Năm 2004, hai nhà khoa học tại Đại học Manchester là Geim và Novoselov đã tìm ra loại vật liệu hoàn toàn mới gọi là “graphene”. Vật liệu này được làm từ carbon với khả năng khoẻ hơn thép 10 lần, nhẹ hơn giấy 1.000 lần, trong suốt 98% và dẫn điện tốt hơn bất kỳ vật liệu nào khác từng biết. Ngoài ra, chất liệu này có thể chuyển đổi ánh sáng ở bất kỳ bước sóng nào thành dòng điện.
 

Có thể thấy, khi phóng to graphene, chúng ta sẽ thấy chất liệu này trông giống như một tổ ong, trong đó các nguyên tử cacbon riêng lẻ được sắp xếp theo hình lục giác và gắn kết với nhau tạo thành hình một tấm lưới.
Mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử khác, mang lại cho vật liệu này sức mạnh đáng kinh ngạc. Ngoài ra, theo cách mà các nguyên tử carbon gắn kết với nhau, mỗi nguyên tử có bốn hạt điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, nhưng chỉ ba trong số được chia sẻ với ba nguyên tử còn lại.
Hạt điện tử cuối cùng được gọi là điện tử pi và tự do di chuyển trong không gian ba chiều, điều này cho phép nó truyền điện tích mà hầu như không bị ngăn cản bởi điện trở.
Ở dạng 2D, graphene là một trong những vật liệu mạnh nhất từng được thử nghiệm cho đến nay. Giới khoa học đã nỗ lực rất nhiều để tìm cách duy trì tính chất vật lý của graphene dưới dạng 3D. Nhóm nghiên cứu tại MIT cuối cùng tìm thấy phương pháp để giải quyết vấn đề này.
Họ nén lớp graphene trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng nhiệt độ và áp suất cao. Lớp graphene nóng chảy thành cấu trúc có hình dạng độc đáo, giống như san hô. Khi thay đổi nhiệt độ và áp suất, nguyên liệu ban đầu sẽ trở thành nhiều dạng khác nhau. Ngoài ra, một số vật liệu 2D khác cũng có thể chuyển đổi sang dạng 3D theo cách tương tự.
Mô hình máy tính cho phép các nhà khoa học nghiên cứu mỗi dạng cấu trúc vật liệu và mô phỏng phản ứng của chúng đối với tác động ngoại lực. Kết quả cho thấy, đặc tính chịu nén và kéo căng của vật liệu 3D phụ thuộc vào hình dạng cấu trúc của nó, không phải đến từ độ bền vật liệu 2D tạo ra nó.
Andrea Ferrari, giáo sư công nghệ nano và Giám đốc Trung tâm Graphene Cambridge cho biết khả năng siêu dẫn vẫn cần nhiều thời gian nghiên cứu và đến năm 2024 sẽ có nhiều sản phẩm graphene trên thị trường như pin, quang tử, máy ảnh nhìn ban đêm…. Thực chất, pin làm từ graphene là thứ mà người tiêu dùng đã chờ đợi trong nhiều năm. Pin lithium-ion tuy được sử dụng rộng rãi nhưng lại có khuyết điểm là sạc chậm, nhanh hết pin và tuổi thọ pin giảm sau một số chu kỳ nhất định do quá trình điện hóa cung cấp năng lượng cho pin lithium-ion tạo ra rất nhiều nhiệt lượng, gây giảm tuổi thọ của pin.
Graphene thì ngược lại, chất liệu này tạo ra ít nhiệt lượng hơn khi sạc và trong quá trình sử dụng. Nhờ đó cũng sẽ cho tốc độ sạc nhanh hơn gấp 5 lần, tuổi thọ dài hơn 3 lần và số chu kỳ sử dụng nhiều hơn 5 lần.
Ngoài pin, giới khoa học hi vọng graphene còn có thể ứng dụng hữu ích trong y khoa như chế tạo các loại cảm biến siêu nhỏ, được cấy vào mạch máu để theo dõi lượng đường huyết và huyết áp hoặc quang tử học, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh y tế hoặc thậm chí là kính thiên văn.

Nguồn: Văn phòng Viện Nghiên cứu sáng chế và Khai thác công nghệ./.