VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO, chương 6

Các ống nanô cácbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) là các dạng thù hình của cacbon. Một ống nano cacbon đơn lớp là một tấm than chì độ dày một-nguyên-tử cuộn tròn lại thành một hình trụ liền, với đường kính cỡ nanomet. Điều này xảy ra trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính vượt trên 10.000. Các phân tử cacbon hình trụ đó có các tính chất thú vị làm cho chúng có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ nano, công nghiệp...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO, chương 6 Chương 6: ỐNG NANO CARBONCác ống nanô cácbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) làcác dạng thù hình của cacbon. Một ống nano cacbon đơn lớp làmột tấm than chì độ dày một-nguyên-tử cuộn tròn lại thành mộthình trụ liền, với đường kính cỡ nanomet. Điều này xảy ra trongcác cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính vượttrên 10.000. Các phân tử cacbon hình trụ đó có các tính chất thú vịlàm cho chúng có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụngcủa công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, và một sốngành khoa học vật liệu khác. Chúng thể hiện độ bền đáng kinhngạc và các tính chất điện độc đáo, và độ dẫn nhiệt hiệu quả. Cácống nano vô cơ cũng đã được tổng hợp.Ống nano là một loại cấu trúc fullerene, trong đó cũng bao gồm cảbuckyball. Trong khi buckyball có dạng hình cầu, một ống nano lạicó dạng hình trụ, với ít nhất một đầu được phủ bởi một bán cầu cócấu trúc buckyball. Tên của chúng được đặt theo hình dạng củachúng, do đường kính của ống nano vào cỡ một vài nanomet (xấpxỉ nhỏ hơn 50.000 lần một sợi tóc), trong khi độ dài của chúng cóthể lên tới vài milimet. Các nhà nghiên cứu ở đại học Cincinnati(UC) đã phát triển một quá trình để xây mạng thẳng hàng các ốngnano cacbon cực dài. Họ đã có thể sản xuất các ống nano cacbondài 18mm [1] và có thể xoắn lại thành các sợi nano cacbon. Có hailoại ống nano cacbon chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ốngnano đa lớp (MWNT).Bản chất của liên kết trong ống nano cacbon được giải thích bởihóa học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa họccủa các ống nano được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2,tương tự với than chì. Cấu trúc liên kết này, mạnh hơn các liên kếtsp3 ở trong kim cương, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt.Các ống nano thông thường tự sắp xếp thành các sợi dây thừngđược giữ với nhau bởi lực Van der Waals. Dưới áp suất cao, cácống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp2 cho liênkết sp3, tạo ra khả năng sản ra các sợi dây khỏe, độ dài không giớihạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao. [2]Mô hình 3D của ba loại ống nano cacbon đơn lớp.Hoạt hình cho thấy cấu trúc 3 chiều của một ống nanô. Các loại ống nano cacbon Đơn lớp Cách đặt tên ống nano (n,m) có thể tưởng tượng như là một vector (Ch) trong một tấm than chì vô hạn mà mô tả cách cuộn tấm than chì để tạo ống nano. T thể hiện trục của ống, và a1 với a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thựcPhần lớn các ống nano đơn lớp (SWNT-Single Wall Nanotube) cóđường kính gần 1 nanomet, với độ dài đường ống có thể gấp hàngnghìn lần như vậy. Cấu trúc của một SWNT có thể được hình dunglà cuộn một lớp than chì độ dày một-nguyên-tử (còn gọi làgraphene) thành một hình trụ liền. Cách mà tấm graphene đượccuộn như vậy được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m) gọi là vectorchiral. Các số nguyên n và m là số của các vector đơn vị dọc theohai hướng trong lưới tinh thể hình tổ ong của graphene. Nếu m=0,ống nano được gọi là zigzag. Nếu n=m, ống nano được gọi làghế bành. Nếu không, chúng được gọi là chiral.Ống nano đơn lớp là loại ống nano cacbon cực kì quan trọng bởichúng thể hiện các tính chất điện quan trọng mà không ống nanođa lớp nào có được. Các ống nano đơn lớp là ứng cử viên sáng giátrong việc thu nhỏ kích thước sản phẩm ngành cơ điện từ cỡ microhiện nay xuống còn nano. Sản phẩm căn bản của ngành này là dâyđiên, mà SWNT lại dẫn điện rất tốt[3]. Một ứng dụng hữu ích kháccủa SWNT là trong việc phát triển các transitor cảm ứng (FET-field effect transitor) nội phân tử. Việc sản xuất cửa luận lý (logicgate) đầu tiên sử dụng FET làm bằng SWNT gần đây đã trở thànhhiện thực[4]. Bởi vì SWNT trở thành p-FET khi tiếp xúc với oxy vàn-FET khi không tiếp xúc với oxy, chúng đều có thể bảo vệ mộtnửa SWNT khỏi bị tiếp xúc vói oxy, trong khi cho tiếp xúc với oxynửa còn lại. Kết quả là một SWNT đơn có thể hoạt động như mộtcửa luận lý NOT với cả loại FET n và p trong cùng một phân tử.Ống nano đơn lớp vẫn có chi phí sản xuất cao, khoảng $1500 mỗigam vào năm 2000, và việc phát triển các phương pháp tổng hợphiệu quả hơn là rất cần thiết cho tương lai của công nghệ nano.Nếu không thể phát hiện các phương pháp tổng hợp rẻ hơn, nó sẽtrở thành cản trở về mặt tài chính trên con đường đưa ống nanođơn lớp ra ứng dụng trong thực tế.[5] Một vài nhà cung cấp phânphối SWNT arc discharge với khoảng $50-100 vào năm 2007.Ống nano đơn lớp (SWNT-Single Wall Nanotube)Ống nano đơn lớp (SWNT-Single Wall Nanotube) Đa lớp ...