Tổng quan Carbon nanotubes

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC TIỂU LUẬN MÔN HÓA HỌC NANO ĐỀ TÀI: CARBON NANOTUBE (CNTs) HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN : Trần Trương Trọng Trí MSHV : 1570185 GVHD : PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh i TP Hồ Chí Minh, năm 2016 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các thông số tính vật liệu CNTs số vật liệu khác Bảng 1.2 Đặc tính dẫn điện số loại CNTs .7 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc graphit tạo mặt graphen .3 Hình 1.2 Mô tả cách cuộn graphen để có CNTs Hình 1.3 Mô tả cấu trúc SWCNT MWCNT Hình 1.4 Cấu trúc hình học CNT Hình 2.1 Cơ chế mọc ống nano cacbon Hình 2.2 Hệ thiết bị chế tạo CNT phương pháp hồ quang điện 10 Hình 2.3 Hệ chế tạo CNTs phương pháp dùng chùm laser 11 Hình 2.4 Hệ thiết bị chế tạo CNTs phương pháp CVD 12 Hình 3.1 Mô hình xen Li hấp thụ H2 14 Hình 3.2 Màn hình hiển thị sử dụng CNTs 15 Hình 3.3.Típ STM, AFM có gắn CNTs 16 Hình 3.4 Típ CNTs biến tính .16 Hình 3.5 Vật liệu CNTs-COOH dùng cho sensor xác định nồng độ cồn 16 Hình 3.6 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm CNTs 17 i Hình 3.7 Transistor trường sử dụng ống nanno carbon 18 i MỤC LỤC ii MỞ ĐẦU Vật liệu vô cơ, hữu cấu trúc nano trở thành lĩnh vực quan tâm chuyên sâu cho nhà khoa học công nghiệp tính chất đa dạng ưu việt Gần đây, nhóm vật liệu dựa chất liệu polymer/nano tạo nên chiều hướng cho lĩnh vực Vật liệu nanocomposite ứng dụng rộng rãi ngành công nghệ cao vật liệu dẫn điện, vật liệu chống ăn mòn, dây phân tử, thiết bị cảm biến, cửa sổ thông minh, thiết bị điện hóa Ống cacbon nano (carbon nanotube CNT) loại vật liệu nghiên cứu nhiều Là loại vật liệu linh hoạt, nhiều ứng dụng, tính chất phong phú – hấp thụ quang, phát xạ, học (Young modulus) Có khả ứng dụng nhiều lĩnh vực hóa học, vật lý, sinh học, vật liệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON 1.1 Giới thiệu vật liệu nano cacbon Vật liệu nano cacbon vật liệu có kích thước nano nghiên cứu có khả ứng dụng cao, thường tồn hai dạng: ống nano cacbon (CNT) sợi nano cacbon (CNF) Năm 1991 Sumio Lijma làm việc hãng NEC (Nhật) theo dõi loại bụi bình kín để chế tạo fulleren theo cách phóng điện hồ quang khí trơ với điện cực than (cacbon) ông phát thấy có tinh thể nhỏ dạng ống rỗng đường kính ống vào cỡ 1,4 nanomet dài đến micromet, chí milimet Ống xem từ graphen cắt thành dải tròn lại thành ống Ở hai đầu ống hở, kín có hai nửa cầu fulơren úp lại Như bề mặt bao quanh ống gồm toàn nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác, hai đầu nguyên tử cacbon có số chỗ xếp theo hình cạnh mà hình cạnh để khép kín lại được… Ngay sau phát công bố tạp chí Nature người ta gọi ống nano cacbon (CNT) Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, ống cacbon nano có nhiều tính đặc biệt như: độ dẫn điện thay đổi theo kích thước cấu trúc ống, nhẹ thép lần lại bền thép cỡ 100 lần, chịu nhiệt độ tốt (~2800 oC chân không ~700oC không khí), có tính đàn hồi tốt, độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt mặt lớn, có khả phát xạ điện từ từ trường thấp Bên cạnh khả tạo vật liệu compozit tiên tiến thiết bị điện tử kích thước nano CNT sử dụng làm chất mang cho xúc tác Xét cấu trúc, diện tích bề mặt lớn có cấu trúc rỗng nên CNT sử dụng vật liệu hấp phụ [1] Hơn cấu trúc bề mặt CNT hoạt hóa cách oxy hóa chất hoạt động bề mặt, mở đáy ống nano cacbon, bề mặt gắn thêm kim loại, oxit kim loại tác nhân hữu làm tăng khả ứng dụng chúng việc chế tạo vật liệu hấp phụ 1.2 Cấu trúc tính chất ống nano cacbon