Nano cacbon có cấu tạo gồm vách trụ nano tạo thành từ mạng các nguyên tử Cacbon 6 cạnh và nắp của chúng là các bán cầu flurene. Trong tổng hợp , không thể tránh được các sai sót, lỗ hỏng trên bề mặt nano cac bon. Do kích thước nhỏ các ống nano cacbon dưới sự tác động của lực Van der Waals, cũng như do tỷ số diện tích bề mặt lớn dẫn đến CNTs dễ bị tụ đám và lắng đọng xuống đáy ngay sau khi phân tán trong các chất lỏng, ngay cả việc sử dụng phương pháp rung siêu âm trong thời gian dài cũng không đạt kết quả tốt trong việc phân tán CNTs trong chất lỏng. Từ đó, người ta đưa ra các phương pháp biến tính bề mặt ( chức hóa) nano cacbon dựa vaò chính những sai hỏng trên để biến đổi bề mặt của chúng, làm bề mặt chúng trở nên xước bám, dễ dàng phân tán vào các hệ vật liệu yêu cầu.
MỞ ĐẦU Trong năm gần vật liệu nano thu hút nhiều nhà khoa hoc nghiên cứu có nhiều ứng dụng hấp dẫn Và nghiên cứu đó, ống nano nano carbon vật liệu quan tâm nhiều tính chất ưu việt chúng MWCNTs( ống nano cacbon đa tường) có độ cứng lớn kim cương hay SWCNTs có độ dẫn điện tương đương với bạc với tính chất dẫn điện, nhiệt, tính quang học mà nano cacbon ứng dụng từ việc làm hình phẳng, hạt phân tán thuốc, đến vật liệu compsit, … Nano cacbon cócấu tạo gồm vách trụ nano tạo thành từ mạng nguyên tử Cacbon cạnh nắp chúng bán cầu flurene Trong tổng hợp , khơng thể tránh sai sót, lỗ hỏng bề mặt nano cac bon Do kích thước nhỏ ống nano cacbon tác động lực Van - der - Waals, tỷ số diện tích bề mặt lớn dẫn đến CNTs dễ bị tụ đám lắng đọng xuống đáy sau phân tán chất lỏng, việc sử dụng phương pháp rung siêu âm thời gian dài không đạt kết tốt việc phân tán CNTs chất lỏng Từ đó, người ta đưa phương pháp biến tính bề mặt ( chức hóa) nano cacbon dựa v sai hỏng để biến đổi bề mặt chúng, làm bề mặt chúng trở nên xước bám, dễ dàng phân tán vào hệ vật liệu yêu cầu Bài tiểu luận đưa vấn đề nano cacbon phương pháp biến tính sử dụng phổ biến giới PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu ống nano cacbon 1.1.1 Lịch sử phát triển • Cacbon Trong bảng hệ thống tuần hồn cacbon ngun tố nằm vị trí thứ (có điện tử, nguyên tử lượng 12), có cấu hình điện tử 1s 22s22p2 ngun tử cacbon có bốn điện tử hóa trị Năng lượng liên kết mức lượng cao 2p mức lượng thấp 2s nhỏ so với lượng liên kết liên kết hóa học [1], hàm sóng bốn điện tử hóa trị dễ dàng tự kết hợp kết hợp với nguyên tử khác Trạng thái ưu tiên cho xếp điện tử gọi trạng thái lai hóa Cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn dạng vật chất khác cacbon Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng tạo thành chuỗi dây xích phẳng Mỗi mắt xích nguyên tử cacbon Dạng lai hóa tạo tự nhiên khó tồn dạng rắn Trạng thái lai hóa sp trạng thái liên kết phẳng, trạng thái lai hóa có ba obital sp2 tạo thành lại obital 2p Ba obital đồng phẳng tạo với góc 120o tạo thành liên kết σ chồng chập với nguyên tố cacbon bên cạnh Obital p tạo liên kết π với nguyên tử Trạng thái lai hóa sp2 nguyên tử cacbon tưởng tượng giống cacbon đơn 2D phẳng góc liên kết tạo nguyên tử cacbon 120 o trơng giống mạng hình tổ ong Mạng thường tồn cấu trúc graphene (hình1.1b) Trạng thái lai hóa sp3 ,trong trạng thái bốn obital lai hóa sp tương đương tạo thành định hướng theo đỉnh tứ diện quanh nguyên tử tạo thành bốn liên kết σ chồng chập với obital nguyên tử bên cạnh Một ví dụ điển hình phân tử etan (C 2H6), liên kết σ Csp3 - Csp3 (C - C) tạo thành hai nguyên tử cacbon chồng chập orbital sp ba liên kết σ Csp3 - H1s tạo thành nguyên tử cacbon Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp thường tồn cấu trúc Kim cương • Graphite Graphite hay than chì dạng thù hình cacbon, có cấu trúc lớp Mỗi lớp graphene, graphene liên kết với lực liên kết yếu dạng liên kết Van - Der - Waals Bên lớp nguyên tử cacbon liên kết phẳng với ba nguyên tử cacbon khác bên cạnh liên kết cộng hóa trị với góc liên kết 120o.[2] Hình 1.2 Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang [2] Trong graphite, nguyên tử cacbon trạng thái lai hoá sp xếp thành lớp mạng lục giác song song Khoảng cách nguyên tử cacbon lớp mạng 1,42 Å (hình 1.2a), hai lớp mạng liền kề 3,34 Å thể (hình 1.2b) Dạng thù hình phổ biến than có màu đen cây, gỗ cháy lại Về mặt cấu trúc, than dạng cacbon vơ định hình ngun tử cacbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết sp khơng có liên kết sp Trong tự nhiên, khoáng chất chứa graphite bao gồm: thạch anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt tuamalin • Kim cương Như biết cacbon có ba trạng thái lai hóa sp 1, sp2, sp3 Các trạng thái lai hóa hình thành nên dạng vật chất khác nhau tự nhiên Kim cương dạng cấu trúc tinh thể khác cacbon Đây dạng tinh thể thể rõ nét trạng thái lai hóa sp3 nguyên tử cacbon, tồn