Tài liệu: Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo

Cơ sở của Giải thưởng Nobel Vật lí năm nay là một lớp bong mỏng của carbon thông thường, lớp này chỉ dày một nguyên tử. Andre Geim và Konstantin Novoselov đã chứng tỏ rằng carbon ở một dạng phẳng như vậy có các tính chất ngoại hạng phát sinh từ thế giới lượng tử vốn kì dị nhưng nhiều bí ẩn. graphene là một dạng carbon.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tài liệu: Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo Cơ sở của Giải thưởng Nobel Vật lí năm nay là một lớp bong mỏng của carbonthông thường, lớp này chỉ dày một nguyên tử. Andre Geim và Konstantin Novoselovđã chứng tỏ rằng carbon ở một dạng phẳng như vậy có các tính chất ngoại hạngphát sinh từ thế giới lượng tử vốn kì dị nhưng nhiều bí ẩn. graphene là một dạng carbon. Là một chất liệu hoàn toàn mới – nó khôngnhững mỏng nhất mà còn bền nhất nữa. Là một chất dẫn điện, nó dẫn điện tốt nhưđồng. Là một chất dẫn nhiệt, nó dẫn nhiệt tốt hơn mọi chất liệu đã biết khác. Nóhầu như hoàn toàn trong suốt, nhưng lại đậm đặc tới mức ngay cả helium, nguyêntử nhỏ nhất, cũng không thể qua mặt. Hình 1. graphene. Mạng tinh thể gần như hoàn hảo chỉ dày một nguyên tử.Nó gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành hình lục giác đan lại như tấm lưới. Bởi vậy, bài báo về graphene công bố trên tạp chí Science, số tháng 10/2004,đã khuấy động rất nhiều xúc cảm trên khắp thế giới. Một mặt, các tính chất kì lạcủa graphene cho phép các nhà khoa học kiểm tra các nền tảng lí thuyết của vật líhọc. Mặt khác, rất nhiều ứng dụng thực tế giờ đã có thể hiện thực hóa, bao gồmviệc chế tạo các chất liệu mới và sản xuất các dụng cụ điện tử tân tiến. Carbon, cơ sở của mọi dạng sống đã biết trên trái đất, một lần nữa khiếnchúng ta thật bất ngờ. Bút chì, giấy và băng dính Không thể nào dễ thu được graphene hơn nữa, chất liệu thần kì có nguồn gốctừ graphite thông thường, như graphite tìm thấy ở các thỏi bút chì. Tuy nhiên,những điều đơn giản nhất và hiển nhiên nhất thường lẩn tránh cái nhìn của chúngta. Graphene gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành một mạngphẳng – tương tự như cấu trúc tổ ong, nhưng khác là chỉ dày một nguyên tử thôi.Một mili mét graphite thật ra gồm ba triệu lớp graphene bám chồng lên nhau. Cáclớp được giữ một cách yếu ớt và vì thế khá dễ bóc tách chúng ra. Ai đã từng viếtbằng bút chì đều có kinh nghiệm này, và có khả năng, khi họ viết, chỉ một lớpcarbon, tức graphene, đã bám lên trên trang giấy. Đây là cái xảy ra khi Andre Geim và Konstantin Novoselov sử dụng băngdính để bóc những lớp bong mỏng ra khỏi một miếng graphite lớn bằng mộtphương pháp không có gì mới. Lúc đầu, họ thu được những lớp bong ra gồm nhiềulớp graphene, nhưng khi họ lặp lại 10 đến 12 lần bóc băng dính thì lớp bong mỗilúc một mỏng hơn. Bước tiếp theo là tìm những mảnh graphene nhỏ xíu trong sốnhững lớp graphite dày hơn và những mảng bong carbon khác. Đây là lúc ý tưởngsáng tạo thứ hai của họ xuất hiện: để có thể nhìn thấy kết quả của công trình tỉ mỉcủa họ, các nhà khoa học ở Manchester quyết định gắn mấy miếng bong mỏng đólên một đĩa silicon đã oxy hóa, chất liệu chuẩn trong ngành công nghiệp bán dẫn. Khi đặt cái đĩa đó vào một chiếc kính hiển vi thường, người ta có thể thấymột cầu vồng màu, tương tự như cái được nhìn thấy khi dầu loang trên mặt nước,và như vậy xác định được số lớp graphene trong lớp bong. Bề dày của lớp silicondioxide bên dưới, hóa ra, lại thiết yếu trong việc vén màn bí mật graphene. Dướikính hiển vi, graphene lúc này có thể trông rõ – một chất liệu kết tinh hai chiềuđích thực tồn tại ở nhiệt độ phòng. Graphene là mạng lưới carbon đều đặn mộtcách hoàn hảo với chỉ hai chiều kích, rộng và dài. Đơn vị cơ sở của mẫu tinh thểnày gồm sáu nguyên tử carbon liên kết hóa học với nhau. Graphene, cũng như mộtsố dạng khác của carbon mà chúng ta biết, gồm hàng tỉ nguyên tử carbon liên kếtvới nhau theo khuôn mẫu hình lục giác. Chờ đợi khám phá Hình 2. Trích graphene từ graphite. Graphite là một chất liệu cơ bản tìm thấy trong tự nhiên. Khi tách mỏng ra, các tấm graphite trở thành graphene. Một lớp graphene cuộn lại thì thành ống nano carbon, còn khi cuộn tròn thành hình quảbóng đá thì nó thành fullerene. Tiềm ẩn bên trong graphite, graphene đang chờ đợi con người khám phá. Tất nhiên, graphene luôn tồn tại; điều quan trọng là tìm ra nó. Tương tự,những dạng xuất hiện tự nhiên khác của carbon đã trình hiện trước các nhà khoahọc khi họ nhìn chúng ở góc độ thích hợp: trước tiên là ống nano, sau đó là nhữngquả bóng carbon, fullerene (Giải Nobel Hóa học 1996). Bị giữ trong graphite,graphene đang chờ được giải phóng (hình 2). Thật ra, chẳng ai nghĩ điều đó là cóthể thực hiện. Nhiều nhà khoa học nghĩ người ta không thể nào tách ra những chất liệumỏng như vậy: chúng sẽ gấp nếp hoặc cuộn lại ở nhiệt độ phòng, hay thậm chí làhoàn toàn bị tan biến. Bất chấp như vậy, một số người vẫn thử cố gắng hết sức,mặc dù những nỗ lực trước đó nhằm thu lấy graphene đã thất bại. Trước đó, ngườita đã có thể thu được những màng mỏng với bề dày chưa tới 100 nguyên tử - thậtvậy, một số màng mỏng đến mức chúng trở nên trong suốt. Một phương pháp thu ...