Với cấu trúc như đã trình bày ở trên, vật liệu CNTs thể hiện nhiều tính chất ưu
việt, tốt hơn so với các vật liệu thông thường khác như độ bền cơ học, modul ứng suất cao, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt và khả năng phát xạ ở cường độ điện trường thấp. Các tính chất này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới [12-22].
Tính chất điện
Các tính chất điện của CNTs phụ thuộc vào cách định hướng các hình lục giác dọc theo trục của ống. Hình 1.8 cho thấy ba hướng có thể có: armchair, ziczag và chiral.
CNTs với các hình lục giác được định hướng theo hình cái ghế bành (các hình lục giác được xếp song song với trục của ống nanô) có các tính chất điện tương tự
như kim loại. Khi người ta đặt một hiệu điện thế giữa hai đầu ống nanô dạng này, một dòng điện sẽ chạy qua. Trên thực tế, CNTs dạng này là một chất dẫn điện tốt
hơn vật liệu đồng hoặc bất kỳ kim loại nào khác được sử dụng trong dây dẫn điện [23].
Các nhà nghiên cứu đang phát triển các phương pháp để quấn các sợi CNTs lại với nhau để tạo ra các dây dẫn điện có điện trở thấp mà có thể được sử dụng trong
lưới điện, cũng như giảm điện năng tiêu thụ và trọng lượng của hệ thống dây điện ở
những phương tiện có yêu cầu khắt khe vềđiện năng và trọng lượng như vệ tinh và máy bay. Một công dụng khác mà CNTs dạng này đang được xem xét là kết nối các thiết bị trong mạch tích hợp. Khi các thiết bị trong mạch tích hợp trở nên nhỏhơn,
các kỹ sư không thể tạo hình các dây kim loại đủ hẹp, vì vậy các nhà nghiên cứu
Hình 1.8. Tính chất điện phụ thuộc vào sựđịnh hướng của các lục giác Hai định hướng tiếp theo có thể có của hình lục giác trong CNTs chia sẻ các tính chất điện tương tự như chất bán dẫn. Những hình lục giác được định hướng trong một vòng tròn xung quanh ống nanô có cấu hình được gọi là zigzag. Những hình xoắn với ống nanô để các hình lục giác không tạo thành bất kỳ đường nào
được gọi là chiral. Hai cấu hình này của ống nanô sẽ chỉ dẫn dòng điện khi có thêm
năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc điện trường cho các electron tự do từ nguyên tử Cácbon. Các ống nanô bán dẫn có thể hữu ích trong việc chế tạo các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn, mà được hàng trăm triệu người sử dụng trong các mạch tích hợp cho tất cả các loại thiết bị điện tử [23].
Tính chất quang và quang điện
Những sai hỏng trong cấu trúc của CNTs, đặc biệt là đối với SWCNTs, dẫn tới sự xuất hiện của vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng hoàn toàn được xác định. Đó chính là cơ sở cho những ứng dụng quang và quang điện của CNTs. Phổ quang học của từng SWCNT riêng lẻ hoặc bó SWCNTs đã được đo đạc bằng cách sử dụng phổ cộng hưởng Raman, phổ huỳnh quang, hoặc phổ tia cực tím gần hồng ngoại [24].
Tính chất quang và quang điện của CNTs có thểđược suy ra từ cấu trúc vùng hoặc DOS của SWCNTs. DOS một chiều của SWCNTs có thể được suy ra từ
graphit với biểu thức như sau: r e( )=4 l 2 3ga g(e,em) m=-¥ ¥ å (1.2)
Với ( ) 2 2 , m m g − = khi m (1.3) g(,m)= 0 khi m (1.4) D m n q m 3 3 = − − (1.5)
Tính chất quang và quang điện của CNTs đã mở ra nhiều hướng ứng dụng mới. Ví dụ, CNTs là kim loại khi có định hướng armchair (n=m), nhưng trong
trường hợp khi thỏa mãn được điều kiện n-m=3q thì CNTs lại là bán kim loại với độ
rộng vùng cấm nhỏ. Khi đó với dải năng lượng γ=2,5 ÷ 3,0 eV thì bước sóng của
ống CNTs bán dẫn thay đổi từ 300 đến 3.000 nm. Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng của CNTs bán dẫn trong các thiết bịquang và quang điện, từ laser đến các đầu dò hồng ngoại.
