Trên website của Giải thường Nobel có hình minh họa một con mèo nằm trên chiếc võng bằng graphene. Mặc dù chỉ là tưởng tượng, nhưng hình ảnh trên mang lại sức thu hút đối với graphene, chất liệu có bề dày đúng một nguyên tử, là chất liệu mỏng nhất và bền nhất từng được tạo ra từ trước đến nay.
Các kĩ sư nghĩ rằng các tấm graphene ghép lại sẽ bị yếu tại đường tiếp xúc. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, nơi hai tấm graphene liên kết với nhau có thể bền như graphene nguyên tấm. Vivek Shenoy, cùng chàng sinh viên Rassin Grantab, đang minh họa các hình bảy cạnh carbon đánh dấu các đường ranh giới này. Ảnh: Mike Cohea/Đại học Brown
Một trở lại lớn đối với việc hiện thực hóa các tiềm năng của graphene nằm ở chỗ chế tạo ra một bề mặt đủ lớn để “à ơi” chú mèo lí thuyết đang ngủ ngon lành đó. Tính đến nay, các nhà khoa học vật liệu đã thành công trong việc khâu vá các tấm graphene lại với nhau, tạo thành những tấm đủ lớn để nghiên cứu các ứng dụng có thể có. Giống như khi chắp vá các mảnh vải với nhau có thể tạo ra sự yếu ớt, mảnh mai, nơi từng miếng một giao nhau, các khiếm khuyết có thể làm yếu đi “đường ranh giới” nơi các tấm graphene gặp nhau – ít nhất đó là cái mà các kĩ sư đã nghĩ tới.
Nhưng nay các kĩ sư tại trường Đại học Brown và Đại học Texas–Austin vừa phát hiện thấy đường ranh giới đó không làm tổn hại đối với sức bền của chất liệu mang danh thần kì này. Thật ra, đường ranh giới đó bền đến mức các tấm graphene chắp vá hầu như bền như graphene nguyên tấm. Theo bài báo do các nhà khoa học trên cho công bố trên tạp chí Science, vấn đề nằm ở chỗ các góc mà tại đó từng tấm graphene được khâu lại với nhau.
“Khi có nhiều chỗ khiếm khuyết, bạn nghĩ sức bền sẽ bị ảnh hưởng”, theo lời Vivek Shenoy, giáo sư kĩ thuật và là tác giả của bài báo trên, “nhưng ở đây xảy ra vấn đề ngược lại”.
Kết quả trên có thể thúc đẩy sự phát triển các tấm graphene lớn hơn dùng trong điện tử học, quang học và các ngành công nghiệp khác.
Graphene là một bề mặt hai chiều gồm các nguyên tử carbon liên kết mạnh với nhau theo một trật tự gần như không có sai sót. Đơn vị cơ sở của mạng tinh thể này gồm sáu nguyên tử carbon liên kết hóa học với nhau. Khi một tấm graphene nối kết với một tấm graphene khác, một số trong những lục giác sáu-carbon này trở thành liên kết bảy-carbon. Chỗ các hình bảy cạnh xuất hiện được gọi là “các liên kết tới hạn”.
Các liên kết tới hạn, nằm dọc theo đường ranh giới, được xem là các liên kết trong chất liệu. Nhưng khi Shenoy và Rassin Grantab, một sinh viên năm thứ 5, phân tích xem có bao nhiêu sức bền bị tổn thất tại đường ranh giới, họ đi đến kết quả có phần không giống như vậy.
“Hóa ra, trong một số trường hợp, các đường ranh giới này bền như graphene nguyên tấm vậy”, Shenoy nói.
Các kĩ sư đã bắt tay vào tìm hiểu nguyên do. Sử dụng các phép tính nguyên tử học, họ phát hiện thấy độ nghiêng góc nơi các tấm gặp nhau – đường ranh giới - ảnh hưởng đến sức bền tổng thể của chất liệu. Theo như họ tường thuật, sự định hướng tối ưu mang lại các tấm bền nhất là 28,7 độ đối với các tấm kiểu ghế bành, và 21,7 độ đối với các tấm có diện mạo zigzag. Đây được xem là các đường ranh giới góc lớn.
Các đường ranh giới góc lớn thì bền hơn do các liên kết trong hình bảy cạnh có chiều dài liên kết ngắn hơn so với các liên kết xuất hiện tự nhiên ở graphene. Điều đó có nghĩa là ở các đường ranh giới góc lớn, các liên kết trong hình bảy cạnh bị cong ít hơn, giúp giải thích tại sao chất liệu hầu như bền như graphene nguyên tấm, bất chấp các khiếm khuyết.
Nguồn: Đại học Brown, PhysOrg.com
Ngày: 11/11/2010
