TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ - - TÌM HIỂU VỀ ỐNG NANO CARBON VÀ ỨNG DỤNG Luận văn tốt nghiệp Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S Lê Văn Nhạn Nguyễn Thị Thanh Bình Mã số SV: 1117538 Lớp: Sư phạm Lý -Tin Khóa: 37 Cần Thơ, 5-2015 LỜI CẢM ƠN  Sau thời gian dài học tập nghiên cứu em cố gắng hoàn thành đề tài luận văn Tìm hiểu ống nano carbon đề tài hay bổ ích mẻ lạ lẫm với em Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành gửi đến quý Thầy cô thuộc môn sư phạm Vật lý lời cảm ơn sâu sắc, Thầy cô truyền đạt kiến thức kinh nghiệm cho em năm tháng giảng đường Đại Học Đó hành trang vững không giúp em hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp mà tảng cho nghiệp em tương lai Đặc biệt, em xin gửi lời biết ơn chân thành đến thầy hướng dẫn ThS.Lê Văn Nhạn trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình cho em suốt trình thực nghiên cứu đề tài luận văn Cuối lời, em xin kính chúc quý thầy cô bạn dồi sức khỏe công tác tốt Em xin chân thành cảm ơn Cần Thơ, tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Thị Thanh Bình NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN Cần Thơ, ngày tháng 05 năm 2015 Giảng viên hƣớng dẫn ThS – Lê Văn Nhạn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết phân tích luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu trước Mọi tham khảo, trích dẫn rõ nguồn danh mục tài liệu tham khảo luận văn Cần Thơ, ngày 24 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng MỤC LỤC MỤC LỤC i PHẦN MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI GIẢ THUYẾT KHOA HỌC NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CÁC THUẬT NGỮ PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO 1.1 Công nghệ nano gì? 1.2 Cơ sở khoa học công nghệ nano 1.2.1 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lƣợng tử 1.2.2 Hiệu ứng bề mặt 1.2.3 Kích thƣớc tới hạn 1.3 Vật liệu Nano 1.3.1 Dạng cầu 1.3.1.1 Điểm lượng tử (QD) 1.3.1.2 Dendrimer 1.3.1.3 Lỗ nano (nanopore) 10 1.3.1.4 Vỏ nano (Nanoshell) 10 1.3.1.5 Hạt nano (Nanoparticle) 10 1.3.2 Dạng 10 1.3.2.1 Ống nano (Nanotube – NT ) 11 1.3.2.2 Dây nano 11 GVHD: ThS Lê Văn Nhạn i SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng 1.3.2.3 Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC) 11 1.3.2.4 Que nano (Nanorod) 12 1.4 Chế tạo vật liệu nano 13 1.4.1 Phƣơng pháp từ xuống 13 1.4.2 Phƣơng pháp từ dƣới lên 13 1.5 Các nguyên lý hiệu ứng dùng 14 1.6 Các thiết bị dùng việc nghiên cứu quan sát cấu trúc nano 15 1.7 Điều chế vật liệu 15 1.8 Các phƣơng pháp tính toán 16 CHƢƠNG : ỐNG NANO CARBON 17 2.1 Tổng quan carbon cấu trúc nano 19 2.1.1 Graphite graphene 20 2.1.2 Cấu trúc carbon nano dạng hình cầu 21 2.1.2.1 Than đen 21 2.1.2.2 Cấu trúc carbon nano không định hình C60, C70 21 2.1.2.3 Carbon dạng củ hành 22 2.1.2.4 Carbon xốp 22 2.2 Khái niệm ống nano carbon 23 2.3 Cấu tạo ống nano carbon 23 2.4 Các loại ống nano carbon 25 2.4.1 Ống nano đơn lớp (SWNT – Single Wall Nanotube) 25 2.4.2 Ống nano đa lớp (MWNT – Multi Wall Nanotube) 27 2.5 Một số tính chất ống nano carbon 33 2.5.1 Tính chất dẫn điện 33 2.5.2 Hiệu ứng từ 34 2.5.3 Tính chất quang 35 2.5.4 Tính chất nhiệt 35 2.5.5 Tính chất học 36 2.5.6 Tính chất hóa học 37 2.5.7 Tính chất phát xạ điện tử trƣờng 37 GVHD: ThS Lê Văn Nhạn ii SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng Quy trình tổng hợp carbon nano 37 2.6.1 Phƣơng pháp hồ quang 38 2.6.2 Phương pháp cắt lazer 39 2.6.4 Phƣơng pháp nghiền bi ủ nhiệt 40 2.6.5 Phƣơng pháp phân hủy xúc tác khí chứa carbon 40 CHƢƠNG : MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NANO CARBON 43 3.1 Pin lƣu trữ điện dựa ống nano carbon 43 3.1.1 Kỹ thuật chế tạo 43 3.1.2 Ứng dụng : 44 3.1.3 So sánh với pin truyền thống: 45 3.1.4 Siêu tụ điện: 45 3.2 Cải thiện tính siêu dẫn ống nano carbon 46 3.2.1 Đặc điểm magnesium diboride 46 3.2.2 Chế tạo 47 3.2.3 Giải thích 47 3.3 Cảm biến khối lƣợng có độ xác tới khối lƣợng nguyên tử 48 3.3.1 Nguyên tắc hoạt động 48 3.3.2 Kiểm tra phẩm chất thiết bị 49 3.3.3 Ƣu điểm 49 3.4 Chế tạo điốt nano