(Khóa luận tốt nghiệp) Tìm hiểu vật liệu carbon nano tubes (CNT)

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VẬT LIỆU CARBON
NANO TUBES (CNT).
CHUYÊN NGÀNH: SƢ PHẠM HĨA
TÁC GIẢ KHĨA LUẬN: PHẠM THỊ ÁNH MINH

Bình Dƣơng, Ngày 17/04/2014


TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC (CAO ĐẲNG)
NIÊN KHĨA 2011-2014

TÌM HIỂU VẬT LIỆU CARBON
NANO TUBES (CNT).
Ngành: Cao đẳng sƣ phạm Hóa
Chuyên ngành: Hóa Học

Giảng viên hƣớng dẫn: TS. BÙI XUÂN VƢƠNG
Sinh viên thực hiện: PHẠM THỊ ÁNH MINH
Lớp: C11HO-01

Bình Dƣơng, Ngày 17/04/2014

MỞ ĐẦU

Tầm quan trọng của đề tài
Trong những năm gần đây do sự phát triển khoa học cơng nghệ có những bƣớc
tiến mạnh mẽ theo xu hƣớng đi tìm và sử dụng những nguồn năng lƣợng sạch, rẻ và
những nguyên liệu sản xuất thật nhỏ, nhẹ. Nhằm đáp ứng nhu cầu bức thiết trên,
ngành công nghệ nano ra đời với mục đích là xây dựng một cấu trúc nhỏ bé nhất từ
những nguyên liệu cơ bản trong bảng tuần hoàn hố học và nhƣ vậy có thể chế đƣợc
những vật liệu, nguyên liệu với các đặc tính mới, những bộ máy thật nhỏ và cho đến
cả một hệ thống mới…
Do các ứng dụng kỳ diệu của công nghệ nano nên hiện nay trên thế giới đang
xảy ra cuộc chạy đua sôi động về phát triển và ứng dụng công nghệ nano. Có thể kể
đến một số cƣờng quốc đang chiếm lĩnh thị trƣờng công nghệ này hiện nay là: Hoa
Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Nga và một số nƣớc Châu Âu… Ở những quốc gia
trên chính phủ dành một khoản ngân sách đáng kể hỗ trợ cho việc nghiên cứu và ứng
dụng thực tiễn của ngành công nghệ nano. Khơng chỉ các trƣờng Đại học có các phịng
thí nghiệm với các thiết bị nghiên cứu quy mô mà các tập đoàn sản xuất cũng tiến
hành nghiên cứu và phát triển cơng nghệ nano với các phịng thí nghiệm với tổng chi
phí nghiên cứu tƣơng đƣơng với ngân sách chính phủ dành cho công nghệ nano.
Ở Việt Nam, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần đây
nhƣng cũng có những bƣớc chuyển tạo ra sức hút mới đối với lĩnh vực đầy cam go,
thử thách này. Nhà nƣớc cũng đã dành một khoản ngân sách khá lớn cho chƣơng trình
nghiên cứu cơng nghệ nano cấp quốc gia với sự tham gia của nhiều trƣờng Đại học và
Viện nghiên cứu.
Công nghệ nano là một bƣớc tiến bộ vƣợt bậc của cơng nghệ, nó tạo ra những
ứng dụng vô cùng kỳ diệu. Một trong những vật liệu nano đƣợc giới khoa học quan
tâm đó là Carbon Nano Tubes (CNT) do nó có tính ứng dụng cao nhƣ: thay thế silicon,
i

chuẩn đoán bệnh ung thƣ ở ngƣời, chế tạo những linh kiện điện tử, là vật liệu dự trữ
năng lƣợng hay những ứng dụng trong cơng nghiệp… Vì những lý do trên nên tơi
chọn đề tài này để tìm hiểu và nghiên cứu về vật liệu CNT nhằm mở rộng thêm kiến
thức cũng nhƣ hiểu biết của mình về loại vật liệu này.
Mục tiêu đề tài
-

