Vật liệu không thể thiếu trong công nghiệp

Graphen là vật liệu mạnh nhất được biết đến bởi nó cứng hơn kim cương nhưng đàn hồi hơn cao su; cứng hơn thép nhưng nhẹ hơn nhôm. Nhờ cấu trúc độc đáo, nó sở hữu những đặc điểm đáng kinh ngạc: Tính linh động điện tử cao, nhanh hơn silicon 100 lần; dẫn nhiệt tốt hơn kim cương gấp 2 lần; độ dẫn điện cũng tốt hơn 13 lần so với đồng.

Vật liệu nano dựa trên graphen có nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng. Graphen cải thiện cả dung lượng năng lượng và tốc độ sạc trong pin sạc lại được; graphen hoạt hóa tạo ra siêu tụ điện ưu việt để lưu trữ năng lượng.

Màng graphen được sử dụng cho nhiều mục đích đa dạng, từ lọc nước, trong y sinh, y học, bóng bán dẫn và bộ nhớ, thiết bị điện tử linh hoạt... đều cần đến vật liệu này.

Hiện nay, graphen đơn lớp còn khá đắt đỏ và được hướng đến những ứng dụng trong các lĩnh vực vật liệu tiên tiến và phức tạp. Graphen đa lớp được chế tạo từ vật liệu graphit cho giá thành hạ, mang lại những ứng dụng lớn và tiềm năng trong thực tiễn.

Tại Việt Nam chưa có cơ sở nào đưa ra được quy trình và hệ thiết bị chế tạo graphen trương nở đa lớp từ hợp chất graphit ở quy mô pilot nên việc đưa loại vật liệu này vào ứng dụng còn rất hạn chế.

Về mặt nguyên lý graphen đa lớp được chế tạo từ hợp chất graphit bằng phương pháp nung sốc nhiệt nhưng trên thực tế người ta thường sử dụng lò vi sóng là nguồn cấp nhiệt trong chế tạo graphen đa lớp cho mục đích thí nghiệm với lượng mẫu nhỏ đến vài chục gam.

TS Âu Duy Tuấn, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cho biết, việc chào bán thương mại một hệ thiết bị chế tạo vật liệu graphen đa lớp với lượng lớn vẫn còn rất hiếm và cho giá thành cao.

Với mong muốn chế tạo thành công graphen đa lớp có tiềm năng ứng dụng và cho giá thành phù hợp nhóm tác giả đã nghiên cứu, đưa ra được phương pháp và hệ thiết bị chế tạo lá nano graphen đa lớp từ hợp chất graphit bằng cách gia nhiệt nhanh gây sốc nhiệt sử dụng lò cao tần. Thành quả của việc nghiên cứu này đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền sáng chế.

Tạo vật liệu tiên tiến với giá thành thấp

Để có nguyên liệu đầu vào, nhóm nghiên cứu đã cung cấp vật liệu hạt GIC (Graphite Intercalation Compound) vào buồng phản ứng được thực hiện thông qua cơ cấu nạp nguyên liệu, nó có khả năng điều chỉnh tốc độ nạp nguyên liệu vào. Tốc độ nạp nguyên liệu này sẽ được đồng bộ với buồng phản ứng để quá trình sốc nhiệt diễn ra tốt nhất, nguyên liệu không bị tắc nghẽn cục bộ, không bị quá ít nguyên liệu vào.

Thùng chứa nguyên liệu đầu vào, được thiết kế có nắp đậy để ngăn bụi và độ ẩm tác động lên hạt GIC trong quá trình chế tạo và được kết nối với phần buồng chứa thứ cấp, nó được chế tạo có thể kết nối với thùng chứa nguyên liệu đầu vào thông qua phễu dẫn, khi nguyên liệu trong buồng chứa thứ cấp giảm dần sẽ được bổ sung bằng nguyên liệu ở thùng nguyên liệu phía trên thông qua phễu dẫn nguyên liệu.

Ngoài ra, buồng chứa có các khe đỡ hai bên cạnh thuận tiện cho việc tháo lắp các cửa chặn nguyên liệu có kích thước lỗ khác nhau để điều tiết nạp các loại nguyên liệu có kích thước hạt khác nhau nhằm thay đổi tốc độ nạp nguyên liệu vào buồng phản ứng.

Cửa chặn điều tiết nạp nguyên liệu được chế tạo để lắp khít vào buồng chứa nguyên liệu thông qua các khe đỡ và không cho nguyên liệu đi ra ở bất kì chỗ nào khác ngoài lỗ điều tiết nạp nguyên liệu được định sẵn.

Với các yêu cầu kĩ thuật khác nhau ứng với các nguyên liệu đầu vào là các loại hạt GIC có kích thước khác nhau hoặc yêu cầu về tốc độ nạp nguyên liệu khác nhau mà cửa chặn có lỗ điều tiết nạp nguyên liệu kích thước khác nhau.

Nhóm đã sử dụng hệ lò cao tần để chế tạo vật liệu graphen từ hạt GIC sử dụng lò cảm ứng điện từ có dạng hình ống có tần số dao động khoảng 100 kHz, ở tần số này sẽ không gây tác động xấu đến tế bào sinh học và không đòi hỏi cần phải có vỏ bọc che chắn sóng điện từ.

Bằng việc sử dụng nguồn điện áp một chiều (DC) để cung cấp nguồn cho một mạch điện tử công suất có dao động ở tần số khoảng 100 kHz với trở tải là một cuộn dây sẽ sinh ra một dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây dẫn cảm ứng.

Sự biến thiên dòng điện qua cuộn dây này tạo ra một từ trường rất mạnh và thay đổi nhanh trong không gian bên trong cuộn dây làm việc. Vì vậy, ống kim loại bên trong sẽ nóng lên rất nhanh khi đặt trong từ trường biến đổi của cuộn dây.

Sự sắp xếp của cuộn dây làm việc và ống kim loại có thể được coi như một biến áp xoay chiều. Các cuộn dây làm việc giống như chính nơi mà năng lượng điện được đưa vào và ống kim loại là phần thứ cấp của biến áp đã bị ngắn mạch. Cơ chế này phát sinh dòng cảm ứng qua các ống. Chúng được gọi là dòng điện xoáy (dòng cảm ứng).