Graphene là một loại vật liệu cứng hơn thép, nhẹ hơn giấy, mới phổ biến trong những năm gần đây. Bài viết dưới đây sẽ giới thiệu đến bạn thông tin về graphene, quy trình sản xuất cũng như ứng dụng của loại vật liệu thú vị này nhé!
Graphene là một dạng cấu trúc cacbon đơn giản nhất, được hình thành bởi việc xếp chồng các lớp nguyên tử cacbon thành một mạng tinh thể hai chiều. Các nguyên tử cacbon trong graphene được sắp xếp thành một lưới tứ diện hexagon (hình học có sáu cạnh) liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị.
Đây là một vật liệu siêu mỏng, chỉ có độ dày một lớp nguyên tử. Graphene có tính chất đặc biệt đáng chú ý, bao gồm độ cứng cao, dẻo dai, độ bền cơ học, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Loại vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:
Bên cạnh đó, graphene cũng tiềm ẩn nhiề rủi ro khi sử dụng bởi các hạt nano graphene có thể gây độc cho tế bào phổi và tế bào miễn dịch nếu hít phải. Ngoài ra, graphene có thể gây kích ứng da và mắt. Graphene cũng có thể xâm nhập vào cơ thể và tích tụ trong các cơ quan, dẫn đến các tác hại lâu dài chưa được biết đến
Graphene được tạo ra bằng cách sắp xếp các nguyên tử cacbon theo cấu trúc lục giác
Graphene là một vật chất hai chiều gồm các nguyên tử cacbon sắp xếp theo một mạng lục giác. Nó được P. R. Wallace đề xuất lý thuyết vào năm 1947 như một bước đầu để hiểu cấu trúc điện tử của graphite ba chiều. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất hai chiều sẽ không ổn định và sẽ bị cuốn lại thành các cấu trúc ba chiều.
Sau đó, vào năm 1962, Hanns-Peter Boehm và các cộng sự của ông đã phát hiện ra graphene thực nghiệm. Họ đã sử dụng phương pháp khử oxy hóa để tạo ra các mảnh vụn cacbon một lớp từ graphite. Họ cũng đã đưa ra thuật ngữ “graphene” từ năm 1986.
Tuy nhiên, sự tồn tại của graphene vẫn chưa được xác nhận một cách rõ ràng cho đến năm 2004, khi Andre Geim và Konstantin Novoselov tại Đại học Manchester đã tạo ra và nhận dạng được graphene bằng cách sử dụng một miếng băng dính để bóc tách các lớp graphene từ graphite. Phương pháp này được gọi là bóc tách vi cơ học hoặc kỹ thuật băng dính. Đây là một phát minh đột phá đã giúp họ giành được giải Nobel vật lý năm 2010.
Năm 2002, nhà nghiên cứu Andre Geim của Đại học Manchester bắt đầu quan tâm đến graphene và thách thức một nghiên cứu sinh tiến sĩ đánh bóng một khối than chì thành càng ít lớp càng tốt. Nghiên cứu sinh có thể đạt được 1.000 lớp, nhưng không thể đạt được mục tiêu của Geim là 10 đến 100 lớp.
Ông bôi nó lên than chì và bóc nó ra để tạo ra những mảnh graphene nhiều lớp. Nhiều lần bóc băng hơn tạo ra các lớp mỏng hơn và mỏng hơn, cho đến khi ông có một miếng graphene dày 10 lớp.
Sử dụng phương pháp khử oxy hóa để tạo ra các mảnh vụn cacbon một lớp từ graphite, tạo thành graphene
Nhóm của Geim đã làm việc để tinh chỉnh kỹ thuật của họ và cuối cùng tạo ra một lớp nguyên tử cacbon. Họ đã công bố những phát hiện của mình trên tạp chí “Science” vào tháng 10 năm 2004. Geim và đồng nghiệp của ông Kostya Novoselov đã nhận giải Nobel vật lý năm 2010 cho công trình của họ.
Kể từ những mảnh đầu tiên được làm bằng băng keo, việc sản xuất graphene đã được cải thiện với tốc độ nhanh chóng. Năm 2009, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một màng graphene có chiều ngang 30 inch.
