KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH DẪN ĐIỆN CÓ
NGUỒN GỐC TỪ CARBON TỰ NHIÊN


1

LỜI MỞ ĐẦU
Suốt hàng ngàn năm nay từ văn bản trên đá và giấy cói đến giấy ảnh và kính
ảnh hiện đại, mực đã được sử dụng và cải tiến rất nhiều. Cho đến ngày nay, các loại
mực được thay thế bởi các chất màu tổng hợp, thuốc nhuộm và các hạt kim loại; Các
lĩnh vực phát triển mới đang xuất hiện với tốc độ ngày càng tăng.
Do sự phát triển không ngừng của thế giới công nghệ luôn hướng đến sự tối
ưu, những dụng cụ hỗ trợ hiệu quả nhất cho con người. Mực dẫn điện (hoặc sơn dẫn
điện) là một lĩnh vực nghiên cứu đem đến sự thuận tiện và tính hữu hiệu đáng kinh
ngạc. Một loại mực đặc biệt, khi viết ra trên nhiều bề mặt khác nhau, (gỗ, mica,
cartong, giấy…) mà nét vẽ của nó cho phép dòng điện chạy qua mà không cần bất cứ
dây dẫn, chỉ cần vẽ hay viết thôi là tạo ra được mạch điện.
Mực điện hoặc sơn dẫn điện được sử dụng trong các ngành khác nhau của
ngành công nghiệp. Một số ví dụ về sử dụng có thể được tìm thấy trong các công tắc
màng, bảng mạch in, cảm biến y tế, thiết bị điện thoại, công tắc in, vỏ máy tính, các bộ
phận làm nóng và các loại tương tự.
Phương pháp đánh giá: XRD (X-ray diffraction), EDX hay EDS (Energydispersive X-ray spectroscopy), SEM (Scanning Electron Microscope), TGA
(Thermogravimetric Analysis), FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy).


2

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH...........................................................................................................6

DANH MỤC BẢNG..........................................................................................................8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................9
CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU..........................................................................................10

1.3. Giới thiệu công nghệ nano..................................................................................10
1.3.1.

Lịch sử phát triển của công nghệ nano......................................................10

1.3.2.

Định nghĩa công nghệ nano......................................................................12

1.3.3.

Phân loại vật liệu nano..............................................................................13

1.3.4.

Chế tạo vật liệu nano................................................................................15

1.3.5.

Tổng quan về nano carbon........................................................................17

1.4. Cơ sở khoa học để chế tạo mực dẫn điện bằng công nghệ nano.........................21
1.4.1.


Ưu điểm vượt trội về đặc trưng của công nghệ nano................................21

1.4.2.

Các phương pháp đánh giá mực dẫn điện carbon......................................23

1.4.3.

Thành phần mực dẫn điện carbon.............................................................29

1.4.4.

Ứng dụng của mực dẫn điện carbon..........................................................34

CHƯƠNG 2.

PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ...........................................................38

2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:.......................................................................38
2.2. Dụng cụ thí nghiệm............................................................................................38
2.3. Hóa chất sử dụng................................................................................................39
2.4. Quy trình thực nghiệm........................................................................................40
2.5. Các hạng mục đánh giá sau khi có kết quả:........................................................41
CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..................................................................45

3.1. Đánh giá kết quả:................................................................................................45
3.2. Đánh giá vật liệu.................................................................................................50
3.2.1.


Đánh giá thành phần dung dịch dẫn điện:.................................................50


3

3.2.2.

Đánh giá kích thước hạt của mẫu:.............................................................55

3.2.3.

Đánh giá liên kết của dung dịch dẫn điện:................................................58

3.2.4.

Đánh giá độ bền nhiệt của dung dịch dẫn điện:........................................62

3.3. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến dung dịch mực đẫn điện:............................64
3.3.1.

Khảo sát ảnh hưởng của chất keo đến điện trở..........................................64

3.3.2.

