1.4.1.1. Tính chất cơ
Ống nano cacbon [27] cấu tạo chỉ gồm toàn các nguyên tử cacbon ở dạng ống nên chúng rất nhẹ. Bên cạnh đó liên kết giữa các nguyên tử cacbon đều là liên kết cộng hóa trị tạo nên một cấu trúc tinh thể hoàn hảo vừa nhẹ vừa bền.
Bảng 1.3: Các thông số cơ tính của vật liệu CNTs và một số vật liệu khác[27]
Vật liệu Suất Young (GPa) Độ bền kéo (GPa) Mật độ khối lƣợng(g/cm3 ) SWCNTs 1054 150 1,4 MWCNTs 1200 150 2,6 Thép 208 0,4 7,8
Theo bảng trên ta thấy, so với thép, ống nano cacbon có suất Young gấp khoảng 5-6 lần và bền gấp 375 lần (trên cùng một đơn vị và chiều dài). Trong khi đó, khối lƣợng riêng của CNTs nhẹ hơn tới 3-6 lần so với thép.
Điều này chứng tỏ CNTs có đặc tính cơ học rất tốt, bền, nhẹ và cứng, thích hợp cho việc gia cƣờng vào các vật liệu compozit nhƣ: cao su, polyme…để tăng cƣờng độ bền, khả năng chịu mài mòn và ma sát cho các vật liệu này.
1.4.1.2. Tính chất nhiệt
Nhiều nghiên cứu cho thấy ống nano cacbon là vật liệu dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn nhiệt của vật liệu SWCNTs đạt giá trị trong khoảng từ 20 – 3000 W/mK ở nhiệt độ phòng, so với 400 W/mK của đồng (Cu). Một số tác giả khác còn công bố độ dẫn nhiệt có thể đạt tới 6600 W/mK. Vì khả năng dẫn nhiệt tốt này mà CNTs đã đƣợc sử dụng cho việc tán nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất cao [27].
1.4.1.3. Tính chất điện
Phụ thuộc vào vectơ cuộn ống của chúng, các ống nano cacbon có thể là chất bán dẫn hoặc là kim loại. Sự khác nhau trong các tính chất dẫn điện gây ra bởi cấu trúc phân tử, điều đó dẫn đến cấu trúc dải năng lƣợng khác nhau. Ngoài ra, độ dẫn điện của ống nano cacbon đơn lớp cũng phụ thuộc rất nhiều vào lực tác dụng lên ống. Điều này sẽ mở ra một hƣớng mới sử dụng vật liệu CNTs làm cảm biến lực,…trong tƣơng lai.
1.4.1.4. Tính chất hóa học
CNTs hoạt động hóa học mạnh hơn so với graphene. Tuy nhiên thực tế cho thấy CNTs vẫn tƣơng đối trơ về mặt hóa học, do đó để tăng hoạt tính hóa học của CNTs ta phải tạo ra các khuyết tật trên bề mặt của ống, gắn kết với các phân tử hoạt động khác để tạo ra các vi đầu dò nhạy với hóa chất.
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, CNTs có đƣờng kính càng nhỏ thì hoạt động hóa học càng mạnh, song hiện tƣợng tụ đám càng nhiều. Đó là ảnh hƣởng của hiệu ứng kích thƣớc và hiệu ứng bề mặt xảy ra với các vật liệu nano. Sự tụ đám này làm giảm khả năng hoạt động hóa học của các ống CNTs. Vì vậy, vấn đề quan trọng là tách bỏ CNTs thành các ống riêng lẻ bằng các xử lý lý, hóa phù hợp.
1.4.1.5. Tính chất phát xạ điện tử trƣờng
Sự phát trƣờng là quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt của một pha rắn vào chân không, dƣới tác dụng của một điện trƣờng tĩnh (khoảng 108
V/cm). Khi áp một điện trƣờng đủ lớn, các điện tử tại bề mặt xuyên qua hàng rào thế năng và thoát ra ngoài. Với CNTs, do tỉ lệ chiều dài/đƣờng kính lớn (hơn 1000 lần), cấu trúc dạng típ, độ ổn định hóa, nhiệt cao và độ dẫn nhiệt, dẫn điện cũng rất cao nên khả năng phát xạ điện tử là rất cao, ngay ở điện thế thấp.
