5 ứng dụng tuyệt vời của siêu vật liệu Graphene

"Siêu vật liệu" này hiện chưa thể sản xuất số lượng lớn, tuy nhiên nó sẽ mang tới tương lai tuyệt vời cho ngành công nghệ.

Graphene là vật liệu làm từ carbon nguyên chất này có độ dày chỉ tương đương một nguyên tử và gần như trong suốt khi được chia thành các phiến, nhưng lại cứng gấp 200 lần so với thép mặc dù mỏng hơn túi bọc thực phẩm tới 60.000 lần

Cấu trúc 2 chiều tổ ong của Graphene

Graphene cũng là một môi trường truyền dẫn tuyệt vời cho năng lượng, nó có thể được tổng hợp từ các nguồn carbon khác thường – bất cứ vật gì, từ chiếc bút chì cho tới hộp bánh quy – và nó đã có đến hàng nghìn ứng dụng.

Tại sao một nguyên liệu lại mang nhiều đặc điểm lý tưởng đến vậy? Khi bạn tìm kiếm từ "graphene" trên mạng, bức ảnh phổ biến nhất mà bạn thường thấy sẽ là một mạng phân tử giống như là một dạng tổ ong hoặc một lưới thép mỏng. Trong thực tế, cấu trúc mạng vật liệu graphene có thể giải thích cho các tính năng lạ thường của nó: Cấu trúc 2 chiều của vật liệu này bền vững và hiệu quả, thậm chí mang khả năng tự sửa chữa. Như vậy, graphene là dạng phản ứng hóa học mạnh nhất của carbon, làm cho nguyên liệu có tính dẫn cao, linh hoạt và bền vững.

Vật liệu Graphene có tính dẻo dai nhưng độ cứng cũng rất cao

Từ khi phân tách thành công graphene vào năm 2003, sự quan tâm tới vật liệu này đã bùng nổ nhờ một "cơn sốt bằng sáng chế" được đệ trình bởi các công ty như Apple, IBM, Lockheed Martin và các doanh nghiệp khác trên thế giới. Theo cơ quan tư vấn bằng sáng chế ở Anh CambridgeIP, Trung Quốc đã nộp hơn 2200 bằng sáng chế graphene – nhiều nhất trong tất cả các quốc gia – tiếp theo đó là Mỹ với hơn 1700 và Hàn Quốc với xấp xỉ 1200 bằng sáng chế.

Graphene vẫn còn cần tiếp tục được phát triển trước khi nó được đưa vào sản phẩm thương mại, nhưng chúng ta có thể mong chờ điều gì từ loại vậy liệu này?

Những ứng dụng tuyệt vời

1. Pin: Có lẽ vấn đề lớn nhất đối với hầu hết các thiết bị di động hiện nay là việc chúng cần sạc lại liên tục. Nhưng kể từ năm 2011, khi mà các kĩ sư trường đại học Northwestern phát hiện ra rằng các cực dương của graphene giữ điện tốt hơn cực dương của than chì – với thời lượng nạp nhanh hơn đến 10 lần – các nhà nghiên cứu đang tích cực thí nghiệm với hợp chất graphene để có thể áp dụng vào công nghệ pin.

Cuối tháng Năm vừa qua, các nhà khoa học tại đại học Rice của Mỹ đã phát hiện ra rằng graphene trộn lẫn với vanadi oxit (một giải pháp tương đối rẻ tiền) có thể tạo ra cực âm pin, có thể sạc tới 90% dung lượng chỉ trong 20 giây, và giữ khả năng đó ngay cả sau 1000 chu kì sử dụng.

2. Mạch máy tính: Năm ngoái, các kĩ sư học viện công nghệ MIT và Harvard đã thành công trong việc sử dụng các mẫu DNA để mô hình hóa graphene thành các cấu trúc nano, mà cuối cùng có thể được chế tác thành các mạch điện. Mặc dù vậy, các nhà khoa học vẫn cần cải thiện thêm sự chính xác trong vận hành trước khi nó có thể thay thế silicon trong các con chip máy tính.

Các phương pháp này vẫn còn đang được thử nghiệm và rất tốn kém, nhưng với những tính năng của graphne thì tiềm năng cho các thiết bị điện tử làm từ vật liệu này là quá lớn.

3. Điện thoại thông minh: Với pin và chip, graphene có thể là nguyên liệu chính tạo nên điện thoại di động trong tương lai.

Thậm chí, graphene có thể được sử dụng cho những chiếc điện thoại thông minh không vỡ, chiếc điện thoại mà người dùng có thể xoắn và uốn cong tùy ý. Khi đó graphene có thể tạo nên lớp vỏ kim loại vững chắc mà vẫn đảm bảo tính linh hoạt, ngay cả với màn hình cảm ứng.

