Graphen là một trong những phát minh khoa học mà thời gian qua đã thu hút sự quan tâm của cả thế giới.
Dạng cacbon siêu mỏng này – trong một số trường hợp chỉ là một lớp vật liệu có độ dày một nguyên tử, đôi khi là một số lớp – đã là tâm điểm của những nỗ lực nghiên cứu lớn trong vài năm qua. Điểm qua các chương trình hội nghị cũng như mục lục của các tạp chí khoa học hàng đầu trên thế giới, có thể thấy các nhà khoa học đã công bố vô số công trình nghiên cứu về các tính chất cơ bản của graphen và những báo cáo về các ứng dụng của vật liệu này trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đồng thời, các tạp chí và phương tiện truyền thông đại chúng khác cũng thường đăng tải những câu chuyện về việc graphen sẽ cách mạng hóa ngành sản xuất dụng cụ điện tử cá nhân cũng như các lĩnh vực công nghệ khác như thế nào.
Nhưng liệu có phải thực tế hay không khi chúng ta mong chờ graphen và các sản phẩm đi từ graphen sẽ sớm được thương mại hóa. Câu trả lời là có, vì các sản phẩm graphen hiện đã có mặt trên thị trường.
Làn sóng nghiên cứu tích cực thời gian qua đã hướng vào việc khảo sát các tính chất điện tử và cơ học xuất sắc cũng như các tính chất khác của graphen để sử dụng trong các sản phẩm và ứng dụng tương lai. Ngay từ trước khi các nhà vật lý andre K. Geim và Konstantin S. Novoselov thuộc Đại học Tổng hợp Manchester (Anh) được trao giải Noben Vật lý năm 2010 do các công trình tiên phong của họ với graphen, phạm vi những ứng dụng tiềm năng của graphen được thảo luận trong giới khoa học cũng đã rất rộng. Cho đến nay phạm vi này càng trở nên rộng hơn. Các nhà khoa học và các kỹ sư đang tìm kiếm những phương pháp sử dụng graphen để chế tạo thế hệ tiếp theo của các loại ắc quy hiệu quả cao và các dụng cụ lưu trữ năng lượng khác, các điôt phát quang, các pin năng lượng Mặt Trời, màn hình máy vi tính cũng như các sản phẩm công nghệ tiên tiến khác.
Một cuộc khảo sát về thị trường graphen hiện tại cho thấy, trong vài năm qua một nhóm các công ty nhỏ đã sản xuất và bán ra những lượng graphen rất nhỏ, chủ yếu bán cho các cơ sở nghiên cứu khoa học để tiến hành các khảo sát cơ bản. Một vài công ty khác, chẳng hạn Công ty Durham graphen Science, chi nhánh của Đại học Tổng hợp Durham (Anh), đang chào bán những lượng graphen cỡ vài gam. Công ty này đang có kế hoạch nâng cấp sản lượng graphen trong thời gian tới lên quy mô nhiều kg mỗi ngày.
Hai công ty Vorbeck và XG Sciences tại Michigan (Mỹ) hiện đã đạt sản lượng vượt quá mức này. XG Sciences sản xuất graphen ở dạng các miếng graphen cỡ nano, đó là những cụm nhỏ các tấm graphen, với công suất 25 pao/tuần, và đã đặt ra mục tiêu đạt công suất 2000 pao/ngày vào cuối năm 2011. Kỹ thuật sản xuất các miếng graphen cỡ nano này do một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Michigan (Mỹ) phát triển.
Ngoài graphen thô, các công ty Vorbeck và XG Sciences còn chào bán các vật liệu được chế tạo từ graphen. Chẳng hạn, XG Sciences đang hợp tác với các nhà sản xuất nguyên liệu nhựa và polyme để cung cấp cho các khách hàng thương mại các loại composit graphen – polyme mới. Sản phẩm cụ thể sẽ phụ thuộc vào ý định sử dụng vật liệu này, chẳng hạn nếu sản xuất các chi tiết cho xe ôtô và máy bay thì vật liệu polyme có thể được phối trộn với các miếng graphen cỡ nano để tăng độ cứng, độ dẫn điện, độ bền nhiệt hoặc giảm độ thẩm thấu đối với dung môi và khí so với polyme không phối trộn graphen.
