carbon nano tubes seminar

CARBON NANOTUBES -SEMINAR

This is the compilation of carbon nanotubes up to 6/2012 for the seminar of nanotech chemistry subject – compiled and edited : Nguyen Quoc Hoang

and Ngo Ngoc Chi Thanh – master course of chemistry course 3

NANOTECH CHEMISTRY

NANOTECH-CHEMSEMINAR

Table of Contents

I. TỔNG QUAN VỀ CARBON NANOTUBE......................................................................................................3

Giới thiệu.................................................................................................................................................3

I.2 Lịch sử nghiên cứu..............................................................................................................................5

I.3 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TRÚC CỦA CÁC DẠNG CNTs.................................................................................7

I.3.1 CNTs đơn lớp (SW-CNTs).............................................................................................................8

I.3.2 Nano đa lớp (MWNTS)...............................................................................................................12

I.3.3 So sánh SWNTs và MWNTs........................................................................................................16

I.3.4 Một số dạng CNTs khác:.............................................................................................................18

I.4 Tính chất của Carbon nanotube........................................................................................................20

1.4.1 Đặc tính cơ học:........................................................................................................................21

I.4.2 Tính dẫn điện.............................................................................................................................22

I.4.3 Cách tính khả năng dẫn điện của CNTs......................................................................................24

I.4.4 Tính chất nhiệt...........................................................................................................................25

I.4.5 Tính chất quang học...................................................................................................................25

I.4.6 Sự truyền tải một chiều và khuyết tật:......................................................................................26

II. Độc tính.................................................................................................................................................27

III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO...............................................................................................................28

III.1 Cơ chế mọc ống nano cácbon.........................................................................................................28

III.2 Chế tạo vật liệu CNTs bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học (CVD).................................29

III.3 Chế tạo CNTs bằng phương pháp phóng điện hồ quang................................................................30

III.4 Chế tạo CNTs dùng nguồn laser......................................................................................................31

III.5 Chế tạo CNTs bằng phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt...................................................................32

IV Ứng dụng:..............................................................................................................................................33

IV.1 Các ứng dụng hiện nay:..................................................................................................................34

IV.2 Trong kết cấu của vật liệu:..............................................................................................................34

IV.3 Trong mạch điện:............................................................................................................................34

IV.4 Trong dây điện và dây cáp..............................................................................................................34

IV.5 Trong chế tạo pin giấy (paper batteries):........................................................................................35

1 | P a g e N G O N G O C C H I T H A N H - N G U Y E N Q U O C H O A N GCAO HỌC HÓA CẦN THƠ – K3 _2012


IV.6 Pin mặt trời:...................................................................................................................................35

IV.7 Trong lưu trữ hydrogen:.................................................................................................................35

IV.8 Hiệu quả của CNTs trong việc hấp thụ hydrogen bị giới hạn:.........................................................36

IV.9 Trong siêu tụ điện (untracapacitor):...............................................................................................36

IV.10 Trong hấp thụ sóng radar:............................................................................................................36

IV.11 Trong y học:..................................................................................................................................37

IV.12 Các ứng dụng khác.......................................................................................................................37

V. Gắn nhóm chức.....................................................................................................................................38

V.1. Gắn nhóm chức bằng cách sử dụng các nguyên tố kim loại, hợp chất vô cơ, và các hợp chất Grignard:................................................................................................................................................38

V.2. Gắn nhóm chức CNTs trong môi trường acid mạnh có chứa các chất có oxy.................................39

V.3. Gắn nhóm chức CNTs bằng các hợp chất chứa nhóm alkyl hoặc vòng thơm.................................39

V.4. Chức hóa ống nano bằng các hợp chất chứa nhóm chức amin ( amido) mạch thằng hay vòng thơm......................................................................................................................................................40

V.5. Chức hóa ống nano carbon bằng các hợp chất chứa nhóm chức sulfur.........................................41

V.6. Chức hóa ống nano bằng hợp chất vòng đại phân tử.....................................................................41

References:................................................................................................................................................43



I. TỔNG QUAN VỀ CARBON NANOTUBE

Giới thiệu

Sự tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu và phát triển vật liệu, đặc biệt là vật liệu kích thước nano

đã đưa công nghệ nano đi đầu trong sự phát triển khoa học – công nghệ. Trong số những vật liệu

liên quan đến sự khởi đầu và tiến triển của công nghệ nano, fullerene và carbon nanotubes

(CNTs) là hai vật liệu quan trọng và đáng chú ý nhất.

Fullerene là những cụm/phân tử carbon lớn, trong hình dạng của một khối cầu rỗng, elip hoặc

ống. Ống nano là loại cấu trúc fullerene, trong đó cũng bao gồm cả buckyball. Trong khi

buckyball có dạng hình cầu, một ống nano lại có dạng hình trụ, với ít nhất một đầu được phủ bởi

một bán cầu có cấu trúc buckyball.



a) kim cương; b) than chì; c) Lonsdaleite – kim cương hình lục giác; d) C60

(Buckminsterfullerene or buckyball); e) C540; f) C70; g) Carbon vô định hình; h) Carbon

nanotubes đơn lớp.

Các ống nano carbon (CNTs), được coi như một dạng thù hình mới của carbon. Một ống nano

đơn lớp là một tấm than chì độ dày 1 nguyên tử carbon cuộn tròn lại thành một hình trụ liền. Tên

của chúng được đặt theo hình dạng, do đường kính của ống nano vào cỡ vài nanometer (xấp xỉ

nhỏ hơn 50.000 lần sợi tóc), trong khi độ dài của chúng có thể lên tới vài milimete. Với tỉ lệ

chiều dài/đường kính lớn như thế nên có thể xem CNTs là dạng fullerenes một chiều.

Điều đặc biệt ở CNTs là nó có nhiều tính năng khác thường, ưu việt hơn hẳn các loại vật liệu

khác như bền hơn thép nhiều lần, cứng hơn kim cương, dẫn điễn tốt hơn đồng, dẫn nhiệt tốt hơn

kim cương… Với những tính chất cơ, nhiệt, điện ưu việt như thế, CNTs có tiềm năng ứng dụng

to lớn trong các ngành công nghệ nano, điện tử, quang học, vật liệu và y dược. Hiện nay, CNTs

được ứng dụng rộng rãi như chất phụ gia tăng cường tính năng cho nhiều loại vật liệu như nhựa

và sợi carbon…

Các ống nano carbon được phân thành 2 loại chính là các ống đơn lớp (SWNTs) và đa lớp

(MWNTs).



I.2 Lịch sử nghiên cứu

Vào đầu thập niên 50 của thế kỷ trước, hai nhà khoa học Nga, L. V. Radushkevich và V. M.

Lukyanovich, tuyên bố việc chế tạo ống than nano lần đầu tiên trong bài báo cáo đăng trên tạp

chí hóa học vật lý Nga “Soviet Journal of Physical Chemistry” năm 1952. Vì viết bằng tiếng Nga

và ảnh hưởng chính trị do chiến tranh lạnh đương thời, nên sự giao lưu thông tin khoa học bị giới

hạn khiến bài báo chìm vào quên lãng.

Hơn hai mươi năm sau, Oberlin, Endo và Koyama đã đăng hình ảnh rõ rang của sợi carbon rỗng

với đường kính cỡ nanometer được tổng hợp bằng cách sử dụng Crystal Growth năm 1976. Công

trình của Endo nhằm phân tích cấu trúc bên trong của sợi carbon được chế tạo bằng cách nhiệt

phân benzene và ferrocene ở 1000 độ C, và làm sáng tỏ cơ chế hình thành của chúng để điều

khiển việc sản xuất sợi carbon quy mô lớn (loại sợi này còn được gọi là vapor grown carbon

fibers; VGCFs). Nhiều điều kiện tổng hợp đã được thử nghiệm nhằm tạo loại sợi mỏng (<100

nm) để có thể chụp được bằng kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM). Với

những hình ảnh thu được, cho thấy quá trình nhiệt phân có thể sản xuất các ống graphite kích

thước nano, và đó cũng là những hình ảnh đầu tiên về SWNTs và MWNTs. Một lần nữa, bài báo

đã không tạo được sự ảnh hưởng lớn với cộng đồng nghiên cứu khoa học vì lúc đó họ đang tập

trung nghiên cứu việc chế tạo và sản xuất đại trà sợi carbon kích thước micro từ sự nhiệt phân

polyacrylonitrile mà hiện giờ là một sản phẩm gia cường phổ biến trên thị trường cho các loại

composite.



a) Hình HRTEM của hai SWNTs cắt nhau với lớp phủ carbon vô định hình

b) Hình ảnh phóng to của một ống grapheme riêng lẻ và được cho là hình ảnh đầu tiên về

SWNTs. Đường kính ống khoảng 4 nm.

c) Hình ảnh HRTEM của một MWNTs bên trên cùng với một SWNTs được chỉ thị bằng mũi

tên.

Sau đó, John Abrahamson đã trình bày bằng chứng của ống nano carbon tại Biennial Conference

of Carbon lần thứ 14 ở trường ĐH Penn State nawmg1979. Báo cáo đã mô tả các ống nano

carbon là những sợi carbon được sản xuất trên các cực dương bằng carbon trong quá trình phóng

điện hồ quang.

Trong nawmg 1981, một nhóm các nhà khoa học Nga đã đăng kết quả nghiên cứu đặc tính cấu

trúc và hóa học của các hạt nano carbon bằng phương pháp oxy hóa khử xúc tác nhiệt

(thermalcatalytical disproportionation) với carbon monoxide. Với các kết quả TEM và XRD, các

tác giả đã đưa ra giả thiết những tinh thể ống carbon đa lớp được tạo thành bằng việc cuộn các

lớp grapheme thành hình trụ.

Ngoài ra, một đăng ký phát minh của H. G. Tennent thuộc Công ty Hyperion Catalyst

International (Mỹ) năm 1987 đã tuyên bố cách sản xuất các sợi carbon nhỏ rời hình trụ

“cylindrical discrete carbon fibrils” với đường kính khoảng 3,5 – 70 nm và chiều dài gấp 100 lần

đường kính. Các ống than cũng được cho là tạo nên bởi các tấm grapheme cuộn lại thành một

vùng bên ngoài gồm nhiều lớp liên tục có bề dày cỡ nguyên tử carbon và một lõi rỗng bên trong.



Nhưng phần lớn các tài liệu thông dụng và học thuật đều công nhận sự khám phá ra các ống than

graphite rống, kích thước nano là của Sumio Iijima thuộc Công ty điện lực Nippon năm 1991.

Iijima đã dùng HRTEM và nhiễu xạ electron để đưa ra sự tồn tại của vi ống carbon xoắn (nay gọi

là ống nano) bao gồm các ống grapheme lồng nhau.

Vật liệu này được tạo ra từ quá trình phóng điện hồ quang với mục đích tạo cấu trúc fullerene từ

carbon nguyên tử. Những ống lồng nhau đồng trục này có khoảng cách giữa các lớp khoảng 3,4

Angtron lớn hơn khoảng cách giữa các lớp graphite khoảng 3,35 Angtron. Iijima đã liên hệ sự

khác nhau này với sự kết hợp của việc uốn cong các tấm grapheme và lực Van der Waals yếu

hơn giữa các ống liền kề.

Từ đó, Ebbesen và Ajayan đã đưa ra phương pháp chế tạo CNTs quy mô lớn sử dụng kỹ thuật

phóng điện hồ quang. Các ống nano thu được từ kết tủa bên trong tạo ra bởi điện cực graphite

phóng hồ quang trong môi trường khí He ở điều kiện tối ưu của áp suất và dòng điện DC.

Ngày nay, CNTs có thể được sản xuất bằng cách sử dụng một loạt các quá trình như phóng điện

hồ quang, nhiệt phân hydrocarbon trên các hạt kim loại, hóa hơi các đối tượng graphite bằng

laser, hóa hơi carbon bằng bức xạ mặt trời, và điện phân bằng điện cực carbon trong các muối

ion nóng chảy.

I.3 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TRÚC CỦA CÁC DẠNG CNTs

Liên kết trong CNTs là sp2, với mỗi nguyên tử carbon liên kết với 3 nguyên tử lân cận như trong

graphite. Vì thế, ống nano được xem như những tấm grapheme cuộn lại, một dạng fullerenes

hình trụ. Cấu trúc liên kết này mạnh hơn liên kết sp3 trong kim cương tạo cho CNTs độ cứng độc



nhất. Các ống CNTs có nhiều dạng khác nhau nhưng chủ yếu được phân làm hai loại chính là

ống đơn lớp và ống đa lớp.

I.3.1 CNTs đơn lớp (SW-CNTs)

Một ống SW-CNTs được tạo thành bởi các nguyên tử carbon liên kết với nhau sắp xếp trong một

mạng lưới lục giác. Các ống thường bị giới hạnh ít nhất một đầu bởi một bán cầu buckyball. Hầu

hết SWNTs và C60 fullerene có đường kính khoảng 1nm. Một số SWNTs có đường kính từ 0,4

– 5 nm. SWNTs không tồn tại riêng lẽ trong tự nhiên, lực Van der Waals giữa các phân tử khiến

chúng kết tụ thành chum hoặc dây.

Hình:

A) Ống nano carbon đơn lớp SWNTs

B) Hình SEM của SWNTs

C) Hình TEM của SWNTs kết chùm với các hạt nano kim loại



D) Hình ảnh TEM độ phân giải cao của một bó SWNTs gồm trên 25 ống và một ít carbon vô

định hình ở trên thành.

Cách mà tấm grapheme cuộn lại theo các hướng khác nhau được biểu diễn bởi một căp chỉ số

nguyên (n,m) gọi là vector chiral. Các số nguyên n và m là số của các vector đơn vị dọc theo hai

hướng trong lưới tinh thể hình tổ ong của grapheme. SWNTs với các vector đối quang khác nhau

có tính chất cơ, điện và quang học không giống nhau.

Cấu trúc của SWNT được khảo sát dựa trên tấm grapheme dạng 2D

Với a1 và a2 là các vector đơn vị của grapheme trong không gian thực. Giá trị n, m có thể tính

được ở đầu cuối của ống CNTs.



Nếu m = 0, ống nano được gọi là “zigzag”. Nếu n = m, ống nano được gọi là ghế bành

“armchair”. Với các giá trị khác, chúng được gọi là dạng đối quang “chiral”. Ở dạng không đối

quang (non-chiral) như armchair và zigzag, các lưới tổ ong ở trên và dưới của ống luôn song

song với trục ống. Còn dạng chiral thì nghiêng một góc bằng góc chiral 𝞱.

Hình: Cấu trúc armchair (m,m); zigzag (n,0) và chiral (n,m) của ống nano đơn lớp

Các chỉ số (m,n) cũng có thể được dùng để tính đường kính của ống như sau:

Với a=1,42 x √3 Angtron là hằng số lưới lục giác trong graphite. (1,42 Antron là khoảng cách C-

C cho lai hóa sp2 carbon).

Ngoài chỉ số (m,n) để xác định cấu trúc ống nano còn dùng góc nghiêng 𝞱.

Với 𝞱 = 0, (m,n) = (p,0), p là một số nguyên, ống dạng zigzag

𝞱 = +/- 30o , (m,n) = (2p, -p) hoặc (p,p), ống dạng armchair



Góc chiral 𝞱 (góc giữa Ch và hướng zigzag) được xác định như sau:

SWNTs là một loại quan trọng của vật liệu CNTs bởi hầu hết tính chất của nó thay đổi một cách

đáng kể với trị số (m,n), và sự thay đổi này không biến đổi đều theo (m,n). Đặc biệt là tính chất

điện, SWNTs có năng lượng vùng cấm (band gap) thay đổi từ 0 – 2 eV và khả năng dẫn điện có

thể giống kim loại hoặc bán dẫn. Vì thế SWNTs đang được nghiên cứu để có thể ứng dụng trong

vi điện tử. Hơn nữa, với kích thước kính ống cỡ 1 nanomete SWNTs thích hợp làm vi mạch siêu

nhỏ trong công nghệ vi điện tử.

Ống nano đơn lớp có chi phí sản xuất cao. Năm 2000, mỗi gram SWNTs có giá khoảng 1500

USD. Đến năm 2007, một vài nhà cung cấp đã phân phối SWNTs vào khaongr 50 -100

USD/gram. Hiện nay giá 1 gram SWNTs hàm lượng 40 – 60 % khối lượng khoảng 50 USD, cập

nhật tháng 3 năm 2010. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn là rất cấn thiết

cho tương lai của công nghệ nano. Nếu không thể phát triển các phương pháp tổng hợp rẻ hơn,

nó sẽ trở thành rào cản về mặt tài chính trên con đường đưa ống nano đơn lớp vào ứng dụng thực

tế.

I.3.2 Nano đa lớp (MWNTS)

Ống nano đa lớp gồm nhiều lớp than chì. Có hai mô hình được sử dụng để miêu tả MWNTs.

