Graphene-vật liệu cứng nhất thế giới này

Graphene là gì?

Graphene là một dạng của carbon bao gồm một lớp (đơn lớp) nguyên tử carbon được sắp xếp, liên kết chặt chẽ với nhau trong một mạng tổ ong hai chiều.

Mỗi nguyên tử cacbon trong tấm graphene liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác ở các góc giống hệt nhau, tạo thành một cấu trúc phẳng giống như tổ ong. Tương tự như kim cương - graphene là một tinh thể carbon ba chiều, nơi mọi nguyên tử được kết nối với bốn nguyên tử khác - những liên kết bền chặt này mang lại cho cấu trúc độ bền đáng kể.

Các lớp graphene xếp chồng lên nhau tạo thành graphite, với khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,335 nanomet. Các lớp graphene riêng biệt trong graphite được giữ với nhau bằng lực van der Waals, lực này có thể bị tách ra trong quá trình tách graphene khỏi graphite.

Có khoảng 3 triệu lớp graphene trong một tấm graphit dày 1 mm. Theo thuật ngữ khoa học: Các đặc điểm đặc biệt của graphene bắt nguồn từ các obitan 2p, tạo thành các dải trạng thái π phân chia vị trí trên tấm cacbon cấu thành nên graphene.

Graphene là vật liệu mạnh nhất được biết đến bởi nó cứng hơn kim cương nhưng đàn hồi hơn cao su; cứng hơn thép nhưng nhẹ hơn nhôm. Nhờ cấu trúc độc đáo của graphene, nó sở hữu những đặc điểm đáng kinh ngạc khác: Tính linh động điện tử cao, nhanh hơn silicon 100 lần; Graphene dẫn nhiệt tốt hơn kim cương gấp 2 lần; độ dẫn điện của graphene cũng tốt hơn 13 lần so với đồng.

Ngoài ra, Graphene chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng phản xạ; nó không thấm nước nên ngay cả nguyên tử nhỏ nhất (heli) cũng không thể đi qua tấm graphene đơn lớp không có khuyết điểm. Với diện tích bề mặt lên tới 2.630 mét vuông mỗi gam có nghĩa là với ít hơn 3 gam, bạn có thể bao phủ toàn bộ một sân bóng.

Graphene là hợp chất mỏng nhất mà con người biết đến với độ dày một nguyên tử, vật liệu nhẹ nhất được biết đến (với 1 mét vuông nặng khoảng 0,77 miligam), hợp chất mạnh nhất được phát hiện (mạnh hơn thép từ 100-300 lần với độ bền kéo 130 GPa và 1 Young's modulus  là 1 TPa - 150.000.000 psi), chất dẫn nhiệt tốt nhất ở nhiệt độ phòng (ở (4,84 ± 0,44) × 10 ^ 3 đến (5,30 ± 0,48) × 10 ^ 3 W · m − 1 · K − 1 ) và cũng là chất dẫn điện tốt nhất được biết đến (các nghiên cứu đã chỉ ra tính linh động của điện tử ở các giá trị hơn 200.000 cm2 · V − 1 · s − 1 ).

Graphene đại diện cho một loại vật liệu mới về mặt khái niệm chỉ dày một nguyên tử, được gọi là vật liệu hai chiều (2D) (chúng được gọi là 2D vì chúng chỉ mở rộng theo hai chiều: chiều dài và chiều rộng; vì vật liệu chỉ dày một nguyên tử, chiều thứ ba, chiều cao, được coi là bằng không). Và chỉ ở trạng thái đơn hoặc ít lớp này, các đặc tính tuyệt vời của graphene mới xuất hiện.

Các đặc tính đáng chú ý khác của graphene là sự hấp thụ đồng đều ánh sáng của nó qua các phần nhìn thấy và cận hồng ngoại của quang phổ (πα ≈ 2,3%), và khả năng thích hợp của nó để sử dụng trong vận chuyển spin.

Bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng carbon là nguyên tố có nhiều thứ hai trong cơ thể con người và là nguyên tố phong phú thứ tư trong vũ trụ (tính theo khối lượng), sau hydro, heli và oxy. Điều này làm cho carbon trở thành cơ sở hóa học cho tất cả sự sống đã biết trên trái đất, làm cho graphene có khả năng trở thành một giải pháp bền vững, thân thiện với môi trường cho một số lượng ứng dụng gần như vô hạn.

Kể từ khi phát hiện ra graphene, các ứng dụng trong các ngành khoa học khác nhau đã bùng nổ, với những lợi ích to lớn được tạo ra, đặc biệt là trong thiết bị điện tử tần số cao, cảm biến sinh học, hóa học và từ tính, bộ tách sóng quang băng thông cực rộng và lưu trữ và tạo ra năng lượng.

hững tính năng vượt trội của Graphene

Cực chắc

Độ bền kéo: 130 Gpa Mô-đun đàn hồi: 1 Tpa sẽ phải cần một con voi, cân bằng trên một cây bút chì để phá vỡ một tấm graphene có độ dày của màng bám Graphene.