Phân cắt vi cơ là một phương pháp sản xuất Graphene dựa trên việc bóc tách Graphene nhiệt phân theo thứ tự có hệ thống bằng cách sử dụng băng dính. Phương pháp này đã được hai nhà khoa học Andre Geim và Konstantin Novoselov sử dụng để khám phá ra graphene nhiệt phân và nhận được Giải Nobel Vật lý năm 2010.
- Quy trình bao gồm:
Chuẩn bị:
Bóc tách:
Cắt:
Các lớp Graphene nhiều lớp được cắt thành các mảnh nhỏ hơn bằng cách sử dụng các phương pháp như lithography hoặc plasma etching.
- Ưu điểm:
- Nhược điểm:
Phân tách là phương pháp được sử dụng để sản xuất graphene bằng cách bóc nó ra khỏi graphite
Tẩy tế bào chết pha lỏng (LPE) là một phương pháp phổ biến để sản xuất Graphene. Phương pháp này sử dụng dung môi để tách các lớp Graphene ra khỏi nhau từ bột Graphite.
- Quy trình:
Chuẩn bị dung môi:
Tẩy tế bào chết:
Lọc:
Sấy khô:
- Ưu điểm:
- Nhược điểm:
Sơ đồ của quy trình LPE
Lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để tổng hợp Graphene. Phương pháp này dựa trên việc phân hủy khí tiền chất trong môi trường chân không hoặc áp suất thấp để tạo ra các lớp Graphene trên một chất nền.
Quá trình CVD bắt đầu bằng việc sử dụng hỗn hợp khí (trong đó có ít nhất một chất chứa khí cacbon) nung nóng đến khi hình thành plasma. Sử dụng bộ điều khiển, đồng hồ đo lưu lượng ta có thể định lượng khí và chất lỏng một cách chính xác nhất.
- Quy trình:
Chuẩn bị:
Lắng đọng:
Làm nguội:
- Ưu điểm:
- Nhược điểm:
Sơ đồ quy trình Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Đây là một phương pháp dùng ngọn lửa để tạo ra các hạt nano từ các khí phản ứng chứa cacbon. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí, nhưng cũng có nhược điểm là khó kiểm soát kích thước, hình dạng và độ tinh khiết của các hạt nano. Do đó, phương pháp này không được đánh giá cao như phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) trong việc sản xuất graphene.
- Quy trình:
Chuẩn bị:
Dung dịch hoặc huyền phù tiền chất chứa vật liệu mong muốn được chuẩn bị. Dung dịch này thường bao gồm muối kim loại, hợp chất hữu cơ hoặc các tiền chất khác có thể phân hủy ở nhiệt độ cao.
Phun sương:
Dung dịch tiền chất sau đó được biến thành sương mịn hoặc khí dung bằng các kỹ thuật như phun sương hoặc phun siêu âm.
Đưa vào ngọn lửa:
Sương hoặc khí dung được đưa vào lò đốt, nơi nó trộn với nhiên liệu và khí oxy hóa, bắt đầu quá trình đốt cháy và tạo ra vùng nhiệt độ cao.
Phân hủy và hình thành hạt nhân:
Trong ngọn lửa, nhiệt độ cao khiến các giọt tiền chất bay hơi và phân hủy nhanh chóng. Quá trình phân hủy này phá vỡ các phân tử tiền chất thành các nguyên tử thành phần của chúng.
Hình thành hạt nano:
Các nguyên tử tự do nhanh chóng va chạm và ngưng tụ do quá trình làm nguội nhanh khi chúng di chuyển ra khỏi vùng ngọn lửa nóng. Quá trình ngưng tụ này dẫn đến sự hình thành các hạt nano.
Thu thập:
Các hạt nano sau đó được chiết xuất từ khí thải bằng các phương pháp khác nhau như lọc, kết tủa tĩnh điện hoặc lốc xoáy.
- Ưu điểm:
- Nhược điểm:
Sơ đồ quy trình Flame synthesis
Đây là một phương pháp dùng một chùm laser công suất cao để bốc bay một lớp mỏng của vật liệu mục tiêu, tạo ra một khối plasma chứa các hạt nano cacbon. Khối plasma này sau đó sẽ lắng đọng trên một chất nền, hình thành một lớp graphene.
Lắng đọng Laser xung (PLD) là một kỹ thuật sử dụng tia laser xung để tạo ra một plasma từ vật liệu mục tiêu, sau đó plasma này được lắng đọng trên một chất nền để tạo ra Graphene.