dạng lập phương lục giác Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể Kim cương; Cấu trúc mạng tinh thể Kim cương thể hình 1.3 Ở dạng lập phương, nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác xung quanh gần bốn liên kết σ sp3, liên kết liên kết cộng hóa trị Vì lượng liên kết nguyên tử cacbon tinh thể Kim cương lớn nên Kim cương cứng bền Ô mạng sở Kim cương tạo thành sở lập phương tâm mặt Bốn nguyên tử cacbon bên chiếm vị trí tọa độ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4) Khoảng cách nguyên tử cacbon tinh thể Kim cương 1,544 Å Góc cố định liên kết cộng hóa trị mạng Kim cương 109,5o Cũng graphite, Kim cương có độ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000 W/m.K) nhiệt độ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K) • Fullerenes Năm 1985, nghiên cứu cacbon Kroto đồng nghiệp [30] khám phá tập hợp lớn nguyên tử cacbon kết tinh dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình thứ ba cacbon gọi Fullerenes Fullerenes lồng phân tử cacbon 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 1.4a) Liên kết chủ yếu nguyên tử cacbon liên kết sp Ngồi có xen lẫn với vài liên kết sp3, nguyên tử cacbon khơng có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu elip Cấu trúc phân tử C60 giống bóng đá nhiều múi nên để có mặt cầu, ngũ giác bao quanh năm lục giác Sự có mặt ngũ giác cung cấp độ cong cần thiết cho hình thành cấu trúc dạng lồng Năm 1990, Kratschmer [30] tìm thấy sản phẩm muội than tạo phóng điện hồ quang điện cực graphite có chứa C60 dạng fullerenes khác C70, C80 (hình 1.4b, hình 1.4c) Hình 1.4 Cấu trúc Fullerenes Fullerenes có nhiều ứng dụng thực tế Trong công nghệ may mặc, nhờ có tính chất siêu đàn hồi nên fullerenes ứng dụng chế tạo loại áo giáp chiến tranh Ứng dụng lên dùng fullerenes để mang dược phẩm dùng y tế Người ta cho ligand bám cầu fullerene dùng để ngăn chặn virus HIV công tế bào Những thuốc chữa bệnh có sử dụng fullerenes kiểu bắt đầu bán thị trường Việc kết hợp số loại vật liệu với C60 fullerenes khác tạo số loại vật liệu đa dạng chất siêu dẫn, chất cách điện v.v… [1] • Ống nano cacbon Năm 1991, trình chế tạo fullerenes S Iijima [2] khám phá cấu trúc cacbon với kích thước cỡ nanomet có dạng hình ống, cấu trúc gọi ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) (hình 1.5) Hai năm sau, Iijima Bethune tiếp tục khám phá ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs) có đường kính 1,4 nm chiều dài cỡ micromet Kể từ đến nay, có hai loại ống nano cacbon (CNTs) biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNTs) CNTs đa tường (MWCNTs) (hình 1.6a, hình 1.6b) Hình 1.5 Hình ảnh TEM MWCNTs lần Ijima 1991[2] Ống nano cacbon đơn tường có cấu trúc giống cuộn lại lớp than chì độ dày ngun tử (cịn gọi graphene) thành hình trụ liền, khép kín đầu nửa phân tử fullerenes Do đó, CNTs cịn biết đến fullerenes có dạng hình ống gồm ngun tử cacbon liên kết với liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững (Hình 1.6a) Ống nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác lồng vào đồng trục, khoảng cách lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm Ngoài ra, SWCNTs thường tự liên kết với để tạo thành bó xếp chặt (được gọi SWCNTs ropes) tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với số mạng 1,7 nm Mỗi bó gồm hàng trăm ống SWCNTs nằm song song với chiều dài lên đến vài mm (hình 1.6b) Hình 1.6 Các dạng cấu trúc CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs Phát ống nano cacbon tính chất đặc biệt thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Sự góp mặt CNTs đánh dấu đời ngành khoa học vật liệu mới: vật liệu dựa sở cacbon - vật liệu cho tương lai 1.1.2 Cấu trúc ống nano cacbon SWCNTs định nghĩa graphene cuộn thành hình trụ trịn với đường kính khoảng 0,7 đến 10 nm (hầu hết < 2nm) Mặc dù chế phát triển khơng hồn tồn graphene, mơ hình graphene lại sử dụng để giải thích cho tính chất ống nano cacbon Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs phân thành loại khác CNTs có đường kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet chiều dài từ vài micromet đến vài minimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đường kính diện tích bề mặt lớn Tuy nhiên, cấu trúc lý tưởng CNTs Trên thực tế, cấu trúc CNTs tồn sai hỏng hay gọi defect Các defect phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa nguyên tử cacbon cấu thành nên CNTs Các defect theo cấu trúc hình học ống CNTs xuất vòng cacbon khơng phải cạnh Các vịng cacbon cạnh cạnh, chủ yếu xảy đầu ống gần vùng liên kết ống (hình 1.9) Các defect theo kiểu lai hóa, hiểu dạng lai hóa nguyên tử cacbon CNTs kết hợp dạng lai hóa sp sp 3, cấu trúc CNTs không gồm liên kết C - C lai hóa dạng sp mà cịn sp2+α (-1