Vật liệu nano carbon và ứng dụng

vật liệu nano carbon FULLERENE I Tính chất Fullerene bền mặt hóa học Các nguyên tử carbon trạng thái lai hóa sp vốn có lượng thấp tồn dạng phẳng Hình a: liên kết cầu nối vịng (6,6) Hình b: liên kết cầu nối vịng (5,6) I Tính chất - Fullerene tan dung mơi hữu C 60 có khuynh hướng kết tụ cao Ngoài ra, tương tác phân tử dung mơi C60 yếu fulerene phân tử không phân cực - Độ tan C60 dung môi phân cực gần không Tuy nhiên, fullerenes tan tốt dung mơi naphthalene, tan dung mơi ankan benzene II Phương pháp tổng hợp fullerene Tổng hợp fullerene tia điện tử phát xạ bên kính hiển vi điện tử quét Phương pháp sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao làm việc điện áp 80 KeV Chùm tia điện tử phát xạ lượng cao chiếu vào graphene gây xếp lại nguyên tử carbon graphene để tạo thành fullerene Trong trường hợp này, vòng ngũ giác carbon cạnh graphene kích hoạt đường cần thiết để hình thành cấu trúc bóng đóng kín Như vậy, fullerene hình thành điều kiện kích thích chùm phát xạ tia điện tử II Phương pháp tổng hợp fullerene Phương pháp bay laser Sơ đồ nguyên lý tổng hợp fullerene phương pháp bay laser II Phương pháp tổng hợp fullerene Phương pháp bay laser Tuy nhiên phương pháp sản xuất lượng nhỏ fullerene Hiệu suất phản ứng tạo fullerene phương pháp phụ thuộc vào điều kiện tạo thành pha carbon bao gồm áp suất buồng phản ứng, nhiệt độ graphite, công suất nguồn laser,… II Phương pháp tổng hợp fullerene Phương pháp phóng hồ quang điện Hiện nay, phương pháp phóng điện hồ quang xem tối ưu Phương pháp cho phép tổng hợp 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 Phương pháp phóng hồ quang điện Tuy nhiên độ fullerene tạo phương pháp thách thức với nhà khoa học Độ thông số định đến chất lượng fullerene III Ứng dụng Chất gia cường Nhờ có tính chất siêu đàn hồi độ bền cao nên fullerene sử dụng chất gia cường để tăng cường tính vật liệu Nhiều phịng thí nghiệm nghiên cứu chế tạo áo giáp từ fullerene có khả giảm sát thương, tăng cường hiệu chiến đấu II Phương pháp tổng hợp ống nano carbon Phương pháp lắng đọng pha CVD Yêu cầu phương pháp phải sử dụng xúc tác q trình lắng đọng Xúc tác pha lỏng, rắn pha khí Tùy loại xúc tác, sản phẩm CNTs thu đơn hay đa lớp, xếp trật tự không trật tự Để chế tạo CNTs với số lượng lớn, thông thường người ta sử dụng xúc tác kim loại Co, Fe II Phương pháp tổng hợp ống nano carbon Phương pháp lắng đọng pha CVD Hệ thiết bị chế tạo CNTs phương pháp CVD II Phương pháp tổng hợp ống nano carbon Phương pháp lắng đọng pha CVD 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 III Ứng dụng Các ứng dụng lượng - Sử dụng CNTs pin litium tăng dung lượng pin lên 10 lần - Pin có ổn định tốt theo thời gian, sau 1000 chu kỳ sạc xả pin thử nghiệm, khơng phát có thay đổi vật liệu Điều hứa hẹn khả ứng dụng CNTs xe hơi, thiết bị điện tử cầm tay III Ứng dụng Các ứng dụng lượng - 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 - 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 III Ứng dụng Đầu dò nano senor - Do tính dẻo dai sử dụng đầu dị qt 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 III Ứng dụng Đầu dò nano senor Tip STM, AFM có gắn CNTs III Ứng dụng Đầu dị nano senor Tip CNTs biến tính III Ứng dụng Đầu dò nano senor Vật liệu CNTs-COOH dùng cho sensor xác định nồng độ cồn III Ứng dụng 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, kết hợp với loại vật liệu khác để sản xuất sản phẩm siêu bền III Ứng dụng Các vật liệu siêu bền, siêu nhẹ Áo chống đạn siêu bền làm CNTs III Ứng dụng Các vật liệu siêu bền, siêu nhẹ NASA sử dụng CNTs nhiều mục đích khác Như vỏ tàu CNTs vật liệu siêu bền siêu nhẹ III Ứng dụng Các vật liệu siêu bền, siêu nhẹ Vỏ tàu vũ trụ làm CNTs III Ứng dụng Transistor hiệu ứng trường Ống nano cacbon đơn tường thu hút nhiều quan tâm tính chất đặc biệt điện, cơ, quang – điện Ngồi ra, việc tổng hợp thành cơng CNTs đơn sợi mọc định hướng nằm ngang theo chiều định nghiên cứu tính chất kim loại hay bán dẫn chúng mở khả ứng dụng CNTs thiết bị điện tử nano sợi dây lượng tử, transistor hiệu ứng trường, cổng logic, phát xạ trường III Ứng dụng Transistor hiệu ứng trường Ứng dụng ống nano cacbon transistor hiệu ứng trường ... lõm vật liệu graphene đơn lớp Kết đo 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, vật liệu cứng (hơn kim cương cứng... pháp tổng hợp vật liệu graphene Phương pháp tách mở ống nano carbon Phương pháp thực cách mở ống nano carbon đơn vách (SWCNTs) theo hướng dọc tạo thành băng nano graphene Cho ống nano carbon tiếp... thân ống nano carbon tạo thành nanoribbons graphen hay băng graphene II Phương pháp tổng hợp vật liệu graphene Phương pháp tách mở ống nano carbon Mơ hình mơ tả q trình mở ống nano carbon II