1.5. Giới thiệu về chất lỏng chứa ống nano cacbon
1.5.3. Vai trị của việc biến tính CNTs
Mẫu CNTs dùng cho thí nghiệm thường cĩ nhiều đường kính khác nhau, phân bố chiều dài và cấu trúc khác nhau trong cùng một mẫu. Các phương pháp sản xuất CNTs tạo ra các tạp chất như các loại cacbonat phụ và dư lượng từ các chất xúc tác kim loại chuyển tiếp được sử dụng trong quá trình chế tạo CNTs. Hơn nữa, CNTs khơng hịa tan trong tất cả dung mơi do lực tương tác Van der Waals mạnh mẽ giữ chúng lại với nhau, tạo thành bĩ và tụ đám. Tất cả những điều trên làm giảm đi hiệu quả sử dụng của vật liệu CNTs và ảnh hưởng hầu hết đến các tính năng mong muốn của CNTs, do đĩ cần phải biến tính CNTs để cĩ độ phân tán vào dung dịch đồng đều và ổn định hơn.
Như vậy CNTs cĩ thể trải qua quá trình chức năng hĩa để tăng cường độ hịa tan trong các dung mơi khác nhau và để sản xuất vật liệu lai mới thích hợp cho các ứng dụng. Các phương pháp tiếp cận chính cho chức năng hĩa CNTs cĩ thể được phân thành hai loại chính: (a) sự gắn kết đồng hĩa trị của các nhĩm hĩa học, thơng qua các phản ứng trên ống của CNTs, và (b) hấp thụ các siêu phân tử khơng đồng hĩa trị, hoặc các nhĩm chức khác nhau bọc vào các phân tử của ống. Các nhĩm chức cộng hĩa trị của CNTs cho phép các nhĩm chức được gắn vào đầu ống hoặc thành ống. Các vị trí cĩ phản ứng hĩa học cao nhất trong CNTs là phần mũ, cĩ kết cấu giống như nửa fullerne (một dạng thù hình của các bon). Chức năng hĩa của CNTs được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp oxi hĩa. Một quy tắc chung là sự ơ xy hĩa CNTs với ống hở được thực hiện với các nhĩm chức cĩ chứa oxy (chủ yếu là axit boxylic) ở cả mặt bên và phần cuối của ống. Những nhĩm chức này sau đĩ cĩ thể được sử dụng như các neo hĩa học để làm các dẫn xuất tiếp theo. Mặc dù sự liên kết trong CNTs cũng tương tự như của graphene, nhưng nhờ độ cong của bề mặt ống nano nên các phản ứng với cấu trúc nano hình trụ sẽ thuận lợi hơn một tờ graphene phẳng. Ngồi ra, một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng các phản ứng hĩa học tăng lên cùng với độ cong ngày càng tăng của bề mặt tường. Sự phụ thuộc này đã được
cho là do sự căng cong gây ra bắt nguồn từ các nguyên tử cacbon cĩ liên kết sp2
tăng và sự lệch của obital π [57].
Một tham số khác làm thay đổi rất mạnh phản ứng hĩa học của các vách CNTs là sự xuất hiện của các khuyết tật. Ước tính cĩ khoảng 2% các nguyên tử cacbon của SWCNTs nằm trong vịng khơng đối xứng. Sự hiện diện của khuyết tật trên mặt vách như các vị trí trống hoặc cặp hình năm cạnh và bảy cạnh (khuyết tật Stone Wales) làm cho tăng cục bộ phản ứng hố học của cấu trúc nano graphit tại các vị trí đĩ. Rõ ràng, chức năng hố cộng hĩa trị tạo ra các điểm carbon sp3 trên CNTs, phá vỡ vùng chuyển tiếp của các điện tử π, và làm giảm đặc tính của CNTs, như độ dẫn điện cao và đặc tính cơ học vượt trội. Với việc tăng mức độ chức năng hĩa (biến tính), các ống CNTs cĩ thể chuyển đổi thành vật liệu cách điện. Phục hồi một phần tính tồn vẹn của cấu trúc của nguyên liệu ban đầu cĩ thể được thực hiện bằng cách ủ nhiệt các ống đã biến đổi ở nhiệt độ từ 300o C và 500°C [57].
Một cách tiếp cận khác để tránh tạo thành các bĩ CNTs là chức năng hĩa khơng cộng hĩa trị. Theo cách này, bề mặt ống cĩ thể được thay đổi thơng qua lực tương tác Van der Waals và tương tác π-π, bằng cách hấp thụ hoặc bao bọc bởi một hợp chất thơm nhiều nhân, chất hoạt động bề mặt, polymer hoặc phân tử sinh học. Ưu điểm chính của chức năng hĩa khơng cộng hĩa trị CNTs khi so sánh với phương pháp chức năng hĩa cộng hĩa trị đĩ là các nhĩm chức hĩa học cĩ thể gắn lên CNTs mà khơng làm ảnh hưởng tới cấu trúc và mạng điện tử của ống.