Với dạng típ nhƣ CNTs và với điện thế khoảng 25V/μm thì các ống CNTs đã có thể phát xạ dòng điện tử lên tới 20μA. Đây là một thuận lợi lớn của vật liệu CNTs, do vậy chúng đƣợc ứng dụng trong các thiết bị phát xạ điện tử [27].
1.4.2. Một số ứng dụng của ống nano cacbon 1.4.2.1. Các ứng dụng về năng lƣợng 1.4.2.1. Các ứng dụng về năng lƣợng
Sử dụng CNTs trong pin lithium có thể tăng dung lƣợng pin lên 10 lần. Các nhà nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra rằng, nếu sử dụng các lớp ống nano cacbon đã qua xử lý để làm điện cực, chúng có thể tăng năng lƣợng tích lũy trên mỗi đơn vị trọng lƣợng của pin lên hơn 10 lần, pin có sự ổn định rất tốt theo thời gian, sau khi 1000 chu kỳ sạc và xả pin thử nghiệm, không phát hiện có sự thay đổi của vật liệu. Điều này hứa hẹn khả năng ứng dụng của CNTs trong xe hơi, các thiết bị điện tử cầm tay.
Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng và đƣờng kính cỡ nanomet nên vật liệu CNTs có thể tích trữ chất lỏng hoặc khí trong lõi trơ thông qua hiệu ứng mao dẫn. Hấp thụ này đƣợc gọi là hấp thụ vật lý. CNTs cũng có thể tích trữ hydrogen theo cách hóa học (hấp thụ nguyên tử hydrogen). Vì vậy, CNTs có thể đƣợc sử dụng cho việc tích trữ Hidro, làm thành pin nhiên liệu dùng cho ôtô.
Bằng cách xử lý CNTs trong một dung dịch siêu axit, các nhà khoa học ở trƣờng Đại học Rice (Mỹ) đã thu đƣợc những sợi dài, có thể sử dụng làm những dây dẫn nhẹ, hiệu quả cho mạng lƣới điện, hoặc làm cơ sở cho những
vật liệu dẫn điện. Và vì CNTs rất bền nên trong tƣơng lai rất có thể ống nano cacbon sẽ đƣợc sử dụng để thay thế cho dây điện kim loại truyền thống.
1.4.2.2. Đầu dò nano và sen sơ
Do có tính dẻo dai nên CNTs đƣợc sử dụng nhƣ các đầu dò quét trong các thiết bị kính hiển vi điện tử AFM và STM. Thuận lợi chủ yếu của các đầu dò loại này là độ phân giải đƣợc cải thiện hơn nhiều so với các típ Si hoặc các típ kim loại mà không phá mẫu (do CNTs có độ đàn hồi cao).
Các ống CNTs gắn trên đầu típ có thể đƣợc biến tính bằng cách gắn các nhóm chức (-COOH) để tăng các tƣơng tác hóa, sinh. Các típ này có thể đƣợc sử dụng nhƣ các đầu dò phân tử, ứng dụng trong các lĩnh vực hóa học và y học.
1.4.2.3. Ống nano cacbon tạo ra các vật liệu siêu bền, siêu nhẹ
Theo các chuyên gia, ứng dụng quan trọng của sợi cacbon này là sản xuất áo chống đạn siêu bền, vì nó bền hơn, dai hơn và cứng hơn nhiều lần so với loại vải đƣợc dùng để may áo giáp hiện nay.
Nasa cũng sử dụng CNTs trong nhiều mục đích khác nhau, nhƣ trong vỏ tàu vì CNTs là vật liệu siêu bền và siêu nhẹ. Do đó làm giảm trọng lƣợng của tàu vũ trụ và làm giảm chi phí phóng tàu, đồng thời còn làm tăng khả năng chống chịu va đập cho tàu.
