TÌM HIỂU VỀ FULLERENE

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 hòa nhập vào dòng thác công 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.

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 Công nghệ nano Hạt nano kim loại khái niệm để hạt có kích thước nano tạo thành từ kim loại Khoa học cơng nghệ nano hiểu cách đơn giản ngành khoa học công nghệ tiến hành nghiên cứu đối tượng cỡ nanomet Hay nói cách khác ngành khoa học công nghệ tạo cấu trúc vật liệu, linh kiện thiết bị, hệ thống có tính chất ưu việt nhờ vào kích thước cỡ nanomet, đồng thời điều khiển tính chất chúng phạm vi phân tử, nguyên tử Hình: Ứng dụng nano Các kĩ thuật tượng giới hạn nano lại quan trọng vì: + Bản thân kích thước nano lợi lớn: hiệu ứng lượng tử xuất hiện, tỉ số bề mặt thể tích tăng + Khả điều khiển thay đổi cấu trúc mức độ nguyên tử vật liệu + Bằng kĩ thuật sử dụng công nghệ nano, đạt hai ưu điểm lớn: thứ hiểu biết sâu sắc chất tự nhiên, thứ hai tìm phương pháp cải thiện tự nhiên Hình: Nano Cacbon Ứng dụng khoa học công nghệ nano: + Công nghiệp điện tử, quang điện tử + Cơng nghiệp hóa học + Công nghiệp lượng + Y sinh học nông nghiệp + Hàng không, vũ trụ, kĩ thuật quân + Cơng nghệ xử lí mơi trường Hình: Nano silic nano kẽm Lịch sử đời cấu tạo fullerene Khi nói đến than, tức khắc hình ảnh đen đúa, nhếch nhác, đầu tắt mặt tối Dường như, thi văn âm nhạc khơng có thơ ca ca tụng "than", bồ hóng hay lọ nồi Người ta hiểu cách bình thường than vật liệu đốt Đốt tro, than hồn than Khơng có phải nói Nhưng với cặp mắt tị mị quan sát kỹ than đốt kết hợp vơ định hình (amorphous) ngun tố carbon Than có người "anh em" họ q phái, kim cương Nhưng người biết đống tro than, bụi than từ quặng mỏ vĩ đại chứa lớp than đen, đám bụi vũ trụ thiên hà bao la, đến bồ hóng lị sưởi hay lọ nồi đóng soong chảo bếp nhà quê khiêm tốn, ta có dạng khác than Đó bóng đá fullerene C60 chứa 60 nguyên tố carbon ống than nano (carbon nanotube) Trước năm 1985 người ta cho cacbon tồn ba dạng thù hình Dạng thù hình thứ cacbon dạng phổ biến thường gọi than có màu đen cây, gỗ cháy lại Về mặt cấu trúc, dạng vơ định hình Dạng thù hình thứ hai cacbon hay gặp kỹ thuật, graphit (than chì) Cấu trúc graphit gồm nhiều lớp graphen song song với xếp thành mạng lục giác phẳng Và dạng thù hình thứ ba cacbon kim cương Trong tinh thể kim cương, nguyên tử cacbon nằm tâm hình tứ diện liên kết với bốn nguyên tử cacbon loại Đến năm 1985, nghiên cứu cacbon, Kroto đồng nghiệp khám phá tập hợp lớn nguyên tử cacbon kết tinh dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet dạng thù hình cacbon gọi Fullerenes Fullerenes lồng phân tử khép kín với nguyên tử cacbon xếp thành mặt cầu mặt elip Fullerenes biết đến C60, có dạng hình cầu gồm 60 ngun tử cacbon nằm đỉnh khối 32 mặt tạo 12 ngũ giác 20 lục giác (hình 1.3a) Năm 1990, Kratschmer tìm thấy sản phẩm muội than tạo phóng điện hồ quang điện cực graphite có chứa C60 dạng fullerenes khác C70, C80 (hình 1.3b, hình 1.3c) Fullerene phân tử tạo nên nguyên tử Cacbon Là lồng phân tử cacbon khép kín với nguyên tử cacbon xếp thành mặt cầu, elip hình ống Các phân tử Fullerene hình cầu cịn gọi Buckyball Các phân tử hình trụ gọi ống nano Cacbon ống Bucky Fullerene có cấu trúc tương tự graphit C60 phân tử carbon