Graphene là một loại vật liệu rắn mới phổ biến trong những năm gần đây. Với sự “đa tài” của mình, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống. Tuy nhiên nhiều người vẫn chưa thực sự hiểu Graphene là gì? và những đặc tính, ứng dụng mà Graphene mang lại. Bài viết dưới đây Metagent sẽ giới thiệu đến bạn thông tin về Graphene, quy trình sản xuất cũng như ứng dụng của loại vật liệu thú vị này nhé!
Graphene là gì?
Graphene là một loại vật liệu siêu mỏng, được tạo ra bằng cách sắp xếp các nguyên tử cacbon theo cấu trúc lục giác tuần hoàn và liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị. Graphene được coi là một trong những vật liệu mạnh nhất, nhẹ nhất và dẻo nhất trên thế giới, với độ dày chỉ khoảng 1 nguyên tử. Với những tính chất đặc biệt này, Graphene có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, vật liệu, y tế, năng lượng và môi trường.
Xem thêm: Quần Tây Nam Metagent
Tìm hiểu về lịch sử khám phá chất liệu Graphene
Sau khi giải đáp được câu hỏi “Graphene là gì?”, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về lịch sử hình thành của chất liệu này nhé. Vào những năm 40, Graphene lần đầu tiên được các nhà khoa học nghiên cứu về mặt lý thuyết.
Thời điểm này, các nhà nghiên cứu khoa học cho rằng sự cô lập vật lý là không thể xảy ra với Graphene. Bởi họ nghĩ rằng vật chất hai chiều là không thể tồn tại về mặt vật lý. Tuy nhiên, nhiều thập kỷ sau họ bắt đầu quan tâm và tìm hiểu giải pháp loại bỏ than chì.
Các nhà nghiên cứu đã chèn các phần tử vào giữa các lớp Graphene, cạo và cọ xát Graphene. Không chỉ riêng Graphene, các nhà nghiên cứu đã có thể tách Graphene cả trên các vật liệu khác.
Năm 2022, Graphene nhận được sự quan tâm của nhóm nghiên cứu Andre Geim của Đại học Manchester. Họ thách thức với một nghiên cứu sinh tiến sĩ đánh bóng Graphene càng ít lớp càng tốt. Chỉ tiêu của nhóm Geim là 10 đến 100 lớp và nghiên cứu sinh đã thua khi chỉ đánh bóng được 1.000 lớp.
Không thành công nên Geim đã tìm kiếm cách khác. Ông tiến hành bôi nó lên than chì và bóc nó ra, việc này giúp Graphene tạo thành nhiều lớp. Cách làm này của ông gọi là cách bóc “băng”, nhiều lần bóc băng sẽ tạo được các lớp Graphene mỏng hơn. Ông sẽ bóc cho đến khi có được miếng Graphene dày 10 lớp.
Với sự tinh chỉnh kỹ thuật của nhóm nghiên cứu Andre Geim, cuối cùng họ đã thành công tạo ra một lớp nguyên tử cacbon. Từ đó việc sản xuất Graphene được tiến hành với tốc độ nhanh chóng với những mảnh đầu tiên được làm bằng băng keo.
Năm 2009, các nhà nghiên cứu đã thành công tạo ra một mảng Graphene có chiều ngang 30 inch. T10/2010, nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí “Science”. Năm 2010, Geim và ông Kostya Novoselov đã nhận giải thưởng Nobel cho công trình nghiên cứu thành công của họ.
Quy trình sản xuất Graphene là gì?
Với sự đa dạng trong ứng dụng thực tiễn, quy trình sản xuất của Graphene đòi hỏi nhiều công đoạn khó khăn, phức tạp. Để có thể chế tạo thành công, các nhà nghiên cứu đã tìm ra phương pháp phù hợp cho loại vật liệu “thú vị” này.
Bước 1: Phân cắt vi cơ
Phân cắt vi cơ chính là việc bóc tách Graphene nhiệt phân bằng cách sử dụng băng dính được sắp xếp theo thứ tự. Sau khi hoàn thành việc bóc tách, nhiều lớp Graphene vẫn còn dính trên mặt băng sẽ tiếp tục được cắt thành nhiều mảnh khác nhau. Bước này được nhận xét là đơn giản, dễ dàng nhưng khó áp dụng với quy mô sản xuất lớn.