- Quy trình:
Chuẩn bị:
Lắng đọng:
Hậu xử lý:
Graphene có thể được xử lý sau bằng các phương pháp như nung nóng, ủ hoặc hóa chất để cải thiện chất lượng và tính chất của nó.
- Ưu điểm:
- Nhược điểm:
Sơ đồ quy trình lắng đọng laser xung (PLD)
Graphene có độ bền khoảng 42 N/m. Theo nghiên cứu, graphene có độ bền gấp 100 lần so với thép (độ bền của thép là 0.084-0.40 N/m). Độ bền kéo của graphene là 130 GPa và mô-đun đàn hồi là 1 TPa.
Để phá vỡ một tấm graphene có độ dày của màng bám, cần sử dụng một lực tương đương với cân nặng của một con voi được cân bằng trên một cây bút chì. Điều này cho thấy graphene có độ bền cực kỳ cao và mang lại nhiều lợi ích trong các ứng dụng thực tiễn.
Sẽ phải cần một con voi, cân bằng trên một cây bút chì để phá vỡ một tấm graphene
Graphene có độ dẫn điện: 0,96x106 Ω-1cm-1, tính di động của điện tử: 200,000 cm2/V.s. Độ dẫn điện của graphene tốt hơn so với đồng và tính di động của các hạt tải điện trong graphene cao hơn silicon 200 lần.
Graphene có độ dẫn điện tốt hơn đồng
Graphene có khả năng dẫn nhiệt tốt, bởi nó cho phép nhiệt được đi qua và phát tán. Độ dẫn nhiệt của graphene là 5000 W/m.K. Ngoài ra, người ta còn cho rằng graphene dẫn nhiệt nhanh gấp 12 lần đồng giúp tản nhiệt hiệu quả cho các thiết bị điện tử.
Để dễ hình dung hơn về độ nhẹ của graphene, hãy so sánh nó với sợi tóc người. 1m2 graphene chỉ nặng 0,77mg, tương đương với trọng lượng của sợi tóc người dài khoảng 1mm. Do đó, ta có thể thấy được graphene không chỉ có tính bền mà còn siêu nhẹ, được rất nhiều nhà nghiên cứu săn đón để chế tạo vật phẩm.
Graphene là vật liệu sở hữu độ bóng, độ bền cao đã được các nhà nghiên cứu chứng minh. Nhờ những đặc tính ưu việt của mình, graphene đã được tin dùng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điện tử, công nghiệp, y tế và hứa hẹn mang đến những đột phá công nghệ trong tương lai.
Graphene là vật liệu có độ bóng, độ bền cao
Vật liệu và thành phần của graphene không cho phép vi khuẩn phát triển trên bề mặt của nó. Do đó, graphene có thể có khả năng chống lại sự ăn mòn từ axit và các tác nhân gây hại bên ngoài khác. Điều này giúp graphene bảo vệ được chính nó khỏi các tác động của những yếu tố này và duy trì tính nguyên vẹn của nó.
Graphene có giá thành cao và quá trình sản xuất phức tạp, khó khăn. Quá trình sản xuất graphene có thể cần sử dụng đến một số hoá chất độc hại gây hại tới môi trường.
Graphene là một loại vật liệu siêu mỏng, siêu cứng và siêu dẫn được tạo ra từ các nguyên tử cacbon. Graphene được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, tuy nhiên, graphene cũng có thể gây ra độc tính cho con người và môi trường nếu được sử dụng với liều lượng cao hoặc không thích hợp.
Theo một số nghiên cứu, graphene có thể gây tổn thương cho gan, thận, phổi, tế bào và hệ miễn dịch của con người nếu hít phải nó qua phổi hoặc tiếp xúc qua da. Graphene cũng có thể gây ra sự hình thành u hạt phổi hoặc chết tế bào.
Tuy nhiên, các nghiên cứu khác cho thấy rằng graphene có thể an toàn nếu được sử dụng trong điều kiện thích hợp và với lượng nhỏ. Một nhóm các nhà nghiên cứu ở Đức đã sử dụng hệ thống phổi in 3D để cho thấy không có thiệt hại đến hệ thống phổi nhân tạo do hít phải các hạt graphene.
Vào năm 2016, một nghiên cứu về "Độc chất học về hạt và sợi" đã nghiên cứu trên một số con chuột hít phải graphene và nhận thấy rằng không có bệnh phổi xảy ra.
