Giải ngố về Graphene - Siêu anh hùng được kỳ vọng sẽ cách mạng thế giới smartphone của chúng ta

Dù có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn, nhưng với những thách thức về kỹ thuật sản xuất cùng với sự cản trở của công nghệ cũ, liệu Graphene có đưa chúng ta đến tương lai tốt đẹp hơn.

Có thể bạn đã nghe nói về Graphene. Kể từ khi khám phá ra nó, các nhà khoa học đã xem nó như một vật liệu tiềm năng để chuyển đổi cả thế giới. Từ thang máy ra ngoài không gian cho đến thiết bị nano cho ngành y tế, danh sách các ứng dụng của nó dường như không thể kể hết. Nhưng graphene chính xác là gì? Thuộc tính của nó như thế nào và những ứng dụng thú vị nhất của nó là gì? Liệu nó có thể giúp thay đổi ngành di động hay không?
Graphene: đại diện đầu tiên của loại vật liệu mới
Graphene là vật liệu hai chiều đầu tiên mà con người biết tới. Trong phần lớn các vật liệu khác, các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc 3D, nhưng graphene lại được tạo thành từ một lớp đơn các nguyên tử carbon. Về cơ bản, graphene như một tấm carbon với độ dày bằng một nguyên tử.

Được phát hiện vào năm 2004, khi hai giáo sư tại Đại học Manchester và Học viện công nghệ vi điện tử Chernogolovka, ông Andre Geim và Kostya Novoselov cô lập than chì, một dạng khác của carbon. Công trình này sau đó đã mang về giải Nobel Vật Lý cho họ vào năm 2012. Không lâu sau đó là sự ra đời của Học viện Quốc gia về Graphene tại Anh, với mục tiêu thúc đẩy các nghiên cứu về vật liệu này đi xa hơn nữa.
Có thể thật khó tin nhưng những tinh thể graphene được thu thập thông qua một quá trình rất cơ bản, khi sử dụng một chiếc băng dính cũ. Dưới đây là điều đã xảy ra.

Về bản chất, các tinh thể graphen với độ dày một nguyên tử, bị cô lập bằng cách lặp đi lặp lại quá trình dán và bóc băng dính trên một miếng than chì (tức là carbon). Sau đó mỗi lớp tinh thể than chì dính ở trên băng dính được giảm độ dày xuống kích thước một nguyên tử. Lúc này mỗi lớp nguyên tử hình thành nên một cấu trúc hình tổ ong 2D. Điều tuyệt vời là bạn có thể thực hiện phương pháp này ngay cả ở nhà nếu bạn có một chiếc kính hiển vi đủ nhỏ để quan sát sản phẩm mình làm ra.

Graphene có tất cả những ưu điểm của carbon cả về trọng lượng và độ bền – giống như trường hợp của sợi carbon – những đặc tính sẽ thay đổi cả ngành công nghiệp không gian và ô tô. Nhưng những ứng dụng của nó, không chỉ giới hạn ở đó, dưới đây là một số ví dụ khác.
Pin siêu tụ bằng graphene
Thế hệ pin tiếp theo sẽ thoát khỏi việc phải sử dụng các tế bào điện hóa (ví dụ như Lithium Ion) để hướng tới loại siêu tụ, với khả năng lưu trữ năng lượng trong điện trường thay vì một phản ứng hóa học có kiểm soát. Các siêu tụ điện có thể nạp điện nhanh hơn (tính bằng giây thay vì phút) và chúng bền hơn cũng như hoạt động ở dải nhiệt rộng hơn so với pin thông thường. Nhưng chúng cũng đắt hơn nhiều.
Các siêu tụ hiện tại tận dụng diện tích bề mặt của lớp carbon hoạt tính, để giúp lưu trữ và xả ra dòng điện. Với việc ứng dụng graphene – vốn làm từ carbon nguyên chất và có diện tích bề mặt lớn hơn – sẽ giúp đưa loại pin này đi xa hơn.

