Graphen

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cácbon.

Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cácbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại.

Chiều dài liên kết cácbon-cácbon trong graphen khoảng 0,142 nm. Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nanô cácbonfulleren. Cũng có thể xét một phân tử thơm lớn vô hạn, mà trong trường hợp giới hạn của họ các hidrô cácbon đa vòng phẳng gọi là graphen. Hai nhà khoa học Andrei GeimKonstantin Sergeevich Novoselov khám phá ra graphen đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 2010.[1]

Định nghĩa[sửa | sửa mã nguồn]

Một cách giải thích đơn giản về vật chất này được cung cấp trong bài tóm lược của Geim và Novoselov năm 2007:

Graphen là tấm riêng của các nguyên tử cácbon 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 nanô cácbon 1D hoặc xếp thành than chì 3D.[2]

Sự khám phá[sửa | sửa mã nguồn]

Nói đơn giản, graphen là một tấm phẳng than chì tách ra ở cỡ nguyên tử. Do vậy, theo cách hiểu này, graphen được biết đến từ khi tinh thể học tia X được sáng chế. Các tấm phẳng graphen chia ra hơn trong các hợp chất than chì được chèn lớp (intercalated graphite). Năm 2004, các nhà vật lý học tại Đại học Manchester và Học viện Công nghệ Vi điện tử tại Chernogolovka (Nga) khám phá cách để tách ra mỗi tấm phẳng graphen dùng băng dính văn phòng. Họ cũng đo các tính chất điện tử của những tấm tách ra và bày tỏ những tính chất hay của nó.[3] Năm 2005, cùng nhóm Manchester cùng với những nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia bày tỏ rằng các tựa hạt (quasiparticle) trong graphen là fermion Dirac không có khối lượng. Những khám phá này dẫn đến sự bùng nổ quan tâm về graphen.

Sau đó, hàng trăm nhà nghiên cứu đã vào phạm vi này và, đương nhiên, tìm kiếm kỹ càng những bài viết liên quan được xuất bản về trước. Bài đầu tiên tóm lược tài liệu về graphene được viết bởi các nhà nghiên cứu tiên phong tại Manchester.[2] Họ dẫn nguồn vài bài cho biết rằng graphen hoặc những tấm than chì rất mỏng được nuôi cấy dùng quá trình epitaxy trên nhiều chất nền. Ngoài ra, họ chỉ đến nhiều bài trước năm 2004 về cuộc nghiên cứu về hợp chất than chì được chèn lớp dùng kính hiển vi điện tử truyền qua. Trong trường hợp thứ hai, các nhà nghiên cứu đôi khi nhận ra những tấm than chì rất mỏng – "vài-tấm-graphen" (few-layer graphene) và có thể ngay cả những tấm riêng. Mãi đến 1962 đã có một cuộc nghiên cứu chi tiết về vài-tấm-graphen.[4] Những hình ảnh TEM đầu tiên của vài-lớp-graphen được xuất bản bởi G. Ruess và F. Vogt năm 1948.[5] Tuy nhiên, D.C. Brodie đã biết đến cấu trúc rất phân lớp của than ôxít được khử nhiệt (thermally reduced graphite oxide) vào năm 1859. Nó được V. Kohlschütter và P. Haenni nghiên cứu chi tiết năm 1918, họ cũng miêu tả các thuộc tính của giấy graphen ôxít.[6]

Sự sản xuất[sửa | sửa mã nguồn]

Chúng ta mới biết rằng những mảng tí xíu có tấm graphen được vỡ ra (cùng với những hợp chất khác) khi nào than chì được trầy, chẳng hạn khi vẽ đường bằng bút chì.[7] Ít người quan tâm đến chất bụi này trước 2004–2005. Vì vậy Andre Geim và các đồng sự, những người giới thiệu graphen trong dạng hiện đại, thường được ghi công về sự khám phá graphen,[8] nhưng có thể cho rằng ghi công vậy tương tự với ghi công Christopher Columbus là người "khám phá" châu Mỹ.

