BÁO CÁO VẬT LIỆU CARBON NANOTUBE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỀ TÀI

CARBON Giáo viên hướng dẫn:
Danh sách thành viên:
1, Lê Tấn Nhân Từ
2. Võ Thị Hoài Nhi
3. Lâm Quốc Anh
4. Nguyễn Đăng Khoa
5.Cao Thùy Linh
6. Nguyễn Thị Kiều Trinh
7.Nguyễn Phúc Hoàng Phụng
8. Vũ Văn Phú

Nguyễn Văn Dũng
1614035
1612439
1652017
1611620
1611795
1613704
1612678
1612632

NANOTUBE

Năm học 2018 -2019

MỤC LỤC

2


I.

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT HIỆN CARBON
NANOTUBE
Carbon là một nguyên tố kỳ diệu. Kỳ diệu bởi lẽ nó là cơ nguyên của các vật liệu
hữu cơ và sự sống. Nếu các hợp chất chứa carbon không có độ bền kinh ngạc thì sự sống
từ thuở khai thiên lập địa đã không thể tồn tại cho đến ngày nay trên hành tinh này, thậm
chí trong toàn vũ trụ. Trong vài thập niên gần đây nguyên tố carbon rất được quan tâm, và
được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dựng thực tế, và một vài phát hiện của vật
liệu mới thuần carbon là quả bóng fullerene C 60, ống than nano và graphene... Chúng
mang lại những niềm hy vọng mới trong các ứng dụng của khoa học vật liệu và cũng là
những mô hình thực sự để giải đáp những thao thức lý thuyết đã có từ lâu trong vật lý chất
rắn.
Trước năm 1985 người ta vẫn cho rằng carbon chỉ tồn tại ở ba dạng thù hình.
Dạng thù hình thứ nhất của carbon cũng là dạng phổ biến nhất thường gọi là than có màu
đen như là ở cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, đó là dạng vô định hình. Dạng thù hình
thứ hai của carbon 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 carbon là kim cương. Trong tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử carbon
nằm ở tâm của hình tứ diện và liên kết với bốn nguyên tử carbon cùng loại lai hóa sp3.

Hình 1.1 cấu trúc của graphit

Hình1.2 cấu trúc của kim cương

3


Đến năm 1985, trong khi nghiên cứu về carbon, Kroto và đồng nghiệp đã khám
phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử carbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu
kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình này của carbon được gọi là Fullerenes. Fullerenes
là một lồng phân tử khép kín với các nguyên tử carbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc
mặt elip. Fullerenes được biết đến đầu tiên là C 60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử
carbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều. 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.
a)

b)

c)
Hình 1.3 cấu
trúc

cơ

bản

của

các

Fullereres: (a) C60, (b) C70,
(c) C80

Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
(HRTEM) trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit, Iijima
S đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực catốt. Đó là ống nano các bon
đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube). Hai năm sau, Iijima tiếp tục công bố
kết quả tổng hợp ống nano carbon đơn tường (SWCNT - Single Wall Carbon Nanotube)
(hình 1.4a), đó là các ống rỗng có đường kính từ 1÷3 nano mét (nm) và chiều dài cỡ vài
micromet (µm). Vỏ của ống gồm có các nguyên tử các bon xếp đều đặn ở đỉnh của các
hình lục giác đều.
Ống nano carbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than
chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và được khép kín
ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do đó CNTs còn được biết đến như là
fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng liên kết
cộng hoá trị sp2 bền vững. Ống nano carbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường
kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến
0,39 nm. Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt
(được gọi là SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là

4


1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài
có thể lên đến vài mm.
Phát hiện mới về ống nano carbon cũng như những tính chất đặc biệt của nó đã thu
hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự góp
mặt của CNTs đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học vật liệu mới: các vật liệu dựa trên
cơ sở carbon - vật liệu mới cho tương lai.

II.

PHÂN LOẠI

Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
(HRTEM) trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit, Iijima
S
đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực catốt. Đó là ống nanô các
bon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube) .Hai năm sau,
Iijima tiếp tục công bố kết quả tổng hợp ống nanô cacbon đơn tường (SWCNT Single Wall Carbon Nanotube) , đó là các ống rỗng có đường kính từ 1÷3
nanô mét (nm) và chiều dài cỡ vài micromet (µm)
Như vậy Nanotubes được phân loại thành ống nano đơn vách (single-walled
nanotubes - SWNTs) và ống nano đa vách (multi-walled nanotubes - MWNTs)
+ Ống nano carbon đơn tường (SWCNT) có cấu trúc như một tấm graphene cuộn tròn
lại thành hình trụ liền.
+ Ống nano carbon đa tường (MWCNT) có cấu trúc như nhiều tấm graphene lồng
vào nhau và cuộn lại hoặc một tấm graphene cuộn lại thành nhiều lớp .
Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau để tạp thành từng bó xếp chặt( được gọi là
SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7nm. Mỗi
bó có thể gồm hang tram ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên
đến vài mm.

