1. Lịch sử graphene:

Một lần nữa, một nghiên cứu về Carbon được trao giải Nobel, một nguyên tố quá quen thuộc với bất kỳ một bạn học sinh phổ thông nào. Nghiên cứu đầu tiên về carbon được trao giải Nobel hóa học 1996 về cấu trúc C60, phân tử gồm 60 nguyên tử carbon xếp thành hình quả bóng đá còn gọi là buckyball. Công trình này là của Robert Curl và Richard E Smalley và Harry Crotto. Cũng có thể xem như là một vật thể 0 chiều.

Các nghiên cứu sau đó cũng được đánh giá rất cao và có nhiều công trình liên quan đến nó nhận được giải Nobel là ống nano carbon xem như là một tấm than chì có cấu trúc tổ ong cuộn thành một ống dài, phát minh của nhà vật lý người Nhật Sumio Iijima. Cũng có thể xem như là vật thể 1 chiều.

Và cấu trúc than chì mà chúng ta học trong nhà trường phổ thông là vật thể 3 chiều.

Để giải thích tại sao quả cầu C60 lại được xem như là một vật thể không chiều và ống nano như là vật thể 1 chiều theo GS Đàm Thanh Sơn thì quả cầu C60 để xa xem như là 1 điểm, 0 chiều; trong khi đó thì ống nano nhìn từ xa như một sợi dây dài coi như là một chiều. Như vậy công trình được trao giải Nobel năm nay 2010 được trao cho cấu trúc than chì 2 chiều còn lại chính là tấm graphene là một lớp carbon tách ra khỏi than chì tạo thành một tinh thể lục giác 2 chiều.

Tên gọi graphene có nhiều kiểu giải thích, theo GS Đàm Thanh Sơn thì graphe xuất phát từ graphite (than chì) và đuôi en là do cấu trúc vòng benzen dính liền nhau rộng vô hạn
2. Tính chất của graphene

Graphene còn được gọi là phân tử lưới chuồng gà (molecular chicken wire) gồm sáu nguyên tử C xếp ở đỉnh của hình lục giác theo cấu trúc như những vòng benzen trải thành màng mỏng. Tấm graphene nếu cuộn thành những cấu trúc như quả cầu C60 hay tương tự thì còn có tên gọi là fullerene…nói chung nhờ tấm graphene người ta có thể tạo thành nhiều cấu trúc phân tử khác sử dụng được trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa, cơ, quang, nhiệt…..đặc biệt là chúng có thể thay thế silicon trong các microchip, trong sợi quang hay các cáp siêu bền…Có thể nói graphene được xem như là mẹ các cấu trúc carbon trong tương lai, là cơ sở cho vật lý và các ứng dụng công nghệ hiện đại.
Về mặt vi mô, thì graphene cho thấy electron ở năng lượng thấp chuyển động với tốc độ cố định nhỏ hơn tốc độ ánh sáng 300 lần làm cho tính chất của graphene đặc trưng cho hệ thấp chiều rất khác biệt tính chất của các chất khác, hứa hẹn những ứng dụng bất ngờ trong công nghệ.
Với tính dẫn điện cao electron di chuyển trong graphene hầu như không tán xạ với các nguyên tử tại nút mạng, bền và cứng như kim cương do cấu trúc mạng tinh thể lí tưởng và phẳng nên dễ dàng chống lại lực tác dụng.
Như chúng ta đã biết trong chương trình vật lý lớp 11 có bài dòng điện trong kim loại, trong đó có bản chất dòng điện là dòng chuyển dời của các electron tự do, thật sự là các electron đó không tự do lắm, do nó tương tác với ion + tại nút mạng nên tương tác hút đẩy qua lại làm khối lượng hiệu dụng của chúng tăng và tốc độ di chuyển của electron là không ổn định, điều này hoàn toàn ngược lại với chuyển động của electron trong graphene, electron chuyển động với tốc độ vô cùng ổn định và hoàn toàn giống nhau với tốc độ như đã nêu trên, giống như chuyển động của neutrino xuyên qua vật chất mà hoàn toàn không tương tác với vật chất. Cụ thể là tốc độ của electron trong graphene là độc lập với động lượng của chúng, hoàn toàn đồng nhất giống như các photon có cùng tốc độ là c trong chân không vậy.
Điều đặc biệt là tính chất của graphene giúp có thể thực hiện các thực nghiệm về các hiệu ứng lượng tử ngay trong phòng thí nghiệm, và nghiên cứu các hiệu ứng tương đối tính ở tốc độ của phòng thí nghiệm (slow relativity).

