Đang tải... (xem toàn văn)
PHÂN LOẠI 6 III. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON 7 1. Phương pháp hồ quang điện. 7 2. Phương pháp bốc bay laser. 8 IV. TÍNH CHẤT CỦA CARBON NANOTUBE 11 1. Tính chất điện 11 2. Tính chất cơ 11 3. Tính chất nhiệt 12 V. ỨNG DỤNG ỐNG NANOPHÂN LOẠI 6 III. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON 7 1. Phương pháp hồ quang điện. 7 2. Phương pháp bốc bay laser. 8 IV. TÍNH CHẤT CỦA CARBON NANOTUBE 11 1. Tính chất điện 11 2. Tính chất cơ 11 3. Tính chất nhiệt 12 V. ỨNG DỤNG ỐNG NANOPHÂN LOẠI 6 III. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON 7 1. Phương pháp hồ quang điện. 7 2. Phương pháp bốc bay laser. 8 IV. TÍNH CHẤT CỦA CARBON NANOTUBE 11 1. Tính chất điện 11 2. Tính chất cơ 11 3. Tính chất nhiệt 12 V. ỨNG DỤNG ỐNG NANO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỀ TÀI CARBON Giáo viên hướng dẫn: Danh sách thành viên: 1, Lê Tấn Nhân Từ Võ Thị Hoài Nhi Lâm Quốc Anh Nguyễn Đăng Khoa 5.Cao Thùy Linh Nguyễn Thị Kiều Trinh 7.Nguyễn Phúc Hoàng Phụng Vũ Văn Phú Nguyễn Văn Dũng 1614035 1612439 1652017 1611620 1611795 1613704 1612678 1612632 NANOTUBE Năm học 2018 -2019 MỤC LỤC I LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT HIỆN CARBON NANOTUBE Carbon nguyên tố kỳ diệu Kỳ diệu lẽ nguyên vật liệu hữu sống Nếu hợp chất chứa carbon khơng có độ bền kinh ngạc sống từ thuở khai thiên lập địa tồn ngày hành tinh này, chí tồn vũ trụ Trong vài thập niên gần nguyên tố carbon quan tâm, nhiều nhà khoa học nghiên cứu ứng dựng thực tế, vài phát vật liệu carbon bóng fullerene C 60, ống than nano graphene Chúng mang lại niềm hy vọng ứng dụng khoa học vật liệu mơ hình thực để giải đáp thao thức lý thuyết có từ lâu vật lý chất rắn Trước năm 1985 người ta cho carbon tồn ba dạng thù hình Dạng thù hình thứ carbon dạng phổ biến thường gọi than có màu đen cây, gỗ cháy lại Về mặt cấu trúc, dạng vơ định hình Dạng thù hình thứ hai carbon hay gặp kỹ thuật, graphit (than chì) Cấu trúc graphit gồm nhiều lớp graphen song song với xếp thành mạng lục giác phẳng Và dạng thù hình thứ ba carbon kim cương Trong tinh thể kim cương, nguyên tử carbon nằm tâm hình tứ diện liên kết với bốn ngun tử carbon loại lai hóa sp3 Hình 1.1 cấu trúc graphit Hình1.2 cấu trúc kim cương Đến năm 1985, nghiên cứu carbon, Kroto đồng nghiệp khám phá tập hợp lớn nguyên tử carbon kết tinh dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình carbon gọi Fullerenes Fullerenes lồng phân tử khép kín với nguyên tử carbon xếp thành mặt cầu mặt elip Fullerenes biết đến C 60, có dạng hình cầu gồm 60 ngun tử carbon nằm đỉnh khối 32 mặt tạo 12 ngũ giác 20 lục giác Năm 1990, Kratschmer tìm thấy sản phẩm muội than tạo phóng điện hồ quang điện cực graphite có chứa C60 dạng fullerenes khác C70, C80 a) b) c) Hình 1.3 cấu trúc Fullereres: (a) C60, (b) C70, (c) C80 Năm 1991, quan sát kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM) sản phẩm tạo phóng điện hồ quang hai điện cực graphit, Iijima S phát tinh thể cực nhỏ, dài bám điện cực catốt Đó ống nano bon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube) Hai năm sau, Iijima tiếp tục công bố kết tổng hợp ống nano carbon đơn tường (SWCNT - Single Wall Carbon Nanotube) (hình 1.4a), ống rỗng có đường kính từ 1÷3 nano mét (nm) chiều dài cỡ vài micromet (µm) Vỏ ống gồm có ngun tử bon xếp đặn đỉnh hình lục giác Ống nano carbon đơn tường có cấu trúc giống cuộn lại lớp than chì độ dày ngun tử (còn gọi graphene) thành hình trụ liền, khép kín đầu nửa phân tử fullerenes Do CNTs biết đến fullerenes có dạng hình ống gồm nguyên tử carbon liên kết với liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững Ống nano carbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác lồng vào đồng trục, khoảng cách lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với để tạo thành bó xếp chặt (được gọi SWCNTs ropes) tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với số mạng 1,7 nm Mỗi bó gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với chiều dài lên đến vài mm Phát ống nano carbon tính chất đặc biệt thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Sự góp mặt CNTs đánh dấu đời ngành khoa học vật liệu mới: vật liệu dựa sở carbon - vật liệu cho tương lai II PHÂN LOẠI Năm 1991, quan sát kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM) sản phẩm tạo phóng điện hồ quang hai điện cực graphit, Iijima S phát tinh thể cực nhỏ, dài bám điện cực catốt Đó ống nanô bon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube) Hai năm sau, Iijima tiếp tục công bố kết tổng hợp ống nanô cacbon đơn tường (SWCNT Single Wall Carbon Nanotube) , ống rỗng có đường kính từ 1÷3 nanơ mét (nm) chiều dài cỡ vài micromet (µm) Như Nanotubes phân loại thành ống nano đơn vách (single-walled nanotubes - SWNTs) ống nano đa vách (multi-walled nanotubes - MWNTs) + Ống nano carbon đơn tường (SWCNT) có cấu trúc graphene cuộn tròn lại thành hình trụ liền + Ống nano carbon đa tường (MWCNT) có cấu trúc nhiều graphene lồng vào cuộn lại graphene cuộn lại thành nhiều lớp Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với để tạp thành bó xếp chặt( gọi SWCNTs ropes) tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với số mạng 1,7nm Mỗi bó gồm hang tram ống SWCNT nằm song song với chiều dài lên đến vài mm a) Đơn tường b) Đa tường c) Bó đơn tường Hình 1.4 Các dạng cấu trúc CNTs: (a) SWCNT, (b) MWCNTs, (c) Bó SWCNTs III MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON Từ ống nano cacbon chế tạo phương pháp hồ quang điện, nhà khoa học phát triển nhiều phương pháp tổng hợp CNTskhác Nhưng có ba phương pháp chủ yếu nhiều phòng nghiên cứu sử dụngđể chế tạo ống nano cacbon đơn tường là: phương pháp hồ quang điện, phươngpháp bắn phá laser phương pháp lắng đọng pha hóa học, hay gọi làphương pháp CVD nhiệt Mỗi phương pháp có đặc điểm riêng, nguyên lý, thiết bị cách thức để tiến hành chế tạo CNTs có khác Phương pháp hồ quang điện Là phương pháp đơn giản thông dụng sử dụng nhiều thời gian đầu tìm CNTs Nguyên lý phương pháp tạo ống nano cacbon thơng qua việc phóng điện hồ quang hai điện cực cacbon, đặt đối diện nhau, khoảng cách hai điện cực khoảng vài mm Mơi trường xung quanh điện cực khí trơ (He, Ar) áp suất từ 100-300 mbar Sự phóng điện nhiệt độ cao hai điện cực xảy người ta cung cấp mộtdòng điện có cường độ 50-100A, tạo hiệu điện khoảng 20-25 V, nhiệt độ buồng lên tới 3000 – 4000K Sự phóng điện làm cho cacbon chuyển sang pha hơi, ống nano cacbon tạo trình lắng đọng điện cực Hình 3.1 Mơ hình mơ tả phương pháp hồ quang điện để chế tạo CNTs Phương pháp bốc bay laser Một phương pháp khác sử dụng để chế tạo ống nano cacbon sử dụng chum tia laser Đối với việc tổng hợp vật liệu phân vùng hẹp, phương pháp tỏ phù hợp hiệu Nguyên lý phương pháp sử dụng chùm tia laser cường độ lớn khoảng 100kW/cm2, nhiệt độ cao 1200oC, xạ vào miếng graphit có vai trò dùng làm bia, áp suất cao khoảng 500 Torr, mơi trường chân khơng khí trơ (He, Ar) Chùm nóng tạo thành, nở sau làm lạnh nhanh, cacbon hình thành ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh điện cực đồng Chất lượng hiệu suất sản phẩm tạo phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, thời gian xúc tác Ở nhiệt độ 1200oC, chất lượng vật liệu CNTs tạo giảm, xuất sai hỏng mặt cầu trúc Đặc biệt, dùng hỗn hợp xúc tác Ni, Co/Ni… cho hiệu suất cao Sản phẩm thu ống cacbon nano có đường kính nhỏ, phân bố kích cỡ đồng đều, có tính chất tốt với độ cao (hơn 90%) so với phương pháp hồ quang điện Hình 3.2Mơ hình mơ tả phương pháp bốc bay laser