Dẫn điện tốt

Độ dẫn điện: 0,96x106 Ω-1cm-1

Tính di động của điện tử: 200,000 cm2/V.s

Độ dẫn điện tốt hơn đồng, độ linh động của hạt tải điện cao hơn silicon 200 lần.

Siêu nhẹ

Trọng lượng 1m2 = 0,77mg

Nhẹ hơn nhưng chắc hơn: 1m2 graphene đơn lớp nặng 0,77 mg, tương đương với trọng lượng của sợi tóc người dài ∼1 mm.

Dẫn nhiệt tốt

Dẫn nhiệt: 5000 W / m.K

Dẫn nhiệt nhanh hơn gấp 12 lần đồng.

Nhược điểm

Graphene có giá thành cao và quá trình sản xuất phức tạp, khó khăn.

Quá trình sản xuất graphene có thể cần sử dụng đến một số hoá chất độc hại gây hại tới môi trường.

Những ứng dụng của Graphene trong cuộc sống

Lưu trữ năng lượng và pin mặt trời

Vật liệu nano dựa trên Graphene có nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng. Một số ví dụ có thể kể đến như: Graphene cải thiện cả dung lượng năng lượng và tốc độ sạc trong pin sạc lại được; graphene hoạt hóa tạo ra siêu tụ điện ưu việt để lưu trữ năng lượng; điện cực graphene có thể dẫn đến một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để chế tạo pin mặt trời không đắt, nhẹ và linh hoạt; và thảm graphene đa chức năng là chất nền đầy hứa hẹn cho các hệ thống xúc tác.

Các nhà nghiên cứu cũng đã phát hiện ra mối quan hệ quan trọng và bất ngờ giữa khiếm khuyết về cấu trúc/hóa học của graphene như một vật liệu chủ cho các điện cực và khả năng ngăn chặn sự phát triển của các đuôi gai - cặn dạng sợi giống như nhánh trên các điện cực có thể xuyên qua rào cản giữa hai nửa của pin và có khả năng gây chập điện, quá nhiệt và cháy.

Những ví dụ này nêu bật bốn lĩnh vực chính liên quan đến năng lượng mà graphene sẽ có tác động: pin mặt trời, siêu tụ điện, pin graphene và xúc tác cho pin nhiên liệu.

Do đặc tính vận chuyển điện tử tuyệt vời và tính linh động của hạt tải điện cực cao, graphene và các vật liệu đơn lớp dải băng trực tiếp khác như dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMDCs) và phốt pho đen cho thấy tiềm năng lớn được sử dụng với chi phí thấp, linh hoạt và hiệu quả cao thiết bị quang điện. Chúng là những vật liệu hứa hẹn nhất cho các tế bào năng lượng mặt trời tiên tiến.

Một bài báo đánh giá xuất sắc (Phương pháp tiếp cận hóa học đối với vật liệu nano dựa trên Graphene và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng) cung cấp tổng quan ngắn gọn về nghiên cứu gần đây liên quan đến các phương pháp tiếp cận hóa học và nhiệt nhằm sản xuất vật liệu nano dựa trên graphene được xác định rõ và các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng.

Tuy nhiên, các tác giả lưu ý rằng trước khi các thiết bị và vật liệu nano dựa trên graphene được sử dụng rộng rãi trong thương mại, hai vấn đề quan trọng phải được giải quyết: một là việc điều chế các vật liệu nano dựa trên graphene với cấu trúc được xác định rõ, và hai là chế tạo có thể kiểm soát được các vật liệu này thành các thiết bị chức năng.

Ứng dụng cảm biến Graphene

Graphene chức năng hóa hứa hẹn đặc biệt cho các cảm biến sinh học và hóa học. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc 2D đặc biệt của graphene oxide (GO), kết hợp với khả năng siêu siêu thấm của nó với các phân tử nước, dẫn đến các thiết bị cảm biến với tốc độ chưa từng có.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng hơi hóa học làm thay đổi phổ nhiễu của bóng bán dẫn graphene, cho phép chúng thực hiện cảm biến khí có chọn lọc đối với nhiều hơi bằng một thiết bị duy nhất làm bằng graphene nguyên sinh - không cần chức năng hóa bề mặt graphene.

Một cách tiếp cận khá hay là kết nối cảm biến nano graphene thụ động, không dây với vật liệu sinh học thông qua hấp thụ sinh học tơ như được chứng minh bằng hình xăm cảm biến nano graphene trên răng theo dõi vi khuẩn trong miệng của bạn.

Các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu làm việc với bọt graphene - cấu trúc ba chiều của các tấm graphene liên kết với nhau có độ dẫn điện cực cao. Những cấu trúc này rất có triển vọng làm cảm biến khí và như cảm biến sinh học để phát hiện bệnh.

