Graphene: Thế giới phẳng của carbon

Trương Văn Tân

"Thượng đế làm ra khối rắn,
nhưng bề mặt được tạo bởi yêu ma."

Wolfgang Pauli

Tóm tắt

Tiếp nối quả bóng C₆₀ và ống than nano, sự ra đời của graphene thuộc dòng họ carbon mang đến cộng đồng nghiên cứu khoa học một niềm kích động to tát và doanh nghiệp một niềm hy vọng lớn cho vật liệu tiên tiến tương lai. Năm 2010, Andre Geim và Konstantin Novoselov đoạt giải Nobel Vật lý cho các công trình graphene càng làm cho cao trào nghiên cứu graphene thêm sôi động. Graphene là vật liệu carbon có hình dạng mạng lưới lục giác nối kết các nguyên tố carbon giống tổ ong và có độ dày của một nguyên tử carbon. Vì vậy, graphene là vật liệu 2 chiều. Sự hiện hữu của graphene đã biết từ lâu vì than chì (graphite) là tập hợp của những lớp graphene mà người ta thường dùng làm lõi bút chì. Với thao tác "dán bóc" đơn giản dùng băng keo Geim và Novoselov lần đầu tiên đã "bóc" ra được một lớp graphene từ than chì, vật liệu mỏng nhất trong vũ trụ, và đã mở màn cho những nghiên cứu cơ bản về mặt phẳng của thế giới vi mô và các ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bộ cảm ứng, gia cường, công cụ tích trữ năng lượng và nhiều ứng dụng khác. Bài viết này mô tả quá trình tìm kiếm graphene của Geim và Novoselov, những hiện tượng kỳ bí do sự di động của electron trên bề mặt graphene, phương pháp tổng hợp và các ứng dụng tiêu biểu. Graphene không là một vật liệu 2 chiều duy nhất. Cái huyễn hoặc của bề mặt "hồ ly" nhiều thách thức khiến cho việc tìm kiếm các vật liệu 2 chiều khác graphene diễn ra sôi nổi. Chồng chập các loại vật liệu 2 chiều khác nhau sẽ tạo nên một thứ "bánh kẹp" phân tử rất đa dạng mà các nhà khoa học hy vọng rằng chúng sẽ mang đến nhiều đặc tính thú vị chưa từng thấy với tiềm năng ứng dụng vô cùng phong phú.

1. Thế giới hai chiều

Carbon là một nguyên tố kỳ diệu. Kỳ diệu bởi lẽ nó là cơ nguyên của các vật liệu hữu cơ và sự sống. Nếu các hợp chất chứa carbon không có độ bền kinh ngạc thì sự sống từ thuở khai thiên lập địa đã không thể tồn tại cho đến ngày nay trên hành tinh này, thậm chí trong toàn vũ trụ. Trong vài thập niên gần đây nguyên tố carbon của thời xa xăm bỗng bật dậy "tái xuất giang hồ" qua những phát hiện của vật liệu mới thuần carbon như quả bóng fullerene C₆₀, ống than nano và graphene. Chúng mang lại những niềm hy vọng mới trong các ứng dụng của khoa học vật liệu và cũng là những mô hình thực sự để giải đáp những thao thức lý thuyết đã có từ lâu trong vật lý chất rắn.

Trong các thể loại thuần carbon, than nhiên liệu là carbon vô định hình gắn bó với cuộc sống con người đã vài ngàn năm và cũng là nhân tố thành hình cuộc cách mạng công nghiệp của loài người. Carbon kết tinh có hai dạng khác nhau "thượng vàng hạ cám" trong hình dạng, đặc tính, màu sắc và giá cả. Đó là dạng kim cương cứng, lấp lánh và rất nhiều tiền; dạng thứ hai là than chì (graphite) mềm, đen đúa nhưng giá cả khiêm tốn. Sự khác biệt xuất phát từ cấu trúc phân tử. Trong trường hợp kim cương, toàn thể electron của nguyên tố carbon được nối kết trở thành nối cộng hóa trị nên kim cương là một vật liệu rất cứng và cách điện. Ngược lại, than chì là một tập hợp chồng chập của các lớp hai chiều gọi là graphene và đây là vật liệu 2 chiều có độ dày của một nguyên tử carbon. Những lớp graphene này tương tác bằng những liên kết yếu có thể trượt lên nhau nên trong trạng thái vĩ mô graphite là một vật liệu mềm. Liên kết yếu được tạo bởi những electron tự do nên graphite dẫn điện và hấp thụ ánh sáng.

Chúng ta sống trong không gian 3 chiều (3D). Muốn tìm kiếm vật nhỏ hơn 3 chiều ta phải lặn lội vào thế giới vi mô. Ta có thể xem quả bóng C₆₀, nguyên tử hay hạt cơ bản là vật liệu 0 (zero) chiều, ống than nano hay phân tử polymer là vật liệu 1 chiều (1D) nhưng đối với vật liệu 2 chiều (2D) ta phải chờ đến năm 2004. Một trang giấy gọi là cực mỏng cũng phải có bề dày trong khoảng 50 µm (1/20 mm), nếu kích cỡ của một nguyên tử là 0,1 nm (nanomét) thì bề dày trang giấy tương đương với 500.000 nguyên tử chồng lên nhau. Trong công nghiệp transistor, các kỹ sư điện tử có thể chế tạo chính xác lớp cách điện silicon dioxide (SiO₂) cực mỏng có độ dày vài nanomét, hay là chiều dày của vài mươi nguyên tử. Lớp SiO₂ của transistor có lẽ là vật chất mỏng nhất mà con người có thể chế tạo. Vì nguyên tử là yếu tố nhỏ nhất của vật chất, như vậy một vật 2 chiều (2D) có thể xem là vật chất có độ dày của một nguyên tử.

Trong vật lý chất rắn đã có rất nhiều lý thuyết bàn về các vật chất 2 chiều giả tưởng và một kết luận quan trọng được đưa ra là quy luật vật lý không cho phép sự hiện hữu của vật chất 2 chiều. Nhưng vào năm 2004 Geim và Novoselov tạo ra một lớp bong graphene từ than chì đã làm thay đổi mọi suy nghĩ kinh điển. Sự phát hiện của graphene đã đem đến một cảm giác tuyệt vời mà theo lời của một nhà khoa học, "Lần đầu tiên trong lịch sử khoa học con người có thể nhìn, sờ và sử dụng được một vật liệu mỏng tận cùng có bề dày của một nguyên tử". Cũng từ 2004 số bài báo cáo về graphene trên các tạp chí hàn lâm gia tăng đột biến đạt gần 2.500 bài trong năm 2009 và vẫn tiếp tục gia tăng (Hình 1). Mặt phẳng graphene còn được xem như là đơn vị cơ bản hay là "mẹ" sinh ra những đứa "con" như quả bóng C₆₀fullerene, ống than nano và than chì (Hình 1).

h-1

Hình 1: Số bài báo cáo về graphene. Graphene là đơn vị cơ bản
làm ra quá bóng C₆₀, ống than nano và graphite [1-2].

