3.2.1. Carbon nanotubes (CNTs)
CNTs bao gồm các lớp graphit liền mạch cuộn chồng lên nhau trong một ống hình trụ cỡ nanomet. Tuỳ thuộc vào số lớp graphit tạo nên carbon nanotubes đơn lớp (SWNTs) hoặc đa lớp (MWNTs).
3.2.1.1. Carbon nanotubes đơn lớp (Single Wall Nanotubes _ SWNTs)
SWNTs lý tưởng được xem như một tấm graphen hoàn hảo cuộn lại thành một hình trụ với những vòng lục giác liền mạch với nhau và 2 đầu là 2 chóp cầu, mỗi chóp cầu là một nữa quả cầu Fullerenes với đường kính thích hợp.
biểu khoảng 1.4 nm (≈ đường kính của quả cầu fullerenes (C60)). Chúng có xu hướng hình thành những bó song song gồm từ 10 đến hàng trăm CNTs (Hình vẽ).
Hình 3.5 -Hình ảnh SWNTs a) Dạng bó b) Mặt cắt ngang
Tuỳ thuộc vào cách cuộn lại của tấm graphit, nó có thể hình thành nên một trong 3 dạng sau: kiểu ghế bành (arm chair), kiểu zig zag hoặc kiểu hình trôn ốc (chiral).
Hình 3.6 - Sự tạo thành các dạng SWNTs a) zig zag b) arm chair c) chiral
3.2.1.2. Carbon nanotubes đa lớp (MWNTs _ Muti Wall Nanotubes)
Là ống nanotubes gồm nhiều tấm graphit giống như các nanotubes đơn lồng vào nhau, đường kính ống to nhất cỡ 2 ÷ 25 nm, ống rỗng ở giữa cỡ 1 ÷ 8 nm, khoảng cách giữa các vách khoảng 0.34 nm. Chiều dài mỗi ống có thể từ vài trăm nanomet đến micromet.
Các ống CNTs có thể to nhỏ, dài ngắn khác nhau. Nanotubes cũng có thể bị rẽ nhánh. Thông thường khi mọc ống nano kín hai đầu, khi bị bẽ gẫy, cắt vụn một đầu hoặc cả hai đầu có thể hở.
3.2.1.2. Các dạng CNTs khác
Đầu tiên, CNTs chỉ đơn giản được phân loại thành carbon nanotutes đơn lớp (SWNTs) và carbon nanotubes đa lớp (MWNTs). Nhưng người ta đã tổng hợp được nhiều loại carbon nanotubes khác nhau qua nhiều quá trình:
CNTs dạng hình chữ Y (Y shaped)
Hình 3.7 - Hình ảnh CNTs dạng chữ Y chụp bằng SEM
CNTs dạng 2 đường xoắn nhau (double helical)
Dạng cấu trúc này giống cấu trúc của protein, 1 ống này cuộn với một ống khác và có thể quan sát được rõ ràng. Đường kính ngoài của 2 ống cuộn lại cỡ 220 nm, đường kính của mỗi ống CNTs đơn khoảng 110 nm.
CNTs dạng đốt tre (Bamboo – like structure)
Hình 3.9 - Hình ảnh của CNTs dạng đốt tre chụp bằng TEM
Cacbon nanotubes đa lớp có đầu hình mũi nhọn
Đa số là các MWNTs có mũi hình côn (hình nón), một vài dạng hình ống kéo dài.
Hình 3.10 - Hình ảnh MWNTs có mũi hình côn (d) Các kiểu đầu hình mũi nhọn
shape) và kiểu ống (tubular – type).
3.2.2.1. CNFs dạng xếp đĩa
Cấu trúc dạng này được đặc trưng bằng sự xếp hàng các lớp graphen vuông góc với trục fiber. Platelet có dạng giống dãi ruy băng dài 80 – 350 nm. Kiểu xếp đĩa được hình thành bởi sự graphit hoá carbon. CNFs dạng xếp đĩa được tổng hợp từ hỗn hợp khí CO/H2 = 4/1 trên xúc tác Fe ở 600oC.