kiểm soát đƣợc 49 3.5 Ứng dụng ống carbon vào hình TV 50 3.5.1 Màn hình ống nano carbon 25” 50 3.5.2 Ứng dụng ống nano vào hình FED 50 3.6 Dệt sợi tƣơng lai với nano carbon 51 3.6.1 Quy trình se sợi : 51 3.6.2 Kết : 52 3.7 Cảm biến công nghệ Nano 52 3.7.2 Tĩnh điện kế 53 3.7.3 Cảm biến hóa học 53 3.7.4 Cảm biến sinh học 54 GVHD: ThS Lê Văn Nhạn iii SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng 3.7.4.1 Cấu tạo 54 3.7.4.2 Chíp cảm biến sinh học 54 CHƢƠNG : NHỮNG HẠN CHẾ CỦA CÔNG NGHỆ NANO 56 4.1 Độc tính hai loại vật liệu nano phổ thông 56 4.2 Ảnh hƣởng độ dài sợi nano carbon 57 4.3 Kết luận hạn chế công nghệ nano 58 PHẦN KẾT LUẬN 59 GVHD: ThS Lê Văn Nhạn iv SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng PHẦN MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Sự phát minh thuyết lượng tử cấu tạo trình biến đổi vật chất vào năm đầu kỷ 20 dẫn đường cho phát triển nhiều ngành khoa học tự nhiên lĩnh vực công nghệ cao Bước vào kỷ 21, nhà vật lý lại mở kỷ nguyên lịch sử phát triển khoa học công nghệ giới: đời khoa học công nghệ nano Nhắc đến công nghệ nano không nhắc đến ống nano carbon (nanotube) Ống nano carbon tiêu biểu cho vật liệu nano, nguyên liệu đặc thù công nghệ nano Người ta nói cách văn vẻ : giới nano có ông vua gậy quyền uy (vương trượng) ông vua ống nano carbon Ống nano carbon có tính chất hóa lý kỳ diệu fullerence Người ta định độ bền (strength) độ cứng (stiffness) ống nano carbon Nó nhẹ thép đến lần lại bền thép hàng trăm lần Như vậy, nói ống nano vật liệu có tính cao so với vật liệu người ta biết từ trước đến Từ ống nano carbon làm nguồn phát điện; hình tivi siêu mỏng; chip cảm biến; transitor trường; nhớ Với tính chất lạ thường, lại xuất vào thời kỳ mà công nghệ nano trội nên ứng dụng giới thừa nhận Công nghệ nano ứng dụng tính chất vô đặc biệt ống nano carbon để làm nhiều loại linh kiện, vật liệu mà trước chưa nghĩ có ngày làm Ảnh hưởng ống nano carbon đến phát triển công nghệ nano to lớn Tạp chí Science et Avenir (Khoa học tương lai) Pháp năm 2002, nêu lên gọi “Bảy kỳ quan giới nano” , mạnh dạn xếp ống nano carbon kỳ quan số Chính tính ưu việt ứng dụng bật nên chọn đề tài : “Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng” để làm luận văn tốt nghiệp cho MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu vấn đề liên quan đến ống nano carbon, từ đúc kết viết thành tài liệu gồm nội dung : - Cơ sở lý thuyết công nghệ nano ống nano carbon - Giới thiệu số phương pháp chế tạo quy trình tổng hợp nano carbon - Một vài ứng dụng tiêu biểu ống nano carbon GVHD: ThS Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Sinh viên có thêm tài liệu, thêm kiến thức công nghệ nano đặc biệt ống nano carbon, ứng dụng tiêu biểu Từ tiếp tục tìm hiểu sâu hơn, tham gia nghiên cứu, phát minh nhiều ứng dụng hiệu NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Hiểu hoàn thành tài liệu ống nano carbon, phương pháp chế tạo tổng hợp nano carbon, ứng dụng sống đại ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU - Cơ sở khoa học công nghệ nano - Các tính chất quy trình tổng hợp ống nano carbon - Một số ứng dụng ống nano carbon PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 6.1 Phƣơng pháp: Nghiên cứu lý thuyết: sưu tập nhiều tài liệu liên quan, xây dựng giả thuyết, phân tích tổng hợp lý thuyết mà viết nên sở lý luận đề tài Tìm hiểu ứng dụng thực tế ống nano carbon tất lĩnh vực, tổng hợp, lựa chọn xếp cách logic 6.2 Phƣơng tiện : - Sử dụng tài liệu sách tham khảo, báo chí, trang web, có liên quan đến công nghệ nano ống nano carbon - Sử dụng máy vi tính để hỗ trợ nghiên cứu trình bày đề tài CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Thu thập kiến thức, sưu tầm tài liệu, nghiên cứu sở lý luận ống nano carbon - Trao đổi nội dung nhận định - Hệ thống hóa tài liệu thiết lập để nghiên cứu - Viết thảo - Xin ý kiến đánh giá điều chỉnh theo hướng dẫn giảng viên hướng dẫn - Hoàn thành đề tài nộp viết CÁC THUẬT NGỮ CNT ( Carbon Nanotube) : ống nano carbon TEM (Trasmision Electron Microscope) : kính hiển vi điện tử truyền qua GVHD: ThS Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng 3.2.2 Chế tạo - Các mẫu khối MgB2 có chất lượng cao chế tạo phương pháp xâm nhập Mg pha tạp ống nano carbon có hai lớp (DWNTs), sau tiến hành đo tính chất điện từ thiết bị phổ thông từ kế - Khoảng 3.5% nguyên tử DWNTs pha tạp vào tạo tính chất tối ưu cho MgB2 với giá trị mật độ dòng tới hạn lên tới 5.104 A/cm (trường 5T) từ trường tới hạn lên tới 44T (ở nhiệt độ 5K) Một giá trị khác ghi lại từ trường tới hạn 41,9 T 4K hàm lượng pha tạp 10% nguyên tử (H3.3) Tức từ trường tới hạn cải thiện tới lần mật độ dòng tới hạn nâng lên tới 2,5 lần Hàm lượng DWNTs xác định xác cách phân tích cấu trúc tinh thể phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 3.3 3.2.3 Giải thích: - Kết lý giải vai trò DWNTs cấu trúc MgB Đầu tiên, ống nano carbon hòa tan phần vào ma trận MgB tác động nguồn carbon làm tăng giá trị trường tới hạn lên giá trị cao quan sát Thứ hai, tỉ phần ống nano carbon giữ nguyên cấu trúc nó, tác động tâm hãm lốc xoáy (vortex pinning centres) MgB 2, làm tăng đáng kể giá trị mật độ dòng tới hạn GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 47 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng - Các nhà vật lý cho tăng cường mô tả mô hình lý thuyết sử dụng lý thuyết siêu dẫn khe, MgB Và phần khác sử dụng vật liệu ứng dụng thực tế nam châm siêu dẫn Công trình hướng mở cho việc tạo cuộn dây siêu dẫn có từ trường lớn nhờ việc cải thiện giá trị từ trường tới hạn 3.3 Cảm biến khối lƣợng có độ xác tới khối lƣợng nguyên tử Các nhà vật lý Mỹ Đại học California, Berkeley vừa xây dựng linh kiện cho phép xác định khối lượng vật thể nhẹ tới khối lượng nguyên tử vàng 3.3.1 Nguyên tắc hoạt động - Thiết bị hoạt động cách gắn vật cần đo vào ống nano carbon hai lớp có chứa hai ống carbon đồng trục có chiều dày lớp nguyên tử Vật thể làm giảm tần số dao động ống nano với độ thay đổi tỷ lệ thuận với khối lượng vật thể - Linh kiện gọi “khối phổ ký nano cơ” (nanomechanical mas spectrometer) Một đầu ống nano hai lớp có đường kính khoảng 2mm, chiều dài cỡ 200nm gắn với điện cực âm đầu đặt tự để rung Một điện cực dương đặt gần đầu tự ống nano điện tử di chuyển từ đầu ống nano sang điện cực dương Độ lớn dòng điện tử phụ thuộc vào tần số dao động ống Bằng cách đo dòng điện này, kiểm soát thay đổi tần số ghi lại thông tin có vật nhỏ bám vào đầu ống Hình 3.4 Ảnh chụp ống nano carbon mô hình linh kiện ( Các nguyên tử vàng bay từ buồng chân không siêu cao bám vào ống carbon làm giảm tần số giao động hình c mạch điện linh kiện.) GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 48 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng 3.3.2 Kiểm tra phẩm chất thiết bị Đưa số lượng nhỏ nguyên tử vàng (Au) vào buồng chân không đảm bảo số chúng bám vào đầu dao động ống nano Một cách xác đâu nguyên tử vàng riêng biệt bám vào ống nano trình ngẫu nhiên, nghĩa tần số thay đổi bước nhảy bất thường Bằng cách sử dụng phân tích thống kê để nghiên cứu thay đổi xác định khối lượng đơn nguyên tử vàng Phân tích khối lượng nguyên tử vàng “cân” 0,29 ± 0,05zg (1zg = 10 -24 g) Nó hoàn toàn phù hợp với kết từ khối phổ ký truyền thống 0,327zg Và độ nhạy thiết bị 0,13zg.Hz -1/2, kết tốt khối phổ kế vi Theo thời gian, lượng nguyên tử bám vào tăng dần làm tần số bị giảm dần độ thay đổi tần số tỉ lệ thuận với khối lượng bám vào 3.3.3 Ƣu điểm - Tuy linh kiện vi đo khối lượng hầu hết linh kiện khác làm từ vật liệu silicon, có cộng hưởng dày nặng nhiều so với ống nano carbon Tức chúng nhạy thay đổi khối lượng nhỏ - Không cần đến trình ion hóa nguyên tử phân tử cần đo Do sử dụng để nghiên cứu phân tử lớn dễ gãy mà bị phá hủy khối phổ kế 3.4 Chế tạo điốt nano kiểm soát đƣợc Trước đây, điốt nano làm cách liên kết hai ống nano carbon có đặc tính điện tử khác Trong mạch silicon đại, điốt chế tạo cách đưa tạp chất nguyên tử vào silicon – tiến trình gọi “doping” Tuy nhiên, phương pháp khó áp dụng với ống nano carbon làm thay đổi đặc tính chúng Ji- Ung Lee đồng nghiệp thuộc Trung tâm Nghiên cứu Toàn cầu General Electric (Mỹ) chế tạo loại điốt nano hiệu Họ sử dụng điện trường để thay