TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN HÓA HỌC NANO

ĐỀ TÀI: CARBON NANOTUBE (CNTs)

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN : Trần Trương Trọng Trí
MSHV

: 1570185

GVHD

: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh

1
i


TP. Hồ Chí Minh, năm 2016
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Các thông số cơ tính của vật liệu CNTs và một số vật liệu khác....................6
Bảng 1.2. Đặc tính dẫn điện của một số loại CNTs.........................................................7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen.........................................................3
Hình 1.2. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNTs.............................................4
Hình 1.3. Mô tả cấu trúc của SWCNT và MWCNT........................................................5

Hình 1.4. Cấu trúc hình học của CNT..............................................................................5
Hình 2.1. Cơ chế mọc ống nano cacbon...........................................................................9
Hình 2.2. Hệ thiết bị chế tạo CNT bằng phương pháp hồ quang điện...........................10
Hình 2.3. Hệ chế tạo CNTs bằng phương pháp dùng chùm laser..................................11
Hình 2.4. Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD........................................12
Hình 3.1. Mô hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H2.....................................................14
Hình 3.2. Màn hình hiển thị sử dụng CNTs...................................................................15
Hình 3.3.Típ STM, AFM có gắn CNTs..........................................................................16
Hình 3.4. Típ CNTs biến tính.........................................................................................16
Hình 3.5. Vật liệu CNTs-COOH dùng cho sensor xác định nồng độ cồn.....................16
Hình 3.6. Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNTs..................................17
2
i


Hình 3.7. Transistor trường sử dụng ống nanno carbon

18

3
i


MỤC LỤC

ii


MỞ ĐẦU
Vật liệu vô cơ, hữu cơ cấu trúc nano đã trở thành một lĩnh vực quan tâm chuyên

sâu cho các nhà khoa học và trong công nghiệp do tính chất đa dạng và ưu việt của nó.
Gần đây, một nhóm vật liệu mới dựa trên chất liệu polymer/nano đã được tạo nên một
chiều hướng mới cho lĩnh vực này. Vật liệu nanocomposite được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành công nghệ cao như vật liệu dẫn điện, vật liệu chống ăn mòn, dây phân
tử, các thiết bị cảm biến, cửa sổ thông minh, các thiết bị điện hóa...
Ống cacbon nano (carbon nanotube CNT) là một trong những loại vật liệu được
nghiên cứu nhiều nhất hiện nay. Là loại vật liệu linh hoạt, nhiều ứng dụng, tính chất
phong phú – hấp thụ quang, phát xạ, cơ học (Young modulus). Có khả năng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như hóa học, vật lý, sinh học, vật liệu.

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON
1.1.

Giới thiệu về vật liệu nano cacbon
Vật liệu nano cacbon là một trong những vật liệu có kích thước nano đã được

nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao, thường tồn tại ở hai dạng: ống
nano cacbon (CNT) và sợi nano cacbon (CNF). Năm 1991 Sumio Lijma làm việc ở
hãng NEC (Nhật) trong khi theo dõi các loại bụi trong bình kín để chế tạo fulleren theo
cách phóng điện hồ quang trong khí trơ với các điện cực than (cacbon) ông đã phát
hiện thấy có những tinh thể nhỏ dạng như cái ống rỗng đường kính ống vào cỡ 1,4
nanomet còn dài có thể đến micromet, thậm chí milimet. Ống này có thể xem như từ lá
graphen cắt thành dải cuốn tròn lại thành ống. Ở hai đầu ống có thể là hở, có thể là kín
như có hai nửa quả cầu fulơren úp lại. Như vậy bề mặt bao quanh ống gồm toàn là
nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác, hai đầu cũng là nguyên tử cacbon nhưng có
một số chỗ không phải là xếp theo hình 6 cạnh mà là hình 5 cạnh để khép kín lại
được… Ngay sau đó phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature và người

ta gọi đó là ống nano cacbon (CNT).
Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, ống cacbon nano có nhiều tính năng đặc biệt như:
độ dẫn điện thay đổi theo kích thước và cấu trúc của ống, nhẹ hơn thép 6 lần nhưng lại
bền hơn thép cỡ 100 lần, chịu được nhiệt độ rất tốt (~2800 oC trong chân không và
~700oC trong không khí), có tính đàn hồi tốt, độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt mặt lớn,
có khả năng phát xạ điện từ ở từ trường thấp. Bên cạnh khả năng tạo được vật liệu
compozit tiên tiến và các thiết bị điện tử kích thước nano thì CNT còn có thể sử dụng
làm chất mang cho xúc tác.
Xét về cấu trúc, do diện tích bề mặt lớn và có cấu trúc rỗng nên CNT được sử
dụng như là vật liệu hấp phụ [1]. Hơn nữa cấu trúc bề mặt của CNT có thể hoạt hóa
bằng cách oxy hóa hoặc bằng các chất hoạt động bề mặt, mở đáy của ống nano
cacbon, bề mặt có thể gắn thêm các kim loại, oxit kim loại hoặc các tác nhân hữu cơ
làm tăng khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ.
6


1.2.

Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon
Bản chất của liên kết trong ống nano cacbon được giải thích bởi hóa học

lượng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano cacbon được
cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tương tự than chì. Cấu trúc liên kết này mạnh
hơn các liên kết sp3 trong kim cương, tạo ra những phân tử có độ bền đặc biệt. Các ống
nano cacbon thông thường được xếp thành các “sợi dây thừng” được giữ với nhau bằng
lực Van der Waals.
Để tìm hiểu cấu trúc của CNT, trước hết cần tìm hiểu về cấu trúc của graphit.
Graphit bao gồm nhiều lớp nguyên tử cacbon sắp xếp song song với nhau, mỗi lớp này
ta gọi là mặt graphen.


Hình 1.1. Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen
Trong mỗi mặt này, một nguyên tử C chia ra 3 liên kết cộng hóa trị để nối với 3
nguyên tử gần nhất ở xung quanh. Góc của các mối liên kết là 120 o, do đó các nguyên
tử nằm trong một lớp tạo thành một mạng lưới hình 6 cạnh khá bền vững. Các mặt
7


graphen này cách nhau một khoảng khá xa so với khoảng cách giữa các nguyên tử
trong một mặt.
Chúng ta quan tâm đến các mặt graphen vì có thể coi CNT được tạo thành bằng
cách cắt tấm graphen ra, sau đó cuộn tròn lại. Có rất nhiều kiểu cuộn khác nhau dựa
theo hướng cuộn, chính sự khác nhau này làm cho CNT có các tính chất vật lý, hóa học
phong phú, đa dạng và có thể thay đổi, như về tính dẫn điện nó có thể mang tính đẫn
điện của dung môi, của chất bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cấu trúc của ống.

Hình 1.2. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNTs
Tuy nhiên, không phải lúc nào ống nano cacbon cũng có hình dạng giống
như hình dạng của tấm graphen cuộn lại. Bởi vì tấm graphen gồm các nguyên tử
cacbon xếp trên 6 đỉnh của hình lục giác, còn CNT lại có sự xuất hiện của các đa giác
là ngũ giác.
Có ba loại cấu trúc hình học độc đáo của CNTs, ba cấu trúc này là armchair, zigzag, and chiral [e.g. zig-zag (n, 0); armchair (n, n); and chiral (n, m)]. Phân loại nó dựa
vào cách quấn thành ống với bố trí vòng cacbon theo vị trí khác nhau.
8


Hình 1.3. Cấu trúc hình học của CNT
Có hai loại ống nano cacbon là: ống nano cacbon đơn lớp (SWCNT), được cấu
tạo bởi một lớp duy nhất các nguyên tử cacbon và ống nano cacbon đa lớp
(MWCNT), được cấu tạo như thể bao gồm nhiều ống đơn lớp lồng vào nhau.


Hình 1.4. Mô tả cấu trúc của SWCNT và MWCNT
Đường kính của ống nano cacbon tùy thuộc vào từng loại ống. Thông thường một
ống nano cacbon đơn lớp có đường kính vào khoảng 1-2 nm. Còn các ống nano cacbon
9


đa lớp thì có đường kính ngoài vào khoảng 2-25 nm, và đường kính ống trong cùng
dao động trong khoảng 1-8 nm. Cấu trúc của MWCNT bao gồm từ 2 đến 30 SWCNT
có đường kính khác nhau lồng vào nhau, và khoảng cách giữa các lớp trong cùng một
ống nano cacbon đa lớp từ 0,34 – 0,36 nm [2] tức là gần bằng khoảng cách giữa các
mặt graphen trong graphit tự nhiên. Chiều dài của mỗi ống nano cacbon có thể từ vài
trăm nanomet đến micromet. Ngày nay người ta đã làm được những ống nano cacbon
dài đến vài centimet….CNT hoạt động mạnh hơn so với graphite nhưng trên thực tế nó
vẫn tương đối trơ về mặt hóa học.
1.3.
Tính chất vật lý của vật liệu ống cacbon nano
1.3.1. Tính chất cơ

Phép đo độ bền được thực hiện bằng hệ AFM. Các tip AFM di chuyển vuông gốc
với ống CNTs và ghi các lực tương tác giữa đầu típ với ống CNTs phát sinh từ sự dịch
chuyển đàn hồi của thành. Sự dịch chuyển lớn có thể dẫn tới cong, biến dạng dẻo hoặc
gẫy ống CNTs và do đó xác định được đồ bền của CNTs.
Vật liệu

Suất Young (GPa)

Độ bền kéo
(GPa)

Mật độ khối lượng

(g/cm3)

SWCNT

1054

150

1.4

MWCNT

1200

150

2.6

Steel
208
0.4
7.8
Bảng 1.1. Các thông số cơ tính của vật liệu CNTs và một số vật liệu khác [5]
Trong bảng 1.1, so với thép, suất Young của CNTs (MWNTs và SWNTs) gấp
khoảng 5 đến 6 lần và độ bền kéo gấp 375 lần. Trong khi đó, khối lượng riêng của
CNTs nhẹ hơn tới 3 hoặc 6 lần so với thép. Điều này chứng tỏ rằng CNTs có các đặc
tính cơ học rất tốt, bền và nhẹ, thích hợp cho việc gia cường vào các vật liệu composite
như cao su, polyme, để tăng cường độ bền, khả năng chịu mài mòn và ma sát cho các
vật liệu này.