Bản chất liên kết ống nano cacbon giải thích hóa học lượng tử, cụ thể xen phủ orbital Liên kết hóa học ống nano cacbon cấu thành hoàn toàn liên kết sp2, tương tự than chì Cấu trúc liên kết mạnh liên kết sp3 kim cương, tạo phân tử có độ bền đặc biệt Các ống nano cacbon thông thường xếp thành “sợi dây thừng” giữ với lực Van der Waals Để tìm hiểu cấu trúc CNT, trước hết cần tìm hiểu cấu trúc graphit Graphit bao gồm nhiều lớp nguyên tử cacbon xếp song song với nhau, lớp ta gọi mặt graphen Hình 1.1 Cấu trúc graphit tạo mặt graphen Trong mặt này, nguyên tử C chia liên kết cộng hóa trị để nối với nguyên tử gần xung quanh Góc mối liên kết 120 o, nguyên tử nằm lớp tạo thành mạng lưới hình cạnh bền vững Các mặt graphen cách khoảng xa so với khoảng cách nguyên tử mặt Chúng ta quan tâm đến mặt graphen coi CNT tạo thành cách cắt graphen ra, sau cuộn tròn lại Có nhiều kiểu cuộn khác dựa theo hướng cuộn, khác làm cho CNT có tính chất vật lý, hóa học phong phú, đa dạng thay đổi, tính dẫn điện mang tính đẫn điện dung môi, chất bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cấu trúc ống Hình 1.2 Mô tả cách cuộn graphen để có CNTs Tuy nhiên, lúc ống nano cacbon có hình dạng giống hình dạng graphen cuộn lại Bởi graphen gồm nguyên tử cacbon xếp đỉnh hình lục giác, CNT lại có xuất đa giác ngũ giác Có ba loại cấu trúc hình học độc đáo CNTs, ba cấu trúc armchair, zigzag, and chiral [e.g zig-zag (n, 0); armchair (n, n); and chiral (n, m)] Phân loại dựa vào cách quấn thành ống với bố trí vòng cacbon theo vị trí khác Hình 1.3 Cấu trúc hình học CNT Có hai loại ống nano cacbon là: ống nano cacbon đơn lớp (SWCNT), cấu tạo lớp nguyên tử cacbon ống nano cacbon đa lớp (MWCNT), cấu tạo thể bao gồm nhiều ống đơn lớp lồng vào Hình 1.4 Mô tả cấu trúc SWCNT MWCNT Đường kính ống nano cacbon tùy thuộc vào loại ống Thông thường ống nano cacbon đơn lớp có đường kính vào khoảng 1-2 nm Còn ống nano cacbon đa lớp có đường kính vào khoảng 2-25 nm, đường kính ống dao động khoảng 1-8 nm Cấu trúc MWCNT bao gồm từ đến 30 SWCNT có đường kính khác lồng vào nhau, khoảng cách lớp ống nano cacbon đa lớp từ 0,34 – 0,36 nm [2] tức gần khoảng cách mặt graphen graphit tự nhiên Chiều dài ống nano cacbon từ vài trăm nanomet đến micromet Ngày người ta làm ống nano cacbon dài đến vài centimet….CNT hoạt động mạnh so với graphite thực tế tương đối trơ mặt hóa học 1.3 Tính chất vật lý vật liệu ống cacbon nano 1.3.1 Tính chất Phép đo độ bền thực hệ AFM Các tip AFM di chuyển vuông gốc với ống CNTs ghi lực tương tác đầu típ với ống CNTs phát sinh từ dịch chuyển đàn hồi thành Sự dịch chuyển lớn dẫn tới cong, biến dạng dẻo gẫy ống CNTs xác định đồ bền CNTs Vật liệu Suất Young (GPa) Độ bền kéo (GPa) Mật độ khối lượng (g/cm3) SWCNT 1054 150 1.4 MWCNT 1200 150 2.6 Steel 208 0.4 7.8 Bảng 1.1 Các thông số tính vật liệu CNTs số vật liệu khác [5] Trong bảng 1.1, so với thép, suất Young CNTs (MWNTs SWNTs) gấp khoảng đến lần độ bền kéo gấp 375 lần Trong đó, khối lượng riêng CNTs nhẹ tới lần so với thép Điều chứng tỏ CNTs có đặc tính học tốt, bền nhẹ, thích hợp cho việc gia cường vào vật liệu composite cao su, polyme, để tăng cường độ bền, khả chịu mài mòn ma sát cho vật liệu 10 1.3.4 Tính chất hóa học CNTs hoạt động hóa học mạnh so với graphene Tuy nhiên, thực tế cho thấy CNTs tương đối trơ mặt hóa học, để tăng hoạt tính hóa học CNTs ta phải tạo biến dạng bề mặt ống, gắn kết với phân tử hoạt động khác Các nghiên cứu rằng, CNTs có đường kính nhỏ hoạt động hóa học mạnh, song tượng tụ đám nhiều Đó ảnh hưởng hiệu ứng kích thước hiệu ứng bề mặt xảy với