Những thử nghiệm mới của Cacbon

Trong những câu chuyện cổ tích ngày xưa, vị trí thứ ba thường là tốt nhất, chiếc hộp thứ ba thường chứa kho báu và đứa trẻ thứ ba thường có được danh tiếng và tài sản. Tương tự đối với graphene, là dạng được phát hiện thứ ba và gần nhất của carbon. Đối với hai dạng thù hình của carbon là Fullerene (dạng quả bóng được phát hiện năm 1985) hay ống nano carbon (hình trụ rỗng được phát triển vào năm 1991) thì khả năng ứng dụng trong công nghiệp còn rất giới hạn. Nhưng ngày nay, graphene, một tấm đơn nguyên tử phẳng, dày của carbon đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng đầy hứa hẹn. Những thí nghiệm trên các thuộc tính của graphene đã cho các kết quả đột phá và giúp nhóm phát triển loại vật liệu này giành giải thưởng Nobel Vật lý năm 2010.

Cách đây sáu năm, Andre Geimn và Kostya Novoselov (những người đạt giải Nobel) tại trường đại học Manchester, Anh, là những người đầu tiên báo cáo sử dụng dãi băng dính để tách các lớp mỏng graphene cỡ nguyên tử từ những khối graphite. Nhưng vật liệu này – chủ yếu chỉ là ống nano được trải ra – hóa ra lại có những tính chất gần như kỳ diệu: một đơn lớp graphene vừa là vật liệu mỏng nhất, bền nhất và cứng nhất thế giới, vừa là chất dẫn điện và dẫn nhiệt tuyệt vời.

Graphene đã thu hút sự chú ý của các phương tiện truyền thông khi các công ty cố gắng đem những tính chất này tới thị trường. Năm ngoái, graphene là chủ đề của hơn 3000 bài nghiên cứu và hơn 400 đơn xin cấp bằng sáng chế. Hàn Quốc đang có kế hoạch đầu tư 300 triệu USD để thương mại hóa vật liệu này, và các công ty khác nhau từ IBM đến SAMSUNG đang kiểm tra các tính chất điện tử của graphene – thiết bị siêu nhỏ, siêu nhanh có thể thay thế cho chip silicon trong một ngày không xa. Chiến lược quảng bá graphene đạt được mức độ mà dân theo dõi công nghệ có thể tự hỏi tại sao nó chưa hoàn toàn chinh phục thế giới công nghệ.

Thực tế không giống như cổ tích, tổ tiên carbon của graphene cũng từng được quảng bá theo cách tương tự nhưng người ta chưa tìm thấy bất cứ ứng dụng thực tế nào của fullerene. Và mặc dù những ống nano tốt hơn, nhưng chúng đắt và khó kiểm soát hơn. Khả năng ứng dụng trong công nghiệp thấp cho thấy việc thương mại hóa loại vật liệu này là rất khó khăn.

Tuy nhiên, các ống nano có một vài đặc điểm rất đáng khích lệ. Những ứng dụng công nghệ cao vẫn còn khá xa vời, nhưng một số ứng dụng công nghệ thấp hơn – màng dẫn điện dựa trên ống nano dùng để lưu trữ năng lượng hoặc trong màn hình cảm ứng – gần với sự thương mại hóa hơn. Mặt khác, những ứng dụng tương đối đơn giản – vật liệu composite được gia cố ống nano cho máy bay và ô tô - hiện nay đã được mở rộng ra thị trường. Dự đoán với nhu cầu ngày càng cao, sản phẩm ống nano sẽ được sản xuất với quy mô lên đến hơn 100 tấn mỗi năm.

Vì những lý do đó, những nhà sản xuất graphene nhận ra rằng đây chính là lúc bắt tay vào sản xuất hàng loạt các lá graphene. Graphene cũng có những ứng dụng tương tự như ống nano nhưng dễ sản xuất và gia công hơn, và được lợi thế từ hai thập niên nghiên cứu với ống nano. Việc phát hiện muộn hơn còn cho thấy những nhà sản xuất graphene có ý tưởng tốt hơn về ứng dụng đáng theo đuổi và rút kinh nghiệm tránh những sai lầm như với ống nano trong thập niên đầu tiên.