10


Tính chất điện

1.3.2.

Tính dẫn điện của CNTs phụ thuộc mạnh vào cấu trúc. Tùy thuộc vào cặp chỉ số
(n,m) mà độ dẫn của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại. Cơ học lượng tử chỉ ra độ
dẫn của mạng graphene là nằm giữa bán dẫn và kim loại. Tuy nhiên, khi được cuộn lại
thành ống, các liên kết C-C vuông gốc với trục ống được hình thành, dẫn đến cấu trúc
điện tử của một số loại ống CNTs giống như của các kim loại dẫn điện tốt như Cu, Au.
Các cách cuộn khác nhau của mạng graphene tạo ra ống với khe năng lượng nhỏ hoặc
bằng 0. Do đó, độ dẫn của CNTs tương ứng là bán dẫn hoặc kim loại.
Loại CNTs

(n,m)

Đặc tính dẫn điện

Armchair

(n,n)

Kim loại

zigzag

(n,0), n/3 nguyên


Kim loại

zigzag

(n,0), n/3 không nguyên

Bán dẫn

Chiral

(n-m)/3 nguyên

Kim loại

Chiral
(n-m)/3 không nguyên
Bán dẫn
Bảng 1.2. Đặc tính dẫn điện của một số loại CNTs [6]
1.3.3. Tính chất nhiệt [5]
a.
Nhiệt dung riêng:

Nhiều thực nghiệm đo nhiệt dung riêng của MWCNTs và bó SWCNTs với các
đường kính khác nhau, trên các khoảng nhiệt độ khác nhau đều chỉ ra rằng nhiệt dung
riêng phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ trong vùng nhiệt độ thấp. So với mạng
Graphene, nhiệt dung riêng chênh lệch khoảng 100K. Nhiệt dung riêng của MWCNTs
và bó SWCNTs phụ thuộc vào các tương tác giữa các ống trong bó hay các lớp
graphene trong MWCNTs và đường kính của chúng.
b.


Độ dẫn nhiệt:
Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt khoảng 3x10 4 W/m.K và đạt giá trị cao nhất 4x10 4

W/m.K ở khoảng 100K. So với graphite và mạng graphene, ở nhiệt độ thấp độ dẫn
nhiệt của CNTs cao hơn nhiều, nhưng ở nhiệt độ cao độ dẫn nhiệt của CNTs xấp xỉ
bằng.
11


1.3.4.

Tính chất hóa học
CNTs hoạt động hóa học mạnh hơn so với graphene. Tuy nhiên, thực tế cho thấy

CNTs vẫn tương đối trơ về mặt hóa học, do đó để tăng hoạt tính hóa học của CNTs ta
phải tạo ra các biến dạng trên bề mặt của ống, gắn kết với các phân tử hoạt động khác.
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, CNTs có đường kính càng nhỏ thì hoạt động hóa học
càng mạnh, song hiện tượng tụ đám càng nhiều. Đó là ảnh hưởng của hiệu ứng kích
thước và hiệu ứng bề mặt xảy ra với các vật liệu nano. Sự tụ đám này làm giảm khã
năng hoạt động hóa học của các ống CNTs, vì vậy vấn đề quan trọng là tách bó CNTs
thành các ống riêng lẽ bằng cách xử lý lý hóa phù hợp.
1.3.5.

Tính chất phát xạ điện từ trường
Sự phát xạ điện từ trường là quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt của một pha rắn

vào chân không, dưới tác dụng của một điện trường tĩnh (khoảng 10 8 V/cm). Khi áp
một điện trường đủ lớn, các điện tử tại bề mặt xuyên hầm qua hàng rào thế và thoát ra
ngoài. Với CNTs, do tỷ lệ chiều dài/đường kính lớn (hơn 1000 lần), cấu trúc dạng tip,
độ ổn định hóa, nhiệt cao và độ dẫn nhiệt, dẫn điện cũng rất cao nên khã năng phát xạ

điện tử là rất cao, ngay ở điện thế thấp.
Với dạng tip như CNTs thì:

Với E ≈ 108 V/cm, Rtip ≈ 1nm, α ≈ 10 (hệ số) thì V ≈ 10V. Tức là, với điện thế
khoảng 10V thì các ống CNTs đã có thể phát xạ điện tử. Đây là một thuận lợi lớn của
vật liệu CNTs [5].

12


CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON
2.1.