Tính chất cơ
Các mô phỏng và kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng CNTs là một trong những vật liệu bền nhất hiện có. Từ lâu, người ta đã biết rằng graphit có môđun
trong-mặt-phẳng là 1,06 TPa do liên kết carbon-carbon sp2 của chúng. CNTs được cho là có độ cứng tương tự. Kết quả là, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào khả sử
dụng CNTs làm chất gia cốđểcó được vật liệu nhẹ bền [25].
Bất chấp những khó khăn thực nghiệm rõ ràng, đã có nhiều báo cáo thực nghiệm về các tính chất cơ học của CNTs. Năm 1997, Wong và cộng sự thực hiện phép đo trực tiếp đầu tiên. Suất Young của MWCNTs được đo bằng phương pháp hồ quang, và được hỗ trợ bởi kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Giá trị trung bình thu được là 1,28 ± 0,59 TPa. Phép đo độ bền đầu tiên cũng được thực hiện và độ
bền uốn trung bình là 14 GPa. Hai năm sau, sử dụng một phương pháp tương tự, Salvetat và cộng sự thu được môđun trung bình là 810 ± 410 GPa đối với MWCNTs và đối với SWCNTs là 1 Tpa [25].
Các kỹ thuật khác, chẳng hạn như quang phổ Raman, cũng đã được sử dụng để đánh giá các tính chất cơ học của CNTs [26]. Trong các phép đo được thực hiện bởi Yu và cộng sự vào năm 2000, kính hiển vi điện tử quét được sử dụng để thực hiện
đo đạc sức căng tại chỗ của các MWCNTs riêng lẻ và dây của SWCNTs, như thể
Hình 1.9. Hình ảnh SEM cho thấy: (a) Sợi CNTs căng tải giữa đầu mút AFM và mẫu "giấy" SWCNTs, (b) Chếđộ xem cận cảnh hiển thị điểm cực hạn của dây ống
nanô gắn với đầu AFM và (c) Đứt dây để tải cao hơn [25]
Đối với SWCNTs, độ bền kéo nằm trong khoảng từ 13 đến 52 GPa và suất Young nằm giữa 320 và 1.470 GPa đã được đo đạc. Về MWCNTs, độ bền của vỏ
ngoài dao động từ 11 đến 63 GPa, môđun dao động từ 270 đến 950 GPa và biến dạng đứt gãy lên đến 12%.
Các nghiên cứu lý thuyết cũng đã đề cập đến các tính chất cơ học của CNTs, một số cho kết quả phù hợp với các quan sát thực nghiệm. Một điểm đáng chú ý khác là SWCNTs biểu hiện sự trượt giữa các ống trong các bó, do liên kết giữa các lớp yếu của chúng. Do vậy MWCNTs không hiệu quả trong việc đưa tải đến các lớp bên trong của chúng.
Một điểm khác cần lưu ý: việc sản xuất các mẫu CNTs tương tự nhau là một thách thức và việc xác định một bộ tiêu chuẩn chung cho đầu ra của các mẫu CNTs
được sản xuất vẫn chưa rõ ràng.
Tính chất nhiệt
Kể từ lần quan sát đầu tiên về MWCNTs hơn 30 năm trước của Iijima, CNTs
đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra các tính chất đáng chú ý của CNTs, trong đó tính dẫn nhiệt của CNTs đặc biệt thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học. Các phép đo gần đây về độ dẫn nhiệt của CNTs là khoảng 3.000 W/mK đối với ống nano cácbon đa tường (MWCNTs) và khoảng 2.000 W/mK cho ống nano cácbon đơn tường (SWCNTs). Mặc dù vậy, các phép đo độ chính xác cao về khả năng vận chuyển nhiệt của từng ống nanô vẫn còn
nhiều thách thức, do những khó khăn về công nghệ liên quan đến các phép đo thực nghiệm quy mô nanô.