5


a) Đơn tường

b) Đa tường

c) Bó đơn tường

Hình 1.4 Các dạng cấu trúc của CNTs: (a) SWCNT, (b) MWCNTs, (c) Bó SWCNTs

III. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON

Từ những ống nano cacbon đầu tiên được chế tạo bằng phương pháp hồ quang
điện, cho đến nay các nhà khoa học đã phát triển rất nhiều phương pháp tổng hợp
CNTskhác nhau. Nhưng có ba phương pháp chủ yếu được nhiều phòng nghiên cứu sử
dụngđể chế tạo ống nano cacbon đơn tường đó là: phương pháp hồ quang điện,
phươngpháp bắn phá bằng laser và phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học, hay còn
gọi làphương pháp CVD nhiệt. Mỗi phương pháp đều có đặc điểm riêng, nguyên lý,
thiết bị và cách thức để tiến hành chế tạo CNTs cũng có sự khác nhau.

1.

Phương pháp hồ quang điện.
Là phương pháp đơn giản và thông dụng nhất được sử dụng nhiều trong thời gian
đầu khi tìm ra CNTs.
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 mộtdòng điện có cường độ 50-100A, 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.

6


Hình 3.1 Mô hình mô tả phương pháp hồ quang điện để chế tạo CNTs

2. Phương pháp bốc bay laser.
Một phương pháp khác được sử dụng để chế tạo ống nano cacbon đó là sử dụng
chum tia laser. 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 1200oC, bức xạ vào một miếng graphit có vai trò dùng làm
bia, dưới áp suất cao khoảng 500 Torr, trong môi trường chân không 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 1200oC, 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.

7


Hình 3.2Mô hình mô tả phương pháp bốc bay laser chế tạo CNTs

3. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (phương pháp CVD nhiệt).
Phương pháp lắng động pha hơi hóa học, hay còn gọi là phương pháp CVD nhiệt, là
phương pháp chế tạo phổ biến nhất, được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới lựa chọn để
chế tạo CNTs.
So với hai phương pháp trên thì phương pháp CVD nhiệt này có nhiều điểm khác
biệt và đáng chú ý hơn (bảng 1.2). Cấu tạo của phương pháp này bao gồm một ống thạch
anh, thông thường có đường kính 15-20mm, chiều dài từ 1m đến 1.2m, được bao quanh
bởi một lò nhiệt có khả năng nâng nhiệt trong thời gian ngắn.
Hiệu suất và chất lượng của sản phẩm CNTs thu được chế tạo bằng phương pháp
này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như nhiệt độ phản ứng, xúc tác, nguồn cung
cấp hydrocacbon, thời gian phản ứng, lưu lượng khí…
Phương pháp phóng điện hồ quang và bốc bay laser là hai phương pháp thuộc nhóm

sử dụng nhiệt độ cao (>3000K) trong quá trình tổng hợp, thời gian phản ứng ngắn (µsms). Đây là đặc điểm trái ngược so với phương pháp CVD nhiệt, nhiệt độ sử dụng trong
thời gian CVD thấp hơn khoảng từ 700oC – 1000oC, thời gian phản ứng kéo dài từ vài
chục phút tới vài giờ.

8


Hình 3.3 Mô hình mô tả phương pháp CVD chế tạo CNTs

Phương pháp
Nguồn cacbon
Nhiệt độ phản
ứng
Thời gian phản
ứng

Hồ quang điện
Thanh

graphit

Bia graphit

CVD nhiệt
Hydrocacbon
( C2H2, C2H4..)

3000K- 4000K

3000K – 4000K

700K - 1500K

Ngắn

Ngắn

Dài

Xung laser

Nhiệt độ

điện

quang
Không

Sản phẩm

làm

điện cực

Tác nhân phản Phóng
ứng

Bốc bay Laser

được

hồ

điều

khiển Không

điều

hướng

mọc. được

hướng

khiển Điều khiển được
mọc. hướng

mọc.

Ít sai hỏng về mặt Nhiều sai hỏng về Ít sai hỏng về mặt
cấu trúc.

mặt cấu trúc.

cẩu trúc.