2. Con đường tìm kiếm thế giới 2 chiều

Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì. Quyết định làm ngạc nhiên không ít người trong cộng đồng nghiên cứu khoa học vì việc chế tạo graphene của nhóm Geim và Novoselov vừa chỉ xuất hiện vào năm 2004 [3]. Nhưng tầm quan trọng trong ứng dụng của graphene và việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lý lý thuyết cho chất rắn 2 chiều có lẽ là hai nguyên nhân chính trong việc trao giải Nobel cho Geim và Novoselov. Như vậy, trong một phần tư thế kỷ qua với giải Nobel Hóa học (1996) cho fullerene, giải Nobel Vật lý (2010) cho graphene, và việc tái phát hiện ống than nano vào năm 1991 bởi tiến sĩ Sumio Ijima tại phòng thí nghiệm của công ty NEC (Nhật Bản) đã làm "trẻ hóa" một carbon già cỗi và trở thành vật liệu quan trọng mang đến những tiềm năng ứng dụng to lớn trong khoa học công nghệ.

Cũng như than đá và kim cương, fullerene và than chì đã hiện hữu xung quanh ta từ ngàn xưa. Quả bóng fullerene ẩn tàng trong các mỏ than thậm chí trong các đám mây vũ trụ từ thuở khai thiên lập địa. Thiên nhiên huyền bí nhưng thỉnh thoảng cũng phát ra những tín hiệu ám chỉ những ẩn tàng của mình đang chờ đợi con người "bật mí". Thật vậy trong dòng họ carbon, kim cương và than chì là vật liệu có dạng 3 chiều, ống than nano có dạng 1 chiều và quả cầu fullerene có dạng zero chiều. Theo sự suy nghĩ lôgic, phải có sự tồn tại của vật thể carbon 2 chiều lắp vào khoảng hở để hoàn chỉnh toàn bộ dạng thể carbon từ zero đến 3 chiều. Than chì là tập hợp của những lớp graphene và từ lâu người ta đã biết rõ cấu trúc lớp (layered structures) của nó, vì giá rẻ và đặc tính mềm nên không biết làm gì hơn là dùng làm lõi bút chì. Những lớp này giống như mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi những liên kết yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một lực tác động từ ngoài. Khoảng cách giữa hai lớp graphene trong than chì là 0,34 nm (nanomét), như vậy cứ 1 mm than chì ta có 3 triệu lớp graphene chồng bám lên nhau. Con người dùng bút chì cũng đã có vài trăm năm nhưng không ai nghĩ động tác viết lên giấy là dùng sức để phá vỡ những liên kết giữa các lớp graphene. Những đường viết bám trên giấy chẳng qua là tập hợp những lớp bong than chì chứa vài trăm, vài mươi lớp graphene và lẩn vào đó có thể là những mảnh graphene chỉ mỏng một vài lớp (Hình 2) cực kỳ trân quý. Vô hình trung, hàng trăm năm qua có thể con người đã tạo vô số graphene bám trên giấy viết nhưng không ai màng quan sát chúng cho đến khi than chì lọt vào mắt xanh của nhóm nghiên cứu Andre Geim và Konstantin Novoselov. Sau đó thì mọi việc trở nên vô cùng thú vị.

h2a

(a)

h2b

(b)

Hình 2: (a) Than chì trong lõi bút chì. (b) Than chì là tập hợp của các mặt phẳng graphene hình lục giác. Trong mặt phẳng là liên kết cộng hóa trị carbon-carbon rất bền và giữa các mặt phẳng là các liên kết yếu.

Tại đại học Manchester (Anh Quốc) nhóm nghiên cứu của Geim và Novoselov dùng một phương pháp đơn giản bằng cách áp băng keo lên than chì để tách ra một lớp than chì mỏng hơn, rồi lặp lại thao tác trên lớp than này để có một lớp than mỏng hơn nữa. Làm nhiều lần như thế thì ta có thể thu hoạch được những mảnh graphene [3], một vật liệu 2 chiều với "độ dày" của một nguyên tử. Từ đó than chì từ một "phó thường dân" được thăng hoa trở thành hoàng tử. Một vật liệu như graphene nằm sóng soải trước mắt từ bao ngàn đời nhưng chỉ cần một thao tác "văn phòng" đơn giản để biến nó thành vật liệu của giải Nobel.

Nói như thế không có nghĩa các nhà khoa học kém sự quan tâm đến graphene bởi thật ra gần 80 năm trước tinh thể 2 chiều đã là một đề tài lý thuyết thú vị và sự hiện hữu của nó là một ám ảnh thường trực của các nhà nghiên cứu vật lý lý thuyết. Những nhà vật lý nổi tiếng như Peierls [4] và Landau [5] cho thấy rằng sự dao động nhiệt (thermal fluctuation) sẽ gây ra sự tan chảy mạng tinh thể 2 chiều khiến cho sự hiện hữu của một vật liệu 2 chiều không thể nào xảy ra, tìm nó chỉ hoài công. Những kết quả thực nghiệm về sau đã thực chứng dự đoán này [6] và cho biết nhiệt độ tan chảy của tấm phim giảm theo bề dày của phim và khi tấm phim đạt đến độ mỏng của vài mươi nguyên tử (khoảng 1 nanomét) phim sẽ tự suy thoái co cụm lại thành những "hòn đảo" 3 chiều. Như vậy, vật thể 2 chiều không thể tồn tại vì sự không bền nhiệt động học (thermodynamically unstable). Thiên nhiên dường như không thích vật 2 chiều.

Đó là lý thuyết và kết quả thực nghiệm của vài mươi năm trước. Sự kiện tách một mảng graphene có độ dày của một nguyên tử carbon từ than chì và giữ được nó trong trạng thái tự do bằng một thao tác đơn giản của nhóm Geim và Novoselov dường như mâu thuẫn với những điều hiểu biết trước đó và đã tạo nên một cú "sốc" trong cộng đồng khoa học. Một cú "sốc" rất xứng đáng với giải Nobel và lập tức người ta phải kiểm nghiệm lại những dự đoán lý thuyết và kết quả thực nghiệm. Phải chăng những bậc lý thuyết gia tiền bối nổi tiếng như Peierls và Landau đã tính nhầm một vài con số? Thật ra những dự đoán lý thuyết hoàn toàn chính xác. Mặc dù lý thuyết không chấp nhận một mạng lưới tinh thể toàn bích trong không gian 2 chiều, nghĩa là trên một mặt phẳng tuyệt đối, nhưng nó không cấm đoán một mạng lưới 2 chiều nương tựa trên một khối 3 chiều hay tự thân hiện hữu trong không gian 3 chiều. Điều này đúng với sự quan sát của Geim, Novoselov và các cộng sự [7]. Dưới kính hiển vi họ đã quan sát được những mảng graphene lơ lửng trong trạng thái tự do không phẳng mà lồi lõm như mặt sóng vi mô trong không gian 3 chiều (Hình 3).

