M ục lục
1.2.4 Những ứng dụng và khả năng ứng dụng của diamondoids
Do sự da dạng của các loại diamondoids tồn tại trong tự nhiên, vì thế nhiều ứng
dụng của diamondoids có thể được hình dung ra bởi vì các cấu trúc và các tính chất khác
biệt của chúng. Những nghiên cứu về phổ dao động hồng ngoại và Raman gần đây cho
thấy có thể tìm ra loại hợp chất này trong nhiều loại vật thể thiên văn. Điều này chứng tỏ
rằng diamondoids không chỉ tồn tại trên trái đất mà còn tồn tại giữa các vì sao (kim cương
có kích thước nano đã được tìm thấy trong các khối thiên thạch [58]). Diamondoids có độ
bền cao trong các điều kiện khắc nghiệt nên nó đã được dùng làm tiêu chuẩn nội cho các
nghiên cứu hóa lỏng than đá. Chen và cộng sự sử dụng diamondoids để đánh giá tuổi của
dầu thô và họ đưa vào thuật ngữ gọi là chỉ số methyl-diamondoids cho adamantane và diamantane, nó cũng được sử dụng trong các nghiên cứu địa hóa học của dầu mỏ, hóa
nồng độ diamondoids tăng khi nhiệt độ tăng, có thể dự đoán được điều này và sử dụng nó
để đo sự phân hủy của dầu [37]. Vì thế diamondoids có thể sử dụng làm “finger prints” cho các sản phẩm dầu mỏ, như là sự ngưng tụ khí tự nhiên hay xăng. Phương pháp
GC/MS dựa trên nguyên tắc là các tín hiệu sinh học khác như terpene (C6H16) và sterane bị loại bỏ khỏi dầu thô nguyên chất trong quá trình lọc trong khi lượng nhỏ hơn và bền hơn nhiều là diamondoids lại được cô lại trong các sản phẩm dầu thô. Theo Wei và cộng
sự [60] thì diamondoids có thể bị phân hủy trong các điều kiện nhất định chẳng hạn như
tại nhiệt độ cao diamondoids sẽ bị bẻ gãy thành các hydrocarbon thơm, khí, pyrobitumen và các hydrocarbon thơm đó có thể là hợp chất bền nhất xuất hiện trong dầu mỏ.
Adamantane đã được sử dụng làm vật liệu nền cho nhiều dược phẩm (chẳng hạn như dược phẩm chống lại bệnh Parkinson và Alzheimer) [34]. Tuy nhiên chỉ một vài loại
diamondoids bậc cao được nghiên cứu để sử dụng trong dược phẩm [44]. Năm 1982 Heyd
và cộng sự đã cho thấy rằng các dẫn xuất của adamantane và diamantane là các chất
hypobetalipo-proteinemic [61]. Hãng dầu Mobil đã nghiên cứu một vài hợp chất khác
nhau của adamantane và diamantane và đã chỉ ra rằng những dẫn xuất này có hoạt tính
chống lại virus HIV [62]. Chevron cũng đã kiểm tra một vài dẫn xuất của diamondoids thể hiện hoạt tính chữa bệnh rối loạn thần kinh [63]. Các dẫn xuất của adamantane và
diamantane được Hodek và cộng sự [64] sử dụng để ngăn chặn cytochrome P450 và kết
quả cho thấy hiệu quả chọn lọc và ngăn chặn cao. Những dẫn xuất có thể khác của diamantane đã được nghiên cứu sử dụng làm tác nhân chống ung thư bởi nhóm của
Chern. Mặc dù không có kết quả nào trong những nghiên cứu trên được sử dụng làm dược
phẩm trong thực tế [44], chúng tôi nghĩ rằng những dẫn xuất được gắn nhóm chức amine và peptide nên được nghiên cứu thêm nữa để sử dụng trong dược phẩm.
Diamondoids cũng được nghiên cứu để sử dụng để làm chất phụ gia trong vật liệu
tổ hợp trên cơ sở polymer. H. Schwertfeger và cộng sự [44] đã tổng hợp dẫn xuất
methacrylat của diamantane với nhóm thế ở vị trí đỉnh để làm chất phụ gia với hy vọng sự
kết hợp tính chất của polymethacrylate và diamondoids sẽ tạo ra những tính chất mong
muốn như là nhiệt độ chuyển pha tủy tinh cao,... Gần đây Ghosh và cộng sự đã sử dụng
diamondoids làm chất phụ gia cho polypropylene và polycarbonate. Chevron cũng đã tìm
(thermoplastics) [44]. Ghosh và cộng sự cũng cho thấy rằng diamondoids có thể biến tính
một vài tính chất cơ nhiệt của polymer mà không làm hỏng các tính chất khác như khi sử
dụng các chất độn lớn hơn. Khi so sánh với các chất độn polymer khác, vai trò của
diamondoids chưa được khảo sát hoàn toàn nhưng những kết quả hiện tại cho thấy rằng polymantane (đặc biệt là các loại đã được chức năng hóa bề mặt) có thể tăng cường các
tính chất mong muốn như trên cho các loại vật liệu.
