Vật liệu nano carbon và ứng dụng

vật liệu nano carbon


FULLERENE


I. Tính chất
2
Fullerene là khá bền về mặt hóa học. Các nguyên tử carbon ở trạng thái lai hóa sp vốn có năng lượng khá thấp khi tồn tại ở dạng phẳng

Hình a: liên kết ở cầu nối vịng (6,6)
Hình b: liên kết ở cầu nối vòng (5,6)


I. Tính chất

- Fullerene hầu như tan rất ít trong các dung mơi hữu cơ vì C 60 có khuynh hướng kết tụ cao. Ngoài ra, tương tác giữa phân tử dung mơi và
C60 là rất yếu vì fulerene là phân tử không phân cực.

- Độ tan của C60 trong các dung môi phân cực gần như bằng không. Tuy nhiên, fullerenes có thể tan tốt trong dung mơi naphthalene, tan ít
trong dung mơi ankan và benzene.


II. Phương pháp tổng hợp fullerene
1. Tổng hợp fullerene dưới tia điện tử phát xạ bên trong kính hiển vi điện tử quét

Phương pháp này sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao làm việc ở điện áp 80 KeV. Chùm tia điện tử phát xạ năng
lượng cao chiếu vào graphene gây ra sự sắp xếp lại các nguyên tử carbon của graphene để tạo thành fullerene. Trong trường hợp này, các
vòng ngũ giác carbon ở các cạnh của graphene kích hoạt các đường con cần thiết để hình thành cấu trúc quả bóng và đóng kín. Như vậy,
fullerene có thể được hình thành trong điều kiện kích thích dưới chùm phát xạ tia điện tử.

II. Phương pháp tổng hợp fullerene
2. Phương pháp bay hơi laser

Sơ đồ nguyên lý tổng hợp fullerene bằng phương pháp bay hơi laser


II. Phương pháp tổng hợp fullerene
2. Phương pháp bay hơi laser
Tuy nhiên phương pháp này chỉ có thể sản xuất một lượng nhỏ fullerene. Hiệu suất phản ứng tạo ra fullerene bằng phương pháp này phụ
thuộc vào điều kiện tạo thành pha hơi carbon bao gồm áp suất buồng phản ứng, nhiệt độ graphite, công suất nguồn laser,…


II. Phương pháp tổng hợp fullerene
3. Phương pháp phóng hồ quang điện
Hiện nay, phương pháp phóng điện hồ quang được xem là tối ưu nhất. Phương pháp này cho phép tổng hợp một khối lượng lớn fullerene
(lên đến hàng gram/mẻ) với giá thành rẻ

Thiết bị phóng hồ quang điện dùng để chế tạo fullerene


II. Phương pháp tổng hợp fullerene
3. Phương pháp phóng hồ quang điện
Tuy nhiên độ sạch của fullerene được tạo ra bằng phương pháp này vẫn còn là một thách thức với các nhà khoa học. Độ sạch là thông số
quyết định đến chất lượng của fullerene.


III. Ứng dụng
1. Chất gia cường
Nhờ có tính chất siêu đàn hồi và độ bền cao nên fullerene được sử dụng như là chất gia cường để tăng cường cơ tính của vật liệu.

Nhiều phịng thí nghiệm nghiên cứu chế tạo áo giáp từ fullerene có khả năng giảm sát thương, tăng cường hiệu quả chiến đấu.


III. Ứng dụng
2. Pin mặt trời
Fullerene là vật liệu có độ linh động điện tử cao. Hơn nữa, fullerene lại dễ dàng phân tán, biến tính trong các vật liệu nền polymer để
tạo ra vật liệu có cấu trúc năng lượng phù hợp với quá trình chuyển đổi quang điện. Do đó, fullerene được sử dụng để chế tạo pin mặt
trời Polymer – Fullerene.


