Graphene là một loại vật liệu mới nổi và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống nhờ những đặc tính vô cùng ưu việt của nó. Tuy nhiên, chất liệu này thực sự không được nhiều người biết đến. Vậy graphene là gì? Tình trạng ứng dụng như thế nào? Hãy cùng coolmate tìm hiểu nhé.
1. Graphene là gì?
Graphene là một thù hình của cacbon bao gồm một lớp (lớp đơn) gồm các nguyên tử cacbon được sắp xếp liên kết chặt chẽ với nhau trong một mạng lưới tổ ong hai chiều.
Mỗi nguyên tử carbon trong tấm graphene liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác ở cùng một góc, tạo thành cấu trúc tổ ong phẳng. Tương tự như kim cương – graphene là một tinh thể carbon ba chiều trong đó mỗi nguyên tử được kết nối với bốn nguyên tử lân cận – và những liên kết mạnh này mang lại cho cấu trúc độ bền đáng kể.
Các lớp
Graphene xếp chồng lên nhau để tạo thành than chì, với khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,335 nanomet. Các lớp graphene khác nhau trong than chì được liên kết với nhau bằng lực van der Waals, lực này có thể bị tách ra trong quá trình tách graphene và than chì.
Có khoảng 3 triệu lớp graphene trong một tấm than chì dày 1 mm. Theo thuật ngữ khoa học: tính đặc thù của graphene bắt nguồn từ các quỹ đạo 2p, tạo thành dải trạng thái π, phân định các vị trí trên các tấm carbon tạo 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.
Hơn nữa, graphene chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng phản xạ; nó không thấm nước, do đó, ngay cả nguyên tử nhỏ nhất (heli) cũng không thể xuyên qua graphene Lớp đơn hoàn hảo. Với diện tích bề mặt lên tới 2.630 mét vuông trên mỗi gam, điều này có nghĩa là chưa đầy 3 gam có thể bao phủ toàn bộ sân bóng.
Graphene là hợp chất mỏng nhất mà con người biết đến, chỉ dày một nguyên tử, là vật liệu nhẹ nhất được biết đến (1 mét vuông nặng khoảng 0,77 mg) và là hợp chất mỏng nhất từng được phát hiện (gấp 100-300 lần mạnh hơn graphene) với độ bền kéo 130 gpa và mô đun Young 1 tpa – 150.000.000 psi của thép), chất dẫn nhiệt tốt nhất ở nhiệt độ phòng (ở (4,84±4)0,44 )×10^3 đến (5,30±0,48) ×10^3 w m−1 k − 1), và cũng là chất dẫn điện nổi tiếng nhất (các nghiên cứu đã chỉ ra giá trị độ linh động của electron trên 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) (được gọi là 2d vì chúng chỉ mở ra trong hai chiều): chiều dài và chiều rộng; vì vật liệu chỉ dày một nguyên tử, ba chiều và chiều cao, được coi là bằng không). Và chỉ ở trạng thái một lớp hoặc vài lớp này thì các đặc tính tuyệt vời của graphene mới xuất hiện.
Các tính chất đáng chú ý khác của graphene là sự hấp thụ ánh sáng đồng đều của nó trong phần nhìn thấy và hồng ngoại gần của quang phổ (πα ≈ 2,3%) và khả năng vận chuyển spin của nó.
Bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng carbon là nguyên tố phổ biến thứ hai trong cơ thể con người và là nguyên tố phổ biến thứ tư (theo khối lượng) trong vũ trụ, sau hydro, heli và oxy. Điều này làm cho carbon trở thành cơ sở hóa học của tất cả sự sống đã biết trên Trái đất, làm cho graphene trở thành một giải pháp bền vững, thân thiện với môi trường với số lượng ứng dụng gần như vô hạn.
Kể từ khi phát hiện ra graphene, các ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khoa học khác nhau đã bùng nổ và thu hút nhiều sự quan tâm, đặc biệt là trong điện tử, tần số cao, sinh học, hóa học và cảm biến từ tính, bộ tách sóng quang băng siêu rộng và lưu trữ năng lượng lĩnh vực và thế hệ.
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 tin rằng vật chất hai chiều không thể tồn tại về mặt vật lý nên họ đã không theo đuổi việc cô lập graphene.
Nhiều thập kỷ sau, sự quan tâm đến vấn đề ngày càng tăng và các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm kiếm các kỹ thuật để loại bỏ than chì. Họ đã cố gắng chèn các phân tử vào giữa các lớp graphene, làm trầy xước than chì, nhưng không thể tách các lớp riêng lẻ. Cuối cùng, họ đã có thể cô lập graphene trên các vật liệu khác, không chỉ 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 đánh bóng một khối than chì thành càng ít lớp càng tốt. Sinh viên tiến sĩ có thể tham gia 1.000 lớp học, nhưng không đạt được mục tiêu của Geim là 10 đến 100 lớp học. geim đã thử một cách tiếp cận khác: băng. Ông bôi nó lên than chì và sau đó bóc ra để tạo thành các mảnh graphene nhiều lớp. Tẩy da chết nhiều hơn tạo ra các lớp ngày càng mỏng hơn, cho đến khi anh ta có graphene 10 lớp.
Nhóm của Geim đã làm việc chăm chỉ để cải tiến kỹ thuật của họ và cuối cùng đã tạo ra một lớp nguyên tử cacbon. Họ đã công bố phát hiện của mình trên tạp chí Khoa học vào tháng 10 năm 2004. Geim và đồng nghiệp Kostya Novoselov đã nhận giải Nobel Vật lý năm 2010 cho công trình của họ.
Việc sản xuất graphene đã bùng nổ kể từ khi những mảnh đầu tiên được làm từ băng keo. Vào năm 2009, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một bộ phim graphene rộng 30 inch.
Quần chạy bộ co giãn bằng graphene
Quần soóc co giãn bằng graphene 7 inch