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng đến điện trở.................................64

KẾT LUẬN.................................................................................................................. 66
KIẾN NGHỊ.................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................68



4

DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1 Richard Phillips Feynman (1918-1988)..............................................................7
Hình 1-2 So sánh kích thước hạt nano (Nguồn: internet)...................................................9
Hình 1-3 Hạt nano bạc (Nguồn: internet).........................................................................10
Hình 1-4 (a) Ống than nano, (b) Dây nano oxit kẽm (Nguồn: internet)............................11
Hình 1-5 Màng graphene (Nguồn: Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia)........11
Hình 1-6 Phương pháp top-down và bottom-up...............................................................12
Hình 1-7(a) Carbon vô định hình, (b) Cấu trúc tinh thể của carbon vô định hình............15
Hình 1-8 (a) Graphite dạng khoáng vật, (b) Cấu trúc của graphite (Nguồn: internet)......16
Hình 1-9 (a) Kim cương, (b) Cấu trúc kim cương (Nguồn: internet)...............................16
Hình 1-10 Cấu trúc fullerene (Nguồn: internet)...............................................................17
Hình 1-11 (a) Máy quang phổ nhiễu xạ tia X, (b) Cơ chế nhiễu xạ tia X (Nguồn:
internet).................................................................................................................... 19
Hình 1-12 (a) Máy EDX, (b) Nguyên lý của phép đo EDX (Nguồn: internet).................20
Hình 1-13 (a) Máy SEM, (b) Nguyên lý hoạt động của SEM (Nguồn: internet)..............21
Hình 1-14 (a) Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA, (b) Cơ chế phép đo TGA
(Nguồn: internet)......................................................................................................21
Hình 1-15 (a) Quang phổ kế FTIR, (b) Cơ chế phép đo FTIR (Nguồn: internet).............23
Hình 1-16 (a) Bột graphite, (b) Cấu trúc của graphite (Nguồn: internet).........................23
Hình 1-17 (a) Acid acetic, (b) Cấu tạo của acid acetic (Nguồn: internet).........................26
Hình 1-18 (a) Bo mạch thông thường, (b) Bo mạch in dùng đồng (Nguồn: internet).......29
Hình 1-19 Điện cực graphite anode (Nguồn: internet).....................................................29
Hình 2-1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm.............................................................................33
Hình 2-2 Phổ XRD của hạt nano Cu................................................................................34
Hình 2-3 Cấu trúc bề mặt của nano ZnO2 được chụp bằng SEM ở các độ phóng đại
khác nhau.................................................................................................................35



5

Hình 2-4 Phổ FTIR của màng PVA (Nguồn: internet)......................................................36
Hình 2-5 Phổ EDX của ống nano TiO2 phủ ZnO..............................................................37
Hình 3-1 Sự thay đổi điện trở theo thời gian lưu của mẫu 1(100% graphite)...................39
Hình 3-2 Sự thay đổi điện trở theo thời gian lưu của mẫu 2 (graphite : than tre = 1:1)
................................................................................................................................. 40
Hình 3-3 Sự thay đổi điện trở theo thời gian lưu của mẫu 3 (100% than tre)..................41
Hình 3-4 Thử khả năng dẫn của (a) Đèn led, (b) Giấy form, (c) Mẫu 1 (100%
graphite), (d) Mẫu 2 (than tre : graphite = 1:1), (e) Mẫu 3 (100% than tre).............42
Hình 3-5 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, tính tuần hoàn
dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ......................44
Hình 3-6 Kết quả XRD của mẫu 1 (100% graphite).........................................................44
Hình 3-7 Kết quả EDX của mẫu thí nghiệm 1(100% graphite) (a) lần 1, (b) lần 2, (c) lần
3............................................................................................................................... 47
Hình 3-10 SEM của mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite) (a) Độ phóng đại 100 lần, (b)
độ phóng đại 200 lần, (c) độ phóng đại 2000 lần, (d) độ phóng đại 3000 lần...........48
Hình 3-11 SEM của mẫu thí nghiệm 2 (graphite : than tre = 1:1), (a) độ phóng đại 3000
lần, (b) độ phóng đại 5000 lần..................................................................................49
Hình 3-12 SEM của mẫu thí nghiệm 3 (100% than tre), (a) độ phóng đại 3000X, (b) độ
phóng đại 5000X......................................................................................................50
Hình 3-13 Kết quả FTIR của mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite)....................................51
Hình 3-14 Kết quả FTIR của mẫu thí nghiệm 2 (graphite : than tre = 1:1)......................52
Hình 3-15 Kết quả FTIR của mẫu thí nghiệm 3 (100% than tre).....................................53
Hình 3-16 Kết quả TGA của mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite).....................................54
Hình 3-17 Đồ thị ảnh hưởng của chất keo đến điện trở của mẫu 1 (100% graphite)........55
Hình 3-18 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian lắng đến điện trở của mẫu 1 (100%
graphite)................................................................................................................... 56