3. Tạo graphene:

Việc tách một lớp carbon ra khỏi than chì là việc làm khó cuốn hút nhiều nhà khoa học tham gia. Nhiều phương pháp thực hiện bằng hóa học đã thất bại, các nhà khoa học chủ nhân của giải Nobel năm 2010 đã tìm ra phương pháp một cách đơn giản không ngờ.
Đầu tiên là dùng than chì viết lên một mặt phẳng, sau đó họ dùng một loại băng dính để bóc lớp than chì thành một lớp mỏng, xin nói thêm là các nhà khoa học này cách đây vài năm đã chế tạo được một loại băng cực dính gọi là “gecko tape”. Điều khó khăn lớn nhất mà mãi đến năm 2004 các nhà khoa học này mới giả quyết được là lớp carbon thu được phải có độ dày đồng đều và cỡ một lớp nguyên tử C. Đó là một tấm mỏng Si, trên bề mặt có phủ một lớp SiO2, dán lớp carbon lên trên tấm đó, bằng kính hiển vi thường do hiện tượng giao thoa ta có thể phân biệt được những chổ có độ dày bằng một lớp nguyên tử và những chổ dày hơn.

Phương pháp chế tạo graphene này có tên gọi là “micromechanical cleavage”, ngày nay đã có nhiều phương pháp khác để chế tạo các tấm graphene, năm 2007 nhóm của Geim và Novoselov đã tạo đột phá bằng cách tạo ra tấm graphene treo lơ lửng trong chân không giữa hai tấm kim loại.
4. Chân dung chủ nhân giải Nobel vật lý 2010:

Andre Geim: 51 tuổi

Nhà vật lý gốc Nga đang làm việc tại đại học Manchester với vai trò như là một giáo sư vật lý chất rắn là một nhà khoa học vui vẻ đầy hài hước, ông đã từng đoạt giải Ig Nobel năm 2000 với thí nghiệm làm cho ếch bay trong từ trường. Bạn đọc có thể xem thí nghiệm này trên Youtube. Các bài báo quan trọng dẫn đến giải thưởng Nobel năm 2010 này của ông là: “Electric field effect in atomically thin carbon film” tháng 10, 2004 trên Science “Two dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene” tháng 11 trên Nature … Ông nhận bằng master năm 1982 tại Nga và 5 năm sau là bằng PhD cũng tại Nga. Ông làm việc 2 năm tại viện công nghệ vi điện tử tại Nga, khách mời nghiên cứu của đại học Nottigham UK, năm 1994 ông làm việc tại đại học Nijmegen Hà Lan, năm 2001 ông trở thành giáo sư của của đại học Manchester cho đến nay và ông cũng là thànhviên của hội khoa học hoàng gia Anh.
Konstantin Novoselov: 36 tuổi

Công trình nghiên cứu của ông là vô cùng ấn tượng với hơn 49 bài báo trên các lĩnh vực vật lý và khoa học vật liệu được trích dẫn 3536 lần trong khoảng 10 năm từ 1998 cho đến 2008. Ông là thành viên của hội khoa học hoàng gia Anh và là giáo sư tại đại học Manchester. Ông là học trò của Geim, cụ thể là làm luận án tiến sĩ với Geim, trở thành bạn đồng nghiệp sát cánh cùng thầy mình trong lĩnh vực nghiên cứu graphene. Ông là một trong những nhà khoa học trẻ nhất đoạt giải Nobel vật lý ở lứa tuổi 36.

Tài liệu tham khảo:
“Graphen”, Đàm Thanh Sơn
“Carbon wonderland”, A. Geim and P. Kim, Sci. Am. tháng 4 năm 2008
“Graphene: Exploring Carbon Flatland ”, A. Geim and A. MacDonald, Physics Today 60 (2007) 35-41
ScienceWatch.com: tháng 8 năm 2008 và tháng 12 năm 2008