Graphene – Từ một phát minh đoạt giải Nobel đến những sản phẩm kì diệu

Những đặc điểm phi thường, cộng với câu chuyện đầy hấp dẫn liên quan đến giải Nobel, đã khiến graphene trở thành tâm điểm chú ý vào một thập kỉ trước. Nhưng vẫn còn phải làm nhiều việc để dẫn đến thương mại hóa vật liệu này, chẳng hạn như tìm ra cách tốt nhất để chế tạo và bảo quản graphene; tìm kiếm các ứng dụng có ý nghĩa kinh tế; và dần dần xây dựng thị trường mới. Thế rồi, graphene chìm vào quên lãng. Tuy nhiên, giờ đây, thời điểm của chất liệu kỳ diệu này có thể sắp đến.

Tai nghe GQ của Ora.

Lấy một mẩu băng dính và chạm vào đầu bút chì. Bóc băng dính ra và trên đó có thể giữ lại vài mảnh graphite (chì). Gấp đôi mẩu băng dính lại rồi tách nó ra, để chia chính những mảnh graphite thành hai lớp. Cứ gấp đôi và mở ra như vậy 10 đến 20 lần, nếu kĩ thuật của bạn đủ tốt, thì xin chúc mừng bạn – bạn vừa tạo ra vật liệu mỏng nhất và gần như bền nhất được biết tới trên thế giới hiện nay. 

Kĩ thuật băng dính vừa nhắc đến phía trên chính xác là những gì hai nhà khoa học Andre Geim và Konstantin Novoselov đã làm để phân lập graphene – một lớp carbon có độ dày đúng bằng đường kính nguyên tử – tức là một lớp carbon hai chiều, tại Đại học Manchester ở Anh vào năm 2004. Sáu năm sau, hai nhà vật lý này giành giải Nobel cho nỗ lực tạo ra graphene, và đó là sự ghi nhận xứng đáng. 

Bởi, graphene có những đặc tính phi thường, thể hiện ở ngày càng nhiều các sản phẩm sử dụng vật liệu này: graphene giúp tai nghe tạo ra âm thanh tốt hơn, điện thoại thông minh tản nhiệt tốt hơn, mặt đường cứng và bền hơn, thậm chí cả bao bì dầu gội cũng trở nên thân thiện với môi trường hơn.

Graphene không chỉ là vật liệu mỏng nhất và bền thứ hai trên thế giới – chỉ đứng sau một dạng carbon một chiều tên là carbyne – mà còn siêu nhẹ và trong suốt. Nó có thể rất dẻo hoặc rất cứng, tùy thuộc vào cách xử lý. Graphene vừa là một trong những chất dẫn nhiệt tốt nhất và dẫn điện nhanh nhất vừa rất tốt trong việc hút nước nhưng chặn lại tất cả những thứ khác khiến nó thành một màng lọc hay tấm chắn vật chất siêu hạng. Và, như Geim và Novoselov đã chứng minh, graphene không khó chế tạo.

Hãy lắng nghe

Gustavo Dudamel, giám đốc âm nhạc của Los Angeles Philharmonic, nói một cách say mê về chiếc tai nghe GQ do một công ty khởi nghiệp của Canada có tên là Ora sản xuất: “Tôi có thể nghe rõ từng chi tiết âm nhạc – điều mà tôi chỉ từng trải qua khi đứng trên bục sân khấu trước cả một dàn nhạc giao hưởng”. 

Khai thác độ cứng, độ nhẹ và đặc tính giảm chấn của graphene – khả năng dừng dao động ngay lập tức khi dòng điện ngừng đi qua nó – Ora đang sử dụng graphene oxide để tạo ra màng cho tai nghe và loa. Bản thân Novoselov cũng ca ngợi công ty hết lời vì đã giúp “graphene chính thức ra khỏi phòng thí nghiệm và bước vào thế giới âm thanh”.

Ari Pinkas, người đồng sáng lập Ora giải thích rằng, từ trước đến nay, các nhà thiết kế loa luôn phải thỏa hiệp giữa độ cứng, độ nhẹ và độ giảm chấn. Nhưng giờ đây với graphene, họ không phải quan tâm đến điều đó nữa. “Trong gần hai thập kỉ, các đặc tính lý thuyết của graphene khiến người ta xem nó như một vật liệu “trời cho” đối với màng ngăn của loa” – anh nói. 