6

DANH MỤC BẢN


7

Bảng 1-1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu (Nguồn: Internet)
................................................................................................................................. 18
Bảng 1-2 Đặc điểm của các loại graphite tự nhiên...........................................................25
Bảng 2-1 Giá trị số sóng đặc trưng của một số liên kết trong phân tử..............................36
Bảng 3-1 Điện trở của mẫu 1 (100% graphite) theo thời gian lưu....................................39
Bảng 3-2 Điện trở của mẫu 2 (graphite : than tre = 1:1) theo thời gian lưu......................40
Bảng 3-3 Điện trở của mẫu 3 (100% than tre) theo thời gian lưu.....................................41
Bảng 3-4 Thành phần nguyên tố trong mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite)......................47


8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
XRD: X-ray diffraction
TGA: Thermogravimetric Analysis
SEM: Scanning Electron Microscopy
EDX hay EDS: Energy-dispersive X-ray spectroscopy
FTIR: Fourier-transform infrared spectroscopy
HCNG: hard carbon and nano graphite
GO: graphite oxide



9

CHƯƠNG 1.
1.1.

GIỚI THIỆU

Giới thiệu công nghệ nano

1.3.1. Lịch sử phát triển của công nghệ nano

Hình 1-1 Richard Phillips Feynman (1918-1988).
Richard Phillips Feynman (1918 - 1988) là một người Mỹ nhà vật lý lý thuyết,
nổi tiếng với công việc của mình trong con đường xây dựng: cơ học lượng tử , lý
thuyết về điện động lực học lượng tử, và tính chất vật lý của siêu chảy của siêu lạnh
heli lỏng, cũng như trong vật lý hạt mà ông đề xuất các mô hình Parton. Đối với những
đóng góp của ông cho sự phát triển của điện động lực học lượng tử, Feynman cùng với
Julian Schwinger và Shin'ichirō Tomonaga, nhận giải Nobel Vật lý năm 1965.
Feynman đã phát triển một sơ đồ biểu diễn hình ảnh được sử dụng rộng rãi cho các
biểu thức toán học mô tả hành vi của các hạt hạ nguyên tử, sau này được gọi là sơ đồ
Feynman. Trong suốt cuộc đời, Feynman đã trở thành một trong những nhà khoa học
nổi tiếng nhất trên thế giới. Trong một cuộc thăm dò năm 1999 của 130 nhà vật lý hàng
đầu thế giới bởi tạp chí Vật lý Anh, ông được xếp hạng là một trong mười nhà vật lý vĩ
đại nhất mọi thời đại.


10

Feynman đặt vấn đề làm sao có thể chứa toàn bộ 24 quyển Bách khoa Từ điển

Britannica với tổng cộng 25.000 trang giấy trên đầu cây kim có đường kính 1,5 mm. ng
giải thích bằng con số rất đơn giản. Muốn đặt 25.000 trang giấy trên mặt của đầu kim
ta chỉ cần thu nhỏ 25.000 ngàn lần toàn thể bộ bách khoa từ điển. Có nghĩa là những
chữ in cũng phải thu nhỏ 25.000 lần. Trong các mẫu tự, dấu chấm trên đầu chữ “i” là
ký hiệu nhỏ nhất. Sau khi thu nhỏ 25.000 lần, dấu chấm vẫn còn có một kích cỡ của tập
hợp 1000 nguyên tử. Con số 1000 nguyên tử còn rất to và cho rất nhiều lựa chọn để
con người thao tác (manipulate) bằng một phương pháp vật lý nào đó. Feynman tiếp
tục luận điểm của mình. Ông phỏng chừng có 24 triệu quyển sách trong các thư viện
trên toàn thế giới. Nếu tất cả được thu nhỏ 25.000 lần thì toàn thể sách viết biểu hiện tri
thức của loài người trên quả đất sẽ được “in” vỏn vẹn trên 35 trang giấy A4. Feynman
còn nói đến khả năng làm những sợi dây dẫn điện phân tử và các linh kiện điện tử như
transistor ở thang phân tử. Ông nói đến công cụ lớn làm nên những công cụ nhỏ hơn và
nhỏ hơn nữa để giúp con người di dời, thao tác và điều khiển nguyên tử và phân tử
theo ý mình.
Feynman phác họa khả năng hình thành một nền công nghệ mới trong đó con
người có thể di chuyển, chồng chập các loại nguyên tử, phân tử để thiết kế một dụng cụ
cực kỳ nhỏ ở thang vi mô (microscopic) hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trúc
phân tử của nó. Phương pháp đó ở thế kỷ 21 được gọi là “công nghệ nano” với cách
thiết kế từng nguyên tử một “từ dưới lên” (bottom-up method). Thật ra, kỹ thuật thu
nhỏ hay là phương pháp “từ trên xuống” (top-down method) đã là xương sống của việc
xây dựng và phát triển công nghiệp điện tử từ hơn 50 năm qua. Transistor là một linh
kiện chính trong các vi mạch của các loại dụng cụ điện tử. Nó là “linh hồn” từ cái máy
tính tay (calculator) khiêm tốn đến cái máy vi tính phức tạp. Phương pháp “từ trên
xuống” đã được áp dụng để thu nhỏ transistor có độ to ban đầu khoảng vài cm ở thời
điểm phát minh (năm 1947) cho đến ngày hôm nay thì đến bậc nm.


