Kim cương. (Hình: 4cs.gia.edu)
Xin nói ngay là kim cương và ruột bút chì đều là các-bon. Các-bon là một nguyên tố hóa học kỳ diệu trong vũ trụ. Các-bon có thể là một vật cứng nhất thế giới như kim cương, cũng có thể là một vật rất mềm như ruột bút chì. Các-bon có thể là chất dẫn điện và cũng có thể là chất cách điện. Hợp với những nguyên tố khác để trở thành những hợp chất thì các-bon có mặt khắp nơi, ngay như trong cơ thể của bạn cũng có các-bon.
Các-bon là gì?
Các-bon là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm 14 trong bảng tuần hoàn (periodic table). Các-bon là một trong số ít các nguyên tố có đặc tính gọi là allotropy. Nguyên tố nào có đặc tính này thì các nguyên tử của nguyên tố đó có thể nối kết với nhau theo nhiều cách. Mỗi cách nối kết tạo ra một vật thể khác. Tùy theo sự nối kết của các nguyên tử, các-bon có thể là kim cương, than chì (graphite) hay là nhiều vật thể khác.
Kim cương – Kim cương được tạo ra từ đâu
Nhiều người cho rằng kim cương được tạo ra từ than đá. Nhưng theo khoa học thì kim cương không phải tạo ra từ than đá. Than được tạo ra từ cây cỏ mà kim cương đã có từ thời chưa có cây cỏ. Kim cương được hình thành khoảng 1 tỷ tới 3.5 tỷ năm về trước và ở tầng lớp vỏ man-ti (mantle) của trái đất, sâu khoảng 150 km (90 dặm). Ở đó nhiệt độ rất cao, khoảng 1050 độ C (2000 độ F) và áp suất cũng rất lớn. Sau khi được hình thành, những trận núi lửa đẩy kim cương lên gần mặt đất và được tìm thấy nhiều nhất ở Nam Phi, Nga Xô và Botswana.
Đặc tính của kim cương
Kim cương là một chất rắn nhất, dẫn nhiệt nhất trong tất cả các vật chất thiên nhiên. Kim cương tinh khiết rất trong sáng và không có màu sắc. Kim cương có màu là vì có trộn lẫn các nguyên tố khác. Kim cương có đặc tính là phân tán ánh sáng trắng thành những màu sắc khác nhau, nhìn vào rất đẹp mắt. Đó là đặc điểm của kim cương khiến các bà các cô ưa thích. Kim cương lớn nhất thế giới (3106 carat) được tìm thấy ở một mỏ kim cương bên Nam Phi năm 1905. Hình sau đây là một kim cương màu nổi tiếng thế giới, tên là Hope Diamond, hiện được trưng bày tại bảo tàng viện Smithsonian National Museum of Natural History ở thủ đô Hoa Thịnh Đốn.

Hope Diamond (Hình: wikipedia.org)
Vì kim cương rất rắn chắc nên được dùng nhiều trong kỹ nghệ. 80% kim cương lấy được từ hầm mỏ lên không dùng để làm đồ trang sức được vì không đủ tiêu chuẩn. Số kim cương này được dùng trong kỹ nghệ để làm dao cắt, mũi khoan hay đá mài.
Muội than (soot)
Muội than là loại các-bon không kết tinh (amorphous carbon). Khi một vật có các-bon bị đốt cháy trong một môi trường không đủ dưỡng khí để cháy hoàn toàn thì sẽ sinh ra muội than. Muội than dùng để làm mực, để vẽ và làm pin khô (dry cell battery).
Than chì (graphite)
Than chì là một dạng kết tinh tự nhiên của các-bon, thường xuất hiện trong loại đá biến chất (metamorphic rock). Than chì là một khoáng chất rất mềm. Dưới một áp lực nhẹ, than chì sẽ bị rời ra và để lại một vết đen. Đó là lý do than chì được dùng làm bút chì.

Bút chì. (Hình:www.thelacmastore.org)
Ai đã cầm sách đi học chắc đã dùng mòn biết bao nhiêu cây bút chì (còn gọi là viết chì). Nhưng chữ “bút chì” là không đúng vì ruột bút chì không làm bằng chì mà làm bằng than chì trộn với đất sét. Sở dĩ có sự nhầm lẫn này là vì lúc mới phám phá ra than chì người ta tưởng lầm than chì là một dạng của chì.
Than chì dẫn nhiệt và dẫn điện rất tốt. Than chì cũng không bị biến đổi bởi các hóa chất khác hay nhiệt độ cao. Vì lý do đó than chì được dùng làm điện cực và sử dụng trong những quy trình kỹ nghệ ở nhiệt độ cao. Than chì càng ngày càng được dùng trong các pin lithium-ion, tức là loại pin trong các thiết bị như điện thoại di động hay máy tính xách tay. Pin trong xe hơi điện Nissan Leaf có tới gần 40 kg than chì.
Gra-phin (graphene)
Gra-phin là một lớp rất mỏng của các-bon. Mỏng không thể mỏng hơn được, bề dày của gra-phin chỉ là một lớp nguyên tử các-bon. Nhiều lớp gra-phin chồng lên nhau tạo thành than chì. Gra-phin có những đặc tính tuyệt vời:

