[Giải Nobel vật lý 2010] Graphen - Cấu trúc tinh thể lục giác 2 chiều

Bài viết liên quan

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:

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.

Nguồn bài viết: Blog của Giáo sư Đàm Thanh Sơn

Chia sẻ bài viết