Mực dẫn điện, sản xuất từ graphen, là một nhóm các sản phẩm thương mại khác. Công ty Vorbeck sản xuất loại mực này với thương hiệu Vor – ink cho ngành sản xuất mạch in điện tử. Công ty cũng sản xuất các tấm và cuộn làm từ các mạch đã in trước với mực Vor-ink.
Một số mạch in này đã có mặt trong các sản phẩm bày bán ở các cửa hàng bán lẻ và đã được người tiêu dùng sử dụng. Những mạch in này không nằm sâu trong bộ não điện tử của các máy tính kiểu tấm mềm có thể gấp, hoặc các dụng cụ điện tử khác như trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Trái lại, chúng được gắn trong các bao bì bằng bìa cactông để đựng các bộ phận điện tử nhỏ, ví dụ các thẻ nhớ và thanh USB cũng như các mặt hàng tiêu dùng khác. Đặc biệt, Vorbeck đã liên kết với Công ty Mead Westvaco, một công ty bao bì đa quốc gia với trụ sở tại Vancouver, để phát triển các mạch in bằng mực graphen trong các sản phẩm bao bì chống trộm.
Công ty Mead Westvaco đang chuẩn bị thực hiện thử nghiệm lần thứ hai để sử dụng hệ thống bao bì an toàn này tại một công ty bán buôn quy mô lớn. Theo giám đốc Công ty, loại sản phẩm này có thể sẽ xuất hiện thường xuyên trên quầy hàng của các cửa hàng bán lẻ từ đầu năm 2012.
Bao bì an toàn mới sẽ được chế tạo từ bìa cactông bền xé và một vỏ chất dẻo trong suốt đựng sản phẩm sao cho nó có thể được khách hàng nhìn thấy, cầm trên tay và xem xét. Mạch an toàn, trong trường hợp này là tấm nhãn in mực graphen, được kẹp cùng với sản phẩm giữa các tấm bìa cactong (do đó khách hàng không thể nhìn thấy), được kết nối điện với bao bì và một bộ phận báo động điện tử nhỏ. Nếu kẻ trộm tác động vào, xé, cắt bìa cactông hoặc cắt xuyên qua ô cửa chất dẻo trong suốt để lấy sản phẩm ra và bỏ lại bao bì, chuông báo động của bao bì sẽ kêu. Tương tự, nếu có ai đó tìm cách lấy trộm hàng mà không làm hư hỏng hoặc mở bao bì trong cửa hàng, hệ thống an ninh có thể được thiết lập để bộ phận báo động trong gói hàng phát tín hiệu báo động đồng thời kích hoạt chuông báo động của cửa hàng khi kẻ trộm đi qua cửa an ninh.
So với các phương pháp chống trộm khác, ví dụ khóa sản phẩm trong tủ kính bày hàng hoặc gắn dụng cụ điện tử như thường thấy đối với hàng may mặc, dụng cụ chống trộm bằng mạch in điện tử của Công ty Mead Westvaco không gây phiền hà cho khách hàng, nó cũng không ảnh hưởng đến hình thức bề ngoài của sản phẩm hoặc cản trở khách hàng tiếp cận sản phẩm. Mực in graphen chính là yếu tố tạo ra những ưu điểm đó.
Ngoài ra, so với các loại mực dẫn điện khác, kể cả những loại mực chế tạo từ các hạt bạc, mực graphen không cần được gia nhiệt để làm nóng các hạt khiến cho các dòng và vết in trở nên dẫn điện, nhờ đó quá trình sản xuất trở nên đơn giản hơn và chi phí sản xuất giảm. Hơn nữa, graphen tạo thành những mạch in rất bền, có thể được uốn và bẻ, chịu được điều kiện vận chuyển khắc nghiệt cũng như các tác động va đập trong quá trình lưu kho và bán hàng.
Hiện nay, Công ty Vorbeck đã làm việc với các công ty khác trong lĩnh vực mạch in điện tử để phát triển các sản phẩm mạch in graphen với mục tiêu đưa ra thị trường trong năm 2012.