Tìm hiểu về lịch sử phát minh vật liệu CNT

-

Những ứng dụng của vật liệu CNT

-

Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu CNT

- Các phƣơng pháp phân tích lý – hóa đặc trƣng vật liệu CNT
Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết từ các tài liệu, sách, tạp chí, luận văn…
Nội dung đề tài:
Chƣơng 1: Tìm hiểu và giới thiệu vật liệu CNT đi từ khái quát tới cụ thể: là một
dạng thù hình của carbon → Lịch sử phát minh ra CNT → Tổng quát về việc phân loại
vật liệu CNT và cuối cùng là tìm hiểu và nhận xét về vấn đề CNT đã và đang đƣợc sử
dụng nhƣ thế nào trên thế thế giới và ở Việt Nam.
Chƣơng 2: Tìm hiểu và giới thiệu việc ứng dụng của CNT trong các lĩnh vực
của đời sống nhƣ: khoa học kĩ thuật, y tế…
Chƣơng 3: Trình bày các phƣơng pháp vật lý và hóa học để tổng hợp CNT
trong phịng thí nghiệm.
Chƣơng 4: Trình bày việc sử dụng các phƣơng pháp dùng đẻ phân tích lý hóa

vật liệu CNT.

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là bài báo cáo khóa luận của riêng tơi dƣới sự hƣớng dẫn
của TS. Bùi Xuân Vƣơng. Các nguồn thông tin sƣu tầm và tổng hợp đúng với các
nghiên cứu của các tác giả đã đƣợc công bố và chấp nhận mà tôi đã tham khảo, khơng
mang tính cá nhân và sửa chữa không khoa học, tùy ý.

Sinh viên thực hiện
PHẠM THỊ ÁNH MINH

iii


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trƣờng, các thầy, cô
khoa Khoa học tự nhiên trƣờng Đại học Thủ Dầu Một đã truyền đạt và trau dồi cho em
những kho tàng kiến thức vô giá cũng nhƣ tạo điều kiện tốt nhất để em đƣợc học tập
và phát huy khả năng của chính bản thân qua bài khóa luận tốt nghiệp này.
Để hồn thành bài khóa luận tốt nghiệp, lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn
chân thành và sâu sắc nhất tới thầy hƣớng dẫn: Tiến sĩ bùi Xuân Vƣơng đã tận tình chỉ
bảo, hƣớng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Thầy chủ nhiệm Đỗ Quang Thắng trong suốt
quá trình học tập tại trƣờng đã quan tâm và tận tình giúp đỡ em trong những lúc khó
khăn.

Mặc dù đã rất cố gắng hồn thành khóa luận tốt nghiệp nhƣng bên cạnh đó
khơng thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận đƣợc những góp ý, nhận xét q
báu của q thầy cơ và bạn bè. Đó là những kinh nghiệm quý báu bổ sung vào hành
trang cuộc đời, sẽ giúp em có thêm niềm tin cũng nhƣ động lực để hồn thành tốt
những cơng việc hay nhiệm vụ sau này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Bình Dƣơng, ngày 17 tháng 04 năm 2014
Sinh viên thực hiện
PHẠM THỊ ÁNH MINH

iv


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Bình Dƣơng, ngày

tháng

Ký tên

v

năm


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Bình Dƣơng, ngày…..tháng….. năm…..
Ký tên

vi


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ....................................................... iv
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN.............................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................................x
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... xii
KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xiii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT) ...........1
1.1. Các dạng thù hình của carbon ..............................................................................1
1.1.1. Kim cƣơng: ............................................................................................................1
1.1.2. Graphit (than chì) : ................................................................................................1
1.1.3. Cacbon vơ định hình ..............................................................................................2
1.1.4. Graphene:...............................................................................................................2
1.1.5. Fulleren ..................................................................................................................2
1.1.6. Carbon xốp nano (lƣới cực nhẹ từ tính). ...............................................................3
1.1.7. Carbon ống nano (CNT). .......................................................................................3
1.2. Lịch sử phát minh vật liệu CNT ............................................................................5
1.3. Khái quát về vật liệu CNT .....................................................................................5

1.3.1 Ống nano đơn lớp SWNT (Single Wall Nano Tube) .............................................6
1.3.2. Ống nano đa lớp MWNT ( Multi Wall Nano Tube)…………………………….7
1.4. Việc sử dụng vật liệu nano hiện nay. ....................................................................7
Chƣơng 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT) .9
vii