Sân chơi carbon

Ống nano và graphene có các đặc điểm chung đáng chú ý bắt nguồn từ cấu trúc chung của chúng: một lưới mỏng cỡ nguyên tử của những nguyên tử carbon được sắp xếp thành dạng tổ ong. Liên kết carbon – carbon vô cùng mạnh tạo ra tỷ lệ độ mạnh trên trọng lượng đặc biệt cao. Ví dụ như, độ mạnh của graphene, theo hội đồng giải Nobel, một cái võng graphene lý tưởng có diện tích 1m² có thể đỡ được một con mèo nặng 4kg. Võng nặng 0.77 mg – nhẹ hơn trọng lượng của sợi ria mèo và gần như vô hình.

Tính đối xứng thể hiện ở việc những nguyên tử carbon được sắp xếp trong mạng tinh thể lục phương cũng cho phép cả hai dạng nano – carbon dẫn điện tốt hơn nhiều so với silicon sử dụng trong chip máy tính, nghĩa là chúng có điện trở thấp hơn và tỏa nhiệt ít hơn nhiều – một đặc tính hữu dụng mà các nhà sản xuất chip đang cố gắng để tạo ra ngày càng nhiều trên mạch.

Hơn nữa, chỉ cần một sự thay đổi nhỏ trên cấu trúc carbon cũng tạo ra vô số tính chất mới. Ví dụ như tính chất điện phụ thuộc vào kích thước lá, mạng tinh thể lá có hay không có khuyết tật và nó có được nằm trên một bề mặt dẫn điện hay không. Tương tự như vậy, trong các ống nano, cấu trúc có thể trở thành bán dẫn hay kim loại chỉ bằng cách thay đổi đường kính, chiều dài, góc xoắn (góc giữa cạnh của lục giác và hướng của ống). Và cũng có sự khác biệt giữa các ống đơn và các ống hình trụ lồng vào nhau – gọi là ống nano đa vách.

Những tính chất này đã làm lóe lên hy vọng đối với việc thay đổi toàn bộ các ứng dụng điện tử và các nhà nghiên cứu đã làm được tiến bộ vĩ đại đó – trong phòng thí nghiệm. Ví dụ, năm 1998, các nhà vật lý đã làm ra một transitor từ ống nano đơn, bán dẫn. Và trong năm 2007, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp thành công radio transistor dựa trên ống nano carbon.

Nhưng đối với việc sản xuất các mạch này theo dây chuyền quy mô công nghiệp, sự đa dạng của các ống nano sẽ trở nên nguy hiểm. Chúng được sản xuất chung trong một lò phản ứng, trong đó sự tạo thành các ống nano sẽ được định hướng bởi xúc tác hơi giàu carbon. Sản phẩm là hỗn hợp các ống đơn vách, đa vách, bán dẫn và kim loại với chiều dài, đường kính và tính chất điện khác nhau. “ Đa dạng là tốt, nhưng khi quá đa dạng thì nó trở nên là vấn đề đau đầu”, John Rogers, một nhà hóa lý tại trường Đại học Illinois, Urbana – Champaign, nói.

“Rất nhiều công ty mang lại năng suất trực tuyến cùng lúc trong thời gian này”

Chỉ trong vòng 5 năm qua các nhà nghiên cứu mới khám phá ra cách để phân loại các ống nano thành bán dẫn và kim loại. Nhưng vẫn có những khó khăn trong việc lắp ráp các ống nano đã chọn, lên một vị trí định trước trên một con chip và liên kết những ống riêng biệt này lại với nhau mà không ảnh hưởng đến hiệu suất, vì vậy các nhà vật lý cho rằng việc thay thế silicon bằng các ống nano carbon là không khả thi. “Một mạch tổng hợp sẽ phải chứa hàng tỷ transistor ống nano carbon giống hệt nhau, tất cả đều chuyển mạch tại cùng một điện áp”, Faedon Avouris – người làm việc trên các thiết bị điện tử có kích thước nano tại Trung tâm Nghiên cứu Thomas J.Watson của IBM tại Yorktown Heights, New York – nói. Điều này là không khả thi với công nghệ hiện hành.

