Sự phát triển của vật liệu

Nhiều người hình dung tương lai là một thế giới nóng hơn, đông đúc hơn, nơi tài nguyên và vật liệu khan hiếm khiến con người phải cạnh tranh gay gắt để sở hữu chúng. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas, Austin, Hoa Kỳ, đang tìm kiếm những ý tưởng, công nghệ và chính sách mới nhằm hướng thế giới tới sự giàu có, bền vững và tốt đẹp hơn. Trong phần thứ ba của loạt câu hỏi mang tên “Big question”, Giáo sư Rod Ruoff tập trung trả lời vấn đề con người có thể làm gì để xây dựng một tương lai ngày càng giàu đẹp. Lịch sử vật liệu bắt đầu từ những thứ gần gũi trong tự nhiên như gỗ, đá và da động vật, trước khi mở rộng sang những vật liệu do con người chế tạo. Gốm sứ, kim loại, kính, vật liệu tổng hợp rồi chất bán dẫn lần lượt xuất hiện, tạo nền móng cho nhiều sản phẩm và công nghệ hiện đại. Mỗi bước tiến không chỉ bổ sung một loại vật liệu mới, mà còn mở ra cách chế tạo công cụ, máy móc và hệ thống phù hợp hơn với nhu cầu xã hội. Sự sống trên Trái đất được hình thành dựa trên carbon, còn khoa học hiện nay đang khai thác khả năng sắp xếp lại các nguyên tử carbon để tạo ra những vật liệu hoàn toàn mới. Lĩnh vực này đang chuyển mạnh từ nghiên cứu khoa học cơ bản sang sản xuất quy mô lớn, hứa hẹn đưa nhiều hệ thống và thiết bị mới vào đời sống trong những thập kỷ tới. Những ứng dụng ấy có thể tạo ảnh hưởng sâu rộng lên năng lượng, công trình lớn, ô tô, máy bay, công nghệ thông tin, động cơ điện, hóa chất, cảm biến sinh học và thiết bị y tế. Trong lĩnh vực năng lượng, vật liệu carbon có thể làm thay đổi căn bản cách con người tạo ra, lưu trữ và sử dụng điện trong tương lai. Các tế bào năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, siêu tụ điện, pin và đường dây tải điện cao thế đều có thể hưởng lợi từ những cải tiến liên quan đến carbon. Mục tiêu không chỉ là tạo ra nhiều điện hơn, mà còn nâng hiệu suất, giảm tổn hao và giúp năng lượng được khai thác thuận tiện hơn. Graphene, than chì kiểu mới và kim cương sở hữu những đặc tính đáng chú ý, gồm độ bền cao, trọng lượng nhẹ và cấu trúc có thể đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật. Những vật liệu carbon này được kỳ vọng thay thế thép, nhôm cùng một số vật liệu truyền thống trong các ứng dụng cần giảm khối lượng nhưng vẫn duy trì sức mạnh. Điện tử carbon có tốc độ chuyển đổi đặc biệt nhanh, trong khi các tấm graphite siêu mỏng có tiềm năng thay đồng ở kỹ thuật truyền thống, ăng-ten, chất siêu dẫn và động cơ điện. Các tấm vật liệu carbon mới cũng cho thấy khả năng lưu trữ điện năng vượt trội hơn pin axit chì cả về hiệu suất lẫn dung lượng. Những ống nano mật độ thấp, vật liệu tổng hợp mạnh và cứng, cùng các thành phần phủ graphene trên diện rộng đang mở rộng lựa chọn cho ngành chế tạo. Khi vật liệu nhẹ nhưng bền được đưa vào máy bay và ô tô, trọng lượng phương tiện có thể giảm đáng kể, kéo theo khả năng tiết kiệm nhiên liệu rõ rệt. Y học có thể sử dụng những viên thuốc nano carbon mới, trong khi carbon được xem là ứng viên phù hợp cho các thiết bị điện siêu nhỏ, phi kim loại và kín, phục vụ ứng dụng y sinh. Graphene cùng graphite siêu mỏng cũng có thể được tách riêng để quản lý nhiệt, làm mát chip máy tính và hỗ trợ thiết kế các tòa nhà tiết kiệm năng lượng. Bên cạnh đó, carbon xốp ba chiều với cấu trúc liên kết hấp dẫn, còn được gọi là “carbon cong tiêu cực”, có thể giữ vai trò vật liệu điện cực nền tảng cho siêu tụ điện. Điểm đặc biệt của carbon nằm ở khả năng xuất hiện dưới nhiều dạng cấu trúc, từ dạng tinh khiết đến kim cương, than chì và những biến thể ba chiều khác. Ở dạng hai chiều, graphene tạo nên cấu trúc tổ ong từ các liên kết C-C, còn dạng một chiều biểu hiện qua những ống nano carbon có kích thước cực nhỏ. Sự đa dạng ấy khiến carbon được kỳ vọng thúc đẩy một cuộc cách mạng công nghiệp mới, kết nối nghiên cứu vật liệu với năng lượng, giao thông, điện tử, y tế và đời sống trong tương lai.