Siêu tụ điện

6. CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN

2.4.4Siêu tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ. Cơ sở lý luận cho việc chế tạo siêu tụ điện tương đối đơn giản. Đặc tính của tụ điện diễn tả bằng điện dung C và có công thức như sau:

C = εA/d

Trong đó: ε là hằng số điện môi

A là diện tích của điện cực

d là khoảng cách giữa được hai điện cực.

Vì vậy, để điện có thể "tụ" ở mật độ cao (điện dung C cao), ε phải lớn, A rộng và d nhỏ. Trong ba biến số này thì sự lựa chọn vật liệu có hằng số điện môi to ε có nhiều khó khăn, độ dày d chỉ có thể giảm đến một giới hạn nhất định. Chỉ có diện tích bề mặt A là một biến số có nhiều khả năng làm gia tăng. Như vậy điện cực cần một bề mặt rộng nhưng điều này tương phản với đòi hỏi thu nhỏ của tụ điện. Để giải quyết khó khăn này các điện cực kim loại của tụ điện được phủ lên lớp than xốp hoạt tính. Lớp than xốp sẽ gia tăng diện tích bề mặt từ 10.000 đến 100.000 lần nhiều hơn nhờ sự gia tăng của các lỗ vi mô. Hiện nay, siêu tụ điện có điện cực than xốp hoạt tính đang là một sản phẩm thông dụng trên thị trường.

Thường thì các siêu tụ điện được biết đến với tuổi thọ gần như vô hạn cùng với khả năng tái nạp điện năng chỉ trong vài giây, điểm yếu của những siêu tụ điện hiện tại là tỷ lệ năng lượng lưu trữ so với thể tích – hay mật độ năng lượng còn thấp. Siêu tụ điện do nhóm nghiên cứu của giáo sư Li sáng chế có mật độ năng lượng 60 Watt-giờ mỗi lít - tương đương với pin axit chì và cao hơn so với các siêu tụ điện thương mại hiện tại khoảng 12 lần! Để tối ưu hóa mật độ năng lượng, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một điện cực nhỏ từ một tấm phim thích ứng dạng gel bằng graphene để làm nên điện cực độc đáo nhỏ gọn của mình, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Li đã sử dụng chất điện phân lỏng sử dụng trong siêu tụ điện truyền thống để kiểm soát khoảng cách giữa các tấm graphene trên quy mô tiểu nanomét. Bằng cách này, chất điện phân lỏng đóng một vai trò kép: duy trì khoảng cách giữa các tấm graphene và tích trữ điện.

Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã sử dụng kỹ thuật làm giấy truyền thống để chế tạo vật liệu và bằng cách này, giá thành sẽ được giảm xuống và nâng cao quy mô để sử dụng trong công nghiệp. Giáo sư Li nói: "Chúng tôi đã tạo ra một vật liệu graphene vĩ mô, tiến thêm một bước quan trọng trước những gì đã đạt được. Giờ đây, mọi thứ đang ở giai đoạn chuyển đổi từ phòng thí nghiệm sang phát triển thương mại".

Các ứng dụng ưu việt của graphene nếu được khai thác tốt sẽ hứa hẹn đem lại rất nhiều lợi ích cho con người trong tương lai.

46

CHƯƠNG 3

MỘT SỐ ĐÒI HỎI CẤP THIẾT VÀ CÁC THÁCH THỨC ĐỂ KHAI THÁC VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU GRAPHENE 3.1 MỘT SỐ HIỆU ỨNG LƯỢNG TỬ ĐÃ PHÁT HIỆN KHI GIẢM KÍCH THƯỚC XUỐNG NANOMÉT

Khi giảm kích thước xuống mức nano, một số hiệu ứng mới tự nhiên nổi trội mà không cần thay đổi thành phần hoá học.

Khi giảm kích thước thì tỉ số giữa bề mặt và thể tích khối tăng lên và kết quả là hiệu ứng trên bề mặt chiếm ưu thế, các tương tác hoá học, xúc tác, dự trữ năng lượng, tương tác với môi trường, khả năng hoạt hoá trong thuốc chữa bệnh cũng tăng lên.

Khi kích thước vật liệu nhỏ sẽ dẫn đến việc vật liệu dùng để chế tạo ra sản phẩm cũng cần ít đi, năng lượng tiêu thụ ít, lượng chất thải ít. Như vậy công nghệ tạo ra các sản phẩm sẽ ít ảnh hưởng tới môi trường.

Đối với linh kiện điện tử ở kích thước nanomét sẽ rất nhỏ bé, do vậy quãng đường bay của hạt sẽ rất ngắn, vận tốc cao của hạt dẫn đến thời gian bay của hạt sẽ nhanh từ đó làm cho tần số hoạt động rất cao.