Trong khi đó, Công ty XG Sciences đã ký các hợp đồng giá trị nhiều triệu đôla với Công ty Poscon Hàn Quốc – một trong những nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới – và Công ty Cabot tại California – nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực vật liệu tính năng cao – để cấp giấy phép sản xuất và cung cấp thông tin kỹ thuật chi tiết về quá trình sản xuất các tấm graphen nano.
Nhiều chi tiết sản xuất hiện đang được giữ bí mật chặt chẽ. Nhìn chung, phương pháp sản xuất graphen sẽ quyết định cấu trúc vi mô, diện tích bề mặt, các tính chất điện tử và cơ học cũng như các đặc điểm khác của sản phẩm, qua đó quyết định về ứng dụng thích hợp.
Một trong những phương pháp thông thường là xử lý graphen bằng axit mạnh và các chất oxy hóa. Quá trình này cho phép tróc vỏ graphit và thu được sản phẩm có diện tích bề mặt lớn. Các nhà nghiên cứu thường gọi sản phẩm là oxit graphit hoặc oxit graphen. Tiếp theo quá trình oxy hóa thường là quá trình xử lý hóa học hoặc xử lý nhiệt với tác dụng khử một phần và làm cho vật liệu trở nên dẫn điện.
Một số khả năng ứng dụng của graphen
Trái lại, Công ty XG Sciences không sử dụng quy trình oxy hóa để chế tạo graphen. Thay vào đó, họ sử dụng một quy trình đã được đăng ký bản quyền để đưa một hợp chất xen vào giữa các lớp vật liệu graphit ban đầu, tiếp theo là gia nhiệt nhanh bằng vi sóng. Nhiệt sẽ làm bay hơi hợp chất xen kẽ, tạo ra áp suất bên trong, do đó làm graphit giãn nở và tróc vảy. Quá trình này cho phép tạo ra các mẩu nano với đường kính 5 – 25 mm, dày khoảng 5 mm (khoảng 10 lớp).
Các màng graphen mỏng hơn nhiều và tinh khiết hơn nhiều có thể được sản xuất bằng phương pháp kết lắng hơi hóa chất (CVD). Các màng này cũng có thể được tách ra từ các vảy graphen mỏng bằng cách dùng băng dính tách lần lượt các lớp vảy.
Các dạng thô hơn của graphen có xu hướng được sử dụng trong vật liệu composit và các dụng cụ lưu trữ năng lượng. Vật liệu graphen được chế tạo bằng phương pháp CVD nói chung đang đóng vai trò then chốt trong công nghệ điện tử tiên tiến. Cho dù phương pháp chế tạo như thế nào, ngày nay các phòng thí nghiệm trên thế giới đều có khả năng tiếp cận các mẫu graphen. Nhưng sự sẵn có đó đôi khi khiến cho báo chí đưa tin về những ứng dụng tưởng như cận kề của loại vật liệu mới này.
Ví dụ, trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (Mỹ) và Đại học Tổng hợp Princeton đã phát triển phương pháp tự lắp ghép trên cơ sở các chất hoạt động bề mặt để sản xuất các màng oxit graphen-kim loại và đánh giá khả năng ứng dụng làm điện cực trong pin ion liti. Họ đã phát hiện ra rằng vật liệu mới này vẫn bền về mặt điện hóa sau 100 chu kỳ nạp/phóng điện. Tháng 11/2011, các nhà khoa học nói trên cũng đã thử nghiệm việc áp dụng vật liệu graphen làm điện cực trong ắc quy liti – không khí (loại ắc quy được sử dụng rộng rãi cho các xe ôtô điện). Kết quả cho thấy, ắc quy này có công suất nạp điện kỷ lục là 15.000 mA/giờ/g cacbon.
Trong một thử nghiệm khác về lưu trữ năng lượng, các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Texas (Mỹ) đã phát triển phương pháp xử lý bằng KOH và vi sóng để chuyển hóa oxit graphit thành một dạng graphen xốp với diện tích bề mặt đặc biệt cao. Về mặt năng lượng và mật độ công suất, các siêu tụ làm bằng vật liệu mới này có hiệu quả vượt trội các siêu tụ cacbon hoạt tính hiện đang có bán trên thị trường.