hình cầu, có đường kính ~ nm C60 tạo nên từ 20 mặt lục giác 12 ngũ giác Đường kính xác (the nucleus to nucleus diameter)~ 0.7 nm Vì cấu tạo gồm tồn ngun tử nhẹ cacbon, liên kết với toàn liên kết mạnh cộng hố trị, lại có dạng hình cầu rỗng (khoảng cách nguyên tử cỡ từ 0,14 nanomet đường kính cầu cỡ 0,45 nanomet) nên fulơren C60 xem cầu nhỏ nhất, nhẹ nhất, cứng Về sau người ta cịn tìm thấy phân tử C70, C76, C84, C90, C94… có cấu trúc lồng to hơn, không thật gần hình cầu C60 gọi fulơren Vào khoảng năm 1960 nghiên cứu mối liên kết cacbon cấu tạo phân tử, đặc biệt phân tử chất cho mùi thơm, người ta lập luận có mối liên kết cộng hoá trị đặc biệt, nguyên tử cacbon liên kết với tạo phân tử lớn cacbon có dạng lồng Đến năm 1985 thiết bị tạo chùm phân tử giáo sư Rick Smalley thiết kế, nhà khoa học quan sát thấy thực có đại phân tử cacbon dạng lồng Cụ thể lồng gồm 60 nguyên tử, kết nối với theo hình lục giác kiểu graphen gói lại mặt ngồi bóng đá Khi gói lại số hình lục giác bị co lại chuyển thành hình ngũ giác (5 góc hay cạnh) Người ta gọi đại phân tử C60 Ở Mỹ trước có kiến trúc sư Buckminster Fuller thiết kế ngơi nhà kính to để lấy ánh sáng tự nhiên mặt đa giác khung nhơm lợp kính Do ngoại hình tương tự nên người ta gọi phân tử C60 fulơren (fullerene) có cịn gọi bóng Bucky (Bucky ball) Các nhà khoa học tìm fulơren trao tặng giải Nobel hố học năm 1996 II TÍNH CHẤT Khơng tan nước Bền khơng hồn tồn trơ Có thể phân tán số dung dịch 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 phân tử PHẦN II: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO FULLERENE I PHƯƠNG PHÁP PHÓNG ĐIỆN HỒ QUANG Năm 1990, phương pháp chế tạo Fullerene hai nhà nghiên cứu người Đức Kratschmer Huffmann phát triển gọi phương pháp phóng điện hồ quang Phương pháp đơn giản thông dụng sử dụng nhiều thời gian đầu tìm fullerene phương pháp hồ quang điện Nguyên lý phương pháp tạo ống nano cacbon thơng qua việc phóng điện hồ quang hai điện cực cacbon, đặt đối diện nhau, khoảng cách hai điện cực khoảng vài mm Môi trường xung quanh điện cực khí trơ (He, Ar) áp suất từ 100-300 mbar Sự phóng điện nhiệt độ cao hai điện cực xảy người ta cung cấp dịng điện có cường độ 50100A, tạo hiệu điện khoảng 20-25 V, nhiệt độ buồng lên tới 3000 – 4000K Sự phóng điện làm cho cacbon chuyển sang pha hơi, ống nano cacbon tạo trình lắng đọng điện cực Tuy nhiên, phóng hồ quang thơng thường q trình khơng liên tục không ổn định nên phương pháp tạo lượng lớn CNTs CNTs tạo bám bề mặt catốt xếp không theo quy tắc nào, dịng chuyển động điện trường không Các kết nghiên cứu cho thấy, mật độ cacbon nhiệt độ không đồng nên hạt nano cacbon tạp bẩn tồn với ống nano Để giải vấn đề này, người ta tạo hệ hồ quang với nhiều ưu có hiệu cao Lee 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 thể hình 1.16 Lực ly tâm gây quay để tạo tượng xốy gia tốc q trình bay ngun tử cacbon theo phương thẳng đứng với điện cực anốt Hơn nữa, q trình quay làm cho phóng điện vi đồng tạo plasma ổn định Bởi làm tăng thể tích plasma tăng nhiệt độ plasma Với tốc độ quay 5000 vòng/phút (rpm) nhiệt độ 10250 C, hiệu suất tạo CNTs 60 % Hiệu suất đạt tới 90 % tốc độ quay tăng lớn nhiệt độ lớn đạt tới 11500C Trong phương pháp hồ quang điện, để tạo MWCNTs khơng cần có mặt xúc tác