Graphene còn kinh khủng hơn những gì chúng ta biết: Chịu được cường độ dòng điện gấp 1000 lần thông thường

Nếu bạn nghĩ rằng grapheme chẳng có gì ấn tượng và năm 2016 đã không còn gì ngạc nhiên nữa thì graphene đã đến và gõ cánh cửa khám phá trong dịp cuối năm này.

Một nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng graphene có khả năng chống chịu lớn hơn rất nhiều những gì chúng ta dự đoán trước đây – và theo một cách khác với vật chất thông thường – biến nó trở thành một loại nguyên liệu hoàn hảo cho việc chế tạo các loại thiết bị điện tử siêu nhanh thế hệ tiếp theo.

“Cường độ dòng điện mà nó có thể truyền tải cao hơn khoảng 1000 lần so với những gì dẫn tới sự phá huỷ của các vật liệu dưới mức thông thường”, Elisabeth Gruber từ Viện Vật lý Ứng dụng tại TU Wien ở Áo.

“Vượt qua thời gian và không gian, graphene có thể chịu được những dòng điện cực đại như vậy mà không hề bị ảnh hưởng”.

Để không hiểu lầm, những gì chúng ta đang nói đến ở đây không phải việc graphene có thể dẫn điện hiệu quả ra sao. Đầu năm nay, các nhà khoa học đã cố gắng biến loại vật liệu này thành một chất siêu dẫn, có khả năng như con thoi electron mà không hề có điện trở.

Ngần đó là quá nhiều và đủ để graphene giữ được danh hiệu “vậy liệu thần kỳ” thêm một năm nữa.

Nghiên cứu mới nhất không tập trung vào hiệu quả của việc di chuyển electron, mà chỉ tập trung vào việc tìm hiểu xem loại vật liệu này có thể chịu được cường độ dòng điện lớn thế nào – đặc biệt, có bao nhiêu electron mà nó có thể mang theo trong một khoảng thời gian ngắn.

Và kết quả rất ấn tượng.

Tấm graphene

Trong trường hợp bạn cần “ôn lại” một chút về graphene, nó là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử carbon, và than chì chính là do nhiều tấm graphene ghép lại với nhau. Nó cứng hơn cả thép và kim cương nhưng lại rất linh hoạt, đến nay nó còn được phát hiện có khả năng chịu được mật độ điện tích cao.

Để tìm ra điều này, các nhà nghiên cứu đã thổi những i-on xenon mang điện tích dương vào một tấm graphene, làm cho một lượng lớn các electron bị bắn ra khỏi tấm graphene tại nơi mà chúng bị va đập.

Hãy tưởng tượng những i-on xenon thổi bay các electron của tấm graphene giống như việcbạn ném một quả bóng tenis xuống mặt sân đất nện.

Một i-on xenon có thể đánh cắp hơn 20 electron từ một diện tích nhỏ trên tấm graphene, điều đó nghe có vẻ không nhiều, nhưng việc nhìn thấy cứ mỗi nguyên tử carbon chỉ còn 6 electron để bắt đầu, đó thật sự là một vấn đề lớn đối với sự ổn định của vật chất.

Kết quả là, xung quanh những nguyên tử carbon còn lại rất nhiều điện tích dương.

I-on xenon cũng đẩy toàn bộ nguyên tử carbon của tấm graphene khi nó đi xuyên qua, nhưng điều này có ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều so với việc bị mất đi các electron.

Trong một vật liệu thông thường, các electron sẽ nhanh chóng cố gắng để sửa chữa sự mất cân bằng này, nhưng nó diễn ra không đủ nhanh, vì vậy mà vật chất sẽ bắt đầu bị phá huỷ.

“Những gì bạn mong đợi xảy ra tiếp theo đó là việc các i-on carbon mang điện dương sẽ đẩy nhau, bay ra khỏi tấm graphene trong một vụ nổ gọi là Coulomb và để lại một khoảng trống lớn trên vật chất”, Richard Wilhelm, một thành viên trong nhóm nghiên cứu nói.

“Nhưng thật đáng ngạc nhiên, trường hợp này đã không xảy ra. Các điện tích dương trong graphene gần như ngay lập tức bị vô hiệu hoá.”

Vì vậy, graphene bằng cách nào đó có khả năng lấp đầy những lỗ hổng electron của nó bằng các electron khác gần như ngay lập tức, có nghĩa là nó đã chuyển một lượng lớn điện tích trong một khoảng thời gian ngắn.

Và khi các nhà khoa học nói rằng trong một khoảng thời gian ngắn, có nghĩa là nó rất rất ngắn – những electron mới được đưa vào chỉ trong khoảng vài femto giây (một phần nghìn nghìn của một giây).

“Phản ứng điện tử của vật chất để bù đắp cho sự gián đoạn do i-on xenon gây ra là cực kỳ nhanh chóng”, Gruber nói.

“Dòng điện mạnh mẽ từ các vùng lân cận của tấm graphene đã kịp thời tiếp tế các electron bị thiếu trước khi vụ nổ kịp xảy ra do các điện tích cùng dấu đẩy nhau”.

Cường độ dòng điện mà tấm graphene có thể truyền tải để làm điều này cao hơn khoảng 1000 lần so với bất kỳ loại vật liệu thông thường nào có thể chịu được.

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ cần phải hiểu được chính xác điều này đã diễn ra như thế nào, nhưng đây cũng là một tin tức đáng kinh ngạc đối các kỹ sư muốn chế tạo những thiết bị điện tử siêu nhanh trong tương lai, bởi graphene có thể trở thành vật liệu có đủ độ bền để xử lý các electron có cường độ cao như vậy.

Tham khảo Sciencealert