Được phát hiện trong vết ố của bút chì, graphene có thể là siêu vật liệu mới giúp biến đổi ngành công nghiệp xe đạp không?
Về mặt của nó, graphene là một vật liệu đơn giản. Đó là một lớp nguyên tử cacbon đơn lẻ dày 0,3 nanomet - mỏng hơn một triệu lần so với tờ giấy của tạp chí này. Tuy nhiên, nó cứng hơn thép 150 lần và đàn hồi hơn 20%. Nó dẫn điện tốt hơn đồng hoặc vàng, với tốc độ một triệu mét / giây. Nó tỏa nhiệt nhanh. Nó trong suốt cũng như hoàn toàn không thấm nước và nó sẽ có tác động tương tự trong thế kỷ 21 mà sợi carbon đã làm trong thế kỷ 20 và thép vào thế kỷ 19. Không có gì ngạc nhiên khi hai nhà khoa học vật liệu tại Đại học Manchester, những người đã phát hiện ra nó vào năm 2003, Andre Geim và Konstantin Novoselov, đã nhanh chóng giành được giải thưởng Nobel và tước hiệp sĩ. Nhưng điều này liên quan gì đến xe đạp?
Những người đầu tiên sử dụng Graphene
Các sản phẩm đạp xe đầu tiên có chứa graphene đang bắt đầu tung ra thị trường. Vittoria sử dụng graphene trong vành Qurano carbon mới nhất của mình (xem trang 20) và Catlike cũng sử dụng nó trong mũ bảo hiểm Mixino hàng đầu của mình. Nhà chế tạo khung carbon tùy chỉnh Richard Craddock của Craddock Cycles cho biết, Hiện tại có rất nhiều hứng thú về graphene, nhưng đây mới chỉ là những bước đột phá đầu tiên. Giống như mọi vật liệu mới, tiềm năng đầy đủ của nó vẫn chưa được biết đến nhưng rất có thể lợi ích tối đa không phải là sự thay thế cho carbon mà là sự tăng cường. Tôi sẽ sử dụng nó khi nó đã được chứng minh.’
Paul Wiper, cộng sự nghiên cứu tại Viện Graphene Quốc gia tại Đại học Manchester, cho biết, ‘Graphene có thể cải thiện các tính chất cơ học của composite, vì nó có thể chia sẻ biến dạng khi được thêm vào ma trận nhựa epoxy và làm cho nó cứng hơn. Tuy nhiên, bạn phải có được sự cân bằng phù hợp. Rất nhiều graphene, chẳng hạn 10 hoặc 20% ma trận, sẽ làm cho nó thực sự cứng nhưng cũng sẽ giòn.’
Các đồng nghiệp của ông hiện đang hoàn thiện việc sử dụng graphene trong khung composite cho hàng không vũ trụ và nhà sản xuất ô tô Tây Ban Nha Spania đã đưa nó vào khung siêu xe GTA của mình. Vì vậy, khung xe đạp có thể là tiếp theo? “Không có lý do gì khiến nó không thể được sử dụng trong khung xe đạp và tôi chắc chắn rằng ai đó đang làm việc trên chúng rồi”, Wiper dự đoán. Vittoria có niềm tin vào graphene như vậy, nó đặt tiền của mình ở nơi miệng của nó. “Tôi tình cờ ăn tối cách đây 5 năm với người sáng lập Directa Plus, một trong những nhà máy sản xuất graphene đầu tiên ở châu Âu và tôi nảy ra ý tưởng sử dụng graphene trong các sản phẩm của chúng tôi”, Rudie Campagne, chủ tịch Vittoria cho biết. "Sau đó, chúng tôi quyết định đầu tư vào chúng, để trở thành tiên tiến nhất."
Vittoria tuyên bố bằng cách sử dụng graphene trong bánh xe Qurano carbon mới, nó đã tăng độ bền của lỗ chấu và độ cứng bên của vành xe lên tới 30%. Nhưng trên tất cả, Campagne hào hứng, ‘Khả năng tản nhiệt được cải thiện của graphene làm giảm nhiệt độ tích lũy của vành xe [khi phanh], giữ cho nó ở dưới ngưỡng mà sợi carbon sẽ bắt đầu phân hủy.’
Thêm graphene vào carbon không hoàn toàn đơn giản như thêm đường vào cà phê của bạn. Directa Plus cung cấp graphene cho Vittoria dưới dạng "tiểu cầu nano", chỉ dày từ ba đến bảy nguyên tử. Campagne cho biết: “Thách thức lớn là đạt được sự phân tán gần như hoàn hảo của graphene trong lô chính của nhựa epoxy cho các tấm cacbon prereg,” Campagne nói.
Lát của cảm hứng
‘Mọi người đã suy đoán trong nhiều thập kỷ rằng graphene tồn tại trong các dạng thù hình của vật liệu carbon như than chì, than đá và kim cương, nhưng không ai biết cách tạo ra nó như một lớp hai chiều duy nhất,” Wiper nói. Trong một khoảnh khắc đầy cảm hứng, Geim và Novoselov đã bắt đầu với một vết nhòe của than chì tinh thể - thực chất là một dấu bút chì - bao gồm nhiều lớp graphene xếp chồng lên nhau, và sử dụng băng dính, họ đã loại bỏ một số graphite. Vì tò mò, họ đã làm đi làm lại, cho đến khi cuối cùng họ phân lập được một lớp duy nhất - graphene nguyên chất. Sau đó, họ đã thử nghiệm nó.
‘Thông thường khi bạn làm vật liệu ngày càng mỏng hơn, tính chất của chúng sẽ xấu đi,” Geim cho biết. "Nhưng với graphene, chúng tôi thấy mọi thứ chỉ trở nên tốt hơn."
Phòng thí nghiệm trên khắp thế giới hiện chế tạo graphene theo nhiều cách, với các độ tinh khiết khác nhau, kích thước mẫu khác nhau và số lượng lô. Ví dụ, Catlike cho biết họ sử dụng sợi nano để duy trì độ bền của mũ bảo hiểm Mixino, hiện nhẹ hơn 10g so với các mẫu trước đây. Những người khác đang sử dụng nó dưới dạng dải băng nano, và Samsung và Sony tuyên bố đã phát minh ra cách tạo ra các tấm liên tục. Tuy nhiên, điều có lẽ đáng ngạc nhiên là nó không quá đắt. Bạn có thể mua một kg tiểu cầu nano với giá dưới £ 150. Khi có nhiều phiên bản tài liệu hơn được tạo ra, chắc chắn rằng việc sử dụng từ 'graphene' trong tài liệu tiếp thị sẽ tạo ra sự nhầm lẫn cho người tiêu dùng. Sẽ rất khó để xác định liệu một sản phẩm được tuyên bố là 'tăng cường graphene' có thực sự chứa vật liệu siêu nhỏ hay nó có hoạt động tốt hay không. Đó là một kẽ hở mà những kẻ vô đạo đức có thể khai thác.
‘Một phòng thí nghiệm có thể kiểm tra vật liệu để xem liệu nó có hoạt động như đã tuyên bố hay không, nhưng bạn phải thực hiện một thử nghiệm hóa học để đảm bảo có graphene,” Wiper nói. Và vì graphene tồn tại trong hầu hết các dạng carbon, thậm chí cả bụi than, nó có thể là địa ngục của Đạo luật mô tả giao dịch. Nhưng trong tầm tay phải, lời hứa của nó đối với ngành công nghiệp xe đạp là rất lớn. Các ứng dụng tiềm năng của graphene bao gồm ngăn ngừa sự ăn mòn trên các bộ phận tiếp xúc như vành, dây xích và nan hoa, hoặc nếu được nhúng vào các thành phần carbon, sợi nano graphene có thể dẫn điện hoặc thậm chí truyền dữ liệu. Điều đó sẽ làm giảm hệ thống cáp cho chuyển số điện tử và máy tính xe đạp. Ngoài ra, nó có thể tạo ra các đồng hồ đo sức căng trong trung tâm carbon, tay quay, bàn đạp, dây xích hoặc đế giày, nơi các sợi nano của nó sẽ làm giảm độ phức tạp và có khả năng giảm giá đồng hồ đo điện.
Kim cương nano đã được phủ một lớp graphene để tạo ra chất bôi trơn siêu bền, có thể loại bỏ hầu hết mọi ma sát từ các ổ trục và đèn LED tăng cường graphene siêu sáng được hứa hẹn sẽ sớm ra mắt vào năm sau. Một siêu tụ điện graphene có khả năng tích trữ nhiều năng lượng hơn bất kỳ loại pin nào hiện có, do đó, các thành phần chuyển dịch điện tử nhẹ hơn đáng kể cũng sẽ có thể thực hiện được. Hơn nữa, các thử nghiệm nhúng điện cực graphene vào sợi polypropylene cũng đang được tiến hành, vì vậy thậm chí còn có một số tiềm năng để đưa vào hàng may mặc trong tương lai. Đó là giả thuyết ở giai đoạn này nhưng có thể có một thời điểm khi áo sơ mi và quần đùi của bạn trở nên thông minh, cảm nhận nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ, tốc độ đổ mồ hôi và thậm chí cả hoạt động của các cơ riêng lẻ. Nó thực sự có vẻ như công dụng và lợi ích của nó có rất ít giới hạn.
‘Graphene rõ ràng là quá mới nên các ứng dụng của nó chỉ mới bắt đầu được nghiên cứu,” Campagne nói. ‘Sẽ mất nhiều năm nghiên cứu cơ bản và ứng dụng để đưa ra những cải tiến mới tuyệt vời cho các sản phẩm hiện có hoặc các ứng dụng và cải tiến mới. Cuộc hành trình chỉ mới bắt đầu.’