chế tạo CNTs Phương pháp lắng đọng pha hóa học (phương pháp CVD nhiệt) Phương pháp lắng động pha hóa học, hay gọi phương pháp CVD nhiệt, phương pháp chế tạo phổ biến nhất, nhiều nhà nghiên cứu giới lựa chọn để chế tạo CNTs So với hai phương pháp phương pháp CVD nhiệt có nhiều điểm khác biệt đáng ý (bảng 1.2) Cấu tạo phương pháp bao gồm ống thạch anh, thơng thường có đường kính 15-20mm, chiều dài từ 1m đến 1.2m, bao quanh lò nhiệt có khả nâng nhiệt thời gian ngắn Hiệu suất chất lượng sản phẩm CNTs thu chế tạo phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhiệt độ phản ứng, xúc tác, nguồn cung cấp hydrocacbon, thời gian phản ứng, lưu lượng khí… Phương pháp phóng điện hồ quang bốc bay laser hai phương pháp thuộc nhóm sử dụng nhiệt độ cao (>3000K) trình tổng hợp, thời gian phản ứng ngắn (µsms) Đây đặc điểm trái ngược so với phương pháp CVD nhiệt, nhiệt độ sử dụng thời gian CVD thấp khoảng từ 700oC – 1000oC, thời gian phản ứng kéo dài từ vài chục phút tới vài Hình 3.3 Mơ hình mô tả phương pháp CVD chế tạo CNTs Phương pháp Nguồn cacbon Nhiệt độ phản ứng Thời gian phản ứng Hồ quang điện Thanh graphit Bia graphit CVD nhiệt Hydrocacbon ( C2H2, C2H4 ) 3000K- 4000K 3000K – 4000K 700K - 1500K Ngắn Ngắn Dài Xung laser Nhiệt độ điện quang Không Sản phẩm làm điện cực Tác nhân phản Phóng ứng Bốc bay Laser hồ điều khiển Khơng điều hướng mọc hướng khiển Điều khiển mọc hướng mọc Ít sai hỏng mặt Nhiều sai hỏng Ít sai hỏng mặt cấu trúc mặt cấu trúc cẩu trúc Bảng 1: Bảng so sánh ba phương pháp chế tạo CNTs IV TÍNH CHẤT CỦA CARBON NANOTUBE Tính chất điện Độ dẫn điện Carbon Nanotube (CNTs)là vấn đề đáng quan tâm CNTs thực có khả dẫn điện Độ dẫn điện chúng phụ thuộc vào độ xoắn ống đường kính ống Khi ta thay đổi cấu trúc CNTs độ dẫn điện CNTs thay đổi theo Các ống carbon nano đơn tường (SWCNTs) sợi carbon dẫn điện biết đến Chúng chất bán dẫn kim loại Khi chúng có tính chất kim loại điện trở suất chúng không thay đổi dọc theo thành ống Tuy nhiên, chúng có độ dẫn điện tương tự chất bán dẫn điện trở suất lại phụ thuộc vào vị trí đặt đầu dò để đo Điện trở suất carbon đơn tường 27ºC cỡ khoảng 10 -4 Ω.cm Mật độ dòng điện đạt 10 A / cm2, nhiên lý thuyết ống nano đơn tường trì mật độ dòng ổn định cao nhiều, cao tới 10 13 A / cm2 Đối với ống nano đa tường (MWCNTs) tính dẫn điện phức tạp điện tử bị nhốt mặt graphen ống Ống to đường kính ống lớn, độ cong mặt graphen giảm, nên độ dẫn điện tương tự lớp graphen phẳng, nghĩa có khe lượng xấp xỉ khơng Vậy nên, dòng điện chạy qua lớp vỏ ngồi cùng, tức hình trụ có đường kính lớn Tính chất Các nguyên tử cacbon graphit đơn (graphene) tạo thành mạng lưới tổ ong phẳng, nguyên tử kết nối thông qua liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử lân cận Do liên kết mạnh, mô đun đàn hồi graphit số lớn tất vật liệu biết đến Vì lý này, theo lý thuyết carbon nanotube có độ cứng, độ bền độ đàn hồi cao SWCNTs cứng thép, có khả chống thiệt hại vật lý Tính chất làm cho CNTs hữu ích đầu dò cho kính hiển vi thăm dò quét độ phân giải cao Định lượng giá trị khó khăn số xác chưa thơng Giá trị mơ đun Young carbon đơn tường khoảng TeraPascal, giá trị gây tranh luận giá trị cao tới 1,8 Tpa báo cáo, giá trị 10 điện hai dẫn nhiệt hoạt động rào cản nhiệt, tùy thuộc vào định hướng ống nano Vật liệu gốm cứng chịu nhiệt hóa chất cơng, làm cho chúng hữu ích cho ứng dụng lớp phủ lưỡi dao động máy, chúng giòn Các nhà nghiên cứu trộn lẫn bột nhôm oxit với đến 10 % ống nano cacbon thêm 5% niobi nghiền mịn Các nhà nghiên cứu xử lý hỗn hợp với xung điện trình gọi trình thiêu kết tia lửa plasma Quá trình củng cố bột gốm nhanh nhiệt độ thấp so với quy trình thơng thường Vật liệu có độ bền gấp lần độ bền đứt gãy - khả chống nứt ứng suất - bột nhôm oxit thông thường Vật liệu