Các dẫn xuất thiol của anti tetramantane và [1234] pentamantane, chẳng hạn như
anti-tetramantane-6-thiol có thể được gắn lên bề mặt vàng (hình 1.13) [45]. Cũng có thể
kết hợp hai dẫn xuất thiol khác nhau của pentamanane lên bề mặt vàng, bởi vì nó có dạng
hình chóp tam giác nên bề mặt có thể được phủ hoàn toàn bởi sự xếp chặt của
diamondoids [44].
Hình 1.13. Dẫn xuất thiol trên bề mặt vàng.
Ứng dụng triển vọng khác của diamondoids dẫn xuất dithiol hay là các diamondoids khác là nó có thể được sử dụng trong các mối nối dẫn điện đơn phân tử [65], một trong những hướng nghiên cứu đang được phát triển mạnh bởi khả năng của nó trong
liên kết phân tử ở thang nano. Các hệ thống này được hy vọng là sẽ hoạt động như các thành phần chuyển mạch (switch), cổng (gate) hay chuyển vận (transport),... có thể làm giảm kích thước của mạch máy tính và tăng cường hiệu năng [65]. Hình 1.14 cho thấy
Hình 1.14. Diamondoids được sử dụng làm mối nối đơn phân tử giữa hai điện cực vàng.
Gần đây, nhóm của H. Schwertfeger [66] đã có thể chức năng hóa bề mặt của
diamondoids với 1,3-dienes. Các hợp chất này có thể dễ dàng thu được từ ketones qua hai bước liên quan đến sự hình thành oxetane trung gian. Bên cạnh đó, H. Schwertfeger đã thành công trong thực nghiệm gắn nhóm 1,3-dienes trên bề mặt diamondoids, vì thế có thể tạo thành đơn lớp tự sắp xếp diamondoids trên bề mặt silic [67].
Diamondoids cũng đã được chứng minh là có ái lực điện tử âm [46,47]. Ái lực điện
tử âm có nghĩa là electron dẫn có năng lượng cao hơn khi ở trong diamondoids so với khi ở ngoài (EN+1 > EN), từ đây đã dẫn đến suy nghĩ là diamondoids sẽ có tính chất phát xạ điện tử tuyệt vời. Nhóm nghiên cứu ở Đại học Stanford đã xác nhận bằng thực nghiệm
rằng đơn lớp phân tử tự sắp xếp của diamodoid trên bề mặt kim loại dễ dàng phát xạ
electron với động năng xác định. Điều này chính là yêu cầu cần thiết trong các linh kiện
phát xạ điện tử chẳng hạn như là màn hình hiển thị phát xạ trường (ở đó các electron được
kéo trực tiếp ra khỏi nguồn phát về phía các điểm phosphor bằng điện trường). Màn hình hiển thị phát xạ trường hiện nay sử dụng tip kim loại kích thước micro làm nguổn phát.
Tuy nhiên, khi sử dụng vật liệu này cần phải có điện trường rất mạnh, điều này dẫn đến
việc phá hủy đầu tip. Bằng cách sử dụng các vật liệu có ái lực điện tử âm thì có thể trách được việc phải sử dụng điện trường mạnh. Winli Yang và các đồng nghiệp [45] tại
Stanford, phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Lawrence Livermore,
MolecularDiamond Technologies, đại học Giessen và Viện Kỹ thuật Kiev đã thực hiện
những nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên về tính chất phát xạ điện tử của các lớp
diamondoids trên bề mặt kim loại và đã chứng minh được khả năng phát xạ điện tử đơn
sắc của đơn lớp diamondoids tự sắp xếp, điều này là một bước quan trọng để hướng đến
Hình 1.15. Phát xạ điện tử của đơn lớp tự sắp xếp diamondoids trên bề mặt kim loại.
Trước khi khả năng nghiên cứu thực nghiệm về diamondoids được thực hiện ở qui
mô phòng thí nghiệm một cách dễ dàng hơn thì các phương pháp mô phỏng máy tính theo
nguyên lý tối cơ bản (first principles hay ab initio) là cần thiết để nghiên cứu những tính
chất của vật liệu này một cách chi tiết và rõ ràng hơn.
Cấu trúc tuần hòa của diamondoid có vùng cấm thẳng, bằng cách thay đổi
diamondoid cơ sở, độ rộng vùng cấm thay đổi trong bước sóng UV từ 180 đến 230 nm, tạo ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện như là UV-LEDS, UV detector.
Mức năng lượng không bị chiếm giữ Mức năng lượng bị chiếm giữ Mức chân không Năng lượng
Chương 2.
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN