Ống nanô cácbon

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Mô hình 3D của ba loại ống nano cacbon đơn lớp.
Hoạt hình cho thấy cấu trúc 3 chiều của một ống nanô.

Các ống nanô cácbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) là các dạng thù hình của cacbon. Một ống nano cacbon đơn lớp là một tấm than chì độ dày một-nguyên-tử cuộn tròn lại thành một hình trụ liền, với đường kính cỡ nanomet. Điều này xảy ra trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính vượt trên 10.000. Các phân tử cacbon hình trụ đó có các tính chất thú vị làm cho chúng có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, và một số ngành khoa học vật liệu khác. Chúng thể hiện độ bền đáng kinh ngạc và các tính chất điện độc đáo, và độ dẫn nhiệt hiệu quả. Các ống nano vô cơ cũng đã được tổng hợp.

Ống nano là một 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. Tên của chúng được đặt theo hình dạng của chúng, do đường kính của ống nano vào cỡ một vài nanomet (xấp xỉ nhỏ hơn 50.000 lần một sợi tóc), trong khi độ dài của chúng có thể lên tới vài milimet. Các nhà nghiên cứu ở đại học Cincinnati (UC) đã phát triển một quá trình để xây mạng thẳng hàng các ống nano cacbon cực dài. Họ đã có thể sản xuất các ống nano cacbon dài 18mm [1] và có thể xoắn lại thành các sợi nano cacbon. Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ống nano đa lớp (MWNT).

Bản chất của liên kết trong ống nano cacbon được giải thích bởi hóa học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tương tự với than chì. Cấu trúc liên kết này, mạnh hơn các liên kết sp3 ở trong kim cương, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt. Các ống nano thông thường tự sắp xếp thành các "sợi dây thừng" được giữ với nhau bởi lực Van der Waals. Dưới áp suất cao, các ống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp2 cho liên kết sp3, tạo ra khả năng sản ra các sợi dây khỏe, độ dài không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao.[2]

Sự khám phá[sửa | sửa mã nguồn]

Các loại ống nano cacbon[sửa | sửa mã nguồn]

Đơn lớp[sửa | sửa mã nguồn]

Cách đặt tên ống nano (n,m) có thể tưởng tượng như là một vector (Ch) trong một tấm than chì vô hạn mà mô tả cách "cuộn" tấm than chì để tạo ống nano. T thể hiện trục của ống, và a1 với a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thực

Phần lớn các ống nano đơn lớp (SWNT-Single Wall Nanotube) có đường kính gần 1 nanomet, với độ dài đường ống có thể gấp hàng nghìn lần như vậy. Cấu trúc của một SWNT có thể được hình dung là cuộn một lớp than chì độ dày một-nguyên-tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền. Cách mà tấm graphene được cuộn như vậy được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m) gọi là vector chiral. Các số nguyên nm là số của các vector đơn vị dọc theo hai hướng trong lưới tinh thể hình tổ ong của graphene. Nếu m=0, ống nano được gọi là "zigzag". Nếu n=m, ống nano được gọi là "ghế bành". Nếu không, chúng được gọi là "chiral".

Ống nano đơn lớp là loại ống nano cacbon cực kì quan trọng bởi chúng thể hiện các tính chất điện quan trọng mà không ống nano đa lớp nào có được. Các ống nano đơn lớp là ứng cử viên sáng giá trong việc thu nhỏ kích thước sản phẩm ngành cơ điện từ cỡ micro hiện nay xuống còn nano. Sản phẩm căn bản của ngành này là dây điên, mà SWNT lại dẫn điện rất tốt[3]. Một ứng dụng hữu ích khác của SWNT là trong việc phát triển các transitor cảm ứng (FET-field effect transitor) nội phân tử. Việc sản xuất cửa luận lý (logic gate) đầu tiên sử dụng FET làm bằng SWNT gần đây đã trở thành hiện thực[4]. Bởi vì SWNT trở thành p-FET khi tiếp xúc với oxy và n-FET khi không tiếp xúc với oxy, chúng đều có thể bảo vệ một nửa SWNT khỏi bị tiếp xúc vói oxy, trong khi cho tiếp xúc với oxy nửa còn lại. Kết quả là một SWNT đơn có thể hoạt động như một cửa luận lý NOT với cả loại FET n và p trong cùng một phân tử.

Ống nano đơn lớp vẫn có chi phí sản xuất cao, khoảng $1500 mỗi gam vào năm 2000, và việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn là rất cần thiết cho tương lai của công nghệ nano. Nếu không thể phát hiện các phương pháp tổng hợp rẻ hơn, nó sẽ trở thành cản trở về mặt tài chính trên con đường đưa ống nano đơn lớp ra ứng dụng trong thực tế.[5] Một vài nhà cung cấp phân phối SWNT arc discharge với khoảng $50–100 vào năm 2007.[6][7]

Đa lớp[sửa | sửa mã nguồn]

Ống carbon nano đa lớp (MWNT) gồm nhiều lớp than chì(graphite). Có hai mô hình được sử dụng để mô tả MWNT. Trong mô hình thứ nhất có tên gọi:Russian doll, MWNT gồm nhiều ống SWNT đơn lồng vào nhau. Trong mô hình thứ hai: Parchment, MWNT được mô tả như một tấm graphite cuộn lại. Khoảng cách giữa các lớp trong MWNT tương đương lớp khoảng cách các lớp graphite trong cấu trúc than chì, xấp xỉ 3.4 Å.