2.1. Ứng dụng trong công nghiệp .................................................................................9
2.1.1. Sản xuất linh kiện điện tử ......................................................................................9
2.1.2. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu siêu bền, siêu nhẹ ...........................................10
2.1.3. Sản xuất sơn chống mài mòn cho tàu thủy ..........................................................11
2.1.4. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu năng lƣợng .....................................................12
2.1.5. Thiết bị phát xạ điện trƣờng ................................................................................14
2.1.6. Làm đầu dò nano và sensơ ..................................................................................15
2.1.6.1. Đầu dò nano: .....................................................................................................15
2.1.6.2. Các ứng dụng sensor: .......................................................................................15
2.2. Ứng dụng trong y tế..............................................................................................16
2.2.1. Ống nano cacbon quay đều trong điều trụ ung thƣ .............................................16
2.2.2. Cảm biến ống nano các bon dùng theo dõi trình trạng của bệnh nhân tiểu đƣờng
.......................................................................................................................................17
Chƣơng 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON
NANOTUBES (CNT) ..................................................................................................19
3.1. Phƣơng pháp vật lý...............................................................................................19
3.1.1. Phƣơng pháp hồ quang điện ................................................................................19
3.1.1.1. Khái quát...........................................................................................................19
3.1.1.2. Nguyên tắc chế tạo MWCNTs và SWCNTs ....................................................20
3.1.2. Phƣơng pháp sử dụng tia laser.............................................................................21
3.1.2.1 Khái quát............................................................................................................21
3.1.2.2 Đặc điểm ........................................................................................................... 23
3.2. Phƣơng pháp hóa học ...........................................................................................23

3.2.1. Phƣơng pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) ................................................23
viii


3.2.1.1. Phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma : ..........................................................24
3.2.1.2. Phƣơng pháp CVD nhiệt : ................................................................................26
3.2.1.3. Phƣơng pháp CVD dùng xúc tác alcohol : .......................................................26
3.2.1.4. Phƣơng pháp tạo thành các pha bay hơi : .........................................................27
3.2.1.5. Phƣơng pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi ở dạng bọt gel ( Aero gelsupported) ......................................................................................................................28
3.2.1.6 Phƣơng pháp CVD nhiệt có laser hỗ trợ (LCVD) .............................................28
3.2.1.7 Phƣơng pháp CVD với xúc tác Co-Mo (CoMoCat) : .......................................29
3.2.2. Phƣơng pháp HiPco .............................................................................................31
Chƣơng 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH LÝ HĨA VẬT LIỆU CNT ......32
4.1. Phƣơng pháp BET (Brunauer Emmet Teller) xác định bề mặt riêng và độ
hấp phụ của vật liệu CNT ...........................................................................................32
4.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................34
4.3. Nguyên lý của phổ nhiễu xạ tia X(XRD) ............................................................36
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 42

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc khơng gian của kim cƣơng .................................................................1
Hình 1.2 Cấu trúc khơng gian của Graphit. .....................................................................1
Hình 1.3 Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cacbon. ...............2
Hình 1.4 Carbon ống nano...............................................................................................3
Hình 1.6 Ống nano carbon nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện tử .............7

Hình 2.1 Transistor trƣờng sử dụng ống nanno carbon. ................................................10
Hình 2.2 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNT ....................................11
Hình 2.3 Tàu thủy đƣợc sơn bằng sơn chống mịn có thành phần từ Carbon Nanotube
.......................................................................................................................................11
Hình 2.4 Mơ hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H2 .....................................................13
Hình 2.5 Chế tạo pin giấy dựa trên các đặc tính bảo tồn năng lƣợng của ống nano .....14
Hình 2.7 Típ STM, AFM có gắn CNT ..........................................................................15
Hình 2.8 Sợi composite của polyaniline với CNT ........................................................16
Hình 2.9 Mơ hình ống nano carbon, dạng zig-zag ........................................................16
Hình 2.10 Tế bào mẫu đƣợc đƣa vào các từ trƣờng quay .............................................17
Hình 3.1 Sơ đồ (a) và hệ thống thiết bị (b) chế tạo CNT bằng phƣơng pháp hồ quang
điện ................................................................................................................................19
Hình 3.2 Sơ đồ (a) và thiết bị (b) chế tạo CNT bằng phƣơng pháp chùm laser ...........22
Hình 3.3 Ví dụ một hệ thiết bị tổng hợp CNT bằng phƣơng pháp cắt laser .................22
(b)...................................................................................................................................25
Hình 3.4 Thiết bị (a) và sơ đồ (b) phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma ...................25
Hình 3.5 Sơ đồ thiết bị tổng hợp ống than nano theo phƣơng pháp thermal CVD .......26
x


