,3 % cường độ ánh sáng truyền qua) nhưng lại không cho cho phép các nguyên tử khí, dù là nguyên tử helium, có thể đi qua. Tính chất này gợi mở khả năng ứng dụng cao của graphene cho công nghiệp thực phẩm trong tương lai không xa.

Ngoài ra, với khả năng dẫn điện cực tốt cùng tính chất trong suốt, graphene cũng là một vật liệu tiềm năng cho công nghệ sản xuất các tấm sáng, màn hình cảm ứng trong suốt hoặc thậm chí là cả pin năng lượng Mặt trời.

Khi được trộn với plastic hoặc những vật liệu khác theo các tỉ lệ thích hợp, graphene có thể tạo thành những vật liệu với các tính năng vượt trội hơn nữa và trong tương lai không xa, rất có thể từ những dụng cụ thông thường như điện thoại, đồng hồ hoặc tivi cho tới những chiếc máy bay, tàu vũ trụ cũng sẽ được chế tạo nên từ loại vật liệu hiện đại này.