III. Ứng dụng
2. Pin mặt trời

Sơ đồ cấu tạo của pin mặt trời Polymer – Fullerene


III. Ứng dụng
2. Pin mặt trời

Quang tử trong ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử ra khỏi mạch polymer của poly (3- hexylthiophene) (P3HT) và được nhận bởi [6,6]-PCBM C 60 (một chất dẫn
xuất của C60 )


III. Ứng dụng
2. Pin mặt trời

Nguyên lý tạo ra dòng điện của pin mặt trời pollymer – fullerene.
a) Sự phân ly của cặp lỗ trống - điện tử (h+ và e-) tại mặt chuyển tiếp giữa vật liệu p và n.
b) Điện tử (e-) đi theo đường vân vật liệu n tiến đến cực dương, và lỗ trống (h+) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm

III. Ứng dụng
3. Ứng dụng trong vi sinh
- Fullerene được sử dụng làm vật mang thuốc, chất phát quang trong cơ thể sống. Trong một thử nghiệm điều trị bệnh ung thư, người
ta đã điều khiển các phân tử fullerene có gắn các nhóm chức sinh học đến khối u và tiêu diệt các tế bào ác tính nhưng khơng làm ảnh
hưởng đến các tế bào lành tính xung quanh.

- Bên cạnh đó, fullerene cịn có các phản ứng tích cực trong việc điều trị chống oxy hóa, già hóa, chống viêm nên được nghiên cứu để
chế tạo mỹ phẩm.


III. Ứng dụng
3. Ứng dụng trong vi sinh

Mơ hình thụ động hóa bề mặt fullerene bằng các nhóm chức trong các thí nghiệm y khoa


graphene


I. Tính chất
1. Tính chất điện
Độ linh động điện tử là đại lượng vật lý xác định mối liên hệ giữa vận tốc của hạt mang điện khi khối vật liệu được đặt trong điện
trường. Mối liên hệ này được thể hiện qua cơng thức:

vd = µ .E


I. Tính chất
1. Tính chất điện

Điện trở suất của graphene khoảng 10

-6

Ω.cm, thấp hơn điện trở suất của bạc (1,62 Ω.cm). Vì vậy graphene được biết đến như vật liệu

có điện trở suất thấp nhất trong các loại vật liệu ở nhiệt độ phòng.


I. Tính chất
2. Tính chất nhiệt
- Độ dẫn nhiệt của graphene được đo ở nhiệt độ phòng vào khoảng 5000 W/mK, cao hơn các dạng cấu trúc khác của carbon là ống
nano carbon, than chì và kim cương.

- Graphene dẫn nhiệt theo các hướng trong cùng mặt phẳng là như nhau.


I. Tính chất
3. Tính chất cơ
Để xác định độ bền của vật liệu graphene, các nhà khoa học đã dùng thiết bị kĩ thuật là kính hiển vi lực nguyên tử với đầu típ có
đường kính khoảng 2 nm bằng kim cương đểm làm lõm một tấm vật liệu graphene đơn lớp. Kết quả đo và tính tốn cho thấy vật liệu
graphene có Young’s modulus (mơ đun ứng suất) khoảng 1100 Gpa, có độ bền kéo khoảng 125 Gpa, là vật liệu rất cứng (hơn kim
cương và cứng hơn thép 300 lần). Trong khi đó, tỉ trọng của graphene tương đối nhỏ 0,77 mg/m2.


I. Tính chất
3. Tính chất cơ

Kĩ thuật đo tính chất cơ của graphene

I. Tính chất
4. Tính chất quang
Graphene hầu như trong suốt, nó chỉ hấp thụ 2,3% cường độ ánh sáng và hầu như độc lập với bước sóng trong vùng quang học. Vì
thế màng mỏng trong suốt, dẫn điện cao làm bằng graphene được tích cực nghiên cứu và thử nghiệm.


I. Tính chất
5. Tính chất hố học

Bề mặt graphene có thể hấp thụ và giải hấp thụ các nguyên tử, phân tử và nhóm chức năng khác (ví dụ NO 2, NH3, K và OH). Các
chất hấp thụ liên kết yếu thể hiện vai trò như các chất cho và nhận, làm thay đổi nồng độ các hạt tải nên graphene có tính dẫn điện
cao. Điều này có thể được khai thác cho các ứng dụng làm cảm biến hóa học.


II. Phương pháp tổng hợp vật liệu graphene
1. Phương pháp tách cơ học
Phương pháp này sử dụng các lực cơ học tác động từ bên ngoài để tách vật liệu graphite dạng khối ban đầu thành các lớp graphene. Với
sự tương tác của các liên kết Vander Waals giữa các lớp tương đối yếu, lực cần thiết để tách lớp graphite là khoảng 300 nN/μm 2 đây là
lực khá yếu và dễ dàng đạt được bằng cách cọ xát một mẫu graphite trên bề mặt của đế SiO 2 hoặc Si, hoặc dùng băng keo dính.