Trong mô hình thứ 1 có tên gọi: Russion doll, MWNTs gồm nhiều ống SWNTs đơn lồng vào

nhau. Trong mô hình thứ 2: Parchment, MWNTs được mô tả như một tấm đơn graphite được

cuộn xung quanh chính nó, giống như một cuộn giấy da hoặc tờ báo cuộn tròn lại. Khoảng cách

giữa các lớp trong MWNTs tương đương khoảng cách các lớp graphite trong cấu trúc than chì,

xấp xỉ 3,4 Angtron. Do đó, MWNTs có đường kính lớn hơn SWNTs (khoảng 1,5 – 100 nm hoặc

hơn), và có độ trơ hóa học cao hơn.



Cơ cấu Russian doll được quan sát thây phổ biến hơn. Từng lớp vỏ của nó được mô tả như

những SWNTs, có thể mang tính kim loại hoặc bán dẫn. Bởi xác suất thống kê về sự hạn chế về

đường kính tương đối của các ống riêng lẻ, một trong những lớp vỏ, và vì vậy MWNTs thường

là một kim loại có năng lượng vùng cấm bằng 0 (zero-gap).

Giống như SWNTs, MWNTs cũng bị lực Van der Waals kết tụ nhưng ảnh hưởng ít hơn. Vì thế,

cùng với cấu trúc không đồng nhất của mình mà MWNTs thường tồn tại ở dạng ống và tạo rất ít

chùm kết tụ.



Hình:

F) Hình SEM của MWNTs kết tụ

G) Hình TEM của MWSTs

H) Hình HRTEM của MWNTs với khoảng 20 lớp trên mỗi thành



Tuy nhiên, hình dạng sản phẩm MWNTs và SWNTs giống nhau

Hình:

C) MWNTs dạng bột được chế tạo theo phương pháp phóng điện

D)SWNTs dạng bộtđược chế tạo theo phương pháp Rice HiPco.

MWNTs hai lớp được gọi là DWNTs, nó là một loại đặc biệt của CNTs bởi hình thái và tính chất

của nó tương tự như SWNT nhưng độ bền hóa học được cải thiện đáng kể. Điều này đặc biệt

quan trọng khi cần biến tính (ghép các chức năng hóa học lên bề mặt ống) để thêm các thuộc tính



mới cho CNTs. Trong trường hợp của SWNT, biến tính cộng hóa trị sẽ phá vỡ một số liên kết

C=C, đẻ lại lỗ hổng trong cơ cấu CNTs và do đó thay đổi các thuộc tính cơ, điện. Trong trường

hợp của DWNT, chỉ co lớp bên ngoài bị sửa đổi. Việc tổng hợp SWNTs trên quy mô gram lần

đầu tiên được đề xuất năm 2003 dùng kỹ thuật CVD, sử dụng quá trình khử chọn lọc dung dịch

oxit trong methane và hydro.

Với khả năng chuyển động lồng nhau co giãn được của các lớp vỏ bên trong và cơ tính độc nhất

của mình, mở ra khả năng ứng dụng MWNTs như những cánh tay di động tỏng các thiết bị vi cơ

tương lai. Tuy nhiên, MWNTs lại ít được chú ý hơn SWNTs vì sự phức tạp của nó, mỗi lớp vỏ

có thể mang các tính chất khác nhau và có sự tương tác giữa các lớp.



I.3.3 So sánh SWNTs và MWNTs

Hình chụp TEM của carbon nanotube

Hình chụp SEM của CNTs kết tụ



I.3.4 Một số dạng CNTs khác:

Nanotorus là một carbon nanotube uốn cong thành một hình xuyến. Nanotorus được dự đoán là

có nhiều tính chất độc đáo, chẳng hạn như momen từ lớn hơn 1000 lần so với dự kiến trước đó

cho một số bán kính cụ thể. Những tính chất như momen từ, bền nhiệt … thay đổi nhiều tùy

thuộc vào bán kính của hình xuyến và bán kính của ống.

Nanobud:

Là một vật liệu mới được phát hiện, tạo nên sự kết hợp hai dạng thù hình của carbon là carbon

nanotube và fullerene. Trong vật liệu mới này, fullerene giống như chồi là liên kết cộng hóa trị

với lớp ngoài là CNT cơ bản. Vật liệu lai (hybrid) này có tính chất hữu ích cho cả hai fullerene

và CNTs. Đặc biệt, chúng có khả năng phát xạ trường điện tử cực tốt. Trong các vật liệu



composite, sự có mặt của các phân tử fullerene có chức năng như các mẫu neo phân tử giữ các

ống nano không bị trượt, do đó cải thiện cơ tính của vật liệu.

Nanopeapod:

Là một vật liệu lai mới lạ, nó chứa các phân tử fullerene bên trong CNTs. Nó có thể có các tính

chất từ lý thú với việc đun nóng hoặc chiếu xạ. Nó cũng có thể được ứng dụng như một mạch

dao động trong lúc nghiên cứu lý thuyết và dự đoán.

Carbon nanotubes xếp chồng lên nhau (Cup-stacked carbon nanotubes – CSCNTs)



Là loại ống carbon với những cấu trúc carbon giả một chiều (quansi-1D) khác, những loại

thường thể hiện tính dẫn điện giống kim loại. Còn CSCNTs biểu hiện tính bán dẫn do vi kết cấu

xếp chồng của các lớp grapheme.

Carbon nanotubes Extreme

Cycloparaphenylene

Các hình ảnh của ống CNTs dài nhất là 18,5 cm đã được báo cáo trong năm 2009, các ống này

được phát triển trên nền Si sử dụng kỹ thuật lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) được cải tiến.

Các ống CNTs ngắn nhất là hợp chất hữu cơ cycloparaphenylene được tổng hợp vào đầu năm

2009.

Các ống CNTs mỏng nhất là armchair (2,2) CNT với đường kính 3 Angtron. Ống nano này được

phát triển bên trong một ống MW-CNTs. Việc xác định các dạng của ống nano được thực hiện

bằng sự kết hợp các phương pháp HRTEM, phổ Raman và tính toán mô hình cơ học lượng tử

(thuyết mật độ chức năng – DFT).

Ống nano đơn lớp mỏng nhất ở dạng tự do có đường kính khoảng 4,3 Angtron. Các nhà nghiên

cứu đoán rằng nó có thể là 5,1 hoặc 4,2 SWNTs, nhưng chính xác loại nào vẫn còn nghi vấn.

Còn (3,3), (4,3) và (5,1) CNTs (đều có đường kính khoảng 4 Angtron) đã được xác định rõ ràng

bằng HRTEM được điều chỉnh chính xác hơn. Tuy nhiên, chúng được tìm thấy bên trong các

ông nano carbon hai lớp.



I.4 Tính chất của Carbon nanotube

1.4.1 Đặc tính cơ học:

CNTs là vật liệu bền nhất và cứng nhất từng được khám phá trong các thử nghiệm về độ bền kéo

và module đàn hồi. Khả năng này cảu CNTs là do liên kết cộng hóa trị sp2 giữa các carbon

nguyên tử. Năm 2000, một ống nano carbon đa lớp được thử nghiệm có một sức bền đến 62 GPa.

Để minh hoạc, sức căng 6422 kg. Những nghiên cứu tiếp theo đã tiết lộ các lớp vỏ CNT có sức

bền lên đến 100 GPa, phù hợp với các tính toán lý thuyết. Vì ống CNTs có khối lượng riêng ở

thể rắn thấp khoảng 1,3 – 1,4 g/cm3 nên sức bền của nó lên đến 48.000 kN.m/kg, là vật liệu có

độ bền cao nhất từng biết. Nếu so với thép thường độ bền chỉ khoảng 154 kN.m/kg.

Nếu bị kéo căng quá mức, các ống sẽ trả qua biến dạng dẻo, có nghĩa là các biến dạng vĩnh viễn.

Biến dạng này bắt đầu vào khoảng 5%, và có thể làm tăng sức căng tối đa các ống phải chịu

trước khi bị bẻ gãy bằng cách giải phóng năng lượng biến dạng.

Bảng: Cơ tính và mật độ của các loại sợi

Vật liệu Độ cứng (GPa) Độ bền (GPa) Độ căng (%) Mật độ (kg/m3)

Thép 203 0.6 - 7.800

Nhôm 75 0,075 1 2.600

Sợi carbon #(HS) 240 6,4 1,8 1.800

Sợi carbon #(HM) 310 3,5 - 1.900

Sợi carbon #(UHS) 825 - - 1.900

Sợi aramid (Kevlar) 180 3,5 3 1.440

CNTs 1000 80-150 5 1.400

Poly

(methylmethacrylate

)

2,5 0,06 0,1-1 1.200

GPa: giga pascal, 1 GPa = 109 Pa. Pa (=N/m2) là lực trên một đơn vị điện tích

Độ cứng (stiffness) còn gọi là module Young

Độ bền ở điểm đứt (stress at break)



Độ căng ở điểm đứt (strain at break)

Bảng trên cho thấy dù các trị số khác nhau nhưng cơ tính của CNTs nổi bật so với thép và các

loại sợi gia cường (reinforcing fibers) hiện có trên thị trường. Nếu ta lấy trị số 1.000 GPa cho độ

cứng và 100 GPa cho độ bền, ta thấy CNTs cứng hơn thép 5 lần, bền hơn thép 160 lần nhưng lại

nhẹ hơn thép gần 6 lần, Có thẻ nói CNTs có cơ tính cao nhất so với các vật liệu được biết.