Hình 3.6 Sơ đồ phƣơng pháp CVD xúc tác alcohol. .....................................................27
Hình 3.7 Sơ đồ thiệt bị của phƣơng pháp tạo thành pha bay hơi ..................................28
Hình 3.8 Cách bố trí thiết bị đọng hóa học từ pha hơi sử dụng nhiệt laser (LCVD) ....29
Hình 3.9 Hệ thống bộ hóa lỏng của qui trình CoMoCat. ..............................................30
Hình 3.10 Sơ đồ bình phản ứng dịng CO. ....................................................................31
Hình 4.1 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đa phân tử ...........................................................33
Hình 4.2 Sơ đồ cấu tạo máy SEM .................................................................................35
Hình 4.3 Sơ đồ tán xạ tia X bởi nguyên tử ....................................................................36
Hình 4.4 Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể. ...................................................................36

xi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Một số liên kết hóa học đặc trƣng cấu thành nên các dạng thù hình cacbon ...4
Bảng 3.1 Một số giá trị đƣờng kính SWNTs ở nhiệt độ khác nhau: .............................30

xii


KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

CNT

: Carbon Nano Tube

SWNT

: Single Wall Nano Tube

MWNT

: Multi Wall Nano Tube

SWCNT

: Single Wall Carbon Nano Tube

MWCNT

: Multi Wall Carbon Nano Tube

CVD

: Chemical Vapor Deposition

LCVD

: Laser Chemical Vapor Deposition

BET

: Brunauer Emmet Teller

SEM

: Scanning Electron Microscope

XRD

: X-ray Diffraction

xiii


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT)

1.1 Các dạng thù hình của carbon [1]
1.1.1 Kim cƣơng:
Là một dạng thù hình cứng nhất của cacbon cho đến khi A.Geim và S.

Novoselov tìm ra một thù hình khác của cacbon là graphene.
Cấu trúc: mỗi nguyên tử đƣợc liên kết với 4 nguyên tử khác theo kiểu tứ diện,
tạo thành các lƣới 3 chiều gồm các vòng 6 thành viên.

Hình 1.1 Cấu trúc khơng gian của kim cƣơng
1.1.2 Graphit (than chì):
Là một trong những chất mềm nhất.
Cấu trúc: mỗi nguyên tử đƣợc liên kết theo kiểu tam giác với 3 nguyên tử khác,
tạo thành các lƣới 2 chiều của các vòng 6 thành viên ở dạng phẳng; các tấm phẳng này
liên kết lỏng lẻo với nhau.

Hình 1.2 Cấu trúc không gian của Graphit.

1


1.1.3 Cacbon vơ định hình
Cấu trúc: các ngun tử cacbon trong trạng thái phi tinh thể, khơng có quy luật
và giống nhƣ cấu trúc vơ định hình của vật liệu thủy tinh. Trong dạng vơ định hình,
cacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhƣng không liên kết lại trong dạng
tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là thành phần chính của than,
muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.
1.1.4 Graphene:
Là khoáng vật cứng nhất cũng nhƣ bán dẫn tốt nhất. Graphen là phần tử cấu
trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nano cacbon và fulleren.
A.Geim và S.Novoselov đã phát hiện ra chất này năm 2004 và đƣợc trao giải Nobel
Vật lí vì phát hiện này năm 2010.
Cấu trúc: có dạng tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử
carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Chiều dài liên kết carbon carbon trong graphen khoảng 0,142 nm.

Hình 1.3 Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cacbon.
1.1.5 Fulleren
Một lƣợng tƣơng đối lớn các nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu tam giác, tạo
thành các hình cầu rỗng (trong số đó nổi tiếng và đơn giản nhất là Buckminster
fulleren).