Cơ chế hình thành ống nano cacbon
Có thể hiểu một cách đơn giản quá trình mọc CNT như sau: Hạt xúc tác được tạo

trên đế. Khí chứa cacbon (CxHy) sẽ bị phân ly thành nguyên tử cacbon và các sản
phẩm phụ khác do năng lượng nhiệt, năng lượng plasma có vai trò của xúc tác [3].
Các sản phẩm sau phân ly sẽ lắng đọng trên các hạt xúc tác. Ở đây sẽ xảy ra quá
trình tạo các liên kết C – C và hình thành CNT. Kích thước của ống CNT về cơ bản
phụ thuộc kích thước hạt xúc tác. Liên kết giữa các hạt xúc tác và đế mà ống nano
cacbon quyết định cơ chế mọc: mọc từ đỉnh của hạt lên hay mọc từ đế lên tạo thành
CNT. Kích thước của hạt xúc tác kim loại và các điều kiện liên quan khác quyết định
ống nano cacbon là đơn lớp (SWCNT) hoặc đa lớp (MWCNT).

Hình 2.1. Cơ chế mọc ống nano cacbon
2.2.
Các phương pháp chế tạo
2.2.1. Phương pháp phóng điện hồ quang


Phương pháp này được Thomas Ebbesen và Pulickel M.Ajayan ở phòng nghiên
cứ của hãng NEC tại Tsukuba ( Nhật Bản) công bố vào năm 1992 với kết quả tạo được
ống nano cacbon ở số lượng vĩ mô. Phương pháp phóng điện hồ quang được thực hiện
13


với hai điện cực than được đặt trong môi trường Argon hay Heli. Khi phóng điện khí
giữa hai cực than bị ion hóa trở thành dẫn điện. Đó là plasma, vì vậy phương pháp này
còn được gọi dưới một cái tên khác là hồ quang plasma. Hồ quang plasma làm cho
than ở điện cực anot bị bốc bay và bám vào điện cực đối diện, tức là bám vào catot, khi
đó ống nano cacbon được hình thành. Thông thường khi cho dòng hồ quang là 100A
thì ta thu được hiệu suất khoảng 30% về khối lượng. Sản phẩm tạo thành có thể là
SWCNT hoặc MWCNT tùy thuộc vào việc có hay không sử dụng xúc tác (Ni, Fe,
Co..). Hiệu suất của quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của điện cực lắng đọng CNTs và
môi trường plasma.
Với điện cực là carbon tinh khiết, ta thu được MWCNTs còn khi có kim loại xúc
tác (Ni, Co, Fe) ta thu được SWCNTs.
Các kĩ thuật chế tạo CNTs bằng hồ quang khác:
-

Chế tạo CNTs bằng hồ quang ngoài không khí.
Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong nitơ lỏng.
Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong từ trường.
Chế tạo CNTs bằng hồ quang với điện cực plasma quay.

Nhược điểm của phương pháp là ống nano thu được ngắn, chỉ khoảng dưới 50
micromet.

Hình 2.2. Hệ thiết bị chế tạo CNT bằng phương pháp hồ quang điện
14



2.2.2.

Phương pháp phóng điện hồ quang có Coban
Cũng dùng phóng điện hồ quang, nhưng có thêm khoảng 3% coban. Phương pháp

này cho sản phẩm là nhiều ống nano cacbon một lớp liên kết lại, trong sợi có lẫn một
chút coban rất nhỏ, một số hạt cacbon vô định hình v.v…
2.2.3.

Phương pháp dùng laser
Người ta cho tia laser chiếu vào một thanh graphit có pha hạt Co và Ni với tỉ lệ

50:50, kích thước hạt cỡ 1 micromet. Thanh graphit được đặt trong môi trường khí trơ
Ar, tia laser năng lượng cao (xung hoạt liên tục) chiếu vào làm graphit nóng đến
1200oC và graphit bị bốc hơi bay tạo thành các sản phẩm nano cacbon. Tiếp đó là gia
công nhiệt ở 1000oC để lấy đi C60 và các fulơren khác để thu được ống nano cacbon.
Phương pháp này chủ yếu sản xuất ra những ống nano cacbon 1 lớp, hiệu suất >70%.
Sản phẩm tạo thành có thể là SWCNT hoặc MWCNT phụ thuộc vào có sử dụng hay
không chất xúc tác kim loại [4]. CNTs được chế tạo bằng phương pháp này có độ tinh
khiết cao hơn so với phương pháp hồ quang điện. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp
này là cần những nguồn laser có cường độ cực lớn, và vì vậy mà nó rất tốn kém.

Hình 2.3. Hệ chế tạo CNTs bằng phương pháp dùng chùm laser
2.2.4.

Phương pháp nghiền bi
Dùng một bình thép không gỉ bên trong có chứa các hòn bi cũng bằng thép không


gỉ và thật cứng. Đổ vào bình thép này bột graphit tinh khiết (99,8%), sau đó cho khí Ar
15


thổi qua với áp suất khoảng 300kPa. Bước tiếp theo là cho quay bình thép để có các
hòn bi bên trong nghiền bột graphit, thời gian nghiền kéo dài trong 150 giờ. Sau đó ta
thu được sản phẩm. Sản phẩm của phương pháp này là các ống nano cacbon nhiều lớp.
Đây là phương pháp rất kinh tế, công nghệ không quá phức tạp nhưng không đạt được
những ống nano có kích thước đều đặn.
2.2.5.