Kích thước linh kiện nhỏ tạo điều kiện tích hợp cao, khả năng làm việc tốt hơn, giá thành giảm.

3.2 ĐÒI HỎI PHÁT TRIỂN ĐO LƯỜNG VỀ NANO VÀ ĐƯA RA CÁC ĐIỀU KIỆN TIÊU CHUẨN KIỆN TIÊU CHUẨN

Hệ thống đo lường và các tiêu chuẩn nano sử dụng trong chế tạo nano cũng như thương mại hoá trong công nghệ chế tạo nano đang có các đòi hỏi cấp thiết, là yếu tố có vai trò then chốt trong việc phát triển công nghệ nano và chế tạo các sản phẩm nano mang tính quy chuẩn. Tuy nhiên trong lĩnh vực này đến nay vẫn chưa được chú trọng phát triển. Hiện nay đang có đề xuất dùng hệ đơn bội gen (anometrology) sử dụng làm công cụ đo cho việc phát triển của công nghệ nano. Việc xác định kích thước nhỏ hơn 1nm so với mẫu chuẩn đang là vấn đề vô cùng khó khăn hiện nay, đặc biệt nó còn gặp nhiều khó khăn hơn trong việc điều khiển quá trình sản xuất, chế tạo ra sản phẩm kích thước nano vì các quá trình này cũng tuân theo hệ quy chuẩn nghiêm của hệ nano trong khi các hệ quy chuẩn trong công nghệ vẫn chưa phát triển hoàn thiện. Hiện nay đã có một số nước đang xúc tiến mạnh trong lĩnh vực phát triển hệ đo lường tiêu chuẩn nano, trong đó phải kể đến Viện Quốc gia về Tiêu chuẩn Công nghệ của Mỹ (NIST), ở đó có các điều kiện tốt để triển khai chế tạo vật liệu nano với các tiêu chuẩn quy chuẩn cần đạt được cụ thể:

47 - Hoàn chỉnh đưa ra kích thước khắc chuẩn dạng tiêu chuẩn 3nm, 10nm hay 30nm làm tiêu chuẩn cho kĩ nghệ khắc nano.

- Lượng tử hoá việc truyền dẫn các hạt tải trong cấu trúc nano đặc trưng. - Cải thiện phương pháp đo lường nano cho các mẫu kích thước nano đặc trưng.

Công nghệ nano tạo ra nhiều cơ hội để tạo lập nên một nền tảng mới hoặc tạo ra các chuẩn thứ cấp. Ví dụ: từ 1990 các điện trở Hall (hiệu ứng Hall lượng tử) đã được sử dụng trong các phòng thí nghiệm quốc gia để đo điện trở kháng của vật liệu dẫn điện. Lưu ý là đối với graphene, khi xảy ra hiệu ứng Hall lượng tử thì độ chính xác các phép đo tỉ lệ với số nguyên hoặc phân đoạn của

h e2

, độ chính xác phép đo này giúp các nhà khoa học có thể đo được điện trở kháng cỡ vài micro-Ohm (10-6 Ω) với sai số vài trăm, hay thậm chí là vài chục nano-Ohm (10-9 Ω). Hay nhiệt độ, một số bán dẫn cấu trúc nano giúp các nhà khoa học có thể đo được chính xác nhiệt độ một số chất với độ chính xác cỡ 10-9 0K. Những điện trở này khi làm lạnh đến 1 0K hoặc thấp hơn trong từ trường cỡ vài tesla thì điện trở gần như không đổi giá trị và rất gần giá trị 0Ω.

3.3 ĐÀO TẠO NGUỒN NHÂN LỰC VÀ ĐẦU TƯ TÀI CHÍNH 3.3.1 Vấn đề giáo dục 3.3.1 Vấn đề giáo dục

Khi công nghệ nano phát triển và hội tụ lại, trong đó mang tính đa nghành thì các nghành học không còn mang tính tách biệt riêng rẽ như trước đây, chúng có sự đan xen vào nhau nên việc soạn lại giáo trình đào tạo đặc biệt là các bậc đại học, sau đại học cũng cần phải được xem xét lại. Do có sự liên kết giữa các trường đại học, các học viện do đó sự thay đổi là thật sự cần thiết để tăng cường liên, đan xen giữa các nghành học. Các thách thức đặt ra theo cả chiều rộng lẫn chiều sâu để đào tạo ra nguồn nhân lực đa ngành hiểu rõ các khái niệm mới, ngành nghề mới liên quan đến công nghệ nano và sản phẩm của nó. Các khoá học về vật liệu mới, về khoa học bề mặt, động học phân tử, các hiệu ứng lượng tử trong vùng trung gian và chế tạo vật liệu ở mức phân tử sẽ giúp đào tạo tốt hơn, có hiệu quả hơn so với phương pháp đào tạo truyền thống như hiện nay. Đáp ứng một phần nào đó về chất lượng nguồn nhân lực phục vụ phát triển công nghệ nano.