11

Công nghệ nano hiển thị một loạt các ứng dụng tiềm năng trong vật liệu, thông

tin, năng lượng, môi trường, cuộc sống, quân sự, sản xuất,.. là nguồn phát triển công
nghệ cao trong thế kỷ 21, sẽ mang lại những thay đổi lớn cho cuộc sống con người
trong thế kỷ 21 để nắm bắt các lĩnh vực chiến lược khoa học và công nghệ trọng điểm
cao và các tầm cao chỉ huy của nền kinh tế toàn cầu[1].
1.3.2. Định nghĩa công nghệ nano.
Nano có nghĩa là nanomet (ký hiệu: nm) bằng một phần tỷ mét (1/1.000.000.000
m), một đơn vị đo lường để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật
chất là nguyên tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử: 1 nm,
vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trùng: 25.000 nm, sợi tóc: 100.000
nm, đầu cây kim: 1 triệu nm và chiều cao con người: 2 tỷ nm.

Hình 1-2 So sánh kích thước hạt nano (Nguồn: internet)
Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế
tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích
thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10 −9 m). Ranh giới giữa công nghệ nano và
khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật
liệu nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:
-

Cơ sở khoa học nano


12

-

Phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet

-


Chế tạo vật liệu nano

-

Ứng dụng vật liệu nano
Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước cực nhỏ ở mức nanomet (nm) của

một chiều đến ba chiều. Nếu vật liệu có kích thước bằng hoặc nhỏ hơn 100 nm ở một
chiều sẽ có dạng tấm, ví dụ tấm graphene từ graphite carbon; ở hai chiều sẽ có cấu trúc
sợi hoặc hình ống như các ống nano carbon; ở ba chiều sẽ có cấu trúc hình cầu như các
hạt nano kim loại,… Các hạt nano có kích thước rất nhỏ mắt thường không nhìn thấy
được. Ở kích thước nano vật liệu có diện tích bề mặt rất lớn nên có hoạt tính hóa học
rất mạnh và các tính chất quang, nhiệt,… rất khác so với vật liệu tương ứng bình
thường.
1.3.3. Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Về
trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu
nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất
lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
-

Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn
chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano.


13

Hình 1-3 Hạt nano bạc (Nguồn: internet)
-


Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện
tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano.

a

b

Hình 1-4 (a) Ống than nano, (b) Dây nano oxit kẽm (Nguồn: internet)
-

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.


14

Hình 1-5 Màng graphene (Nguồn: Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia)
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
1.3.4. Chế tạo vật liệu nano

Hình 1-6 Phương pháp top-down và bottom-up


15

-

Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ

chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền
nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng
dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn
lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy
nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành
tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả
thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng được sử
dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không
làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều
chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết
tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội.
Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có
chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc
để tạo ra các cấu trúc nano.
-

Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ

dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm
cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ
phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp
hóa học hoặc kết hợp cả hai.
 Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ
phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang).



