Tìm hiểu về ống nano cacbon và ứng dụng

2.1.2 Ống nano cacbon (CNT) là gì ? CNT là một dạng của cấu trúc tinh thể của cacbon gần giống như fullerence. CNT là các phân tử cacbon xếp thành hình trụ. Chúng có các thuộc tính điện, quang, cơ học đặc trưng và độ bền đáng chú ý và dẫn nhiệt rất tốt. Cacbon có hai dạng tinh thể quen thuộc là graphit và kim cương. Kim cương đặc biệt cứng và bền vì trong kim cương các nguyên tử chỉ liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, cấu trúc mỗi nguyên tử cacbon đưa ra 4 mỗi liên kết cộng hóa trị để nối với 4 nguyên tử cacbon ở gần đó. Liên kết cộng hóa trị là loại liên kết mạnh nhất nên kim cương rất cứng và bền. a) b) Hình 2.2 : a) Kim cương, b) Graphite. Ở graphit các nguyên tử lại sắp xếp thành từng lớp, trong mỗi lớp một nguyên tử chìa ra ba mối liên kết cộng hóa trị để nối với ba nguyên tử gần nhất ở chung quanh. Góc giữa các mối liên kết này là 120o, do đó các nguyên tử trong một lớp thành tạo một mạng lưới hình sáu cạnh khá bền vững. Người ta gọi đây là mặt graphen. Các mặt graphen này cách nhau một khoảng xa so với khoảng cách giữa các nguyên tử trong một mặt. 11 Liên kết giữa các lớp yếu hơn là liên kết giữa các nguyên tử trong cùng một lớp (không phải là liên kết cộng hóa trị). Vì vậy các lá graphen không dễ rách nhưng dễ trượt đối với nhau. Đó là nguyên nhân của tính bôi trơn ở graphit. Ta quan tâm đến lá graphen vì có thể hình dung ống nano cacbon từ lá graphen cắt ra, cuộn tròn, dán lại thành cái ống. Có thể có nhiều cách cắt dán. +Vectơ chiral: Trước hết ta xét loại ống nano cacbon một vách, tức là xem như chỉ từ một lá graphen cắt ra cuộn lại. Để mô tả cách cắt và cuộn, ta lấy một nguyên tử làm gốc, ký hiệu (0, 0). Hình 2.3: Mô tả cách cắt và cuộn của SWCNT Tất cả các cấu trúc có thể của SWCNT có thể được tạo từ vector chiral nằm trong góc được đưa ra trên hình vẽ (n, m) với n, m nguyên và m ≤ n hay  < 300. Vạch hai đường thẳng qua các nguyên tử và lấy vectơ a1, a2 là các vectơ chu kỳ dọc theo hai trục đó. Gọi đường từ gốc (0, 0) qua các nút (1, 0), (2, 0) (3, 0),… là đường zigzag. Nếu cuộn tròn ống theo đường zigzag với độ dài chu kỳ ống bằng chiều dài từ gốc đến mút (n, 0) ta gọi đó là ống nano carbon (n,0). Tương tự, nếu cắt và cuộn theo đường đi qua các nút (1, 1), (2, 2), (3, 3),… sao cho chu vi ống là bằng chiều dài tới nút (n, n) ta gọi đó là ống nano cacbon (n, n). 12 Nói chung nếu cuộn ống nano cacbon sao cho chu vi ống có độ dài bằng độ dài vectơ na1 + ma2, thì đó là ống nano cacbon (m, n). Nói cắt lá graphen ra và cuộn lại theo nhiều cách như trên là để dễ hiểu cách mô tả cấu trúc, thực sự là trong những điều kiện nhất định, các nguyên tử Cacbon tự kết nối lại để hình thành ra nhiều loại ống. Các loại ống rất giống nhau ở chỗ nhẹ, bền và cứng vì đều hình thành từ các nguyên tử Cacbon liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên tính chất điện rất phụ thuộc vào cấu trúc của ống. Trên hình trên, ta thấy có cách cuộn ống nano là dẫn điện (hay có tính kim loại, ký hiệu metal ở trên), có cách cuộn ống nano là bán dẫn (ký hiệu semiconductor ở trên). Theo các nghiên cứu cho biết: nếu n - m = 3q (q nguyên) thì ống nano có tính kim loại, nếu n - m  3q (q nguyên) thì ống nano cacbon có tính bán dẫn. Thường ống nano cacbon một vách có đường kính trong khoảng 1 ÷ 2nm. Còn ống nhiều vách như là do nhiều ống đơn lồng nhau, đường kính ống to nhất vào cỡ 2 ÷ 25 nm, ống rỗng ở giữa đường kính cỡ 1 ÷ 8nm, khoảng cách giữa các vách ở ống nhiều vách cỡ 0,34nm (gần bằng khoảng cách giữa các mặt của graphit tự nhiên). Chiều dài của mỗi ống có thể từ vài trăm nanomet đến micromet. Ngày nay đã làm được những ống nano cacbon dài đến centimet. Như vậy ống nano cacbon có nhiều loại: một vách, nhiều vách, to nhỏ dài ngắn,… khác nhau. Ngoài ra ống nano cacbon có thể còn bị rẽ nhánh, đoạn đầu là một ống, sau lại rẽ thành hai ống chẳng hạn. 13 Còn một vấn đề nữa, đó là hai đầu ống nano cacbon như thế nào là kín hay hở. Nói chung khi mọc lên ống nano là kín hai đầu. Khi bẻ gãy hay cắt vụn một đầu hay cả hai đầu đều có thể hở. (Hình 2.4 ống nano hở, bịt đầu bằng Fullerence). Hình 2.4: Các loại ống armchair, zigzag, chiral Một ống nano đơn giản có cấu trúc tương tự như Fullerence, nhưng phân tử Fullerence có dạng hình cầu còn ống nano lại là hình trụ với một đầu kết thúc dạng chóp với một nửa phân tử Fullerence. Ống nano độ rộng chỉ vài nanomet (1/10 nghìn độ rộng sợi tóc của con người) và chiều dài có thể lớn hơn triệu lần độ rộng. Có hai kiểu ống nano chính là: ống đơn vách và ống đa vách. 2.2 Cấu trúc của CNT Gồm hai kiểu chính: • SWCNT: Cấu trúc đơn vách. • MWCNTs: Cấu trúc đa vách. 2.2.1 Cấu trúc đơn vách (SWCNT) Cấu trúc của một SWCNT có thể hình dung bằng cách cuốn một lớp một nguyên tử của graphite (gọi là graphene) thành một hình trụ, rồi úp lên hai đầu hình trụ đó bằng hai nửa cầu Fullerence. 14 Theo lý thuyết: Đường kính nhỏ nhất của CNT là khoảng 0,4 nm, cỡ khoảng cách giữa hai nguyên tử Silic kề nhau. Đường kính trung bình là vào khoảng 1,2 nm, tùy theo công nghệ chế tạo. Hình 2.5: Cấu trúc đơn vách của CNT. Có thể cặp đôi, dẹt bằng phẳng và xu hướng vào những vòng tròn nhỏ hay hình dạng chỗ uốn cong mà không bị đứt gãy. Có thể dẫn điện giống như kim loại (vì vậy ống nano thường được chỉ đến như là những ống nano kim loại) hay bán dẫn, dòng điện chạy qua chúng có thể tăng hoặc giảm bằng cách thay đổi điện trường. Thuộc tính này cho phép chúng ta đưa ra giấc mơ về sử dụng ống nano để thay thế các mạch điện tử hiện nay và hiện nay đã tạo ra các phần tử điện tử cơ bản từ ống nano trong phòng thí nghiệm: transistor, điốt, các phân từ logic,… 2.2.2 Cấu trúc đa vách (MWCNTs) • MWCNTs có thể xem như tập các SWCNT đồng tâm với đường kính khác nhau. • Độ dài gấp 100 lần so với độ rộng. • Có đường kính ngoài cỡ chục nanomet. • Đường kính và chiều dài khác nhau của các SWCNT dẫn đến những đặc điểm khác nhau. 15 Mặc dù dễ sản xuất MWCNTs với số lượng nhiều hơn SWCNT, cấu trúc của chúng khó hiểu hơn SWCNT bởi vì chúng phức tạp hơn và đa dạng hơn. Vô số hình dạng kỳ lạ và sự sắp xếp, thường với những tên tưởng tượng như thân cây tre (bamboo-trunks), nhím biển (sea urchins), chuỗi hạt (necklace) hay cuộn (coils), tùy theo điều kiện xử lý khác nhau. Các mẫu khác nhau có thể hấp dẫn mặc dù có một khuyết điểm là MWCNTs luôn luôn có nhiều nhược điểm hơn SWCNT và những những thuộc tính ước muốn bị giảm bớt đi. Hình 2.6: Cấu trúc đa vách của CNT. 2.2 Đặc điểm Ống nano cacbon có một số đặc điểm: hóa tính, điện, cơ, quang. 2.3.1 Hóa tính - Ống nano là cấu trúc rỗng, vì vậy có thể nhét vào đó các hợp chất hóa học khác, nghĩa là có thể chứa ở kích thước nanomet (được gọi là nanofils). - Đường kính nhỏ hơn tăng tính hoạt động hóa học. 2.3.2 Điện Đối với SWCNT, độ dẫn điện rất phụ thuộc vào cấu trúc, tức là phụ thuộc (m, n). Thay đổi cấu trúc, CNT có thể thay đổi độ dẫn từ điện môi đến bán dẫn, dẫn điện như kim loại. Độ dẫn điện của SWCNT cũng phụ thuộc vào đường kính của ống cũng như lực tác dụng lên ống. 16