Như nước ta hiện nay là một nước có nền kinh tế nhỏ và kém phát triển, chưa có tiềm năng mạnh để phát triển khoa học và công nghệ nano trên diện rộng thì việc giáo dục và đào tạo để tạo ra nguồn nhân lực có sự hiểu biết kiến thức đa ngành và cả kiến thức chuyên môn sâu để có thể nắm bắt được xu thế thế giới, có khả năng tiếp cận công nghệ, sản phẩm mới. Nguồn nhân lực ấy có đủ khả năng ở mức độ nào

48 đấy cũng có thể thực thi được những nhiệm vụ hay thao tác theo yêu cầu của công nghệ.

Một mô hình như vậy có thể tạm hiểu là việc triển khai các trung tâm công nghệ cao, dễ thích ứng trong phạm vi các trường đại học, học viện rồi liên kết với các ngành công nghiệp. Các trung tâm đó cung cấp một môi trường gần như đầy đủ về các điều kiện nghiên cứu và thành lập các nhóm nghiên cứu về học thuật một cách đa dạng để từ đó cho phép đào tạo các nhà khoa học trẻ. Tuy nhiên, việc triển khai mô hình này hoàn toàn không dễ dàng, rất nhiều khó khăn, thách thức đặc ra về kinh tế, đặc biệt là đội ngũ đào tạo. Mặc dù vậy, việc đào tạo các nhà khoa học trẻ, công nhân lành nghề hiểu biết công nghệ cao là thật sự cần thiết, không thể không làm.

3.3.2 Vấn đề đầu tư tài chính

Như đã nói ở trên, thách thức về kinh tế và đội ngũ tri thức đào tạo là những nguyên nhân chính mà trong đó nguyên nhân kinh tế vẫn là yếu tố quyết định. Lấy ví dụ, nếu có đủ điều kiện tài chính, chúng ta hoàn toàn có thể mời các nhà khoa học nổi tiếng giảng dạy hay ít nhất cũng có thể cử người đi du học ở các nước có công nghệ phát triển cao. Nhiều chính phủ các nước đã nhận thấy tiềm năng của công nghệ nano nên đã tài trợ đặc biệt cho công nghệ này, một số nước còn đầu tư rất mạnh, đáng chú ý như: Nhật Bản, Mỹ, Anh, Đức, Trung quốc, Hàn quốc,… đã có trương trình quốc gia trọng điểm nghiên cứu về công nghệ nano. Tại Anh, chương trình “Sáng kiến quốc gia về công nghệ nano” cũng phát triển rất mạnh nhầm tuyên truyền và nâng cao nhận thức của người dân. Ở Mỹ, tính toán cho thấy tổng số tiền đầu tư cho lĩnh vực trên không ngừng gia tăng mỗi năm, năm 1997 là 116 triệu USD, đến 2001 là 422 triệu USD và cho thấy con số này có thể tăng hơn 1 tỷ USD vào năm 2015. Ở châu Âu, phần lớn đều có một hoặc nhiều chương trình nghiên cứu dành cho công nghệ nano. Mạng lưới nghiên cứu chung được phát triển thông qua liên minh châu Âu (EU) và nhiều trương trình nghiên cứu, cộng tác khác. Một số nước bắc Âu như: Phần Lan, Đan Mạch cũng đầu tư cho công nghệ nano đến 120 triệu EURO vào năm 2010. Các nước châu Á đặc biệt là Trung quốc, Hàn quốc đã thành công trong việc ứng dụng công nghệ nano trong tin học, vật liệu linh kiện, quang học, truyền thông. Sở dĩ đầu tư tài chính của chính phủ các nước dành cho lĩnh vực này rất lớn là do lợi nhuận trong lĩnh vục này thu được không hề nhỏ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Dự kiến trong tương lai gần, công nghệ nano sẽ mang lại lợi nhuận hằng năm như sau:

- Công nghiệp điện tử: 300 tỉ USD - Công nghiệp dược phẩm: 180 tỉ USD - Công nghiệp hoá học: 100 tỉ USD

- Công nghệ môi trường có thể giảm 10% năng lượng, như vậy có thể tiết kiệm được: 100 tỉ USD

49 Vấn đề cơ sở hạ tầng cũng cần được chú trọng quan tâm, nâng cao nhận thức các chương trình dành cho công nghiệp. Việc chia sẽ các kết quả nghiên cứu giữa các phòng thí nghiệm trong cùng một quốc gia hay giữa các quốc gia là rất cần thiết để tạo ra một cơ sở nghiên cứu đủ mạnh.

