a. Tính chất cơ:
Nghiên cứu cho thấy ống nano cacbon là loại vật liệu bền nhất, cứng nhất được biết đến hiện nay.
Bảng 1.2. So sánh các tính chất cơ học của CNTs với các cấu trúc khác nhau. [24]
- [26].
Vật liệu Suất Young (TPa) Độ bền kéo Độ giãn đến
điểm gãy (%)
SWCNT 1-5 13-53 16
Armchair SWCNT 0,94 126,2 23,1
Chiral SWCNT 0,92
MWCNT 0,2-0,8-0,95 11-63-150
Inoc 0,186-0,214 0,38-1,55 15-50
Kevlar (áo chống
đạn) 0,06-0,18 3,6-3,8 2
Ống nano cacbon đơn tường có thể chịu đựng được áp lực lên tới 24GPa mà không bị biến dạng. Áp lực lớn nhất đo được là 55 GPa, tuy nhiên, các ống nano siêu cứng này sẽ bị gãy tại một áp lực cao hơn.
b. Tính chất điện:
Do cấu trúc đối xứng của graphene, cấu trúc của ống nano cacbon ảnh hưởng mạnh đến các tính chất điện của nó. Chỉ số (m,n) của CNTs cho biết nó là kim loại, á kim hay bán dẫn cũng như độ rộng vùng cấm của chúng. Bảng I.3 trình bày tính chất dẫn điện của CNTs:
Bảng 1.3. Cấu trúcvà tính chất của CNTs với chỉ số (m,n).
Cấu trúc của CNTs
Chỉ số a (m,n) Đặc tính dẫn
điện
Armchair (n,n) Kim loại
Zigzag (n,0) và n/3 nguyên Kim loại
Zigzag (n,0) và n/3 không nguyên Bán dẫn
Chiral |n-m| = 3k Kim loại
Chiral |n-m| = 3k +1 Bán dẫn
Một đặc điểm quan trọng là sai hỏng ở ống nano cacbon có thể làm thay đổi tính dẫn điện của ống. Tính chất này có thể giúp chúng ta tạo ra được tính dẫn điện của ống theo ý muốn bằng cách tạo ra sai hỏng của ống nano cacbon.
c. Tính chất nhiệt:
Theo lý thuyết thì độ dẫn nhiệt của ống nano cacsbon vào khoảng 6000W/mK ở nhiệt độ phòng. Trong khi đó kim cương gần nguyên chất độ dẫn
điện chỉ vào khoảng 3320W/mK. Không chỉ dẫn nhiệt tốt, độ bền nhiệt của ống nano cacsbon cũng rất lớn, trong chân không, ống nano cacbon vẫn bền ở nhiệt độ 2800oC, còn trong không khí độ bền đạt tới 750oC. Trong khi đó dây kim loại trong vi chip nóng chảy ở nhiệt độ 600 đến 1000o
C.
d. Tính chất quang:
Các tính chất quang của CNTs phản ánh qua sự hấp thụ, phát quang và phổ tán xạ Raman của nó. Các tính chất này cho phép xác định chất lượng ống nano cacbon nhanh chóng và chính xác. Đây là một nhu cầu quan trọng trong việc chế tạo các ống nano cacbon theo quy mô công nghiệp, bởi chỉ cần thay đổi các thông số khi tổng hợp ông nano cacbon, dù vô tính hay cố ý cũng tạo ra các sự thay đổi tính chất của ống.
Hấp thụ quang:
Hấp thụ quang trong CNTs khác với hấp thụ quang trong vật liệu khối 3D thông thường bởi sự hiện diện của các đỉnh nhọn (ống nano cacbon có cấu trúc 1D) thay vì một ngưỡng hấp thụ bởi sự tăng hấp thụ (trong trạng thái rắn có cấu trúc 3D). Hấp thụ trong ống nano bắt đầu từ sự chuyển tiếp điện tử từ v2 đến c2 hay từ v1 đến c1. Sự chuyển tiếp này là tương đối nhanh và có thể sử dụng để nhận ra các loại ống nano.
Hình 1.21. Cấu trúc năng lượng hấp thụ quang của CNTs.
Hiện tượng phát sáng quang hóa (PL) là một trong những công cụ quan trọng để xác định đặc điểm của ống nano cacbon. Một điện tử trong ống nano cacbon hấp thụ ánh sáng kích thích tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống (exciton). Cả điện tử và lỗ trống nhanh chóng nhảy từ trạng thái c2 đến c1 và từ v2 đến v1. Sau đó chúng tái hợp thông qua một quá trình chuyển đổi từ c1 đến v1 và phát quang. Trong ống nano cacbon bán dẫn không có sự hình thành các cặp exiton như trong ống nano cácbon kim loại. Điện tử có thể bị kích thích, do đó có sự hấp thụ nhưng lỗ trống ngay lập tức bị một điện tử khác chiếm chỗ. Vì vậy exiton không được hình thành.
Tán xạ Raman:
Phổ tán xạ Raman có độ phân giải và độ nhạy tốt. Tán xạ Raman trong SWCNTs là cộng hưởng, tức là những ống được dò có một độ rộng vùng cấm bằng với năng lượng kích thích laser.
Hình 1.22. Phổ Raman của SWCNTs.