Graphene là gì?
Graphene là vật liệu cực kỳ mỏng, nhẹ và linh hoạt. Về cơ bản, graphene là một lớp nguyên tử đơn của graphite (than chì), là một dạng thù hình của carbon được tạo thành từ các nguyên tử carbon liên kết chặt chẽ với nhau, sắp xếp thành mạng lưới hình lục giác.
Điều làm cho graphene trở nên đặc biệt là dù độ dày nguyên tử rất mỏng (0,345 nm) nhưng nó lại có độ bền cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, trọng lượng nhẹ, tính linh hoạt và độ đàn hồi cao. Người ta ước tính, graphene có độ bền gấp 200 lần so với thép và nhẹ hơn nhôm gấp 5 lần.
Các đặc tính của graphene
Trong số các đặc tính đa dạng của graphene, các đặc tính nổi bật nhất là độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, tính đàn hồi, độ bền và trọng lượng nhẹ. Các đặc tính này có thể ứng dụng hữu ích ở các lĩnh vực khác nhau trong đời sống.
● Độ dẫn điện cao. Một trong những đặc tính hữu ích nhất của graphene là độ dẫn điện. Graphene dẫn điện tốt hơn đồng. Các thử nghiệm cho thấy độ linh động điện tử của graphene rất cao, các kết quả ghi nhận trước đây là trên 15.000 cm2V−1s−1, giới hạn tiềm năng về lý thuyết là 200.000 cm2V−1s−1. Người ta cho rằng, các electron của graphene hoạt động rất giống với photon về độ linh động, do chúng không có khối lượng. Tuy nhiên, chất lượng của graphene và chất nền sử dụng sẽ là các yếu tố giới hạn. Ví dụ, với silicon dioxide làm chất nền, độ linh động có thể giới hạn ở mức 40.000 cm2V−1s−1.
● Độ bền cao. Nhờ độ bền của các liên kết carbon dài 0,142 nm, graphene là vật liệu bền nhất từng được ghi nhận. Nó có độ bền kéo tối đa là 130.000.000.000 Pascal (130 gigapascal), so với 400.000.000 Pascal của thép kết cấu A36.
● Trọng lượng nhẹ. Với độ dày nguyên tử rất mỏng nên graphene cực nhẹ. Trọng lượng graphene chỉ khoảng 0,77 miligram/m2 (để so sánh, 1 m2 giấy nặng hơn khoảng 1.000 lần). Graphene có tỉ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng rất lớn. Người ta thường nói, một tấm graphene duy nhất (chỉ dày 1 nguyên tử), nặng chưa đến 1 gram, có kích thước đủ để phủ kín một sân bóng đá.
● Độ đàn hồi và tính linh hoạt: Điều làm cho graphene trở nên đặc biệt hơn nữa là độ đàn hồi và tính linh hoạt cao, cho phép nó có thể kéo giãn và uốn cong mà không bị gãy. Graphene có khả năng giữ nguyên kích thước ban đầu sau khi bị gấp lại, biến dạng, do đó khả năng vỡ rất thấp.
● Độ trong suốt quang học cao. Graphene là vật liệu gần như trong suốt, hấp thụ rất ít ánh sáng nhìn thấy được (chỉ khoảng 2,3%). Nhờ đặc tính này và tính linh hoạt của nó, có thể ứng dụng sản xuất cho màn hình các loại thiết bị.
Ứng dụng của graphene
● Trong lĩnh vực năng lượng. Việc sử dụng graphene trong sản xuất pin sạc sẽ là bước tiến lớn cải thiện hiệu quả năng lượng, tuổi thọ của pin có thể tăng lên gấp 10 lần, thời gian sạc ngắn hơn. Vấn đề chỉ là thời gian, khi nào pin graphene đưa vào sử dụng thực tế. Graphene rất nhẹ và bền nên thích hợp để sản xuất pin cho máy bay không người lái. Nên nhớ, bộ phận lưu trữ năng lượng thường là bộ phận nặng nhất trong công nghệ, việc giảm trọng lượng của chúng được xem là sự đổi mới đáng kể. Với kỳ vọng lớn hơn, người ta tin rằng graphene có thể là bước ngoặt trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, vì vật liệu này có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn so với hiện nay.
● Trong xây dựng. Việc sử dụng graphene trong xây dựng hứa hẹn cải thiện khả năng cách nhiệt của tòa nhà. Khi ứng dụng vào các vật liệu xây dựng khác nhau, nó có thể góp phần điều chỉnh nhiệt độ tốt hơn và tiết kiệm năng lượng. Ví dụ sơn có chứa graphene. Không chỉ vậy, do đặc tính nhẹ và bền chắc, chúng có thể tích hợp vào vật liệu xây dựng, hiệu quả về mặt sinh thái, bền vững và có khả năng chống chịu tốt hơn so với các vật liệu hiện tại.
● Trong thiết bị điện tử. Sử dụng graphene có thể chế tạo các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhẹ hơn, bền hơn và hiệu quả hơn, điều không thể đạt được với các bộ phận điện tử hiện nay. Hơn nữa, graphene được ứng dụng vào mạch điện tử sẽ giúp các thiết bị điện tử chống chịu với độ ẩm, một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng. Ngoài ra, nó có khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tuyệt vời.
● Trong y tế. Nhờ các đặc tính của graphene, có thể phát triển các thiết bị trợ thính mạnh hơn, linh hoạt hơn và nhẹ hơn. Dù vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, người ta tin rằng graphene oxide có thể là trợ thủ đắc lực trong việc chẩn đoán bệnh và điều trị sau đó. Đây là nguyên tố thu được khi graphene bị oxy hóa, chuyển đổi nó thành vật liệu có đặc tính cơ học vượt trội.