Dù vẫn còn khá đắt đỏ, nhưng graphene vẫn được cho là sẽ cạnh tranh được về giá với than hoạt tính, điều đó có nghĩa là nó sẽ giúp các siêu tụ có giá rẻ hơn khi được sản xuất số lượng lớn. Nhờ đó, trong tương lai, pin sẽ dùng được lâu hơn và sạc đầy gần như ngay lập tức.
Không chỉ đem lại trải nghiệm tốt hơn cho người dùng, vật liệu này còn mang lại lợi ích to lớn cho môi trường. Do pin sản xuất ra sẽ phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên phong phú trong tự nhiên và thân thiện hơn với hệ sinh thái, thay cho nguyên liệu Lithium hiện tại.
Màn hình linh hoạt hơn, có thể gập lại
Các màn hình linh hoạt và bán trong suốt đã được giới thiệu bởi các nhiều nhà sản xuất như LG và Samsung. Những sản phẩm của tương lai này được sản xuất bằng cách sử dụng một lớp mỏng màn hình OLED kết hợp với một tấm nhựa linh hoạt.

Một nhóm các nhà khoa học vật liệu, dẫn đầu là người đồng khám phá Graphene, Kostya Novoselov đã thiết kế một màn hình LED 2D bằng bán dẫn bằng cách sử dụng các đèn LED và lớp graphene kim loại ở cấp độ nguyên tử. Cuối cùng ông tạo ra một màn hình vô cùng mỏng, còn mỏng hơn cả một số loại màn hình thường thấy trong một số bộ phim khoa học viễn tưởng.
Dù những thiết bị này có thể đưa tới người tiêu dùng trong 5 năm tới, nhưng các nhà sản xuất cần có thời gian để đánh giá nhu cầu cho loại màn hình dẻo và trong suốt này trên thị trường.
Lời chào tạm biệt với các chip silicon
Các nghiên cứu về tính dẫn điện của loại vật liệu này cho thấy nó có khả năng bán dẫn ở nhiệt độ phóng có thể chuyển thành siêu dẫn bằng cách bổ sung một số tạp chất có kiểm soát vào cấu trúc tổ ong của nó. Phát hiện này đưa đến khả năng ứng dụng graphene vào hàng loạt công nghệ điện toán khác nhau, giúp tăng cường tốc độ và sự hiệu quả (đặc biệt là giảm nhiệt phát ra). Điều này có nghĩa là graphene và các loại vật liệu 2D mới có thể thay đổi cả ngành công nghiệp chip silicon.

Có thể sự thay đổi này sẽ ít hiện diện trên các smartphone mà chúng ta đang dùng hàng ngày do tốc độ hiện tại của chúng đã quá đủ cho các nhu cầu hàng ngày. Nhưng nếu nhìn xa hơn những chiếc smartphone đó, chúng ta sẽ thấy một vùng đất rộng lớn đang thèm khát nhu cầu về một con chip mới, mạnh hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn.
Ví dụ: các siêu máy tính để dự báo khí hậu và thời tiết, các trung tâm điện toán đám mây với hàng trăm máy chủ, các trí tuệ nhân tạo hay vô số thiết bị IoT với nhu cầu xử lý thông tin và kết nối hàng ngày, cũng như các thiết bị đeo nhỏ bé như smart watch hoặc kính thực tế ảo.

Ngoài ra, một lĩnh vực khác cũng có ứng dụng to lớn nếu các con chip mạnh mẽ và nhỏ bé phát triển. Đó là lĩnh vực cấy ghép các mảng điện cực làm từ graphene, những thành phần quan trọng của giao diện máy não trong khoa học thần kinh. Công nghệ này đặc biệt quan trọng với những người mắc bệnh động kinh hay các bệnh khác về điều khiển hành vi.
Cảm hứng cổ xưa
Có thể một số bạn sẽ thắc mắc: graphene là một lớp vật liệu 2D và có thể ghép vào các vật liệu khác bằng cách phủ lên trên hay gói gọn các lớp lại. Nhưng nếu muốn tiến xa hơn bằng cách chồng lớp này lên lớp khác, nó sẽ không còn là một lớp graphene hai chiều nữa, vậy làm thế nào để sản xuất một vật thể 3D từ một lớp vật liệu 2D.

