Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp Poly(3-hexylthiophen) - MWNTs

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp poly 3 hexylthiophen MWNTs. Khám phá tính chất, ứng dụng tiềm năng trong kỹ thuật vật liệu tiên tiến.

• Tác giả: Vũ Huệ Tông
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Thăng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu cao phân tử và tổ hợp
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp poly(3-hexylthiophen) - MWNTs
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan Luận văn thạc sĩ tổng hợp P3HT MWCNTs

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp từ poly(3-hexylthiophen) (P3HT) và ống nano carbon đa vách (MWCNTs). P3HT, một vật liệu polyme liên hợp, có tiềm năng lớn trong các ứng dụng như pin mặt trời hữu cơ và transistor. Tuy nhiên, tính chất cơ học và nhiệt thấp hạn chế ứng dụng quy mô lớn. Việc kết hợp P3HT với MWCNTs nhằm cải thiện các tính chất này, tạo ra vật liệu tổ hợp có tính ứng dụng cao. Luận văn này nghiên cứu phương pháp tổng hợp vật liệu tổ hợp mới, đánh giá tính chất bằng các phương pháp phân tích hiện đại, và khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến chất lượng sản phẩm. Mục tiêu là tạo ra vật liệu tổ hợp P3HT/MWCNTs với khả năng phân tán tốt, độ bền nhiệt cao và khả năng hấp thụ ánh sáng tối ưu cho ứng dụng trong pin mặt trời.

1.1. Giới thiệu vật liệu P3HT và tiềm năng ứng dụng

Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) là một polyme liên hợp được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu cảm ứng, dự trữ năng lượng, thiết bị quang điện. Với tính chất quang, điện, gia công đặc biệt, P3HT được ưu tiên trong chế tạo transistor và pin mặt trời hữu cơ. Theo tài liệu gốc, P3HT có hiệu suất chuyển hóa năng lượng lý thuyết có thể đạt 23% [12], hứa hẹn tiềm năng phát triển trong công nghiệp sử dụng nguyên liệu thân thiện môi trường.

1.2. MWCNTs và vai trò trong cải thiện tính chất P3HT

MWCNTs, hay ống nano carbon đa vách, sở hữu tính chất cơ, nhiệt, quang điện độc đáo, có khả năng cải thiện đáng kể tính chất của P3HT. Việc kết hợp P3HT với MWCNTs giúp nâng cao độ bền, độ dẫn điện và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu tổ hợp, mở rộng phạm vi ứng dụng. Như đã đề cập trong luận văn, CNTs là một trong những ứng viên tiềm năng giúp nâng cao tính chất quang điện của hỗn hợp và hiệu suất chuyển hóa của các thiết bị quang điện [2, 8, 9].

II. Vấn đề Thách thức trong tổng hợp vật liệu P3HT MWCNTs 55

Mặc dù P3HT có nhiều ưu điểm, tính chất cơ học và nhiệt thấp là rào cản cho ứng dụng quy mô lớn. Việc tổng hợp vật liệu tổ hợp P3HT/MWCNTs gặp nhiều thách thức, bao gồm khả năng phân tán kém của MWCNTs trong polyme, sự tương tác yếu giữa P3HT và MWCNTs, và khó khăn trong việc kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu tổ hợp. Cần có phương pháp tổng hợp hiệu quả để tạo ra vật liệu tổ hợp với độ phân tán tốt, liên kết bền vững và tính chất tối ưu. Mục tiêu là tạo ra vật liệu tổ hợp có thể cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị quang điện.

2.1. Khả năng phân tán MWCNTs trong vật liệu polyme kém

Một trong những thách thức lớn nhất là khả năng phân tán kém của MWCNTs trong vật liệu polyme như P3HT. MWCNTs có xu hướng kết tụ do lực Van der Waals mạnh giữa các ống nano, dẫn đến sự phân bố không đồng đều trong vật liệu tổ hợp và ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất. Do đó, cần có các phương pháp xử lý bề mặt MWCNTs hoặc sử dụng chất hoạt động bề mặt để cải thiện khả năng phân tán.