vật liệu nano Sự tụ đám làm giảm khã hoạt động hóa học ống CNTs, vấn đề quan trọng tách bó CNTs thành ống riêng lẽ cách xử lý lý hóa phù hợp 1.3.5 Tính chất phát xạ điện từ trường Sự phát xạ điện từ trường trình phát xạ điện tử từ bề mặt pha rắn vào chân không, tác dụng điện trường tĩnh (khoảng 10 V/cm) Khi áp điện trường đủ lớn, điện tử bề mặt xuyên hầm qua hàng rào thoát Với CNTs, tỷ lệ chiều dài/đường kính lớn (hơn 1000 lần), cấu trúc dạng tip, độ ổn định hóa, nhiệt cao độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao nên khã phát xạ điện tử cao, điện thấp Với dạng tip CNTs thì: Với E ≈ 108 V/cm, Rtip ≈ 1nm, α ≈ 10 (hệ số) V ≈ 10V Tức là, với điện khoảng 10V ống CNTs phát xạ điện tử Đây thuận lợi lớn vật liệu CNTs [5] 12 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON 2.1 Cơ chế hình thành ống nano cacbon Có thể hiểu cách đơn giản trình mọc CNT sau: Hạt xúc tác tạo đế Khí chứa cacbon (CxHy) bị phân ly thành nguyên tử cacbon sản phẩm phụ khác lượng nhiệt, lượng plasma có vai trò xúc tác [3] Các sản phẩm sau phân ly lắng đọng hạt xúc tác Ở xảy trình tạo liên kết C – C hình thành CNT Kích thước ống CNT phụ thuộc kích thước hạt xúc tác Liên kết hạt xúc tác đế mà ống nano cacbon định chế mọc: mọc từ đỉnh hạt lên hay mọc từ đế lên tạo thành CNT Kích thước hạt xúc tác kim loại điều kiện liên quan khác định ống nano cacbon đơn lớp (SWCNT) đa lớp (MWCNT) Hình 2.1 Cơ chế mọc ống nano cacbon 2.2 Các phương pháp chế tạo 2.2.1 Phương pháp phóng điện hồ quang Phương pháp Thomas Ebbesen Pulickel M.Ajayan phòng nghiên hãng NEC Tsukuba ( Nhật Bản) công bố vào năm 1992 với kết tạo ống nano cacbon số lượng vĩ mô Phương pháp phóng điện hồ quang thực 13 với hai điện cực than đặt môi trường Argon hay Heli Khi phóng điện khí hai cực than bị ion hóa trở thành dẫn điện Đó plasma, phương pháp gọi tên khác hồ quang plasma Hồ quang plasma làm cho than điện cực anot bị bốc bay bám vào điện cực đối diện, tức bám vào catot, ống nano cacbon hình thành Thông thường cho dòng hồ quang 100A ta thu hiệu suất khoảng 30% khối lượng Sản phẩm tạo thành SWCNT MWCNT tùy thuộc vào việc có hay không sử dụng xúc tác (Ni, Fe, Co ) Hiệu suất trình phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực lắng đọng CNTs môi trường plasma Với điện cực carbon tinh khiết, ta thu MWCNTs có kim loại xúc tác (Ni, Co, Fe) ta thu SWCNTs Các kĩ thuật chế tạo CNTs hồ quang khác: - Chế tạo CNTs hồ quang không khí Chế tạo CNTs hồ quang nitơ lỏng Chế tạo CNTs hồ quang từ trường Chế tạo CNTs hồ quang với điện cực plasma quay Nhược điểm phương pháp ống nano thu ngắn, khoảng 50 micromet Hình 2.2 Hệ thiết bị chế tạo CNT phương pháp hồ quang điện 14 2.2.2 Phương pháp phóng điện hồ quang có Coban Cũng dùng phóng điện hồ quang, có thêm khoảng 3% coban Phương pháp cho sản phẩm nhiều ống nano cacbon lớp liên kết lại, sợi có lẫn chút coban nhỏ, số hạt cacbon vô định hình v.v… 2.2.3 Phương pháp dùng laser Người ta cho tia laser chiếu vào graphit có pha hạt Co Ni với tỉ lệ 50:50, kích thước hạt cỡ micromet Thanh graphit đặt môi trường khí trơ Ar, tia laser lượng cao (xung hoạt liên tục) chiếu vào làm graphit nóng đến 1200oC graphit bị bốc bay tạo thành sản phẩm nano cacbon Tiếp gia công nhiệt 1000oC để lấy C60 fulơren khác để thu ống nano cacbon Phương pháp chủ yếu sản xuất ống nano cacbon lớp, hiệu suất >70% Sản phẩm tạo thành SWCNT MWCNT phụ thuộc vào có sử dụng hay không chất xúc tác kim loại [4] CNTs chế tạo phương pháp có độ tinh khiết cao so với phương pháp hồ quang điện Tuy nhiên hạn chế phương pháp cần nguồn laser có cường