Tuy nhiên, để tạo SWCNTs người ta lại cần sử dụng chất xúc tác, đặc biệt xúc tác kim loại chuyển tiếp Một số tác giả chế tạo SWCNTsbằng cách phóng điện hồ quang điện cực Fe graphite mơi trường khí argon Trong trường hợp này, nhà khoa học tạo hố nhỏ graphite anốt, hố lấp đầy hỗn hợp bột kim loại bột graphite catốt graphite Các chất xúc tác thường sử dụng để chế tạo SWCNTs bao gồm số kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni số kim loại đất Y Trái lại, hỗn hợp chất xúc tác Fe/Ni hay Co/Ni lại thường sử dụng để chế tạo bó SWCNTs Tóm lại, phương pháp phóng điện hồ quang, với hai điện cực graphite tinh khiết (hoặc bổ sung thêm vài chất xúc tác), nguyên tử cacbon từ anốt chạy đến catốt tạo ống nano cacbon muội fullerenes nhiều sản phẩm phụ khác Đây phương pháp đơn giản, phổ biến chế tạo CNTs fullerenes Sản phẩm tạo có cấu trúc hồn hảo, khơng thể điều khiển đường kính chiều dài CNTs II PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY DÙNG XUNG LASER Phương pháp sử dụng để chế tạo fullerenes phương pháp bốc bay dùng xung laser mơi trường khí trơ Đối với việc tổng hợp vật liệu phân vùng hẹp, phương pháp tỏ phù hợp hiệu Nguyên lý phương pháp sử dụng chùm tia laser cường độ lớn khoảng 100kW/cm2, nhiệt độ cao 12000C, xạ vào miếng graphit có vai trò dùng làm bia, áp suất cao khoảng 500 Torr, mơi trường chân khơng khí trơ (He, Ar) Chùm nóng tạo thành, nở sau làm lạnh nhanh, cacbon hình thành ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh điện cực đồng Chất lượng hiệu suất sản phẩm tạo phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, thời gian xúc tác Ở nhiệt độ 12000C, chất lượng vật liệu CNTs tạo giảm, xuất sai hỏng mặt cầu trúc Đặc biệt, dùng hỗn hợp xúc tác Ni, Co/Ni… cho hiệu suất cao Sản phẩm thu ống cacbon nano có đường kính nhỏ, phân bố kích cỡ đồng đều, có tính chất tốt với độ cao (hơn 90%) so với phương pháp hồ quang điện Phương pháp bốc bay laser phương pháp có hiệu cao cho q trình tổng hợp bó SWCNTs với vùng phân bố hẹp Trong phương pháp này, miếng graphite dùng làm bia bị bốc bay xạ laser áp suất cao môi trường khí trơ MWCNTs tạo bia graphite Chất lượng hiệu suất sản phẩm tạo phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng chất lượng sản phẩm tốt nhiệt độ 12000C Ở nhiệt độ thấp chất lượng cấu trúc giảm CNTs bắt đầu xuất sai hỏng Trong phương pháp bốc bay chùm laser, lượng chùm tia laser làm bay bia graphite đặt lò đốt điện nhiệt độ khoảng 12000C Luồng khí Ar (áp suất ~ 500 Torr) thổi cacbon từ vùng nhiệt độ cao điện cực lắng đọng đồng làm lạnh nước thể hình 1.17 Nếu dùng bia graphite tinh khiết ta thu MWCNTs Nếu bia pha thêm khoảng 1,2% nguyên tử Co/Ni với khối lượng Ni Co thu SWCNTs Trong sản phẩm cịn có dây nano tạo SWCNTs với đường kính từ 10 nm đến 20 n Giá trị trung bình đường kính ống mật độ phân bố đường kính ống tuỳthuộc vào nhiệt độ tổng hợp thành phần xúc tác Để tạo SWCNTs, người ta dùng phương pháp xung cực nhanh từ laser điện tử tự (FEL) phương pháp xung laser liên tục Phương pháp có ưu điểm sản phẩm thu có độ cao (trên 90%) so với phương pháp hồ quang điện Tuy nhiên, chưa phải phương pháp có lợi ích kinh tế cao tốn kém, lượng sản phẩm tạo ít, nguồn laser u cầu cơng suất lớn điện cực than cần có độ cao PHẦN III: ỨNG DỤNG