2


1.1.6 Carbon xốp nano (lƣới cực nhẹ từ tính).
Cấu trúc: lƣới mật độ thấp của các bó có cấu trúc giống nhƣ graphit, trong đó
các nguyên tử đƣợc liên kết theo kiểu tam giác trong các vòng 6 hay 7 thành viên.
1.1.7 Carbon ống nano (CNT).
Cấu trúc: mỗi nguyên tử liên kết theo kiểu tam giác trong tấm cong để tạo
thành ống trụ rỗng (hình dƣới). Vật liệu ống nano các bon CNT sẽ là chủ đề chính
nghiên cứu trong đề tài này.

Hình 1.4 Carbon ống nano

3


Bảng 1.1 Một số liên kết hóa học đặc trƣng cấu thành nên các dạng thù hình
cacbon
 Kim cƣơng (lập phƣơng).

Dạng sp3

 Lonsdaleit (kim cƣơng lục giác).
 Graphit

Dạng sp2

 Graphene
 Fullerene
 Glassy carbon
Dạng sp
Dạng

Linear axetylenic carbon
hỗn

hợp

 Carbon vơ định hình

sp3/sp2

 Carbon nanofoam

Các dạng khác

 C1
 C2
 C3

Dạng giả thiết

 C6
 C8

 Chaoit
 Carbon lập phƣơng
 Carbon kim loại

4


1.2 Lịch sử phát minh vật liệu CNT [2]
Ống nano carbon (CNT) đƣợc tạo ra bởi những nguyên tử carbon, các nguyên
tử carbon này có liên kết hóa trị với nhau bằng lai hóa sp2. Năm 1991, khi nghiên cứu
Fulleren C60, Tiến sĩ Iijima – một nhà khoa học Nhật Bản – đã phát hiện trong đám
muội than – sản phẩm phụ trong q trình phóng điện hồ quang – có những ống tinh
thể cực nhỏ và dài bám vào catot. Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy
rằng các ống này có nhiều lớp carbon, ống này lồng vào ống kia. Các ống sau này
đƣợc gọi là ống nano carbon đa tƣờng (MWCNT- multi wall carbon nanotube). Mặc
dù có nhiều tính chất đặc biệt nhƣng khơng dễ dàng để phân tích ống nano carbon
bằng phƣơng pháp quang phổ, do vậy điều này đã cản trở việc nghiên cứu về chúng.
Năm 1993, ống nano carbon đơn tƣờng (SWCNT – single wall carbon
nanotube) đã đƣợc phát hiện, đó là các ống rỗng đƣờng kính từ 1.5 - 2nm, dài cỡ
micromet. Vỏ của ống bao gồm các nguyên tử carbon sắp xếp theo các đỉnh 6 cạnh rất
đều đặn, chính sự phát hiện này đã thúc đẩy sự nghiên cứu của các nhà khoa học trên
toàn thế giới. Phƣơng pháp quang phổ Raman là phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền so với
kính hiển vi điện tử, đƣợc dùng rộng rãi để nghiên cứu trên CNT trong những thập kỉ
trƣớc.
Trong những thập kỉ trƣớc đây khi nano carbon đƣợc phát hiện và nghiên cứu
thì hầu nhƣ khơng có sản phẩm ứng dụng thực tiễn nào ra đời do còn nhiều khó khăn
trong nghiên cứu.

1.3 Khái quát về vật liệu CNT
Ống nano carbon (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 trịn lại thành một hình trụ liền, với đƣờng kính cỡ nanomet. Điều này xảy ra
trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đƣờng kính vƣợt trên 10.000.
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 đƣợc phủ bởi một bán cầu có cấu trúc buckyball.
5


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 đƣợc giải thích bởi hóa học lƣợng
tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano đƣợc cấu thành
hồn toàn bởi các liên kết sp2, tƣơng tự với than chì. Cấu trúc liên kết này mạnh
hơn các liên kết sp3 ở trong kim cƣơng, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt. Các
ống nano thông thƣờng tự sắp xếp thành các "sợi dây thừng" đƣợc giữ với nhau
bởi lực Van der Waals. Dƣới 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 sinh ra các sợi dây khỏe, độ dài
không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao. [3]
1.3.1 Ống nano đơn lớp SWNT (Single Wall Nano Tube)

zigzag(n,0)

chiral(n,m)
Armchair(m,m)
Hình 1.5 Cấu trúc khơng gian của các SWNT
Bằng cách cuộn 1 tấm graphite theo những cách khác nhau, đƣợc 2 lọai NTs:
zigzag(n,0), armchair(m,m), và chiral(n,m) với n>m>0.
Cách đặt tên ống nano (n,m) có thể tƣởng tƣợng nhƣ là một vector (Ch) trong
một tấm than chì vơ hạn mà mơ 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.