Một trong những đặc điểm hấp dẫn của graphen là nó có thể được uốn cong và cuộn tròn nhưng vẫn giữ nguyên tính chất dẫn điện. Các nhà khoa học tại Đại học quốc gia Hàn Quốc đã áp dụng tính chất này để chế tạo các tấm graphen lớn (đường chéo 30 insơ) theo phương pháp lăn cuộn và sử dụng như các điện cực mềm trong màn hình cảm ứng với đầy đủ chức năng.
Cũng trong thời gian qua, các nhà nghiên cứu tại Đại học quốc gia và Đại học Tổng hợp Sungkyunkwan (Hàn Quốc) đã sử dụng graphen để tạo ra tính mềm dẻo cho các điôt phát quang (LED) dạng vô cơ với cấu trúc nano. Tuy những LED vô cơ này thông thường rất cứng nhưng chúng có những tính chất quang điện tử và các tính chất hữu ích khác mà các LED hữu cơ mềm và có thể căng duỗi lại không có. Để kết hợp hai loại LED đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển các que nano với lõi GaN/ZnO trên màng graphen được tựa đỡ bằng một lớp SiO2/Si. Sau khi nạp khoảng trống giữa các que này bằng polyme cách điện và kết lắng một màng kim loại trên đỉnh các que nano, các nhà nghiên cứu đã bóc đi lớp SiO2/Si và đưa cụm kết cấu này lên một khung mềm. Các thử nghiệm uốn cho thấy, LED với kết cấu nano hoạt động đáng tin cậy mà không bị suy giảm tính năng.
Liên kết với tính trong suốt, tính mềm dẻo của graphen làm cho vật liệu cacbon siêu mỏng này trở thành ứng viên được ưa chuộng để thay thế oxit inđi thiếc (ITO) – vật liệu điện cực trong suốt thông dụng nhất trong các pin năng lượng Mặt Trời. Nhưng việc đơn thuần thay thế ITO bằng graphen sẽ làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng do một số yếu tố, kể cả sự không tương xứng về năng lượng giữa graphen và các lớp liền kề. Các nhà khoa học tại Đại học quốc gia Singapo đã giải quyết vấn đề này bằng cách biến đổi bề mặt phân giới của graphen trong pin năng lượng Mặt Trời truyền thống. Cụ thể, họ đã đưa các lớp MoO3, polythiophen và poly(styrensulphonat) vào giữa anôt graphen và một lớp có hoạt tính quang học. Kết quả là pin năng lượng Mặt Trời này đạt hiệu suất 83% so với thiết bị đối chứng sử dụng anôt ITO.
Tuy nhiên, với những bài báo khoa học đã được công bố ngày nay và các phương tiện truyền thông đại chúng thường xuyên đưa tin về graphen như một loại vật liệu kỳ diệu, nhiều ứng dụng của graphen đang bị thổi phồng quá mức.
Các nhà khoa học cho rằng, graphen có nhiều tính chất đặc biệt hữu ích, kể cả tính linh động cao của điện tử và độ bền cơ học cao, nhưng nhiều giá trị cực trị này đã chỉ đúng với graphen đã tách riêng. Vì vậy, công việc nghiên cứu các tính chất của graphen trong những điều kiện phức tạp tương ứng các điều kiện áp dụng thực tế cần phải được tiếp tục tiến hành.
Để cho những ứng dụng của graphen trở thành hiện thực, sẽ còn cần nhiều nghiên cứu sâu rộng về vật liệu này và điều đó đòi hỏi rất nhiều thời gian. Trong ngành công nghiệp điện tử, thường phải mất hơn một thập niên từ khi một vật liệu mới được phát hiện cho đến khi nó được tối ưu hóa và thương mại hóa trên thị trường. Những phát triển gần đây trong lĩnh vực graphen là sự khởi đầu đầy hứa hẹn, nhưng hiện chúng ta cũng chỉ mới ở giai đoạn mở đầu.
Theo Chemical & Engineering News
Nguồn Tạp chí Hóa học & Công nghiệp Hóa chất