1.4.2.4. Ống nano cacbon tạo ra các linh kiện điện tử nano
Nghiên cứu gần đây các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, ống nano cacbon có thể chế tạo các linh kiện hoạt động trên cơ sở những hoạt động của Spin điện tử. Với các dây dẫn thông thƣờng, các điện tử luôn bị tán xạ bởi mạng ion, do đó luôn tồn tại điện trở. Nhƣng với ống nano cacbon thì khác, các điện tử chuyển động theo kiểu xung kích và ống nano lại rất nhỏ, không có sai hỏng nên điện tử không bị tán xạ. Điều đó có nghĩa là điện tử có thể chuyển động đƣợc một quãng đƣờng xa mà không thay đổi xung lƣợng, giữ nguyên đƣợc trạng thái và spin đƣợc bảo toàn.
Ống nano cacbon đƣợc dùng làm kênh dẫn trong transistor. Việc sử dụng ống nano cacbon làm kênh dẫn điện, độ dẫn điện có thể thay đổi hơn một triệu lần so với transistor trƣờng trên cơ sở silic. Hơn nữa, vì có kích thƣớc nhỏ nên transistor trƣờng trên ống nano cacbon làm việc với độ tin cậy cao hơn và tiêu thụ ít năng lƣợng hơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi các thiết bị đƣợc cực tiểu hóa về kích thƣớc và đƣợc tăng mạnh về tốc độ thì các điện tử sẽ hoạt động với tốc độ cao nên tỏa nhiều nhiệt…để khắc phục vấn đề đó ngƣời ta đã sử dụng khả năng dẫn nhiệt rất tốt của ống nano cacbon để gắn vào các linh kiện.
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) đƣợc sử dụng rộng rãi.
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, thƣờng viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của vật đƣợc thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tƣơng tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
8
6 7
5
1 2 2 3 4
Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét [7]
1-Nguồn phát điện tử đơn sắc; 2-Thấu kính điện tử; 3-Mẫu nghiên cứu; 4-Detector điện tử thứ cấp; 5-Detector điện tử xuyên qua;
6-Khuếch đại tín hiệu; 7-Bộ lọc tia; 8-hệ lái tia.
Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM:
Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống nhƣ việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi truyền qua, tức là điện tử đƣợc phát ra từ súng phóng điện tử có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trƣờng…), sau đó
đƣợc tăng tốc lên. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thƣờng chỉ đạt từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ. Việc hội tụ các chùm điện tử có bƣớc sóng quá nhỏ vào một điểm kích thƣớc nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử đƣợc phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử đẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM đƣợc xác định từ kích thƣớc chùm điện tử hội tụ, mà kích thƣớc của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt đƣợc độ phân giải tốt nhƣ TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tƣơng tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tƣơng tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích đƣợc thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này.
Ưu điểm của kính hiển vi điện tử quét [7]
Mặc dù không thể có độ phân giải tốt nhƣ kính hiển vi điện tử truyền qua nhƣng kính hiển vi điện tử quét lại có điểm mạnh là phân tích mà không cần phân hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp. Một điểm mạnh khác của SEM là các thao tác điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với TEM khiến cho nó rất sử dụng. Một điều khác là giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vì thế SEM phổ biến rất nhiều so với TEM.
2.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X [5] là hiện tƣợng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thƣờng viết gọn là nhiễu xạ tia X) đƣợc sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu. Cụ thể, nhiễu xạ tia X đƣợc dùng trong việc:
- Phân tích định tính, bán định lƣợng các pha tinh thể.
- Xác định kích thƣớc hạt tinh thể và phân bố hạt cho các tinh thể có kích thƣớc cỡ nm.
- Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tƣơng tác giữa tia X với nguyên tử và sự tƣơng tác giữa điện tử và nguyên tử.
Nguyên lý của nhiễu xạ tia X
Hiện tƣợng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn và tính tuần hoàn dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai trò nhƣ một cách từ nhiễu xạ.
Xét một chùm tia X có bƣớc sóng chiếu tới một tinh thể chất rắn dƣới góc tới . Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng đều đặn d, đóng vai trò giống nhƣ các cách từ nhiễu xạ và tạo ra hiện tƣợng nhiễu xạ của các tia X.
Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phƣơng pháp phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:
L = 2.d.sin (5)
Nhƣ vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:
L = 2.d.sin = n (6)
Trong đó, n là số nguyên và nhận các giá trị 1,2,…
Đây là định luật Vulf – Bragg mô tả hiện tƣợng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Căn cứ vào các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ XRD tìm đƣợc 2. Từ đó suy ra d theo điều kiện Bragg. So sánh giá trị d tính đƣợc giá trị d chuẩn sẽ xác định đƣợc cấu trúc tinh thể của vật chất. Ngoài ra, phƣơng pháp nhiễu xạ tia X cho phép xác định kích thƣớc tinh thể dựa trên phƣơng pháp phân tích hình dáng và đặc điểm của đƣờng phân bố cƣờng độ nhiễu xạ dọc theo trục góc 2.
2.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR)
Nguyên tắc: Nhƣ chúng ta đã biết, năng lƣợng gắn với các chuyển động tuần hoàn mà các phân tử (quay) hoặc các nguyên tử trung liên kết (dao động) chỉ nhận năng lƣợng gián đoạn đặc trƣng cho trạng thái khác nhau của chúng.
Các bƣớc chuyển mức năng lƣợng dao động trong phân tử thƣờng khá nhỏ, tƣơng đƣơng với mức năng lƣợng bức xạ hồng ngoại trong thang bức xạ điện từ. Phƣơng pháp phổ IR dựa trên sự tƣơng tác của các bức xạ điện từ miền hồng ngoại (400-4000 cm-1) với các phân tử cần nghiên cứu. Quá trình tƣơng tác đó có thể dẫn đến sự hấp thụ năng lƣợng, có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của các phân tử.
Phân tích phổ hồng ngoại ta xác định đƣợc vị trí (tần số) của vân phổ và cƣờng độ, hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thƣờng ghi dƣới dạng đƣờng cong, sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100I/Io) vào số sóng (ν=λ-1). Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử đƣợc thể hiện bởi những vân phổ ứng với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định mà ta vẫn quen gọi là tần số.
Nếu đặt một điện từ trƣờng có tần số ν thì phân tử đang ở trạng thái E có thể chuyển lên trạng thái kích thích E*, nếu điều kiện cộng hƣởng Borh thỏa mãn:
E = E* - E = hν (7)
Trong đó:
E: là năng lƣợng ở trạng thái cơ bản
E*: là năng lƣợng ở trạng thái kích thích (E* >E)
E: là hiệu năng lƣợng h: là hằng số Flanck ν: là tần số
Phân tử sẽ hấp thụ một bức xạ có tần số ν khi nó kích thích từ EE*.Ngƣợc lại, khi chuyển từ E*E nguyên tử sẽ phát ra bức xạ ν.
Cho nguồn bức xạ hồng ngoại có tần số thay đổi, chúng ta sẽ phát hiện ra các dao động cộng hƣởng ứng với các liên kết trong phân tử.
Ngƣời ta chứng minh rằng chỉ có hai loại dao động của phân tử thể hiện trên phổ IR đó là dao động hóa trị và dao động biến dạng. Với dao động hóa trị chỉ thay đổi độ dài liên kết mà không thay đổi góc liên kết. Còn với dao động biến dạng chỉ thay đổi góc liên kết mà không thay đổi độ dài liên kết.
Dựa trên phổ hồng ngoại để phân tích hoặc định lƣợng cấu trúc vật liệu. Để phân tích định tính, phổ của mẫu đo đƣợc so sánh với mẫu chuẩn. Để phân tích định lƣợng, ngƣời ta dựa vào định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer- Lambert-Beer. Phƣơng trình cơ bản của sự hấp thụ bức xạ điện từ là phƣơng trình Lambert-Beer:
A = lgII0 = εlC (8)
Trong đó:
A: là mật độ quang
Io,I: là cƣờng độ ánh sáng trƣớc và sau khi ra khỏi chất phân tích