Bảng 1: Bảng so sánh ba phương pháp chế tạo CNTs

9

IV. TÍNH CHẤT CỦA CARBON NANOTUBE
1 Tính chất điện
Độ dẫn điện của Carbon Nanotube (CNTs)là một vấn đề đáng quan tâm. CNTs
thực sự có khả năng dẫn điện. Độ dẫn điện của chúng là phụ thuộc vào độ xoắn của ống
và đường kính ống. Khi ta thay đổi cấu trúc của CNTs thì độ dẫn điện của CNTs cũng
thay đổi theo.
Các ống carbon nano đơn tường (SWCNTs) là những sợi carbon dẫn điện nhất
từng được biết đến. Chúng có thể là chất bán dẫn hoặc kim loại. Khi chúng có tính chất
kim loại thì điện trở suất của chúng không thay đổi dọc theo thành ống. Tuy nhiên, khi
chúng có độ dẫn điện tương tự chất bán dẫn thì điện trở suất của nó lại phụ thuộc vào vị
trí đặt các đầu dò để đo. Điện trở suất của carbon đơn tường tại 27ºC cỡ khoảng 10 -4
Ω.cm. Mật độ dòng điện hiện tại có thể đạt được là 10 7 A / cm2, tuy nhiên trên lý thuyết
các ống nano đơn tường có thể duy trì mật độ dòng ổn định cao hơn nhiều, cao tới 10 13 A
/ cm2.
Đối với ống nano đa tường (MWCNTs) thì tính dẫn điện này phức tạp hơn do điện
tử bị nhốt trong các mặt graphen của ống. Ống càng to thì đường kính của ống càng lớn,
độ cong của mặt graphen càng giảm, nên độ dẫn điện tương tự như ở lớp graphen phẳng,
nghĩa là có các khe năng lượng xấp xỉ bằng không. Vậy nên, dòng điện chỉ chạy qua lớp
vỏ ngoài cùng, tức là hình trụ có đường kính lớn nhất.

2 Tính chất cơ
Các nguyên tử cacbon của một tấm graphit đơn (graphene) tạo thành một mạng
lưới tổ ong phẳng, trong đó mỗi nguyên tử được kết nối thông qua một liên kết cộng hóa
trị với ba nguyên tử lân cận. Do các liên kết này rất mạnh, mô đun đàn hồi của tấm
graphit là một trong những con số lớn nhất trong tất cả các vật liệu đã được biết đến.
Vì lý do này, theo lý thuyết carbon nanotube có độ cứng, độ bền và độ đàn hồi rất
cao. SWCNTs cứng hơn thép, và có khả năng chống thiệt hại vật lý. Tính chất này làm
cho CNTs rất hữu ích như các đầu dò cho kính hiển vi thăm dò quét độ phân giải rất cao.

Định lượng các giá trị này khá khó khăn và con số chính xác chưa được thông
nhất. Giá trị mô đun Young của carbon đơn tường hiện tại là khoảng 1 TeraPascal, nhưng
giá trị này gây tranh luận và giá trị cao tới 1,8 Tpa đã được báo cáo, trong khi đó giá trị

10


này của kim cương là 80 – 100 Gpa. Các giá trị khác cao hơn đáng kể so với giá trị đó
cũng đã được báo cáo.
Bảng 2 . So sánh tính chất cơ của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác
Vật liệu

Hệ số Young (GPa)

Độ bền kéo (GPa)

Carbon nanotube

1054

75

Graphite

350

2.5

Thép

208

0.4

Gỗ

16

0.008

3 Tính chất nhiệt
CNTs có khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt đặc biệt, tính chất dẫn nhiệt này phụ
thuộc vào nhiệt độ môi trường. Khả năng dẫn nhiệt của CNTs ở nhiệt độ phòng và nhiệt
độ cao tương tự như graphite và kim cương nhưng nó có trạng thái hoàn toàn khác khi ở
nhiệt độ thấp.
Tại vùng nhiệt độ này xuất hiện hiệu ứng lượng tử hóa phonon, các ống SWSNTs
siêu nhỏ thậm chí còn thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ dưới 20 K.CNTs có khả năng dẫn
nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống nhưng lại cách nhiệt theo hướng bán kính (giữa các
ống). Các tính toán lí thuyết và kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng, độ dẫn nhiệt của CNTs
phụ thuộc vào nhiệt độ. Theo J. Hone [1] thì sự phụ thuộc này gần như là tuyến tính. Tại
nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của bó SWCNTs và MWCNTs biến đổi trong khoảng từ
1800 đến 6000 W/mK.

11


Hình 4.1 Đọ dẫn nhiệt của carbon nanotube (đường nét liền), tấm graphene 2-D (đường
chấm đứt) và graphite 3-D (đường chấm chấm).
Ngoài khả năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt độ rất cao
khoảng 2800ºC trong chân không và trong các môi trường khí trơ (Ar). Do có khả năng

bền vững ở nhiệt độ cao cũng như trong các môi trường acid mạnh nên nhiệt độ và acid
thường được dùng để làm sạch vật liệu CNT

V.

ỨNG DỤNG ỐNG NANO CACBON
Thành phần, hình học và đặc tính độc đáo của chúng cho phép nhiều ứng dụng ống
nano cacbon tiềm năng.
Những ứng dụng của nanocarbon tube: Lưu trữ năng lượng, Điện tử phân tử, Vật
liệu nhiệt, Vật liệu kết cấu, Máy phát điện, Hỗ trợ chất xúc tác, Y sinh, Ống nano cacbon
không khí và lọc nước, Nhựa dẫn điện, Keo dẫn điện, Vật liệu gốm CNT, …
Bản chất đặc biệt của carbon kết hợp với phân tử hoàn hảo của các ống nano cacbon
một vách giúp chúng trở nên có các đặc tính vật liệu đặc biệt, chẳng hạn như độ dẫn điện
và nhiệt rất cao, độ bền, độ cứng và độ dẻo dai.
Không có nguyên tố nào khác trong bảng tuần hoàn liên kết với chính nó trong một
mạng mở rộng với sức mạnh của liên kết carbon-carbon. Các pi-electron là bất định bởi

12


mỗi nguyên tử là tự do di chuyển về toàn bộ cấu trúc, thay vì ở lại với nguyên tử của nó,
tạo ra phân tử được biết đến đầu tiên với độ dẫn điện loại kim loại. Hơn nữa, các dao động
liên kết carbon-carbon tần số cao cung cấp độ dẫn nhiệt bên trong cao hơn cả kim cương.
Ống nano cacbon là một ví dụ về công nghệ nano thực sự: chúng chỉ có đường kính
khoảng một nanomet, nhưng các phân tử có thể được xử lý hóa học và thể chất theo
những cách rất hữu ích. Nó đã mở ra một tầm cao mới cho việc ứng dụng ống nano
cacbon trong khoa học vật liệu, điện tử, xử lý hóa chất, quản lý năng lượng và nhiều lĩnh
vực khác

1. Lưu trữ năng lượng

Ống nano cacbon có các đặc tính mong muốn trong vật liệu được sử dụng làm điện
cực trong pin và tụ điện, hai công nghệ có tầm quan trọng ngày càng tăng nhanh. Ống
nano cacbon có diện tích bề mặt rất cao (~ 1000 m2 / g), độ dẫn điện tốt và quan trọng
hơn nữa là hình học tuyến tính của chúng làm cho bề mặt của chúng dễ tiếp cận với chất
điện phân.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ống nano cacbon có khả năng đảo ngược cao nhất trong
bất kỳ vật liệu carbon nào để sử dụng trong pin lithium-ion. Ngoài ra, ống nano cacbon là
vật liệu nổi bật cho các điện cực siêu tụ điện [R.Z. Ma, và cộng sự, Khoa học tại Trung
Quốc Khoa học Công nghệ (2000)] và hiện đang được tiếp thị cho ứng dụng này.

Hình 5.1 Sản phẩm thử nghiệm của pin

13


Hình 5.2 Các mạng lưới ngẫu nhiên của CNT tạo cơ cấu pin
Ống nano cacbon cũng có các ứng dụng trong nhiều thành phần tế bào nhiên liệu
khác nhau. Chúng có một số đặc tính, bao gồm diện tích bề mặt cao và độ dẫn nhiệt, khiến
chúng hữu ích như chất xúc tác điện cực hỗ trợ trong các tế bào nhiên liệu PEM. Chúng
cũng có thể được sử dụng trong các lớp khuếch tán khí, cũng như các bộ thu hiện tại, vì
tính dẫn điện cao của chúng.
Các đặc tính có độ bền và độ dẻo dai cao của ống nano cacbon cũng có thể chứng
minh giá trị của nó như là một phần của các thành phần phức hợp trong các tế bào nhiên
liệu được triển khai trong các ứng dụng vận tải nơi mà độ bền là cực kỳ quan trọng.

2. Điện tử phân tử
Trong bất kỳ mạch điện tử nào, đặc biệt là các kích thước thu nhỏ đến kích thước
nano, các kết nối giữa các công tắc và các thiết bị hoạt động khác ngày càng trở nên quan
trọng.
Cấu trúc hình học của chúng, độ dẫn điện và khả năng được dẫn xuất chính xác, làm

cho ống nano cacbon trở thành ứng viên lý tưởng cho các kết nối trong điện tử phân tử.
Ngoài ra, chúng đã được chứng minh là thiết bị chuyển mạch.

3. Vật liệu nhiệt
Ống nano cacbon có tính dẫn điện, độ dẫn nhiệt và tính chất cơ học phi thường.
Chúng có lẽ là vật có khả năng có trường phát xạ electron tốt nhất có thể. Chúng là các
polyme của carbon nguyên chất và có thể được phản ứng và chế tác bằng cách sử dụng sự
hiểu biết và sự phong phú của hóa học về carbon.

