Đã có cách chế tạo siêu vật liệu graphene tại gia

Graphene ngày nay đã không còn xa lạ với nhiều người. Nó được mệnh danh là siêu vật liệu của tương lai. Chỉ gồm một lớp nguyên tử, nhẹ và linh hoạt nhưng graphene cứng hơn thép tới 200 lần, cùng với đó là khả năng dẫn điện và tải nhiệt tuyệt vời. Ứng dụng của graphene trải dài trên nhiều lĩnh vực, từ công nghệ điện tử, máy tính cho đến năng lượng tái tạo và xử lí môi trường.

Một báo cáo trên tạp chí Science cho biết giá một miếng graphene cỡ micromet có thể lên tới 1.000 USD. Mặc dù vậy, bạn có tin: chỉ với một khoản đầu tư nhỏ vài chục ngàn đồng, chính mình có thể tạo ra graphene ngay tại nhà?

Siêu vật liệu graphene có thể được chế tạo ngay tại nhà bạn

Dưới đây là một đoạn video ngắn, mới được đăng tải trên kênh Youtube của Trường Kỹ thuật Khoa học ứng dụng John A. Paulson, thuộc Đại học Harvard. Trong đó hướng dẫn bạn làm thế nào để tạo ra graphene chỉ từ: một miếng silic, tinh thể graphite, nhíp và băng dính.

Miếng silic được sử dụng ở trên có thể mua với giá rẻ hoặc lấy từ một con chip bị hỏng. Trên thực tế nó chỉ là nơi để graphene bám vào. Như bạn đã biết, graphene rất mỏng, bạn không thể tự nhiên cầm nó lên được. Nếu không tìm được một miếng silic, bạn có thể dùng tạm một miếng thủy tinh. Quan trọng là bề mặt của nó phải được xử lí sạch.

Tinh thể graphite thực chất là than chì. Bạn cũng có thể mua với giá cực rẻ hoặc lấy ngay từ ruột bút chì. Cùng với vài đoạn băng dính và một chiếc nhíp sạch, bạn có thể chế tạo siêu vật liệu graphene với một khoảng đầu tư chỉ vài chục ngàn.

Cách đơn giản để chế tạo graphene

Các bước cụ thể như sau:

- Trước hết, cắt một miếng băng dính, đặt tinh thể graphite lên trên. Sau đó gấp đôi miếng băng dính lại để nó tiếp xúc với cả hai mặt của miếng graphite. Tách đôi miếng băng dính ra, bạn sẽ thấy một vết lem của than chì. Lặp lại quá trình nhiều lần để đạt được nhiều vết lem lớn.

- Bước tiếp theo, bạn đặt một miếng băng dính khác lên những vết lem và rồi tách nó ra dần dần. Miếng băng dính mới tiếp tục có một vết lem mờ. Đặt phần này lên trên miếng silic hoặc thủy tinh. Dùng một vật có bề mặt nhẵn vuốt nhẹ tấm băng dính để nó dán vào bề mặt miếng silic. Tách băng dính ra và bạn sẽ có graphene trên bề mặt của nó.

Để có thể phát hiện ra graphene trên tấm silic, bạn cần sự hỗ trợ của một kính hiển vi. Video trên không chỉ ra kết quả nhưng bạn có thể quan sát nó ở cuối đoạn video tương tự dưới đây:

Bạn sẽ có một mảng graphene nhỏ lẫn với các mảng than chì dày hơn sau quá trình

Cơ sở khoa học

Trên thực tế, phương pháp này giống hệt cách hai nhà khoa học Andre Geim và Kostya Novoselov đã thực năm 2004 để chế tạo graphene. Có thể nói, họ đã cùng nhau giành giải Nobel vật lý năm 2010 với sự đóng góp lớn của những miếng băng dính.

Cơ sở lý thuyết đến từ cấu trúc của graphite. Nó gồm nhiều dàn tinh thể carbon hình tổ ong xếp chồng lên nhau. Nếu để ý, không khó để nhận ra mỗi một dàn tinh thế này chính là graphene. Quá trình tách băng dính đơn giản là để làm mỏng dần graphite. Lặp lại nhiều lần cho đến khi bạn nhận được một lớp nguyên tử duy nhất còn lại là graphene.

