TÌM HIỂU VỀ FULLERENE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ FULLERENE

Giảng viên hướng dẫn: PGS – TS Phạm Thành Huy.
Học viên: Nguyễn Lê Anh.
Lớp: Cao học vật lí chất rắn k19


PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG FULLERENE
I. GIỚI THIỆU CHUNG.
1. Công nghệ nano.
Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành
từ các kim loại. Khoa học và cơng nghệ nano có thể hiểu một cách đơn giản là ngành khoa học và công
nghệ tiến hành nghiên cứu trên các đối tượng cỡ nanomet. Hay nói một cách khác là ngành khoa học và
công nghệ tạo ra các cấu trúc vật liệu, các linh kiện thiết bị, hệ thống có tính chất mới ưu việt nhờ vào
kích thước cỡ nanomet, đồng thời điều khiển được các tính chất của chúng ở phạm vi phân tử, nguyên
tử.

Hình: Ứng dụng của nano.
Các kĩ thuật hiện tượng ở giới hạn nano lại quan trọng vì:
+ Bản thân kích thước nano là một lợi thế rất lớn: hiệu ứng lượng tử xuất hiện, tỉ số giữa bề mặt
và thể tích tăng.
+ Khả năng điều khiển và thay đổi cấu trúc ở mức độ nguyên tử của vật liệu.
+ Bằng các kĩ thuật sử dụng công nghệ nano, chúng ta có thể đạt được hai ưu điểm lớn: thứ nhất
là sự hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất của tự nhiên, thứ hai là tìm ra các phương pháp cải thiện tự
nhiên.

Hình: Nano Cacbon
Ứng dụng khoa học và công nghệ nano:
+ Công nghiệp điện tử, quang điện tử.

+ Cơng nghiệp hóa học.
+ Cơng nghiệp năng lượng.
+ Y sinh học và nông nghiệp.


+ Hàng không, vũ trụ, kĩ thuật quân sự.
+ Công nghệ xử lí mơi trường.

Hình: Nano silic và nano kẽm.
2. Lịch sử ra đời và cấu tạo của fullerene.
Khi nói đến than, tức khắc một hình ảnh đen đúa, nhếch nhác, đầu tắt mặt tối hiện ra. Dường
như, trong thi văn cũng như trong âm nhạc khơng có thơ ca nào ca tụng "than", bồ hóng hay... lọ nồi.
Người ta hiểu một cách bình thường than chỉ là một vật liệu đốt. Đốt ra tro, rồi than vẫn hồn than.
Khơng có gì phải nói. Nhưng với cặp mắt tị mị quan sát kỹ hơn thì than đốt là một kết hợp vơ định
hình (amorphous) của ngun tố carbon. Than có một người "anh em" cùng họ rất q phái, đó là kim
cương. Nhưng rất ít người biết rằng trong cái đống tro than, bụi than từ những quặng mỏ vĩ đại chứa
những lớp than đen, trong đám bụi vũ trụ của các thiên hà bao la, đến bồ hóng của lị sưởi hay lọ nồi
đóng trên soong chảo của cái bếp nhà quê khiêm tốn, ta có một dạng khác của than. Đó là quả bóng đá
fullerene C60 chứa 60 nguyên tố carbon và ống than nano (carbon nanotube).
Trước năm 1985 người ta vẫn cho rằng cacbon chỉ tồn tại ở ba dạng thù hình. Dạng thù hình
thứ nhất của cacbon cũng là dạng phổ biến nhất thường gọi là than có màu đen như là ở cây, gỗ cháy
cịn lại. Về mặt cấu trúc, đó là dạng vơ định hình. Dạng thù hình thứ hai của cacbon hay gặp trong kỹ
thuật, đó là graphit (than chì). Cấu trúc graphit gồm nhiều lớp graphen song song với nhau và sắp xếp
thành mạng lục giác phẳng. Và dạng thù hình thứ ba của cacbon là kim cương. Trong tinh thể kim
cương, mỗi nguyên tử cacbon nằm ở tâm của hình tứ diện và liên kết với bốn nguyên tử cacbon cùng
loại.


Đến năm 1985, trong khi nghiên cứu về cacbon, Kroto và đồng nghiệp đã khám phá ra một tập
hợp lớn các nguyên tử cacbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet dạng thù hình này của cacbon được gọi là Fullerenes.

Fullerenes là một lồng phân tử khép kín với các nguyên tử cacbon sắp xếp thành một mặt cầu
hoặc mặt elip. Fullerenes được biết đến đầu tiên là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử cacbon
nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều (hình 1.3a). Năm 1990,
Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực
graphite có chứa C60 và các dạng fullerenes khác như C70, C80 (hình 1.3b, hình 1.3c).
Fullerene là phân tử được tạo nên bởi các nguyên tử Cacbon. Là một lồng phân tử cacbon khép
kín với các nguyên tử cacbon sắp xếp thành mặt cầu, elip hoặc hình ống.
Các phân tử Fullerene hình cầu cịn được gọi là Buckyball.
Các phân tử hình trụ được gọi là ống nano Cacbon hoặc ống Bucky.
Fullerene có cấu trúc tương tự như graphit.
C60 là một phân tử carbon hình cầu, có đường kính ~ 1 nm.
C60 được tạo nên từ 20 mặt lục giác 12 ngũ giác.
Đường kính chính xác (the nucleus to nucleus diameter)~ 0.7 nm.