cho thấy độ dẫn điện gấp bảy lần so với gốm trước làm ống nano Nó có tính chất nhiệt thú vị, dẫn nhiệt theo hướng, dọc theo liên kết ống nano, phản xạ nhiệt góc vng với ống nano, làm cho trở thành vật liệu hấp dẫn cho lớp phủ nhiệt 13 Các ứng dụng ống nano cacbon khác Có nhiều ứng dụng tiềm khác cho CNT, chẳng hạn thu lượng mặt trời; lọc nanoporous; chất xúc tác hỗ trợ; lớp phủ tất loại Có gần chắn nhiều ứng dụng không lường trước cho vật liệu đáng ý đưa năm tới, chứng minh thứ quan trọng có giá trị Nhiều nhà nghiên cứu xem xét giấy dẫn điện nước làm CNTs CNT chứng minh hấp thụ ánh sáng hồng ngoại có ứng dụng ngành cơng nghiệp quang học I / R VI TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARBON NANO TUBE Ở VIỆT NAM Bước đầu tổng hợp Carbon nano tube Ngày 1-6-2006 Trung tâm Nghiên cứu & Phát triển Khu Công nghệ cao TPHCM, TS Nguyễn Chánh Khê giới thiệu “đứa con” tinh thần mà ông ấp ủ từ lâu, sản phẩm carbon nano tube Việt Nam Sản phẩm chế tạo thành công hồn tồn ngun liệu cơng nghệ nước Sản phẩm có tính chất nhẹ, cứng, siêu bền, siêu dẫn điện, ứng dụng để làm vỏ 20 tàu vũ trụ sử dụng y học, vật liệu điện tử Lúc giới, carbon nano tube coi “vật liệu trung tâm kỷ” bán với giá đắt, khoảng 800 1.500 USD/g Các phòng thí nghiệm lớn điều nghiên cứu có số thành cơng định, riêng Việt Nam lần sản phẩm đời theo công nghệ riêng TS Nguyễn Chánh Khê cho biết thành công trung tâm chọn hướng nghiên cứu cho sản phẩm “cạnh tranh ý tưởng sáng tạo” không theo công nghệ có nước Bởi theo hướng việc kinh doanh sản phẩm sau khó vướng vào quy định quyền nước Và trang thiết bị đại Việt Nam chưa có đủ Vì vậy, giải pháp mới, độc lập ông gặp phải khó khăn điều kiện vật chất trang thiết bị thí nghiệm điều kiện Việt Nam cuối ý chí sáng tạo tất vượt qua mang kết cao TS Nguyễn Chánh Khê tiến hành việc đăng ký quyền sở hữu trí tuệ sản phẩm Mỹ, Nhật Châu Âu Các ứng dụng thực tiễn a Bộ nhớ ống nano cacbon siêu nhanh Một loại nhớ khơng xóa có tên Nano-RAM (NRAM) dựa tảng ống nano carbon (carbon nanotube) có tốc độ DRAM đưa vào sản xuất bảy nhà máy khu vực khác giới NRAM có tiềm tạo loại nhớ với mật độ lớn hẳn loại nhớ NAND flash dùng để sản xuất ổ nhớ USB ổ đĩa rắn (SSD) Mật độ cao quy trình chế tạo NAND flash gần 15 nanometer NRAM đạt đến mật độ nanometer, theo Nantero Một ưu điểm khác NRAM phát triển với đặt tả kỹ thuật giao tiếp DDR4 nên đạt tốc độ truyền liệu lên tới 3,2 tỉ giây hay 2.400 Mbps – nhanh gấp đôi NAND flash Tuy nhiên, chất khả đọc/ghi NRAM nhanh NAND flash hàng ngàn lần Nantero cho biết điểm thắt cổ chai đường truyền 21 (BUS) máy tính Các ống nano có tốc độ chuyển trạng thái – tắt sang mở từ mở sang tắt tính picosecond (một picosecond phần nghìn tỷ giây) Các ống nano carbon Trong thực tế, chúng thép 50 lần có kích thước 1/50.000 sợi tóc người Với độ bền ống nano carbon, NRAM chịu thao tác ghi lớn hẳn NAND flash NAND flash tốt với tính sữa lỗi chịu khoảng 100.000 chu kỳ ghi-xóa Theo Nantero, NRAM chịu 1012 chu kỳ ghi 1015 chu kỳ đọc – coi vô hạn b Làm vỏ phi thuyền NASA định hợp tác để triển khai công nghệ phức chất nano (nano composite) VN vào việc sản xuất vỏ phi thuyền vũ trụ NASA chọn sản phẩm carbon nano tube VN sản xuất nhờ tính đồng đều, không nhiễm bẩn, giá trị ứng dụng cao đặc biệt giá thành rẻ so với sản phẩm Nhật Bản, Trung Quốc Carbon nano tube coi vật liệu trung tâm kỷ, bán thị trường giới với giá từ 100.000 USD - 800.000 USD/kg, Trung tâm R&D sản xuất thành công với số lượng lớn hồn tồn ngun liệu cơng nghệ nước c Bóng bán dẫn bóng bán dẫn vi xử lý Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng, 2010 Gordon Moore - nhà sáng lập viên tập đoàn Intel người phát triển định luật Moore, ông phát biểu sau: “Số lượng transistor (bóng bán dẫn) đơn vị inch vuông (1 