đổi đặc tính ống nano carbon đơn nhằm biến thành điốt Thay bổ sung tạp chất, họ sử dụng điện trường Cách tạo loại mạch nano linh hoạt Nguyên nhân thay đổi điện trường để biến đổi tính chất điốt Ƣu điểm : Điốt thiết bị điện tử quan trọng kiểm soát hướng dòng điện mạch Trong thử nghiệm, điốt hoạt động tốt so với điốt nano trước GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 49 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng Kỹ thuật nhóm Lee phát triển có nhiều lợi rõ ràng điốt thường kiểm soát Hạn chế : Một vấn đề lớn chế tạo ống nano với đặc tính điện tử dự đoán Điôt không kiểm soát hướng dòng điện mạch mà tạo nên tảng cho phần lớn dạng bóng bán dẫn – linh kiện điện tử quan trọng sử dụng để bật, tắt dòng điện Loại điốt loại n-p 3.5 Ứng dụng ống carbon vào hình TV Ứng dụng ống nano carbon vào hình tinh thể lỏng giải pháp hứa hẹn giảm chi phí sản xuất, tăng độ phân giải chất lượng hình ảnh cho thiết bị Công nghệ sử dụng tập hợp ống nano thay cho dạng nguồn sáng truyền thống bóng đèn diode phát quang để phản chiếu hình ảnh lên hình 3.5.1 Màn hình ống nano carbon 25” Tivi màu 25” cho hình ảnh sáng đẹp sinh động công nghệ khác nhờ công nghệ ống nano carbon Màn hình 25” cho khung hình hiển thị thực với đường chéo 22” đạt độ phân giải 280x200 pixel, hình loại bỏ tượng bóng ma thường gặp tivi số công nghệ LCD Plasma nên đặc biệt thích nghi để hiển thị thước phim hành động 3.5.2 Ứng dụng ống nano vào hình FED Được đánh giá bước dòng hình phẳng, TV FED (Field Emission Display) thành thực nhờ vào nghiên cứu ống nano carbon TV FED hứa hẹn hình hệ mới, sáng hiệu plasma, có độ tin cậy cao LCD, cồng kềnh so với CRT Nghiên cứu nhóm trường đại học, chứng minh đặc tính dẫn phát từ trường nhiều ống nano carbon bao bọc Các nhà nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử quét để thu liệu từ ống nano phát triển từ hóa học phương pháp đọng chất lỏng siêu hạn Họ nhận thấy đặc tính ống nano phụ thuộc vào cấu trúc ống Nghiên cứu quan trọng cho nhà sản xuất TV cho phép họ tạo ống nano với đặc điểm khả thi để dùng TV FED Màn hình FED sử dụng ống catốt hệ thống loại phốt CRT trì cấu trúc ma trận hệ thống điểm ảnh khí phốt dòng plasma Thay tia tổng hợp kích thích vỏ phốt phát ánh sáng, hình FED CNT sử dụng ống nano phát electron, kích thích trực tiếp phốt Điều tương tự hình plasma sử dụng khí tích điện để phát ánh sáng tử ngoại, kích thích phốt ngược trở lại điểm ảnh GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 50 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng * Nguyên tắc hoạt động : FED giống hình CRT loại mỏng, sử dụng ống chân không (vacuumfilled chamber) bề mặt thủy tinh có tráng phốt (phosphor) Tuy nhiên, thay chiếu sáng hạt phốt với ba súng bắn tia liên tục quét toàn hình, FED sử dụng hàng trăm triệu phát sáng hình nón cố định (stationary cone-shaped emitter), với khoảng 1600 bộ/pixed (điểm ảnh) Một số FED thiết kế với mức phát sử dụng điện áp thấp cường độ dòng cao Một số khác lại sử dụng điện áp cao cường độ dòng thấp, tương tự hình CRT chuẩn Hình 3.6 Công nghệ FED Hình 3.6 mô tả mặt lý thuyết nguồn lượng phát từ đỉnh hình nón tới bề mặt phốt (anode – cực dương) Các điện tử (electrons) tích điện âm (-) từ đỉnh nón phát dãy cổng (gate row) tích điện dương (+) Các điện tử sau di chuyển thành luồng đập vào bề mặt phốt nạp điện dương mạnh (+++) vào thời điểm – Red Sub-pixel Các điểm ảnh “tiếp cận” 180 lần/ giây Do mức độ làm tươi hình ảnh cao (very high refresh rate) Vì điểm ảnh hình FED hỗ trợ nhiều ống nano, 20% ống điểm ảnh hỏng lý đó, điểm ảnh không bị chết hình LCD TV FED có thời gian xử lý tốt plasma Vì hình ảnh bị mờ vấn đề 3.6 Dệt sợi tƣơng lai với nano carbon Các nhà khoa học Anh vừa phát triển phương pháp xe sợi nano carbon – loại vật liệu kỳ diệu, tiến tới việc sản xuất sợi nano carbon quy mô công nghiệp GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 51 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng Trước đây, ống nano carbon se thành sợi Tuy nhiên, làm điều trực tiếp khó khăn Với phương pháp mới, chuyên gia Viện Cambridge-MIT (CMI) tiến