(a)

(b)

Hình 3: Graphene không tồn tại trong một mặt phẳng tuyệt đối (a),
nhưng hiện hữu với mặt lồi lõm của không gian 3 chiều (b).

Hầu như nhiều thông tin về điện tính, cấu trúc điện tử đã được biết từ thế kỷ 20, vài mươi năm trước khi bài báo cáo của Geim, Novoselov và các cộng sự xuất hiện. Lý thuyết về cấu trúc dải (band structure) của graphene đã được Wallace đề xướng vào năm 1947 [8]. Lý thuyết này nằm đó đóng bụi với thời gian cho đến khi graphene thực sự ra đời thì nó nhanh chóng trở nên ánh đuốc soi đường. Phương pháp "dán bóc" dùng băng keo của Geim and Novoselov cũng không phải là điều mới lạ. Những chuyên gia đã dùng kỹ thuật "dán bóc" tạo ra những mẫu thí nghiệm cực mỏng để quan sát chúng dưới kính hiển vi. Thủ thuật "dán bóc" cũng đã từng thực hiện trong quá khứ (năm 1997) nhưng chỉ đạt đến vài mươi lớp graphene.

Trong bài diễn văn nhận giải Nobel của giáo sư Geim [9], ông kể lại những bước ngẫu nhiên lắm lúc loạng choạng đưa đến tột đỉnh vinh quang. Sự kiện tạo ra graphene, một vật liệu mỏng nhất trong vũ trụ, từ lõi bút chì và băng keo chỉ là cách nói đơn giản về một quá trình thực nghiệm phức tạp, gian nan và thái độ làm việc cẩn trọng và nghiêm túc. Geim đã hướng dẫn một nghiên cứu sinh người Trung Quốc và "nhầm lẫn" trao cho anh học trò này một thỏi than chì bình thường thay vì là than chì chất lượng cao (có tên khoa học là "highly oriented pyrolytic graphite", viết tắt HOPG) với yêu cầu tách graphene bằng phương pháp mài (polish). Anh sinh viên đáng thương này đã mài suốt trong quá trình tiến sĩ và theo lời của Geim thì giống như mài một hòn núi trở thành hạt cát mà chỉ thu hoạch được một mảnh than chì dày 10 micromét. Quá dày để tìm ra graphene! Sau "nhầm lẫn" này Geim nhanh chóng thay đổi vật liệu và sử dụng than chì HOPG. Kỹ thuật "dán bóc" ra đời trong phòng thí nghiệm của Geim.

Tách một mảnh graphene từ một thỏi than chì là một việc nhưng việc nhận diện graphene là một việc khó khăn hơn. Việc tìm ra mảnh graphene một vài lớp trong hàng ngàn mảnh graphene dày mỏng khác nhau gần như việc mò kim đáy biển. Trong việc quan sát graphene, những kính hiển vi tối tân như kính hiển vi điện tử quét đường hầm (scaning tunelling microscope), lực nguyên tử (atomic force microscope) gần như vô hiệu để nhận diện graphene. Nhưng với một "ánh chớp thiên tài" Geim, Novoselov và những nghiên cứu sinh đã chuyển những lớp than chì dày mỏng khác nhau và chứa vô số lớp bong graphene từ băng keo sang một đĩa silicon rồi quan sát dưói một kính hiển vi quang học bình thường. Bề mặt của silicon thường bị phủ bởi silicon dioxide (SiO₂) do sự oxit hóa. Thực chất là các lớp bong graphene được đặt trên SiO₂. Dưới sự khúc xạ của ánh sáng và sự giao thoa cuả phản xạ từ SiO₂ lớp bong graphene cho ra nhiều màu sắc tùy theo độ dày của graphene giống như bề mặt nhiều màu của bọt xà phòng (Hình 4). Từ màu sắc khác nhau ta có thể tính được số lớp của graphene. Chính lớp phủ SiO₂ này đã cho sự phản xạ ánh sáng thích hợp để ta có thể nhận diện được graphene dưới ống kính hiển vi quang học bình thường. Graphene càng mỏng thì càng trong suốt, màu sắc càng mong manh và càng khó phát hiện. Graphene một lớp chỉ thấy được khi lớp SiO₂ có độ dày chính xác 315 nm. Nếu độ dày chệch ra ngoài con số may mắn này thì graphene một lớp sẽ không bao giờ hiện ra dưới ống kính hiển vi và mãi mãi chôn vùi theo thời gian [10-11].

(a)

(b)

Hình 4: (a) Lớp bong graphene từ than chì được tách ra bởi băng keo. (b) Những lớp bong cho nhiều màu sắc bởi độ dày khác nhau dưới kính hiển vi quang học [9].

Nhưng khoa học về graphene sẽ không có gì thú vị nếu chỉ ngừng ở việc mày mò quan sát dưới kính hiển vi một vật liệu mỏng với bề dày nguyên tử. Graphene cần được dùng để chế tạo một công cụ (device) nhưng trước hết cần phải định rõ đâu là đường ranh của bề mặt 2 chiều và thể khối 3 chiều. Việc tìm kiếm đường ranh và phân loại số lớp của tập hợp graphene là điều quan trọng trong lý thuyết lẫn ứng dụng. Đương nhiên, bề mặt của một lớp nguyên tử là một vật tuyệt đối 2 chiều; hai lớp, ba lớp vẫn được xem là bề mặt 2 chiều mặc dù có cấu trúc điện tử khác nhau và cho những ứng dụng khác nhau. Khi tập hợp graphene có năm lớp thì sự phân biệt giữa bề mặt và thể khối bắt đầu xuất hiện [12]. Khi chồng lên mười lớp thì ta tiến đến vật liệu 3 chiều cực mỏng và khi có 100 lớp thì nó sẽ có độ dày 10 nanomét (nm) và trở thành một màng mỏng với những đặc trưng của tuyệt đối 3 chiều.