Vì cấu tạo gồm tồn ngun tử nhẹ cacbon, liên kết với nhau tồn là bằng liên kết mạnh cộng
hố trị, lại có dạng hình cầu rỗng (khoảng cách giữa các nguyên tử cỡ từ 0,14 nanomet đường kính quả
cầu cỡ 0,45 nanomet) nên fulơren C60 xem như quả cầu nhỏ nhất, nhẹ nhất, cứng nhất.
Về sau người ta còn tìm thấy các phân tử C70, C76, C84, C90, C94… cơ bản cũng có cấu trúc
như cái lồng nhưng to hơn, khơng thật gần hình cầu như C60 đều gọi là fulơren.

Vào khoảng những năm 1960 khi nghiên cứu những mối liên kết của cacbon trong cấu tạo các
phân tử, đặc biệt là các phân tử chất cho mùi thơm, người ta mới lập luận là do có các mối liên kết cộng
hoá trị đặc biệt, các nguyên tử cacbon có thể liên kết với nhau tạo ra các phân tử lớn cacbon có dạng
như cái lồng. Đến năm 1985 trong thiết bị tạo ra các chùm phân tử do giáo sư Rick Smalley thiết kế,
các nhà khoa học mới quan sát thấy thực sự có các đại phân tử cacbon dạng cái lồng. Cụ thể là cả cái
lồng gồm 60 nguyên tử, kết nối với nhau theo các hình lục giác kiểu như lá graphen nhưng gói lại như
mặt ngồi của quả bóng đá. Khi gói lại như vậy một số hình lục giác bị co lại chuyển thành hình ngũ
giác (5 góc hay 5 cạnh). Người ta gọi đại phân tử này là C60. Ở Mỹ trước đây có kiến trúc sư
Buckminster Fuller đã thiết kế ngơi nhà kính to để lấy ánh sáng tự nhiên mặt ngồi là các đa giác

khung nhơm lợp kính. Do ngoại hình tương tự nên người ta gọi phân tử C60 là fulơren (fullerene) có khi
cịn gọi là quả bóng Bucky (Bucky ball). Các nhà khoa học tìm ra fulơren đã được trao tặng giải Nobel
hố học năm 1996.
II. TÍNH CHẤT.
Khơng tan trong nước.

Bền nhưng khơng hồn tồn trơ.
Có thể phân tán trong một số dung dịch như Toluence hay carbon disulfide (CS2).
Dung dịch chứa C60 có màu tím.
Dung dịch chứa C70 có màu nâu đỏ.
III. PHÁT HIỆN VÀ ĐO ĐẠC


Dùng khối phổ kế để xác định khối lượng các phân tử.


PHẦN II: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO FULLERENE.
I. PHƯƠNG PHÁP PHĨNG ĐIỆN HỒ QUANG
Năm 1990, một phương pháp mới chế tạo Fullerene đã được hai nhà nghiên cứu người Đức là
Kratschmer và Huffmann phát triển được gọi là phương pháp phóng điện hồ quang.
Phương pháp đơn giản và thông dụng nhất được sử dụng nhiều trong thời gian đầu khi tìm ra
fullerene là phương pháp hồ quang điện. Nguyên lý của phương pháp này là tạo ra ống nano cacbon
thông qua việc phóng điện hồ quang giữa hai thanh điện cực cacbon, được đặt đối diện nhau, khoảng
cách của hai điện cực này khoảng vài mm.

Môi trường xung quanh điện cực này là khí trơ (He, Ar) ở áp suất từ 100-300 mbar. Sự phóng
điện ở nhiệt độ cao giữa hai điện cực xảy ra khi người ta cung cấp một dịng điện có cường độ 50100A, được tạo bởi một hiệu điện thế khoảng 20-25 V, nhiệt độ trong buồng lên tới 3000 –
4000K. Sự phóng điện này làm cho cacbon chuyển sang pha hơi, ống nano cacbon được tạo ra
trong quá trình lắng đọng trên điện cực.