2.2. Tương tác yếu giữa P3HT và MWCNTs

Sự tương tác yếu giữa P3HT và MWCNTs cũng là một vấn đề cần giải quyết. Liên kết hóa học hoặc tương tác vật lý mạnh giữa hai thành phần này sẽ giúp cải thiện sự ổn định và tính chất của vật liệu tổ hợp. Các phương pháp như biến tính bề mặt MWCNTs hoặc sử dụng liên kết ngang có thể được áp dụng để tăng cường tương tác giữa P3HT và MWCNTs.

2.3. Kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu tổ hợp

Kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu tổ hợp là một thách thức khác. Các thông số phản ứng như tỷ lệ thành phần, nhiệt độ, thời gian phản ứng, và dung môi có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu tổ hợp. Cần có quy trình tổng hợp được kiểm soát chặt chẽ để tạo ra vật liệu tổ hợp với cấu trúc và tính chất mong muốn.

III. Cách tổng hợp vật liệu tổ hợp P3HT MWCNTs hiệu quả 58

Luận văn này tập trung vào phương pháp tổng hợp vật liệu tổ hợp từ P3HT và MWCNTs bằng cơ chế SN2 trên hệ xúc tác tetrabutylamoni florua (TBAF) trong THF. Phương pháp này hứa hẹn tạo ra liên kết hóa học giữa P3HT và MWCNTs, cải thiện độ phân tán và tính chất của vật liệu tổ hợp. Quá trình tổng hợp bao gồm làm sạch và biến tính MWCNTs, sau đó tiến hành phản ứng ghép với P3HT. Sản phẩm được phân tích bằng các phương pháp như SEM, TEM, Raman, TGA, UV-Vis để đánh giá cấu trúc và tính chất.

3.1. Làm sạch và biến tính MWCNTs để tăng khả năng tương thích

Quá trình làm sạch loại bỏ tạp chất trên bề mặt MWCNTs, tăng khả năng tiếp xúc và phản ứng với P3HT. Biến tính bề mặt MWCNTs, chẳng hạn như carboxyl hóa, tạo ra các nhóm chức năng có thể tham gia vào phản ứng ghép với P3HT, cải thiện sự tương thích và liên kết giữa hai thành phần.

3.2. Cơ chế phản ứng SN2 trong tổng hợp vật liệu tổ hợp

Phản ứng SN2 (thế nucleophin lưỡng phân tử) là cơ chế chính trong quá trình ghép P3HT và MWCNTs trong luận văn này. TBAF đóng vai trò là xúc tác, kích hoạt phản ứng giữa nhóm chức năng trên MWCNTs đã biến tính và P3HT. Phản ứng SN2 tạo ra liên kết hóa học bền vững giữa P3HT và MWCNTs, cải thiện độ ổn định và tính chất của vật liệu tổ hợp.

3.3. Phân tích và đánh giá tính chất vật liệu tổ hợp

Các phương pháp phân tích như SEM (hiển vi điện tử quét) và TEM (hiển vi điện tử truyền qua) được sử dụng để quan sát cấu trúc và hình thái của vật liệu tổ hợp. Raman xác định sự hiện diện của P3HT và MWCNTs và sự thay đổi cấu trúc. TGA (phân tích nhiệt trọng lượng) đánh giá độ bền nhiệt. UV-Vis đo khả năng hấp thụ ánh sáng. Các kết quả phân tích này cung cấp thông tin quan trọng về chất lượng và tính chất của vật liệu tổ hợp.

IV. Nghiên cứu Ảnh hưởng thông số đến vật liệu P3HT MWCNTs 57

Luận văn này khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ P3HT/MWCNTs, nhiệt độ và thời gian phản ứng đến tính chất của vật liệu tổ hợp. Kết quả cho thấy tỷ lệ P3HT/MWCNTs tối ưu là 1/1 (w/w), nhiệt độ phòng (30 oC) và thời gian phản ứng 24 giờ cho vật liệu tổ hợp có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt nhất. Các thông số này ảnh hưởng đến độ phân tán, độ bền nhiệt và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu tổ hợp.