14


Điều này cung cấp cơ hội để sửa đổi cấu trúc của chúng, và để tối ưu hóa khả năng
hòa tan và phân tán của chúng. Điều đáng chú ý là ống nano cacbon là phân tử hoàn hảo,
có nghĩa là chúng thường không có các lỗ hổng làm giảm tính chất trong cấu trúc ống
nano.
Do đó, các đặc tính vật chất của chúng gần như đạt đến mức rất cao về bản chất của
chúng. Những đặc điểm phi thường này mang lại cho ống cacbon tiềm năng trong nhiều
ứng dụng.
Chức năng dẫn nhiệt dị hướng theo thiết lập ghi sẵn của ống nano carbon là cho
phép nhiều ứng dụng cần chuyển nhiệt từ vị trí này đến vị trí khác. Một ứng dụng như vậy
được tìm thấy trong các thiết bị điện tử, đặc biệt là tính toán tiên tiến, nơi mà các chip
chưa được xử lý hiện nay thường xuyên đạt trên 100oC.
Công nghệ tạo cấu trúc liên kết và dải của ống nano cacbon là một bước tiến tới việc
nhận ra các ống dẫn nhiệt cực kỳ hiệu quả. Ngoài ra, vật liệu tổng hợp với ống nano
cacbon đã được chứng minh là làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt số lượng lớn, ngay cả khi
lượng nhiệt cần dẫn rất nhỏ.

4. Vật liệu kết cấu
Các tính chất vượt trội của ống nano cacbon không bị giới hạn bởi độ dẫn điện và

nhiệt, mà còn bao gồm các tính chất cơ học, chẳng hạn như độ cứng, độ dẻo dai và độ
bền. Những tính chất này dẫn đến vô số các ứng dụng khai thác chúng, bao gồm các vật
liệu tổng hợp tiên tiến đòi hỏi các giá trị cao của một hoặc nhiều thuộc tính này.

Hình 5.3: Dây cáp dẫn

Hình 5.4: Vải dệt nhuộm
15


5. Máy phát điện
Các ống nano cacbon là chất phát xạ điện trường tốt nhất được biết đến trong bất kỳ
vật liệu nào. Điều này là dễ hiểu, với độ dẫn điện cao, và độ sắc nét đáng kinh ngạc của
đầu (vì bán kính cong của đầu càng nhỏ, thì càng tập trung nhiều hơn là trường điện, dẫn
đến phát xạ trường tăng lên; nhọn).
Độ sắc nét của mũi cũng có nghĩa là chúng phát ra ở điện áp đặc biệt thấp, một thực
tế quan trọng để xây dựng các thiết bị điện công suất thấp sử dụng tính năng này. Ống
nano cacbon có thể mang mật độ dòng điện cao đáng kinh ngạc, có thể cao tới 1013 A /
cm2. Hơn nữa, dòng điện cực kỳ ổn định.
Ngay lập tức một ứng dụng của điều này nhận được sự quan tâm đáng kể đó là sự
phát xạ điện trường của màn hình phẳng. Thay vì một khẩu súng điện tử duy nhất, như
trong màn hình ống tia âm cực truyền thống, trong các màn hình dựa trên ống nano
cacbon, có một khẩu súng điện tử riêng biệt (hoặc thậm chí nhiều súng) cho mỗi điểm ảnh
riêng lẻ trong màn hình.
Mật độ dòng điện cao, điện áp hoạt động thấp và hoạt động ổn định, lâu dài của
chúng khiến cho ống nano cacbon rất hấp dẫn trong ứng dụng này. Các ứng dụng khác sử
dụng các đặc tính phát xạ điện trường của ống nano cacbon bao gồm tổng hợp các loại
nguồn điện áp thấp cực âm ánh sáng, cột thu lôi chống sét và kính hiển vi điện tử nguồn.

6. Kết cấu và sợi

Sợi xơ tách ra từ CNT tinh khiết gần đây đã được giải thích, chứng tỏ (bởi
Baughman -2000) và đang trải qua sự phát triển nhanh chóng, cùng với sợi CNT hỗn hợp.
Những sợi siêu bền như vậy sẽ có nhiều ứng dụng bao gồm áo giáp cơ thể và xe, dây cáp
truyền dẫn, vải dệt thoi và vải dệt. CNTs cũng đang được sử dụng để làm cho hàng dệt
nhuộm kháng.

7. Hỗ trợ chất xúc tác
CNT thực chất có diện tích bề mặt rất cao; trên thực tế, đối với các ống nano đơn
vách, mỗi nguyên tử không chỉ trên một bề mặt - mỗi nguyên tử là trên hai bề mặt, bên

16


trong và bên ngoài ống nano. Kết hợp với khả năng gắn kết cơ bản bất kỳ dạng hóa học
nào vào bên hông của chúng (chức năng hóa) cung cấp một cơ hội để hỗ trợ chất xúc tác
độc đáo. Độ dẫn điện của chúng cũng có thể được khai thác trong việc tìm kiếm các chất
xúc tác và hành vi xúc tác mới.

8. Y sinh
Việc thăm dò CNT trong các ứng dụng y sinh đang được tiến hành, nhưng có tiềm
năng đáng kể. Vì phần lớn cơ thể con người bao gồm carbon, nó thường được coi là một
vật liệu tương thích sinh học.
Các tế bào đã được chứng minh là phát triển trên CNT, vì vậy chúng dường như
không có tác dụng độc hại. Các tế bào cũng không tuân thủ các CNT, có khả năng làm
tăng các ứng dụng như các lớp phủ cho chân tay giả, lớp phủ chống bẩn cho tàu.
Khả năng chức năng hóa (thay đổi về mặt hóa học) các cạnh của CNTs cũng dẫn
đến các ứng dụng y sinh học như ống đỡ động mạch, và sự phát triển và tái sinh tế bào
thần kinh. Nó cũng đã được chứng minh rằng một chuỗi ADN duy nhất có thể được liên
kết với một ống nano, sau đó có thể được chèn thành công vào một tế bào.