Tuy nhiên, phóng hồ quang thơng thường là một q trình khơng liên tục và khơng ổn định nên
phương pháp này không thể tạo ra một lượng lớn CNTs. CNTs được tạo ra bám trên bề mặt catốt và
được sắp xếp khơng theo một quy tắc nào, vì dịng chuyển động và điện trường là không thuần nhất.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, do mật độ hơi cacbon và nhiệt độ không đồng nhất nên hạt nano
cacbon và các tạp bẩn luôn tồn tại cùng với ống nano. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã tạo ra
những hệ hồ quang mới với nhiều ưu thế mới và có hiệu quả cao. Lee đã phát triển hệ phóng điện hồ
quang truyền thống thành phương pháp hồ quang plasma quay để chế tạo CNTs khối lượng lớn.
Phương pháp hồ quang với plasma quay dùng tổng hợp CNTs được thể hiện trên hình 1.16. Lực ly
tâm gây ra bởi sự quay để tạo ra hiện tượng xoáy và gia tốc quá trình bay hơi của nguyên tử cacbon
theo phương thẳng đứng với điện cực anốt. Hơn nữa, quá trình quay làm cho sự phóng điện vi cơ đồng
đều và tạo ra plasma ổn định. Bởi vậy đã làm tăng thể tích plasma và tăng nhiệt độ plasma. Với tốc
độ quay là 5000 vòng/phút (rpm) tại nhiệt độ 10250 C, hiệu suất tạo CNTs là 60 %. Hiệu suất có thể
đạt tới 90 % nếu tốc độ quay tăng lớn và nhiệt độ lớn đạt tới 11500C
Trong phương pháp hồ quang điện, để tạo MWCNTs thì khơng cần sự có mặt của xúc tác. Tuy
nhiên, để tạo SWCNTs thì người ta lại cần sử dụng các chất xúc tác, đặc biệt là các xúc tác kim loại
chuyển tiếp. Một số tác giả đã chế tạo SWCNTsbằng cách phóng điện hồ quang bằng điện cực Fe graphite trong mơi trường khí argon. Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã tạo ra một hố
nhỏ trên thanh graphite anốt, hố này được lấp đầy bởi một hỗn hợp bột kim loại và bột graphite còn
catốt là thanh graphite sạch. Các chất xúc tác thường được sử dụng để chế tạo SWCNTs bao
gồm một số kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và một số kim loại đất hiếm như Y. Trái lại, hỗn hợp
của những chất xúc tác này như Fe/Ni hay Co/Ni lại thường được sử dụng để chế tạo ra bó SWCNTs.

Tóm lại, trong phương pháp phóng điện hồ quang, với hai điện cực là graphite tinh khiết (hoặc
có thể bổ sung thêm một vài chất xúc tác), các nguyên tử cacbon từ anốt chạy đến catốt tạo ra các ống
nano cacbon và muội fullerenes cùng nhiều sản phẩm phụ khác. Đây là phương pháp đơn giản,


phổ biến trong chế tạo CNTs và fullerenes. Sản phẩm tạo ra có cấu trúc hồn hảo, nhưng khơng thể
điều khiển được đường kính cũng như chiều dài của CNTs.
II. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY DÙNG XUNG LASER

Phương pháp đầu tiên được sử dụng để chế tạo fullerenes là phương pháp bốc bay dùng xung
laser trong mơi trường khí trơ. Đối với việc tổng hợp vật liệu trong phân vùng hẹp, đây là phương pháp
tỏ ra phù hợp và hiệu quả. Nguyên lý của phương pháp này sử dụng một chùm tia laser cường độ lớn
khoảng 100kW/cm2, ở nhiệt độ cao 12000C, bức xạ vào một miếng graphit có vai trị dùng làm bia,
dưới áp suất cao khoảng 500 Torr, trong mơi trường chân khơng hoặc khí trơ (He, Ar). Chùm hơi nóng
được tạo thành, nở ra và sau đó được làm lạnh nhanh, cacbon hình thành được ngưng tụ nhờ hệ thống
làm lạnh bằng điện cực đồng.
Chất lượng và hiệu suất của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, thời gian và xúc
tác. Ở nhiệt độ dưới 12000C, thì chất lượng vật liệu CNTs tạo ra giảm, xuất hiện các sai hỏng về mặt
cầu trúc. Đặc biệt, nếu dùng hỗn hợp xúc tác là Ni, Co/Ni… sẽ cho hiệu suất cao hơn. Sản phẩm thu
được là các ống cacbon nano có đường kính nhỏ, phân bố kích cỡ đồng đều, có tính chất tốt với độ
sạch cao (hơn 90%) so với phương pháp hồ quang điện.

Phương pháp bốc bay bằng laser là một phương pháp có hiệu quả cao cho q trình tổng hợp bó
SWCNTs với vùng phân bố hẹp. Trong phương pháp này, một miếng graphite dùng làm bia bị bốc bay
bởi bức xạ laser dưới áp suất cao trong mơi trường khí trơ. MWCNTs được tạo ra trên bia graphite
sạch. Chất lượng và hiệu suất của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng và chất lượng sản
phẩm tốt nhất ở nhiệt độ 12000C. Ở nhiệt độ thấp hơn thì chất lượng cấu trúc giảm và CNTs bắt đầu
xuất hiện những sai hỏng. Trong phương pháp bốc bay bằng chùm laser, năng lượng của chùm tia laser
làm bay hơi bia graphite được đặt ở trong lò đốt bằng điện ở nhiệt độ khoảng 12000C. Luồng khí Ar (áp


suất ~ 500 Torr) thổi hơi cacbon từ vùng nhiệt độ cao về điện cực lắng đọng bằng đồng được làm
lạnh bằng nước như được thể hiện trên hình 1.17.