6


Phần lớn các ống nano đơn lớp (SWNT-Single Wall Nano Tube) có đƣờng kính
gần 1 nanomet, với độ dài đƣờng ống có thể gấp hàng nghìn lần nhƣ vậy. Cấu trúc của
một SWNT có thể đƣợc hình dung là cuộn một lớp than chì độ dày một ngun tử (cịn
gọi là graphene) thành một hình trụ liền. Cách mà tấm graphene đƣợc cuộn nhƣ vậy
đƣợc biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m) gọi là vector chiral. Các số nguyên n và m là
số của các vector đơn vị dọc theo hai hƣớng trong lƣới tinh thể hình tổ ong của
graphene. Nếu m=0, ống nano đƣợc gọi là "zigzag". Nếu n=m, ống nano đƣợc gọi là
"armchair". Nếu không, chúng đƣợc gọi là "chiral"
1.3.2 Ống nano đa lớp MWNT (Multi Wall Nano Tube) [5]

Hình 1.6 Ống nano carbon nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện tử

MWNT gồm nhiều lớp graphite cuộn lên nhau để tạo dạng ống. Có thể mô tả
cấu trúc MWNT theo 2 kiểu:
Russian doll: gồm những tấm graphite đƣợc xếp theo hình trụ đồng tâm.
Parchment: 1 tấm graphite đơn đƣợc cuộn quanh chính nó, tƣơng tự cuộn da dê
hoặc 1 tờ báo đƣợc cuộn lại.
Khoảng cách giữa các lớp MWNT gần bằng khỏang cách giữa các lớp graphene
của graphite, xấp xỉ 0.33nm.

1.4 Việc sử dụng vật liệu nano hiện nay. [6]

7

Trong ngành cơng nghiệp hiện nay, các tập đồn sản xuất điện tử đã bắt đầu
đƣa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc
máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lƣợng lớn với tốc độ xử lý cực
nhanh… Trong y học, để chữa bệnh ung thƣ ngƣời ta tìm cách đƣa các phân tử thuốc
đến đúng các tế bào ung thƣ qua các hạt nano đóng vai trò là “xe tải kéo”, tránh đƣợc
hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành. Y tế nano ngày nay đang nhằm vào những
mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con ngƣời, đó là các bệnh do di truyền có
nguyên nhân từ gen; các bệnh hiểm nghèo hiện nay nhƣ: HIV/AIDS, ung thƣ, tim
mạch; các bệnh đang lan rộng hiện nay nhƣ béo phì, tiểu đƣờng, liệt rung (Parkison),
mất trí nhớ (Alzheimer). Rõ ràng y học là lĩnh vực đƣợc lợi nhiều nhất từ công nghệ
này. Đối với việc sửa sang sắc đẹp đã có sự hình thành nano phẩu thuật thẩm mỹ,
nhiều loại thuốc thẩm mỹ có chứa các loại hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da. Đây
là một thị trƣờng có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra đời
nhƣ cơng nghệ nano.
Ngồi ra, các nhà khoa học tìm cách đƣa cơng nghệ nano vào việc giải quyết
các vấn đề mang tính tồn cầu nhƣ thực trạng ô nhiễm môi trƣờng ngày càng gia tăng.
Việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức
cơng phá khiến ta khơng thể hình dung nổi.