Cơ tính của CNTs trong bảng là của một ống riêng lẻ. Trên thực tế, các ống CNTs đơn lớp không

tồn tại từng ống một mà nhiều ống xoắn vào nhau thành những cụm hay bó. Còn các MWNTs thì

bị tương tác trượt yếu giữa vỏ và ống liền kề làm giảm đáng kể sức bền. Do đó, độ bền của các

ống MWNTs và bó ống SWNTs chỉ còn một vài GPa. Một kỹ thuật gần đây tạo cầu nối giữa các

lớp vỏ và ống làm tăng độ bền vật liệu lên đáng kể, khoảng 60 GPa đối với MWNTs và 17 GPs

đối với các bó DWNTs.

CNTs không thật sự bền nén. Bởi có cấu trúc rỗng và hệ số co cao, nên chúng có xu hướng bị

biến dạng cong khi chịu ứng suất nén, xoắn hay uốn.

Các ống SWNTs tiêu chuẩn có thể chịu áp suất lên tới 24 GPs mà không bị biến dạng. Sau đó,

chúng còn trải qua sự biến đổi thành các ống nano thời kỳ siêu cứng. Áp suất tối đa đo được cho

SWNTs khoảng 55 GPa. Module đàn hồi của các ống nano giai đoạn siêu cứng vào khoảng 462

– 546 GPa, cao hơn cả kim cương 420 GPa.

I.4.2 Tính dẫn điện

Ống than nano có đường kính vài nm đến vài chục nm nhưng có thể dài đến micromete, thậm chí

milimete. Vì có khả năng dẫn điện, các CNTs có thể xem như một dây dẫn điện có đường kính

cực nhỏ và là dây dẫn điện lý tưởng một chiều (1D).

SWNTs là chất dẫn điện hay chất bán dẫn phụ thuộc vào đường kính ống và góc chiral. Do tính

đối xứng và cơ cấu điện tử duy nhất của grapheme, cấu trúc của CNTs ảnh hưởng mạnh mẽ đến

tính chất điện của nó, tức phụ thuộc vào cặp giá trị (m,n)

Nếu m=n: CNTs có khả năng dẫn điện như kim loại (metallic)



Nếu m-n = 3i: CNTs có khả năng như chất bán kim loại (semimetallic) với khoảng band gap

nhỏ. i là một số nguyên.

Nếu m-n ≠ 3i: CNTs là chất bán dẫn

Ví dụ: (6,0) CNT (zigzag, kim loại), (10,2) CNTs (bán dẫn) và (10,10) CNT (armchair, kim

loại). Do đó tất cả armchair CNTs là kim loại và (6,4), (9,1)… là bán dẫn.

Tuy nhiên, nguyên tắc này có ngoại lệ, bởi vì hiệu ứng cong trong carbon nanotube có đường

kính nhỏ có thể ảnh hưởng mạnh mẽ tính chất điện. Như vậy, (5,0) SWCNTs lại là kim loại bán

dẫn trong thực tế theo các tính toán. Và ngược lại, SWCNTs zigzag và dạng không đối xứng với

đường kính nhỏ có thể là kim loại có năng lượng band gap hữu hạn. Trong lý thuyết, nanotubes

kim loại có thể mang một mật độ điện 4x109 A/cm2 lớn hơn 1000 lần so với các kim loại như

đồng.

MWNTs với liên kết các lớp vỏ bên trong thể hiện tính siêu dẫn với một nhiệt độ tương đối cao

Tc = 12K. Ngược lại, giá trị Tc lại thấp hơn với SWNTs dạng bó hoặc cho MWNTs với các lớp

vỏ bình thường, không có nội liên kết.



I.4.3 Cách tính khả năng dẫn điện của CNTs

y0 = 2,7 ev: năng lượng của liên kết C-C

aC-C: khoảng cách gần nhất của hai nguyên tử C trong ống nano [=0,142 nm]

d: đường kính ống

Hình dạng ống tạo ra một tính chất đặc biệt rất quan trọng là sự truyền điện dạng đạn đạo

(ballistic conduction). Đạn đạo ở đây có nghĩa là quá trình truyền điện trong đó electron di động

thẳng theo một phương hướng nhất định. không bị vướng mắc và không có sự va chạm đến các

nguyên tử của vật liệu. Sự truyền điện thông thường trong kim loại thường gây ra tổn thất nhiệt

vì khi di động electron thường xuyên va chạm vào các nguyên tử khác và đó là nguyên nhân của

điện trở và nhiệt. Truyền điện kiểu đạn đạo khác sự truyền điện siêu dẫn là truyền đạn đạo không

có hiệu ứng từ tính Meissner và khi tắt nguồn điện dòng điện triệt tiêu, nhưng trong chất siêu dẫn

dòng điện vẫn tiếp tục hiện hữu.

Bằng những thiết kế thí nghiệm tinh vi và sáng tạo, nhóm de Heer ( Georgia Institute of

Technology, Mỹ) đã xác định sự truyền điện đạn đạo trong SWNT và MWNT. Điểm nổi bật rất



quan trọng của ống nano là sự truyền điện đạn đạo có thể xảy ra ở nhiệt độ bình thường, trong

khi nhiều vật liệu khác chỉ xảy ra ở nhiệt độ âm vài trăm độ C. Một điểm nổi bật khác là ống

than nano có thể tải điện ở mật độ rất cao 109-1010 A/cm2, hay là 1000 lần cao hơn đồng.

Điều này cho thấy một tiềm năng ứng dụng rất đa dạng trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử khi

linh kiện và mạch điện càng lúc càng nhỏ đến mức nanometer.

I.4.4 Tính chất nhiệt

như các cấu trúc nano khác, CNTs được quan tâm lớn không chỉ tính chất cơ học, tính chất điện,

mà còn do các thuộc tính nhiệt của nó. Do kích thước nhỏ nên tính chất nhiệt có liên quan đến

các hiệu ứng lượng tử và cấu trúc ống.

Do kim cương và than chì là những chất có khả năng dẫn nhiệt cao, nên đã có nhiều nghiên cứu

về tính chất nhiệt của ống CNTs. Tất cả các nanotube được cho là dẫn nhiệt dọc theo chiều dài

ống rất tốt. Đo lường cho thấy SWNT có độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng dọc theo trục là khoảng

3500 W.m-1.K-1, so sánh với đồng là 385 W.m-1.K-1. Ở nhiệt độ phòng, một SWNT có độ dẫn

nhiệt theo trục chỉ khoảng 1,52 W.m-1.K-1, tương đương độ dẫn nhiệt của đất. Độ bền nhiệt của

CNTs được ước tính lên đến 2800 độ C trong chân không và 750 độ C trong không khí.

I.4.5 Tính chất quang học



Trong khoa học vật liệu, tính chất quang học của CNTs chỉ đặc biệt để hấp thu,

photoluminescence và quang phổ Raman của CNTs.

Phương pháp quang phổ cung cấp khả năng mô tả một cách nhanh chóng và không phá hủy các

CNTs. Sự hấp thụ quang học, photoluminescence và quang phổ Raman cho phép mô tả đặc tính

một cách nhanh chóng và đáng tin cậy của CNTs.

CNTs có thể truyền và nhận ánh sáng ở cấp độ nano. Khả năng truyền dẫn ánh sáng của CNTs

giống như cách mà một antene thực hiện với sóng vô tuyến chỉ khác là chúng tương tác với ánh

sáng thay vì sóng radio. Các nguyên tắc chi phối sự tương tác của sóng ánh sáng và ống CNTs

giống như antene radio với các tín hiệu radio.

Trong khi đó, tính chất điện và điện hóa (siêu tích điện) của CNTs cũng được phát hiện và có

ứng dụng. Việc sử dụng tính chất quang học tỏng thực tế là chưa rõ rang.

I.4.6 Sự truyền tải một chiều và khuyết tật:

Bởi vì kích thước nano nên các điện tử chỉ truyền dọc theo trục của ống và vận chuyển điện tử

thành hiệu ứng lượng tử. Do đó, các CNTs được gọi là 1 chiều – 1D.