Một loạt các quá trình đơn giản khác cũng có thể tạo ra graphene. Ví dụ, bạn tô đậm một mảng bút chì trên giấy, sau đó dùng tẩy để loại bỏ nhẹ nhàng các lớp graphite. Lặp lại quá trình cho đến khi bạn nhìn thấy graphene trên kính hiển vi. Nếu không muốn tẩy mỏi tay, bạn có thể vẽ thẳng chì lên một miếng silic. Vì miếng silic được gia công rất rất bằng phẳng, cơ hội để bạn có một lớp graphene bám lại trên đó là rất lớn.

Năm 2014, trong một nỗ lực chế tạo graphene “trong nhà bếp” khác, Jonathan Coleman, một nhà vật lý đến từ Đại học Trinity Dublin, Iceland công bố một công trình khoa học cho thấy anh và cộng sự đã tạo ra graphene bằng vài mẩu than chì và máy xay sinh tố. Có vẻ như chế tạo graphene rất đơn giản.

Tách băng dính không khiến bạn trở thành tỷ phú

Một mảnh nhỏ graphene bằng đầu sợi tóc có giá hơn 1.000 USD. Điều đó có nghĩa là bạn có 100 triệu USD cho mỗi cm² bán được. Bạn có muốn đầu tư vào băng dính và máy xay sinh tố không?

Chế tạo được siêu vật liệu không có nghĩa bạn sẽ trở thành tỷ phú

Đáng tiếc, đó chỉ là số liệu của năm 2008. Ngay một năm sau, các nhà khoa học đã tạo ra một công nghệ mà giảm giá thành của nó đến 1 triệu lần còn 100 USD/cm². Giá của graphene tiếp tục có thể giảm thêm 100 lần vào năm ngoái.

Điều có cũng không có nghĩa là những ai thức thời đã có thể trở thành tỷ phú trước năm 2009. Quá trình tách băng dính chỉ có thể tạo ra những mảng graphene rất nhỏ và có thể bị lỗi. Nó còn lẫn rất nhiều mảng than chì khác.

Một mẫu graphene chỉ có thể trở thành siêu vật liệu nếu nó đủ lớn, không lẫn tạp chất và không bị khuyết tật. Trên thực tế có thể tạo ra được một tấm graphene nhỏ như vậy cũng rất khó. Trong điều kiện phòng thí nghiệm với đầu tư hàng tỷ đồng, người ta có thể chế tạo graphene theo công nghệ lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) giống video dưới đây:

Công nghệ chế tạo graphene trong phòng thí nghiệm

Trong sản xuất công nghiệp, graphene ngày nay không đạt được tính kinh tế khi sản xuất ở dạng tấm. Chính vì vậy, người ta chỉ có thể phát triển các sản phẩm ứng dụng graphene thương mại ở dạng bột. Bột graphene phân tán trong các polyme có thể được sử dụng cho chất sơn phủ, chất bôi trơn, pin mặt trời, chất tản nhiệt...

Mặc dù vậy, hầu hết các ứng dụng này đều chỉ đang trong quá trình nghiên cứu phát triển. Năm 2015, chúng ta chứng kiến một sản phẩm thương mại ứng dụng graphene. Hơi đáng thất vọng, nó không phải điều gì đột phá đến từ các hãng công nghệ dẫn đầu nghiên cứu graphene như Samsung, IBM hay Ford. Thứ chúng ta có chỉ là mực pha graphene dành cho máy in 3D.

Nói tóm lại, dù cho con người đã biết đến một siêu vật liệu, thậm chí có thể chế tạo nó ngay trong nhà bếp, khả năng ứng dụng của graphene vẫn còn nằm ở tương lai. Hy vọng với sự phát triển không ngừng của công nghệ, những sản phẩm như máy tính, điện thoại, hay thậm chí là phi thuyền không gian sẽ sớm có được những tính chất tuyệt vời của graphene. Siêu vật liệu mà chỉ để làm mực in thì có vẻ hơi đáng tiếc.

Tham khảo Sciencealert, Nature, Wikipedia