Tham khảo: Quần Khaki
Bước 2: Tẩy tế bào chết pha lỏng (LPE)
Đối với bước này, chúng ta sẽ sử dụng dung môi như axit axetic, axit sunfuric và hydrogen peroxide để tẩy tế bào chết thông qua việc siêu âm. Nó sẽ tẩy Graphene ra khỏi vật liệu graphite, vì trong graphite chứa các Graphene khác nhau được gán bởi lực Van der Waals. Sử dụng tẩy tế bào chế pha lỏng sẽ giúp tạo ra các băng nano.
Bước 3: Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Sử dụng hỗn hợp khí (trong đó có ít nhất 1 chất chứa khí cacbon) nung nóng cho đến khi nó hình thành plasma. Sử dụng bộ điều khiển và đồng hồ đo lưu lượng để có thể định lượng khí và chất lỏng một cách chính xác nhất.
Trong quá trình lắng đọng hơi hóa học, sẽ tạo ra một màng chất xúc tác lắng đọng trên bề mặt. Quá trình ăn mòn hóa học sẽ diễn ra, hỗn hợp khí cacbon được đưa vào buồng phản ứng. Trong lắng đọng hơi hóa học, plasma sẽ tạo thành một lớp Graphene trên bề mặt niken hoặc đồng. Thực hiện bước này, sẽ giúp hóa chất lắng đọng tạo ra các tấm Graphene lớn hơn.
Bước 4: Flame synthesis
Bước này sẽ sản xuất hàng loạt tạo ra các hạt nano, không được đánh giá cao như lắng đọng hơi hóa học trong quá trình sản xuất Graphene. Họ sẽ tập trung khai thác kinh tế Graphene trong bước này bởi những ưu điểm cũng như hiệu quả của nó.
Bước 5: Lắng đọng laser xung (PLD)
Tại bước này, vật liệu được lắng đọng trong nhiệt độ 45°C, nguồn năng lượng sẽ ở bên ngoài buồng và được duy trì chân không siêu cao. Quá trình này có ưu điểm tạo ra được những Graphene có chất lượng cao mà không có khuyết điểm.
Những đặc tính vượt trội của Graphene
Graphene là gì mà lại có những đặc tính vượt trội như vậy. Hãy cùng tìm hiểu những ưu điểm của Graphene dưới đây nhé:
Graphene mang đến độ chắc cực cao
Graphene có sức bền khoảng 42N/m. Theo một số nghiên cứu, độ bền của Graphene gấp 100 lần so với thép (độ bền của thép là 0.084-0.40 N/m). Có thể thấy, Graphene mang đến độ bền cực cao, mang lại nhiều lợi ích trong ứng dụng thực tiễn.
Có tính dẫn điện tốt
Nếu ở dạng tinh khiết, Graphene dẫn điện nhanh hơn tất cả các chất khác. Ngoài ra, ở trong nhiệt độ thường Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng. Có lẽ, cũng bởi hầu hết các elec đi qua Graphene đều không gặp điện trở nên ít sinh ra điện.
Khả năng dẫn nhiệt tốt
Có thể nói, Graphene là một chất dẫn nhiệt tốt, bởi nó cho phép nhiệt đi qua và phát tán. Độ dẫn nhiệt của Graphene là 5000 W/m.K. Ngoài ra, người ta còn cho rằng Graphene dẫn nhiệt nhanh gấp 12 lần đồng.
Siêu nhẹ
Trọng lượng của Graphene là 0,77mg tương đương với trọng lượng của sợi tóc dài xấp xỉ 1mm. Có thể thấy, Graphene không chỉ có tính bền mà còn siêu nhẹ, được rất nhiều nhà nghiên cứu săn đón để chế tạo vật phẩm.
Mang đến độ bóng, độ bền cao
Graphene là vật liệu có độ bóng, độ bền cao đã được các nhà nghiên cứu chứng minh. Chính vì vậy, vật liệu này rất được tin tưởng để sản xuất nhiều vật liệu cho người tiêu dùng.