Với bất kỳ vật chất nào, sự tồn tại của một khuyết điểm trong tinh thể đều ảnh hưởng đến tính

chất của vật chất đó. Khuyết tật có thể xảy ra ở dạng khuyết nguyên tử. Mức độ khuyết tật cao có

thể giảm sức bền lên đến 85%. Một dạng khuyết tật của CNTs là khuyết Stone Wales, tạo ra một

ngũ giác và cặp hình bảy cạnh do các liên kết được sắp xếp lại. Do cấu trúc rất nhỏ của CNTs,

cường độ chịu sức căng – kéo của ống phụ thuộc vào phân khúc yếu nhất của nó trên chuỗi,

nghĩa là độ lớn của liên kết yếu nhất sẽ là độ bền tối đa của chuỗi.

Khuyết tật tinh thể cũng ảnh hưởng đến tính chất điện của ống. Một kết quả chung là giảm tính

dẫn thông qua các vùng bị lỗi của ống. Một khuyết tật trong armchair CNTs có thể gây ra các

vùng xung quanh trở thành bán dẫn, và trống một nguyên tử duy nhất có thể gây ra các tính chất

từ.

Khiếm khuyết tinh thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến đặc tính nhiệt của ống. Khuyết tật như vậy dẫn

đến tán xạ phonon. Điều này làm giảm tính dẫn nhiệt của các CNTs. Các khuyết tật dạng thay

thế như Ni hoặc B chủ yếu dẫn đến sự tán xạ photon với tần số quang học cao. Tuy nhiên, các



khuyết tật trên quy mô lớn hơn chẳng hạn như khuyết tật Stone Wales gây ra hiện tượng tán âm

từ (phonon scattering) trên một dải rộng tần số, dẫn đến sự giảm tính dẫn nhiệt.

II. Độc tínhĐộc tính của CNs rất quan trọng đối với lĩnh vực công nghệ nano. Việc đánh giá gặp nhiều khó

khăn đối với tính độc của một loại vật liệu đa dạng này. Các yếu tố như cấu trúc, phân bố kích

thước, diện tích bề mặt, tính chất hóa học bề mặt, điện tích bề mặt, và trạng thái kết tụ cũng như

độ tinh khiết của CNs là những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính của CNs. Tuy nhiên, dưới

một vài điều kiện cụ thể, CNs có thể đi qua được màng sinh học, điều đó có nghĩa là nếu CNs

tiếp xúc với cơ quan nội tạng, chúng có thể gây ra những tác động xấu đến cơ thể như gây sưng

tấy và phản ứng fibrotic (xơ hóa mô).

Một nghiên cứu bởi Alexandra Porter ở Đại Học Cambridge cho thấy CNTs có thể thâm nhập tế

bào người và tích tụ ở tế bào chất gây chết tế bào.

Các nghiên cứu trên loài gặm nhấm cho thấy CNTs có khả năng gây sưng tấy, gây u mô, xơ hóa

mô (fibrosis) à ccs thay đổi về hóa sinh/độc tính đối với phổi.

Khi thí nghiệm trên chuột, cùng một lượng bằng nhau thì SW-CNTs độc hại hon quartz (thạch

anh), có tiềm tàng về nguy hại sức khỏe cộng đồng khi hô hâp phải thường xuyên.

Hình dạng của CNTs giống mũi kim và tương tự như amiang (asbestos fiber). Điều này làm gia

tăng lo ngại rằng khi sử dụng rộng rãi CNTs có thể dẫn đến ung thư biểu mô màng phổi, một

bệnh ung thư dọc theo màng phổi hay ung thư biểu mô màng bụng. Một nghiên cứu thử nghiệm

được công bố gần đây đã ủng hộ tiên đoán này. Các nhà khoa học đã phơi nhiễm màng biểu mô

của chuột với CNTs đa lớp và dài, có dạng như sợi amiang, sau đó quan sát thấy các u hạt, vết

thương bị nhiễm trùng và sưng tấy hình thành. Họ kết luận rằng:

Kết quả của chúng tôi cho rằng cần phải nghiên cứu sâu hơn và khuyến cáo mạnh mẽ hơn trước

khi đưa những sản phẩm này vào thị trường tiêu dùng nếu như những nguy cơ về lâu dài không

có.



III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Hiện nay, có bốn phương pháp phổ biến được sử dụng:

- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học (CVD).

- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano bằng phương pháp phóng điện hồ quang.

- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano dùng nguồn laze.

- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano bằng phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt.

III.1 Cơ chế mọc ống nano cácbon

Có thể hiểu một cách đơn giản quá trình mọc CNTs như sau (hình 4):

Hạt xúc tác được tạo trên đế.

Khí chứa cácbon (CnHm) sẽ bị phân ly thành nguyên tử cácbon và các sản phẩm phụ khác do năng lượng nhiệt, năng lượng plasma có vai trò của xúc tác.

Các sản phẩm sau phân ly sẽ lắng đọng trên các hạt xúc tác. Ở đây sẽ xảy ra quá trình tạo các liên kết C-C và hình thành CNTs.



Kích thước của ống CNTs về cơ bản phụ thuộc kích thước hạt xúc tác. Liên kết giữa các hạt xúc tác và đế mà ống nano cácbon quyết định cơ chế mọc: mọc từ đỉnh của hạt lên hay mọc từ đế lên tạo thành CNTs. Kích thước của hạt xúc tác kim loại và các điều kiện liên quan khác quyết định ống nano các bon là đơn vách (SWCNTs) hoặc đa vách (MWCNTs).

Hình 5. Ảnh SEM của CNTs với hạt xúc tác ở đáy ống và ở đầu ống

III.2 Chế tạo vật liệu CNTs bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học (CVD)

Trong phương pháp CVD thường sử dụng nguồn các bon là các hyđrô các bon (CH4, C2H2) hoặc CO và sử dụng năng lượng nhiệt hoặc plasma hay laser để phân ly các phân tử khí thành

các nguyên tử các bon hoạt hóa. Các nguyên tử các bon này khuếch tán xuống đế, và lắng đọng lên các hạt kim loại xúc tác (Fe, Ni, Co), và CNTs được tạo thành. Nhiệt độ để vào khoảng 6500C - 9000C.

Phương pháp lắng đọng hoá học pha hơi thường tạo ra MWNTs hoặc SWMTs với độ sạch không cao, thường người ta phải phát triển các phương pháp làm sạch. Phương pháp này có ưu điểm là dễ chế tạo và rẻ tiền.



Hình 6. Ảnh TEM các ống cácbon nanô mọc bằng phương pháp CVD

Một số kỹ thuật CVD tạo CNTs thường được sử dụng là:

- Phương pháp CVD nhiệt.

- Phương pháp CVD tăng cường Plasma.

- Phương pháp CVD xúc tác alcohol.

- Phương pháp CVD nhiệt có laser hỗ trợ.

- Phương pháp mọc pha hơi.

- Phương pháp CVD với xúc tác CoMoCat.

III.3 Chế tạo CNTs bằng phương pháp phóng điện hồ quang

Trong phương pháp này hơi các bon được tạo ra bằng cách phóng một luồng hồ quang điện ở giữa hai điện cực làm bằng các bon có hoặc không có chất xúc tác. CNTs tự mọc lên từ hơi các bon. Hai điện cực các bon đặt cách nhau 1 mm trong buồng khí trơ (He hoặc Ar) ở áp suất thấp (giữa 50 và 700 mbar). Một dòng điện có cường độ 50 - 100 A được điều khiển bởi thế khoảng 20V tạo ra sự phóng điện hồ quang nhiệt độ cao giữa hai điện cực các bon. Luồng hồ quang này làm bay hơi một điện cực các bon và lắng đọng trên điện cực còn lại, tạo ra sản phẩm là SWCNTs hoặc MWCNTs tuỳ theo việc có chất xúc tác kim loại (thường là Fe, Co, Ni, Y hay Mo) hay không. Hiệu suất tạo ra CNTs phụ thuộc vào môi trường plasma và nhiệt độ của điện cực nơi các bon lắng đọng.

Với điện cực là các bon tinh khiết, ta thu được MWCNTs còn khi có kim loại xúc tác (Ni, Co, Fe) ta thu được SWCNTs. CNTT-CB

Cac kỹ thuật chế tạo CNTs bằng hồ quang khác:

- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang ngòai không khí.

- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang trong ni tơ lỏng.

- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang trong từ trường.



- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang với điện cực plasma quay.