MWNT có đường kính lớn hơn SWNT, và có độ trơ với hóa chất cao hơn. Năm 2009, nhóm nghiên cứu của giáo sư James Tour ở ĐH Rice dùng KMnO4 trong H2SO4 đặc để mở ống MWNT tạo nên Graphene nanoribbon, công trình được đăng trên tạp chí nature. MWNT hai lớp được gọi là DWNT, được tổng hợp trên quy mô gram vào năm 2003. [8] by the bằng phương pháp CCVD.

Vòng[sửa | sửa mã nguồn]

nanobud Cấu trúc của mầm ống carbon nano

Ống carbon nano vòng được tiên đoán bằng lý thuyết với nhiều tính chất đặc biệt.

Mầm[sửa | sửa mã nguồn]

Ống carbon nano mầm và một dạng đặc biệt, kết hợp bởi ống carbon nano và fullerene. Trong vật liệu composite, mầm fullerene đóng vai trò như là mỏ neo, giúp các ống carbon nano không trượt, giúp tăng cường độ bền của vật liệu.

Các dạng khác[sửa | sửa mã nguồn]

Cycloparaphenylene

Ống carbon nano dài 18.5 cm được báo cáo vào năm 2009, được tổng hợp trên nền Silic bằng phương pháp CVD cải tiến. Ống carbon nano ngắn nhất được biết đến là phân tử cycloparaphenylene, được tổng hợp vào đầu năm 2009.[9][10][11] Ống carbon nano mỏng nhất là loại ghế bành (armchair) (2,2) với đường kính 3Å, được tổng hợp trong lòng ống carbon nano đa lớp. Việc xác định loại ống được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử quét truyền qua độ phân giải cao(HRTEM), máy quang phổ raman và lý thuyết mật độ chức năng(DFT).[12]

Các tính chất[sửa | sửa mã nguồn]

Độ mạnh[sửa | sửa mã nguồn]

Động lực học[sửa | sửa mã nguồn]

Điện[sửa | sửa mã nguồn]

Nhiệt[sửa | sửa mã nguồn]

Sai lệch[sửa | sửa mã nguồn]

Tổng hợp[sửa | sửa mã nguồn]

Arc discharge[sửa | sửa mã nguồn]

Bào mòn laser[sửa | sửa mã nguồn]

Chemical vapor deposition (CVD)[sửa | sửa mã nguồn]

Môi trường lửa tự nhiên, phụ và có kiểm soát[sửa | sửa mã nguồn]

Các ứng dụng tiềm năng, hiện tại và cổ đại[sửa | sửa mã nguồn]

Kiến trúc[sửa | sửa mã nguồn]

Dẫn điện[sửa | sửa mã nguồn]

Các ứng dụng khác[sửa | sửa mã nguồn]

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 (xem Motor nano).

Một cách sử dụng khác của ống nano cacbon là phương tiện vận chuyển gene.[13]

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 oxit thiếc indium (ITO). Phim ống nano cacbon 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.

Các phần mềm mô phỏng phân tử ống nano cacbon[sửa | sửa mã nguồn]

Mô hình phân tử ống nano cacbon[sửa | sửa mã nguồn]

Carbon Nanotube Models

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ http://www.uc.edu/news/NR.asp?id=5700
  2. ^ Yildirim, T.; et al. (2000). “Pressure-induced interlinking of carbon nanotubes”. Physical Review B 62: 19. 
  3. ^ Dekker, et al., (1999)
  4. ^ Derycke, et al., (2001)
  5. ^ Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American December 2000, page 67
  6. ^ http://www.carbonsolution.com
  7. ^ http://carbolex.com
  8. ^ Flahaut, E.; Bacsa, R; Peigney, A; Laurent, C (2003). “Gram-Scale CCVD Synthesis of Double-Walled Carbon Nanotubes”. Chemical Communications 12 (12): 1442–1443. doi:10.1039/b301514a. PMID 12841282. 
  9. ^ “A Better Way to Make Nanotubes”. Berkeley Lab. 5 tháng 1 năm 2009. 
  10. ^ “Carbon Nanohoops: Shortest Segment of a Carbon Nanotube Synthesized”. Berkeley Lab. 
  11. ^ “Synthetic organic chemistry”. A centre of chemistry excellence. Nature. 7 tháng 10 năm 2009. 
  12. ^ Zhao, X.; Liu, Y.; Inoue, S.; Suzuki, T.; Jones, R. O.; Andol, Y. (2004). “Smallest Carbon Nanotube is 3 Å in Diameter”. Physical Review Letters 92 (12): 125502. doi:10.1103/PhysRevLett.92.125502. PMID 15089683. 
  13. ^ Singh, Ravi; Et al. (2005). “Binding and condensation of plasmid DNA onto functionalized carbon nanotubes : Toward the construction of nanotube-based gene delivery vectors”. J. Am. Chem. Soc. 127 (12): 9. 

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]