Nếu dùng bia graphite tinh khiết ta sẽ thu được MWCNTs. Nếu bia được pha thêm khoảng 1,2%
nguyên tử Co/Ni với khối lượng Ni và Co bằng nhau sẽ thu được SWCNTs. Trong sản phẩm cịn có
các dây nano tạo bởi các SWCNTs với đường kính từ 10 nm đến 20 n

Giá trị

trung bình của đường kính ống và mật độ phân bố đường kính ống tuỳthuộc vào nhiệt độ tổng hợp và
thành phần xúc tác. Để tạo SWCNTs, người ta còn dùng phương pháp xung cực nhanh từ laser điện tử
tự do (FEL) hoặc phương pháp xung laser liên tục. Phương pháp này có ưu điểm là sản phẩm thu được
có độ sạch cao (trên 90%) so với phương pháp hồ quang điện. Tuy nhiên, đây chưa phải là phương
pháp có lợi ích kinh tế cao và khá tốn kém, vì lượng sản phẩm tạo ra ít, trong khi đó nguồn laser yêu
cầu công suất lớn và điện cực than cần có độ sạch cao..


PHẦN III: ỨNG DỤNG CỦA FULLRENE.
I. CÁC NHÀ KHOA HỌC PHÁT HIỆN FULLERENE NHẬN GIẢI NOBEN
1. Harold Kroto
Sir Harold (Harry) Walter Kroto (tên khai sinh là Harold Walter Krotoschiner) (sinh 7 tháng 10,
1939 - mất 30 tháng 4, 2016) là nhà hóa học người Anh. Ơng được trao Giải Nobel Hóa học cùng
với Richard Smalley và Robert Curl vào năm 1996 nhờ sự phát hiện Fullerene vào năm 1985.
2. Robert Curl
Robert Floyd Curl (sinh 23 tháng 8, 1933) là nhà hóa học người Mỹ. Ơng được trao Giải Nobel
Hóa học vào năm 1996 cùng với Richard Smalley và Harold Kroto. Cả ba đều đã phát hiện
ra Fullerene.
3. Richard E. Smalley
Richard Errett Smalley (1943-2005) là nhà hóa học người Mỹ. Ơng trở thành chủ nhân của Giải
Nobel Hóa học năm 1996. Cơng trình đã giúp ơng nhận giải đó là khám phá ra Fullerene. Ông nhận
giải chung với Robert Curl và Harold Kroto. Smalley, Curl, Kroto và một số nhà khoa học khác đã
cơng bố sự xuất hiện của nó vào năm 1985.

Hình: Harold Kroto, Robert Curl, Richard E. Smalley.
II. ỨNG DỤNG
Sự khám phá ra fullerene đã trở thành một bước tiến lớn trong sự hiểu biết về thù hình cacbon,
mà trước đó chỉ giới hạn ở than chì, kim cương, và cacbon vơ định hình như muội than và than gỗ.
Buckyball và buckytube đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm, cả trong hóa học lẫn các ứng

dụng cơng nghệ, đặc biệt trong khoa học vật liệu, điện tử học và công nghệ nano.


Việc phát hiện ra fulơren đã gây chấn động trong khoa học vì khơng ai ngờ là một ngun tố rất
quen thuộc cacbon từ hàng trăm năm nay chỉ biết có hai dạng tinh thể là kim cương và graphit nay lại
biết thêm một dạng tinh thể nữa là fulơren. Nhưng quan trọng hơn là do những tính chất lý hoá rất đặc
biệt của fulơren, các nhà khoa học thấy có rất nhiều khả năng ứng dụng. Thí dụ có thể dùng fulơren
như những hòn bi lăn chống ma sát, tức là một cách bôi trơn khô cực kỳ tinh vi, có thể dùng được cho
cả mơi trường chân khơng. Nhưng một hướng rất có triển vọng là dùng fulơren như một cái lồng để
mang được chất đưa vào cơ thể, ngăn chặn được một số virus nguy hiểm như HIV. Fulơren cũng đã
được nghiên cứu để từ đó làm ra màng kim cương nhân tạo.
Các ống nanô cácbon (Carbon nanotube - CNT) là các dạng thù hình của cacbon. Một ống nano
cacbon đơn vách là một tấm than chì độ dày một-ngun-tử cuộn trịn 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 và có thể xoắn lại thành các sợi nano cacbon. Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn
vách (SWNT) và ống nano đa vách (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 hồn tồn 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.
Một trong những đặc tính khác thường của ống than nano là cơ tính và lý tính. Ống than nano có
độ cứng (stiffness), độ bền (strength) siêu việt và truyền nhiệt tốt. Cấu trúc của ống có thể được thiết kế
để thay đổi độ dẫn điện từ mức độ của kim loại đồng đến chất bán dẫn. Quang tính, điện tính (bao gồm
điện, điện tử, quang điện tử) của ống than nano cho thấy những tính chất mới lạ chưa từng thấy trong
các loại vật liệu hữu cơ lẫn vô cơ. Những đặc tính này đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và
giới công nghiệp doanh thương. Ngồi các đặc tính vĩ mơ, những hiện tượng lượng tử của ống nano
như thông tin lượng tử, spintronic và ngay đến hiệu ứng siêu dẫn cũng đang được khảo sát.
Nói về cơ tính, ống than nano bền và cứng hơn thép. Diễn tả một cách ví von, ống nano mang
một sức bền có thể treo vài chục chiếc xe tăng khi ống được phóng đại có đường kính to bằng cây viết
chì. Nếu được triển khai đúng mức, đây là một vật liệu gia cường (reinforcement) quý giá cho các
polymer gia dụng. Nói về các đặc tính điện tử và quang điện tử (opto-electronics), ống nano có tiềm
năng ứng dụng vượt trội có thể thay thế nguyên tố silicon và các chất bán dẫn khác hiện nay đang
thống trị thương trường máy vi tính và các linh kiện điện tử.