Phương pháp tổng hợp từ ngọn lửa
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng khí hydro cacbon đốt thành ngọn lửa

tạo ra nhiệt độ cao, khi đó phần khí chưa cháy hết sẽ bị phân hủy, sau đó kết hợp lại
tạo thành ống nano cacbon. Tuy nhiên sản phẩm tạo thành có kích thước không đều
đặn, nhưng có hiệu suất cao thích hợp cho công nghiệp.
2.2.6.

Phương pháp lắng động pha hơi CVD (Chemical vapour deposition)
Trong phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học (CVD) thường sử dụng nguồn

carbon là các hyđrocarbon (CH4, C2H2) hoặc CO và sử dụng năng lượng nhiệt hoăc
plasma hay laser để phân ly các phân tử khí thành các nguyên tử carbon hoạt hóa. Các
nguyên tử cacbon này khuếch tán xuống đế, lắng đọng trên các hạt kim loại xúc tác
(Fe, Ni, Co), và CNT được tạo thành. Nhiệt độ vào khoảng 650oC –900oC

Hình 2.4. Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD
Yêu cầu của phương pháp CVD là phải sử dụng xúc tác trong quá trình lắng
đọng, tùy theo từng loại xúc tác khác nhau mà ta có các sản phẩm ống nano cacbon

16


khác nhau, như đơn lớp hay đa lớp, xếp trật tự hay không trật tự. Để chế tạo được một
lượng lớn ống nano cacbon, ta thường sử dụng xúc tác là các kim loại Co và Fe.
Phương pháp lắng đọng hoá học pha hơi thường tạo ra ống nano carbon đa vách
hoặc đơn vách với độ sạch không cao, thường người ta phải phát triển các phương
pháp làm sạch. Phương pháp này có ưu điểm là dễ chế tạo và rẻ tiền.
Một số kỹ thuật CVD tạo CNTs thường được sử dụng là:
-

Phương pháp CVD nhiệt.
Phương pháp CVD tăng cường Plasma.
Phương pháp CVD xúc tác alcohol.
Phương pháp CVD nhiệt có laser hỗtrợ.
Phương pháp mọc pha hơi.
Phương pháp CVD với xúc tác Co-Mo ( CoMoCat).
CHƯƠNG 3: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CNTs

3.1.

Các ứng dụng về năng lượng
Sử dụng CNTs trong pin litium có thể tăng dung lượng pin lên 10 lần. Các nhà

nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra rằng, nếu sử
dụng các lớp ống nano carbon đã qua xử lý để làm điện cực, chúng có thể tăng năng
lượng tích lũy trên mỗi đơn vị trọng lượng của pin lên hơn 10 lần. (10 kW/Kg–trong
khi pin Lithium thông thường 1 kW/kg). Pin có sự ổn định rất tốt theo thời gian, sau
khi 1000 chu kỳ sạc và xả pin thử nghiệm, không phát hiện có sự thay đổi của vật liệu.
Điều này hứa hẹn khả năng ứng dụng của CNTs trong xe hơi, các thiết bị điện tử cầm

tay [8]. Bằng phương pháp “layer by layer”. Các nhà khoa học đã chế tạo được điện
cực làm từ CNTs đa tường để tạo thành điện cực dương, và lithium titanium oxide để
làm điện cực âm. Thông qua ảnh TEM độ phân giải cao và so sánh chu trình phóng
nạp của pin trước và sau khi xử lý nhiệt với khí hidro, họ cũng chứng minh được rằng,
nguyên nhân của sự cải thiện về mặt tích trữ năng lượng là do các nhóm chức có chứa
oxi trên bề mặt của CNTs. Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng và đường kính cỡ
nanomét nên vật liệu CNTs có thể tích trữ chất lỏng hoặc khí trong lõi trơ thông qua
17


hiệu ứng mao dẫn. Hấp thụ này được gọi là hấp thụ vật lý. CNTs cũng có thể tích trữ
hydrogen theo cách hóa học (hấp thụ nguyên tử hydrogen). Vì vậy CNTs có thể được
sử dụng cho việc tích trữ Hidro, làm thành pin nhiên liệu dùng cho ô tô [9].

Hình 3.1. Mô hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H2
Bằng cách xử lý CNTs trong một dung dịch siêu axit, các nhà khoa học ở trường
Đại học Rice (Mỹ) đã thu được những sợi dài, có thể sử dụng làm những dây dẫn nhẹ,
hiệu quả cho mạng lưới điện, hoặc làm cơ sở cho những vật liệu dẫn điện. Họ cho biết
đã tìm ra được một phương pháp mới để lắp ráp CNTs với nhau, bằng cách hoà tan
CNTs trong dung dịch siêu axít chlorosulphonic tạo ra dung dịch có nồng độ về khối
lượng lên đến 0,5Wt% cao hơn 1000 lần so với các axit khác đã báo cáo trước đó. Ở
trạng thái mật độ cao này, chúng tạo thành tinh thể lỏng, có thể tạo thành những sợi
dài hàng trăm mét, hoặc nguyên khối. Vì CNTs rất bền, cho nên trong tương lai, rất có
thể ống nano carbon sẽ được sử dụng để thay thế cho dây điện kim loại truyền thống.
3.2.

