Graphene từ lâu được xem là một trong những vật liệu đầy triển vọng cho thế hệ công nghệ tương lai, nhờ độ bền cao, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội. Vấn đề nằm ở chỗ việc tạo ra graphene thường đòi hỏi thiết bị và quy trình tương đối phức tạp.
Một nghiên cứu mới cho thấy cách tiếp cận có thể đơn giản hơn nhiều. Các nhà khoa học đã tạo ra graphene bằng những thứ tưởng như chẳng liên quan đến phòng thí nghiệm hiện đại: máy xay sinh tố, nước máy, giấy báo cũ và graphite thu hồi từ rác thải điện tử.
Nghiên cứu được công bố trên ACS Sustainable Resource Management, tập trung vào việc đơn giản hóa phương pháp bóc tách graphene khỏi graphite bằng cơ học, đồng thời thay thế một số vật liệu và thiết bị chuyên dụng bằng những nguồn nguyên liệu dễ kiếm và giá rẻ.
Biến rác điện tử thành graphene
Graphite là dạng carbon gồm vô số lớp xếp chồng lên nhau, trong khi graphene chỉ là một lớp carbon cực mỏng được tách ra từ cấu trúc đó.
Graphite xuất hiện trong nhiều thiết bị điện tử, chẳng hạn các lớp vật liệu có tác dụng tản nhiệt cho linh kiện. Khi điện thoại hoặc máy tính hết vòng đời, lượng vật liệu này thường trở thành một phần của dòng rác thải điện tử ngày càng tăng.
Theo Conor Boland, phó giáo sư khoa học vật liệu tại Đại học Thành phố Dublin, nhóm nghiên cứu muốn tìm cách đưa lượng graphite bị bỏ đi này trở lại vòng đời sử dụng.
Các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật bóc tách pha lỏng, trong đó graphite được đưa vào chất lỏng rồi tác động lực cơ học để tách các lớp carbon. Thay vì sử dụng thiết bị chuyên dụng, họ dùng một chiếc máy xay sinh tố thông thường.
Sau đó, hỗn hợp được lọc bằng một chiếc rây nhà bếp để loại bỏ những mảnh vật liệu lớn chưa được bóc tách hoàn toàn.
Điểm đáng chú ý nằm ở chỗ phương pháp này mở ra khả năng biến graphite trong những thiết bị điện tử bỏ đi thành nguồn nguyên liệu cho graphene, thay vì để chúng tiếp tục nằm trong dòng rác thải.
Vì sao giấy báo cũ lại hữu ích
Tách các lớp graphite mới chỉ giải quyết được một nửa vấn đề. Sau khi được bóc tách, những tấm graphene rất mỏng có xu hướng kết tụ và dính trở lại với nhau.
Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu thường phải sử dụng dung môi hoặc chất ổn định được lựa chọn đặc biệt để ngăn hiện tượng này.
Nhóm nghiên cứu lần này thử một giải pháp đơn giản hơn: sợi cellulose từ giấy báo cũ.
Giấy báo chứa cellulose, một vật liệu cấu trúc có nguồn gốc từ sợi thực vật. Các nhà khoa học ngâm và làm mềm giấy báo bỏ đi trong nước máy, sau đó xay thành hỗn hợp giàu sợi.
Khi graphite được xử lý trong hỗn hợp này, các sợi cellulose giúp những tấm graphene sau khi tách không dễ dàng kết tụ trở lại.
Kết quả khá bất ngờ. Nếu không có vật liệu từ giấy báo, carbon đã qua xử lý lắng xuống đáy nước chỉ sau vài phút. Khi bổ sung cellulose, hỗn hợp có thể duy trì trạng thái sử dụng được trong vài giờ và có thể phân tán trở lại chỉ bằng cách lắc.
Dù vậy, các nhà nghiên cứu vẫn phải sử dụng thiết bị phòng thí nghiệm chuyên dụng để xác nhận chính xác graphene đã được tạo ra.
Đưa công nghệ nano đến gần hơn
Nghiên cứu mới tiếp nối những thử nghiệm trước đó của nhóm, trong đó graphene từng được tạo ra từ các vật liệu khá phổ biến như ruột bút chì, nước máy, xà phòng, thiết bị nhà bếp và giấy lọc cà phê.
Lần này, nhóm tiến thêm một bước khi đặt câu hỏi liệu cả nguyên liệu lẫn thiết bị chế tạo graphene có thể đến từ những nguồn rẻ tiền hoặc bị loại bỏ hay không.
Trong phần lớn thí nghiệm, các nhà nghiên cứu sử dụng graphite thương mại làm vật liệu tản nhiệt, bởi một chiếc điện thoại riêng lẻ chỉ chứa một lượng graphite tương đối nhỏ.
Tuy nhiên, họ cũng tháo rời một chiếc điện thoại cũ và thu hồi đủ graphite để chứng minh rằng rác thải điện tử thực sự có thể trở thành nguyên liệu đầu vào cho quá trình tạo ra các lớp carbon mỏng hơn.
Điều này không có nghĩa máy xay sinh tố trong nhà sẽ sớm thay thế các dây chuyền sản xuất graphene công nghiệp. Giá trị lớn hơn của nghiên cứu nằm ở khả năng hạ thấp rào cản để tiếp cận công nghệ vật liệu nano.
Các trường học, phòng thí nghiệm cộng đồng hoặc nhóm nghiên cứu nhỏ có thể thực hiện những bước xử lý ban đầu bằng thiết bị giá rẻ, sau đó đưa mẫu đến các cơ sở chuyên dụng để phân tích sâu.
Nghiên cứu cũng cho thấy một hướng tiếp cận đáng chú ý của kinh tế tuần hoàn: giấy báo đã qua sử dụng và linh kiện từ điện thoại bỏ đi có thể trở thành nguyên liệu cho một vật liệu được kỳ vọng phục vụ các công nghệ tương lai.
Và nghịch lý thú vị nhất là trong thí nghiệm này, việc tạo ra graphene có thể không phải phần khó nhất. Phần phức tạp hơn lại là chứng minh rằng chiếc máy xay sinh tố thực sự đã tạo ra graphene.
Theo IE