PHẦN IV: KẾT LUẬN.
Việc khám phá quả bóng đá fullerene C60 vào năm 1985 của Harold Kroto, Robert Curl và
Richard Smalley và việc tái phát hiện ống than nano của Sumio Iijima vào năm 1991 là hai sự kiện tình
cờ trong khoa học nhưng đã mở màn một kỷ nguyên mới của nghiên cứu khoa học và công nghệ. Hai
loại vật liệu nano hữu cơ này như một chi lưu quan trọng hịa nhập vào dịng thác "cơng nghệ nano"
manh nha vào thập niên 80 của thế kỷ trước. Cùng với sự phát triển fullerene và ống than nano, các nhà
vật liệu học và hóa học đã tổng hợp và tinh chế các loại hạt nano kim loại, hạt nano bán dẫn hay hữu cơ
với một kích thước đồng nhất từ 1 đến 100 nanomét. Tổng hợp hạt nano với một kích thước đồng nhất
theo ý muốn phải nói là một thành tựu nổi bật trong ngành hóa tổng hợp [1]. Ngoài ra, bề mặt của
fullerene, ống than nano và các loại hạt nano được "trang bị" với các nhóm chức, polymer có khả năng

cảm quang, cảm nhiệt để chế tạo bộ cảm ứng hóa học, sinh học, sóng điện từ, dụng cụ điện tử, quang
điện tử; hay với phân tử dược cho việc trị liệu ung thư.
Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho cơng trình
nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov
(Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì (graphite). Từ lâu, người ta đã biết
rõ cấu trúc lớp (layered structure) của than chì, vì giá rẻ nên khơng biết làm gì hơn là dùng làm lõi bút
chì. Geim và Novoselov dùng một thao tác nano đơn giản bằng cách áp băng keo lên than chì để tách ra
một mảng graphene. Từ đó than chì từ một "phó thường dân" được thăng hoa trở thành hồng tử. Việc
tách rời từng lớp graphene từ than chì lần đầu tiên đã cho ngành vật liệu học một vật liệu nano thuần
carbon hai thứ nguyên với độ dày của một nguyên tử. Tầm quan trọng trong ứng dụng của graphene và
việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lý lý thuyết có lẽ là hai ngun nhân chính trong việc trao giải
Nobel cho Geim và Novoselov, dù rằng hai ông chỉ mới chế tạo graphene vào năm 2004.
Như vậy, trong một phần tư thế kỷ qua carbon trở nên một vật liệu quan trọng với giải Nobel
Hóa học (1996) cho fullerene, giải Nobel Vật lý (2010) cho graphene, và các loại vật liệu nano kim loại
hay bán dẫn được thiết kế và chế tạo ở mức độ phức tạp đa năng chưa từng thấy trong lịch sử khoa học.
Hệ quả là đã có hàng ngàn báo cáo khoa học được phát biểu trên các tạp chí chuyên ngành, hàng ngàn
đăng ký phát minh đã xuất hiện và vẫn tiếp tục gia tăng theo con số lũy thừa. Việc khám phá graphene
với những tính chất đặc thù của vật liệu nano hai thứ nguyên càng gia tăng sự hào hứng trong các nỗ
lực nghiên cứu cơ bản lẫn ứng dụng. Trong cái nhìn của các nhà vật lý, chúng ta đã có đủ tồn bộ vật
liệu nano từ hạt nano (chấm lượng tử) với zero thứ nguyên, ống than nano một thứ nguyên và graphene
hai thứ nguyên để thực chứng những hiện tượng đã được tiên đoán từ các lý thuyết vật lý trong nhiều
năm qua.
Nhưng các ứng dụng thực tiễn và sản phẩm nano thì ra sao? Sau 25 năm nghiên cứu với tổng
kinh phí nghiên cứu đầu tư trên tồn thế giới vào cơng nghệ nano có thể đã vượt qua mốc trăm tỷ đô la,
chưa kể chi phí xây dựng hạ tầng cơ sở cho các viện nghiên cứu, cộng với một tài sản trí tuệ của hàng
ngàn nhà nghiên cứu từ những khoa học gia tầm cỡ của hành tinh đến các nghiên cứu sinh bình thường,
đã đến lúc người ta đặt câu hỏi bao giờ thì kho tàng trí tuệ này mới được đem ra ứng dụng biến chế ra
thương phẩm phục vụ con người và làm giàu cho nền kinh tế quốc gia. Liệu nền cơng nghệ nano có
phải là con gà đẻ trứng vàng tạo ra những đợt sóng thần cách mạng cơng nghệ như các nhà nghiên cứu
và doanh nghiệp đã kỳ vọng? Nếu ta có một cái nhìn khe khắt hơn thì một phần tư thế kỷ có lẽ đã đủ