Thiết bị phát xạ điện tử trường
Yêu cầu chung là ngưỡng thế phát xạ của vật liệu phải thấp, mật độ dòng phải có

độ ổn định cao, vật liệu phát xạ phải có đường kính nhỏ cỡ nanomet, cấu trúc tương

đối hoàn hảo, độ dẫn điện cao, độ rộng khe năng lượng nhỏ và ổn định về mặt hóa
học. Các điều kiện này, vật liệu CNTs đáp ứng đầy đủ. Hơn nữa, CNTs lại tương đối
trơ về mặt hóa học nên có độ ổn định về mặt hóa học rất cao.
18


Vật liệu CNTs đã được sử dụng cho các thiết bị phát xạ điện tử trường như:
transistor hiệu ứng trường, các màn hình hiển thị, tip STM, AFM.

Hình 3.2. Màn hình hiển thị sử dụng CNTs
Các tính năng của CNT-FED: Mỏng, độ sáng cao, độ tương phản cao, hiệu suất
phát quang cao, góc nhìn rộng, đáp ứng nhanh, điện thế tiêu thụ thấp, tiêu thụ ít điện
năng.
3.3.

Đầu dò nano và sensơ
Do tính dẻo dai được sử dụng như các đầu dò quét trong các thiết bị kính hiển vi

điện tử AFM và STM. Thuận lợi chủ yếu của các đầu dò loại này là độ phân giải được
cải thiện hơn nhiều so với các tip Si hoặc các tip kim loại mà không phá mẫu (do CNTs
độ đàn hồi cao).
Các ống CNTs gắn trên đầu tip có thể được biến tính bằng cách gắn các nhóm
chức năng (-COOH) để tăng các tương tác hóa, sinh. Các tip này có thể được sử dụng
như các đầu dò phân tử, ứng dụng trong các lĩnh vực hoá học và y sinh.
Chẳng hạn với các sensor xác định nồng độ cồn cực thấp sử dụng vật liệu CNTs
thì vật liệu CNTs phải được biến đổi trước để gắn các nhóm -COOH trên bề mặt. Các
nhóm này sẽ tương tác với phân tử ethanol (CH 3CH2OH) và gắn các phân tử này lên bề

19



mặt CNTs, làm thay đổi độ dẫn điện. Từ sự thay đổi này, ta có thể xác định được nồng
độ cồn. [10]

Hình 3.3.Típ STM, AFM có gắn CNTs

Hình 3.4. Típ CNTs biến tính

Hình 3.5. Vật liệu CNTs-COOH dùng cho sensor xác định nồng độ cồn
3.4.

Ống nano carbon tạo ra các vật liệu siêu bền, siêu nhẹ
Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Alan Windle, thuộc Đại học Cambridge dùng

CNTs để dệt thành áo, hoặc kết hợp với những loại vật liệu khác để sản xuất những
sản phẩm siêu bền. Theo các chuyên gia, ứng dụng quan trọng của sợi carbon mới này
là sản xuất áo chống đạn siêu bền, vì nó bền hơn, dai hơn và cứng hơn nhiều lần so với
loại vải được dùng để may áo giáp hiện nay.
20


Nasa cũng sử dụng CNTs trong nhiều mục đích khác nhau. Như trong các vỏ tàu
vì CNTs là vật liệu siêu bền và siêu nhẹ. Do dó làm giảm trọng lượng của tàu vũ trụ, và
làm giảm chi phí phóng tàu. Đồng thời còn làm tăng khả năng chống chịu va đập cho
tàu.

Hình 3.6. Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNTs
3.5.

Ống nano carbon tạo ra các linh kiện điện tử nano

Hiện nay với sự xuất hiện của ống nano carbon, cùng với khả năng chế tạo ra các

ống carbon có tính chất như là bán dẫn loại p hay loại n. Người ta đã có thể sắp xếp
được các sợi carbon nhỏ nằm gối lên nhau, tại những điểm giao nhau đó chúng có tác
dụng như một điốt. Các điốt này có kích thước rất nhỏ cỡ vài nm. Tuy nhiên kỹ thuật
chế tạo các điốt này khá phức tạp, người ta đã sử dụng phương pháp dòng chảy để định
hướng các sợi carbon. Nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng với ống
nano carbon có thể chế tạo các linh kiện hoạt động trên cơ sở những hoạt động của
Spin điện tử. Với các dây dẫn thông thường các điện tử luôn bị tán xạ bởi mạng các
ion, hay với chính các điện tử, do đó luôn tồn tại điện trở. Nhưng với ống nano carbon
thì khác, các điện tử chuyển động theo kiểu xung kích và ống nano lại rất nhỏ, không
có sai hỏng nên điện tử không bị tán xạ. Điều đó có nghĩa là điện tử có thể chuyển
động được một quãng đường xa mà không thay đổi xung lượng, vẫn giữ nguyên trạng
thái của mình và có nghĩa là spin được bảo toàn. Ta đã biết spin của điện tử có hai giá
trị -1/2 và +1/2 (spin up và spin down), nên ta có thể dùng từ trường để điều khiển spin
thay cho việc điều khiển điện tử và lỗ trống trong các bán dẫn thông thường.
21