16

Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc
độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra
chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh).
Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví
dụ: ổ cứng máy tính.
 Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion.
Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu
cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên,
chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại:
hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,...) và
từ pha khí (nhiệt phân,...). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây
nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
 Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các
nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,...
Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng
nano, bột nano,...
1.3.5. Tổng quan về nano carbon
1.3.5.1. Tổng quan về carbon
Carbon là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu là C và số nguyên
tử bằng 6, nguyên tử khối bằng 12. Là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến,
carbon có nhiều dạng thù hình khác nhau, phổ biến nhất là 4 dạng thù hình gồm carbon
vô định hình, graphite, kim cương và Q-carbon
1.3.5.2. Tính chất của carbon
Carbon là nguyên tố đáng chú ý vì nhiều lý do. Các dạng khác nhau của nó bao
gồm một trong những chất mềm nhất (graphite) và hai trong những chất cứng nhất
(graphene và kim cương, hay fullerene - hợp chất rất cứng có thể nói là cứng nhất của



17

carbon và các hợp chất khác) cũng như là chất bán dẫn tốt nhất, hơn cả silic
(graphene). Ngoài ra, nó có ái lực lớn để tạo ra liên kết với các nguyên tử nhỏ khác,
bao gồm cả các nguyên tử carbon khác, và kích thước nhỏ của nó làm cho nó có khả
năng tạo ra liên kết phức tạp. Vì các thuộc tính này, carbon được biết đến như là
nguyên tố có thể tạo ra cỡ 10 triệu loại hợp chất khác nhau, chiếm phần lớn trong các
hợp chất hóa học .Các hợp chất của carbon tạo ra nền tảng cho mọi loại hình sự sống
trên Trái Đất và chu trình carbon-nitơ dự trữ và tái cung cấp một số năng lượng được
sản sinh từ Mặt Trời và các ngôi sao.
Carbon cũng có điểm thăng hoa cao nhất trong tất cả các nguyên tố. Trong điều
kiện áp suất khí quyển nó không có điểm nóng chảy vì điểm ba trạng thái của nó ở tại
10,8 ± 0,2 MPa và 4600 ± 300K (~ 4.330 °C hay 7.820F), do đó nhiệt độ thăng hoa của
nó trong trường hợp này vào khoảng 3.900K.
1.3.5.3. Các dạng thù hình
Các thù hình của carbon là khác nhau về cấu trúc mạng nguyên tử mà các
nguyên tử tinh khiết có thể tạo ra. Ba dạng được biết nhiều nhất là carbon vô định hình,
graphite và kim cương. Một số thù hình kỳ dị khác cũng đã được tạo ra hay phát hiện
ra, bao gồm các fullerene, carbon ống nano, lonsdaleit và q-carbon. Muội đèn bao gồm
các bề mặt dạng graphite nhỏ. Các bề mặt này phân bổ ngẫu nhiên, vì thế cấu trúc tổng
thể là đẳng hướng. Carbon thủy tinh là đẳng hướng và có tỷ lệ độ xốp cao. Không
giống như graphite thông thường, các lớp graphite không xếp lên nhau giống như các
trang sách, mà chúng có sự sắp xếp ngẫu nhiên.
Ở dạng vô định hình, carbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphite nhưng
không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là
thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.


18


a

b

Hình 1-7(a) Carbon vô định hình, (b) Cấu trúc tinh thể của carbon vô định hình.
(Nguồn: internet)
Ở áp suất bình thường carbon có dạng của graphite, trong đó mỗi nguyên tử liên
kết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng tạo ra các vòng lục giác, giống như các vòng
trong các hyđrocarbon thơm. Có hai dạng của graphite đã biết, là alpha (lục giác) và
beta (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giống nhau, ngoại trừ về cấu trúc
tinh thể. Các loại graphite có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trong
khi graphite tổng hợp chỉ có dạng alpha. Dạng alpha có thể chuyển thành dạng beta
thông qua xử lý cơ học và dạng beta chuyển ngược thành dạng alpha khi bị nung nóng
trên 1000°C. Vì sự phi tập trung hóa của các đám mây pi, graphite có tính dẫn điện.
Vật liệu vì thế là mềm và các lớp, thường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác,
được giữ cùng nhau chỉ bằng các lực van der Waals, vì thế chúng dễ dàng trượt trên
nhau.


19

a

b

Hình 1-8 (a) Graphite dạng khoáng vật, (b) Cấu trúc của graphite (Nguồn: internet)
Ở áp suất cực kỳ cao các nguyên tử carbon tạo thành thù hình gọi là kim cương,
trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác. Kim cương có cấu trúc lập
phương như silic và gecmani và vì độ bền của các liên kết carbon-carbon, cùng với
chất đẳng điện nitrua bo (BN) là những chất cứng nhất trong việc chống lại sự mài

mòn. Sự chuyển hóa thành graphite ở nhiệt độ phòng là rất chậm và khong thể nhận
thấy. Dưới các điều kiện khác, carbon kết tinh như là Lonsdaleit, một dạng giống như
kim cương nhưng có cấu trúc lục giác.

a

b

Hình 1-9 (a) Kim cương, (b) Cấu trúc kim cương (Nguồn: internet)


20

Các fulleren có cấu trúc giống như graphite, nhưng thay vì có cấu trúc lục giác
thuần túy, chúng có thể chứa 5 (hay 7) nguyên tử carbon, nó uốn cong các lớp thành
các dạng hình cầu, elip hay hình trụ. Các thuộc tính của các fulleren vẫn chưa được
phân tích đầy đủ. Tất cả các tên gọi của các fulleren lấy theo tên gọi của Buckminster
Fuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, nó bắt chước cấu trúc của các
"buckyball".

Hình 1-10 Cấu trúc fullerene (Nguồn: internet)
1.4.

Cơ sở khoa học để chế tạo mực dẫn điện bằng công nghệ nano

1.4.1. Ưu điểm vượt trội về đặc trưng của công nghệ nano
1.4.1.1. Hiệu ứng bề mặt:
Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số
nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ: xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu.
Nếu gọi ns là số nguyên tử nẳm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa

hai con số trên là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ
là f = ns=4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt
nano. Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên.


21

Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các
nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên
quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng.
Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f tăng lên đáng kể. Sự thay
đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay
đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục.
Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng
bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu
khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ
qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng.
Bảng 1-1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu (Nguồn: Internet)
Đường kính

Số nguyên

Tỷ số

Năng lượng

Năng lượng bề

hạt nano(nm)


tử

nguyên tử

bề mặt

mặt/Năng lượng

trên bề mặt

(erg/mol)

tổng (%)

(%)
10

30.000

20

4,8×1011

7,6

5

4000

40


8,6×1011

14,3

5

4000

40

8,6×1011

8,2

1

30

90

9,23×1012

8,2

1.4.1.2. Hiệu ứng kích thước:
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật
liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu,
mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của



22

rất nhiều các tính chất của vật liệu rơi vào kích thước nm. Chính điều này đã làm nên
cái tên “vật liệu nano” mà ta thường nghe đến ngày nay.
Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn
đến các tính chất vật lý đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên
tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật
liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Đối với kim loại,
quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho một
dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng
đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm
cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi
dây.
Khi chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng
đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế
không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e 2/h, trong đó e là điện
tích của điện tử, h là hằng số Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều
tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi.
Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển – lượng tử trong các vật liệu
nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm
lượng tử).
1.4.2. Các phương pháp đánh giá mực dẫn điện carbon
Các phương pháp đánh giá giá trị mực dẫn điện:
-

XRD (X-ray diffraction): phương pháp dùng để phân tích cấu trúc thông qua

đỉnh phổ và cường độ đỉnh phổ, ta có thể tính toán và suy ra trong khối vật rắn đó
có những chất gì và hàm lượng C có trong dung dịch mực.



23

b

a

Hình 1-11 (a) Máy quang phổ nhiễu xạ tia X, (b) Cơ chế nhiễu xạ tia X (Nguồn:
internet)
-

EDX hay EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy): là kỹ thuật phân tích

xác định các thành phần có trong chất rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ
mẫu vật rắn do tương tác với các bức xạ (chùm điện tử có năng lượng cao trong các
kính hiển vi điện tử.

a

b

Hình 1-12 (a) Máy EDX, (b) Nguyên lý của phép đo EDX (Nguồn: internet)
-

SEM (Scanning Electron Microscope): kính hiển vi điện tử quét là phương pháp

dùng một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt
mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên



24

bề mặt mẫu. Khi đó điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ
nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM
thường chỉ từ 10kV đến 50kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm
điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử
được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Ăngstrong
đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các
cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện
tử hội tụ. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo
ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các
bức xạ: điện tử thứ cấp và điện tử tán ngược.

a

b

Hình 1-13 (a) Máy SEM, (b) Nguyên lý hoạt động của SEM (Nguồn: internet)
-

TGA (Thermogravimetric Analysis): là phương pháp dựa trên cơ sở xác định

khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi (hoặc nhận vào) trong quá trình chuyển pha
như là một hàm của nhiệt độ. TGA nhằm xác định khối lượng bị mất trong quá trình