dài để biến một phát minh khoa học trong phòng thí nghiệm thành những sản phẩm trên thương
trường.
Lịch sử khoa học cho thấy việc áp dụng chất bán dẫn vào transistor chế tạo các dụng cụ điện tử
kể cả máy tính tạo ra cuộc cách mạng tin học, hay việc phát minh ra sợi nylon tạo ra các loại vải vóc
nhân tạo thay thế tơ tằm, len dạ thiên nhiên làm thay đổi khái niệm "mặc" của con người, cũng như
việc sử dụng các loại sợi gia cường như sợi carbon (carbon fibres), sợi Kevlar để chế tạo composite
công nghệ vừa nhẹ vừa bền thay thế kim loại; tất cả những sự kiện khoa học cơng nghệ này từ phịng
thí nghiệm cho đến thương trường không quá 30 năm. Tuy nhiên, trong cùng một thời gian ta phải
khách quan nhìn nhận rằng dù vật liệu nano càng ngày càng đa dạng và tinh vi nhưng cho đến nay
chúng vẫn chưa mang tới cho nhân loại một sản phẩm đổi đời như transistor, vải vóc nhân tạo hay
composite gia cường đã làm trong quá khứ.
Tại các hội nghị khoa học hay trong các bài báo cáo, các nhà khoa học có thói quen dự phóng,
thậm chí cường điệu những tiềm năng ứng dụng của một phát hiện có lẽ để kích thích sự lắng nghe của
các cơ quan tài trợ với niềm hy vọng tìm được kinh phí cho tài khóa tới, sẽ mua thêm được nhiều thiết
bị và ban phát nhiều học bổng cho các nghiên cứu sinh xuất sắc. Cuối cùng, họ sẽ xuất bản những bài
báo trên những tạp chí có chỉ số ảnh hưởng cao (high impact factor) và giáo sư chỉ đạo sẽ có nhiều cơ
hội tìm thêm kinh phí mới. Trước những khám phá khoa học, doanh nhân có một cái nhìn khác, sâu sắc
và lạnh lùng hơn vì mục đích cuối cùng của doanh nghiệp là lợi nhuận. Một doanh nhân đã từng tuyên
bố: "Một phát minh cần phải 10 lần tốt hơn và 10 lần rẻ hơn sản phẩm hiện có thì mới có cơ hội xuất
hiện trên thương trường". Sự sống cịn của một doanh nghiệp tùy vào sự thỏa mãn của khách hàng và
lịng hoan hỉ của các chủ cổ đơng. Từ phịng thí nghiệm đến sàn chứng khốn là con đường dài cho một
phát minh và cũng lắm khi nó buộc phải bị chôn sống giữa đường. Công nghệ nano cũng khơng nằm
ngồi các quy luật thương mãi. Thêm vào đó ta có thể tìm thấy sự trì trệ trong việc thương phẩm hóa
của vật liệu nano gây ra từ các nguyên nhân sau: (1) sự đa dạng của vật liệu nano, (2) sự đa dạng của
các ứng dụng, (3) sự cạnh tranh về giá cả, hiệu năng và phương pháp sản xuất của vật liệu "cổ điển"
hiện có trên thương trường và (4) vấn đề an toàn sức khoẻ và độc tính của vật liệu nano. Ta có thể hình
dung nền cơng nghệ nano như một người đang đi vào cái tuổi trung niên có cái đầu bách khoa rất to
nhưng tứ chi chậm phát triển, có mầm bệnh lại thêm cái tính gàn dở muốn làm nhiều việc cùng một

lúc! Nói như thế xem chừng q ngơn nhưng sự đa dạng của vật liệu nano với nhiều ứng dụng đa
ngành từ vật lý đến sinh y học, từ điện tử học đến hóa học đã làm chậm tiến trình thương phẩm
hóa. Nền cơng nghệ nano trở thành người tù trong sự thơng thái của mình.
Ta hãy xem vài tiềm năng ứng dụng của ống than nano. Ống than nano có cơ tính tuyệt vời,
cứng hơn thép 5 lần, bền hơn thép 160 lần nhưng lại nhẹ hơn thép gần 6 lần. Có thể nói ống than nano
có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay. Cần phải nhấn mạnh rằng đây là
cơ tính của một ống than riêng lẻ. Gia cường các loại polymer/epoxy là một đề tài nghiên cứu quan
trọng trong các ứng dụng công nghiệp từ nhiều thập niên. Việc triển khai composite giữa
polymer/epoxy và ống than nano là một hướng đi tất nhiên trong lĩnh vực gia cường. Trải nghiệm hằng
ngày cho ta biết những đồ gia dụng polymer (plastic) rất tiện lợi vì giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ nhưng giòn,
dễ gãy nứt. Poly (methylmethacrylate), một loại plastic gia dụng trong suốt như kính, chỉ cần 1 % ống
than nano cũng đủ làm tăng cơ tính của polymer nhiều hơn 5 lần. Người ta có thể chế tạo áo giáp với
composite ống than nano với cường độ bảo vệ lớn hơn nhiều lần so với áo giáp Kevlar hiện