Như vậy, sự phát hiện của Geim và Novoselov đã tạo ra một chấn động như thế nào để đoạt được giải Nobel? Là một chuyên gia về màng cực mỏng và cũng như những nhà vật lý thực nghiệm khác, Geim băn khoăn tự hỏi có khả năng nào dùng màng cực mỏng thay thế silicon làm transistor để tiếp tục con đường thu nhỏ theo định luật Moore. Đứng trước số lượng báo cáo lớn về transistor dùng ống than nano và có trong tay những mảnh graphene li ti vô cùng hấp dẫn Geim dự đoán nếu dùng "người em họ" graphene thay cho ống than nano ta sẽ có transistor tương tự như ống than nhưng sẽ rất khác biệt về mặt vật lý vì graphene không phải là màng mỏng 3 chiều mà chỉ là một bề mặt. Ngoài ra, dùng transistor như là một công cụ ta có thể khảo sát được cơ cấu vận chuyển của electron trên mặt phẳng 2 chiều. Trước cuộc thí nghiệm tưởng tượng này Geim và Novoselov tràn đầy niềm hứng khởi và tự tin. Einstein từng nói, "Sự tưởng tượng quan trọng hơn tri thức" và sự tưởng tượng của Geim và Novoselov đã tạo ra một transistor đầu tiên dùng graphene. Từ ý tưởng của Geim, Novoselov đã dùng tăm xỉa răng chấm chất keo bạc lên mảnh graphene li ti có kích cỡ 50 x 100µm (100µm là đường kính sợi tóc) để nối dây dẫn điện làm transistor. Bài báo cáo vỏn vẹn ba trang giấy [3] nhóm Geim và Novoselov diễn tả đặc tính transistor graphene và sự vận chuyển của electron và lỗ tích điện dương đã làm bùng nổ một cuộc cách mạng và đưa đến giải Nobel.

Trong một bài báo cáo kế tiếp Geim và Novoselov [13] và nhóm Kim [14] cho biết một phát hiện khác đầy kinh ngạc là electron di động trên mạng với vận tốc rất cao (1.000 km/s) hay 1/300 lần vận tốc của ánh sáng (300.000 km/s) và hành xử như hạt không có khối lượng (massless) giống như photon (Phụ lục 1). Nhờ vào sự di động rất cao của các electron graphene có độ dẫn điện 40 % cao hơn đồng. Như vậy, khác electron trên mặt của chất bán dẫn như người ta thường biết bề mặt graphene giờ đây là một vũ trụ hai chiều của thế giới vi mô trong đó electron "bay" ngang dọc như photon ánh sáng trong vũ trụ bao la của vạn vật.

Bề mặt lục giác graphene vẫn chưa hết sự ly kỳ. Sự chuyển động của electron trên bề mặt này được ghi nhận là "đạn đạo" (ballistic); nó có ý nghĩa rằng khi di động electron không va chạm vào bất cứ vật thể gì trên quãng đường chu du của nó. Hiện tượng này giống như siêu dẫn không gây ra điện trở. Sự chuyển động của electron trong ống than nano cũng có đặc tính đạn đạo. Suy luận một cách định tính, trong con đường hầm trống rỗng của ống nano hay khoảng không gian tự do trên và dưới của bề mặt graphene chuyển động đạn đạo của electron xảy ra gần như một tất nhiên. Người ta đã đo được quãng đường tự do trung bình (mean free path) của chuyển động đạn đạo trên mặt graphene là 65 µm dài nhất trong tất cả vật liệu biết từ trước đến nay. Trong thế giới vi mô 65 µm là khoảng cách rất dài; 3.200 lần dài hơn khi so với độ lớn 22 nm của transistor trong chip vi tính.

3. Transistor

Gần hai thập niên qua sự phát triển của công nghiệp điện tử phần lớn tùy thuộc vào sự thu nhỏ của transistor [15]. Vật liệu chính dùng trong transistor hiện nay là nguyên tố silicon. Kích cỡ của transistor hiện nay đang dừng ở 22 nm và chip dùng trong các máy tính chứa hàng tỷ transistor trên một diện tích vài cm². Transistor silicon là nhân tố cơ bản của kỹ thuật số (digital) với biểu hiện qua hai số 0 (đóng) và 1 (mở). Trong một tương lai gần sự thu nhỏ bắt buộc phải dừng lại khi chạm đến giới hạn kích cỡ của nguyên tử silicon. Các nhà khoa học và kỹ sư điện tử từ nhiều năm qua trăn trở tìm giải pháp để tiếp tục con đường thu nhỏ cho transistor. Một giải pháp là chế tạo một transistor theo khái niệm hoàn toàn mới chẳng hạn như dùng spin của vi hạt; spin quay hai chiều một chiều là 0 và chiều ngược lại là 1 hay là transistor quang học điểu khiển bởi photon thay cho electron trong transistor hiện tại. Một giải pháp khác là tiếp tục dùng thiết kế hiện có nhưng thay silicon bằng một vật liệu khác. Các nhà khoa học nhìn quanh từ nhiều năm qua tìm vật liệu mới khả dĩ có thể thay thế silicon để tiếp tục cuộc thu nhỏ. Việc dùng ống than nano vỏ đơn (single-walled carbon nanotube, SWNT) thay silicon trong transistor đã được thực hiện thành công trong các phòng nghiên cứu nhưng còn nhiều vướng mắc kỹ thuật trong việc sản xuất. Thứ nhất, SWNT vẫn chưa có thể sản xuất đại trà có độ tinh khiết hơn 99 % và có sự đồng nhất về cấu trúc và độ dẫn điện. Thứ hai, các ống nano có khuynh hướng dính vào nhau do lực van der Waal và việc tách rời từng ống nano trong quá trình sản xuất transistor vẫn còn ở trình độ thủ công. Cho đến ngày nay transistor ống than nano vẫn chưa có thể vượt qua transistor silicon về độ nhỏ cũng như phẩm chất.

Kết quả thí nghiệm của transistor graphene trong bài báo cáo đẳng cấp Nobel của nhóm Geim và Novoselov [3] cho thấy graphene với độ dày của một vài lớp nguyên tử có thể kích thích được sự di động của electron trong điện trường (Hình 5). Họ đã đo được độ di động của electron và lỗ (hole) có tích điện dương trong chiếc transistor "thô thiển" là 10.000 cm²/V.s hay là 7 lần nhanh hơn trong transistor silicon (1.500 cm²/V.s) (Phụ lục 2). Trong các cuộc thí nghiệm kế tiếp trên mặt phẳng graphene tinh khiết không chất tạp độ di động đạt đến 100.000 – 200.000 cm²/V.s hay là 70 - 140 lần nhanh hơn trong silicon. Bài báo đã thu hút sự chú ý mãnh liệt của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Khả năng chế tạo transistor với độ dày một nguyên tử (0,335 nm), hay nói một cách khác - độ mỏng tận cùng của vật chất với độ di động cao hơn silicon đã mang nhiều hứng khởi đến cộng đồng khoa học điện tử. Một vấn đề cũ lại được đem ra tái kiểm nghiệm rằng liệu graphene có thể thay thế silicon để tiếp tục cuộc cách mạng thu nhỏ của transistor?