4.1. Tối ưu hóa tỉ lệ P3HT và MWCNTs trong phản ứng

Tỷ lệ P3HT và MWCNTs ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu tổ hợp. Tỷ lệ quá cao hoặc quá thấp của một trong hai thành phần có thể dẫn đến sự phân tán kém, giảm độ bền nhiệt hoặc khả năng hấp thụ ánh sáng. Việc tối ưu hóa tỷ lệ này là quan trọng để đạt được vật liệu tổ hợp với tính chất tốt nhất.

4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng

Nhiệt độ và thời gian phản ứng cũng ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và tính chất của vật liệu tổ hợp. Nhiệt độ quá cao có thể gây phân hủy P3HT, trong khi nhiệt độ quá thấp có thể làm chậm phản ứng. Thời gian phản ứng quá ngắn có thể dẫn đến phản ứng không hoàn toàn, trong khi thời gian quá dài có thể gây ra các phản ứng phụ. Cần có sự kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và thời gian để đảm bảo quá trình tổng hợp diễn ra hiệu quả.

V. Kết quả Vật liệu P3HT MWCNTs tiềm năng ứng dụng 52

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu tổ hợp P3HT/MWCNTs tổng hợp được có độ phân tán tốt trong dung dịch polyme (ổn định hơn 6 tuần), độ bền nhiệt cao (khối lượng còn lại gấp 10 lần so với hỗn hợp P3HT/MWCNTs) và khả năng hấp thụ ánh sáng tăng (năng lượng vùng cấm < 1 eV). Các tính chất này là ưu điểm quan trọng cho ứng dụng vật liệu tổ hợp trong pin mặt trời và các thiết bị quang điện khác. Như tóm tắt luận văn đã nêu, vật liệu tổ hợp thu được có độ phân tán tốt, độ bền nhiệt cao, độ hấp thụ ánh sáng của phân tử tăng.

5.1. Khả năng phân tán và độ bền nhiệt cao của vật liệu tổ hợp

Độ phân tán tốt và độ bền nhiệt cao là những yếu tố quan trọng để vật liệu tổ hợp có thể được ứng dụng trong các thiết bị quang điện. Độ phân tán tốt giúp tạo ra lớp màng mỏng đồng đều, cải thiện hiệu suất. Độ bền nhiệt cao đảm bảo vật liệu không bị phân hủy trong quá trình hoạt động, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

5.2. Khả năng hấp thụ ánh sáng tối ưu cho pin mặt trời

Khả năng hấp thụ ánh sáng là yếu tố then chốt để vật liệu tổ hợp có thể chuyển đổi ánh sáng thành điện năng trong pin mặt trời. Năng lượng vùng cấm nhỏ cho thấy vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng ở vùng bước sóng rộng, tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

VI. Kết luận Hướng phát triển vật liệu P3HT MWCNTs 50

Luận văn đã trình bày phương pháp tổng hợp vật liệu tổ hợp P3HT/MWCNTs hiệu quả và đánh giá tính chất của sản phẩm. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho ứng dụng vật liệu tổ hợp trong pin mặt trời hữu cơ và các thiết bị quang điện khác. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, cải thiện tính chất và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu tổ hợp.

6.1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp và cải thiện tính chất

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, chẳng hạn như sử dụng các xúc tác mới, điều chỉnh các thông số phản ứng, hoặc áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt tiên tiến để cải thiện độ phân tán, độ bền nhiệt và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu tổ hợp.

6.2. Mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu tổ hợp

Ngoài pin mặt trời hữu cơ, vật liệu tổ hợp P3HT/MWCNTs có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như cảm biến, transistor hữu cơ, và vật liệu điện tử linh hoạt. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc khám phá các ứng dụng mới và phát triển các thiết bị dựa trên vật liệu tổ hợp này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Polyme liên hợp là vật liệu chức năng nằm ở trung tâm của pin mặt trời hữu cơ đƣợc sử dụng để chuyển hóa ánh sáng thành dòng điện. Với hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng lý thuyết có thể đạt 23% [12], pin quang điện hữu cơ trên nền polyme rất có tiềm năng cho sự phát triển ổn định, bền vững của nền công nghiệp dựa trên những nguyên liệu thân thiện môi trƣờng với nguồn khai thác dồi dào. Polyme liên hợp có đặc tính gia công tốt ở nhiệt độ tƣơng đối thấp, hầu hết ở dạng dung dịch, cho phép chúng trở thành vật liệu thay thế rẻ tiền so với vật liệu bán dẫn vô cơ từ silic, gali và arsen, … Vì vậy có thể sản xuất thành những tấm năng lƣợng mặt trời có diện tích lớn, nhẹ, mềm dẻo bằng phƣơng pháp in liên tục công suất lớn [13, 14]. Pin mặt trời hữu cơ đƣợc mong chờ sẽ làm giảm giá thành và chi phí đầu tƣ đƣợc tính theo đơn vị năng lƣợng so với pin mặt trời silic và tạo nên một thị trƣờng năng lƣợng điện giá thấp, một khi giải quyết đƣợc hai bài toán đƣợc đƣa ra: đó là chúng có hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng thấp (PCE) và tuổi thọ làm việc ngắn.

