Graphen

Giải Nobel về vật lý năm 2010 sẽ được trao cho Andre Geim và Konstantin Novoselov vì khám phá ra graphen. Đây là một giải rất xứng đáng, nhiều người đã chờ đợi.

Muốn giải thích graphen là gì, đầu tiên ta nói về cacbon. Các bạn chắc vẫn nhớ, ở trường phổ thông ta học về ba thể của cacbon: kim cương, than chì và cacbon vô định hình. Ba thể này khác nhau ở cấu trúc vi mô. Than chì là trạng thái bền nhất ở điều kiện bình thường. Ở mức nguyên tử, cấu trúc của than chì rất đơn giản:

graphite

Trong hình vẽ trên, các nguyên tử cacbon là các hình cầu nằm ở đỉnh các hình lục giác. Như bạn thấy trên hình vẽ, than chì cấu tạo theo lớp, mỗi lớp là một lưới lục giác của các nguyên tử cacbon, các lớp xếp chồng lên nhau. Khoảng các giữa các lớp (0.34 nm) lớn hơn nhiều khoảng cách giữa các nguyên tử trong một lớp (0.14 nm). Do đó các lớp của than chì dính vào nhau không chặt, dễ bị tách ra, và đấy chính là lý do than chì được dùng trong lõi bút chì.

Từ giữa những năm 80 người ta bắt đầu tìm ra những thể mới của cacbon. Đầu tiên là C60, phân tử này gồm 60 nguyên tử cacbon xếp với nhau thành một hình giống hình quả bóng đá. Khám phá này được giải Nobel năm 1996 về hóa học. Sau đó là ống nano cacbon, có thể coi là một lớp của than chì cuộn lại thành một cái ống. Nói một cách nôm na, C60 là một vật thể 0 chiều, ống nano là vật thể 1 chiều, còn than chì là 3 chiều.

0 chiều, 1 chiều, 3 chiều: ta thiếu 2 chiều. Nếu ta tách được 1 lớp cacbon ra khỏi than chì ta sẽ có một tinh thể lục giác 2 chiều như hình ở dưới.

Cấu trúc này được đặt tên là graphen đã từ lâu, khi chưa ai biết làm ra nó như thế nào. Tại sao lại gọi là graphen? Chắc hẳn “graph” là từ graphite (than chì) ra, còn đuôi -en tôi đoán là do cấu trúc trên có thể coi là một số vô hạn các vòng benzen dính vào nhau. Người ta đã cố gắng làm ra graphen bằng phương pháp hoá học, nhưng các nỗ lực đó đều không thành công.

Geim và Novoselov dùng một phương pháp rất đơn giản để làm ra graphen. Họ dùng than chì để viết lên một mặt phẳng (như viết bút chì), sau đó dùng băng dính để bóc dần từng lớp than chì ra cho đến khi chỉ còn một lớp rất mỏng. Vấn đề khó nhất là lớp mỏng này có độ dày không đồng đều, có thể có chỗ là một lớp 1 nguyên tử, nhưng thường là dày hơn. Làm thế nào ta tìm ra chỗ có độ dày chỉ bằng 1 lớp nguyên tử? Đây chính là trở ngại quan trọng nhất Geim và Novoselov vượt qua năm 2004. May mắn và tình cờ, họ tìm ra rằng nếu lớp mỏng này nằm trên một tấm silic, trên bề mặt có phủ một lớp SiO2 với độ dày nhất định, ta có thể phân biệt được những chỗ độ dày bằng một lớp nguyên tử và những chỗ dày hơn chỉ bằng kính hiển vi thường, do hiện tượng giao thoa.

Phương pháp làm graphen này được gọi bằng một cái tên khoa học “micromechanical cleavage” nhưng thực ra chỉ đơn giản thế thôi. Những tấm graphen làm bằng phương pháp này ít khi to hơn 0.1 mm. Hiện nay đã có nhiều phương pháp khác để làm graphen, kích thước có thể đến gần 1 m. Bình thường graphen nằm bên trên một chất khác (như SiO2), nhưng năm 2007 nhóm của Geim và Novoselov đã làm được graphen treo trong chân không giữa hai tấm kim loại.

Về mặt lý thuyết, graphen gây chú ý nhiều vì electron (năng lượng thấp) ở đó chuyển động với một vận tốc cố định, nhỏ hơn tốc độ ánh sáng khoảng 300 lần. Điều này làm cho các tính chất của graphen rất khác các chất khác. Có người đề xuất là các điện tử trong graphen có thể tạo thành một chất lỏng rất gần với chất lỏng lý tưởng. Về mặt công nghệ, người ta đặt nhiều hi vọng vào graphen. Ví dụ, người ta đã làm ra được touchscreen bằng graphen, và dùng graphen trong cả sinh học. Nhưng chúng ta hãy đọc xem Geim nói gì khi người ta hỏi ông ta về ứng dụng của graphen:

When someone asks about applications in my talks, I usually tell a story about how I was on a boat one day watching dolphins, and they were jumping out of the water, allowing people to nearly touch them. Everyone was mesmerized by these magnificent creatures. It was an extraordinary romantic moment—well, until a little boy shouted out, “Mom, can we eat them?” It’s a similar matter here—as in, okay, we just found this extraordinary material, so we’re enjoying this romantic moment, and now people are asking if we can eat it or not. Probably we can, but you have to step back and enjoy the moment first.