3.3.3 Vấn đề thương mại hoá

Graphene được xem như là vật liệu nhiều hứa hẹn của tương lai. Sau giải Nobel (2010) số bài báo cáo đã tăng vọt qua ngưỡng mười ngàn bài mỗi năm và số đăng ký phát minh cũng tăng theo hàm luỹ thừa. Danh sách ứng dụng của graphene rất dài bao gồm mọi ngành khoa học từ sinh y học đến điện tử học với những áp dụng mang tính đột phá trong dân dụng cũng như quốc phòng. Những ứng dụng chính đã được đề cập bên trên nhưng các ứng dụng khác liên quan đến sinh y, năng lượng mặt trời, khử độc tố trong nước, tàng trữ hydrogen, sự tương tác với ánh sáng và sóng điện từ không được đề cập chi tiết vì vượt quá khuôn khổ bài viết.

Thương mại hóa những thành quả nghiên cứu cơ bản là một trong những mục tiêu quan trọng của khoa học công nghệ. Nhưng sự chuyển biến từ thành quả hàn lâm đến công nghệ thực dụng không phải là con đường thẳng đầy hoa thơm cỏ lạ. Một phát hiện mới mang tính cách mạng xảy ra ở các trường đại học hay cơ sở nghiên cứu thường có một phong trào theo đuôi rầm rộ nhằm xin kinh phí cho các công trình nghiên cứu nối liền với nhiều hứa hẹn ứng dụng đổi đời. Các ứng dụng đề cập trong bài viết này chỉ là mẫu chế tạo trong phòng thí nghiệm, nên được xem như một "chứng cứ của tiềm năng" hơn là thương phẩm. Thực tế cho thấy quá trình chuyển biến từ phòng thí nghiệm đến thương trường không những cần thời gian, tiền bạc, sự kiên nhẫn và thông minh mà cần hội đủ yếu tố "thiên thời, địa lợi, nhân hòa". Trong khi giới hàn lâm chú trọng đến số lượng bài báo cáo được đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành, đến chất lượng tạp chí, lá cải hay uy tín thì mối quan tâm chính phủ và giới doanh thương là việc thương mại hóa các thành quả khoa học và làm ra tiền. Thường sau một thập niên khi sự háo hức ban đầu bắt đầu lắng đọng thì mọi người sẽ lùi một bước để thẩm định lại sự phát hiện bằng cái nhìn lạnh lùng của doanh nghiệp. Tóm lại, sự chuyển biến từ khoa học sang công nghệ chỉ thành công khi ba yếu tố kỹ thuật, kinh tế và thương mại đồng thời được thỏa mãn.

Một số ví dụ về tính hàn lâm của vật liệu cácbon trong hai thập niên qua như quả bóng C60, ống than nano và graphene lần lượt được phát hiện. Cứ mỗi lần phát hiện cộng đồng nghiên cứu khoa học hồ hởi đặt niềm tin vào những vật liệu này với mong ước gần xa rằng chúng sẽ cho những ứng dụng đột phá. Sự ra đời của quả bóng fullerene đã kích động không ít vào cộng đồng khoa học vì cái đẹp của cấu trúc hình học và tiềm năng ứng dụng của nó. Tuy nhiên, fullerene chỉ trở thành một vật liệu cho các công trình nghiên cứu cơ bản mà có lần tạp chí The Economist chua chát viết, "fullerene chỉ sản xuất những bài báo cáo hàn lâm". Mặc dù ngày nay

50 fullerene đang có một chỗ đứng đặc biệt là được dùng trong pin mặt trời hữu cơ, nhưng tác động của nó vào công nghiệp vẫn chưa mang tới một dấu ấn rõ rệt.

Việc phát hiện ống than nano làm bùng lên ngọn lửa nghiên cứu về vật liệu cácbon sau những thất vọng về fullerene. Nhưng sau hơn 20 năm nghiên cứu với hàng chục tỷ đô la kinh phí và công sức của nhiều bộ óc tinh anh, ống than nano vẫn còn lấp ló ở ngưỡng cửa ứng dụng công nghệ. Ống than nano không đạt được yêu cầu đồng nhất của cấu trúc cần thiết cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử.

Từ bài báo cáo năm 2004 đăng trên tạp chí quyền uy Science đến giải Nobel