Hiện nay với sự phát triển như vũ bão của các linh kiện điện tử, kích thước của
các linh kiện đã được giảm nhỏ. Tuy nhiên chúng ta không thể cực tiểu hoá mãi được
vì hiện nay quá trình cực tiểu hoá đã đang tiến gần đến giới hạn vật lý.
Từ đó chúng ta cần phải nghĩ đến một vật liệu mới nào đó có khả năng đặc biệt
và từ đó có thể cực tiểu hoá được các linh kiện. Và điều đó đã được giải quyết bằng sự
xuất hiện của ống nano carbon. Ống carbon được dùng làm kênh dẫn trong transistor.

Hình 3.7. Transistor trường sử dụng ống nanno carbon
Điện thế cực cổng có ảnh hưởng rất lớn đến tính dẫn điện của ống nano carbon.
Với việc sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn điện, độ dẫn điện có thể thay đổi hơn
một triệu lần so với transistor trường trên cơ sở silic. Hơn nữa vì có kích thước nhỏ,

transistor trường trên cơ sở ống nano làm việc với độ tin cậy cao hơn, tiêu thụ ít năng
lượng hơn, nó có thể đóng mở với tốc độ Terahert.
Khi các thiết bị được cực tiểu hoá về kích thước và được tăng mạnh về tốc độ thì
các điện tử sẽ hoạt động với tốc độ cao nên toả nhiều nhiệt... để giải quyết vấn đề đó
người ta đã sử dụng khả năng dẫn nhiệt rất tốt của ống carbon gắn vào các linh kiện
[11]. Vì kích thước của các linh kiện rất nhỏ nên không thể sử dụng các dây dẫn kim
loại thông thường như hiện nay vẫn dùng để nối các linh kiện với các thiết bị hay các
mạch logic bên ngoài mà phải dùng ống nano carbon.
22


CHƯƠNG 4: ĐỘC TÍNH CỦA CNTs [12]
Nhóm nghiên cứu Cirimat do Emmanuel Flahaut đứng đầu đã liên liên kết với
nhiều phòng thí nghiệm Toulouse và một đơn vị Inserm ở Bordeaux để nghiên cứu ảnh
hưởng của các ống nano carbon đến sức khoẻ con người và môi trường. Ba năm nghiên
cứu với nhiều bài báo đã được đăng và hai ấn phẩm mới nhất trên tạp chí
Nanomedicine vào tháng 8 làm dấy lên sự hoài nghi: “ Chúng ta biết gì về độc tính của
các hạt nano đối với môi trường và sức khoẻ của con người?"
Các sản phẩm thương mại chứa CNT đã được bán trên thị trường. Tuy nhiên, độc
tính của sản phẩm này thì chưa ai được biết rõ. Hàng trăm tấn CNT được sản suất trên
thế giới mỗi năm và đang tăng mạnh trong những năm gần đây. Vấn đề xử lý rác thải
và những rủi ro trong quá trình sản xuất vật liệu này là một câu hỏi mang tính thời sự
và các nghiên cứu quy mô về vấn đề này đã được tiến hành.
Các thử nghiệm về độc tính của CNT được tiến hành bằng phương pháp nuôi cấy
tế bào sử dụng các tế bào của hệ hô hấp (tế bào mũi và phổi). Các tế bào được chọn để
nghiên cứu thường là các tế bào ung thư, do có khả năng sinh trưởng mạnh, hoặc là các
tế bào gốc là những tế bào chưa biệt hoá và có thể phát triển thành bất cứ tế bào nào
trong cơ thể. Tất cả các tế bào này đều chịu tương tác với các CNT (với cường độ tuỳ
thuộc vào liều dùng), nhưng các tế bào ung thư thể hiện khả năng đề kháng cao hơn.
Các CNT có thể đã xâm nhập vào tế bào, ít ra là trong tế bào chất. Các hạt nano hấp

thu thụ động vào tế bào và gây độc tính thông qua triệu chứng viêm và hình thành các
gốc tự do (stress oxydant). Các gốc tự do là một sản phẩm phụ tự nhiên của sự trao đổi
chất bình thường của oxy và có vai trò quan trọng trong tín hiệu tế bào. Tuy nhiên,
trong thời gian bị kích thích của môi trường (ví dụ như tia cực tím hoặc tiếp xúc với
nhiệt), sự hình thành các gốc tự do tăng lên đáng kể. Điều này có thể gây tổn thương
đáng kể cho các cấu trúc tế bào.
Các nghiên cứu cho thấy, khi các CNT xâm nhập vào tế bào thì nó cũng có khả
năng kích thích hình thành các gốc tự do như vậy, do đó nếu CNT được phân tán tốt
23