Hiện nay, PCE lớn nhất (tức phần trăm năng lƣợng điện tối đa thu đƣợc tính trên năng lƣợng ánh sáng tới), đƣợc ghi nhận đối với POPV là lớn hơn 8% [15], trong khi đối với tinh thể silic là 25% [16]. Tuổi thọ làm việc của pin mặt trời hữu cơ trƣớc đây đƣợc tính theo đơn vị phút, ngày nay đã đƣợc cải thiện lên đến hàng ngàn giờ [17]. Đó là nhờ những nỗ lực liên tục của khoa học và kỹ thuật trong nhiều thập kỷ qua. Một bƣớc đột phá lớn trong việc sử dụng polyme liên hợp làm nguyên liệu cho POPV đó là phát triển cấu trúc tổ hợp giữa polyme liên hợp và vật liệu cacbon cấu trúc nano, đóng vai trò chất nhận điện tử (fullerene và các dẫn xuất của fullerene), tiếp nối thành công trong việc phát hiện cơ chế vận chuyển điện tử cảm ứng bởi photon giữa poly(para-phenylenevinylene) (PPV) dẫn xuất poly(2-methoxy-5-(2- ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) MEH-PPV và Buckminster fullerene [18],[19].

Công bố đầu tiên về việc sử dụng CNTs (MWNTs) chế tạo màng hai lớp poly(para-phenylenevinylene) (PPV)-MWNTs trong POPV với vai trò là điện cực Luận văn thạc sĩ Vũ Huệ Tông - 2- thu thập lỗ trống là vào năm 1999 do nhóm tác giả Ago thực hiện [20]. Năm 2002, ý tƣởng sử dụng SWNTs làm chất nhận trong pin mặt trời BHJ (bulk herejunction) đƣợc đƣa ra bởi Hymakis và các cộng sự [21], kết quả thu đƣợc hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng thấp. Sau đó, vật liệu hỗn hợp CNT-polyme liên hợp tiếp tục đƣợc đầu tƣ nghiên cứu. Năm 2009, Wu Ming-Chung và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo thiết bị từ P3HT đƣợc kích thích với MWNTs thu đƣợc hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng tăng 29% nhờ vào hiệu quả nâng cao quá trình vận chuyển hạt tải [8].

Năm 2010, các nhóm tác giả Dingshan Yu[4], Kuila[2] đã chứng minh đƣợc sự ảnh hƣởng tích cực của liên kết hóa trị giữa P3HT-MWNTs đến dòng mạch ngắn, điện thế mạch hở, cũng nhƣ PCE của pin mặt trời cấu trúc hai lớp trên nền g-P3HT/C60. Kết quả thu đƣợc dòng mạch ngắn và điện thế mạch hở cao, đồng thời PCE (cao gấp 200% so với khi dùng hỗn hợp P3HT/MWNTs/C60) [4]. Vì vậy, g-P3HT hứa hẹn sẽ đƣợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện đầy tiềm năng. Cho đến nay, các công trình khoa học đã công bố cho thấy các nhà khoa học trên thế giới đã bƣớc đầu thu đƣợc các thành tựu trong quá trình nghiên cứu ứng dụng polythiophene và ống nano cacbon trong pin năng lƣợng mặt trời.