4. Các tế bào năng lượng: Graphene có thể giúp chúng ta khai thác năng lượng tốt hơn. Ngoài pin cho điện thoại và đồng hồ thông minh, loại vật liệu này còn mang tới nhiều lợi ích cho điện năng và quang năng.

Năm ngoái, đại học công nghệ Michigan của Mỹ đã phát hiện ra rằng graphane có thể thay thế platinum, một thành phần quan trọng có giá thành rất đắt (khoảng 1500 USD/ounce) trong các tế bào năng lượng mặt trời. Nhờ vào cấu trúc phân tử của mình, graphene có độ dẫn và hoạt động xúc tác cần thiết để khai thác và chuyển đổi năng lượng từ mặt trời với hiệu suất cao.

5. Các ứng dụng mô sống: Gần đây giáo sư Aravind Vijaraghavan của trường đại học Manchester lại cho rằng graphene có thể tương tác tới các hệ thống sinh học của người – hay "giao tiếp với các tế bào của người" như cách ông miêu tả – mà cuối cùng có thể đưa "Internet of Things" lên một tầm cao mới. Graphene sẽ được sử dụng dưới các lớp phospholipid tổng hợp, và tính linh hoạt giúp nó hoạt động tốt với các hệ thống sinh học trong cơ thể.

Bên cạnh các thiết bị điện tử tiêu dùng, phạm vi  ứng dụng của graphene thực tế là vô tận. Vì các đặc tính của graphene chỉ được khai thác khi nó được kết hợp với các thành phần khác như gas, kim loại hoặc các nguồn carbon khác, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm  graphene để tạo nên anten, bộ lọc nước biển, cửa sổ, sơn, các cánh máy bay, vợt tennis, các thiết bị chuỗi DNA, mực và nhiều hơn nữa.

Quãng đường dài phát triển

Samsung, công ty sở hữu khoảng 1/4 số lương bằng sáng chế graphene tại Hàn Quốc, hiện chi hàng trăm triệu USD cho việc nghiên cứu vật liệu này.

Thống kê chỉ ra Trung Quốc đang là quốc gia giữ nhiều bằng sáng chế nhất liên quan đến Graphene, theo sau là Mỹ và Hàn Quốc

Vào tháng 4, viện nghiên cứu công nghệ cao của Samsung (SAIT) cùng với các viện khoa học ứng dụng tại các trường đại học ở Hàn Quốc đã công bố một phương pháp mới để sản suất graphene với khối lượng lớn mà không bị mất bất kỳ thuộc tính điện hoặc cơ khí nào tạo nên sự độc nhất của nó. Họ mong đợi phương pháp này sẽ đẩy nhanh việc thương mại hóa graphene, "vật liệu có thể mở ra kỉ nguyên tiếp theo của công nghệ điện tử tiêu dùng".

Với các lợi ích của graphene đã đề cập ở phần trên, thật dễ dàng thấy được lý do tại sao giới công nghệ đang rất mong chờ vào vật liệu tiềm năng này. Nhưng chưa chắc các công ty sẽ đại tu lại toàn bộ quy trình sản xuất hiện nay của họ chỉ bởi một nguyên liệu có thể làm mọi thứ tốt hơn silicon.

Mặc dù sự phát triển gần đây của Samsung là rất hứa hẹn nhưng hiện nay vẫn chưa có một cách thức nào để sản suất graphene hàng loạt theo phương pháp công nghiệp, có nghĩa là hiện vẫn chưa thể thu được lợi nhuận từ nguyên liệu này.

Ông Konstantin Novoselov, người từng đoạt giải Nobel, đã chỉ ra rằng cần mất một khoảng thời gian để graphene có thể thay thế được các nguyên liệu trước đó, vì nguyên liệu này phải chứng tỏ được lợi ích nó đem lại có thể vượt chi phí đắt đỏ, chưa tính tới chi phí cho sự chuyển đổi quy trình sản xuất công nghiệp trước đó.

 "Toàn bộ ngành công nghiệp được xây dựng dựa trên silicon. Không phải do các nguyên liệu khác không thể làm tốt hơn, mà bởi vì silicon có giá cả hợp với túi tiền. Các công ty như Intel đã chi đến hàng tỷ bảng Anh cho việc tối ưu hóa các đặc tính cho silicon. Vậy nên nếu bạn muốn họ chuyển sang graphene, bạn sẽ cần phải cố gắng rất nhiều. Họ sẽ không từ bỏ silicon dễ dàng như vậy."

Có thể sẽ phải nhiều năm nữa graphene mới có thể được các doanh nghiệp sử dụng trong sản xuất quy mô lớn. Còn hiện tại chúng ta chỉ có thể mơ ước về tiềm năng của "siêu vật liệu" này.

Theo Vnreview