Hình 5.5 Ống đỡ động mạch
9. Ống nano cacbon không khí và lọc nước
Nhiều nhà nghiên cứu và tập đoàn đã phát triển các thiết bị lọc không khí và lọc
nước dựa trên CNT. Nó đã được báo cáo rằng các bộ lọc này không chỉ có thể chặn các

17


hạt nhỏ nhất mà còn giết chết hầu hết các vi khuẩn. Đây là một lĩnh vực khác mà CNTs đã
được thương mại hóa và các sản phẩm có mặt trên thị trường hiện nay.

Hình 5.6 Ảnh đồ họa ống nano carbon siêu nhỏ cho nước đi qua

10. Nhựa dẫn điện
Phần lớn lịch sử của nhựa trong nửa thế kỷ qua đã liên quan đến việc sử dụng chúng
làm chất thay thế kim loại. Đối với các ứng dụng kết cấu, nhựa đã có những tiến bộ to lớn,
nhưng không phải là nơi dẫn điện, vì nhựa là chất cách điện rất tốt.
Sự thiếu hụt này được khắc phục bằng bổ sung lên chất dẻo bằng chất đệm dẫn điện,
chẳng hạn như các sợi than chì màu đen và than chì lớn hơn (những loại được sử dụng để
làm gậy đánh gôn và vợt tennis). Tải trọng để cung cấp độ dẫn điện cần thiết bằng cách sử
chất đệm thông thường thường cao, tuy nhiên, dẫn đến các bộ phận nặng, và quan trọng
hơn, các bộ phận nhựa có tính chất cấu trúc của nó bị suy thoái cao.
Nó được thiết lập rõ ràng rằng tỷ lệ khung hình của các hạt phụ cao hơn, tải trọng
cần thiết càng thấp để đạt được một mức độ dẫn điện nhất định. CNT là lý tưởng trong ý
nghĩa này, vì chúng có tỷ lệ khía cạnh cao nhất của bất kỳ sợi carbon nào. Ngoài ra,
khuynh hướng tự nhiên của chúng tạo thành các sợi dây cung cấp các đường dẫn dẫn vốn
rất dài ngay cả khi tải cực thấp.
Các ứng dụng khai thác hành vi này của CNT bao gồm vật liệu tổng hợp che chắn
EMI / RFI; lớp phủ cho thùng, miếng đệm và các công dụng khác; tản tĩnh điện (ESD); và

18


vật liệu chống tĩnh điện và (thậm chí trong suốt!) lớp phủ dẫn điện; và vật liệu hấp thụ
radar cho các ứng dụng có thể quan sát được ("tàng hình") thấp.

Hình 5.7 Màng bảo vệ EMI / RFI tiết kiệm cho tấm

11. Keo dẫn điện
Các tính chất tương tự làm cho CNT hấp dẫn như chất đệm dẫn điện để sử dụng
trong che chắn điện từ, vật liệu ESD, vv, làm cho chúng hấp dẫn đối với bao bì điện tử và
các ứng dụng kết nối, chẳng hạn như chất kết dính, hợp chất bầu, cáp đồng trục và các
loại đầu nối khác.

Hình 5.8 Thảm ESD chống tĩnh điện

12. Vật liệu gốm CNT
Một vật liệu gốm được gia cố bằng ống nano cacbon đã được thực hiện bởi các
nhà khoa học vật liệu tại UC Davis. Vật liệu mới cứng rắn hơn gốm thông thường, dẫn

19


điện và cả hai có thể dẫn nhiệt và hoạt động như một rào cản nhiệt, tùy thuộc vào định
hướng của các ống nano.
Vật liệu gốm là rất cứng và chịu được nhiệt và hóa chất tấn công, làm cho chúng
hữu ích cho các ứng dụng như lớp phủ lưỡi dao của động cơ máy, nhưng chúng cũng rất
giòn. Các nhà nghiên cứu trộn lẫn bột nhôm oxit với 5 đến 10 % ống nano cacbon và thêm
5% niobi nghiền mịn. Các nhà nghiên cứu đã xử lý hỗn hợp với một xung điện trong một
quá trình gọi là quá trình thiêu kết tia lửa plasma. Quá trình này củng cố bột gốm nhanh

hơn và ở nhiệt độ thấp hơn so với quy trình thông thường.
Vật liệu mới này có độ bền gấp 5 lần độ bền đứt gãy - khả năng chống nứt do ứng
suất - của bột nhôm oxit thông thường. Vật liệu cho thấy độ dẫn điện gấp bảy lần so với
gốm trước đây được làm bằng ống nano. Nó cũng có các tính chất nhiệt thú vị, dẫn nhiệt
theo một hướng, dọc theo sự liên kết của các ống nano, nhưng phản xạ nhiệt ở các góc
vuông với các ống nano, làm cho nó trở thành vật liệu hấp dẫn cho lớp phủ nhiệt