Do đó, việc nghiên cứu, tổng hợp vật liệu tổ hợp từ ống nano cacbon đa thành (MWNTs) và poly(3-hexylthiophene) (P3HT) là vấn đề cấp thiết hiện nay. Vì vậy trong luận văn này tập trung nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu tổ hợp MWNTs-P3HT. Mục đích nghiên cứu cụ thể nhƣ sau:  Nghiên cứu và đƣa ra quy trình tổng hợp vật liệu tổ hợp MWNTs-P3HT.  Đề xuất các kỹ thuật phân tích phù hợp để đánh giá tính chất vật liệu tổng hợp đƣợc.

 Cải thiện khả năng phân tán của MWNTs trong các dung môi hữu cơ nhằm mở rộng khả năng ứng dụng trong các nghiên cứu tiếp theo.  Khảo sát sự ảnh hƣởng của điều kiện phản ứng tổng hợp đến tính chất của sản phẩm thu đƣợc. Luận văn thạc sĩ Vũ Huệ Tông - 3- CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Vật liệu ống nano cacbon (CNTs) Năm 1991, khi nghiên cứu Fulleren C60, tiến sĩ ngƣời Nhật, Iijima, đã phát hiện ra những ống tinh thể cực nhỏ và dài bám vào ca-tốt. Chúng lẫn trong muội than, sản phẩm phụ trong quá trình phóng điện hồ quang.

Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử truyển qua cho thấy rằng các ống này có nhiều lớp cacbon, ống này lồng vào ống kia. Các ống sau này đƣợc gọi là ống nano cacbon đa thành (multi-walled carbon nanotubes – MWNTs) [22]. Năm 1993, ống nano cacbon đơn thành (single- walled carbon nanotubes – SWNTs) đã đƣợc phát hiện, đó là các ống rỗng đƣờng kính từ 1.5 – 2 nm, dài cỡ vài micromet, thành ống bao gồm các nguyên tử cacbon sắp xếp theo các đỉnh sáu cạnh rất đều đặn. Từ những tính toán ban đầu, các nhà khoa học dự đoán rằng SWNTs một mình có bản chất là kim loại hoặc bán dẫn phụ thuộc vào tính đối quang và đƣờng kính của chúng.

Cuối thập niên 90, các dự đoán này đã đƣợc thực nghiệm xác nhận. Phát hiện này đã thúc đẩy sự đầu tƣ nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới về quá trình tổng hợp, phân tích, ứng dụng và các đặc tính của loại vật liệu mới này. Phần tiếp theo sẽ trình bày cụ thể hơn về cấu trúc, phƣơng pháp tổng hợp, các đặc tính cơ bản của CNTs.1 Cấu trúc CNTs Cacbon là một nguyên tử rất linh hoạt, chúng có thể tạo thành nhiều dạng cấu trúc khác nhau nhƣ: graphite, kim cƣơng, fulleren,. Trong đó, ống nano cacbon là một dạng thù hình mới của cacbon với cấu trúc hình trụ đƣợc tạo thành do cuộn tròn một hoặc nhiều tấm graphen, tƣơng ứng sẽ tạo thành ống nano cacbon đơn thành (Single-walled carbon nanotube – SWNTs) và ống nano cacbon đa thành (Multi-walled carbon nanotube – MWNTs).

Trong mỗi lớp, các nguyên tử cacbon lai hóa sp2 đƣợc sắp xếp trong hình sáu cạnh nhờ liên kết cộng hóa trị bền vững (độ bền liên kết cao  524 kJ/mol) và giữa các tấm liên kết với nhau nhờ lực hút Van der Walls (độ bền liên kết yếu  7 kJ/mol). Ngoài ra, các obitan p chƣa lai hóa cho Luận văn thạc sĩ Vũ Huệ Tông - 4- phép các điện tử có thể dễ dàng dịch chuyển tự do giữa các obitan này, tạo thành liên kết  liên mạch dẫn đến làm tăng độ dẫn điện của CNTs. Tuy nhiên, độ cong tròn làm hạn chế sự dịch chuyển lƣợng tử và sự tái lai hóa  mà trong đó 3 liên kết  lệch mặt nhẹ, obitan  mở rộng ra ngoài ống [23]. Điều này làm tăng độ bền cơ học của ống, tính chất dẫn nhiệt và điện tốt hơn, đồng thời hoạt tính hóa học và sinh học cũng cao hơn so với graphite [24].1 Các dạng thù hình của cacbon [25].