inch vuông xấp xỉ 6,45 cm2) tăng lên gấp đôi sau năm” Nhưng đến năm 2000, ông sửa đổi thời gian để tăng gấp đơi tốc độ cho xử lý theo chu kì năm (tức 24 tháng) Còn David House lại đưa lập luận khác tốc độ xử lý tăng gấp đôi theo chu kì 18 tháng Tuy nhiên, nhìn vào tốc độ phát triển bóng bán dẫn việc “tăng gấp đơi” có lẽ khó thực 22 Hình 6.1 Bộ đếm vi xử lí Trong năm trở lại đây, kĩ thuật chế tạo phát triển bóng bán dẫn (transistor) bắt đầu chững lại, điều làm tốc độ phát triển vi xử lí mà chững theo Cuối năm 2010, sau bảng lộ trình cơng nghệ bóng bán dẫn tồn cầu (International Technology Roadmap for Semiconductors) cơng bố Đa số chuyên gia đồng tình với nhận định: “Bắt đầu từ cuối năm 2013, mật độ bóng bán 23 dẫn tăng lên gấp đôi theo chu kì năm” Lý cho đồng tình là: Silicon - vật liệu bán dẫn tạo nên tồn ngành cơng nghiệp máy tính điện tử ngày đạt tới giới hạn “ép” tăng thêm Điều buộc nhà khoa học phải tìm loại vật liệu để thay Silicon dùng sản xuất kích thước 10 nanomet Theo đánh giá nhiều chuyên gia, vật liệu sáng giá để thay Silicon Carbon Nanotubes (viết tắt CNT) Các kĩ sư IBM đưa thông báo lộ trình cho mắt mẫu vi xử lý có sử dụng vật liệu CNT vào năm 2020 Hình 6.2 Bóng bán dẫn Kích thước bóng bán dẫn bóng bán dẫn vi xử lý mới thứ quan trọng Bởi thiết bị điện tử mà sử dụng smartphone, desktop hay chí server cỡ lớn có giới hạn kích thước làm việc dựa tảng trạng thái tắt-bật bóng bán dẫn tốc độ xử lí tỉ lệ thuận với mật độ bóng bán dẫn nhồi vào vùng diện tích giới hạn Vật liệu Carbon Nanotubes (CNT) có cấu trúc dạng ống cuộn lại graphene có độ dày tương đương với phân tử nên đem lại kích 24 thước bán dẫn nhỏ nhiều so với Silicon Nhờ mà mật độ bóng bán dẫn nhồi vào inch vuông tăng theo 25 Hình 6.2 Cấu trúc dạng ống Trong mẫu thử nghiệm lần này, bóng bán dẫn CNT IBM đạt kích thước 30 nanomet xếp cách nanomet Tuy nhiên, so sánh mức tiêu thụ điện năng, xử lý CNT nhanh gấp lần xử lý Silicon Mặc dù, vật liệu CNT mang nhiều tiềm to lớn nhìn chung việc chế tạo xử lý CNT phức tạp Chưa kể, việc thay tồn quy trình cũ sang quy trình CNT vơ tốn mạo hiểm Trong thông báo lần này, kĩ sư IBM chưa nói rõ những thành công đạt việc nghiên cứu chế tạo chip dựa vật liệu bán dẫn CNT Nhưng với lộ trình đặt này, dù muốn dù khơng năm 2020 họ buộc phải cơng bố kết nghiên cứu Hiện giới có nhiều cơng nghệ đẩy mạnh nghiên cứu máy tính lượng tử, máy tính quang học… Theo đánh giá sơ tất nghiên cứu cho khả tính tốn nhanh nhiều so với vi xử lý d Siêu tụ điện Tụ điện linh kiện điện học dùng để nạp điện, tích điện phóng điện cần thiết Tụ điện pin có chức tích trữ lượng Nhưng pin phóng điện với tốc độ châm tụ điện phóng điện thật nhanh Cũng pin, nhu cầu đại đòi hỏi thụ điện nạp điện thật nhanh trự lượng cao Tụ điện cần phải thu nhỏ 26 tăng hiệu suất để đáp ứng nhu cầu thiết bị điện tử đại Những đòi hỏi đẩy mạnh đời siêu tụ điện Siêu tụ điện có suất cao thu nhỏ nhiều lần Chiếc đèn chớp máy ảnh kỹ thuật số ứng dụng siêu tụ điện, ngồi dùng điện thoại thông minh… Ống carbon nano dùng vật liệu điện cực để gia tăng diện tích bề mặt điện cực Hiện điện cực siêu tụ điện bán thị trường phủ lớp carbon xốp hoạt tính có vơ số lỗ vi mơ tạo diện tích bề mặt 1.000 – 2.000 m 2/g Như lớp carbon xốp tăng diện tích bề mặt từ 10.000 đến 100.000 lần tụ điện thông thường Điện dung điện cực than trường khoảng 20 -50 μF/cm Nếu diện tích bề mặt carbon xốp 1.000 m2/g điện dung 200 – 500 F/g (Faraday cho gam vật liệu) Nhưng thực tế siwwu tụ điện cho vài chục F/g – 10% trị số lý thuyết Lý đơn giản chất điện giải không thắm vào điện cực Điều cho thấy dù có điện tích bề mặt lớn khơng có thẩm thấu tồn diện vào điện cực điện dung dừng lại số vài phần trăm lý thuyết Ống nano carbon có diện tích bề mặt lớn khoảng 1.315 m 2/g nên việc