Pinkas cho biết công ty của anh đang làm việc với các thương hiệu lớn về máy tính xách tay và điện thoại thông minh để tạo ra loa nhỏ hơn nhưng với âm lượng lớn hơn cho thiết bị của họ, với một số thiết kế dự kiến ​​ra mắt vào năm 2022. Tuy nhiên, do các thỏa thuận không tiết lộ, Pinkas không nêu tên bất kỳ công ty nào.

Và lên đường

Sức mạnh của Graphene đang khuấy động sự quan tâm trong ngành xây dựng. Ngành công nghiệp này vốn luôn bị mang tiếng xấu về khí thải; 8% lượng khí thải CO2 trên thế giới đến từ sản xuất bê tông. Việc bổ sung graphene vào hỗn hợp có thể giúp cắt giảm lượng khí thải đó, vì nó sẽ giúp bê tông cứng hơn, đồng nghĩa với việc có thể sử dụng ít bê tông hơn. Hơn nữa, khả năng dẫn nhiệt nhanh chóng và hiệu quả của graphene (một đặc tính dẫn đến việc sử dụng nó trong một số điện thoại thông minh Huawei gần đây) cũng tỏ ra cực kì hữu ích.

Cây cầu thay thế cho chiếc cầu cao tốc bị sập trong vụ tai nạn kinh hoàng xảy ra vài năm trước tại Genoa, Ý được xây bằng nhựa đường có chứa bột graphene do Directa Plus, một công ty khởi nghiệp của Ý sản xuất. Điều này giúp phân phối nhiệt qua mặt đường, do đó, kể cả khi nhiệt độ xuống mức đóng băng, những điểm lạnh hơn trên đường ít có khả năng nứt vỡ tạo hàng loạt ổ gà trên mặt đường.

Taavi Madiberk (trái) và Oliver Ahlberg (phải), hai đồng sáng lập của Skeleton Technologies – công ty sở hữu công nghệ độc quyền tạo ra graphene cong để tạo ra các siêu tụ điện. 

“Đặc tính ấn tượng nhất là chất phụ gia này là việc nó có thể tăng tuổi thọ của đường lên gấp ba:  từ sáu đến bảy năm lên 18 đến 21 năm”, Giulio Cesareo, đồng sáng lập kiêm Giám đốc điều hành Directa Plus tuyên bố. Nhưng đó không phải là cách sử dụng duy nhất cho các lớp graphene nano (nanoplatelet) của công ty.

Điều quan trọng trong phương pháp sản xuất graphene của Directa Plus là dựa trên vật lý chứ không phải hóa học – thay vì sử dụng hóa chất để phát triển chất này trên kim loại, họ sử dụng nhiệt và áp suất cực lớn để tách graphene khỏi các hạt graphite. Cesareo cho biết, điều này giúp cho việc sản xuất các loại vải làm từ graphene trở nên dễ dàng và giá thành rẻ hơn, đồng thời có thể an toàn trên da, trong quần áo và khẩu trang (cả hai loại sản phẩm có chứa graphene sản xuất bởi Directa Plus đều đã có mặt trên thị trường).

Công ty cũng đã làm việc với Lukoil đến từ Nga và OMV đến từ Áo để khử nhiễm đất và nước đã bị ô nhiễm do tràn dầu ở Romania. Vì graphene có thể chặn hầu hết các chất lỏng trong khi chỉ cho nước đi qua, bột Directa Plus đang được sử dụng trong các tấm chắn có khả năng hấp thụ dầu tràn, làm sạch khu vực và môi trường xung quanh. Khi bão hòa, người ta có thể vắt dầu từ bột này ra và sử dụng lại một cách hiệu quả. Cesareo cho biết: “Chúng tôi đã loại bỏ 400 tấn dầu thô và chúng được gửi trở lại nhà máy lọc dầu”.

Bao bì xanh hơn

Việc Graphene có thể được sử dụng như một tấm chắn vật chất linh hoạt còn tiện dụng trong thế giới bao bì – một lần nữa, khả năng bảo vệ môi trường của Graphene lại được phát huy. 

Trong tháng này, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Vương quốc Anh có tên Toraphene đã tiết lộ một dạng nhựa sinh học mà lần đầu tiên cung cấp giải pháp thay thế cho nhựa có thể hoàn toàn phân hủy sinh học và phân hủy hữu cơ, đồng thời rất khả thi về mặt thương mại. Loại vật liệu cùng tên là sự kết hợp của graphene với polyme tự nhiên từ thực vật, đang được bắt đầu sử dụng trong việc sản xuất các túi đi chợ.

Nhưng bước đột phá thực sự – sự khởi nguồn cho hành trình của Toraphene vào năm 2011 với những người đồng sáng lập bao gồm các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy – nằm ở việc đóng gói các chất lỏng.

Giám đốc điều hành Gaute Juliussen cho biết tập đoàn hàng tiêu dùng khổng lồ Unilever đã tiếp cận Toraphene bốn năm trước, yêu cầu một bao bì tốt hơn cho các gói dầu gội dùng một lần (Unilever xác nhận rằng các công ty đã thảo luận nhiều lần với Toraphene). Các gói dầu gội hiện tại trên thị trường phải sử dụng một vài lớp nhựa để tăng cường độ bền và một lớp nhôm oxit để ngăn các chất lỏng rỉ ra. Nhưng Toraphene cho biết vật liệu của họ vừa cung cấp độ bền và độ chống thấm cần thiết, nhưng vừa ở dạng có thể dễ dàng tái chế vì nó chỉ là chất hữu cơ và carbon.

Juliussen cho biết, sau hai năm thì đàm phán hợp đồng với Unilever thất bại. Nhà đầu tư của Toraphene, Kraft Heinz – một công ty thực phẩm đa quốc gia lại có một chính sách thô bạo với Toraphene, áp dụng các chính sách cắt giảm mạnh chi phí để tăng giá trị cổ phiếu công ty này khiến cho bộ phận R&D của Toraphene chịu ảnh hưởng nặng nề. Toraphene tay trắng rời bỏ Kraft Heinz nhưng công ty này đã có một cú lật ngược tình thế ngoạn mục bằng việc gọi vốn cộng đồng vô cùng thành công để đưa giải pháp đóng gói mới của họ ra thị trường. 

Juliussen nói: “Loại graphene mà chúng tôi đang xem xét sử dụng cho đóng gói hiện sẽ có giá khoảng 200USD một kg”. Đó là mức giá khá cao – IDTechEx’s Collins cho biết một số công ty đang bán graphene với giá dưới 10USD mỗi kg. Nhưng graphene của Toraphene lấy than chì tự nhiên thay vì được tổng hợp trong phòng thí nghiệm với chi phí thấp vốn cho sản phẩm kém chất lượng hơn.

Juliussen cho biết: “Bởi vì chúng tôi sử dụng rất ít (ít hơn 0,2% bao bì là graphene) nên chúng tôi có thể tạo ra những bao bì rất kinh tế. Chi phí sản xuất bao bì có thể tăng thêm 10%, nhưng chúng tôi lại tăng độ bền của bao bì lên 20%, tính ra thì giải pháp của chúng tôi vẫn lợi hơn”.

Mục tiêu tiếp theo của Toraphene là cốc cà phê bằng giấy, hiện đang sử dụng lớp lót bằng nhựa để không thấm nước khiến chúng khó tái chế. Toraphene đã nộp bằng sáng chế sử dụng vật liệu của mình làm lớp lót và hiện đang chờ để các cơ quan quản lý tiêu chuẩn thực phẩm của Hoa Kỳ và châu Âu phê duyệt.

Theo Collins, đây là lĩnh vực mà graphene thực sự có thể thành công. (IDTechEx dự đoán thị trường các loại vật liệu graphene sẽ trị giá lên đến 700 triệu USD vào năm 2031, so với mức dưới 100 triệu USD hiện nay.) Đúng là đã có nhiều sản phẩm tiêu dùng đang được bày bán đã sử dụng graphene — như tai nghe, vợt tennis, giày nhưng “thành công chỉ đến khi có hàng nghìn tấn nguyên liệu graphene được bán ra” ông nói.