Một nghiên cứu mới đây của các nhà vật lý tại Đại học Cornell cho thấy các đặc tính của graphene có nhiều điểm tương tự như tờ giấy. Điều này gợi ý cho họ cách giải quyết vấn đề trên với một nghệ thuật cổ của Nhật Bản, nghệ thuật cắt giấy kirigami. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật này để xây dựng một cấu trúc ba chiều từ các lớp hai chiều của graphene với sức mạnh của cả cấu trúc có thể gấp 300 lần so với thép.
Kết hợp cấu trúc kim tự tháp này với các điện trở cao cấp từ trên đỉnh xuống dưới đáy, sẽ giúp đơn giản hóa việc thiết kế các cổng để dẫn luồng thông tin tốc độ cao chạy bên trong các vi chip.
Thách thức để vươn tới tương lai?
Một tương lai đẹp đẽ vừa được chúng ta vẽ ra về các ứng dụng của graphene trong cuộc sống hàng ngày. Nhưng một câu hỏi cần được đặt ra lúc này là chúng ta phải vượt qua những khó khăn nào để chạm tay vào tương lai tươi đẹp đó?
Trong phạm vi bài viết này, thật khó để liệt kê hết tất cả những thách thức đó, tuy nhiên như mọi công nghệ mới khác, chúng đều có chung những thách thức cơ bản phải vượt qua trước khi tiếp cận được số đông người tiêu dùng. Đó là chi phí sản xuất, khả năng sản xuất số lượng lớn và sự chống lại của các công nghệ hiện tại.

Liệu graphene có thể là siêu vật liệu mà chúng ta đang chờ đợi không? Câu trả lời ngắn gọn là có, nhưng nó sẽ mất thời gian để dịch chuyển cả ngành công nghiệp silicon hiện tại. Cũng như việc màn hình OLED hiện vẫn chưa thể thống trị công nghệ hiển thị, dù trội hơn hẳn, các công nghệ trên nền graphene sẽ phải vượt qua sự kháng cự của ngành công nghiệp silicon. Một mạng lưới khổng lồ các công ty đang sản xuất các mạch tích hợp chip silicon giá rẻ và đáng tin cậy sẽ tạo nên một trận chiến kinh tế với các doanh nghiệp sản xuất graphene mới thành lập.
Silicon là một nguyên tố bán dẫn khá dồi dào trong tự nhiên và các đặc tính của nó cho phép nó dễ dàng thao tác để di chuyển các electron trên mạch điện, và làm nó đặc biệt thích hợp để thiết kế các chip điện tử. Ngoài ra, lợi thế lớn nhất của silicon so với graphene là 70 năm nghiên cứu liên tục đã làm cho nó có vô số ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp.

Trong khi đó, chúng ta vẫn cần nghiên cứu nhiều hơn về tiềm năng thực sự của graphene trong các điều kiện của phòng thí nghiệm trước khi nó có thể ổn định để sử dụng trong các ngành công nghệ. Cho đến nay, số lượng bằng sáng chế về các ứng dụng trên nền graphene đã tăng đột biến từ năm 2010, nhưng nó vẫn chưa bằng 1/6 các ứng dụng có liên quan đến silicon. Điều đó cho thấy quá trình chuyển đổi sẽ mất một thời gian nữa.
Mặt khác, dù silicon khá dồi dào trong tự nhiên, nhưng graphene với nguồn gốc carbon, còn phổ biến hơn nữa. Điều đó có nghĩa là khi công nghệ này có thể đi vào sản xuất hàng loạt, nó sẽ giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất các chip điện tử. Năm 2008, một cm² diện tích graphene từng có giá 1.000 USD nhưng chỉ một năm sau đó nó đã giảm xuống còn 100 USD/cm² và người ta vẫn tiếp tục tìm ra các phương pháp mới để giảm chi phí sản xuất của loại vật liệu này thấp hơn hàng trăm lần so với trước.
Tổng kết
Câu chuyện về graphene bắt đầu từ một miếng băng dính cũ và nghiên cứu mới nhất cho thấy rằng tiềm năng của nó có thể tiến xa hơn bởi nghệ thuật cắt giấy cổ xưa. Trong vòng 5 năm tới hoặc lâu hơn, chúng ta có thể chứng kiến sự kết thúc của Thời đại Silicon và bắt đầu của thời đại Siêu bán dẫn, khi các tiến bộ công nghệ có thể cô lập nhiều vật liệu tương tự như graphene hơn. Điều này có thể sẽ định hình lại trải nghiệm di động của chúng ta trong tương lai.