Cấu trúc của gra-phin. (Hình:phys.org)
Nhẹ – một mét vuông gra-phin chỉ nặng có 0.77 miligram
Chắc chắn – gra-phin chắc hơn thép tới khoảng từ 100 tới 300 lần
Mềm dẻo – gra-phin mềm dẻo như cao su và có thể kéo dài ra tới 120% chiều dài của nó
Dẫn nhiệt – ở nhiệt độ trong nhà thì gra-phin dẫn nhiệt tốt nhất
Dẫn điện – gra-phin cũng dẫn điện tốt hơn cả đồng
Gra-phin được khám phá vào năm 2002, bởi Giáo Sư Andre Geim tại Đại Học Manchester bên Anh Quốc cùng với người học trò tên là Konstantin Novoselov. Hai ông viết một bài khảo cứu nói về khám phá của mình nhưng bị báo Nature từ chối không đăng hai lần vì người bình duyệt nghĩ là chuyện đó không thể có được. Sau cùng bài được đăng trên báo Science vào Tháng Mười năm 2004 và làm rúng động giới khoa học. Nhờ khám phá này hai ông được giải Nobel Vật Lý năm 2010.
Kể từ đó các nhà khoa học trong đủ mọi ngành từ vật lý, điện tử, hóa học, tới y khoa cũng như những công ty về điện tử đua nhau nghiên cứu và tìm tòi về gra-phin. Theo cơ quan về sở hữu trí tuệ Anh Quốc (UK Intellectual Property Office) thì năm 2011 trên thế giới có 3,018 bằng sáng chế về mọi vấn đề liên quan tới gra-phin. Đến đầu năm 2013 thì con số đó lên tới 8,416. Samsung là công ty có nhiều bằng sáng chế về gra-phin nhất.
Những áp dụng của gra-phin
Vì những đặc tính tuyệt hảo của gra-phin nên có nhiều công ty và các trường đại học đang nghiên cứu những áp dụng của gra-phin.
Kỹ sư sinh học – gra-phin có thể được dùng để làm những bộ cảm biến để đo lượng đường, lượng mỡ, v.v… trong sinh học.
Điện tử – có thể áp dụng gra-phin trong màn hình cảm ứng, LCD hay OLED.
Vỏ bánh xe – có công ty đang thử nghiệm vỏ bánh xe hơi trong đó có dùng gra-phin.
Hợp chất – vì gra-phin nhẹ và chắc nên các hãng đóng máy bay đang tìm cách kết hợp gra-phin với những chất khác để tạo ra một hợp kim có thể để thay thế thép và nhôm trong việc chế tạo máy bay.
Pin quang điện (photovoltaic cell) – gra-phin có thể thay thế các chất như si-lic (silicon) trong pin quang điện. Vì mỏng, nhẹ và mềm nên gra-phin có thể may vào quần áo và dùng để nạp điện cho điện thoại di động hay các thiết bị cầm tay khác.
Bạn có thể tự hỏi sao chưa thấy ứng dụng nào của gra-phin. Thời gian từ lúc khám phá ra tới lúc có áp dụng thực tế thường rất là lâu, có khi cả mấy thập niên. Vấn đề là làm sao có thể sản xuất gra-phin một cách quy mô và rẻ tiền mà hiện nay chưa có được.
Các dạng khác của các-bon
Các nhà khoa học đã phám phá ra nhiều dạng khác của các-bon, thí dụ như fullerene (còn gọi là bucky ball) hay carbon nano tube. Các loại này cũng có nhiều tính chất đặc biệt, nhưng không được phổ biến nhiều.
Hợp chất có các-bon
Các-bon có thể kết hợp với những nguyên tố khác để làm thành một hợp chất. Thí dụ một nguyên tử các-bon hợp với 2 nguyên tử o-xy để trở thành hợp chất các-bon đi-ô-xít. Nếu phân tích các nguyên tố trong con người thì 18% con người là các-bon. Thí dụ bạn nặng 50 kí thì tới 9 kí là các-bon. Cây cỏ có tới 45% là các-bon.
Hà Dương Cự/Người Việt
——————
Nguồn tài liệu:
https://en.wikipedia.org
https://education.jlab.org
https://mineralseducationcoalition.org