Graphene mang lại nhiều hy vọng hơn. Những lá graphene chất lượng nhất hiện nay được sản xuất bằng cách đun nóng một lát mỏng silic cacbua trong chân không, để lại một lớp graphene tinh khiết trên bề mặt. Phương pháp này hạn chế được sự đa dạng không kiểm soát được từ khối sang khối hơn so với tổng hợp ống nano, lá phẳng thu được lớn hơn và dễ gia công hơn so với ống nano.

Nhưng graphene cũng có một số vấn đề. Lá graphene đơn dẫn điện quá tốt để có thể dừng dòng điện lại, điều đó phải được khắc phục nếu vật liệu được sử dụng trong thiết bị kỹ thuật số như transistor hay dùng để kiểm soát dòng điện như công tắc. Để thay đổi tính chất điện của vật liệu này theo hướng thích hợp – tạo ra vùng cấm (band gap) hoặc phá vỡ mức năng lượng electron, làm cho nó trở thành chất bán dẫn – phải cắt lá thành các dải mỏng. Điều này dễ hơn so với việc lắp ráp hàng tỷ ống nano vào con chip, theo Avoris – nhưng nó vẫn chưa khả thi với công nghệ thương mại ngày nay.

Những khó khăn này cho thấy rằng graphene sẽ không sớm được thay thế cho chip silicon. “Đã có hàng triệu người và hàng tỷ USD đầu tư cho việc phát triển điện tử silicon”, James Tour, một nhà hóa học hữu cơ chuyên về công nghệ nano tại Đại học Rice ở Houston, Texas, nhấn mạnh. “Đòi hỏi graphene có thể cạnh tranh với silicon lúc này chẳng khác gì yêu cầu một đứa trẻ 10 tuổi trở thành một nhà dương cầm hòa nhạc bởi vì chúng ta đã dạy nó những bài học piano trong 6 năm gần đây.

Trong thời gian này, cấu trúc carbon – nano có thể cạnh tranh nhiều hơn trong những thiết bị điện tử đòi hỏi thấp hơn, ví dụ như những lớp phẳng cho điện cực trong suốt trong màn hình cảm ứng hoặc trong pin mặt trời. Tổ hợp những ống nano carbon khác nhau có thể cung cấp đủ độ dẫn điện cho những điện cực như vậy, khi các lá graphene rẻ hơn, kém chất lượng hơn có thể được tạo ra bằng phương pháp khác hơn là quá trình silic cacbua.

Hạ thấp tầm nhìn

Ví dụ, vào tháng 6 năm 2010, một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Byung Hee Hong tại Đại học Sungkyunkwan, Suwon, Hàn Quốc, đã báo cáo về việc sử dụng hơi giàu carbon để ngưng tụ màng graphene đường kính 75cm trên dĩa đồng, sau đó được ăn mòn và tái chế. Công ty Samsung ở Hàn Quốc đã tiến hành kiểm tra công nghệ này trong màn hình cảm ứng thương mại, mà Hong ước tính có thể chỉ trong vòng 2 đến 3 năm nữa mà thôi.

Câu hỏi đặt ra là liệu tấm graphene có thể cạnh tranh với vật liệu màn hình cảm ứng hiện tại như indium thiếc oxid (indium tin oxide – ITO) được hay không. Hong rất lạc quan; giá của ITO tăng rất nhanh bởi vì indium rất khan hiếm. Nhưng một lần nữa, các ống nano carbon đã được cảnh báo. Ban đầu, người ta hy vọng những ống này sẽ có thể sản xuất màn hình TV trong tương lai, nhờ vào khả năng phát electron từ mũi để kích thích phosphor trên màn hình. Trên thực tế, màn hình plasma và tinh thể lỏng thể hiện tốt hơn – và chính màn hình đó được sử dụng phổ biến đến ngày nay.

