|
Những bài cùng tác giả
Andre Geim và Konstantin Novoselov chụp khi vừa nghe tin được giải Nobel về Graphene
Năm nay, 2010, giải Nobel Vật lý được phát cho hai khoa học gia gốc Nga, đã có công nhận dạng, định rõ đặc điểm và chế tạo một loại vật chất hai chiều - một thứ màng cực mỏng – mang tên graphene. Đó là các ông Andre Geim (51 tuổi) và Konstantin Novoselov (36 tuổi). Cả hai hiện là giáo sư tại đại học Manchester, Anh Quốc, và sẽ chia món tiền thưởng 10 triệu đồng kronor Thụy Điển (khoảng 1.5 triệu Mỹ kim). Ông Geim có quốc tịch Hòa Lan, nơi ông làm việc trước kia, còn ông Novoselov thì có hai quốc tịch, Anh và Nga. Được coi là một loại vật liệu bền nhất và mỏng nhất từ xưa tới nay, graphene sẽ có thể làm thay đổi mạnh mẽ bộ mặt kỹ nghệ chế tạo trong những năm tới - giống như plastics, theo lời ông Geim. Vậy graphene có cơ cấu ra sao? Một cách đơn giản, graphene (lá than chì) chỉ là một tấm màng than chì cực mỏng. Mỏng đến độ bề dầy chỉ gồm một lớp nguyên tử carbon. Nhắc lại là kích thước nguyên tử rất nhỏ, thay đổi tuỳ theo chất, có thể từ vài phần trăm đến vài phần chục của nanometer (nm). Một nm bằng một phần tỷ của mét. Để có thể tưởng tượng ra độ nhỏ của nm ta hãy nhìn một sợi tóc. Nhỏ như vậy nhưng bề dầy của sợi tóc lớn cỡ 100,000 nm. Từ lâu ta biết rằng than chì được cấu tạo bởi những lá cực mỏng dính chồng chất lên nhau. Trên từng lá này các nguyên tử carbon được xếp rất thứ tự trên những đỉnh của một hình sáu cạnh đều, với mỗi cạnh có độ dài khoảng 0.142 nm (xin xem hình ở trên). Khi ta dùng bút chì để viết, than chì sẽ bám trên mặt giấy, và dính trên giấy là những bụi than nhỏ có thể gồm nhiều lớp lá than chì và cũng có thể chỉ có một lớp. Vô tình ta đã tạo ra graphene! Điều thú vị là than chì trông tầm thường như vậy nhưng duới áp suất thật lớn than chì sẽ biến thành kim cương. Và nay, nếu được tước thành lá thật mỏng sẽ trở thành một loại vật chất kỳ diệu. Lý do vì ở độ mỏng như vậy những định luật vật lý thuôc cơ học luợng tử (quantum mechanics) áp dụng vào các mạng tinh thể bắt đầu cho ra những kết quả lạ thường, và do đó tính chất của vật chất trở nên khác thường. Ngay từ năm 1947 một số khoa học gia đã khảo sát lý thuyết tính chất của graphene (như cơ cấu điện tử, tán xạ tuyến tính, phương trình Dirac,…). Nhưng đó chỉ là lý thuyết vì cho đến năm 2004, ai cũng nghĩ là việc cô lập được một lá graphite (graphene) và giữ ổn định là “chuyện trên trời!” Tháng 10 năm 2004, các khoa học gia trên toàn thế giới rất sửng sốt khi hai ông Geim và Novoselov, cùng các cộng sự viên tại đại học Manchester (Anh quốc), và đại học Kỹ thuật vi điện tử Chernogolovka (Nga), công bố trên tạp chí khoa học Science kết quả khảo cứu của họ về graphene. Trong đó họ đã mô tả cách chế tạo, nhận dạng và định rõ đặc tính của chất này. Về chi tiết, để có thể cô lập từng lá graphite họ đã dùng một phương pháp đơn giản có tên là exfoliation (tách lớp). Các chuyên gia đã vô cùng kiên nhẫn, dùng băng keo (Scotch tape) để bóc từng phần nhỏ của lá than chì rồi chuyển vào một chất nền (substrate) silicon. Trước kia cũng có người theo cách này nhưng họ không thể chứng minh được rằng trong những phần nhỏ đó đâu là graphene - gồm một bề mặt chỉ chứa một lớp nguyên tử carbon. Nhóm khảo cứu tại đại học Manchester đã phối hợp phương pháp quang học và điện học để nhận dạng graphene. Về quang học họ dùng hình chụp từ một loại kính hiển vi tân tiến có tên Atomic Force Microscope (AFM – tạm dịch: Kính hiển vi dựa vào lực nguyên tử). Đây là một loại kính hiển vi cực mạnh, có độ phân giải nhỏ cỡ một phần của nanometer, được tìm ra bởi nhóm khảo cứu của công ty IBM tại Zurich, Thụy Sĩ, trong thập niên 1980. Về điện học họ đo điện trở - gọi là điện trở Hall, Hall resistivity - của những mẫu graphite. Với hình chụp và số đo điện trở họ đã đi đến kết quả hết sức thuyết phục là một lá graphite – graphene – có bề dầy khoảng 0.5 nm. Thêm vào đó, họ còn đưa ra những kết quả đo đạc khác liên hệ đến tính chất vật lý đặc biệt của graphene. Tức khắc các phòng khảo cứu trên toàn thế giới, vốn đã đầu tư từ lâu trong lãnh vực này, công bố những kết quả mà họ tìm thấy. Chỉ hai tháng sau khi bài báo của Geim-Novoselov được công bố, nhóm khảo cứu của khoa học gia W.A. de Heer tại đại học kỹ thuật Georgia, Hoa Kỳ, loan tin là họ có thể tạo ra những lá graphite rất mỏng bằng một phương pháp khác, trong đó họ đốt cháy silicon trên những mặt silicon carbide (SiC) để phần còn lại là những lớp rất mỏng carbon (graphite). Họ cũng xin được bằng sáng chế trong lãnh vực chế tạo những dụng cụ điện tử từ những lớp mỏng carbon này. Ngoài ra, những loại vật chất hai chiều khác - bề dầy chỉ gồm một lớp nguyên tử - như Boron-Nitride (BN) và Molybdenum-disulfide (MoS2) cũng được chế tạo. Với vô số những bài khảo cứu liên hệ cùng với giải Nobel năm nay, graphene đã trở thành “ngôi sao” trong lãnh vực ứng dụng. Kể ra thì cũng đáng vì tính chất của graphene quá hấp dẫn: không những dẫn điện mạnh hơn mà còn dẫn nhiệt mạnh gấp 10 lần đồng. Trong suốt, vô cùng nhẹ, và bền bỉ gấp 100 lần thép. Các chuyên gia đã vẽ kiểu một cái võng diện tích cỡ 1mét vuông làm bằng graphene, có thể để một chú mèo nằm thoải mái thì thấy võng nặng cỡ 1mg. Xin đọc kỹ: 1 milligram! Ngoài ra, graphene còn có nhiều tính chất điện tử đặc biệt của cơ cấu cực nhỏ. Những kỹ nghệ đang “để mắt” đến graphene gồm: máy bay, xe hơi, vệ tinh, vi điện tử, máy tính…- toàn là những ngành cốt lõi của nền công nghệ hiện đại. Nếu việc sử dụng graphene được như ý thì quả thật thời đại micro (vi, như máy vi tính) đang đi vào dĩ vãng, và thế giới bắt đầu thời đại nano. Cũng nên nhắc lại là tính chất đặc biệt của những lá graphite đã được khảo cứu từ lâu, trong thập niên 1980s. Tuy nhiên lúc đó những lá được chú ý không mở phẳng như graphene mà khép kín thành những vòm hình cầu hay hình ống gọi chung là fullerene (Fuller là họ một khoa học gia người Mỹ R. Buckminster Fuller). Năm 1996, ba khoa học gia có công nhất lãnh vực này được tặng giải Nobel Hóa Học. Đó là các ông R.F. Curl, H.R. Kroto và R.E. Smalley. Kết quả cụ thể là họ đã tìm ra một một vòm cầu chứa 60 nguyên tử carbon, nằm trên trên đỉnh của những hình năm và sáu cạnh đều (xin xem hình ở dưới), được đặt tên là buckminsterfullerene. Năm 1991, khoa học gia Nhật bản, Sumio Iijima, khám phá ra một loại fullerene khác hình ống, đặt tên là nanotube (xin xem hình). Các fullerene đã có nhiều ứng dụng trong kỹ nghệ nhưng gần đây đã có những quan ngại liên hệ đến sức khỏe quần chúng. Mong rằng khi được sử dụng rộng rãi, với sự kiểm soát chặt chẽ, graphene sẽ tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường - rất “xanh!”
buckminsterfullerene và nanotube
Tham khảo
- The Official Web Site of the Nobel Prize - Zumdahl, Steven S., Chemical Principles, D.C. Heath and Company, 1995
Sherman Oaks, tháng 10, 2010
Nguyễn Trọng Cơ |
© http://vietsciences.org và http://vietsciences.free.fr Nguyễn Trọng Cơ