Thế giới hai chiều

(Ảnh của Nobelprize.org)

Chúng ta sống trong thế giới có không gian ba chiều và mọi sự vật được tiếp nhận trong không gian ba chiều đấy. Từ không gian ba chiều chúng ta có thể hình dung thấy các vật hai chiều và một chiều. Mặt bàn có thể tiếp nhận là không gian hai chiều, một sợi dây thẳng có thể coi là không gian một chiều. Giả sử như có sinh vật hai chiều sinh sống trong không gian hai chiều thì chúng sẽ như thế nào? Chúng có đặc điểm gì đặc biệt khác so với chúng ta, sinh vật ba chiều trong không gian ba chiều? Hãy thoải mái tưởng tượng xem chúng như thế nào. Những sinh vật hai chiều đấy có một đặc điểm rất đặc biệt mà chúng ta rất dễ hình dung: đường tiếp nhận thức ăn và đường bài tiết phải là một, bởi vì nếu như đường tiếp nhận thức ăn và đường bài tiết là hai đường khác nhau như con người thì chúng sẽ bị tách ra làm hai mảnh riêng biệt. Thế giới hai chiều có những đặc điểm kỳ lạ, khác hẳn với thế giới ba chiều của chúng ta.

Graphene, một dạng tồn tại của carbon, có thể coi là một thế giới vật lý hai chiều. Đấy cũng là vật chất hai chiều thực sự đầu tiên mà con người có thể tạo ra được. Cái mặt bàn có thể coi là không gian hai chiều, nhưng thực sự không phải là vật chất hai chiều, nó thực sự ba chiều như những con người chúng ta. Carbon là nguyên tố liên quan trực tiếp đến sự sống. Đó cũng là nguyên tố có thể hình thành vật chất ở các dạng khác nhau. Kim cương, than chì và carbon vô định hình là ba dạng tồn tại của carbon trong tự nhiên.  Bên cạnh đó con người đã tạo ra được các dạng tồn tại khác của carbon: phân tử C60 có dạng như một quả bóng đá, được gọi là fullerene và ống nano carbon. Khám phá ra cấu trúc fullerene đã đoạt được giải thưởng Nobel về hóa học năm 1996. Cái tên fullerene là dạng rút gọn của tên Buckminsterfullerene, đặt theo tên của nhà kiến trúc Richard Buckminster Fuller, người thiết kế ra vòm trắc đạc. Do cấu trúc của C60 trông giống như một mặt cầu trắc đạc mà C60 có tên gọi như vậy. Cái đuôi -ene trong fullerene để chỉ mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử carbon khác (một nguyên tử carbon có thể liên kết cộng hóa trị tối đa với bốn nguyên tử carbon khác và đuôi -ene để chỉ cặp liên kết >C=C<) . Cái đuôi -ene này cũng chính là đuôi của tên graphene. Còn gốc graph có nghĩa là vẽ hay viết vốn từ tên gọi của than chì (graphite) do than chì được sử dụng để làm bút chì. Năm 2004 Novoselov và Geim (cùng một số cộng sự khác) đã tạo ra được graphene từ than chì. Đây là vật chất hai chiều thực sự đầu tiên mà con người tạo ra được. Trước đấy, nhiều vật chất có tính chất như hệ hai chiều đã được khám phá, ví dụ như các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, nhưng thực sự chúng vẫn là vật chất ba chiều, tuy tính chất vật lý của một chiều không gian không đáng kể so với hai chiều còn lại. Than chì có cấu trúc bao gồm các lớp hình tổ ong xếp chồng lên nhau (hình vẽ có thể xem ở đây). Do liên kết giữa các lớp yếu nên rất dễ tách các lớp của than chì ra. Khi dùng bút chì để viết là chúng ta đã tách các lớp của than chì ra, và vì vậy chúng lưu lại trên giấy hình thành chữ viết hay hình vẽ. Tách các lớp của than chì dễ dàng như vậy, nhưng tách ra để còn đúng một lớp của than chì thì lại không dễ dàng. Trước khám phá của Novoselov và Geim người ta đã tìm cách chế tạo ra một lớp của than chì, tức graphene, nhưng không thành công. Novoselov và Geim đã dùng phương pháp băng dính để bóc dần các lớp của than chì, và điều quan trọng là đã tìm ra được phương pháp để xác định rằng chỉ còn lại có đúng một lớp của than chì. Khám phá của Novoselov và Geim đã được trao giải Nobel về vật lý năm nay, năm 2010. Khám phá này đã mở ra con đường chế tạo và khám phá vật thể hai chiều thực sự.

Tuy graphene được coi là vật thể hai chiều, chúng không hoàn toàn phẳng. Từ lâu các nhà khoa học đã chứng minh được rằng không thể tồn tại cấu trúc tinh thể hai chiều. Thực tế, lớp graphene có gợn sóng hay nhăn lại như hình vẽ ở trên. Vậy thế giới hai chiều của graphene cũng không hoàn toàn là phẳng hay hai chiều. Liệu những nếp nhăn của graphene có ảnh hưởng hay có vai trò gì không thì đến nay vẫn là vấn đề mở và chưa có câu trả lời xác đáng. Một trong những đặc điểm nổi trội của graphene là điện tử chuyển động trong graphene có thể xem như là có khối lượng bằng 0, tức là giống như các hạt mang ánh sáng, tuy vận tốc của chúng nhỏ hơn vận tốc ánh sáng khoảng 300 lần. Nhờ có tính chất như vậy mà trong một số điều kiện nhất định điện tử trong graphene có thể xuyên hầm hoàn toàn qua một thế rào chắn cứ như là không có rào chắn ở đấy. Đó là nghịch lý Klein hay hiện tượng xuyên hầm Klein mà điện tử thông thường không thể làm được. Graphene còn cho thấy nó còn có những tính chất khác thường khác mà vật lý ngày nay vẫn còn đang nghiên cứu và khám phá.

Từ chế tạo được một lớp graphene người ta có thể chế tạo được vật chất chỉ có hai lớp hay một số hữu hạn lớp graphene, cũng như cắt lớp graphene thành các dải ruy băng graphene. Tùy thuộc vào cách cắt mà dải ruy băng graphene có thể có tính chất của bán dẫn hay kim loại. Graphene chưa cắt có tính chất như chất bán kim nếu bỏ qua các tương tác của điện tử, và vì vậy nó khó có khả năng để có thể chế tạo ra các cổng logic, tức là những thành phần thiết yếu để chế tạo ra con chip như trong máy tính chẳng hạn. Để có thể chế tạo ra các cổng logic, vật liệu chế tạo cần có tính chất bán dẫn, và dải ruy băng graphene có thể áp ứng được. Tuy vậy khả năng ứng dụng của graphene vào công nghệ cũng như khả năng thay thế các chất bán dẫn silic truyền thống vẫn là vấn đề của tương lai. Mặc dù khả năng ứng dụng của graphene vẫn đang là vấn đề mở, graphene vẫn là một thứ hấp dẫn và cuốn hút các nhà khoa học nghiên cứu và khám phá do tính chất hai chiều đặc biệt của nó. Sao lại không tưởng tượng, khám phá và thưởng thức về một thế giới hai chiều chứ?