13. Các ứng dụng ống nano cacbon khác
Có rất nhiều ứng dụng tiềm năng khác cho CNT, chẳng hạn như thu năng lượng
mặt trời; bộ lọc nanoporous; chất xúc tác hỗ trợ; và lớp phủ của tất cả các loại. Có gần
như chắc chắn nhiều ứng dụng không lường trước được cho vật liệu đáng chú ý này sẽ
được đưa ra trong những năm tới, và đó có thể chứng minh là những thứ quan trọng nhất
và có giá trị nhất. Nhiều nhà nghiên cứu đang xem xét giấy dẫn điện và bằng nước được
làm bằng CNTs. CNT cũng đã được chứng minh là hấp thụ ánh sáng hồng ngoại và có thể
có các ứng dụng trong ngành công nghiệp quang học I / R.

VI.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARBON
NANO TUBE Ở VIỆT NAM
1 Bước đầu tổng hợp Carbon nano tube
Ngày 1-6-2006 tại Trung tâm Nghiên cứu & Phát triển Khu Công nghệ cao TPHCM,
TS Nguyễn Chánh Khê đã giới thiệu “đứa con” tinh thần mà ông ấp ủ từ lâu, đó là sản
phẩm carbon nano tube đầu tiên của Việt Nam.
Sản phẩm được chế tạo thành công hoàn toàn bằng nguyên liệu và công nghệ trong
nước. Sản phẩm có tính chất nhẹ, cứng, siêu bền, siêu dẫn điện, được ứng dụng để làm vỏ

20

tàu vũ trụ được sử dụng trong y học, vật liệu điện tử... Lúc này trên thế giới, carbon nano
tube được coi là “vật liệu trung tâm của thế kỷ” và được bán với giá rất đắt, khoảng 800 1.500 USD/g. Các phòng thí nghiệm lớn điều nghiên cứu và đã có một số thành công nhất
định, riêng Việt Nam đây là lần đầu tiên sản phẩm đã ra đời và đi theo một công nghệ
riêng.
TS Nguyễn Chánh Khê cho biết thành công này là do trung tâm đã chọn một hướng
nghiên cứu mới cho sản phẩm của mình là “cạnh tranh bằng ý tưởng sáng tạo” chứ không
đi theo các công nghệ hiện có của các nước. Bởi nếu đi theo các hướng đó thì việc kinh
doanh sản phẩm sau này sẽ rất khó vì vướng vào quy định bản quyền của các nước. Và
các trang thiết bị hiện đại của Việt Nam hiện nay cũng chưa có đủ. Vì vậy, giải pháp mới,
độc lập của ông tuy gặp phải khó khăn về các điều kiện vật chất và trang thiết bị thí
nghiệm trong điều kiện Việt Nam nhưng cuối cùng bằng ý chí sáng tạo tất cả đã vượt qua
và mang về kết quả cao nhất.
TS Nguyễn Chánh Khê đã tiến hành việc đăng ký quyền sở hữu trí tuệ sản phẩm tại
Mỹ, Nhật và Châu Âu.

2 Các ứng dụng thực tiễn
a Bộ nhớ ống nano cacbon siêu nhanh
Một loại bộ nhớ không xóa mới có tên là Nano-RAM (NRAM) dựa trên nền tảng ống
nano carbon (carbon nanotube) và có tốc độ của DRAM hiện đang được đưa vào sản xuất
tại bảy nhà máy ở những khu vực khác nhau trên thế giới.
NRAM có tiềm năng tạo ra loại bộ nhớ với mật độ lớn hơn hẳn loại bộ nhớ NAND
flash đang được dùng để sản xuất ổ nhớ USB và ổ đĩa rắn hiện nay (SSD). Mật độ cao
nhất của quy trình chế tạo NAND flash hiện nay là gần 15 nanometer. NRAM có thể đạt
đến mật độ dưới 5 nanometer, theo Nantero.
Một ưu điểm khác là NRAM được phát triển với các đặt tả kỹ thuật về giao tiếp của
DDR4 nên có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 3,2 tỉ mỗi giây hay 2.400 Mbps – nhanh
hơn gấp đôi NAND flash. Tuy nhiên, về bản chất khả năng đọc/ghi của NRAM nhanh hơn
NAND flash hàng ngàn lần. Nantero cho biết điểm thắt cổ chai là các đường truyền

