Vật liệu nguyên tử sẽ là mặt trận công nghệ mới

Từ những năm 60 của thế kỷ trước, các cấu trúc nano silicon hay chính là các con chip siêu nhỏ, đã cung cấp nguồn năng lượng vô cùng dồi dào để phát triển lĩnh vực điện tử, thông tin liên lạc, chế tạo, y dược và nhiều lĩnh vực khác.

Vậy các cấu trúc nano này nhỏ đến mức nào? Chúng vô cùng nhỏ, bạn có thể tích hợp ít nhất 3.000 transitor silicon lên ngọn của một sợi tóc. Tuy vậy, cũng có một giới hạn: dưới khoảng 5 na-nô-mét (nanometre) tức là 5 phần tỷ của một mi-li-mét thì khó có thể cải thiện hoạt động của các thiết bị silicon.

Vậy nếu chúng ta cạn kiệt vật liệu nano silicon thì thế hệ vật liệu chủ chốt tiếp theo của chúng ta sẽ là gì? Đó là khi “vật liệu nguyên tử” lên ngôi.

Vật liệu nguyên tử là gì?

Chúng được gọi là vật liệu nguyên tử vì đặc tính của chúng tùy thuộc vào cấu hình chính xác của nguyên tử. Đây là một lĩnh vực mới nhưng đang phát triển rất nhanh.

Hãy lấy graphene (một vật liệu làm từ nguyên tử carbon) làm ví dụ. Trong khi nguyên tử carbon của kim cương hình thành một cấu trúc 3 chiều thì graphene được làm từ một tấm đơn gồm các nguyên tử carbon, kết hợp với nhau thành một mạng cấu trúc tổ ong.

Do có cấu trúc rắn, kim cương đặc biệt cứng và bền, nó là vật liệu hoàn hảo để làm đầu mũi khoan không vật liệu nào bằng và cũng là đá quý vô cùng đắt tiền. Ngược lại, graphene với cấu trúc nguyên tử carbon 2 chiều cho phép các electron di chuyển không ma sát ở tốc độ cao nên có tính dẫn điện cực cao và tạo nên độ bền cơ học mặt phẳng tuyệt vời. Như vậy, graphene có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y dược, điện tử, tích trữ năng lượng và lọc nước.

Bằng tia laser, chúng ta có thể điều chỉnh các cấu trúc nguyên tử này thành các thiết bị thu nhỏ mà vẫn hoạt động cực kì tốt.

Các nhà khoa học ở Trường đại học Swinburne, Úc, đang dùng vật liệu nguyên tử cho để cải tiến rất nhiều quy trình, bao gồm:

Màng làm lạnh: màng lạnh này có thể làm mát môi trường tới 10℃ mà không cần điện. Nếu sử dụng màng lạnh này cho một tòa nhà thì có thể tiết kiệm 35% điện sử dụng cho làm mát vào mùa hè. Nhờ đó các tòa nhà không chỉ giảm được tiền điện mà còn giảm phát thải khí nhà kính.

Màng hấp thụ nhiệt: Khoảng 97% lượng nước trên Trái Đất là ở các biển, nước này rất mặn và không thể sử dụng được nếu không lọc. Về lâu dài, rất có thể con người sẽ phải lọc nước biển để bù đắp sự khan hiếm nước ngọt. Với màng graphene năng lượng mặt trời, quy trình lọc nước biển sẽ rất hiệu quả.

Màng graphene sẽ giữ lại hầu hết ánh nắng mặt trời và chuyển đổi thành nhiệt. Mức nhiệt này có thể tăng lên đến 160⁰C trong vòng 30 giây. Nhiệt có thể dùng để chưng cất nước biển với hiệu quả hơn 95% và nước cất sạch hơn nước vòi. Công nghệ có chi phí thấp này phù hợp cho gia đình và các ứng dụng công nghiệp.

Màng cảm biến thông minh: Màng vật liệu nguyên tử linh mềm dẻo này có thể kết hợp rất nhiều chức năng bao gồm cảm biến môi trường, trao đổi thông tin và tích trữ năng lượng và có thể đưa vào các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, thể thao, chế tạo tiên tiến, trồng trọt và nhiều lĩnh vực khác. Ví dụ: màng thông minh có thể giám sát độ ẩm của đất, nhờ đó việc tưới nước cho cây sẽ hiệu quả hơn.

Ống kính siêu mỏng, siêu nhẹ: Bộ phận cồng kềnh nhất của máy ảnh tích hợp trong điện thoại di động chính là ống kính, vì nó phải làm bằng kính quang dày. Nếu ống kính làm bằng graphene thì ống kính chỉ mỏng bằng một phần triệu của một milimet mà vẫn cho hình ảnh chất lượng tuyệt vời. Những ống kính như vậy sẽ làm giảm đáng kể trọng lượng cũng như giá thành của rất nhiều thiết bị từ điện thoại di động đến vệ tinh vũ trụ.

Cung cấp điện gần như tức thì: Các nhà khoa học ở Trường đại học Swinburne đã chế tạo ra một chiếc siêu tụ điện thân thiện với môi trường bằng graphene và có thể nạp điện cho thiết bị chỉ trong khoảng thời gian tính bằng giây. Tuổi thọ của siêu tụ điện này lên đến hàng triệu lần sạc. Khi được gắn vào phía sau tấm pin mặt trời, nó có thể tích trữ và giải phóng năng lượng điện mặt trời bất cứ khi nào và ở bất cứ đâu. Người sử dụng sẽ không phải phụ thuộc hay lo lắng gì khi đi xa.

Thế giới đang đối mặt với nhiều thách thức lớn, từ biến đổi khí hậu, khan hiếm năng lượng và tài nguyên đến sức khỏe thể chất cũng như tinh thần cho con người.

Cải tiến vật liệu đang trở nên quan trọng hơn bao giờ hết và cần được tiến hành một cách hiệu quả hơn, hướng đến mục tiêu sử dụng và thân thiện với môi trường. Nhưng các thách thức này chỉ có thể được giải quyết bằng sự nỗ lực chung của các nhà nghiên cứu, các doanh nghiệp, các ngành và các chính phủ trên toàn thế giới với một tinh thần cởi mở sẵn sàng chia sẻ và hợp tác.

Phạm Hường 

Theo The Conversation