CỦA FULLRENE I CÁC NHÀ KHOA HỌC PHÁT HIỆN FULLERENE NHẬN GIẢI NOBEN Harold Kroto Sir Harold (Harry) Walter Kroto (tên khai sinh Harold Walter Krotoschiner) (sinh tháng 10, 1939 - 30 tháng 4, 2016) nhà hóa học người Anh Ơng trao Giải Nobel Hóa học với Richard Smalley Robert Curl vào năm 1996 nhờ phát Fullerene vào năm 1985 Robert Curl Robert Floyd Curl (sinh 23 tháng 8, 1933) nhà hóa học người Mỹ Ơng trao Giải Nobel Hóa học vào năm 1996 với Richard Smalley Harold Kroto Cả ba phát Fullerene Richard E Smalley Richard Errett Smalley (1943-2005) nhà hóa học người Mỹ Ông trở thành chủ nhân Giải Nobel Hóa học năm 1996 Cơng trình giúp ơng nhận giải khám phá Fullerene Ông nhận giải chung với Robert Curl Harold Kroto Smalley, Curl, Kroto số nhà khoa học khác công bố xuất vào năm 1985 Hình: Harold Kroto, Robert Curl, Richard E Smalley II ỨNG DỤNG Sự khám phá fullerene trở thành bước tiến lớn hiểu biết thù hình cacbon, mà trước giới hạn than chì, kim cương, cacbon vơ định muội than than gỗ Buckyball buckytube trở thành lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm, hóa học lẫn ứng dụng cơng nghệ, đặc biệt khoa học vật liệu, điện tử học công nghệ nano Việc phát fulơren gây chấn động khoa học khơng ngờ nguyên tố quen thuộc cacbon từ hàng trăm năm biết có hai dạng tinh thể kim cương graphit lại biết thêm dạng tinh thể fulơren Nhưng quan trọng tính chất lý hố đặc biệt fulơren, nhà khoa học thấy có nhiều khả ứng dụng Thí dụ dùng fulơren bi lăn chống ma sát, tức cách bôi trơn khô tinh vi, dùng cho mơi trường chân khơng Nhưng hướng có triển vọng dùng fulơren lồng để mang chất đưa vào thể, ngăn chặn số virus nguy hiểm HIV Fulơren nghiên cứu để từ làm màng kim cương nhân tạo Các ống nanô cácbon (Carbon nanotube - CNT) dạng thù hình cacbon Một ống nano cacbon đơn vách than chì độ dày một-ngun-tử cuộn trịn lại thành hình trụ liền, với đường kính cỡ nanomet Điều xảy cấu trúc nano mà tỉ lệ chiều dài đường kính vượt 10.000 Các phân tử cacbon hình trụ có tính chất thú vị làm cho chúng có khả hữu dụng cao nhiều ứng dụng công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, số ngành khoa học vật liệu khác Chúng thể độ bền đáng kinh ngạc tính chất điện độc đáo, độ dẫn nhiệt hiệu Các ống nano vô tổng hợp Ống nano loại cấu trúc fullerene, bao gồm buckyball Trong buckyball có dạng hình cầu, ống nano lại có dạng hình trụ, với đầu phủ bán cầu có cấu trúc buckyball Tên chúng đặt theo hình dạng chúng, đường kính ống nano vào cỡ vài nanomet (xấp xỉ nhỏ 50.000 lần sợi tóc), độ dài chúng lên tới vài milimet Các nhà nghiên cứu đại học Cincinnati (UC) phát triển trình để xây mạng thẳng hàng ống nano cacbon cực dài Họ sản xuất ống nano cacbon dài 18mm xoắn lại thành sợi nano cacbon Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn vách (SWNT) ống nano đa vách (MWNT) Bản chất liên kết ống nano cacbon giải thích hóa học lượng tử, cụ thể xen phủ orbital Liên kết hóa học ống nano cấu thành hoàn toàn liên kết sp2, tương tự với than chì Cấu trúc liên kết này, mạnh liên kết sp3 kim cương, tạo phân tử với độ bền đặc biệt Các ống nano thông thường tự xếp thành "sợi dây thừng" giữ với lực Van der Waals Dưới áp suất cao, ống nano trộn với nhau, trao đổi số liên kết sp2 cho liên kết sp3, tạo khả sản sợi dây khỏe, độ dài không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao Một đặc tính khác thường ống than nano tính lý tính Ống than nano có độ cứng (stiffness), độ bền (strength) siêu việt truyền nhiệt tốt Cấu trúc ống thiết kế để thay đổi độ dẫn điện từ mức độ kim loại đồng đến chất bán dẫn Quang tính, điện tính (bao gồm điện, điện tử, quang điện tử) ống than nano cho thấy tính chất lạ chưa thấy loại vật liệu hữu lẫn vô Những đặc tính thu hút quan tâm nhà khoa học giới công nghiệp doanh thương Ngồi đặc tính vĩ mơ, tượng lượng tử ống nano thông tin lượng tử, spintronic đến hiệu ứng siêu dẫn khảo sát Nói tính, ống than nano bền cứng thép Diễn tả cách ví von, ống nano mang sức bền treo vài chục xe tăng ống phóng đại có đường kính to viết chì Nếu triển khai mức, vật liệu gia cường (reinforcement) quý giá cho polymer gia dụng Nói đặc tính điện tử quang điện tử (opto-electronics), ống nano có tiềm ứng dụng vượt trội thay nguyên tố silicon chất bán dẫn khác thống trị thương trường máy vi tính linh kiện điện tử PHẦN IV: KẾT LUẬN Việc khám phá bóng đá fullerene C60 vào năm 1985 Harold Kroto, Robert Curl Richard Smalley việc tái phát ống than nano Sumio Iijima vào năm 1991 hai kiện tình cờ khoa học mở kỷ nguyên nghiên cứu khoa học công nghệ Hai loại vật liệu nano hữu chi lưu quan trọng hịa nhập vào dịng thác "cơng nghệ nano" manh nha vào thập niên 80 kỷ trước Cùng với phát triển fullerene ống than nano, nhà vật liệu học hóa học tổng hợp tinh chế loại hạt nano kim loại, hạt nano bán dẫn hay hữu với kích thước đồng từ đến 100 nanomét Tổng hợp hạt nano với kích thước đồng theo ý muốn phải nói thành tựu bật ngành hóa tổng hợp [1] Ngồi ra, bề mặt fullerene, ống than nano loại hạt nano "trang bị" với nhóm chức, polymer có khả cảm quang, cảm nhiệt để chế tạo 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 hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc) Graphene lớp than chì (graphite) Từ lâu, người ta biết rõ cấu trúc lớp (layered structure) than chì, giá rẻ nên khơng biết làm dùng làm lõi bút chì Geim Novoselov dùng thao tác nano đơn giản cách áp băng keo lên than chì để tách mảng graphene Từ than chì từ "phó thường dân" thăng hoa trở thành hoàng tử Việc tách rời lớp graphene từ than chì lần cho ngành vật liệu học vật liệu nano carbon hai thứ nguyên với độ dày nguyên tử Tầm quan trọng ứng dụng graphene việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lý lý thuyết có lẽ hai ngun nhân việc trao giải Nobel cho Geim Novoselov, hai ông chế tạo graphene vào năm 2004 Như vậy, phần tư kỷ qua carbon trở nên vật liệu quan trọng với giải Nobel Hóa học (1996) cho fullerene, giải Nobel Vật lý (2010) cho graphene, loại vật liệu nano kim loại hay bán dẫn thiết kế chế tạo mức độ phức tạp đa chưa thấy lịch sử khoa học Hệ có hàng ngàn báo cáo khoa học phát biểu tạp chí chuyên ngành, hàng ngàn đăng ký phát minh xuất tiếp tục gia tăng theo số lũy thừa Việc khám phá graphene với tính chất đặc thù vật liệu nano hai thứ nguyên gia tăng hào hứng nỗ lực nghiên cứu lẫn ứng dụng Trong nhìn nhà vật lý, có đủ tồn vật liệu nano từ hạt nano (chấm lượng tử) với zero thứ nguyên, ống than nano thứ nguyên graphene hai thứ nguyên để thực chứng tượng tiên đoán từ lý thuyết vật lý nhiều năm qua Nhưng ứng dụng