độ cực lớn, mà tốn Hình 2.3 Hệ chế tạo CNTs phương pháp dùng chùm laser 2.2.4 Phương pháp nghiền bi Dùng bình thép không gỉ bên có chứa bi thép không gỉ thật cứng Đổ vào bình thép bột graphit tinh khiết (99,8%), sau cho khí Ar 15 thổi qua với áp suất khoảng 300kPa Bước cho quay bình thép để có bi bên nghiền bột graphit, thời gian nghiền kéo dài 150 Sau ta thu sản phẩm Sản phẩm phương pháp ống nano cacbon nhiều lớp Đây phương pháp kinh tế, công nghệ không phức tạp không đạt ống nano có kích thước đặn 2.2.5 Phương pháp tổng hợp từ lửa Nguyên tắc phương pháp dùng khí hydro cacbon đốt thành lửa tạo nhiệt độ cao, phần khí chưa cháy hết bị phân hủy, sau kết hợp lại tạo thành ống nano cacbon Tuy nhiên sản phẩm tạo thành có kích thước không đặn, có hiệu suất cao thích hợp cho công nghiệp 2.2.6 Phương pháp lắng động pha CVD (Chemical vapour deposition) Trong phương pháp lắng đọng pha hoá học (CVD) thường sử dụng nguồn carbon hyđrocarbon (CH4, C2H2) CO sử dụng lượng nhiệt hoăc plasma hay laser để phân ly phân tử khí thành nguyên tử carbon hoạt hóa Các nguyên tử cacbon khuếch tán xuống đế, lắng đọng hạt kim loại xúc tác (Fe, Ni, Co), CNT tạo thành Nhiệt độ vào khoảng 650oC –900oC Hình 2.4 Hệ thiết bị chế tạo CNTs phương pháp CVD Yêu cầu phương pháp CVD phải sử dụng xúc tác trình lắng đọng, tùy theo loại xúc tác khác mà ta có sản phẩm ống nano cacbon 16 khác nhau, đơn lớp hay đa lớp, xếp trật tự hay không trật tự Để chế tạo lượng lớn ống nano cacbon, ta thường sử dụng xúc tác kim loại Co Fe Phương pháp lắng đọng hoá học pha thường tạo ống nano carbon đa vách đơn vách với độ không cao, thường người ta phải phát triển phương pháp làm Phương pháp có ưu điểm dễ chế tạo rẻ tiền Một số kỹ thuật CVD tạo CNTs thường sử dụng là: - Phương pháp CVD nhiệt Phương pháp CVD tăng cường Plasma Phương pháp CVD xúc tác alcohol Phương pháp CVD nhiệt có laser hỗtrợ Phương pháp mọc pha Phương pháp CVD với xúc tác Co-Mo ( CoMoCat) CHƯƠNG 3: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CNTs 3.1 Các ứng dụng lượng Sử dụng CNTs pin litium tăng dung lượng pin lên 10 lần Các nhà nghiên cứu Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) phát rằng, sử dụng lớp ống nano carbon qua xử lý để làm điện cực, chúng tăng lượng tích lũy đơn vị trọng lượng pin lên 10 lần (10 kW/Kg–trong pin Lithium thông thường kW/kg) Pin có ổn định tốt theo thời gian, sau 1000 chu kỳ sạc xả pin thử nghiệm, không phát có thay đổi vật liệu Điều hứa hẹn khả ứng dụng CNTs xe hơi, thiết bị điện tử cầm tay [8] Bằng phương pháp “layer by layer” Các nhà khoa học chế tạo điện cực làm từ CNTs đa tường để tạo thành điện cực dương, lithium titanium oxide để làm điện cực âm Thông qua ảnh TEM độ phân giải cao so sánh chu trình phóng nạp pin trước sau xử lý nhiệt với khí hidro, họ chứng minh rằng, nguyên nhân cải thiện mặt tích trữ lượng nhóm chức có chứa oxi bề mặt CNTs Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng đường kính cỡ nanomét nên vật liệu CNTs tích trữ chất lỏng khí lõi trơ thông qua 17 hiệu ứng mao dẫn Hấp thụ gọi hấp thụ vật lý CNTs tích trữ hydrogen theo cách hóa học (hấp thụ nguyên tử hydrogen) Vì CNTs sử dụng cho việc tích trữ Hidro, làm thành pin nhiên liệu dùng cho ô tô [9] Hình 3.1 Mô hình xen Li hấp thụ H2 Bằng cách xử lý CNTs dung dịch siêu axit, nhà khoa học trường Đại học Rice (Mỹ) thu sợi dài, sử dụng làm dây dẫn nhẹ, hiệu cho mạng lưới điện, làm sở cho vật liệu dẫn điện Họ cho biết tìm phương pháp để lắp ráp CNTs với nhau, cách hoà tan CNTs dung dịch siêu axít chlorosulphonic tạo dung dịch có nồng độ khối lượng