gia tăng diện tích bề mặt điện cực cách sử dụng ống carbon nano Kết nghiên cứu cho thấy điện cực MWCNTs cho điện dung 113F/g điện cực SWCNTs 180 F/g lớn nhiều so với carbon xốp Tuy nhiên, ống carbon nano dùng cho điện cực mạng hỗn tạp Để tăng hiệu bề mặt ống nano carbon ống cần xếp cách trật tự Cơng trình nghiên cứu học vị tiến sĩ Riaccardo Signorelli tổng hợp nano carbon chất Si/SiO 2, thạch anh hay thủy tinh theo phương pháp CVD thông dụng Nhưng chất vật cách điện Bằng phương thức độc đáo, Signorelli dùng nhôm, phụ chất xúc tác oxide sắt lên chất từ tổng hợp carbon naono Bằng chân khơng, Signorelli hút chất điện giải xuyên qua khoảng cách ống nano Như điện cực ống nano carbon hoàn thành cho siêu tụ điện Năm 2009, Signorelli cho biết mẫu ơng có điện dung 225 F/g tích điện gấp lần nhiều siêu tụ điện thông thường Tốt nghiệp Tiến sĩ năm 2009, ông cộng thành lập công ty FastCap năm 2011 sản xuất siêu tuh điện bán thị trường Siêu tụ điên FastCap làm cách mạng lượng bối 27 cảnh chuyển đổi từ lượng xăng dầu sang điện cho phượng tiện chuyển tương lai e Hệ thống lọc nước Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2012 Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Ag-Nano/Carbon nanotubes (CNTs)/Cotton ứng dụng xử lý nước nhiễm khuẩn SVTH: Đỗ Quỳnh My, Phan Diệu Phương - Lớp 07H5, Khoa Hóa, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng Trương Minh Hoàng - Lớp 08H5, Khoa Hóa, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Lâm - Khoa Hóa, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng Vật liệu kháng khuẩn dựa sở" bạc nano hạt (Nanoparticle silver)" đầu tư nghiên cứu nhiều giới nhờ khả diệt khuẩn tốt khơng gây độc sức khỏe người Nhóm nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu "Silver nanoparticles/ carbon nanotubes/ cotton" thiết kế hệ thống lọc nước sử dụng loại vật liệu Kết thu được, bạc nano hạt có kích thước ÷ nm phân tán tốt CNTs cotton phương pháp vật lý Nhờ tác dụng dòng điện, hệ thống lọc có khả diệt khuẩn đến >95% thời gian sau vài giây tiếp xúc với lưu lượng nước chảy qua vật liệu lọc 40000 L/h.m2 f Nghiên cứu phát triển triển khai ứng dụng vật liệu carcbon nano TS Nguyễn Văn Chúc – Trưởng phòng vật liệu carbon nano – Viện khoa học vật liệu – Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 28 Bằng phương pháp CVD nhiệt với 04 ống phản ứng thép không rỉ, tổng hợp thành công vật liệu ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) số lượng lớn với đường kính ống (10-80 nm) độ đạt 90-95 % Vật liệu MWCNTs thương mại hóa Hình 6.4 Carbon nanotube tổng hợp nên SiO2 Bằng phương pháp CVD nhiệt với ống phản ứng thạch anh, tổng hợp thành công vật liệu MWCNTs CNTs đơn tường (SWCNTs) định hướng vng góc định hướng nằm ngang bề mặt đế SiO 2/Si vi điện cực tích hợp platin Đường kính SWCNTs từ 1-3 nm chiều dài đạt cm Đã nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng vật liệu CNTs vật liệu tổ hợp polymer, epoxy, cao su làm vật liệu hấp thụ sóng rada, cao su chịu nhiệt, chịu mài mòn ứng dụng roăng cao su chịu mài mòn máy bơm cổ trục đứng Đã thành cơng việc sử dụng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh để chế tạo vật liệu nanocomposite Al/CNTs, Cu/CNTs Vật liệu nanocomposite Al/CNTs, Cu/CNTs với tỷ 29 trọng thấp, tính tốt hệ số giãn nở nhiệt thấp trở thành vật liệu tiềm cho vật liệu tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất công nghệ LED Thành công việc phân tán CNTs vào chất lỏng tản nhiệt EG, DEG Nghiên cứu ứng dụng thành công việc đưa chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs để tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất cao CPU HB-LED Đã chế tạo khảo sát số tính chất kem tản nhiệt silicon chứa thành phần graphene; chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene, graphene/CNTs