Độc tính của graphene phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, như hình dạng, kích thước, độ tinh khiết, cách sử dụng và thời gian tiếp xúc. Tuy nhiên, theo một số nghiên cứu, hàm lượng graphene có thể gây độc cho con người và môi trường nếu vượt quá một ngưỡng nhất định, như:
Do đó, bạn nên hạn chế tiếp xúc với graphene ở hàm lượng cao, cẩn thận khi tiếp xúc với graphene và tuân theo các hướng dẫn an toàn của các nhà sản xuất và các cơ quan chức năng.
Graphene độc hại cho cả môi trường và cơ thể con người
Graphene có thể tăng cường tái tạo và lưu trữ năng lượng và pin mặt trời. Hãy thử đưa các nguyên vật liệu này vào tấm pin mặt trời, nó có thể giúp bạn tăng hiệu suất và sản xuất ra nhiều năng lượng hơn.
Graphene có thể tăng cường tái tạo và lưu trữ năng lượng và pin mặt trời
Graphene là một vật liệu có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực cảm biến sinh học và hóa học. Nhờ cấu trúc 2D độc đáo và tính chất siêu thấm nước, graphene có thể phát hiện các phân tử với tốc độ nhanh chóng và chính xác.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng khai thác bọt graphene để tạo ra các cảm biến khí và sinh học hiệu quả. Điều này giúp cho việc chẩn đoán bệnh được thuận tiện và nâng cao. Có thể nói, graphene mang lại nhiều lợi ích cho cuộc sống con người.
Graphene để tạo ra các cảm biến khí và sinh học hiệu quả
Graphene là một vật liệu nano có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực y học. Graphene có thể giúp cải thiện quá trình vận chuyển thuốc trong cơ thể, đồng thời giúp theo dõi hiệu quả của phương pháp điều trị.
Một ứng dụng tiềm năng của graphene là trong lĩnh vực chống ung thư. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách sử dụng graphene để chuyển các chất chống ung thư một cách chính xác đến các tế bào ung thư. Ngoài ra, graphene cũng có thể được sử dụng như một phương pháp thay thế kháng sinh.
Đặc biệt, graphene có thể tiêu diệt các vi khuẩn mà không gây ra hiện tượng kháng thuốc, mở ra cơ hội phát triển các phương pháp chống vi khuẩn mới và tiến bộ hơn.
Graphene cũng có thể được sử dụng để thay thế kháng sinh
Mực graphene là một phát minh sáng tạo của các nhà nghiên cứu, khi họ khám phá ra cách sử dụng vật liệu nano này để in phun. Mực graphene có nhiều ưu điểm so với mực truyền thống, như tiết kiệm chi phí, bền màu và có thể in trên nhiều loại vật liệu khác nhau. Ngoài ra, mực graphene còn có thể tận dụng các tính chất đặc biệt của graphene, như dẫn điện, dẫn nhiệt và chống ăn mòn.
Việc tạo ra lớp phủ bằng graphene phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Lớp phủ giúp hình thành các cấu trúc thấm nước cực kỳ hiệu quả. Bởi graphene có lớp phủ mỏng nhất thế giới để bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn của axit.
Graphene có lớp phủ mỏng nhất thế giới để bảo vệ kim loại
Ngoài việc sử dụng graphene ứng dụng vào khoa học và thực tiễn trên, graphene còn có những mục đích sử dụng khác như:
Graphene được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
Graphene là một loại vật liệu cứng hơn thép, nhẹ hơn giấy, được ứng dụng trong lĩnh vực khác nhau. Vật liệu thú vị này được kỳ vọng sẽ trở nên phổ biến trong tương lai. Tuy mang lại nhiều lợi ích cũng như được ứng dụng đa dạng trong các ngành công nghiệp, nhưng graphene là một vật liệu không thân thiện với môi trường, chúng gây tác động tiêu cực và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do đó, hãy sử dụng graphene thông minh và hiệu quả nhất. Hãy chia sẻ cho mọi người cùng tìm hiểu về graphene-một vật liệu thú vị này nhé!
Xem thêm:
Ghế massage 
Máy tập
Máy chạy bộ 
Xe đạp tập 
Máy tập ngoài trời 
Máy massage 
Bóng bàn 
Xả kho Giá rẻ