III.4 Chế tạo CNTs dùng nguồn laser

Một chum laser năng lượng cao (xung hoặc liên tục) làm bay hơi một bia graphite trong lò ở nhiệt độ cao khoảng 1200oC. Trong lò có chứa khí trơ He hoặc Ne với mục đích giữ áp suất trong lò ở 5oo rorr và đóng vai trò của khí mang đưa hơi carbon về phía cực lắng đọng.

Các nguyên tử, phân tử carbon lắng xuống có thể gồm fullerene và MW-CNTs. Để tạo ra SW-CNTs thì bia phải có xúc tác kim loại (Co, Ni, Fe hoặc Y). CNTs được tạo ra bằng phương pháp bay hơi bằng chùm tia laser có độ tinh khiết cao hơn so với phương pháp hồ quang điện. Với xúc tác hỗn hợp Ni/Y (tỉ lệ 4,2/1) cho kết quả tạo SW-CNTs tốt nhất.



III.5 Chế tạo CNTs bằng phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt

Dùng bình thép không rỉ có chứa các bi thép không rỉ với độ cứng cao và đổ vào bình thép bột graphit tinh khiết (98%). Bình thép không rỉ được thổi khí Argon với áp suất 300 kPa. Quay bình để bi thép không rỉ nghiền bột graphit khoảng 15 giờ. Sau khi nghiền, bột có rất nhiều ống nano các bon đa vách. Người ta cho rằng quá trình nghiền tạo ra các hạt graphit nhiều mầm để phát triển ống nano các bon và khi nung ủ nhiệt, các mầm đó phát triển thành ống nano các bon.



IV Ứng dụng:Nhiều ứng dụng của CNTs trong điện tử chủ yếu dựa trên các phương pháp sản xuất có chọn lọc

hoặc là CNTs bán dẫn hay CNTs kim loại. Nhiều phương pháp tách CNTs bán dẫn và kim loại

đã được thực hiện, nhưng hầu hết chưa có phương pháp nào thực tiến trong sản xuất hàng loạt.

Phương pháp hiệu quả nhất dựa trên siêu ly tâm để tách dựa trên sự khác biệt về tỉ trọng, phương

pháp này sẽ tách CNTs được bao phủ bởi chất hoạt động bề mặt bằng sự khác biệt rất nhỏ về tỉ

trọng. Sự khác biệt tỉ trọng do khác biệt về đường kính ồng và các tính chất về dẫn điện. Một

phương pháp nữa để tách loại là sử dụng một loạt các giai đoạn gồm đông lạnh (freezing), rã

đông (thawing) và nén SWNTs gắn chặt vào agarose gel. Quá trình này sẽ tạo ra một dung dịch

có chứa 70% SWNTs thuộc tính kim loại và để lại trong gel 95% SWNTs thuộc tính bán dẫn.

Dung dịch loãng được tách loại bằng phương pháp này xuất hiện rất nhiều mày sắc. Hơn nữa,

SWNTs có thể được tách loại bằng phương pháp sắc ký cột với hiệu suất 95% SWNT thuộc tính

bán dẫn và 90% SWNT thuộc tính kim loại.

Một vấn đề trong tách loại SWNT thuộc tính kim loại và bán dẫn là có thể phân loại SWNTs

theo chiều dài, đường kính và tính đối quang (chirality). Sự tách loại SWNT theo đường kính

dùng máy siêu ly tâm để tách dựa trên thang tỉ trọng (DGU), các chất hoạt động bề mặt sẽ phân

tán SWNTs và sử dụng sắc ký trao đổi ion đối với DNA-SWNT. Việc tách loại từng chất đối

quang được thực hiện bởi IEC bằng DNA-SWNT: các oligomer DNA ngắn có thể được sử dụng

để tách loại từng SWNT đối quang riêng lẽ. Từ phương pháp này có thể tách loại 12 đối quang

khác nhau với độ tinh khiết lần lượt là 70% đối với (8,3) và (9,5) SWNT, 90% đối với (7,5) và

(10,5) SWNTs. Người ta cũng thành công trong việc tích hợp các CNTs tinh khiết này vào các

thiết bị ví dụ như FETs.

Một phương pháp tách loại nữa là phát triển các mầm CNTs thuộc tính kim loại hoặc bán dẫn

một cách có chọn lọc. Gần đây, một công thức mới dành cho phương pháp CVD là kết hợp

ethanol và methanol dạng khí với chất nền là thạch anh (quartz) tạo ra các hàng được canh theo

chiều ngang với 95 – 98% thu được CNTs thuộc tính bán dẫn.

CNTs được nuôi trên các hạt kim loại từ tính có kích thước nano (Fe, Co), dạng CNTs này được

dùng trong sản xuất các thiết bị điện tử (spintronic).



IV.1 Các ứng dụng hiện nay:

Việc ứng dụng và sử dụng CNTs bị hạn chế do CNTs chủ yếu dưới dạng bulk (thô) gồm nhiều

thánh phần CNTs khác nhau. Vì thế không có được độ bền, độ dai giống như từng ống riêng lẽ,

và khi ứng dụng trong composite thì đáp ứng được nhiều yêu cầu và ứng dụng. CNTs dạng bulk

dùng làm sợi composite trong polymer để tăng cơ tính, các tính chất về nhiệt và điện của sản

phẩm dạng bulk.

IV.2 Trong kết cấu của vật liệu:

Do tính chất về cơ học ưu việt, nhiều ứng dụng như từ các vật dụng trong quần áo, thể thao cho

đến những áo giáp và thang máy không gian. Tuy nhiên, thang máy không gian đỏi hỏi thêm

nhiều nghiên cứu trong công nghệ tinh lọc CNTs, vì khả năng chịu lực của CNTs có thể còn

được nâng cao hơn nữa.

Do tính cơ học cao nên CNTs được nghiên cứu ứng dụng trong phát triển các bộ đồ chống đạn,

mặc dù hiệu quả trong việc ngăn không cho đạn xuyên vào cơ thể nhưng do năng lượng động

học của viên đạn sẽ gây gãy xương và chảy máu ở bên trong.

IV.3 Trong mạch điện:

Các transistor làm bằng CNTs còn được gọi là transistor hiệu ứng từ CNTs (CNTFETs), làm

việc ở nhiệt độ phòng và có khả năng chuyển mạch kỹ thuật số bằng một electron. Tuy nhiên,

một trở ngại lớn là CNTs dạng thương phẩm là dạng thô (bulk) nên không có tính công nghệ.

Năm 2001, các nhà nghiên cứu IBM đã chỉ ra rằng CNTs thuộc tính kim loại bị phá hủy và chỉ

có CNTs thuộc tính bán dẫn được dùng làm transistor. CNTs lần đầu được tích hợp trong mạch

lưu trữ vào năm 2004, và gặp thách thức trong việc điều chỉnh độ dẫn của CNTs. Phụ thuộc vào

các tính chất bề mặt của CNTs mà nó có thể là chất truyền dẫn hay bán dẫn. Một kỹ thuật được

phát triển để loại bỏ các ống không có thuộc tính bán dẫn.

IV.4 Trong dây điện và dây cáp

Dây điện truyền tải điện năng cso thể được làm bằng sợi CNTs thuần khiết và bằng composite

CNTs. Gần đây, các sợi dây điện nhỏ được sản xuất với độ dẫn riêng tốt hơn đồng và nhôm.



IV.5 Trong chế tạo pin giấy (paper batteries):

Pin giấy là dạng pin công nghệ sử dụng các tấm giấy mỏng bằng cellulose (thành phần chính của

giấy thông thường) được gắn với CNTs được canh chỉnh. CNTs hoạt động như các điện cực, cho

phép các thiết bị tích trữ điện năng dẫn truyền điện. Pin giấy vừa có chức năng của một pin

lithium và một siêu tụ điện, có thể dung cấp điện năng lâu và ổn định so với một pin thông

thường, cũng như siêu tụ điện dễ cháy khi điện năng lớn – và trong khi pin thông thường chứa

nhiều thành phần riêng biệt, pin giấy tích hợp tất cả các thành phần trong một cấu trúc duy nhất,

làm tăng tính hiệu năng.

IV.6 Pin mặt trời:

Một ứng dụng triển vọng của SWNTs là trong các tấm pin mặt trời, do tính chất hấp thu tốt

UV/Vis-NIR. Pin mặt trời được nghiên cứu tại New Jersey Institute of Technology sử dụng phức

hợp CNTs, tạo thành từ một hỗn hợp CNTs và carbon buckyball (fullerene) để tạo ra các kết cấu

giống con rắn. Buckyball sẽ nhốt các electron, nhưng không thể dẫn truyền electron. Tia mặt trời

sẽ kích hoạt polymer và buckyball sẽ nhốt lấy electron. CNTs hoạt động như các sợi dây đồng,

sau đó sẽ dẫn truyền electron tạo ra dòng điện.