lên đến 0,5Wt% cao 1000 lần so với axit khác báo cáo trước Ở trạng thái mật độ cao này, chúng tạo thành tinh thể lỏng, tạo thành sợi dài hàng trăm mét, nguyên khối Vì CNTs bền, tương lai, ống nano carbon sử dụng để thay cho dây điện kim loại truyền thống 3.2 Thiết bị phát xạ điện tử trường Yêu cầu chung ngưỡng phát xạ vật liệu phải thấp, mật độ dòng phải có độ ổn định cao, vật liệu phát xạ phải có đường kính nhỏ cỡ nanomet, cấu trúc tương đối hoàn hảo, độ dẫn điện cao, độ rộng khe lượng nhỏ ổn định mặt hóa học Các điều kiện này, vật liệu CNTs đáp ứng đầy đủ Hơn nữa, CNTs lại tương đối trơ mặt hóa học nên có độ ổn định mặt hóa học cao 18 Vật liệu CNTs sử dụng cho thiết bị phát xạ điện tử trường như: transistor hiệu ứng trường, hình hiển thị, tip STM, AFM Hình 3.2 Màn hình hiển thị sử dụng CNTs Các tính CNT-FED: Mỏng, độ sáng cao, độ tương phản cao, hiệu suất phát quang cao, góc nhìn rộng, đáp ứng nhanh, điện tiêu thụ thấp, tiêu thụ điện 3.3 Đầu dò nano sensơ Do tính dẻo dai sử dụng đầu dò quét thiết bị kính hiển vi điện tử AFM STM Thuận lợi chủ yếu đầu dò loại độ phân giải cải thiện nhiều so với tip Si tip kim loại mà không phá mẫu (do CNTs độ đàn hồi cao) Các ống CNTs gắn đầu tip biến tính cách gắn nhóm chức (-COOH) để tăng tương tác hóa, sinh Các tip sử dụng đầu dò phân tử, ứng dụng lĩnh vực hoá học y sinh Chẳng hạn với sensor xác định nồng độ cồn cực thấp sử dụng vật liệu CNTs vật liệu CNTs phải biến đổi trước để gắn nhóm -COOH bề mặt Các nhóm tương tác với phân tử ethanol (CH 3CH2OH) gắn phân tử lên bề 19 mặt CNTs, làm thay đổi độ dẫn điện Từ thay đổi này, ta xác định nồng độ cồn [10] Hình 3.3.Típ STM, AFM có gắn CNTs Hình 3.4 Típ CNTs biến tính Hình 3.5 Vật liệu CNTs-COOH dùng cho sensor xác định nồng độ cồn 3.4 Ống nano carbon tạo vật liệu siêu bền, siêu nhẹ Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Alan Windle, thuộc Đại học Cambridge dùng CNTs để dệt thành áo, kết hợp với loại vật liệu khác để sản xuất sản phẩm siêu bền Theo chuyên gia, ứng dụng quan trọng sợi carbon sản xuất áo chống đạn siêu bền, bền hơn, dai cứng nhiều lần so với loại vải dùng để may áo giáp 20 Nasa sử dụng CNTs nhiều mục đích khác Như vỏ tàu CNTs vật liệu siêu bền siêu nhẹ Do dó làm giảm trọng lượng tàu vũ trụ, làm giảm chi phí phóng tàu Đồng thời làm tăng khả chống chịu va đập cho tàu Hình 3.6 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm CNTs 3.5 Ống nano carbon tạo linh kiện điện tử nano Hiện với xuất ống nano carbon, với khả chế tạo ống carbon có tính chất bán dẫn loại p hay loại n Người ta xếp sợi carbon nhỏ nằm gối lên nhau, điểm giao chúng có tác dụng điốt Các điốt có kích thước nhỏ cỡ vài nm Tuy nhiên kỹ thuật chế tạo điốt phức tạp, người ta sử dụng phương pháp dòng chảy để định hướng sợi carbon Nghiên cứu gần đây, nhà khoa học với ống nano carbon chế tạo linh kiện hoạt động sở hoạt động Spin điện tử Với dây dẫn thông thường điện tử bị tán xạ mạng ion, hay với điện tử, tồn điện trở Nhưng với ống nano carbon khác, điện tử chuyển động theo kiểu xung kích ống nano lại nhỏ, sai hỏng nên điện tử không bị tán xạ Điều có nghĩa điện tử chuyển động quãng đường xa mà không thay đổi xung lượng, giữ nguyên trạng thái có nghĩa spin bảo toàn Ta biết spin điện tử có hai giá trị -1/2 +1/2 (spin up spin down), nên ta dùng từ trường để điều khiển spin thay cho việc điều khiển điện tử lỗ trống bán dẫn thông thường 21 Hiện với phát triển vũ bão linh kiện điện tử, kích thước linh kiện giảm nhỏ Tuy nhiên cực tiểu hoá trình cực tiểu hoá tiến gần đến giới hạn vật lý Từ cần phải nghĩ đến vật liệu