Vào năm 2008, graphen được sản xuất bằng quá trình tróc đá là một trong những nguyên liệu đắt nhất trên thế giới; một mảnh nhỏ đến nỗi có thể đứng trên đầu sợi tóc con người bằng giá hơn 1.000 đô la Mỹ (USD) vào tháng 4 năm 2008 (vào khoảng 100 triệu USD/cm²).[7] Sau đó, quá trình tróc đó được tăng cường, và ngày nay có công ty bán graphen từng tấn một.[9] Ngược lại, phần lớn giá graphen được sản xuất bằng epitaxy trên silic cacbua là giá chất nền, nó vào khoảng 100 USD/cm² vào 2009. Graphen đã được các nhà nghiên cứu Hàn Quốc sản xuất rẻ hơn bằng cách chuyển từ niken;[10] những cỡ bánh có đường kính tới 30 inch (760 mm) đã được sản xuất.[11]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Nobel Foundation announcement
  2. ^ a ă Geim, Andre; Konstantin Sergeevich Novoselov (2007). “The rise of graphene” (PDF). Nature Materials (bằng tiếng Anh) 6 (3): 183–191. doi:10.1038/nmat1849. PMID 17330084.  Đã định rõ hơn một tham số trong |author=|last= (trợ giúp)
  3. ^ Novoselov, Konstantin Sergeevich; et al. (2004). “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films” (PDF). Science (bằng tiếng Anh) 306 (5696): 666. doi:10.1126/science.1102896. PMID 15499015.  Đã định rõ hơn một tham số trong |author=|last= (trợ giúp)
  4. ^ Boehm, H.P.; A. Clauss; G. Fischer; U. Hofmann (1962). “Surface Properties of Extremely Thin Graphite Lamellae”. Proceedings of the Fifth Conference on Carbon (bằng tiếng Anh) (NXB Pergamon).  Đã định rõ hơn một tham số trong |author=|last= (trợ giúp) Lưu ý: Bài này nói đến những tấm tham chì có độ tương phản bổ sung tương đương (additional contrast equivalent) xuống vào khoảng ~4A hoặc 3 lớp nguyên tử cácbon không kết tính. Đây là độ phân giải lớn nhất cho TEM thời 1960 nhưng không thể biết (lúc đó hoặc ngày nay) có bao nhiêu lớp trong những tấm đó. Bây giờ chúng ta biết rằng độ tương phản TEM của graphen chủ yếu tùy theo trường hợp canh nét (focusing conditions) [Meyer et al, Nature 446, 60 (2007)]. Chẳng hạn không thể phân biệt graphen một lớp hay đa lớp trong thể vẩn theo độ tương phản TEM của nó; chỉ có cách phân tích cường độ tương đối của nhiều điểm nhiễu xạ. Lần đầu tiên quan sát tấm một lớp dùng TEM một cách chắc chắn có lẽ là những chú thích 24 và 26 của Geim và Novoselov, Nature Materials 6, 183 (2007).
  5. ^ G. Ruess; F. Vogt (1948). “Höchstlamellarer Kohlenstoff aus Graphitoxyhydroxyd”. Monatshefte für Chemie (bằng tiếng Đức) 78 (3-4): 222–242. doi:10.1007/BF01141527. 
  6. ^ V. Kohlschütter; P. Haenni (1918). “Zur Kenntnis des Graphitischen Kohlenstoffs und der Graphitsäure”. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (bằng tiếng Đức) (Wiley-VCH) 105 (1): 121–144. doi:10.1002/zaac.19191050109. 
  7. ^ a ă “Carbon Wonderland”. Scientific American (bằng tiếng Anh) (Nature Publishing Group). Tháng 4 năm 2008. Truy cập ngày 5 tháng 5 năm 2009. “... bits of graphene auywwre undoubtedly present in every pencil mark” 
  8. ^ October 22, 2004: Discovery of Graphene
  9. ^ Segal, Michael (1 tháng 10 năm 2009). “Selling graphene by the ton”. Nature Nanotechnology (bằng tiếng Anh) (Nature Publishing Group) 4: 612–614. doi:10.1038/nnano.2009.279.  Đã định rõ hơn một tham số trong |author=|last= (trợ giúp)
  10. ^ Patel, Prachi (15 tháng 1 năm 2009). “Bigger, Stretchier Graphene”. Technology Review (bằng tiếng Anh) (Học viện Công nghệ Massachusetts).  Đã định rõ hơn một tham số trong |author=|last= (trợ giúp)
  11. ^ Bae Sukang; Kim Hyeongkeun; Lee Youngbin; Xu Xiangfan; Park Jae-Sung; Zheng Yi; Jayakumar Balakrishnan; Lei Tian; Kim Hye Ri; Song Young Il; Kim Young-Jin; Kwang S. Kim; Barbaros Özyilmaz; Ahn Jong-Hyun; Hong Byung Hee; Iijima Sumio (2010). “Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes”. Nature Nanotechnology (bằng tiếng Anh) (Nature Publishing Group) 5 (8): 574–578. doi:10.1038/nnano.2010.132. PMID 20562870. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]