thêm bước tới việc sản xuất sợi nano carbon quy mô công nghiệp [10] 3.6.1 Quy trình se sợi : Diễn lò luyện Khoa Khoa học Vật liệu Luyện kim, ĐH Cambridge thiết kế Quy trình liên tiếp tạo sợi từ vùng phản ứng Ống nano carbon nhanh chóng tạo cách phun carbon chất xúc tác sắt nano vào lò luyện nhiệt độ 1.200ºC Sau đó, loại “khói đen đàn hồi” (aerogel) hình thành bắt đầu dính vào thành lò để tạo sợi Tiếp đến, trục quay sợi aerogel thành với vận tốc vài centimet giây 3.6.2 Kết : Nhóm nghiên cứu có loại sợi màu đen kỳ lạ mịn Nó bền không sợi vải dẫn điện Năm 2000, nhóm nhà khoa học Pháp thuộc Trung tâm Nghiên cứu Paul Pascal, ĐH Bordeaux, tạo sợi nano carbon dạng dải Nhóm nghiên cứu giáo sư Ray Baughman phát trình se sợi ống nano với tính cao thép tương ứng với sợi tơ nhện Độ cứng sợi ống nano Baughman 1/10 độ cứng ống nano riêng lẻ có độ bền cao Sợi thu có độ bền độ dai tăng lên nhiều lần Vài phần trăm ống nano carbon gia tăng độ bền độ cứng polymer lên nhiều Hình 3.8 Sợi nano carbon sau dệt 3.7 Cảm biến công nghệ Nano Hiện có cảm biến ứng dụng hoàn toàn công nghệ nano, Georgia phát minh thiết bị đối trọng nhỏ giới nhờ lợi dụng đặc tính điện đặc biệt ống nano carbon Nguyên tắc : Gắn phân tử lên đầu ống nano carbon cho dòng điện chạy qua Nó hoạt động khỏe linh hoạt lò xo mà không bị gãy Các nhà GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 52 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng nghiên cứu đếm tần số dao động cộng hưởng ống nano carbon có hạt phân tử Phương pháp dùng để đo độ dao động hạt đơn phân tử sinh học phân tử 3.7.2 Tĩnh điện kế Một thiết bị tĩnh điện kế sử dụng công nghệ nano Cleland Roukes thuộc viện nghiên cứu công nghệ California tạo Tĩnh điện kế gồm có cộng hưởng xoắn, cực phát hiện, cực nửa Loại tĩnh điện kế nano có dải phát dải tần thấp cho kết chuẩn so với loại tĩnh điện kế có 3.7.3 Cảm biến hóa học: Trong nhiều năm qua có nhiều loại cảm biến khí sử dụng công nghệ nano nghiên cứu phát triển Chẳng hạn cảm biến khí hyđrô nối với mạng cảm biến không dây để phát khí hyđrô môi trường, cảm biến hóa học dùng để phát phân tử khí NO NH3 SnifferSTAR, hệ thống cảm biến hóa học đa nhẹ (Hình 3.11), ví dụ điển hình tiềm ứng dụng công nghệ nano chiến trường Hệ thống đặc biệt sử dụng vật liệu nano đặc biệt để thu thập mẫu vật mục tiêu quân Trong tương lai SnifferSTAR sử dụng quân đội, an ninh quốc phòng, thiết bị lý tưởng cho loại phương tiện không người lái loại máy bay không người lái Hình 3.11 Cảm biến nano hóa học SnifferSTAR tích hợp máy bay không người lái GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 53 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng 3.7.4 Cảm biến sinh học: Bên cạnh hóa học vật lý, công nghệ nano tiến dần vào lĩnh vực sinh học Công nghệ nano giúp tạo loại cảm biến có độ nhạy cao, có khả phát đa dạng phân tử sinh học [11] 3.7.4.1 Cấu tạo: Các nhà khoa học thuộc NASA gắn hàng triệu CNTs có kích thước từ 3050nm lên bề mặt chip silicon Khi ống nano có gắn DNA nhúng vào dung dịch có vô số phân tử DNA thả sẵn vào dung dịch từ truớc, DNA chip hút phân tử dung dịch tự tăng thêm suất dẫn điện Bằng cách nhà khoa học tạo thiết bị cảm biến đa 3.7.4.2 Chíp cảm biến sinh học Các chuyên gia thuộc ĐH Illinois (Hoa Kỳ) dùng ống nano carbon để chế tạo thành công chip cảm biến sinh học Đây chip cảm biến dò chất ô nhiễm mức tế bào Hình 3.14 Chíp cảm biến [12] Nguyên tắc : Các nhà khoa học nghiên cứu mẩu DAN dạng dung dịch xoắn kép quanh bề mặt ống nano carbon thành ống có lớp đơn Do vậy, DNA có hình dạng định Khi DNA phơi nhiễm với ion nguyên tử định canxi, thủy ngân natri, hình dạng thay đổi Hình dạng thay đổi làm cho diện tích bề mặt phủ DNA giảm đi, khiến cấu trúc điện tử bị xáo trộn Do đó, khả phát huỳnh quang cận hồng ngoại tự nhiên ống nano bị chuyển xuống mức lượng thấp Sự thay đổi mức lượng lượng ion bám vào DNA Loại bỏ ion phục hồi mức lượng cho DNA Như vậy, tái sử dụng chip cảm biến Ƣu điểm : Chip cảm biến có khả dò lượng ion thủy ngân mức thấp máu, mô tế bào động vật có vú GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 