Phát hiện siêu vật liệu bền gấp 200 lần thép, dẫn điện vượt xa đồng… chỉ nhờ băng dính, hứa hẹn một nền văn minh công nghệ mới

Graphene là lớp carbon mỏng chỉ dày bằng một nguyên tử, nhưng được coi là vật liệu mạnh nhất, dẫn điện tốt nhất và có tiềm năng mở ra một kỷ nguyên công nghệ hoàn toàn mới. Từ khi được hai nhà khoa học Nga là Andre Geim và Konstantin Novoselov phát hiện vào năm 2004 tại Đại học Manchester (Anh) bằng cách bóc tách từ than chì bằng băng dính, graphene đã nhanh chóng trở thành biểu tượng của tương lai trong ngành khoa học vật liệu . Phát hiện này cũng giúp họ nhận Giải Nobel Vật lý chỉ sáu năm sau đó.

Graphene có cấu trúc đặc biệt: các nguyên tử carbon sắp xếp thành mạng tổ ong hai chiều, tạo nên độ bền cơ học vượt trội. Dù chỉ mỏng hơn sợi tóc hàng triệu lần, graphene lại bền gấp 200 lần thép và dẫn điện gấp hàng trăm lần đồng. Nó gần như trong suốt, hấp thụ chỉ khoảng 2% ánh sáng, đồng thời linh hoạt và đàn hồi đến mức có thể kéo giãn mà không gãy. Với sự kết hợp hiếm hoi của độ bền, nhẹ, dẫn điện và truyền sáng, graphene được giới khoa học gọi là “vật liệu kỳ diệu” – một nền tảng có thể thay đổi cách con người chế tạo và sử dụng mọi thứ xung quanh.

So với những vật liệu truyền thống, graphene gần như vượt trội trên mọi phương diện. Nếu thép tượng trưng cho sức mạnh và độ bền, đồng cho khả năng dẫn điện và silicon là nền tảng của thời đại vi mạch, thì graphene lại hội tụ cả ba yếu tố trong cùng một vật liệu . Nó nhẹ hơn, cứng hơn, linh hoạt hơn và có thể hoạt động trong điều kiện mà các vật liệu khác không chịu nổi. Thép nặng và khó uốn, đồng mềm nhưng nhanh nóng, silicon giòn và hạn chế về tốc độ xử lý điện tử – trong khi graphene có thể khắc phục gần như toàn bộ những điểm yếu đó.

Với những tính chất đặc biệt ấy, graphene đang được nghiên cứu để ứng dụng trong hàng loạt lĩnh vực. Trong công nghệ điện tử, nó có thể thay thế lớp điện cực indium tin oxide (ITO) giòn và đắt tiền trong các màn hình cảm ứng, mang đến những thiết bị mỏng hơn, dẻo hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Các nhà khoa học cũng đang thử nghiệm graphene làm vật liệu cho bộ vi xử lý thế hệ mới – nơi các electron di chuyển nhanh hơn nhiều so với trong silicon, mở ra triển vọng cho máy tính và điện thoại hoạt động với tốc độ cao hơn nhưng tiêu thụ ít điện năng hơn.

Trong lĩnh vực năng lượng, graphene được dùng để cải thiện hiệu suất của pin và siêu tụ điện. Các lớp graphene siêu mỏng giúp tăng khả năng lưu trữ và sạc nhanh, đồng thời giảm trọng lượng pin – yếu tố đặc biệt quan trọng với ô tô điện và thiết bị di động. Một số công ty đã chế tạo thành công “pin cấu trúc”, loại vật liệu có thể vừa chịu lực như khung xe, vừa lưu trữ năng lượng như pin, giúp xe điện nhẹ hơn và tiết kiệm nhiên liệu.

Không chỉ dừng lại ở công nghiệp , graphene còn bước chân vào lĩnh vực môi trường và y học. Dạng graphene oxide có thể hoạt động như màng lọc siêu mỏng, loại bỏ muối và tạp chất khỏi nước biển, giúp tạo ra nước ngọt với chi phí thấp. Trong y học, graphene được nghiên cứu để chế tạo cảm biến sinh học có thể phát hiện sớm các bệnh lý, hoặc làm vật liệu cấy ghép tương thích với mô người. Một số dự án thử nghiệm thậm chí đã phát triển điện cực não bằng graphene, giúp tăng độ nhạy trong việc ghi nhận tín hiệu thần kinh mà không gây tổn thương mô.

Tuy nhiên, từ tiềm năng đến hiện thực vẫn là một chặng đường dài. Việc sản xuất graphene chất lượng cao với chi phí thấp vẫn là thách thức lớn. Quy trình tổng hợp phức tạp, khó đảm bảo đồng nhất, trong khi việc tích hợp graphene vào dây chuyền công nghiệp đòi hỏi công nghệ hoàn toàn mới. Bên cạnh đó, các chuyên gia cũng cảnh báo về nguy cơ môi trường nếu graphene dạng hạt nano không được kiểm soát đúng cách trong sản xuất và xử lý chất thải.

Dẫu vậy, nhiều tín hiệu tích cực đã xuất hiện. Các công ty tại Anh, Hàn Quốc, Trung Quốc và châu Âu đang thương mại hóa sản phẩm chứa graphene như sơn chống ăn mòn, vỏ điện thoại, pin sạc nhanh hay mũ bảo hiểm siêu nhẹ. Khi công nghệ sản xuất tiến bộ, giá thành giảm và chuỗi cung ứng ổn định hơn, graphene có thể sớm trở thành một phần quen thuộc trong đời sống – tương tự như cách thép đã định hình thế kỷ 19 và silicon làm nên thế kỷ 20.

Nếu điều đó xảy ra, graphene sẽ không chỉ là một phát minh khoa học mà còn là biểu tượng của thế kỷ 21 – thời đại mà vật liệu mỏng đến mức vô hình lại đủ mạnh mẽ để nâng đỡ cả nền văn minh công nghệ mới.

Nguồn: Tổng hợp