Từ một phân tử từng được xem là không thể tồn tại, graphene đã trở thành một vật liệu kỳ diệu trong vật lý và hứa hẹn sẽ làm thay đổi ngành công nghiệp điện tử trong tương lai.

Graphen là một lớp các nguyên tử cacbon được bó thành mạng hình tổ ong hai chiều (2D) và là khối căn bản cho các vật chất kiểu than chì bất chấp số chiều. Nó có thể được bọc lại thành những fulleren 0D, cuộn lại thành ống nano cacbon 1D hoặc xếp thành than chì 3D.

Hiện tượng này được một nhóm các nhà vật lý dẫn đầu bởi các nhà nghiên cứu ở Trường Đại học Arkansas, tình cờ phát hiện ra. Đầu tiên, họ không hề có chủ đích tìm ra một phương pháp mới để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Mục đích của họ đơn giản hơn nhiều – họ chỉ muốn xem xét chuyển động của graphen.

Tất cả chúng ta đều quen thuộc với loại vật liệu màu đen làm từ cacbon và được gọi là graphite. Chúng thường được kết hợp với vật liệu gốm để tạo thành “chì” trong những cây bút chì mà chúng ta sử dụng. Những vết đen lem nhem do bút chì tạo ra thật sự là những tấm nguyên tử cacbon xếp chồng lên nhau và tạo thành một “lưới thép mỏng”. Vì những tấm cacbon này không dính chặt với nhau nên chúng dễ dàng trượt qua nhau.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học xem xét khả năng cô lập các tấm graphite đơn lẻ, để xem tấm lưới thép mỏng bằng carbon hai chiều có thể tự mình đứng vững không? Vào năm 2004, một nhà vật lý ở Trường Đại học Manchester đã thực hiện được điều này, ông tách các lớp của một cục graphite từ một nguyên tử dày.

Để tồn tại, vật liệu 2D phải thực hiện một số “cuộc lừa đảo”, chúng hoạt động như một vật liệu 3D để giữ trạng thái của mình trong tình trạng cứng cáp. Và hóa ra, những “lỗ hổng” trong graphen là những cú “xóc” nhẹ ngẫu nhiên do sự chuyển động qua lại của các nguyên tử tạo ra. Điều này khiến tấm graphen 2D có chiều thứ ba. Nói cách khác, graphen có thể tồn tại bởi vì chúng không hoàn toàn phẳng.

Tạo ra năng lượng từ graphen. (Ảnh: OliveTree).

Để đo lường chính xác mức độ dao động của graphen, nhà vật lí Paul Thibado đã dẫn đầu một nhóm sinh viên sau đại học thực hiện một thí nghiệm đơn giản. Họ đã đặt các tấm graphen lên lưới đồng và quan sát sự thay đổi vị trí các nguyên tử bằng cách sử dụng kính hiển vi quét xuyên hầm (The Scanning Tunneling Microscope).

Mặc dù họ có thể ghi lại sự chuyển động của các nguyên tử trong graphen, nhưng con số này lại không phù hợp với bất kỳ mô hình nào mà họ đã kỳ vọng từ trước. Nhóm nghiên cứu cũng không thể sao chép dữ liệu thu thập ở lần thử nghiệm này để áp dụng cho lần kế tiếp.

Nhà nghiên cứu Thibado cho biết: “Chúng tôi tưởng như không thu được bất cứ điều gì hữu ích. Nhưng tôi tự hỏi liệu chúng tôi có đặt ra một câu hỏi quá đơn giản không”.

Nghĩ như vậy, ông Thibado tiến hành thí nghiệm theo một hướng khác, ông nghiên cứu dữ liệu thu thập được dưới một góc độ mới. “Chúng tôi tách từng hình ảnh thành những ảnh nhỏ hơn và quan sát những kiểu mẫu graphen bị giấu trong các khu vực lớn. Mỗi khu vực của một hình ảnh đơn, khi nhìn ở những thời điểm khác nhau, tạo ra một mô hình có ý nghĩa hơn”, ông Thibado nói.

Nhóm nghiên cứu nhanh chóng nhận thấy độ nghiêng của những tấm graphene không giống như hình dạng của các tấm kim loại mỏng uốn cong khi bị xoắn từ hai bên. Mặc dù trước đây graphen đã được quan sát trong các hệ thống sinh học và khí hậu phức tạp nhưng đây là lần đầu tiên chúng được nhìn thấy trên quy mô nguyên tử.

Bằng cách đo tốc độ và quy mô của các sóng graphene, nhà nghiên cứu Thibado cho rằng, chúng ta có thể biến nó thành một nguồn năng lượng hiệu quả. Chừng nào mà nhiệt độ của graphene còn cho phép các nguyên tử chuyển động xung quanh, nó sẽ tiếp tục gợn sóng và uốn cong. Đặt các điện cực vào hai bên của các phần của graphene bị lệch, bạn sẽ có một điện thế thay đổi ở mức độ nhỏ.

Theo tính toán của Thibado, một miếng graphene 10 micron có thể tạo ra 10 microwatts điện năng. Con số này có vẻ không ấn tượng lắm, nhưng nếu đặt hơn 20.000 ô vuông như vậy trên một diện tích nhỏ, thì chỉ cần một lượng nhỏ graphen ở nhiệt độ phòng, bạn có thể cung cấp năng lượng cho một chiếc đồng hồ đeo tay chạy đến… ngày tận thế! Một ưu điểm khác là nó sẽ tiếp năng lượng cho các phẫu thuật cấy ghép sinh học mà không cần sử dụng các loại pin cồng kềnh.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục công việc để kiểm tra độ hiệu quả của các kết quả. Ông Thibado đã làm việc với các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Hải quân Hoa Kỳ để xem ý tưởng này có thể được áp dụng vào thực tế hay không.

Từ một phân tử từng được xem là không thể tồn tại, graphene đã trở thành một vật liệu kỳ diệu trong vật lý. Nó đang được xem là vật liệu có nhiều ứng dụng đầy tiềm năng và có thể dẫn dầu một lĩnh vực mới của các thiết bị điện tử trong tương lai.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tờ Physical Review Letters.