54 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng Ngoài nhiều ứng dụng khác: Cảm biến nano có tiềm ứng dụng nhiều lĩnh vực khác giao thông đường bộ, đường thủy, đường hàng không vũ trụ; viễn thông; cho tòa nhà; phục vụ trực tiếp người (như kiểm tra sức khỏe), phục vụ cho ngành robot Ngoài ra, cảm biến nano ngày tích hợp rộng rãi thiết bị sản phẩm quân Nhiều công ty có kế sản xuất vật liệu nano hàng loạt có cảm biến nano GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 55 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng CHƢƠNG : NHỮNG HẠN CHẾ CỦA CÔNG NGHỆ NANO 4.1 Độc tính hai loại vật liệu nano phổ thông Hình 4.1 Các hạt nano Fe3O4 [13] Hai nhóm nhà khoa học Mỹ công bố kết nghiên cứu hạt nano sắt (Fe) ống nano ngắn gây rủi ro cho sức khỏe người động vật : Các hạt nano chứa sắt gây độc tính cho tế bào thần kinh Các ống nano đơn lớp ngắn 200nm dễ dàng chui vào tế bào phổi Trong thời gian gần đây, hạt nano có chứa sắt nghiên cứu mạnh mẽ cho ứng dụng công nghệ y sinh dẫn thuốc, chọn lọc tế bào, điều trị ung thư, cộng hưởng từ Các hạt nano ôxit sắt ( Fe3O4 ) ứng cử viên quan trọng cho ứng dụng dẫn thuốc diệt tế bào, u ác tính Do sắt thành phần tế bào động vật có vú (Fe tế bào hồng cầu) nên người ta quan sát thấy hiệu ứng độc xuất tế bào thần kinh bao phủ hạt nano sắt Khi đặt vào hạt nano, nhiều tế bào bị chết, số khác bị suy giảm khả sinh sản neuron thần kinh – tế bào cần thiết cho việc truyền dẫn tín hiệu thần kinh.[12] Hình 4.2 Các tế bào thần kinh PC12 bị bao phủ hạt nano ôxit sắt [14] Đồng thời với nghiên cứu này, nhóm Becker (NIST) phát tế bào GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 56 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng phổi dễ dàng hấp thu ống nano carbon đơn tường có bao phủ DNA mà kích thước ống ngắn 200nm Tùy thuộc vào nồng độ vật liệu nano mà tế bào bị chết gây hiệu ứng nhiễm độc khác Trái lại, ống nano dài 200nm chui vào tế bào Hình 4.3 Các ống nanocarbon xuyên qua tế bào phổi người [15] Kết nghiên cứu chứng tỏ việc xuyên qua tế bào phổi phụ thuộc vào chiều dài ống nano Đây bước nhiều bước mục tiêu nghiên cứu làm hạn chế tác hại đến sức khỏe ống nano 4.2 Ảnh hƣởng độ dài sợi nano carbon Các ống nano carbon cho thấy số biểu gây bệnh giống số sợi khác, sợi Amiăng – nguyên nhân gây bệnh đường hô hấp có ung thư Nghiên cứu thử nghiệm ảnh hưởng độ dài sợi nano carbon : - Các nhà nghiên cứu cho sợi nano carbon với độ dài khác nhau, kết hợp từ 2-50 ống nano carbon đồng trục vào bụng chuột Amiăng carbon mỏng đưa vào chuột khác để so sánh kết ảnh hưởng - Kết quả: xung quanh phổi chuột xuất khối u ảnh hưởng Amiăng Các ống nano dài gây nên vết bỏng hình thành sẹo, ống nano ngắn không Hình 4.4 Sợi nano carbon (trái) có biểu giống sợi Amiăng (phải) GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 57 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng Phổi biết đến mạng lưới tế bào, chúng có khả nhấn chìm vật thể lạ, trình biết đến tên “thực bào” (phagocytosis) Các tế bào căng đến 20 micron, kích thước Do đó, sợi dài làm cho tế bào hoạt động bình thường đào thải vật thể lại khỏi phổi Điều dẫn đến bỏng, gây sẹo chí ung thư sau này.[13] 4.3 Kết luận hạn chế công nghệ nano Một số nhà môi trường lo ngại công nghệ sử dụng vật liệu cỡ phân tử tạo chất gây ô nhiễm có kích thước siêu nhỏ Chúng ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người, môi trường khó kiểm soát Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho nguy kể chưa chứng thực mà chủ yếu dựa vào suy đoán Công nghệ nano sử dụng chủ yếu sản xuất chip máy tính, máy bay ngành xây dựng Việc liên quan đến chất biết rõ carbon, kẽm, vàng…, chúng có độc tính không Công cụ cho phép nhà nghiên cứu thay đổi vật liệu cấp nguyên tử, nơi hạt tính đơn vị nanomet “Có thể xuất tác động phụ Một số chất có khả gây hại Nhưng điều xảy với hạt có kích thước lớn ngành khác Mặt trái công nghệ không đáng kể so với lợi ích mà đem lại” – Mihail Roco - cố vấn cao cấp công nghệ nano Tổ chức Khoa học Quốc gia (Mỹ) GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 58 