Màng Graphene

Màng graphene được sử dụng cho nhiều mục đích đa dạng, từ lọc nước, chẳng hạn cho mục đích khử muối; tách khí công nghiệp, chẳng hạn như thu giữ CO2; hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn (màng phân tách cho pin dòng oxy hóa khử); hoặc làm màng lọc trong công nghiệp thực phẩm (ví dụ để lọc lactose từ sữa).

Màng nanofluidic dựa trên vật liệu 2D là vật liệu đầy hứa hẹn cho quá trình khử mặn và lọc nước thế hệ tiếp theo. Ví dụ, màng graphene oxit nguyên sinh và đã được biến đổi về mặt hóa học (GOM) có hiệu quả ngăn chặn thuốc nhuộm hữu cơ và các hạt nano nhỏ đến 9 Å. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh một phương pháp khử mặn mới với khả năng loại bỏ muối gần như hoàn hảo và lưu lượng nước cao.

Màng Graphene cũng được đề xuất để thu giữ carbon, tức là loại bỏ CO2 khỏi khí thải để ngăn nó xâm nhập vào khí quyển. Hiện tại, điều này được thực hiện bởi các màng hiệu suất cao được làm từ polyme có thể đặc biệt loại bỏ CO2 từ hỗn hợp khí. Một lớp màng hiệu suất cao mới được đề xuất vượt quá các mục tiêu bắt giữ sau đốt với một biên độ đáng kể. Các màng này dựa trên graphene một lớp với lớp chọn lọc mỏng hơn 20 nm và có thể điều chỉnh cao về mặt hóa học.

Graphene đơn lớp cũng được đề xuất để tách khí công nghiệp. Tách các khí hỗn hợp, chẳng hạn như không khí, thành các thành phần riêng lẻ của chúng là một quá trình có nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm sản xuất khí sinh học, làm giàu không khí trong quá trình gia công kim loại, loại bỏ khí độc từ khí tự nhiên và thu hồi hydro từ các nhà máy amoniac và nhà máy lọc dầu.

Tuy nhiên, quá trình phát triển graphene đã gặp phải hai điểm khó khắn: Thứ nhất, thiếu các phương pháp để kết hợp các lỗ có kích thước phân tử vào lớp graphene, và thứ hai, thiếu các phương pháp để thực sự sản xuất cơ học mạnh mẽ, không bị nứt và không bị rách, màng có diện tích lớn.

Trong một bước đột phá giải quyết được cả hai vấn đề, các nhà khoa học đã phát triển một màng graphene một lớp diện tích lớn có thể tách hydro khỏi metan với hiệu suất cao (hệ số phân tách lên đến 25) và độ thấm hydro chưa từng có từ một độ xốp chỉ 0,025%.

Ngoài ra một ứng dụng khác liên quan nhiều đến việc lọc nước, phương pháp làm sạch nước lợ tương đối mới là công nghệ khử ion điện dung (CDI). Ưu điểm của CDI là không có ô nhiễm thứ cấp, tiết kiệm chi phí và năng lượng.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một ứng dụng CDI sử dụng các bông nano giống graphene làm điện cực để khử ion điện dung. Họ phát hiện ra rằng các điện cực graphene mang lại hiệu suất CDI tốt hơn so với các vật liệu than hoạt tính được sử dụng thông thường.

Thiết bị điện tử linh hoạt, có thể co dãn và có thể gập lại

Thiết bị điện tử linh hoạt dựa trên đế có thể uốn cong và thiết bị điện tử thực sự có thể gập lại yêu cầu đế có thể gập lại với dây dẫn rất ổn định có thể chịu được sự gấp (tức là một cạnh trên đế tại điểm gấp, hình thành nếp nhăn và biến dạng vẫn còn ngay cả sau khi mở ra).

Điều đó có nghĩa là, ngoài chất nền có thể gấp lại như giấy, chất dẫn điện được đặt trên chất nền này cũng cần phải có thể gấp lại được. Để đạt được mục tiêu đó, các nhà nghiên cứu đã chứng minh một quy trình chế tạo mạch graphene có thể gập lại dựa trên nền giấy

Khả năng dẫn điện, độ bền và độ đàn hồi vượt trội của Graphene cũng đã khiến nó trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện tử có thể co giãn - một công nghệ nhằm sản xuất các mạch điện trên nền nhựa dẻo cho các ứng dụng như pin mặt trời có thể uốn cong hoặc da nhân tạo giống robot.

Các nhà khoa học đã phát minh ra một phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) để biến các tấm graphene thành bọt ba chiều xốp với độ dẫn điện cực cao. Bằng cách cho bọt này thấm vào một polyme gốc siloxan, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hỗn hợp graphene có thể xoắn, kéo căng và uốn cong mà không gây hại đến các tính chất cơ hoặc điện của nó

và vô vàng ứng dụng khác, nếu bạn quan tâm có thể tìm hiểu thêm nhé.