Phải nói hai người này là những nhà vật lý hết sức sáng tạo, có nhiều ý tưởng rất vui. Năm 2000 Geim đã được giải Ig Nobel cho thí nghiệm dùng từ trường làm cho một con ếch bay trong không khí. Vài năm trước, họ còn làm ra được “gecko tape”, một loại băng cực dính. Muốn biết về phong cách làm việc của họ, tốt nhất là đọc những bài phỏng vấn trong phần tài liệu tham khảo dưới đây.

Tài liệu tham khảo:

Mức phổ biến khoa học: Carbon Wonderland (A. Geim and P. Kim, Sci. Am. tháng 4 năm 2008)

Cho người học vật lý: Graphene: Exploring Carbon Flatland (A. Geim and A. MacDonald, Physics Today 60 (2007) 35-41)

Phỏng vấn Geim

Phỏng vấn Novoselov

Bài của bác NQH giới thiệu cũng rất đáng đọc.

15 responses to “Graphen

  1. Pingback: [Nobel 2010] Graphene « KWrite

  2. Thưa thầy,
    Có đoạn này em chưa hiểu lắm. Đó là tại sao C_{60} là 0 chiều và ống nano là 1 chiều ạ ? Em nhìn hình và nghe thầy mô tả mà em chưa hiểu lắm😦

    • Ý tôi muốn viết là nếu ta nhìn từ rất xa thì phân tử C60 sẽ trông như một điểm, không có chiều dài, chiều rộng, chiều cao. Còn ống nano thì có thể kéo ra rất dài theo một chiều, nhìn từ xa nó trong như một đường thẳng có chiều dài nhưng không có chiều rộng, chiều cao.

  3. Đáng lẽ cái này thuộc về hóa học chứ bác.

    • Nếu coi graphen là một phân tử rất to (kiểu như coronen nhưng to hơn nhiều) thì cũng có thể gọi là hóa học được. Tuy nhiên về phương pháp thì rõ ràng là vật lý: chỉ có trong vật lý người ta mới cọ cái nọ vào cái kia. Hóa học là phải đổ lọ nọ vào lọ kia cơ🙂.

      Nghiêm túc hơn thì ảnh hưởng của graphen trong vật lý có lẽ vẫn là lớn nhất. Ví dụ, một trong những phát hiện đầu tiên sau khi làm ra graphen là về hiệu ứng Hall lượng tử: trong graphen hiệu ứng này xảy ra ở nhiệt độ phòng, không cần phải nhiệt độ siêu lạnh như trong các chất rắn khác. Hiệu ứng Hall lượng tử là đề tài rất quan trọng trong vật lý. Giải Nobel vật lý năm 1985 và 1998 là về hiệu ứng này.

      Ngoài ra, ranh rới giữa các ngành khoa học nhiều khi chỉ là ước lệ. Graphen là một ví dụ cho điều đó. Các nhà hóa học đã bắt đầu nhảy vào làm graphen rồi (ví dụ xem http://pubs.acs.org/cen/coverstory/87/8709cover.html ).

  4. Đúng vậy. Lúc mới đầu em cũng tưởng đáng cái này phải là Nobel Hóa học bởi mấy đứa bạn cũng đang mày mò tổng hợp graphene trong lab của nó.
    Giờ thì Nobel Lý trông giống Hóa, còn Nobel Hóa thì trông giống Sinh, còn Nobel Sinh thì…giống với đời sống của con người😉

  5. Bài này hay quá.

  6. Quả thực giải Nobel cho Graphene rất xứng đáng. Em đã từng study một chút về Graphen, nó có rất nhiều tính chất thực sự hấp dẫn, thỏa mãn phương trình Dirac cho hạt không khối lượng gần các điểm Dirac,Quantum Hall effect, tính chất Topo của surface states, và spin transport. Hy vọng sẽ sớm được nhìn thấy ứng dụng thực tế của graphene, nhưng ít ra những tính chất đặc biệt của graphene. Em cũng từng tưởng tượng một hệ quả nào đó của lý thuyết dây có thể được kiểm chứng trên graphene. Nhưng chắc đấy chỉ là phút bay bổng thôi.

  7. Pingback: Thế giới hai chiều « Đông A

  8. Pingback: Những sự kiện khoa học lý thú trong năm 2010 | Dinhtan's Blog

  9. Breast Climber

    Các bài báo về graphene của Tạp chí Nature, ACS, Wiley, RCS, Sciencedirect
    có thể dowload ở đây
    http://all365climaxdays.blogspot.com/

  10. Thầy có tài liệu và bài báo về Graphene oxide không? Em đang tìm hiểu về Graphene oxide, các mô phỏng tính toán và kết quả thực nghiệm :như quá trình khử trên bề mặt của nó, tính toán khi đặt oxy lên thì spin thay đổi thế nào. Thanks!!!

  11. Breast Climber

    tài liệu và bài báo về Graphene oxide bạn có thể download ở trang này

    http://all365climaxdays.blogspot.com/

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s