8


Chƣơng 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE
(CNT)

2.1 Ứng dụng trong công nghiệp
2.1.1 Sản xuất linh kiện điện tử
Hiện nay với sự xuất hiện của ống nano carbon, cùng với khả năng chế tạo ra
các ống carbon có tính chất nhƣ là bán dẫn loại p hay loại n. Ngƣời ta đã có thể sắp

xếp đƣợc các sợi carbon nhỏ nằm gối lên nhau, tại những điểm giao nhau đó chúng có
tác dụng nhƣ một điơt. Các điơt này có kích thƣớc rất nhỏ cỡ vài nm. Tuy nhiên kỹ
thuật chế tạo các điôt này khá phức tạp, ngƣời ta đã sử dụng phƣơng pháp dòng chảy
để định hƣớng các sợi carbon. Nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng
với ống nano carbon có thể chế tạo các linh kiện hoạt động trên cơ sở những hoạt
động của Spin điện tử. Với các dây dẫn thông thƣờng các điện tử luôn bị tán xạ bởi
mạng các ion, hay với chính các điện tử, do đó ln tồn tại điện trở. Nhƣng với ống
nano carbon thì khác, các điện tử chuyển động theo kiểu xung kích và ống nano lại rất
nhỏ, khơng có sai hỏng nên điện tử khơng bị tán xạ. Điều đó có nghĩa là điện tử có thể
chuyển động đƣợc một quãng đƣờng xa mà không thay đổi xung lƣợng, vẫn giữ
ngun trạng thái của mình và có nghĩa là spin đƣợc bảo tồn. Ta đã biết spin của
điện tử có hai giá trị -1/2 và +1/2 (spin up và spin down), nên ta có thể dùng từ trƣờng
để điều khiển spin thay cho việc điều khiển điện tử và lỗ trống trong các bán dẫn
thông thƣờng.
Hiện nay với sự phát triển nhƣ vũ bão của các linh kiện điện tử, kích thƣớc của
các linh kiện đã đƣợc giảm nhỏ. Tuy nhiên chúng ta khơng thể cực tiểu hố mãi đƣợc
vì hiện nay q trình cực tiểu hố đã đang tiến gần đến giới hạn vật lý.
Từ đó chúng ta cần phải nghĩ đến một vật liệu mới nào đó có khả năng đặc biệt
và từ đó có thể cực tiểu hố đƣợc các linh kiện. Và điều đó đã đƣợc giải quyết bằng
sự xuất hiện của ống nano carbon. Ống carbon đƣợc dùng làm kênh dẫn trong
transistor.
9


Hình 2.1 Transistor trƣờng sử dụng ống nanno carbon.
Điện thế cực cổng có ảnh hƣởng rất lớn đến tính dẫn điện của ống nano carbon.
Với việc sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn điện, độ dẫn điện có thể thay đổi hơn
một triệu lần so với transistor trƣờng trên cơ sở silic. Hơn nữa vì có kích thƣớc nhỏ,
transistor trƣờng trên cơ sở ống nano làm việc với độ tin cậy cao hơn, tiêu thụ ít năng
lƣợng hơn, nó có thể đóng mở với tốc độ Terahert.

Khi các thiết bị đƣợc cực tiểu hố về kích thƣớc và đƣợc tăng mạnh về tốc độ
thì các điện tử sẽ hoạt động với tốc độ cao nên toả nhiều nhiệt... để giải quyết vấn đề
đó ngƣời ta đã sử dụng khả năng dẫn nhiệt rất tốt của ống carbon gắn vào các linh
kiện.[6] Vì kích thƣớc của các linh kiện rất nhỏ nên không thể sử dụng các dây dẫn
kim loại thông thƣờng nhƣ hiện nay vẫn dùng để nối các linh kiện với các thiết bị hay
các mạch logic bên ngoài mà phải dùng ống nano carbon.
2.1.2 Ứng dụng trong sản xuất vật liệu siêu bền, siêu nhẹ
Trƣởng nhóm nghiên cứu, Giáo sƣ Alan Windle, thuộc Đại học Cambridge
dùng CNT để dệt thành áo, hoặc kết hợp với những loại vật liệu khác để sản xuất
những sản phẩm siêu bền. Theo các chuyên gia, ứng dụng quan trọng của sợi carbon
mới này là sản xuất áo chống đạn siêu bền, vì nó bền hơn, dai hơn và cứng hơn nhiều
lần so với loại vải đƣợc dùng để may áo giáp hiện nay. [8]
Nasa cũng sử dụng CNT trong nhiều mục đích khác nhau. Nhƣ trong các vỏ tàu
vì CNT là vật liệu siêu bền và siêu nhẹ. Do đó làm giảm trọng lƣợng của tàu vũ trụ,
và làm giảm chi phí phóng tàu. Đồng thời cịn làm tăng khả năng chống chịu va đập
cho tàu.
10