có khả đặc biệt từ cực tiểu hoá linh kiện Và điều giải xuất ống nano carbon Ống carbon dùng làm kênh dẫn transistor Hình 3.7 Transistor trường sử dụng ống nanno carbon Điện cực cổng có ảnh hưởng lớn đến tính dẫn điện ống nano carbon Với việc sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn điện, độ dẫn điện thay đổi triệu lần so với transistor trường sở silic Hơn có kích thước nhỏ, transistor trường sở ống nano làm việc với độ tin cậy cao hơn, tiêu thụ lượng hơn, đóng mở với tốc độ Terahert Khi thiết bị cực tiểu hoá kích thước tăng mạnh tốc độ điện tử hoạt động với tốc độ cao nên toả nhiều nhiệt để giải vấn đề người ta sử dụng khả dẫn nhiệt tốt ống carbon gắn vào linh kiện [11] Vì kích thước linh kiện nhỏ nên sử dụng dây dẫn kim loại thông thường dùng để nối linh kiện với thiết bị hay mạch logic bên mà phải dùng ống nano carbon 22 CHƯƠNG 4: ĐỘC TÍNH CỦA CNTs [12] Nhóm nghiên cứu Cirimat Emmanuel Flahaut đứng đầu liên liên kết với nhiều phòng thí nghiệm Toulouse đơn vị Inserm Bordeaux để nghiên cứu ảnh hưởng ống nano carbon đến sức khoẻ người môi trường Ba năm nghiên cứu với nhiều báo đăng hai ấn phẩm tạp chí Nanomedicine vào tháng làm dấy lên hoài nghi: “ Chúng ta biết độc tính hạt nano môi trường sức khoẻ người?" Các sản phẩm thương mại chứa CNT bán thị trường Tuy nhiên, độc tính sản phẩm chưa biết rõ Hàng trăm CNT sản suất giới năm tăng mạnh năm gần Vấn đề xử lý rác thải rủi ro trình sản xuất vật liệu câu hỏi mang tính thời nghiên cứu quy mô vấn đề tiến hành Các thử nghiệm độc tính CNT tiến hành phương pháp nuôi cấy tế bào sử dụng tế bào hệ hô hấp (tế bào mũi phổi) Các tế bào chọn để nghiên cứu thường tế bào ung thư, có khả sinh trưởng mạnh, tế bào gốc tế bào chưa biệt hoá phát triển thành tế bào thể Tất tế bào chịu tương tác với CNT (với cường độ tuỳ thuộc vào liều dùng), tế bào ung thư thể khả đề kháng cao Các CNT xâm nhập vào tế bào, tế bào chất Các hạt nano hấp thu thụ động vào tế bào gây độc tính thông qua triệu chứng viêm hình thành gốc tự (stress oxydant) Các gốc tự sản phẩm phụ tự nhiên trao đổi chất bình thường oxy có vai trò quan trọng tín hiệu tế bào Tuy nhiên, thời gian bị kích thích môi trường (ví dụ tia cực tím tiếp xúc với nhiệt), hình thành gốc tự tăng lên đáng kể Điều gây tổn thương đáng kể cho cấu trúc tế bào Các nghiên cứu cho thấy, CNT xâm nhập vào tế bào có khả kích thích hình thành gốc tự vậy, CNT phân tán tốt 23 xâm nhập với nồng độ cao tế bào hoàn toàn ức chế phát triển tế bào Ngoài CNT rối loạn trao đổi chất tiết tế bào Khi xâm nhập vào tế bào hình thành chất trung gian ảnh hưởng đến nhận biết đặc hiệu tế bào hệ thống liên tục tế bào bị rối loạn Các phương pháp hoá học tinh chế CNT thường sử dụng công nghiệp xử lý, tổng hợp nguyên liệu để cải thiện phân tán nước (3) Do đó, ống nano dễ xâm nhập vào tế bào ảnh hưởng đến sinh trưởng tế bào Vì vậy, độc tính CNT tăng phân tán tốt ống nano Để nghiên cứu tác động ống nano môi trường, nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình động vật lưỡng cư đặc biệt, quan sát trực tiếp môi trường nước Các hiệu ứng đáng kể quan sát thấy nồng độ CNT cao 10mg/l Nồng độ cao tương ứng với nơi ô nhiễm bất thường Không có chứng gây đột biến gen thể điều kiện thử nghiệm Có vẻ độc tính quan sát tác động học (rối loạn trao đổi khí mang, rối loạn ruột tiêu hóa), mà không thiết phải liên quan đến tác dụng thực chất ống nano Các kết nghiên cứu cho thấy CNT độc đến sức khoẻ môi trường sinh thái Nhưng đề suất khuyến nghị phòng ngừa tổng hợp lượng lớn sản phẩm tiêu dùng gây ô nhiễm môi trường trình sử dụng (như lốp