Hình 5: Cấu trúc của transistor graphene, có 3 điện cực
là nguồn (source), máng (drain) và cổng (gate).
Graphene được phủ lên bề mặt SiO₂và nối với
điện cực nguồn và máng (Nguồn: www.jameshedberg.com).

Trong máy tính mọi thông tin và dữ liệu đều được số hóa và chuyển tải ở dạng nhị nguyên 0 và 1. Silicon là chất bán dẫn và có vùng cấm (bandgap) ở giữa dải dẫn điện (conducting band) và dải hoá trị (valence band) (Phụ lục 3). Sự hiện hữu của vùng cấm trong nguyên tố silicon đã cho transistor chức năng nhị nguyên biểu hiện qua số 0 và 1 có tác dụng đóng mở dòng điện tùy vào điện thế của cổng transistor. Nói cách khác, transistor silicon có tác dụng như vòi nước và cổng transistor như là bộ phận khoá mở nước [15]. Nhưng tạo hóa không dễ dàng chiều lòng người. Nghiên cứu lý thuyết của Wallace vào năm 1947 về cấu trúc dải điện tử cho thấy graphene không có vùng cấm (gapless). Graphene không có vùng cấm nên transistor graphene không có chức năng nhị nguyên như transistor silicon. Nói một cách nôm na, transistor graphene như là một vòi nước chỉ có thể mở nhưng không thể đóng. Một số phòng nghiên cứu đã cải tạo graphene nhằm tạo ra một vùng cấm để tạo ra một chức năng giống như silicon. Năm 1996 trước khi graphene ra đời nhà vật lý Nhật Bản, Mitsutaka Fujita, [16] đã tính toán cho thấy nếu ta có thể cắt graphene thành một ruy-băng (ribbon) dài, gọi là băng nano graphene (graphene nanoribon) thì vùng cấm xuất hiện. Vùng cấm càng mở rộng khi tỉ lệ chiều ngang và chiều dài của ruy-băng càng nhỏ. Ngày nay, việc chế tạo băng nano graphene có thể thực hiện bằng cách "cắt" ống than nano vỏ đơn (SNWT) dọc theo chiều dài ống. Độ lớn vùng cấm của băng nano graphene được đo và rất phù hợp với kết quả tính toán của Fujita vài mươi năm trước. Nhưng tiếc thay khi có vùng cấm thì độ di động của các điện tử trong mạng graphene bị giảm sút. Người ta đã chế tạo băng nano graphene mở ra vùng cấm có độ lớn tương đương với silicon (1,1 eV) thì độ di động của các hạt tích điện (electron, lỗ) nhỏ hơn độ di động trong silicon. Độ di động giảm sút thì thông tin chuyển tải cũng bị giảm theo. Việc thay thế silicon của graphene để tiếp tục thu nhỏ transistor cho máy tính bỗng nhiên hụt hẫng.

Trong quá khứ đã có nhiều tuyên bố về một vật liệu "cứu tinh" thay thế silicon tiếp tục con đường thu nhỏ transistor. Những vật liệu này đến rồi lại đi trong khi transistor silicon vẫn bình tĩnh tiến bước, càng lúc càng được thu nhỏ và hiệu năng càng hoàn thiện. Graphene cũng được xem như một vật liệu "cứu tinh" nhưng vì bản chất không có vùng cấm nên transistor graphene không có khả năng đóng dòng điện (không có trạng thái 0); việc thay thế silicon chế tạo transistor nhị nguyên cho máy tính trở nên vô nghĩa. Nhưng điều này không có nghĩa graphene là kẻ thua cuộc trong cuộc chạy đua transistor.

Độ mỏng tuyệt đối nguyên tử và độ di động tuyệt vời của điện tử trong graphene vẫn là những đặc tính quá hấp dẫn khiến cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp không thể đơn giản phủi tay. Kể từ bài báo cáo đột phá của Novoselov và Geim (2004) [3] cho đến ngày hôm nay (2013), transistor graphene đã phát triển rất nhanh và cho thấy nhiều lợi điểm hơn "người anh em" ống than nano. Hơn nữa, việc sản xuất đại trà graphene dùng cho các công cụ điện tử có độ tinh khiết thật cao và quá trình sản xuất mang tính lặp lại (reproducibility) cho ra sản phẩm đồng nhất có nhiều hứa hẹn so với ống than nano. Vì vậy, người ta có thể dùng transitor graphene trong những công cụ không đòi hỏi trạng thái đóng (trạng thái 0) của transistor [17]. Đó là những transistor dùng cho các công cụ điện tử vô tuyến hoạt động ở tần số radio ở MHz (megahertz, 10⁶ Hz) đến GHz (gigahertz, 10⁹ Hz) [18]. Máy radio phát thanh là một trong những dụng cụ vô tuyến lâu đời nhất mà transistor là một linh kiện quan trọng trong mạch điện có nhiệm vụ khuếch đại âm thanh (amplifier). Cũng như transistor nhị nguyên cho máy tính, transistor tần số radio là nhân tố trung tâm điều hành các công cụ vô tuyến viễn thông. Những công cụ điện tử vận hành trong tần số radio có nhiều ứng dụng quốc phòng quan trọng từ các thập niên 80, 90 của thế kỷ trước và đến ngày hôm nay vẫn được giới công nghiệp quốc phòng ưu ái và đầu tư vào việc nghiên cứu chế tạo những công cụ mới có ứng dụng dân dụng lẫn quốc phòng.

Hiện nay, transistor tần số radio dùng các hợp chất bán dẫn truyền thống như GaAs, GaN, InP hay InGaAs. Độ di động của điện tử trong các hợp chất này cao hơn Si của nhưng vẫn còn thấp hơn graphene. Độ di động càng nhanh thì tần số hoạt động của transistor càng cao và nhờ thế graphene có thể đạt đến GHz. Tần số radio bình thường ở MHz và băng tần MHz đã dày đặc những ứng dụng truyền thông. Ngoài ra các đòi hỏi ứng dụng hiện đại như điện thoại di động hay những máy phát thu sóng tivi hay sóng âm thanh phát từ vệ tinh hay các dụng cụ nano điện tử (nano-electronics) cần đạt đến GHz cho sự chuyển tải nhanh chóng. Theo dự đoán của các chuyên gia thì graphene sẽ dần dần thay thế các chất bán dẫn truyền thống trong transistor tần số cao và xu hướng này sẽ thấy rõ vào năm 2021 [19]. Cuộc chạy đua vẫn tiếp diễn ngoạn mục và graphene vẫn là một tay đua tầm cỡ.