có. Trên thực tế, ống than nano khơng hiện hữu từng ống riêng lẻ mà nhiều ống dính vào nhau thành
cụm hay bó (Hình 1). Trong q trình sản xuất, sự kết tập của ống thành cụm hay bó xảy ra một cách tự
nhiên vì ống có diện tích bề mặt rất lớn nên lực van der Waals tạo ra sức hút rất hữu hiệu giữa các
ống. Tiếc rằng, độ cứng (mô-đun Young) của những cụm này chỉ bằng 1/10 và độ bền lắm lúc chỉ còn
1/100 trị số của các ống nano tạo thành.
Việc gia cường với ống than nano cần phải có những ống riêng lẻ. Vì vậy, sự thành bại của
composite giữa polymer và ống than nano tùy thuộc vào cách tinh chế, gỡ rối cụm và bó ống nano và
phân tán hiệu quả từng ống nano trong chất nền. Cho đến ngày hôm nay (2010), chưa có một phương
pháp hữu hiệu nào để tách các ống than nano hoàn toàn thành những ống riêng lẻ. Cơ tính tuyệt vời của
ống vẫn chưa được tận dụng và composite được gia cường bằng ống than nano chưa là sản phẩm trên
thương trường.
Một ứng dụng lớn khác của ống than nano là công nghiệp điện tử. Những công ty tầm cỡ như
IBM (Mỹ), Samsung (Hàn Quốc), NEC (Nhật Bản) đã đầu tư vào việc nghiên cứu sử dụng ống than
vào các dụng cụ điện tử. Ống than mang đặc tính dẫn điện đạn đạo (electrical ballistic conduction),
nghĩa là nhờ vào hình dạng ống electron có thể di chuyển tự do mà không bị va chạm vào thành ống,

nhờ vậy việc phát nhiệt được giảm thiểu tối đa. Độ dẫn điện của ống có thể điều chỉnh từ mức bán dẫn
đến kim loại. IBM đã tận dụng những đặc tính này để chế tạo transistor ống nano [2]. Vật liệu chính
của transistor hiện tại là chất bán dẫn silicon. Cột sống của các dụng cụ điện tử, máy tính và cơng nghệ
tin học là transistor silicon. Trong vịng 40 năm cho đến ngày nay, transistor silicon đã được thu nhỏ
vài chục triệu lần và giá cả chế tạo một transistor giảm đi một triệu lần. Nếu giá chiếc xe hơi có độ
giảm giá giống như transistor thì ngày hơm nay ta có thể mua một chiếc xe hơi với giá vài xu! Hiện
nay, transistor "Penryn" do hãng Intel chế tạo từ ngun tố silicon và hafnium có kích thước 45
nanomét là transistor nhỏ nhất trên thương trường. Transistor này nhỏ đến mức người ta có thể xếp
2000 transistor trong một khoảng khơng gian dày bằng đường kính sợi tóc. Kỹ thuật sản xuất chip vi
tính hiện nay đã phát triển đến mức 1 tỷ transistor trong một chip chỉ to vài cm2. Theo luồng chế biến
này, người ta dự đoán rằng transistor silicon với kích cỡ 16 nanomét sẽ được tung trên thương trường
vào năm 2018.
Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor làm dụng cụ càng linh hoạt, chức năng
càng cao, ứng đáp càng nhanh chóng, kích thước càng mỏng, nhỏ và gọn gàng. Từ những ưu điểm này,
sự địi hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mãnh liệt. Tuy nhiên, sự thu nhỏ của transistor
silicon không thể vượt mức nhỏ hơn 10 nanomét. Nhưng các cơng trình nghiên cứu của IBM và các
nhóm nghiên cứu khác trong 15 năm qua cho thấy transitor ống than nano có thể vượt qua mốc 10
nanomét. Gần đây, graphene nhập cuộc. Năm 2008, nhóm Manchester của Geim và Novoselov đã chế
tạo transistor graphene ở kích cỡ 1 nanomét. Có thể đây là kích cỡ nhỏ tận cùng của một transistor. Rõ
ràng là một đột phá nhưng chỉ mang tính hàn lâm. Sẽ cịn rất lâu transistor ống nano hay graphene mới
có thể thay thế transistor silicon vì vấn đề kỹ thuật và giá cả. Chướng ngại kỹ thuật thứ nhất là sự đồng
nhất tuyệt đối của vật liệu sử dụng. Ống than nano dùng cho transistor cần phải có kích thước đồng
nhất ở cấp nanomét và độ dẫn điện giống nhau. Yêu cầu này đã thúc đẩy việc sản xuất ống than nano
chất lượng cao (Bảng 1) nhưng vẫn chưa đạt được yêu cầu của transistor [3]. Chướng ngại thứ hai là
các nhà khoa học chưa triển khai được quá trình chế tạo siêu vi mạch tạo ra chip chứa hàng trăm triệu
transistor ống nano hay graphene như chip transistor silicon hiện tại.