Vì lý do này, độ dẫn nhiệt của CNTs chủ yếu là dựa trên các mô phỏng lý thuyết và tính toán từ thí nghiệm gián tiếp, với kết quảthường nằm trong khoảng từ
2.000 đến 6.000W/mK [27]. Tương tự như các vật liệu phi kim loại khác, sự vận chuyển nhiệt năng trong CNTs được giả định xảy ra thông qua một cơ chế dẫn truyền phonon. Sự dẫn phonon trong ống nanô bị ảnh hưởng bởi một số yếu tốnhư
số chế độ hoạt động của phonon, ranh giới tán xạ bề mặt, chiều dài của đường dẫn tự do cho phonon và tán xạ Umklapp không đàn hồi (quá trình tán xạ phonon –
phonon hoặc electron – phonon). Độ dẫn nhiệt của CNTs còn phụ thuộc vào sự sắp xếp nguyên tử (các tấm Graphit được cuộn thế nào), đường kính và chiều dài của
ống, số lượng khuyết tật cấu trúc và hình thái, cũng như sự hiện diện của các tạp chất khác.
Sự giãn nở nhiệt của CNTs sẽ khác về bản chất so với sợi Cácbon và với than chì. Ruoff [28] đã chỉ ra rằng: không giống như các tấm Graphene trong Graphite, các ống nanô được quấn vào chính nó nên sự giãn nở xuyên tâm được điều chỉnh hoàn toàn bởi mạng liên kết cộng hóa trị Cácbon. Do vậy, tương tác Van der Waals giữa các lớp là kết quả của sự giãn nở nhiệt hướng tâm và ta có thể dựđoán rằng hệ
số giãn nở nhiệt sẽđẳng hướng với SWCNTs và MWCNTs không có khuyết tật.
Hình 1.10.Độ dẫn nhiệt của bó CNTs. Một từ trường mạnh được dùng để sắp xếp các ống CNTs thẳng hàng. Độ dẫn nhiệt được đo theo hướng song song với các ống
Có thể quan sát thấy trên hình 1.10 rằng độ dẫn nhiệt của bó CNTs lớn hơn
200 W/mK, ngang với một kim loại có độ dẫn nhiệt tốt và trong khoảng nhỏ hơn 10 lần độ dẫn nhiệt của kim cương hay Graphit. Độ dẫn nhiệt của các bó CNTs không thẳng hàng thì thường kém hơn các bó CNTs thẳng hàng. Tuy nhiên, với cả hai loại, sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ dẫn nhiệt là như nhau. Hơn nữa, các phép đo đồng thời của độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện cho thấy rằng ở mọi dải nhiệt độ, độ dẫn nhiệt không bịảnh hưởng bởi tính chất dẫn điện của CNTs.
Hệ số giãn nở nhiệt đẳng hướng của CNTs có thể được ứng dụng trong tổng hợp cácbon-cácbon, trong đó sợi Cácbon được xử lý ở nhiệt độ cao sẽ giãn nở và co lại theo hướng xuyên tâm nhiều hơn so với trục dọc của ống. Thông thường, chất nền Cácbon có thể giãn nở nhiệt tương tự như sự giãn nở nhiệt trong mặt phẳng Graphit, và do vậy có thể dẫn đến sự đứt gãy do ứng suất không mong muốn. Vấn
đề này có thể được giải quyết nếu CNTs được dùng thay cho sợi Cácbon. Mặc dù vậy, hệ số giãn nở nhiệt rất thấp của các ống nanô không khuyết tật có thể là một vấn đề khi liên kết với ma trận giãn nở nhiệt cao hơn, chẳng hạn như trường hợp của các loại nhựa hoặc epoxit khác.
Trong luận án này, nghiên cứu sinh chế tạo chất lỏng đa thành phần chứa CNTs nhằm tận dụng khả năng dẫn nhiệt tốt trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.