Đã thử nghiệm hiệu hấp thụ nhiệt mặt trời chất lỏng ethylene glycol chứa thành phần CNTs Đã ứng dụng CNTs bitumen (nhựa đường) để nâng cao tính chất học VII TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CARBON NANO TUBE TRONG TƯƠNG LAI Chế tạo pin nhiên liệu dùng ô tô Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng, đường kính vài nanometer nên CNTs tích trữ chất lỏng chất khí lõi trơ thơng qua hiệu ứng mao dẫn Hấp thụ gọi hấp thụ vật lý CNTs hấp thụ nguyên tử hydrogen theo hóa học nên sử dụng cho việc tích trữ hydro, làm thành pin nhiên liệu dùng ô tô Thay dây điện kim loại truyền thống Bằng cách xử lý CNTs dung dịch siêu acid, nhà khoa học Đại học Rice (Mỹ) thu sợi dài, sử dụng làm dây dẫn nhẹ, hiệu cho mạng lưới điện àm sở cho vật liệu dẫn điện Họ tìm phương pháp để lắp ráp CNTs với cách hòa tan CNTs vào dung dịch siêu acid chlorosulforic tạo dung dịch có nồng độ khối lượng lên đến 0,5 wt% cao 1000 lần so với acid khác Ở trạng thái mật độ cao này, chúng tạo thành tinh thể lỏng, tạo thành sợi dài hàng tram mét ngun khối Vì CNTs bền nên thay dây điện kim loại truyền thống tương lai 30 Ứng dụng y học Trong thập kỉ qua, CNTs nghiên cứu phương pháp điều trị xâm nhập vào tế bào mà không gây độc cho tế bào CNTs cho phép tải lượng lớn trọng tải dọc theo chiều dài ống mà không gây ảnh hưởng đến khả chuyển động thâm nhập Với tải trọng thích hợp, CNTs thực phương pháp điều trị đa chức năng, bao gồm loại thuốc, gen nhắm mục tiêu phân tử, thành tế bào để phát huy tác dụng đa hóa trị Trong năm gần đây, CNTs sử dụng thành công kỹ thuật mô tế bào gốc ứng dụng dựa điều trị, bao gồm liệu pháp tim, hình thành xương, tái tạo tế bào thần kinh Hơn nữa, tính chất quang học riêng biệt nên CNTs ứng dụng việc phát sinh học hình ảnh Vì nên CNTs có nhiều ứng dụng quan trọng y sinh học lĩnh vực phân phối thuốc, chuyển gen, liệu pháp tế bào gốc, liệu pháp nhiệt, phát sinh học hình ảnh a) Ứng dụng phân phối thuốc hóa trị liệu Ung thư nguyên nhân phổ biến gây tử vong toàn giới Ngoài phẩu thuật cắt bỏ khối u hóa trị phương pháp điều trị thường sử dụng bênh ung thư Tuy nhiên, hiệu loại thuốc hóa trị thường bị hạn chế độc tính mơ khác thể Bởi hầu hết thuốc hóa trị liệu khơng cụ thể tiêu diệt tế bào ung thư mà tiêu diệt tất tế bào phân chia nhanh chóng Các hạt nano áp dụng để phân phối thuốc cho thấy cải thiện hiệu thuốc, giảm độc tính mơ khác thể Các thuộc tính CNTs có lợi cho việc phân phối thuốc trị ung thư hạt nano khác, kích thước CNTs chức hóa thích hợp cho việc tích tụ phân tử mục tiêu Các cấu trúc vòng benzene CNTs sử dụng để tải loại thuốc có cấu trúc vùng benzene doxorubicin (DOX), epirubicin (EPI), daunorubicin (DAU)… Hạt nano ống nano carbon hai loại vật liệu nghiên cứu nhiều nhất, dùng làm mặt (platform) tải thuốc chức hóa với nhóm chức thích hợp để cảm nhận độ pH, nhiệt kích thích nhã thuốc gặp mục tiêu Chúng giống 31 tàu ngâm tí hon bơm vào mạch máu, len lõi vào tế bào bệnh khơng gây ảnh hưởng đến tế bào bình thường Ống nano carbon xem kim xuyên qua tế bào mục tiêu sau kích hoạt nhã thuốc Hiện nay, hạt sinh học lyposome thức dùng để tải thuốc trị ung thư doxorubicin Nhưng lyposome tải – 10 wt% thuốc ống nano carbon tải đến 60 wt% Ngoài ra, thuốc đưa tải ống nano carbon phóng thích dễ dàng qua kích hoạt tia cận hồng ngoại Dù có nhiều ưu điểm lyposome, ống nano carbon chưa hội tụ đủ điều kiện cần thiết để đưa vào thể người Thứ nhất, ống nano carbon vào thể phải có tương thích sinh học, khơng gây độc tính dị ứng thể Thứ hai, sau khí hồn thành việc tải nhả thuốc ống nano carbon phải tự phân hủy, chất phẩn hủy độc tố cần thải Ống carbon nano chưa thỏa mãn điều kiện Nhưng có số cơng trình thực nhầm thay đổi bề mặt ống nano carbon để