Chương 6: ỐNG NANO CARBON Các ống nanô cácbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) là các d ạng thù hình của cacbon. Một ống nano cacbon đơn lớp là m ột 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 điện tử, quang học, và một số ngành khoa học vật liệu khác. Chúng thể hiện độ bền đáng kinh ngạc và các tính chất điện độc đáo, và độ dẫn nhiệt hiệu quả. Các ống nano vô cơ cũng đã được tổng hợp. Ống nano l à một loại cấu trúc fullerene, trong đó cũng bao gồm cả buckyball. Trong khi buckyball có dạng hình cầu, một ống nano lại có dạng hình trụ, với ít nhất một đầu được phủ bởi một bán cầu có cấu trúc buckyball. Tên của chúng được đặt theo hình dạng của chúng, do đường kính của ống nano v ào cỡ một vài nanomet (xấp xỉ nhỏ hơn 50.000 lần một sợi tóc), trong khi độ dài của chúng có thể lên tới vài milimet. Các nhà nghiên cứu ở đại học Cincinnati (UC) đ ã phát triển một quá trình để xây mạng thẳng hàng các ống nano cacbon cực dài. Họ đã có thể sản xuất các ống nano cacbon dài 18mm [1] và có thể xoắn lại thành các sợi nano cacbon. Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ống nano đa lớp (MWNT). B ản 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 được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp 2 , tương tự với than chì. Cấu trúc liên kết này, mạnh hơn các liên kết sp 3 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 thừng" được giữ với nhau bởi lực Van der Waals. Dưới áp suất cao, các ống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp 2 cho liên k ết sp 3 , tạo ra khả năng sản ra các sợi dây khỏe, độ dài không giới hạn 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 (C h ) trong m ột tấm than chì vô h ạn mà mô tả cách "cuộn" tấm than chì để tạo ống nano. T thể hiện trục của ống, và a 1 với a 2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thực Phần lớn các ống nano đơn lớp (SWNT-Single Wall Nanotube) có đường kính gần 1 nanomet, với độ dài đường ống có thể gấp hàng nghìn l ần như vậy. Cấu trúc của một SWNT có thể được hình dung là cu ộn một lớp than chì độ dày một-nguyên-tử (còn gọi là graphene ) thành một hình trụ liền. Cách mà tấm graphene được cuộn như vậy được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m) gọi là vector chiral. Các s ố nguyên n và m là số của các vector đơn vị dọc theo hai 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 là "gh ế bành". Nếu không, chúng được gọi là "chiral". Ống nano đơn lớp là loại ống nano cacbon cực kì quan trọng bởi chúng thể hiện các tính chất điện quan trọng mà không ống nano đa lớp nào có được. Các ống nano đơn lớp l à ứng cử viên sáng giá trong vi ệc thu nhỏ kích thước sản phẩm ngành cơ điện từ cỡ micro hiện nay xuống còn nano. Sản phẩm căn bản của ngành này là dây điên, mà SWNT lại dẫn điện rất tốt [3] . Một ứng dụng hữu ích khác của SWNT là trong việc phát triển các transitor cảm ứng (FET- field effect transitor) n ội phân tử. Việc sản xuất cửa luận lý (logic gate) đầu tiên sử dụng FET làm bằng SWNT gần đây đã trở thành hi ện thực [4] . Bởi vì SWNT trở thành p-FET khi tiếp xúc với oxy và n-FET khi không ti ếp xúc với oxy, chúng đều có thể bảo vệ một nửa SWNT khỏi bị tiếp xúc vói oxy, trong khi cho tiếp xúc với oxy nửa còn lại. Kết quả là một SWNT đơn có thể hoạt động như một cửa 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 mỗi gam vào năm 2000, và việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu 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 sẽ trở thành cản trở về mặt tài chính trên con đường đưa ống nano đơn lớp ra ứng dụng trong thực tế. [5] Một vài nhà cung cấp phân phối 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 A single strand of carbon atoms (red) is contained in a multi- walled carbon nanotube. Thanh cacbon đa lớp Fullerite Torus A torus A torus is the product of two circles. A triple torus . có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, và một số ngành khoa học vật liệu khác. Chúng thể hiện độ bền đáng kinh ngạc và các tính. Chương 6: ỐNG NANO CARBON Các ống nanô cácbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) là các d ạng thù. việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu 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 sẽ trở thành cản trở về