Nano – carbon vẫn còn một chỗ đứng trong thị trường mới nổi với những thiết bị điện tử linh hoạt. Đó là những màn hình hoặc những cảm biến được gắn trên quần áo, gắn lên tường hay in trên các lá cuộn tròn. Ở đây, chỉ có sự cạnh tranh duy nhất của polymer hữu cơ dẫn điện bởi vì những vật liệu khác không thể in trên nhựa được. Hiệu quả của các polymer này khá thấp, Rogers nói, vì vậy những mạch điện ống nano và graphene – có thể gắn lên các chất nền linh hoạt – có thể cạnh tranh hiệu quả.

Mặc dù sẽ có những thiết bị chuyên dụng trong tương lai, nhưng cho đến nay, hàng trăm tấn nano – carbon thương mại được sản xuất ra mỗi năm sẽ được sử dụng trong việc tạo ra composite cho hàng hóa thể thao, pin ion lithium và xe hơi.

Mục đích là phân bố các lá hay các ống nano – carbon trong nhựa hay polymer, vì vậy chúng không chỉ làm cho vật liệu trở nên cứng hơn bằng cách ngăn chặn các vết nứt (vì nếu không nó sẽ lan rộng ra) mà còn có thể giúp tản nhiệt và phân tán điện tích nữa. Ví dụ, xe Audi A4 ngày nay có bộ lọc nhiên liệu bằng nhựa có chứa các ống nano carbon, do đó có thể bảo vệ chống lại tĩnh điện. Và ống nano sử dụng trong điện cực pin ion lithium là một trong những ứng dụng của ống nano thương mại đầu tiên bởi Showa Denko, một công ty công nghệ hóa học ở Tokyo.

Giảm bớt chi phí

Vấn đề gia công cơ bản với các ống nano bước đầu bị cản trở. Chúng có xu hướng tập hợp lại với nhau thành chuỗi hỗn độn trong lò phản ứng, do đó khó có thể tách riêng hoàn toàn các ống nano trong nhựa. Mặc dù đã có những cải tiến, nhưng vẫn bị giới hạn: thành phần ống nano là 1 -2% trọng lượng sản phẩm cuối cùng, so với 20 – 30% trong sợi carbon thông thường. Ngoài ra, còn có vấn đề về chi phí. Những vật liệu như thép, nhôm, nhựa và các chất độn như carbon đen, được bán với giá chỉ vài USD hoặc vài cent 1kg, ông David Hwang tại Lux Research – một công ty thẩm định công nghệ ở New York – nói. Trong khi đó, các ống nano đa vách được bán với giá 100 USD 1kg. Theo Lux dự đoán giá các ống này sẽ giảm khi quy mô sản xuất tăng, nhưng chỉ giảm xuống còn khoảng 50 USD tới năm 2020.

Graphene đặc trưng cho composite có triển vọng rẻ hơn nhiều trong tương lai mặc dù hiện giờ giá thành của chúng đang ngang bằng nhau. Như Gem và Novoselov đã trình bày trong năm 2004, những tấm mỏng graphene với kích thước khác nhau có thể dễ dàng được tách ra từ graphite, một vật liệu thô giá chỉ vài USD 1 kg. Graphene cũng dễ dàng phân tán trong nhựa hơn các ống nano.

Có thể là hứa hẹn đấy, nhưng theo ông Steve Hahn, một nhà khoa học nổi tiếng với Dow Chemical's Ventures and Business Development Group ở Midland, Michigan, khả năng những ứng dụng này đến được với thực tế là rất mong manh. Ông nói: “Tôi đã cố gắng tìm thị trường tiêu thụ cho graphene được vài năm rồi”. Nhưng thường là có vài thứ làm cùng chức năng mà rẻ hơn nhiều, Hahn nói.

Michael Knox, giám đốc của XG Sciences, công ty sản xuất graphene đầu tiên ở Đông Lansing, Michigan, tán thành. Việc thêm vào những lớp mỏng graphene vào vật liệu composite không phải là ứng dụng mang tính biến đổi, “nó là một cải tiến có tính chất gia tăng”, ông nói. Điều này là không thể coi thường được. “ Nếu tôi có thể chứng minh sự cải tiến 10 – 20% trong composite polypropilen tại một mức giá hợp lý, tôi có thể bán một triệu tấn mỗi năm và các nhà sản xuất xe hơi sẽ rất phấn khởi về điều này”, Knox nói.