thực tiễn sản phẩm nano sao? Sau 25 năm nghiên cứu với tổng kinh phí nghiên cứu đầu tư tồn giới vào cơng nghệ nano vượt qua mốc trăm tỷ đô la, chưa kể chi phí xây dựng hạ tầng sở cho viện nghiên cứu, cộng với tài sản trí tuệ hàng ngàn nhà nghiên cứu từ khoa học gia tầm cỡ hành tinh đến nghiên cứu sinh bình thường, đến lúc người ta đặt câu hỏi kho tàng trí tuệ đem ứng dụng biến chế thương phẩm phục vụ người làm giàu cho kinh tế quốc gia Liệu cơng nghệ nano có phải gà đẻ trứng vàng tạo đợt sóng thần cách mạng cơng nghệ nhà nghiên cứu doanh nghiệp kỳ vọng? Nếu ta có nhìn khe khắt phần tư kỷ có lẽ đủ dài để biến phát minh khoa học phịng thí nghiệm thành sản phẩm thương trường Lịch sử khoa học cho thấy việc áp dụng chất bán dẫn vào transistor chế tạo dụng cụ điện tử kể máy tính tạo cách mạng tin học, hay việc phát minh sợi nylon tạo loại vải vóc nhân tạo thay tơ tằm, len thiên nhiên làm thay đổi khái niệm "mặc" người, việc sử dụng loại sợi gia cường sợi carbon (carbon fibres), sợi Kevlar để chế tạo composite công nghệ vừa nhẹ vừa bền thay kim loại; tất kiện khoa học công nghệ từ phịng thí nghiệm thương trường khơng 30 năm Tuy nhiên, thời gian ta phải khách quan nhìn nhận dù vật liệu nano ngày đa dạng tinh vi chúng chưa mang tới cho nhân loại sản phẩm đổi đời transistor, vải vóc nhân tạo hay composite gia cường làm khứ Tại hội nghị khoa học hay báo cáo, nhà khoa học có thói quen dự phóng, chí cường điệu tiềm ứng dụng phát có lẽ để kích thích lắng nghe quan tài trợ với niềm hy vọng tìm kinh phí cho tài khóa tới, mua thêm nhiều thiết bị ban phát nhiều học bổng cho nghiên cứu sinh xuất sắc Cuối cùng, họ xuất báo tạp chí có số ảnh hưởng cao (high impact factor) giáo sư đạo có nhiều hội tìm thêm kinh phí Trước khám phá khoa học, doanh nhân có nhìn khác, sâu sắc lạnh lùng mục đích cuối doanh nghiệp lợi nhuận Một doanh nhân tuyên bố: "Một phát minh cần phải 10 lần tốt 10 lần rẻ sản phẩm có có hội xuất thương trường" Sự sống doanh nghiệp tùy vào thỏa mãn khách hàng lòng hoan hỉ chủ cổ đơng Từ phịng thí nghiệm đến sàn chứng khoán đường dài cho phát minh buộc phải bị chôn sống đường Công nghệ nano không nằm ngồi quy luật thương Thêm vào ta tìm thấy trì trệ việc thương phẩm hóa vật liệu nano gây từ nguyên nhân sau: (1) đa dạng vật liệu nano, (2) đa dạng ứng dụng, (3) cạnh tranh giá cả, hiệu phương pháp sản xuất vật liệu "cổ điển" có thương trường (4) vấn đề an tồn sức khoẻ độc tính vật liệu nano Ta hình dung cơng nghệ nano người vào tuổi trung niên có đầu bách khoa to tứ chi chậm phát triển, có mầm bệnh lại thêm tính gàn dở muốn làm nhiều việc lúc! Nói xem chừng ngôn đa dạng vật liệu nano với nhiều ứng dụng đa ngành từ vật lý đến sinh y học, từ điện tử học đến hóa học làm chậm tiến trình thương phẩm hóa Nền công nghệ nano trở thành người tù thơng thái Ta xem vài tiềm ứng dụng ống than nano Ống than nano có tính tuyệt vời, cứng thép lần, bền thép 160 lần lại nhẹ thép gần lần Có thể nói ống than nano có tính cao so với vật liệu người ta biết từ trước đến Cần phải nhấn mạnh tính ống than riêng lẻ Gia cường loại polymer/epoxy đề tài nghiên cứu quan trọng ứng dụng công nghiệp từ nhiều thập niên Việc triển khai composite polymer/epoxy ống than nano hướng tất nhiên lĩnh vực gia cường Trải nghiệm ngày