Ứng dụng trong gia cường và transistor của ống than nano là hai ứng dụng có tiềm năng tạo nên
một cuộc cách mạng công nghệ trong thế kỷ 21. Tuy nhiên, viễn ảnh thành cơng vẫn cịn mờ mịt. Bảng

1 cho thấy hiện trạng ứng dụng và hướng phát triển của của ống than nano phần lớn vẫn còn trong thời
kỳ nghiên cứu hay triển khai sản phẩm.
Vấn đề an tồn sức khỏe và độc tính của vật liệu nano đang trở thành mối quan tâm hàng đầu
của chính phủ và các doanh nghiệp đang đầu tư vào công nghệ nano. Nó như một luồng nước ngầm
nguy hiểm đang cuồn cuộn chảy dưới một dịng sơng êm đềm lấp lánh ánh hào quang. Khả năng gây
ung thư của ống than nano và sự kiện về hạt nano titanum dioxide trong kem chống nắng có thể phá
hỏng não bộ của chuột đã phần nào làm lu mờ ánh hào quang và gây sự quan ngại trong cộng đồng
nghiên cứu khoa học. Đây là một vấn đề rất lớn liên quan đến an tồn sức khỏe của cơng nhân hằng
ngày tiếp xúc với vật liệu nano và người tiêu dùng sử dụng thành phẩm nano [7]. Các chính phủ tại Bắc
Mỹ, châu Âu, Úc và Nhật Bản đã ban hành những quy định liên quan đến sự an toàn, cách xử lý và chế
ngự trong các quy trình sản xuất và sử dụng vật liệu nano [8-10]. Những cơng trình nghiên cứu về tác
động và cơ cấu xâm nhập vào tế bào sinh vật của vật liệu nano càng lúc càng gia tăng [11-14]. Vật liệu
nano lành hay dữ? Hiện tại chúng ta chưa có câu trả lời dứt khốt.
Hiện trạng nghiên cứu của công nghệ nano là hai mặt mâu thuẫn. Một mặt là nghiên cứu cơ bản
mang tính hàn lâm, các phát hiện mới về đặc tính điện tử, quang điện tử và lượng tử của vật liệu nano
vẫn không suy giảm dù thời gian đã kéo dài 25 năm. Graphene lại bùng ra một cao trào mới. Sau khi
được giải Nobel, Novoselov cao hứng tuyên bố: "Graphene là một mỏ vàng nghiên cứu. Nó sẽ kéo dài
mãi như bất tận". Mặt kia là các vướng mắc kỹ thuật như đã đề cập ở trên, làm trì hỗn các dự án sản
xuất đại trà sản phẩm nano khiến cho nền công nghệ nano hiện tại nhấp nhô như những gợn sóng lăn
tăn trên mặt hồ thu hơn là những ngọn sóng thần đại dương làm khuynh đảo thế giới.
Trong một nước đang phát triển như Việt Nam và trước sự đa dạng và phức tạp của cơng nghệ
nano, trên bình diện đối nội, chính phủ cần có một nhận thức khách quan về tiềm năng và rủi ro của
nền công nghệ này để định hướng và xác lập các lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên nhằm đưa ra chính sách
cung cấp kinh phí cho việc tuyển chọn các đề án nghiên cứu thực tế phù hợp với sinh hoạt người dân và
làm giàu cho nền kinh tế quốc gia. Đồng thời tạo ra nội lực trong các lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên. Như
trình bày ở trên, chúng ta đang có một kho tàng tri thức nano cơng khai gần như miễn phí được tích tụ
trong một phần tư thế kỷ lại được hỗ trợ bằng những lý thuyết vật lý tuyệt vời đang chờ đợi những cái
đầu kinh thương khoa học biến thành sản phẩm. Việt Nam có nhiều lý thuyết gia lỗi lạc nhưng hầu như
thiếu vắng những nhà nghiên cứu tinh thông trong chế tác (manufacturing). Nền cơng nghệ nano đang
cần những đầu óc và bàn tay chế tạo các sản phẩm nano. Trên bình diện đối ngoại, để bắt kịp thế giới

việc hợp tác và gởi nghiên cứu sinh làm việc tại các viện công nghệ nano quốc tế, đặc biệt cơ quan
nghiên cứu R&D của các công ty danh tiếng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Có lẽ chính phủ ta cũng
nên đầu tư tạo mối liên hệ với các giáo sư tầm cỡ hay giám đốc công ty R&D đã nghĩ hưu qua các hoạt
động tư vấn. Ngồi kiến thức chun mơn, sau lưng các vị này là một mạng lưới dày đặc những quan
hệ mà ta cần để khắc phục khó khăn trong việc phát triển khoa học và công nghệ.
……………HẾT………….


LỜI CẢM ƠN.
Tiểu luận của em được hoàn thành nhờ sự hướng dẫn giảng dạy của Thầy PGS – TS Phạm Thành
Huy và sự tìm tịi các tài liệu liên quan đến bộ mơn. Trong q trình nghiên cứu về tiểu luận, chắc chắn em
cịn gặp nhiều thiếu sót. Kính mong Thầy hướng dẫn để tiểu luận của em được hồn thiện hơn. Cuối cùng,
em kình chúc Thầy sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong công việc.
Trân trọng cảm ơn.