hơn và xâm nhập với nồng độ cao trong tế bào thì nó hoàn toàn có thể ức chế sự phát
triển của tế bào đó. Ngoài ra các CNT còn là rối loạn sự trao đổi chất và bài tiết tế bào.
Khi xâm nhập vào tế bào nó hình thành các chất trung gian và ảnh hưởng đến sự nhận
biết đặc hiệu của tế bào và các hệ thống liên tục của tế bào bị rối loạn.
Các phương pháp hoá học tinh chế CNT thường được sử dụng trong công nghiệp
xử lý, tổng hợp nguyên liệu để cải thiện sự phân tán của nó trong nước (3). Do đó, các
ống nano sẽ dễ xâm nhập vào tế bào và ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của tế bào. Vì
vậy, độc tính của CNT sẽ tăng do sự phân tán tốt hơn của các ống nano.
Để nghiên cứu tác động của các ống nano về môi trường, nhóm nghiên cứu đã sử
dụng mô hình động vật lưỡng cư đặc biệt, được quan sát trực tiếp trong môi
trường nước. Các hiệu ứng đáng kể đầu tiên đã được quan sát thấy khi nồng độ của
CNT cao hơn 10mg/l. Nồng độ này là rất cao và có thể tương ứng với một nơi ô nhiễm
bất thường. Không có bằng chứng gây đột biến gen thể hiện trong điều kiện thử
nghiệm. Có vẻ như là độc tính quan sát có thể là do tác động cơ học (rối loạn trao đổi
khí ở mang, rối loạn của ruột và tiêu hóa), mà không nhất thiết phải liên quan đến tác
dụng thực chất của các ống nano.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy CNT không có độc đến sức khoẻ và môi
trường sinh thái. Nhưng nó đề suất các khuyến nghị phòng ngừa một khi tổng hợp một
lượng lớn các sản phẩm tiêu dùng có thể gây ô nhiễm môi trường trong quá trình sử

dụng (như lốp xe chẳng hạn) hoặc là rác thải sau khi sử dụng. Các sản phẩm từ CNT
phải an toàn đối với con người trong điều kiện sử dụng bình thường của sản phẩm. Rác
thải CNT có thể được xử lý bằng cách đốt để thu nhệt, tận dụng triệt để năng
lượng nhiệt và bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu này cho thấy tầm quan trọng của
mô hình nuôi cấy tế bào trong việc thử nghiệm độc tính được nghiên cứu trong phòng
thí nghiệm .

24


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].
[2].
[3].

P.J.F. Haris (1990), “Carbon nanotubes and related structure – new materials
S. Iijima (2002). Phiscal B 323, pp. 1-5
Nguyễn Mạnh Tường, Trần Sơn Hải, Hà Quốc Bảng, Trần Danh Tuấn
(12-2011), “Nghiên Cứu Tổng Hợp Ống Nano Cacbon Mỏng Đa Lớp Trên

[4].
[5].
[6].

Xúc Tác Co-Mo/MgO”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, (số 145)
Ống nano carbon: chế tạo, tính chất và ứng dụng, Quách Duy Trường
Basic properties of carbon nanotubes,
Deierlein Udo. Functionalization of carbon nanotubes for seft-assembly of hybrib
structures, Department for Physics and Center for NanoScience (CeNS), LMU


[7].

Munchen
Valentin.N Popov. Carbon nanotubes: properties and application, R 43 (2004),

[8].

61-102.
Seung Woo Lee, Naoaki Yabuuchi, Betar M. Gallant, Shuo Chen, ByeongSu
Kim,Paula T. Hammond, Yang Shao-Horn ( 2010), “High-power lithium batteries
from functionalized carbon-nanotube electrodes”, Nature Nanotechnology, 5,

[9].

pp.531-537.
Seung Mi Lee, Ki Soo Park, Young Chul Choi, Young Soo Park, Jin Moon Bok,
Dong Jae Bae, Kee Suk Nahm, Yong Gak Choi, SooChang Yu, Namgyun Kim,
Thomas Frauenheim, Young Hee Lee (2000), “Hydrogen adsorption and
storage in carbon nanotubes”, Synthetic Metals, 113, pp. 209–216.

[10]. Ren-Jang Wu, Yu-Ching Huang, Ming-Ru Yu, Tzu Hsuan Lin and Shih-Lin

Hung (2008), “Application of m-CNTs/NaClO4/Ppy to a fast response, room
working temperature ethanol sensor”, Sensors and Actuators B: Chemical,
134, pp. 213-218.
[11]. Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc, Pham Van Trinh, Ngo Thi Thanh Tam
and Phan Ngoc Minh (2011), “Thermal dissipation media for high power
electronic devices using a carbon nanotube-based composite”, Advances in
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2,025002.

25