21

(BUS) của máy tính. Các ống nano có tốc độ chuyển trạng thái – tắt sang mở và từ mở
sang tắt chỉ tính bằng picosecond (một picosecond bằng một phần nghìn tỷ của giây)
Các ống nano carbon rất chắc. Trong thực tế, chúng chắc hơn thép 50 lần và có kích
thước chỉ bằng 1/50.000 sợi tóc người. Với độ bền của ống nano carbon, NRAM có thể
chịu được thao tác ghi lớn hơn hẳn NAND flash.
NAND flash tốt nhất với tính năng sữa lỗi có thể chịu được khoảng 100.000 chu kỳ
ghi-xóa. Theo Nantero, NRAM có thể chịu được 1012 chu kỳ ghi và 1015 chu kỳ đọc – có
thể coi như vô hạn

b Làm vỏ phi thuyền
NASA đã quyết định hợp tác để triển khai công nghệ phức chất nano (nano
composite) của VN vào việc sản xuất vỏ phi thuyền vũ trụ. NASA đã chọn sản phẩm
carbon nano tube của VN sản xuất nhờ các tính năng đồng đều, không nhiễm bẩn, giá trị
ứng dụng cao và đặc biệt là giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm của Nhật Bản, Trung
Quốc... Carbon nano tube được coi là vật liệu trung tâm của thế kỷ, được bán trên thị
trường thế giới với giá từ 100.000 USD - 800.000 USD/kg, được Trung tâm R&D sản
xuất thành công với số lượng lớn hoàn toàn bằng nguyên liệu và công nghệ trong nước.
c

Bóng bán dẫn bóng bán dẫn trong bộ vi xử lý
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà

Nẵng, 2010. Gordon Moore - một trong những nhà sáng lập viên của tập đoàn Intel và
cũng là người phát triển định luật Moore, ông đã từng phát biểu như sau: “Số lượng
transistor (bóng bán dẫn) trên mỗi đơn vị inch vuông (1 inch vuông xấp xỉ 6,45 cm2) sẽ
tăng lên gấp đôi sau mỗi năm”. Nhưng đến năm 2000, ông đã sửa đổi thời gian để có thể
tăng gấp đôi tốc độ cho bộ xử lý là theo chu kì 2 năm (tức 24 tháng). Còn David House thì
lại đưa ra một lập luận khác rằng tốc độ xử lý sẽ tăng gấp đôi theo chu kì 18 tháng

Tuy nhiên, nếu chúng ta nhìn vào tốc độ phát triển bóng bán dẫn như hiện nay thì
việc “tăng gấp đôi” này có lẽ sẽ khó có thể thực hiện được.

22


Hình 6.1 Bộ đếm vi xử lí
Trong những năm trở lại đây, kĩ thuật chế tạo và phát triển bóng bán dẫn
(transistor) đã bắt đầu chững lại, điều này cũng làm tốc độ phát triển của các bộ vi xử lí
cũng vì thế mà chững theo.
Cuối năm 2010, sau khi bảng lộ trình công nghệ bóng bán dẫn toàn cầu
(International Technology Roadmap for Semiconductors) được công bố. Đa số các
chuyên gia đều đồng tình với nhận định: “Bắt đầu từ cuối năm 2013, mật độ bóng bán

23


dẫn sẽ tăng lên gấp đôi theo chu kì 3 năm”. Lý do cho sự đồng tình này chính là: Silicon
- vật liệu bán dẫn đã từng tạo nên toàn bộ ngành công nghiệp máy tính điện tử ngày nay
đã đạt tới giới hạn của mình và không thể “ép” tăng thêm được nữa.
Điều này buộc các nhà khoa học phải tìm ra một loại vật liệu mới để thay thế
Silicon và có thể dùng được trong sản xuất ở kích thước dưới 10 nanomet. Theo đánh
giá của nhiều chuyên gia, vật liệu sáng giá nhất để thay thế Silicon bây giờ chính là
Carbon Nanotubes (viết tắt là CNT). Các các kĩ sư của IBM đã đưa ra thông báo về lộ
trình cho ra mắt các mẫu vi xử lý có sử dụng vật liệu CNT vào năm 2020.

Hình 6.2 Bóng bán dẫn
Kích thước bóng bán dẫn bóng bán dẫn trong bộ vi xử lý mới chính mới là thứ
quan trọng nhất. Bởi các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng bây giờ như smartphone,
desktop hay thậm chí các server cỡ lớn đều có giới hạn kích thước và còn làm việc dựa

trên nền tảng căn bản là trạng thái tắt-bật của các bóng bán dẫn thì khi đó tốc độ xử lí
còn tỉ lệ thuận với mật độ bóng bán dẫn được nhồi vào trong vùng diện tích giới hạn đó.
Vật liệu mới Carbon Nanotubes (CNT) có cấu trúc dạng ống được cuộn lại
những tấm graphene có độ dày chỉ tương đương với một phân tử nên có thể đem lại kích

24


thước bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với Silicon. Nhờ thế mà mật độ bóng bán dẫn được nhồi
vào một inch vuông cũng tăng theo.

25