4. Cơ tính và gia cường

Trước khi bàn đến cơ tính và những ứng dụng gia cường của graphene chúng ta hãy mở ngoặc nói về độ cứng và và độ bền của vật liệu. Alan A. Griffith (1893-1963) một kỹ sư người Anh đã đưa ra một phép tính đơn giản để tính độ bền lý thuyết của chất rắn. Nhìn từ thang nguyên tử sự gãy nứt phát sinh từ việc cắt đứt của các liên kết hóa học bởi một tác lực. Từ nhận thức đơn giản này Griffith đã có một ý tưởng tuyệt vời là khi vật liệu gãy nứt thì sẽ phát sinh ra hai bề mặt mới nên độ bền có liên quan trực tiếp đến năng lượng bề mặt mà không cần biết vật liệu được làm bằng chất liệu gì, kết tinh hay vô định hình. Như vậy, năng lượng căng (strain energy) gây ra bởi lực kéo tác động trên vật liệu tương đương với năng lượng bề mặt để cho ra công thức:

σ = (EG/a)^1/2 (1)

σ là độ bền hay là ứng suất tại điểm gãy nứt (stress at break), E là môđun Young, G là năng lượng bề mặt và a chiều dài của nối kết nguyên tử.

Chất rắn thường có năng lượng bề mặt khoảng 1 J/m² và a ~ 0,2 nm (2 Angstrom). Dùng những con số này độ bền lý thuyết để làm gãy nứt vật liệu theo sự tính toán của Griffith nằm trong khoảng E/5 cho đến E/10 cho mọi chất rắn. Như vậy, độ cứng (môđun Young) hay độ bền lý thuyết đều quy về một mối; đó là độ bền của các liên kết nguyên tử. Griffith cho ra một công thức đơn giản nối kết những biến số vĩ mô (môđun Young, năng lượng bề mặt) với biến số vi mô (khoảng cách giữa hai nguyên tử) để thống nhất sức bền vật liệu. Trong thực tế đời thường như chúng ta biết chất rắn có độ bền khác nhau. Thậm chí, cùng một chất rắn độ bền (độ gãy nứt) cũng khác nhau nếu phương pháp sản xuất khác nhau và kích thước khác nhau.

Từ trực cảm của mình, Griffith làm một thí nghiệm đơn giản. Ông kéo sợi thủy tinh có đường kính khác nhau rồi đo độ bền của chúng. Những sợi thủy tinh có đường kính to (milimét) rất dễ gãy nứt. Khi đường kính sợi thủy tinh càng nhỏ tiến đến micromét (1/1.000 mm) thì độ bền tăng vọt và gần đạt đến độ bền lý thuyết. Griffith đưa ra kết luận là khi thủy tinh được kéo thành sợi càng nhỏ thì càng ít tì vết vì thế độ bền gia tăng [20]. Kết luận này đúng cho mọi chất rắn khác. Kết quả thí nghiệm của Griffith trở nên một dữ liệu cổ điển được đưa vào sách giáo khoa về cơ học gãy nứt và càng được thực chứng bởi các loại sợi hiện đại có đường kính ở kích cỡ nanomét.

Kinh nghiệm cắt kính thủy tinh hay gạch men cho ta thấy rất khó bẻ đôi tấm kính hay viên gạch men nếu ta không dùng con dao sắt tạo ra tì vết trên mặt kính hay gạch. Tì vết nhỏ và sắc thì dễ bẻ hơn tì vết to và cùn. Như thế độ bền (độ gãy nứt) trong thực tế không tùy vào độ bền lý thuyết của các nối nguyên tử được biểu hiện qua E (phương trình 1) mà tùy vào những tì vết của vật liệu. Tì vết có thể là một vết trầy xước vĩ mô trên bề mặt do sự va chạm bên ngoài hay những khuyết tật vi mô gây ra bởi quá trình sản xuất hay các khuyết tật "bẩm sinh" ở thang phân tử nằm trong các phản ứng hóa học khi hình thành vật liệu. Khi có một tác lực từ bên ngoài những tì vết này sẽ trở thành điểm nhấn chịu ứng suất rất to và từ đó tì vết nhỏ sẽ khuếch đại thành tì vết lớn đưa đến sự gãy nứt và sau đó sụp đổ toàn diện.

Trở lại chuyện graphene. Trên mặt phẳng graphene cứ hai nguyên tử carbon thì sở hữu một diện tích lục giác. Từ đó ta có thể tính được mật độ của mặt phẳng graphene (một lớp graphene) là 0,76 mg/m² (Phụ lục 4). Như vậy, một tấm phim graphene có độ dày của một nguyên tử rộng 1 m² chỉ nặng bằng một sợi tóc. Và 1 gram của phim này phủ một diện tích là 2 630 m² tương đương với diện tích của 10 sân quần vợt, một con số cực kỳ lớn cho 1 gram vật liệu (Phụ lục 4). Độ bền hay là lực cần thiết để làm thủng tấm phim này là 42 N/m và độ cứng là 342 N/m [21]. Để có thể so sánh với các vật liệu thông thường 3 chiều, đơn vị N/m (Newton/mét) được chuyển thành N/m² (= Pa = Pascal). Như vậy, độ bền của graphene 42 N/m trở thành 125 GPa và độ cứng 342 N/m trở thành 1020 GPa (Phụ lục 5). Để có thể dễ dàng hình dung được độ bền này hãy liên tưởng đến phim plastic trong suốt dùng trong nhà bếp để bao thức ăn. Phim này có độ dày khoảng 100 µm và nếu nó là graphene thì lực để làm thủng bằng một vật nhọn là 2 000 kg tương đương với 2 chiếc xe hơi. Người ta thường dùng thép như là một tiêu chuẩn so sánh. Bảng 1 cho thấy graphene có cơ tính tương tự như ống than nano nhưng độ bền lớn hơn thép 100 lần cho và độ cứng 5 lần.

Bảng 1: So sánh cơ tính giữa thép và các vật liệu carbon

Vật liệu	Độ bền (GPa) **	Độ cứng* (GPa) **
Thép	0.25 – 1.2	203
Ống than nano	80 - 150	1000
Graphene	125	1020
Kim cương	60 – 225	1220
Poly(methylmethacrylate)	0,06	2,5
* Còn gọi là môđun Young (Young's modulus) ** GPa (Giga Pascal) = 10⁹ Pa. MPa (Mega Pascal) = 10⁶ Pa.