cho ta biết đồ gia dụng polymer (plastic) tiện lợi giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ giịn, dễ gãy nứt Poly (methylmethacrylate), loại plastic gia dụng suốt kính, cần % ống than nano đủ làm tăng tính polymer nhiều lần Người ta chế tạo áo giáp với composite ống than nano với cường độ bảo vệ lớn nhiều lần so với áo giáp Kevlar có Trên thực tế, ống than nano khơng hữu ống riêng lẻ mà nhiều ống dính vào thành cụm hay bó (Hình 1) Trong q trình sản xuất, kết tập ống thành cụm hay bó xảy cách tự nhiên ống có diện tích bề mặt lớn nên lực van der Waals tạo sức hút hữu hiệu ống Tiếc rằng, độ cứng (mô-đun Young) cụm 1/10 độ bền lúc 1/100 trị số ống nano tạo thành Việc gia cường với ống than nano cần phải có ống riêng lẻ Vì vậy, thành bại composite polymer ống than nano tùy thuộc vào cách tinh chế, gỡ rối cụm bó ống nano phân tán hiệu ống nano chất Cho đến ngày hơm (2010), chưa có phương pháp hữu hiệu để tách ống than nano hồn tồn thành ống riêng lẻ Cơ tính tuyệt vời ống chưa tận dụng composite gia cường ống than nano chưa sản phẩm thương trường Một ứng dụng lớn khác ống than nano công nghiệp điện tử Những công ty tầm cỡ IBM (Mỹ), Samsung (Hàn Quốc), NEC (Nhật Bản) đầu tư vào việc nghiên cứu sử dụng ống than vào dụng cụ điện tử Ống than mang đặc tính dẫn điện đạn đạo (electrical ballistic conduction), nghĩa nhờ vào hình dạng ống electron di chuyển tự mà không bị va chạm vào thành ống, nhờ việc phát nhiệt giảm thiểu tối đa Độ dẫn điện ống điều chỉnh từ mức bán dẫn đến kim loại IBM tận dụng đặc tính để chế tạo transistor ống nano [2] Vật liệu transistor chất bán dẫn silicon Cột sống dụng cụ điện tử, máy tính cơng nghệ tin học transistor silicon Trong vòng 40 năm ngày nay, transistor silicon thu nhỏ vài chục triệu lần giá chế tạo transistor giảm triệu lần Nếu giá xe có độ giảm giá giống transistor ngày hơm ta mua xe với giá vài xu! Hiện nay, transistor "Penryn" hãng Intel chế tạo từ ngun tố silicon hafnium có kích thước 45 nanomét transistor nhỏ thương trường Transistor nhỏ đến mức người ta xếp 2000 transistor khoảng khơng gian dày đường kính sợi tóc Kỹ thuật sản xuất chip vi tính phát triển đến mức tỷ transistor chip to vài cm2 Theo luồng chế biến này, người ta dự đốn transistor silicon với kích cỡ 16 nanomét tung thương trường vào năm 2018 Khi transistor nhỏ, ta gia tăng số transistor làm dụng cụ linh hoạt, chức cao, ứng đáp nhanh chóng, kích thước mỏng, nhỏ gọn gàng Từ ưu điểm này, địi hỏi thu nhỏ kích thước transistor lúc mãnh liệt Tuy nhiên, thu nhỏ transistor silicon vượt mức nhỏ 10 nanomét Nhưng cơng trình nghiên cứu IBM nhóm nghiên cứu khác 15 năm qua cho thấy transitor ống than nano vượt qua mốc 10 nanomét Gần đây, graphene nhập Năm 2008, nhóm Manchester Geim Novoselov chế tạo transistor graphene kích cỡ nanomét Có thể kích cỡ nhỏ tận transistor Rõ ràng đột phá mang tính hàn lâm Sẽ cịn lâu transistor ống nano hay graphene thay transistor silicon vấn đề kỹ thuật giá Chướng ngại kỹ thuật thứ đồng tuyệt đối vật liệu sử dụng Ống than nano dùng cho transistor cần phải có kích thước đồng cấp nanomét độ dẫn điện giống Yêu cầu thúc đẩy việc sản xuất ống than nano chất lượng cao (Bảng 1) chưa đạt yêu cầu transistor [3] Chướng ngại thứ hai nhà khoa học chưa triển khai trình