Thời Trang

Graphene là gì? Những ứng dụng tuyệt vời của graphene trong cuộc sống

Graphene là một vật liệu mới nổi giúp ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các lĩnh vực cuộc sống bởi những tính chất cực kỳ ưu việt. Vậy Graphene là gì? Có ứng dụng như thế nào?

Graphene là một vật liệu mới nổi giúp ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các lĩnh vực cuộc sống bởi những tính chất cực kỳ ưu việt. Tuy nhiên vật liệu này lại chưa thực sự được nhiều người biết đến. Vậy Graphene là gì? Có ứng dụng như thế nào? Cùng chúng mình tìm hiểu ngay nhé.

graphene là gì? những ứng dụng tuyệt vời của graphene trong cuộc sống

1. Graphene là gì?

Graphene là một dạng thù hình của carbon bao gồm một lớp (đơn lớp) nguyên tử carbon được sắp xếp, liên kết chặt chẽ với nhau trong một mạng tổ ong hai chiều.

Mỗi nguyên tử cacbon trong tấm graphene liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác ở các góc giống hệt nhau, tạo thành một cấu trúc phẳng giống như tổ ong. Tương tự như kim cương – graphene là một tinh thể carbon ba chiều, nơi mọi nguyên tử được kết nối với bốn người hàng xóm – những liên kết bền chặt này mang lại cho cấu trúc độ bền đáng kể.

Các lớp graphene xếp chồng lên nhau tạo thành graphite, với khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,335 nanomet. Các lớp graphene riêng biệt trong graphite được giữ với nhau bằng lực van der Waals, lực này có thể bị tách ra trong quá trình tách graphene khỏi graphite.

Có khoảng 3 triệu lớp graphene trong một tấm graphit dày 1 mm. Theo thuật ngữ khoa học: Các đặc điểm đặc biệt của graphene bắt nguồn từ các obitan 2p, tạo thành các dải trạng thái π phân chia vị trí trên tấm cacbon cấu thành nên graphene.

Graphene là vật liệu mạnh nhất được biết đến bởi nó cứng hơn kim cương nhưng đàn hồi hơn cao su; cứng hơn thép nhưng nhẹ hơn nhôm. Nhờ cấu trúc độc đáo của graphene, nó sở hữu những đặc điểm đáng kinh ngạc khác: Tính linh động điện tử cao, nhanh hơn silicon 100 lần; Graphene dẫn nhiệt tốt hơn kim cương gấp 2 lần; độ dẫn điện của graphene cũng tốt hơn 13 lần so với đồng.

Ngoài ra, Graphene chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng phản xạ; nó không thấm nước nên ngay cả nguyên tử nhỏ nhất (heli) cũng không thể đi qua tấm graphene đơn lớp không có khuyết điểm. Với diện tích bề mặt lên tới 2.630 mét vuông mỗi gam có nghĩa là với ít hơn 3 gam, bạn có thể bao phủ toàn bộ một sân bóng.

Graphene là hợp chất mỏng nhất mà con người biết đến với độ dày một nguyên tử, vật liệu nhẹ nhất được biết đến (với 1 mét vuông nặng khoảng 0,77 miligam), hợp chất mạnh nhất được phát hiện (mạnh hơn thép từ 100-300 lần với độ bền kéo 130 GPa và 1 Young’s modulus là 1 TPa – 150.000.000 psi), chất dẫn nhiệt tốt nhất ở nhiệt độ phòng (ở (4,84 ± 0,44) × 10 ^ 3 đến (5,30 ± 0,48) × 10 ^ 3 W · m − 1 · K − 1 ) và cũng là chất dẫn điện tốt nhất được biết đến (các nghiên cứu đã chỉ ra tính linh động của điện tử ở các giá trị hơn 200.000 cm2 · V − 1 · s − 1 ).

Graphene đại diện cho một loại vật liệu mới về mặt khái niệm chỉ dày một nguyên tử, được gọi là vật liệu hai chiều (2D) (chúng được gọi là 2D vì chúng chỉ mở rộng theo hai chiều: chiều dài và chiều rộng; vì vật liệu chỉ dày một nguyên tử, chiều thứ ba, chiều cao, được coi là bằng không). Và chỉ ở trạng thái đơn hoặc ít lớp này, các đặc tính tuyệt vời của graphene mới xuất hiện.

Các đặc tính đáng chú ý khác của graphene là sự hấp thụ đồng đều ánh sáng của nó qua các phần nhìn thấy và cận hồng ngoại của quang phổ(πα ≈ 2,3%), và khả năng thích hợp của nó để sử dụng trong vận chuyển spin .

Bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng carbon là nguyên tố có nhiều thứ hai trong cơ thể con người và là nguyên tố phong phú thứ tư trong vũ trụ (tính theo khối lượng), sau hydro, heli và oxy. Điều này làm cho carbon trở thành cơ sở hóa học cho tất cả sự sống đã biết trên trái đất, làm cho graphene có khả năng trở thành một giải pháp bền vững, thân thiện với môi trường cho một số lượng ứng dụng gần như vô hạn.

Kể từ khi phát hiện ra graphene, các ứng dụng trong các ngành khoa học khác nhau đã bùng nổ, với những lợi ích to lớn được tạo ra, đặc biệt là trong thiết bị điện tử tần số cao , cảm biến sinh học, hóa học và từ tính , bộ tách sóng quang băng thông cực rộng và lưu trữ và tạo ra năng lượng.

2. Graphene được phát hiện như thế nào?

Graphene lần đầu tiên được nghiên cứu về mặt lý thuyết vào những năm 1940. Vào thời điểm đó, các nhà khoa học cho rằng vật chất hai chiều là không thể tồn tại về mặt vật lý, vì vậy họ không theo đuổi việc cô lập graphene.

Nhiều thập kỷ sau, sự quan tâm đến vấn đề này dần tăng lên và các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm ra kỹ thuật bóc tách than chì. Họ đã cố gắng chèn các phân tử giữa các lớp graphene, cạo và cọ xát graphite, nhưng vẫn chưa thể nào tách được một lớp duy nhất. Cuối cùng, họ đã có thể tách riêng graphene trên các vật liệu khác, nhưng không phải chỉ riêng graphene.

Năm 2002, nhà nghiên cứu Andre Geim của Đại học Manchester bắt đầu quan tâm đến graphene và thách thức một nghiên cứu sinh tiến sĩ đánh bóng một khối than chì thành càng ít lớp càng tốt. Nghiên cứu sinh có thể đạt được 1.000 lớp, nhưng không thể đạt được mục tiêu của Geim là 10 đến 100 lớp. Geim đã thử một cách tiếp cận khác: băng. Ông bôi nó lên than chì và bóc nó ra để tạo ra những mảnh graphene nhiều lớp. Nhiều lần bóc băng hơn tạo ra các lớp mỏng hơn và mỏng hơn, cho đến khi ông có một miếng graphene dày 10 lớp.

Nhóm của Geim đã làm việc để tinh chỉnh kỹ thuật của họ và cuối cùng tạo ra một lớp nguyên tử carbon. Họ đã công bố những phát hiện của mình trên tạp chí “Science” vào tháng 10 năm 2004. Geim và đồng nghiệp của ông Kostya Novoselov đã nhận giải Nobel vật lý năm 2010 cho công trình của họ.

Kể từ những mảnh đầu tiên được làm bằng băng keo, việc sản xuất graphene đã được cải thiện với tốc độ nhanh chóng. Năm 2009, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một màng graphene có chiều ngang 30 inch.