xe chẳng hạn) rác thải sau sử dụng Các sản phẩm từ CNT phải an toàn người điều kiện sử dụng bình thường sản phẩm Rác thải CNT xử lý cách đốt để thu nhệt, tận dụng triệt để lượng nhiệt bảo vệ môi trường Kết nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng mô hình nuôi cấy tế bào việc thử nghiệm độc tính nghiên cứu phòng thí nghiệm 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] P.J.F Haris (1990), “Carbon nanotubes and related structure – new materials S Iijima (2002) Phiscal B 323, pp 1-5 Nguyễn Mạnh Tường, Trần Sơn Hải, Hà Quốc Bảng, Trần Danh Tuấn (12-2011), “Nghiên Cứu Tổng Hợp Ống Nano Cacbon Mỏng Đa Lớp Trên [4] [5] [6] Xúc Tác Co-Mo/MgO”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, (số 145) Ống nano carbon: chế tạo, tính chất ứng dụng, Quách Duy Trường Basic properties of carbon nanotubes, http://www.ANI.com Deierlein Udo Functionalization of carbon nanotubes for seft-assembly of hybrib structures, Department for Physics and Center for NanoScience (CeNS), LMU [7] Munchen Valentin.N Popov Carbon nanotubes: properties and application, R 43 (2004), [8] 61-102 Seung Woo Lee, Naoaki Yabuuchi, Betar M Gallant, Shuo Chen, ByeongSu Kim,Paula T Hammond, Yang Shao-Horn ( 2010), “High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes”, Nature Nanotechnology, 5, [9] pp.531-537 Seung Mi Lee, Ki Soo Park, Young Chul Choi, Young Soo Park, Jin Moon Bok, Dong Jae Bae, Kee Suk Nahm, Yong Gak Choi, SooChang Yu, Namgyun Kim, Thomas Frauenheim, Young Hee Lee (2000), “Hydrogen adsorption and storage in carbon nanotubes”, Synthetic Metals, 113, pp 209–216 [10] Ren-Jang Wu, Yu-Ching Huang, Ming-Ru Yu, Tzu Hsuan Lin and Shih-Lin Hung (2008), “Application of m-CNTs/NaClO4/Ppy to a fast response, room working temperature ethanol sensor”, Sensors and Actuators B: Chemical, 134, pp 213-218 [11] Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc, Pham Van Trinh, Ngo Thi Thanh Tam and Phan Ngoc Minh (2011), “Thermal dissipation media for high power electronic devices using a carbon nanotube-based composite”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2,025002 25 [12] http://www.hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-hien-dai/vat-lieu-nano/667-su-doc- hai-cua-ong-nano-carbon-den-moi-truong-sinh-thai-va-con-nguoi.html 26 [...]... Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, (số 145) Ống nano carbon: chế tạo, tính chất và ứng dụng, Quách Duy Trường Basic properties of carbon nanotubes, http://www.ANI.com Deierlein Udo Functionalization of carbon nanotubes for seft-assembly of hybrib structures, Department for Physics and Center for NanoScience (CeNS), LMU [7] Munchen Valentin.N Popov Carbon nanotubes: properties and application, R 43 (2004),... lắng đọng CNTs và môi trường plasma Với điện cực là carbon tinh khiết, ta thu được MWCNTs còn khi có kim loại xúc tác (Ni, Co, Fe) ta thu được SWCNTs Các kĩ thuật chế tạo CNTs bằng hồ quang khác: - Chế tạo CNTs bằng hồ quang ngoài không khí Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong nitơ lỏng Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong từ trường Chế tạo CNTs bằng hồ quang với điện cực plasma quay Nhược điểm của phương... thể cực tiểu hoá được các linh kiện Và điều đó đã được giải quyết bằng sự xuất hiện của ống nano carbon Ống carbon được dùng làm kênh dẫn trong transistor Hình 3.7 Transistor trường sử dụng ống nanno carbon Điện thế cực cổng có ảnh hưởng rất lớn đến tính dẫn điện của ống nano carbon Với việc sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn điện, độ dẫn