Các nghiên cứu tiếp tục tiến hành để tạo ra các tấm pin năng lượng mặt trời dạng lai SWNT

(SWNT hybrid solar panel) để làm tăng hiệu năng thêm nữa. Các tấm tích hợp này được tạo ra

bằng cách kết hợp SWNT với chất cho điện tử để làm tăng sự sinh electron. Người ta nhận thấy

rằng tương tác giữa các hợp chất hữu cơ sinh electron và SWNT tạo ta các cặp electro-lỗ trống

trên bề mặt SWNT. Hiện tượng này được quan sát bằng thực nghiệm, và đưa vào ứng dụng thực

tiễn làm tăng hiệu suất lên 8,5%.

IV.7 Trong lưu trữ hydrogen:

Dùng trong lưu trữ điện năng, nhiều nghiên cứu dùng CNTs để lưu trữ hydrogen làm nguồn cung

cấp nhiên liệu. Dựa trên khả năng mao dẫn trong các ống, người ta có thể hóa đặc khí trong

SWNTs, đặc biệt là hydrogen có thể lưu trữ ở độ đậm đặc cao mà không hóa lỏng. Phương pháp

lưu trữ này có thể được sử dụng thay cho các bồn nhiên liệu khí. Vấn đề hiện tại liên quan đến

các xe dùng năng lượng hydrogen là việc lưu trữ nhiên liệu trên xe. Phương pháp lưu trữ hiện tại



phải qua làm lạnh và cô đặc khí hydrogen thành trạng thái lỏng sẽ làm mất đi 25 – 45 % năng

lượng khi so sánh với năng lượng sử dụng ở trạng thái khí. Việc sử dụng SWNTs sẽ cho phép

lưu trữ H2 ở trạng thái khí, do đó làm tăng hiệu quả lưu trữ. Phương pháp này cho phép một tỉ lệ

giữa năng lượng và thể tích lưu trữ nhỏ hơn một tí so với phương tiện hiện tại dùng năng lượng

khí, cho phép thấp hơn một tí nhưng tiện lợi hơn nhiều. Tính hiệu quả của việc lưu trữ hydrogen

là ưu điểm trong các ứng dụng của nó làm nguồn nhiên liệu sơ cấp vì hydrogen chỉ có ¼ năng

lượng trên 1 đơn vị thể tích khi ở trạng thái khí.

IV.8 Hiệu quả của CNTs trong việc hấp thụ hydrogen bị giới hạn:

Rào cản lớn nhất trong hiệu quả lưu trữ hydrogen khi sử dụng CNTs là độ tinh khiết. Để đạt

được khả năng hấp thu tối đa, thì CNTs phải giảm tối đa lượng grahene, carbon vô định hình và

các hạt kim loại trong CNTs. Phương pháp hiện nay trong tổng hợp CNT cần phải có bước tinh

lọc. Tuy nhiên, ngay đối với CNTs tinh khiết, khả năng hấp thu chỉ tối đa dưới áp suất cao và là

điều không mong muốn trong các bình chứa nhiên liệu trong thương mại.

IV.9 Trong siêu tụ điện (untracapacitor):

Phòng thí nghiệm hệ thống điện và điện từ MIT sử dụng CNTs để nâng cấp các siêu tụ điện.

Than chì hoạt hóa được dùng trong các siêu tụ điện thông thường có các khoảng không rỗng nhỏ

với nhiều kích thước khác nhau, điều này tạo ra bề mặt lớn để tích trữ điện năng. Nhưng khi điện

tích được lượng tử hóa thành các hạt điện tích sơ cấp như electron và mỗi hạt điện tích cần một

không gian tối thiểukhông có bề mặt điện cực đủ lớn để lưu trữ vì khoảng không gian trống

không đủ cho các hạt mang điện. Với điện cực bằng CNTs kích cỡ sẽ được làm cho thích hợp –

tình trạng quá to hay quá nhỏ sẽ giảm đi – và hiệu năng tăng lên đáng kể.

IV.10 Trong hấp thụ sóng radar:

Radar hoạt động trong day tần số vi sóng, sẽ bị hấp thu bởi MWNTs. Ứng dụng MWNTs vào

hàng không sẽ làm sóng radar bị hấp thu. Ứng dụng trong việc sơn CNTs lên máy bay. Gần đay

có nhiều nghiên cứu ở Michigan University dùng CNTs vào trong công nghệ máy bay tàng hình.

Người ta thấy rằng ngoài tính hấp thu sóng radar, CNTs không phản xạ các tia khả kiến, làm cho



nó không bị phát hiện trong đêm tối, giống như việc dùng sơn tàng hình hiện nay nhưng hiệu quả

hơn nhiều. Tuy nhiên, hạn chế hiện nay trong sản xuất vì không thể sản xuất các máy bay làm

bằng CNTs. Một giả thuyết đó là tạo huyền phù dùng các hạt nhỏ có chứa CNTs trong một môi

trường nào đó như sơn, sau đó có thể sơn lên bề mặt của máy bay.

IV.11 Trong y học:

Dùng trong liệu pháp chữa trị ung thư Kanzius, SWNTs được cấy vào xung quanh tế bào ung

thư, sau đó kích hoạt bằng sóng radio, sẽ làm nóng lên và giết các tế bào xung quang.

Các nhà nghiên cứu tại Rice University, trung tâm y khoa Nijmegen trường ĐH Radboud, và

trường ĐH California, Riverside đã chứng minh rằng CNTs và các polymer dạng nanocomposite

thích hợp làm vật liệu khung để phát triển tế bào xương và tái tạo xương.

IV.12 Các ứng dụng khác

Ống nano cacbon cũng được triển khai trong các hệ thống cơ điện nano, bao gồm các thành phần

bộ nhớ cơ học (NRAM phát triển bởi Nantero Inc.) và motor điện cỡ nano.

Một cách sử dụng khác của ống nano cacbon là phương tiện vận chuyển gene.

Eikos Inc ở Franklin, Massachusetts và Unidym Inc. ở Silicon Valley, California đang phát triển

các tấm phim vô hình, dẫn điện làm bằng ống nano cacbon để thay cho oxide thiếc indium (ITO).

Phim ống nano carbon khỏe hơn phim ITO rất nhiều, làm chúng trở nên lý tưởng cho việc sử

dụng trong màn hình cảm ứng và màn hình dẻo. Phim ống nano cũng rất hứa hẹn trong việc sử

dụng cho màn hình máy tính, điện thoại di động, PDA, và ATM.


http://vi.wikipedia.org/wiki/ATM

http://vi.wikipedia.org/wiki/PDA

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Oxit_thi%E1%BA%BFc_indium&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Unidym&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Eikos&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Nantero_Inc.&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=NRAM&action=edit&redlink=1


V. Gắn nhóm chứcSự chức hóa của ống nano carbon hiện đang là chủ đề nhận được sự tích cực thảo luận bởi vì nó

được mọi người tin rằng những sửa đổi, biến tính hóa học có quy hoạch ở ống nano carbon sẽ

mở ra hướng ứng dụng thiết thực trong công nghệ ứng dụng Nano.Vì sự kết hợp tuyệt vời của

các tính chất cơ khí, nhiệt, hóa học, điện tử, các ống nano carbon vách đơn hay đa lớp được coi

là vật liệu duy nhất, với rất nhiều hứa hẹn các ứng dụng trong tương lai, đặc biệt là trong lĩnh

vực công nghệ nano, điện tử học nano, và vật liệu composite. Ngoài ra, ống nano carbon hiện

đang trở thành loại phân tử cao cấp thu hút sự quan tâm trong lĩnh vực về hóa dược. Hiện nay,

tiềm năng ứng dụng sinh học của ống nano carbon được khám phá rất ít. Sự khó khăn chính yếu

để tích hợp vật liệu này vào trong các hệ sinh học là do ống nano carbon không có tính tan trong

các dung dịch sinh hóa. Sự chức hóa ống nano carbon với sự hỗ trợ các phân tử sinh học sẽ cải

thiện đáng kể của khả năng tan của nó trong nước hoặc môi trường dung môi hữu tạo điều kiện

phát triển vật liệu mới trong công nghệ sinh học, sinh dược, và kỹ thuật sinh học.