Sự so sánh với thép đã trở thành một thông lệ trong các bài báo cáo từ nhiều năm nay mặc dù rất khập khiễng thậm chí sai lạc vì graphene cũng như ống than nano dùng trong sự đo đạc có một cấu trúc toàn bích không khuyết tật trong khi kết quả của thép được ghi lại từ những mẫu thép "đời thường" có tì vết ở mức vĩ mô và khuyết tật ở mức phân tử. Như đã đề cập bên trên, độ cứng (môđun Young) và độ bền liên hệ trực tiếp đến các liên kết nguyên tử của vật liệu và tì vết. Vì những mẫu đo đạc là những vật liệu toàn bích, độ bền và độ cứng của ống than nano, graphene và kim cương trong Bảng 1 mang những con số tương tự phản ánh độ bền của tập hợp liên kết cộng hóa trị carbon – carbon của những vật liệu này. Điều quan trọng ở đây cho thấy là graphene hay ống than nano phải được chế tạo với một cấu trúc không khuyết tật mới có thể đạt tới một cơ tính tối đa hữu ích trong việc gia cường cho các loại polymer.

Composite (vật liệu phức hợp) chế tạo từ chất nền polymer và các loại sợi gia cường (thủy tinh, Kevlar, carbon) đã mở màn một thế hệ vật liệu mới ở thập niên 60 của thế kỷ trước mà ảnh hưởng của nó vô cùng sâu rộng trong mọi lĩnh vực công nghiệp ngày nay. Các loại vật liệu nano như ống than nano và graphene đã được dùng như thành phần gia cường đã tạo một ngõ rẽ quan trọng trong địa hạt composite; đó là nano composite. Gia cường cần hai yếu tố chính để composite đạt được cơ tính tối đa. Yếu tố thứ nhất là vật gia cường cần phải được phân tán một cách hiệu quả. Trong trường hợp lý tưởng nhất, graphene phải được phân tán thành từng mảnh. Thí dụ, poly(methylmethacrylate) là một loại plastic trong suốt rất thông dụng nhưng dễ gãy nứt (Bảng 1). Nếu ta có thể phân tán 1% graphene trong polymer này độ cứng sẽ tăng 5 lần (từ 2, 5 đến 12,7 GPa) và độ bền đến 22 lần (0,06 đến 1,25 GPa) (Phụ lục 6) mà độ trong suốt vẫn không suy giảm. Trong thực tế, lực van der Waals khiến cho ống than tập trung lại giống như cụm tóc rối và các graphene cũng có khuynh hướng chồng chập trở lại trạng thái graphite. Cơ tính của trạng thái kết tập này không còn ưu việt như của từng ống nano hay từng mảnh graphene. Hiện nay, việc phân tán graphene (hay ống than nano) trong chất nền vẫn còn là một chướng ngại lớn để sản xuất một nano composite có cơ tính ưu việt. Yếu tố thứ hai là những nhóm chức (functional group) để tác dụng với chất nền polymer tạo các liên kết cộng hóa trị để móc graphene vào chất nền [22]. Chức hóa (functionalization) có thể giải quyết tương đối dễ dàng với các phương pháp hóa học nhưng các phản ứng chức hóa có thể gây khuyết tật trên mạng graphene làm giảm cơ tính của graphene.

Ngoài ra, sợi là một vật liệu không thể thiếu trong gia cường. Thiên nhiên đã biết kéo sợi kể từ khi có sự sống xuất hiện trên hành tinh này. Tằm cũng như nhện sản xuất ra tơ. Lụa tơ tằm từ xưa đã đem lại cho con người sự thoải mái cũng như phong cách quý phái. Tơ nhện không cho một cảm giác trang trọng như tơ tằm có lẽ vì sự gớm ghiếc của con nhện hay màng nhện ma quái thường được nhà làm phim phóng đại để làm lạnh xương gáy. Từ góc nhìn khoa học, tơ nhện có độ bền siêu việt và gần đây đã trở nên một đề tài nghiên cứu hấp dẫn. Chế tạo sợi có độ bền, dai siêu việt là một điều mong ước hay là nỗi ám ảnh của con người từ ngàn xưa. Từ thời nguyên thủy con người đã biết bện dây từ vỏ cây, kéo sợi kim loại từ thời đồ đồng, đồ sắt cho đến thủy tinh và các loại polymer của thời hiện đại. Ngày nay, sợi polymer Kevlar và các loại sợi khác như thủy tinh, carbon, polyethylene đánh dấu một cột mốc quan trọng trong sự phát triển tơ sợi công nghiệp tiên tiến. Sự bền chắc và nhẹ cân của các vật liệu hữu cơ trở thành một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng cấu trúc mà kim loại đã từng làm vua một thời như trong thân máy bay, tàu bè. Một ứng dụng quan trọng khác của sợi là tạo ra áo giáp chống đạn và composite chống sức công phá của chất nổ.

Trong ứng dụng gia cường người ta dùng độ dai (toughness) như là tiêu chuẩn. Độ dai là năng lượng cần để làm gãy nứt hay phá hủy vật liệu, có thể xem như là tích số của độ bền (stress) và độ căng (strain). Như vậy, một vật liệu lý tưởng cho việc gia cường, chống va đập và công phá cần có độ bền cao và độ căng dài. Miếng bánh qui có độ bền nhỏ và độ căng thấp nên giòn dễ gãy. Thủy tinh có độ bền cao (~ 500 MPa) nhưng độ căng thấp (<0.1%), các loại plastic hay cao su có độ bền thấp (50 MPa) nhưng độ căng dài (20 - 800 %), giữa hai đối cực này là thép có độ bền cao (~ 1000 MPa) và độ căng dài (~ 40%). Thép là vật liệu thông dụng nhờ vào những đặc tính này nhưng quá nặng cho nhiều áp dụng nên Kevlar, một vật liệu polymer đặc biệt được ưa chuộng vì độ dai rất cao (Bảng 2). Áo giáp và nón cối hiện đại chống đạn và các vật liệu chống công phá phần lớn dùng sợi truyền thống như sợi Kevlar hay sợi carbon. Tuy nhiên, cùng là vật liệu hữu cơ nhưng độ dai của Kevlar (150 MJ/m³) vẫn chưa đạt đến độ dai của tơ nhện (214 MJ/m³) (Bảng 2). Qua 400 triệu năm tiến hóa, sợi thiên nhiên vẫn là niềm hãnh diện của tạo hóa mà sợi nhân tạo vẫn chưa có thể vượt qua về độ dai. Nhưng liệu sợi làm từ ống than nano và graphene có thể phá vỡ kỳ tích này?