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng PHẦN KẾT LUẬN  Đề tài hoàn thành nhiệm vụ đề ban đầu Qua đề tài biết sở hình thành công nghệ nano, khái quát ống nano carbon giới thiệu số ứng dụng bật  Do ứng dụng kỳ diệu công nghệ nano nhiều lĩnh vực Vì lẽ giới xảy chạy đua sôi động phát triển ứng dụng công nghệ nano Nhiều quốc gia chiếm lĩnh thị trường công nghệ : Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Nga số nước Châu Âu… với khoản ngân sách đáng kể phủ hỗ trợ cho việc nghiên cứu ứng dụng thực tiễn ngành công nghệ nano Không trường Đại học có phòng thí nghiệm với thiết bị nghiên cứu quy mô mà tập đoàn sản xuất tiến hành nghiên cứu tương đương với ngân sách phủ dành cho công nghệ nano  Ở Việt Nam, tiếp cận với công nghệ nano năm gần có bước chuyển tạo sức hút lĩnh vực đầy cam go, thử thách Nhà nước dành khoản ngân sách lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với tham gia nhiều trường Đại học Viện Nghiên cứu…  Công nghệ nano bước tiến vượt bậc công nghệ, tạo ứng dụng vô kỳ diệu tạo nhiều hội hơn, bên cạnh có thách thức đặt thảm họa môi trường khả phát triển vũ khí loại với sức tàn phá không so sánh Tuy nhiên, người ngày hướng nhiều với thiện nên hy vọng công nghệ nano mang lại hạnh phúc cho nhân loại nhiều  Công nghệ nano lĩnh vực mà tất nước giới Việt Nam cố gắng đào sâu tìm hiểu Bước vào kỷ 21, quốc gia phát triển tăng ngân sách đáng kể cho phát triển công nghệ nano Hiện giới hiểu biết công nghệ nano bước đầu tiếp cận thành tựu đạt thật bất ngờ Chính lẽ đó, hoàn tòa tin tưởng tương lai “siêu công nghệ” ứng dụng thật rộng rãi để tạo nhiều sản phẩm phục vụ hoàn thiện đời sống nhân loại lĩnh vực GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 59 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình [1] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh - Công nghệ Nano điểu khiển đến phân tử nguyên tử - NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội năm 2004 [2] Trương Văn Tân – Vật liệu tiên tiến ống than nano – NXB trẻ, năm 2008 [3] Nguyễn Đức Nghĩa, Hóa học Nano – Công nghệ vật liệu nguồn, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ Hà nội, 2007 [4] Nguyễn Thị Thu Thủy, Tài liệu vật lý Nano, Đại học Cần Thơ, 2007 [5] http://vietsciences.free.fr/inventions/khoahoc-congnghenano.htm [6] http://zinghay.mobi/tieu-thuyet/3347078-t%E1%BB%95ng-quan-cnts/page/1 [7] http://svbk.vn/threads/9073-Cam-bien-cong-nghe-Nano-Tiem-nang-hien-thuc-amp-ungdung [8] http://tailieu.vn/doc/tong-hop-bien-tinh-be-mat-va-dinh-hinh-vat-lieu-nano-carbon-carbonenanotube[9] http://123doc.org/document/1683695-co-so-khoa-hoc-cua-cong-nghe-nano-pptx.htmthuduoc-bang-phuong-829862.html [10] http://www.hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-hien-dai/vat-lieu-nano/245-fullerencacbonnano-graphen.html [11]http://vietsciences.free.fr/thuctap_khoahoc/thanhtuukhoahoc/ungdungcuaongthannano.htm [12] http://khoahoc.tv/congnghemoi/phat-minh/the-gioi/18417_pin-luu-tru-dien-nang-moi-duatren-cac-ong-nano-cacbon.aspx [13] http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Det-soi-cua-tuong-lai-voi-nano-carbon/20174772/195/ [14] https://ducthe.wordpress.com/2011/12/29/cac-hat-nano-co-hoan-toan-vo-hai-nhu-chungta-van-nghi/ Chú thích nguồn hình ảnh : [1]-[6] https://anhlephuoc.wordpress.com/2011/10/01/cong-ngh%E1%BB%87-nano-sinhh%E1%BB%8Dc_ph%E1%BA%A7n-2/ [7] http://khoahoc.tv/timkiem/Carbon+nanotubes/index.aspx [8] http://vietsciences.free.fr/docbao/khoahockythuat/congnghenanocarbon.htm [9] http://dost.danang.gov.vn/chi-tiet?articleId=5229 [10] http://mhxnuituong07.jimdo.com/tai_lieu_3.php [11] http://khoahoc.tv/congnghemoi/phat-minh/the-gioi/18417_pin-luu-tru-dien-nang-moidua-tren-cac-ong-nano-cacbon.aspx [12] http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Chip-cam-bien-lam-tu-ong-nano-cacbon/20537468/190/ [13] – [15] http://khoahoc.tv/print/14136.aspx [...]