Collins nói: “Thực tế là, nếu bạn nói chuyện với một hãng ô tô, họ sẽ không chi tiền cho một lớp lót chống sờn rách trong nội thất ô tô chỉ vì nó được quảng cáo là sử dụng graphene.”Điều quan trọng chính là tính kinh tế trong suốt vòng đời của sản phẩm – Liệu nó có đáng để người ta dùng sản phẩm đó được lâu hơn và phải trả ít chi phí hơn cho việc bảo hành và bảo dưỡng? Trả lời được câu hỏi này thì graphene mới có cơ hội bùng nổ trên thị trường”. 

Sạc pin tới tương lai

Và cuối cùng chúng ta đến với một trong những công ty được nhắc đến nhiều nhất hiện đang hoạt động trong ngành sản xuất graphene: Skeleton Technologies.

Công ty của Estonia và Đức này hiện đang có hợp đồng với một số tên tuổi ô tô lớn nhất của châu Âu – mặc dù hiện tại còn dè dặt công khai chúng – và không phải là tạo ra vật liệu lót mà chính là việc lưu trữ năng lượng trong các cục pin làm từ graphene.

Nếu bạn xếp các lớp graphene bình thường, phẳng thì chúng sẽ nhanh chóng kết hợp với nhau và lại tạo thành than chì (graphite). Vì vậy, Skeleton đã phát triển một phương pháp độc quyền để chế tạo graphene cong, khắc phục được vấn đề này. Graphene cong này sẽ được sử dụng trong các siêu tụ điện.

Điều đó có nghĩa là pin có thể được sạc trong vài giây, trong hơn một triệu lần mà không cần các nguyên liệu khan hiếm như lithium và coban. Các siêu tụ điện này đã được sử dụng trong máy xúc, thiết bị y tế và vận tải. Ở các thành phố Mannheim, Heidelberg và Ludwigshafen của Đức, các siêu tụ điện này hút năng lượng tích tụ từ phanh để dùng cho việc tăng tốc của tàu điện.

Giám đốc điều hành Skeleton Taavi Madiberk cho biết: “Nó rẻ hơn và nhỏ hơn bất kỳ loại giải pháp pin nào. Tuy nhiên, vì những siêu tụ điện này lưu trữ ít năng lượng hơn so với pin lithium-ion truyền thống, nên có khả năng siêu tụ điện graphene sẽ cùng tồn tại và bổ sung cho các công nghệ khác.

Theo Madiberk, lợi ích lớn nhất của graphene cong là trong việc xử lý tải cao điểm khiến pin lithium-ion tiêu chuẩn quá nóng và xuống cấp theo thời gian; kết hợp cả hai loại pin này cho phép bộ pin nhỏ hơn 30% và tuổi thọ lâu gấp đôi. Ông cũng nói về tiềm năng của các siêu tụ điện đến từ Skeleton trong việc duy trì sự ổn định của lưới điện vì các loại năng lượng tái tạo trở nên chiếm ưu thế hơn.

Skeleton đã phát triển công nghệ của mình từ những ngày đầu của graphene, vào năm 2009, nhưng chỉ bắt đầu thương mại hóa các siêu tụ điện của họ mới vài năm trước. Nhờ đang nắm trong tay tổng giá trị các hợp đồng lên tới hơn 150 triệu euro (182 triệu USD), công ty này đã huy động được 41 triệu euro trong vòng đầu tư vào tháng 10 để mở rộng quy mô và chuẩn bị cho việc ra mắt “siêu pin”, mà Madiberk nhìn thấy ở đó một thị trường tiềm năng trị giá 60 tỷ euro.

Madiberk, người có nền tảng về thương mại điện tử cho biết: “Có lẽ vào năm 2009, nếu tôi biết mình phải mất nhiều thời gian đến vậy, tôi không chắc mình đã thành lập công ty. Đối với graphene và việc đưa nó ra thị trường, thật sự cần rất nhiều kiên nhẫn, kiên nhẫn, và kiên nhẫn”.□

Hạnh Duyên dịch
Nguồn: https://fortune.com/2020/12/13/what-is-graphene-entrepreneurs-headphones-smartphones-construction-eco-friendly-thinnest-material-on-earth/