chế tạo siêu vi mạch tạo chip chứa hàng trăm triệu transistor ống nano hay graphene chip transistor silicon Ứng dụng gia cường transistor ống than nano hai ứng dụng có tiềm tạo nên cách mạng công nghệ kỷ 21 Tuy nhiên, viễn ảnh thành cơng cịn mờ mịt Bảng cho thấy trạng ứng dụng hướng phát triển của ống than nano phần lớn thời kỳ nghiên cứu hay triển khai sản phẩm Vấn đề an tồn sức khỏe độc tính vật liệu nano trở thành mối quan tâm hàng đầu phủ doanh nghiệp đầu tư vào công nghệ nano Nó luồng nước ngầm nguy hiểm cuồn cuộn chảy dịng sơng êm đềm lấp lánh ánh hào quang Khả gây ung thư ống than nano kiện hạt nano titanum dioxide kem chống nắng phá hỏng não chuột phần làm lu mờ ánh hào quang gây quan ngại cộng đồng nghiên cứu khoa học Đây vấn đề lớn liên quan đến an toàn sức khỏe công nhân ngày tiếp xúc với vật liệu nano người tiêu dùng sử dụng thành phẩm nano [7] Các phủ Bắc Mỹ, châu Âu, Úc Nhật Bản ban hành quy định liên quan đến an toàn, cách xử lý chế ngự quy trình sản xuất sử dụng vật liệu nano [8-10] Những cơng trình nghiên cứu tác động cấu xâm nhập vào tế bào sinh vật vật liệu nano lúc gia tăng [11-14] Vật liệu nano lành hay dữ? Hiện chưa có câu trả lời dứt khốt Hiện trạng nghiên cứu công nghệ nano hai mặt mâu thuẫn Một mặt nghiên cứu mang tính hàn lâm, phát đặc tính điện tử, quang điện tử lượng tử vật liệu nano không suy giảm dù thời gian kéo dài 25 năm Graphene lại bùng cao trào Sau giải Nobel, Novoselov cao hứng tuyên bố: "Graphene mỏ vàng nghiên cứu Nó kéo dài bất tận" Mặt vướng mắc kỹ thuật đề cập trên, làm trì hỗn dự án sản xuất đại trà sản phẩm nano khiến cho công nghệ nano nhấp nhơ gợn sóng lăn tăn mặt hồ thu sóng thần đại dương làm khuynh đảo giới Trong nước phát triển Việt Nam trước đa dạng phức tạp cơng nghệ nano, bình diện đối nội, phủ cần có nhận thức khách quan tiềm rủi ro công nghệ để định hướng xác lập lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên nhằm đưa sách cung cấp kinh phí cho việc tuyển chọn đề án nghiên cứu thực tế phù hợp với sinh hoạt người dân làm giàu cho kinh tế quốc gia Đồng thời tạo nội lực lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên Như trình bày trên, có kho tàng tri thức nano cơng khai gần miễn phí tích tụ phần tư kỷ lại hỗ trợ lý thuyết vật lý tuyệt vời chờ đợi đầu kinh thương khoa học biến thành sản phẩm Việt Nam có nhiều lý thuyết gia lỗi lạc thiếu vắng nhà nghiên cứu tinh thông chế tác (manufacturing) Nền công nghệ nano cần đầu óc bàn tay chế tạo sản phẩm nano Trên bình diện đối ngoại, để bắt kịp giới việc hợp tác gởi nghiên cứu sinh làm việc viện công nghệ nano quốc tế, đặc biệt quan nghiên cứu R&D công ty danh tiếng trở nên cấp bách hết Có lẽ phủ ta nên đầu tư tạo mối liên hệ với giáo sư tầm cỡ hay giám đốc công ty R&D nghĩ hưu qua hoạt động tư vấn Ngoài kiến thức chuyên môn, sau lưng vị mạng lưới dày đặc quan hệ mà ta cần để khắc phục khó khăn việc phát triển khoa học công nghệ ……………HẾT………… LỜI CẢM ƠN Tiểu luận em hoàn thành nhờ hướng dẫn giảng dạy Thầy PGS – TS Phạm Thành Huy tìm tịi tài liệu liên quan đến mơn Trong trình nghiên cứu tiểu luận, chắn em cịn gặp nhiều thiếu sót Kính mong Thầy hướng dẫn để tiểu luận em hoàn thiện Cuối cùng, em kình chúc Thầy sức khỏe, hạnh phúc thành công công việc Trân trọng cảm ơn