... Hình ảnh ống nano carbon [7] 2.3 Cấu tạo của ống nano carbon Ống nano carbon giống như một quả mướp dài với đường kính vài nanometer (nm) và chiều dài có thể dài đến vài trăm micrometer (10-6m) (Hình 2.8) Với đường kính vài nm ống nano carbon nhỏ hơn sợi tóc 100000 lần Hình 2.8 Ống nano carbon và hình ảnh ống nano carbon nhiều vỏ, chụp bằng kính hiển vi điện tử Khoảng cách giữa hai vỏ là 0.34 nm và đường... các phân tử carbon có kích thước khoảng 12nm GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 22 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng 2.2 Khái niệm ống nano carbon Ống nano carbon ( carbon nanotube – CNT) là các dạng thù hình của carbon Một ống nano carbon 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 Hình... tính dẫn nhiệt, cơ học và GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 24 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng điện bất thường, CNTs có thể tìm ra ứng dụng như là chất phụ gia cho những cấu trúc vật liệu khác nhau Nanotubes được phân loại thành ống nano đơn lớp (single-walled nanotubes - SWNTs) và ống nano đa lớp (multi-walled nanotubes - MWNTs) Ống nano riêng lẻ tự chúng... loại và các điều kiện liên quan khác quyết định ống nano các bon là đơn vách (SWCNTs) hoặc đa vách (MWCNTs) 2.4 Các loại ống nano carbon Có hai loại ống nano carbon chính : ống nano đơn lớp(SWCNTs) và ống nano đa lớp(MWCNTs) Ngoài ra còn có các loại khác như : fullerite, torus, gậy nano 2.4.1 Ống nano đơn lớp (SWNT – Single Wall Nanotube) Hình 2.10 Mô hình 3D của ba loại ống nano carbon đơn lớp Một ống. .. nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng Để tiện theo dõi người ta chia vật liệu nano thành hai loại là dạng cầu (điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và hạt nano) và dạng thanh ( ống nano, que nano, dây nano) [2] 1.3.1 Dạng cầu 1.3.1.1 Điểm lượng tử (QD - Quantum Dot) QD là một hạt vật chất được tạo nên từ các vật liệu nhóm II-VI (CdSe) hoặc III-V (InP) trong bảng hệ thống tuần hoàn,... vật lý học, hóa học, sinh học của các cấu trúc nano Dựa trên các kết quả của khoa học nano đi đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc nano Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét Công nghệ nano có ứng dụng rất lớn trong cuộc sống và là một công nghệ triển vọng ngay tại thời... nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng hoặc lấp các lỗ lớn hơn dưới những điều kiện ở đó quá trình chuyển khối biên là chủ đạo Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10nm và đường kính lỗ là 3nm Chúng nhỏ đến mức chỉ cho một mạch đơn DNA đi qua (Hình 1.2a) Hình 1.2 Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano, (b) vỏ nano và (c) hạt nano có từ tính [2] 1.3.1.4 Vỏ nano (Nanoshell) Vỏ nano là khối... nm Ống nano có cấu trúc fullerene, một ống nano 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 vào cỡ một vài nanomet, trong khi độ dài của chúng có thể lên tới vài milimet GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 23 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng. .. sử dụng hệ thống lai như các thiết bị cảm biến sinh học hoặc transistor với phổ hoạt động rất hiệu quả, tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit) với các tính chất và chức năng điều khiển được GVHD: ThS Lê Văn Nhạn 10 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng Hình 1.3 NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu tử sinh học (1) NT carbon. .. thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, … * Phƣơng 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, … 1.5 Các nguyên lý và hiệu ứng dùng Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thước ... Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng 2.2 Khái niệm ống nano carbon Ống nano carbon ( carbon nanotube – CNT) dạng thù hình carbon Một ống nano carbon đơn lớp than chì độ... nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Sinh viên có thêm tài liệu, thêm kiến thức công nghệ nano đặc biệt ống nano carbon, ứng dụng tiêu biểu Từ tiếp tục tìm hiểu sâu... Chính tính ưu việt ứng dụng bật nên chọn đề tài : Tìm hiểu ống nano carbon ứng dụng để làm luận văn tốt nghiệp cho MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu vấn đề liên quan đến ống nano carbon, từ đúc kết