gia tăng tương thích tự phân hủy Một cơng trình bật gắn nhóm chức lên ống nano carbon qua nhóm chức phản ứng phân hủy xảy chi phối enzyme thể b) Ứng dụng việc tiêu huỷ nhiệt khối u Khi tiếp tục hấp thụ lượng vực cận hồng ngoại (NIR), SWCNTs phát nhiệt Sự gia nhiệt liên tục dẫn đến giết chết tế bào, SWCNTs thiết kế với phân tử nhận dạng khối u Trong điều kiện xạ NIR, tế bào ung thư bị giết cắt bỏ nhiệt Các hiệu hứng cắt đốt nhiệt kết hợp với liệu pháp khác Tế bào gốc ung thư khơng thể kiểm sốt phương thức điều trị chuẩn hóa trị, xạ trị có xu hướng tồn sau điều trị Phương pháp điều trị ung thư dựa nhiệt dần ngày àng trở thành thay tiềm nawngcho phương pháp khác Kết hợp với liệu pháp sử dụng CNTs tăng thân nhiệt tăng thêm hiệu cách đồng thời loại bỏ tế bảo gốc tế bào ung thư với số lượng lớn Sự dẫn nhiệt hấp thụ mạch xạ điện tử CNTs tạo lượng nhiệt đáng kể khích thích ánh sáng cận hồng ngoại mà không ảnh hưởng đến hệ thống sinh học bao gồm da Như hiệu ứng quang nhiệt sử dụng để tạo tế bào chết nhiệt 32 cách không xâm lấn Như CNTs cục hóa khối u, chúng kích thích xạ hồng ngoại VIII KẾT LUẬN Carbon nanotubes vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt vượt trội hẳn so với vật liệu khác: độ dẫn điện thay đổi theo cấu trúc ống, dẫn nhiệt tốt kim loại bán dẫn, nhẹ thép lần, lại bền 100 lần, chịu nhiệt độ cao tốt, độ dẫn nhiệt cao Vì nên carbon nanotubes ứng dụng nhiều lĩnh vực khác y học, môi trường, công nghiệp điện tử, cơng nghiệp lượng Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu carbon nanotubes, tùy theo mục đích sử dụng điều kiện cơng nghệ mà ta chọn phương pháp chế tạo phù hợp Ngày nay, người ta thường sử dụng phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD) phương pháp chế tạo CNTs thẳng hàng, đồng đều, Ngoài điều khiển kích thước vị trí ống Tuy có nhiều ưu điểm bật q trình thương mại hóa sản xuất vật liệu gặp nhiều khó khăn, giá thành cao, vật liệu có tiềm phát triển lớn tương lai 33 IX TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Thu Hà (2007), “Nghiên cứu công nghệ chế tạo tính chất vật liệu ống nano cácbon định hướng”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt nam Nguyễn Bá Thăng (2012), “Nghiên cứu công nghệ điều kiện chế tạo ống nano cacbon đơn tường định hướng, siêu dài sử dụng ethanol đế Si”, Luận văn Thạc sĩ vật lý, Trường Đại học Công nghiệp - Đại học Quốc gia Hà Nội Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2005), “Công nghệ nanô điều khiển đến phân tử nguyên tử”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, tr 124-138 Quách Duy Trường, “Ống nano carbon: chế tạo, tính chất ứng dụng” M Wilsonetal “Nanotechnology: Basic Science and Emerging Technologies”, Chapman and Hall (2006) ISBN 1-58488-339-1 P F Harris “Carbon Nanotubes and Related Structures: New Materials for the Twenty-first Century”, Cambridge University Press (1999) ISBN 0-521-55446-2 “Synthetic Metals” J Hone, M Whitney, A Zettle (1999), 103, 2498 M S Dresselhaus et al “The Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications, Academic Press (1996) ISBN 0-12221-820-5 G Andre, K S Novoselov, ‘The rise of graphene’, 2007 Nature Materials pp 183191 34 ... nước chảy qua vật liệu lọc 40000 L/h.m2 f Nghiên cứu phát triển triển khai ứng dụng vật liệu carcbon nano TS Nguyễn Văn Chúc – Trưởng phòng vật liệu carbon nano – Viện khoa học vật liệu – Viện... đáng kể so với giá trị báo cáo Bảng So sánh tính chất vật liệu CNTs với số vật liệu khác Vật liệu Hệ số Young (GPa) Độ bền kéo (GPa) Carbon nanotube 1054 75 Graphite 350 2.5 Thép 208 0.4 Gỗ 16... ống nano carbon tính chất đặc biệt thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Sự góp mặt CNTs đánh dấu đời ngành khoa học vật liệu mới: vật liệu dựa sở carbon - vật liệu cho