Xem thêm: Áo Khoác
Chống lại sự ăn mòn của axit và các tác nhân gây hại bên ngoài
Vật liệu và thành phần của Graphene không cho phép vi khuẩn phát triển trên bề mặt của nó. Vì vậy có thể chống lại sự ăn mòn của axit và các tác nhân bên ngoài làm ảnh hưởng tới Graphene.
Nhược điểm Graphene là gì?
Tuy Graphene là vật liệu có rất nhiều những ưu điểm như đã kể trên. Nhưng thực tế lại chưa có nhiều sản phẩm được chính thức ra mắt được sản xuất bằng vật liệu “thú vị” này. Có thể thấy rằng, không phải thực hành nào cũng sẽ thành hiện thực đạt được hiệu quả cao nhất.
Graphene có độc hại hay không?
Vật liệu Graphene được nhận định là không thân thiện với môi trường và con người. Mặc dù nó mang nhiều đặc tính thần kỳ và được các nhà khoa học “ưu ái” nghiên cứu. Trong một vài nghiên cứu gần đây, đã chỉ ra rằng Graphene rất sắc và bén, nó có khả năng làm tổn hại đến con người và động vật.
Ngoài ra, nhóm kỹ thuật Bourns của trường đại học California, Riverside (UC Riverside) đã tiến hành thí nghiệm hạt nano Graphene oxit với môi trường nước. Và kết quả cho thấy các hạt nano giữ ổn định cao và có khuynh hướng cao, cụ thể là xuống dưới bề mặt nước. Điều này có thể làm ảnh hưởng đến các vật chất hữu cơ, thủy sinh vật, động vật và con người.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng khẳng định rằng loại vật liệu này vẫn đang được khảo sát và tìm hiểu. Trong nhiều năm tới Graphene sẽ trở nên phổ biến với con người. Đó cũng là thách thức với các nhà nghiên cứu làm thế nào để đưa ra sản phẩm an toàn tới con người.
Những ứng dụng “bổ ích” của Graphene trong cuộc sống
Câu hỏi “Graphene là gì?” đã được giải đáp gần hoàn thiện rồi. Và sau đây hãy cùng tìm hiểu những ứng dụng của Graphene trong cuộc sống bạn nhé!
Giúp lưu trữ năng lượng và pin mặt trời
Graphene có thể tăng cường tái tạo và lưu trữ năng lượng và pin mặt trời. Hãy thử đưa các nguyên vật liệu này vào tấm pin mặt trời, nó có thể giúp bạn tăng hiệu suất và sản xuất ra nhiều năng lượng hơn.
Tham khảo: Áo Thun Nam
Ứng dụng cảm biến Graphene
Ứng dụng này giúp ích rất lớn cho các nhà nghiên cứu cảm biến sinh học và hóa học. Cấu trúc 2D của Graphene kết hợp với khả năng siêu thấm của nó với các phân tử nước. Điều này sẽ dẫn đến tốc độ cảm biến chưa từng có.
Đặc biệt, hiện nay các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu sử dụng bọt Graphene để làm cảm biến khí và các cảm biến sinh học. Việc này sẽ hỗ trợ phát hiện bệnh nhanh chóng hơn. Có thể thấy, Graphene có rất nhiều lợi ích ứng dụng vào thực tiễn.
Công dụng trong y học của Graphene
Graphene có công dụng giúp quá trình lưu thông thuốc được cải thiện. Giúp quá trình chẩn đoán bệnh, hoạt động của tác nhân điều trị được thống nhất trong cùng một hệ thống nano Graphene.
Một nhóm các nhà nghiên cứu hiện nay cũng đang tìm hiểu để đưa ra các loại thuốc chống ung thư đến các tế bào ung thư. Ngoài ra, họ còn đang nghiên cứu để đưa Graphene có thể thay thế thuốc kháng sinh.
Sản xuất mực Graphene
Mực Graphene có thể gọi là một sáng kiến độc đáo của các nhà nghiên cứu khi tìm ra nó. Mực Graphene sẽ tốn ít chi phí hơn trong việc in phun và dẫn đến mở rộng khai thác các đặc tính khác của Graphene.
Tạo ra lớp phủ bằng Graphene
Việc tạo ra lớp phủ bằng Graphene phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Lớp phủ giúp hình thành các cấu trúc thấm nước cực kỳ hiệu quả. Bởi Graphene có lớp phủ mỏng nhất thế giới để bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn của axit.
>>> Da Saffiano là da gì? Da Saffiano có là kẻ thống trị trong các chất liệu chế tác?
Những mục đích sử dụng khác
Ngoài việc sử dụng Graphene ứng dụng vào khoa học và thực tiễn trên, Graphene còn có những mục đích sử dụng khác như:
Che chắn bức xạ
Các nhà nghiên khoa học đã chứng minh rằng Graphene chính là bức che chắn bức xạ hiệu quả nhất. Bởi nó có tấm chắn siêu mỏng, trong suốt, không trọng lượng và linh hoạt bằng lớp nguyên tử của Graphene.
Quản lý nhiệt
Việc này được ứng dụng trong việc sản xuất các thiết bị điện tử cần độ tản nhiệt cao như laptop, điện thoại. Họ sử dụng một màng Graphene giúp tản nhiệt dư trong điện thoại/ máy tính một cách nhanh chóng.
Bôi trơn
Chất bôi trơn là ứng cử viên tiêu biểu trong các ứng dụng của Graphene. Các mẫu nano và quy trình xử lý trên bề mặt đã được phát triển. Điều này sẽ kéo dài tuổi thọ trong các ứng dụng MEMS/NEMS và cho các quy trình chế tạo khác.
Sản xuất khẩu trang bằng Graphene
Một trong những công trình nghiên cứu tiêu biểu của Graphene đó là sản xuất khẩu trang. Trong đại dịch COVID-19, khẩu trang đã trở thành vật bất ly thân của người dân. Nhà nghiên cứu đã sản xuất ra khẩu trang bằng Graphene với khả năng chống vi khuẩn đến 80%. Có thể lên tới 99% khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong 10 phút.
Trang phục chống muỗi đốt
Nghiên cứu này được phát minh ra bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Brown. Họ cho rằng Graphene có thể ngăn chặn các dấu hiệu hóa học trong mồ hôi mà muỗi sử dụng để để phát hiện “miếng mồi” của mình. Đây được coi là một “phòng thủ” đắc lực giúp chống lại muỗi đốt.
Lọc nước
Các nhà nghiên cứu đã có bước ngoặt lớn trong cuộc tìm kiếm khai phá công dụng của vật liệu Graphene. Khi họ đã tiến hành sử dụng màn Graphene oxide để lọc muối khỏi nước biển tạo thành nước sạch để uống.
Kính áp tròng
Có lẽ bạn không biết, Graphene có thể tạo ra kính áp tròng hồng ngoại. Graphene là vật liệu siêu mỏng, siêu nhẹ nên các nhà nghiên cứu đã sản xuất ra loại kính áp tròng hồng ngoại. Loại kính này cho phép bạn nhìn xuyên đêm và một số ứng dụng khác trong lĩnh vực y tế.
Sản xuất bao cao su siêu mỏng
Một số nhà nghiên cứu Anh đã cho ra loại bao cao su siêu mỏng được sản xuất kết hợp giữa vật liệu Graphene và nhựa. Điều này tạo nên bao cao su mỏng hơn, độ co giãn và an toàn nhiều hơn, giúp tạo khoái cảm cho người sử dụng.
Làm thuốc nhuộm tóc
Khác với các loại thuốc nhuộm tóc độc hại hiện nay. Loại thuốc làm từ Graphene được các nhà nghiên cứu tại Mỹ sản xuất ra với công dụng không làm hại tóc, không độc hại, kháng được các loại vi khuẩn. Bạn sẽ chẳng cần băn khoăn việc hỏng tóc hay sức khỏe bị ảnh hưởng nữa.
>>> Vải Bamboo là vải gì? Những lưu ý cần biết về vải Bamboo
Kết luận
Bài viết trên cung cấp cho bạn đọc thông tin chi tiết về Graphene là gì, từ định nghĩa cho đến các quy trình sản xuất và ứng dụng của nguyên vật liệu này. Graphene thật sự là một vật liệu đặc biệt và đầy tiềm năng. Chúng tôi hi vọng bài viết này đã giúp bạn có cái nhìn rõ hơn về Graphene và khuyến khích bạn hãy tiếp tục tìm hiểu và khám phá thêm về vật liệu này.