Một trở ngại kỹ thuật trong việc ứng dụng CNTs trong lĩnh vực y sinh và các lĩnh vực liên quan

khác là khả năng tan trong môi trường nước kém. Do đó, việc chức hóa bề mặt CNTs là một

công việc cần thiết để khắc phục trở ngại này. Một số phương pháp gắn nhóm chức vào CNTs sẽ

được thảo luận sau đây:

V.1. Gắn nhóm chức bằng cách sử dụng các nguyên tố kim loại, hợp chất vô cơ, và các hợp chất Grignard:

Các CNTs được xử lý với nguyên tố kim loại ở kích thước nano (Au, Fe, Co) hoặc với các dung

dịch trong ammonia (alkalide kim loại), thông qua các cầu nối hữu cơ. Vì vậy, các sản phẩm sau

xử lý MWNTs tan được trong dung môi nước, đã được điều chế thông qua phương pháp tổng

hợp hỗn hợp phản ứng (in situ: reaction mixture) sử dụng hợp chất hoạt quang điện N, N’-bis(2-

mercaptoethyl) – perylene -3,4,9,10 – tetracarboxylic diimine như chất tạo cầu nối và ồn định

liên kết. Sản phẩm sau xử lý này phát huỳnh quang rất mạnh khi chiếu đèn UV. Nó có tiềm năng

trong ứng dụng làm chất đánh dấu sinh học.



Hại nano từ tính oxide sắt hoặc oxide Cobanlt và cobalt/platinum đã được bọc phủ và được gắn

lên CNTs nhờ phân tử cầu nối là dẫn xuất carboxylic của pyrene. Hệ nano sắt từ - ống nano

carbon tan tốt trong dung môi hữu cơ như Chloroform, toluene và hexane.

Các ống nano carbon tan được trong dung môi hữu cơ có thể được điều chế bằng quá trình

alkylate hoặc arylate các muối Li, Na hoặc K của CNTs trong dung dịch ammonia và được gọi là

phản ứng Billups. Phản ứng Billups còn giúp tổng hợp các ống nano carbon tan được trong nước.

Phương pháp này cho phép gắn các nhóm alkyl hoặc aryl bậc năm, dùng được cho cả muối Li và

Na tạo ra sản phẩm với lượng hàng gram ống nano carbon đã alkylate hóa.

V.2. Gắn nhóm chức CNTs trong môi trường acid mạnh có chứa các chất có oxy.

Các acid mạnh oxy hóa bề mặt CNTs tạo thành nhóm chức COOH trên bề mặt ống. Sau đó các

nhóm chức này sẽ phản ứng với các chất chứa oxy khác trong dung dịch hình thành muối nano

carbon tan.

Trong hướng tiếp cận khác, sản phẩm phenyl sulfonate hóa ống nano carbon hình thành từ việc

xử lý bằng benzoyl peroxide, oleum và xút.

Các sản phẩm ống nano carbon biến tính chứa nhóm chức phenyl sulfonate theo kỹ thuật tạo

muối diazonium hoàn toàn tan tốt trong nước. Chúng có thể phục vụ như công nghệ nền để tiếp

tục cho các ứng dụng trong dược, điện tử và năng lượng.

V.3. Gắn nhóm chức CNTs bằng các hợp chất chứa nhóm alkyl hoặc vòng thơm



Sản phẩm ống nano carbon đơn lớp biến tính bằng các alkyl hoặc vòng thơm có thể đi từ việc sử

dụng kỹ thuật nghiền rung ở tốc độ cao gây phản ứng cộng hợp. Sản phẩm từ hướng biến tính

này cho tính tan tốt hơn trong nhiều loại dung môi hữu cơ.

Ngoài ra, bằng phản ứng cộng vòng lưỡng cực 1,3 các oxide nitril lên thành ống SWCNTs, ta

cũng có thể thu được sản phẩm chứa nhóm chức pyridyl có tính tan cao. Các sản phẩm dùng kỹ

thuật cộng hợp 1,3 nói trên là loại được chức hóa hai lần. Ở hai đầu CNTs, chúng chứa các nhóm

chức pentyl ester cho tính tan tốt trong các dung môi hữu cơ. Trên thành ống, chúng chứa các

nhóm chức pyridyl isoxazoline cho khả năng kết hợp tốt với các porphyrin kim loại sau này.

Tương tự, sản phẩm ống nano carbon được biến tính nhờ cộng hợp 1,3 nhóm phenyl và trùng

hợp nhờ phản ứng trùng hợp gốc truyền mạch nguyên tử của các nhóm chức t-butyl acrylate

cũng cho tính tan tốt trong nhiều loại dung môi hữu cơ khác nhau.

V.4. Chức hóa ống nano bằng các hợp chất chứa nhóm chức amin ( amido) mạch thằng hay vòng thơm.

Thường sự chức hóa các ống nano carbon đa vách có thể làm tăng sự phân tán của chúng trong nước. Tuy nhiên, các phản ứng khác trong quá trình gắn nhóm chức amin này cũng có thể xảy ra và làm ảnh hưởng đến sự phân tán ống nano carbon trong các dung môi hữu cơ. Các hợp chất amine được dùng là octadecylamine (ODA), 2-aminoanthracene, 1-H,1-H-penta-deca-fluoro-octyl-amine, 4-perfluoro-octylaniline, và 2,4-bis(perfluorooctyl) aniline. Phản ứng gắn nhóm chức giữa octadecylamine (ODA) và ống nano carbon đa vách được biểu diễn trong hình 8. Sự chức hóa các ống nano carbon đa vách với octadecylamido(s-SWNT-CONH-(CH2)17CH3), cũng hình thành sản phẩm biến tính tan được trong nước. Hàm lượng của nhóm chức octadecylamido trong ống nano carbon đa vách chiếm 50%. Ngoài ra , việc sử dụng phối hợp hoặc đơn lẻ các polyimide vòng thơm khi biến tính cũng tạo ra các sản phẩm nano carbon đa vách có thể tan tốt trong dung môi hữu cơ.



Nhóm dẫn xuất aniline (4-pentylaniline, 4-dodecylaniline, 4-tetradocylaniline, 4-penta-cosylaniline, 4-tetra-contylaniline, 4-penta-contylaniline) cũng như các amine (octadecylamine, nonylamine, dodecylamine, pentacosylamine, tetracontylamine, pentacontylamine), và hỗn hợp từ chúng được sử dụng trong quá trình chức hóa ống nano carbon. Sản phẩm hình thành là một hỗn hợp có thể tan tốt trong carbon disulfide CS2 và nhiều loại dung môi hữu cơ thông dụng chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, tetrahydrofuran (THF), chloroform, methylene chloride, diethylene glycol dimethyl ether, benzene, toluene, tetrachlorocarbon, pyridine, dichloroethane, diethyl ether, xylene, naphthalene, nitrobenzene, ether, và hỗn hợp các dung môi từ đó. Khả năng tan của ống nano carbon là 0.01-5.0 mg/ mL.

V.5. Chức hóa ống nano carbon bằng các hợp chất chứa nhóm chức sulfur.

Trong số các chất hoạt động bề mặt hoặc chất chức hóa chứa nhóm sulfur, sodium dodecylsulfate C12H25OSO3Na dùng kết hợp với hydroxypropyl methyl cellulose hoặc hỗn hợp acidHNO3/H2SO4 giúp hỗ trợ sự phân tán các ống nano carbon.

V.6. Chức hóa ống nano bằng hợp chất vòng đại phân tử

Các vòng đại phân tử cổ điển như porphyrins và phthalocyanines được ứng dụng thành công như chất precusor cho sự hòa tan các ống nano carbon. Dung dịch ống nano carbon porphyrin đi từ [meso-(tetrakis-4-sulfonatophenyl) porphine dihydrochloride] có thể tan trong nước và bền trong một thời gian dài. Huyền phù của các ống nano đa vách biến tính bằng anionic tetra(p-carboxyphenyl) porphyrin có thể bền không lắng hơn một tuần. Chúng được dùng trong phân tích định lượng phổ huỳnh quang của sự lai hóa DNA.



n chemistry, in situ typically means "in the reaction mixture."

There are numerous situations in which chemical intermediates are synthesized in situ in various processes. This may be done because the species is unstable, and cannot be isolated, or simply out of convenience. Examples of the former include the Corey-Chaykovsky reagent and adrenochrome.

In chemical engineering, in situ often refers to industrial plant "operations or procedures that are performed in place". For example, aged catalysts in industrial reactors may be regenerated in place (in situ) without being removed from the reactors.


http://en.wikipedia.org/wiki/Adrenochrome

http://en.wikipedia.org/wiki/Corey-Chaykovsky_reagent

http://en.wikipedia.org/wiki/Corey-Chaykovsky_reagent


References:The main sources are from:

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube#Toxicity [20 june 2012]


http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube#Toxicity

carbon nano tubes seminar

Documents

trong ch

cnts bng phng php phng

trong dy

nanotechchem seminar

cc phng php ch

trong y hc

trong mch

c tnh c hc