Nghiên cứu đột phá về vật liệu graphene

Graphene, vật liệu mỏng nhất thế giới, đang được các nhà khoa học Anh nghiên cứu nhằm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, qua đó mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Mục tiêu này đặc biệt quan trọng vì graphene sở hữu nhiều đặc tính nổi bật, nhưng khả năng hấp thụ ánh sáng tự nhiên lại quá thấp, khiến hiệu suất của những thiết bị liên quan còn hạn chế. Nhóm nghiên cứu quy tụ hai nhà khoa học từng nhận giải Nobel Vật lý năm 2010, gồm Andre Geim và Kostya Novoselov, những người đồng phát hiện ra vật liệu đặc biệt này. Kết quả đáng chú ý xuất hiện khi nhóm kết hợp graphene với các cấu trúc kim loại nano được sắp xếp phù hợp trên bề mặt tấm vật liệu siêu mỏng. Nhờ cách kết hợp đó, graphene có thể hấp thụ ánh sáng nhiều gấp 20 lần, đồng thời biến đổi lượng ánh sáng hấp thụ thành năng lượng điện hiệu quả hơn. Phát hiện được xem là bước tiến quan trọng, bởi nhiều công ty điện tử hàng đầu thế giới đang xem xét đưa graphene vào các thiết bị thế hệ tiếp theo. Kostya Novoselov cho biết nghiên cứu mới giúp tăng thêm cơ hội ứng dụng cho graphene, loại vật liệu đang thu hút sự quan tâm lớn từ ngành điện tử. Theo Reuters, những nghiên cứu trước đây từng chứng minh năng lượng điện có thể tạo ra bằng cách đặt hai dây kim loại gần nhau trên bề mặt graphene rồi chiếu ánh sáng vào tấm vật liệu. Cách làm này mở ra khả năng chế tạo một dạng pin mặt trời đơn giản, trong đó graphene đảm nhiệm vai trò hỗ trợ chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện. Điểm mạnh của graphene nằm ở tính di động cao cùng vận tốc nhanh của các điện tử, cho phép quá trình biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện diễn ra rất nhanh. Theo các thông tin được nêu, thiết bị pin mặt trời sử dụng graphene có thể xử lý ánh sáng nhanh gấp 10 lần, thậm chí 100 lần, tốc độ liên lạc của cáp quang Internet nhanh nhất hiện nay. Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi ấn tượng chưa đủ giải quyết bài toán hiệu năng, vì lượng ánh sáng graphene hấp thụ trong điều kiện thông thường vẫn rất nhỏ. Trở ngại chính nằm ở chỗ graphene chỉ hấp thụ khoảng 3% ánh sáng chiếu tới, trong khi phần lớn ánh sáng còn lại đi xuyên qua mà không tạo ra năng lượng điện. Vì vậy, dù các điện tử di chuyển nhanh, những tấm pin mặt trời làm từ graphene vẫn chưa đạt hiệu suất đủ cao để trở thành lựa chọn phổ biến. Nhóm nghiên cứu tập trung xử lý điểm yếu này bằng cách bổ sung các cấu trúc kim loại siêu nhỏ, còn được gọi là cấu trúc nano plasmonic. Những cấu trúc nano plasmonic không được bố trí tùy ý, mà sắp xếp đặc biệt trên bề mặt graphene để tăng khả năng tương tác giữa vật liệu và ánh sáng. Sự kết hợp giữa graphene và các cấu trúc kim loại nano tạo ra điều kiện giúp tấm vật liệu giữ lại nhiều ánh sáng hơn so với trạng thái ban đầu. Đáng chú ý, khả năng hấp thụ ánh sáng tăng gấp 20 lần nhưng tốc độ biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện vẫn không bị ảnh hưởng. Kết quả này cho thấy việc nâng cao lượng ánh sáng được hấp thụ không nhất thiết phải đánh đổi bằng khả năng truyền dẫn nhanh vốn là ưu điểm của graphene. Nếu tiếp tục được phát triển, phương pháp mới có thể hỗ trợ cải thiện hiệu suất những thiết bị sử dụng graphene, đặc biệt trong lĩnh vực chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Alexander Grigorenko, chuyên gia về plasmonic trong nhóm nghiên cứu, bày tỏ hy vọng các cấu trúc nano plasmonic sẽ nâng cao hiệu suất của những thiết bị sử dụng graphene. Ông nhận định graphene dường như là một “người bạn” tự nhiên của plasmonic, bởi hai vật liệu này có thể bổ trợ lẫn nhau trong việc khai thác ánh sáng. Một bên cung cấp tốc độ di chuyển điện tử rất cao, bên kia giúp tăng lượng ánh sáng được giữ lại, tạo nền tảng hấp dẫn cho các thiết bị quang điện. Dù nghiên cứu chưa đồng nghĩa với việc pin mặt trời graphene lập tức xuất hiện trên thị trường, phát hiện này vẫn mở rộng đáng kể triển vọng ứng dụng vật liệu siêu mỏng.