Bảng 2: So sánh cơ tính các loại sợi

Vật liệu	Độ bền (GPa)	Độ dai (MJ/m³)*	Độ cứng (GPa)	Tài liệu tham khảo
1. Kevlar	5	150	70 - 130	24 (Cheng)
2. Thép	0,25 – 1,2	–	203	Wikipedia
3. Tơ nhện	1,7	214	5-10	25 (Porter)
4. Sợi CNT	1,4	60	17,5	26 (Tran)
5. CNT/PVA** (60:40)	1,8	1500	80	27-28 (Dalton)
6. Graphene (3%)/PVA	0,04	30	1,2	29 (Zhao)
7. Graphene/CNT/PVA (15:15:70)	0,7	2000	3,5	30 (Shin)
8. Graphene paper	0,3	14	42,3	31 (Chen)
9. Graphene Ca²⁺	0,5	17	11.2	32 (Xu)
* MJ (Mega Joule) = 10⁶Joule

Hình 6: Sợi ống than nano bằng phương pháp trực tiếp kéo sợi từ "cánh đồng" ống nano [23].

Kéo sợi từ những ống nano hay hạt, mảnh li ti của graphene lập tức lọt vào tầm nhìn của các nhà nghiên cứu tơ sợi dù việc thực hiện còn rất khó khăn. Qua một sự kiện tình cờ, nhóm Baughman (Đại học Texas, Mỹ) đã kéo được sợi từ các ống than nano như các cây lúa mọc thẳng trên cánh đồng [23] (Hình 6). Trong phương pháp kéo sợi việc sắp thẳng hàng (alignment) các ống than hay mảnh graphene theo chiều kéo là điều kiện tiên quyết để có sự bền dai. Tiến sĩ Trần CD đã triển khai và hệ thống hóa phương pháp kéo bằng cách dùng lực căng để sắp các ống than đồng nhất theo hướng kéo và đồng thời loại trừ những vướng víu (entanglement) giữa các ống nano trước khi bện thành sợi [26]. Sợi của Trần CD và cộng sự có độ bền và độ dai tăng gấp đôi so với sợi bện từ những ống than nằm hỗn độn có nhiều vướng víu (Bảng 2).

Vì bản chất hai chiều việc kéo sợi graphene phải thực hiện từ dung dịch. Nhóm Xu (Đại học Triết giang, Trung Quốc) đã dùng những mảnh graphene to (kích cỡ µm) để giảm thiểu khuyết tật phần rìa mảnh và nối kết các mảng bằng ion có hoá trị hai (Ca²⁺, Cu²⁺) (Hình 7). Tóm lại, quá trình kéo sợi ống than nano hay graphene chẳng qua là việc tạo nên một trạng thái kết tập thẳng hàng để tận dụng cơ tính tuyệt vời của ống than hay mảnh graphene.

(a) (b) (c)

(d)

Hình 7: (a) Sự sắp xếp thẳng hàng của sợi ống than nano;
(b) các mảnh graphene nhỏ; (c) các mảnh graphene to và
(d) quá trình kéo sợi graphene tự dung dịch [32].

Từ kinh nghiệm kéo sợi ống than nano và graphene, một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Úc, Mỹ và Hàn Quốc đã nghĩ ra một cách tiếp cận mới là tạo ra một hỗn hợp ống than nano và graphene trong chất nền polymer (poly vinylalcohol) (PVA) rồi kéo thành sợi [30]. Kết quả vượt qua sự mong đợi của nhóm là độ dai của sợi composite là 2.000 MJ/cm³ lớn nhất từ trước đến nay (Bảng 2, vật liệu 7), to gần 10 lần tơ nhện (214 MJ/cm³) và 13 lần sợi Kevlar (150 MJ/cm³). Ngoài nguyên tắc chính trong việc kéo sợi là sự sắp thẳng hàng theo trục kéo những mảnh graphene hành xử như một tấm chắn ngăn chặn và làm cùn mũi nhọn vết nứt ngay từ thang phân tử (Hình 8). Phương pháp làm cùn vết nứt là một cơ chế gia tăng độ dai của vật liệu.

Hình 8: Vết nứt bị graphene làm cùn mũi ngăn chặn tiến trình vết nứt [30].

Tiếc rằng sợi làm từ graphene, ống than nano hay hỗn hợp giữa graphene và ống than nano trong dung dịch PVA chỉ có giá trị hàn lâm, chứng tỏ tiềm năng nhưng không có giá trị thực tế bởi PVA là một chất dính có thể hòa tan trong nước. Việc thay thế PVA bằng một polymer không hòa tan trong nước cho đến nay vẫn chưa được thực hiện thành công. Rõ ràng, Bảng 2 cho thấy các loại sợi truyền thống (Kevlar, carbon, thủy tinh) vẫn là sản phẩm được ưa chuộng trong việc gia cường nhờ vào giá cả hợp lý và sản xuất đại trà. Khác với công nghiệp điện tử, công nghiệp gia cường không đòi hỏi ống than nano hay graphene phải cực kỳ tinh chất, cấu trúc chính xác đến thang phân tử nên là một lĩnh vực được doanh nghiệp chú trọng. Ngày nay ống than nano dần dần chen chân vào thị trường gia cường với số lượng sản xuất gia tăng đến vài trăm tấn mỗi năm [33]. Graphene là người em đến muộn nhưng nó có nhiều điều kiện dễ dàng hơn ống than nano trong việc sản xuất. Người ta đang nhắm đến việc sản xuất những mảng graphene to 10 µm có độ cứng (mô đun Young) 250 GPa với giá $40/kg cho việc kéo sợi và gia cường [19]. Nếu đạt được yêu cầu này nano composite chứa graphene sẽ xuất hiện một ngày không xa.

5. Tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện học dùng để nạp điện, tích điện và phóng điện khi cần thiết. Do bản chất, kích cỡ của tụ điện thường rất cồng kềnh và nặng cân. Để chứa một năng lượng điện tương đương với cục pin AA (cỡ ngón tay út) tụ điện cần một không gian vài ngàn lần to hơn (Phụ lục 7). Cũng như transistor, tụ điện cần phải được thu nhỏ và gia tăng hiệu suất để đáp ứng với nhu cầu của các dụng cụ điện tử hiện đại. Ngoài ra, điều kiện hoạt động lý tưởng của tụ điện là nạp điện nhanh, tích điện to và phóng điện nhanh. Những đòi hỏi này đã đẩy mạnh sự ra đời của siêu tụ điện (super-capacitor). Tụ điện và pin cùng có chức năng chứa năng lượng. Nhưng pin phóng điện từ từ trong khi tụ điện cần phóng điện thật nhanh. Chiếc đèn chớp của máy ảnh kỹ thuật số là một ứng dụng của siêu tụ đ