Giấy... cứng hơn thép

Một loại vật liệu mới vừa được các nhà khoa học thuộc Trường đại học Công nghệ Sydney, Ôxtrâylia, chế tạo thành công đang gây chú ý nhờ hình dáng giống tờ giấy nhưng sở hữu độ cứng đáng kinh ngạc. Vật liệu này nhẹ, mỏng, dai, có khả năng co giãn tốt, đồng thời được kỳ vọng tạo ra thay đổi đáng kể trong những ngành công nghiệp luôn cần vật liệu bền mà giảm trọng lượng. Tên gọi “giấy graphen” bắt nguồn từ thành phần chính của nó, graphen, một dạng vật liệu đặc biệt cấu tạo bởi các nguyên tử cácbon sắp xếp thành mạng tinh thể phẳng hình tổ ong. Graphen chỉ dày tương đương một nguyên tử, gần như trong suốt, rất dai và dẫn điện tốt, khiến nó trở thành một trong những vật liệu được giới khoa học đặc biệt quan tâm. Cho đến nay, các nhà khoa học chưa tìm thấy vật liệu nào mỏng hơn graphen, trong khi cấu trúc của than chì quen thuộc thực chất hình thành từ nhiều lớp graphen chồng xếp lên nhau. Hai nhà vật lý người Anh gốc Nga Andrei Konstantinovich Geim và Konstantin Sergeevich Novoselov phát hiện graphen vào năm 2004, mở ra một hướng nghiên cứu vật liệu đầy triển vọng. Công trình phát hiện graphen sau đó được trao giải Nobel Vật lý năm 2010, khẳng định tầm quan trọng đặc biệt của vật liệu mỏng đến mức gần như không thể quan sát bằng mắt thường. Tuy nhiên, việc biến graphen thành một vật liệu dạng tấm đủ lớn, có thể sử dụng thực tế, vẫn là thách thức đáng kể đối với nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Các nhà khoa học Ôxtrâylia đã tạo bước tiến quan trọng bằng một kỹ thuật hoàn toàn mới, biến những tinh thể cácbon siêu nhỏ thành loại “giấy” graphen có tính chất cơ học nổi bật. Quy trình bắt đầu bằng việc nghiền than chì thô tới kích thước cực nhỏ, nhằm thu được các tinh thể cácbon phù hợp cho những công đoạn xử lý tiếp theo. Những tinh thể này được lọc, làm sạch bằng các chất hóa học, sau đó nấu chảy lại để trở về trạng thái siêu nhỏ, tạo nền tảng cho cấu trúc vật liệu mới. Khi hoàn tất, “giấy” graphen hình thành từ các cấu trúc nano của tinh thể cácbon, tạo nên một tấm vật liệu mỏng nhưng có liên kết và độ bền đáng chú ý. Các kết quả thí nghiệm được công bố trên Tạp chí Vật lý Ứng dụng, tức Journal of Applied Physics, cho thấy loại vật liệu mới mang lại nhiều thông số đầy hứa hẹn. So với thép, giấy graphen nhẹ hơn sáu lần, một ưu thế rõ rệt trong những thiết bị hoặc phương tiện cần giảm khối lượng mà vẫn duy trì khả năng chịu lực. Vật liệu này cũng mỏng hơn thép từ năm đến sáu lần, đặc điểm giúp các nhà sản xuất có thêm không gian thiết kế trong những sản phẩm yêu cầu kết cấu gọn nhẹ. Đáng chú ý, giấy graphen cứng hơn thép gấp hai lần, cho thấy độ mỏng không nhất thiết đồng nghĩa với khả năng chịu biến dạng hoặc chịu lực kém hơn. Khả năng co giãn của giấy graphen cao gấp mười lần thép, nhờ đó vật liệu có thể thích nghi tốt hơn với những tác động làm thay đổi hình dạng. Khi bị gập lại, giấy graphen còn bền hơn thép tới mười ba lần, một kết quả đặc biệt quan trọng đối với các thiết kế thường xuyên chịu uốn hoặc gấp. Bên cạnh những ưu điểm về trọng lượng, độ mỏng, độ cứng và độ dai, vật liệu này còn được các nhà khoa học đánh giá là sản phẩm rất bền. Giấy graphen cũng có thể tái chế và thân thiện với môi trường, những yếu tố ngày càng được coi trọng khi hoạt động sản xuất phải giảm chất thải và tiết kiệm tài nguyên. Sự kết hợp giữa độ bền cao, trọng lượng thấp cùng khả năng tái chế khiến giấy graphen trở thành ứng viên đáng chú ý cho nhiều ứng dụng công nghiệp trong tương lai. Ngành sản xuất máy bay có thể đặc biệt quan tâm đến vật liệu này, bởi giảm trọng lượng kết cấu thường giúp phương tiện tiết kiệm nhiên liệu và vận hành hiệu quả hơn. Ngành công nghiệp ôtô cũng luôn tìm kiếm những vật liệu nhẹ hơn nhưng đủ chắc chắn, vì vậy giấy graphen mở ra triển vọng cho các thiết kế tiết kiệm chi phí hơn. Dù còn cần thêm thời gian để hoàn thiện quy trình và đánh giá khả năng ứng dụng quy mô lớn, phát hiện tại Sydney đã cho thấy tiềm năng rộng mở của graphen.