Hình vẽ a) và b)
3.2.2.2. CNFs kiểu xương cá trích (còn gọi là dạng hạt thóc – corn shape)
Các lớp graphen tạo với trục fiber một góc từ 50 – 70o. Loại này được tổng hợp từ hỗn hợp khí C2H4/H2 = 4 : 1 trên xúc tác Cu – Ni (Tỉ lệ 2 : 8) ở 580 oC. Đường kính CNFs kiểu xương cá trích từ 50 – 450 nm. CNFs kiểu này có độ graphit hoá thấp hơn với khoảng cách giữa các lớp graphen d002 = 0.344 nm và chiều cao chồng graphen Lc002 = 3.5 nm.
Hình c) v à d).
3.2.2.3. CNFs kiểu ống (tubular)
Hình e) và f)
Các lớp graphen sắp xếp song song với trục fiber, đường kính của CNFs kiểu ống rất đồng đều và khoảng 40 nm. CNFs kiểu ống có độ graphit hóa cao với khoảng cách giữa các lớp graphen là d002 = 0.337 nm và chiều cao chồng graphen Lc002 = 11.7 nm. Loại này được tổng hợp từ hỗn hợp khí CO/H2 = 1/4 trên xúc tác Fe – Ni (Tỉ lệ 6 : 4) ở 630 oC.
Hình 3.11 - Hình ảnh dạng Carbon nano fibers dạng đĩa (a, b), dạng herring bone (c, d) và dạng ống (e,f) qua quan sát bằng SEM và TEM
3.3. Tính chất của nanocarbon 3.3.1. Tính chất cơ học
Ống CNTs có độ bền cơ khí cao, khả năng chịu kéo, nén, đàn hồi, uốn, cắt vô cùng lớn. Do vậy, nó rất thích hợp cho các vật liệu đòi hỏi tính dị hướng.
Suất Young cao trên 1TPa (1TPa = 1012 Pa), đối với MWNTs suất Young trung bình là 1.8 TPa. Ống CNTs có độ biến dạng 40% mà chưa thấy xuất hiện biến dạng dẻo, vết nứt hoặc đứt gẫy liên kết.
Hình 3.12 - Khả năng biến dạng của nanocarbon [23
Biến dạng dẻo ở Nanotubes rất liên quan đến những sai hỏng thường gọi là cặp vòng 5-7. Sai hỏng này xuất hiện như sau : khi thân nanotubes không có sai hỏng thì các nguyên tử Carbon trên ống nằm theo hình sáu cạnh, khi làm biến dạng đến một mức nào đó có thể liên kết bị chuyển dịch, mất đi một mối liên kết, hình sáu cạnh trở thành hình năm cạnh, hình sáu cạnh gần đó lại nhận thêm một mối liên kết nữa trở thành hình bảy cạnh. Như vậy từ không có sai hỏng ống nano trở thành một cặp sai hỏng 5-7 cạnh.
Hình 3.13 - Cặp sai hỏng 5 -7
Dưới tác dụng của lực lên nanotubes, nhiều cặp sai hỏng như trên có thể được sinh ra và chuyển động, kết quả là nanotubes có những biến dạng phức tạp.
Bảng 3.1 - Bảng so sánh tính chất của CNTs so với các vật liệu cấu trúc khác.
Materials Young’s modulus (GPa) Tensile strength (GPa) Density g/cm3 SWNTs 1054 ∼150 MWNTs 1200 ∼150 2.6 Steel 208 0.4 7.8 Epoxy 3.5 0.05 1.25 Wood 16 0.08 0.6 3.3.2. Tính chất điện
Các ống CNTs có đường kính nhỏ có thể là chất điện môi, bán dẫn hoặc kim loại tùy thuộc vào cấu trúc của nó (n, m). Các ống CNTs có độ dẫn điện khác nhau do sự khác nhau của các nhóm cấu trúc, sự sắp xếp các lớp graphen.
Hình 3.14 - So sánh độ dẫn điện của CNTs
Dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM: Scanning Electron Microscope) để đo điện trở của từng phần của ống CNTs thì thấy điện trở không phụ thuộc chiều dài của ống, và với loại MWNTs điện trở không thay đổi theo chiều dài của ống. Suất điện trở trung bình của CNTs vào cỡ 10-4 Ω/cm ở 27 oC.
3.3.3. Tính chất quang học
CNTs có độ quang hoạt cao, do vậy nó đóng một vai trò quan trọng trong các thiết bị quang học. Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy độ quang hoạt của ống CNTs sẽ mất hẳn khi đường kính ống nano tăng.