điện có thể thay đổi hơn một triệu lần so với transistor trường... quả nghiên cứu này cho thấy tầm quan trọng của mô hình nuôi cấy tế bào trong việc thử nghiệm độc tính được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] P.J.F Haris (1990), Carbon nanotubes and related structure – new materials S Iijima (2002) Phiscal B 323, pp 1-5 Nguyễn Mạnh Tường, Trần Sơn Hải, Hà Quốc Bảng, Trần Danh Tuấn (12-2011), “Nghiên Cứu Tổng Hợp Ống Nano Cacbon Mỏng... chịu va đập cho tàu Hình 3.6 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNTs 3.5 Ống nano carbon tạo ra các linh kiện điện tử nano Hiện nay với sự xuất hiện của ống nano carbon, cùng với khả năng chế tạo ra các ống carbon có tính chất như là bán dẫn loại p hay loại n Người ta đã có thể sắp xếp được các sợi carbon nhỏ nằm gối lên nhau, tại những điểm giao nhau đó chúng có tác dụng như một điốt Các... Vật liệu CNTs-COOH dùng cho sensor xác định nồng độ cồn 3.4 Ống nano carbon tạo ra các vật liệu siêu bền, siêu nhẹ Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Alan Windle, thuộc Đại học Cambridge dùng CNTs để dệt thành áo, hoặc kết hợp với những loại vật liệu khác để sản xuất những sản phẩm siêu bền Theo các chuyên gia, ứng dụng quan trọng của sợi carbon mới này là sản xuất áo chống đạn siêu bền, vì nó bền hơn, dai... bị ion hóa trở thành dẫn điện Đó là plasma, vì vậy phương pháp này còn được gọi dưới một cái tên khác là hồ quang plasma Hồ quang plasma làm cho than ở điện cực anot bị bốc bay và bám vào điện cực đối diện, tức là bám vào catot, khi đó ống nano cacbon được hình thành Thông thường khi cho dòng hồ quang là 100A thì ta thu được hiệu suất khoảng 30% về khối lượng Sản phẩm tạo thành có thể là SWCNT hoặc MWCNT... dụng phương pháp dòng chảy để định hướng các sợi carbon Nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng với ống nano carbon có thể chế tạo các linh kiện hoạt động trên cơ sở những hoạt động của Spin điện tử Với các dây dẫn thông thường các điện tử luôn bị tán xạ bởi mạng các ion, hay với chính các điện tử, do đó luôn tồn tại điện trở Nhưng với ống nano carbon thì khác, các điện tử chuyển động theo... liên quan khác quyết định ống nano cacbon là đơn lớp (SWCNT) hoặc đa lớp (MWCNT) Hình 2.1 Cơ chế mọc ống nano cacbon 2.2 Các phương pháp chế tạo 2.2.1 Phương pháp phóng điện hồ quang Phương pháp này được Thomas Ebbesen và Pulickel M.Ajayan ở phòng nghiên cứ của hãng NEC tại Tsukuba ( Nhật Bản) công bố vào năm 1992 với kết quả tạo được ống nano cacbon ở số lượng vĩ mô Phương pháp phóng điện hồ quang... ứng đáng kể đầu tiên đã được quan sát thấy khi nồng độ của CNT cao hơn 10mg/l Nồng độ này là rất cao và có thể tương ứng với một nơi ô nhiễm bất thường Không có bằng chứng gây đột biến gen thể hiện trong điều kiện thử nghiệm Có vẻ như là độc tính quan sát có thể là do tác động cơ học (rối loạn trao đổi khí ở mang, rối loạn của ruột và tiêu hóa), mà không nhất thiết phải liên quan đến tác dụng thực chất ... carbon Ống carbon dùng làm kênh dẫn transistor Hình 3.7 Transistor trường sử dụng ống nanno carbon Điện cực cổng có ảnh hưởng lớn đến tính dẫn điện ống nano carbon Với việc sử dụng ống nano carbon. .. thuật, (số 145) Ống nano carbon: chế tạo, tính chất ứng dụng, Quách Duy Trường Basic properties of carbon nanotubes, http://www.ANI.com Deierlein Udo Functionalization of carbon nanotubes for seft-assembly... làm CNTs 3.5 Ống nano carbon tạo linh kiện điện tử nano Hiện với xuất ống nano carbon, với khả chế tạo ống carbon có tính chất bán dẫn loại p hay loại n Người ta xếp sợi carbon nhỏ nằm gối lên