(a) Kim cương (b) Graphite (c) Buckyball - C60 (d) CNTs Cấu trúc của các nguyên tử cacbon trong tấm graphen quyết định tính chất của CNTs. Ví dụ: độ đối quang của CNTs, độ xoắn hay góc cuốn của ống nano cacbon so với trục tâm của ống ảnh hƣởng đến tính chất điện của ống. Để mô tả tính chất cơ bản của ống nano cacbon, 2 vecto Ch và T đƣợc đƣa ra trong hình 2. Vector Ch đƣợc xác định theo phƣơng trình: Luận văn thạc sĩ Vũ Huệ Tông - 5-    ch  na1  ma2   n, m  (2.1)   Trong đó, a1 , a2 hai vecto đơn vị của graphen trong không gian thực; n,m là số nguyên, còn đƣợc gọi là chỉ số quyết định góc đối quang:   tan 1[ 3(n / (2m  n))] (2.2) Góc đối quang đƣợc dùng để phân ống nano cacbon thành 3 loại dựa vào tính chất điện: Armchair: n  m,  300 Zig-zag: m  0, n  0,  00 Chiral: 0  m  n, 0    30 Hình 2.2 Cấu trúc của SWNTs [25].

Luận văn thạc sĩ Vũ Huệ Tông - 6- Trong ba loại ống nano cacbon, CNTs dạng “amrchair” (ghế bành) có tính kim loại (một loại bán kim loại suy biến với độ rộng vùng cấm = 0), CNTs “zig-zag” và đối quang (chiral) có thể là bán kim loại với độ rộng vùng cấm xác định nếu n- m/3=i (i là số nguyên và n ≠ m) hoặc là bán dẫn trong các trƣờng hợp còn lại. Đƣờng kính của ống nano cacbon có thể đƣợc tính dựa vào các chỉ số (n,m) nhƣ sau: dt  3[aC C m2  mn  n2 /  ]  Ch /  (2.3) Trong đó, Ch là độ dài của vecto Ch, và ac-c là độ dài liên kết C-C (1. Nhƣ vậy, một ống nano cacbon có thể đƣợc đặc trƣng bởi chỉ số (n,m), hoặc dt và θ. Ống nano cacbon đa thành bao gồm nhiều tầm graphite đồng tâm, khoảng cách giữa mỗi tấm là 0.

Đƣờng kính ngoài của MWNTs thay đổi trong khoảng 5 – 50 nm, trong khi giá trị tƣơng ứng của SWNTs là 0.3 Các mặt khuyết tật trong cấu trúc CNTs a) Khuyết tật Stone-Wales b) Khuyết tật lỗ trống c) Khuyết tật lai hóa sp3[26]. Thành ống nano cacbon chứa một số dạng khuyết tật (hình 2.3) nhƣ: khuyết tật Stone-Wales, lai hóa sp3, và lỗ trống. Những khuyết tật có sẵn này tiếp tục phát Luận văn thạc sĩ Vũ Huệ Tông - 7- triển khi các tác nhân oxy hóa mạnh tác động đến khung CNTs, để lại lỗ trống với các nhóm chức hóa nhƣ nhóm axit cacboxylic, amin, este, .2 Tính chất cơ học CNTs là vật liệu bền nhất và cứng nhất từng đƣợc khám phá trong các thử nghiệm về độ bền kéo và mođun đàn hồi. Các thử nghiệm đầu tiên về tính chất đàn hồi của CNTs do nhóm tác giả Treacy thực hiện vào năm 1996 cho thấy mô đun đàn hồi của SWNTs đạt giá trị xấp xỉ 1 Tpa [27].

Năm 2000, Yu và các đồng nghiệp đã công bố kết quả thực nghiệm độ bền kéo của MWNTs khoảng 63 GPa [28]. Để minh họa rõ hơn đặc tính cơ học vƣợt trội của vật liệu CNTs, một phép so sánh về mô-đun Young, độ bền kéo và khối lƣợng riêng của SWNTs, SWNTs dạng bó, graphite (in-plane) và thép đƣợc thực hiện (bảng 2.