“Graphene cũng sẽ có chỗ đứng của nó nhưng phải mất thời gian dài hơn con người dự tính”

Thủ thuật cho các công ty sản xuất graphene mới là tìm các ứng dụng cụ thể và nghiên cứu cách mở rộng quy mô sản xuất mà không phải mở rộng chính chúng. Ví dụ, Vorbeck Materials, Jecsup, Maryland quyết định tập trung vào làm mực dẫn điện dựa trên graphene. Lettow, đồng sáng lập và là giám đốc của Vorbeck, cho rằng mực in sẽ được sử dụng trong thẻ thông minh và có thể nhận diện bằng tần số video trong các cửa hàng trong quý một năm 2011.

Một ứng dụng có thể khả thi trong thời gian ngắn là siêu tụ điện, sử dụng lá graphene được ép chặt để nén vùng có diện tích bề mặt lớn vào trong một vùng hẹp – để lưu trữ nhiều điện tích hơn trong một gram so với các vật liệu khác. Các nhà nghiên cứu khác đã tập trung vào việc sử dụng carbon – nano làm điện cực xúc tác trong pin mặt trời, thậm chí làm màng lọc nước – tuy nhiên, như thường lệ, việc tìm kiếm các điểm thuận lợi hơn so với carbon hoạt tính hiện tại là một vấn đề.

Các ống nano carbon có một tính chất mà graphene không có: chúng có thể rất dài. Các ống nano carbon được trộn vào nhựa là các ống ngắn điển hình, nhưng Nanocomp Technologies tại Concord, New Hampshire, cho biết những sợi ống nano dài có thể quay vào trong những sợi hay lá trọng lượng nhẹ, dẫn điện mà trong một vài trường hợp có thể thay thế cho dây đồng. "Có khoảng 60 dặm dây đồng trong một máy bay" giám đốc điều hành Nanocomp, Peter Antoinette nói — vì vậy việc thay thế bằng các dây ống nano nhẹ hơn nhiều này có thể tiết kiệm đáng kể năng lượng và nhiên liệu.

Việc này rất đáng khích lệ đối với các ống nano carbon, Hwang nói. "Có rất nhiều nghiên cứu đã được bắt đầu trước khi nhận biết ống nano khả dụng trong thương mại. Từ đây cho đến 5 năm tới, quỹ đạo thương mại sẽ có sự thay đổi đáng kể."

Các ống nano carbon có thật sự phát triển không đều? Phải mất 20 năm trở lên để một vật liệu mới có một tác động lớn trong công nghiệp, các nhà sản xuất ống nano cho biết. "Nghiên cứu trên sợi carbon bắt đầu từ những năm 50, mất 15 năm hoặc lâu hơn trước khi nó được sử dụng trong hàng không vũ trụ và quân đội – và chúng ta không được biết về thông tin đó cho đến rất lâu sau - và chưa đến giữa những năm 70 chúng ta đã bắt đầu thấy một vài máy bay thương mại có cấu trúc làm từ composite sợi carbon", Brian Wardle, người chỉ đạo tập đoàn cấu trúc hàng không vũ trụ thiết kế nano tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge cho biết. Các ống nano có thể chỉ đơn thuần đang trên quỹ đạo thông thường từ phát minh đến công nghiệp – và graphene cũng đi trên con đường tương tự. "Graphene cũng sẽ có chỗ đứng của nó nhưng phải mất thời gian dài hơn con người dự tính", Antoinette cho biết.

Và chuyện gì sẽ xảy ra trong lúc này? “Nhiều công ty đang mang lại những khả năng trực tuyến mới tại cùng một thời điểm”, Hahn nhấn mạnh. "Chúng sẽ hoặc thoát ly khỏi doanh nghiệp hoặc tìm thị trường ở đâu đó. Bất cứ chuyện gì xảy ra cũng sẽ là bài học lớn cho con người về việc thương mại hóa vật liệu mới."

Người viết: Huỳnh Nguyễn Phong Châu

Chỉnh sửa bởi nhóm Ichem

Nguồn: Nature

Nature News