Mô Phỏng và Thực Nghiệm Quá Trình Tản Nhiệt Cho Vi Xử Lý Máy Tính Sử Dụng Vật Liệu Ống Nanô Cácbon

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ứng dụng vật liệu ống, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ
• Đề tài: Mô Phỏng và Thực Nghiệm Tản Nhiệt Vi Xử Lý Bằng Vật Liệu Ống Nanô Cácbon
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.2. Cấu trúc của ống nanô các bon
• 1.1.3. Các phương pháp chế tạo ống nanô các bon
• 1.1.4. Tính chất của vật liệu CNTs
• 1.2. Tản nhiệt cho vi xử lý máy tính
• 1.2.1. Tổng quan về CPU
• 1.2.2. Vai trò của tản nhiệt và các phương pháp tản nhiệt
• 1.2.3. Vai trò, tác dụng của kem tản nhiệt
• 1.2.4. Một số loại kem tản nhiệt trên thị trường
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Ý tưởng ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt
• 2.2. Phương án thực nghiệm
• 2.3. Hệ thiết bị và phương án thí nghiệm
• 2.3.1. Hệ thí nghiệm
• 2.3.2. Thiết bị phần cứng
• 2.3.3. Các phần mềm hỗ trợ
• 2.3.4. Các hóa chất và vật liệu sử dụng
• 2.4. Các bước tiến hành thí nghiệm
• 2.4.1. Quá trình chế tạo kem
• 2.4.2. Khảo sát quá trình tản nhiệt của vi xử lý
• 2.5. Các phương pháp phân tích
• 2.5.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.5.3. Phổ huỳnh quang tia X (EDX)
• 2.6. Phương pháp mô phỏng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chụp SEM
• 3.4. Xác định nồng độ CNTs tối ưu trong kem tản nhiệt
• 3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt
• 3.5.1. Không sử dụng kem tản nhiệt
• 3.5.2. Kem tản nhiệt STARS
• 3.5.3. Kem tản nhiệt STARS pha CNTs
• 3.5.4. Kem tản nhiệt AS5
• 3.5.5. Kem tản nhiệt AS5 pha CNTs
• 3.5.6. Quá trình giảm nhiệt độ của CPU
• 3.6. Tính ổn định và tuổi thọ của kem tản nhiệt
• 3.7. Bước đầu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho LED
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng và thực nghiệm tản nhiệt vi xử lý

Mô phỏng và thực nghiệm tản nhiệt cho vi xử lý máy tính là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ thông tin. Việc sử dụng vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) trong tản nhiệt không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của CPU. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng CNTs để nâng cao hiệu quả tản nhiệt, từ đó giải quyết vấn đề quá nhiệt trong vi xử lý.

1.1. Lịch sử phát triển vật liệu ống nanô cácbon

Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) được phát hiện vào năm 1991 và nhanh chóng thu hút sự chú ý của giới nghiên cứu. CNTs có cấu trúc độc đáo và tính chất vượt trội, đặc biệt là độ dẫn nhiệt cao, khiến chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng tản nhiệt.

1.2. Tầm quan trọng của tản nhiệt cho vi xử lý

Tản nhiệt cho vi xử lý là một yếu tố quyết định đến hiệu suất và độ bền của máy tính. Khi nhiệt độ tăng cao, hiệu suất xử lý giảm và tuổi thọ linh kiện bị ảnh hưởng. Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp tản nhiệt hiệu quả là rất cần thiết.

II. Vấn đề và thách thức trong tản nhiệt vi xử lý

Mặc dù có nhiều phương pháp tản nhiệt hiện có, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc duy trì nhiệt độ ổn định cho vi xử lý. Các phương pháp truyền thống như quạt gió và kem tản nhiệt thường không đạt hiệu quả tối ưu. Việc sử dụng vật liệu nano như CNTs có thể giải quyết những vấn đề này.

2.1. Các phương pháp tản nhiệt truyền thống

Các phương pháp tản nhiệt truyền thống như quạt gió và kem tản nhiệt kim loại thường gặp phải vấn đề về hiệu suất. Chúng không thể duy trì nhiệt độ ổn định trong thời gian dài, đặc biệt là với các vi xử lý có mật độ tích hợp cao.

2.2. Thách thức trong việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt

Một trong những thách thức lớn nhất là làm tăng độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt. Việc cải thiện độ dẫn nhiệt không chỉ giúp giảm nhiệt độ mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của CPU.

III. Phương pháp nghiên cứu tản nhiệt bằng vật liệu ống nanô

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp hiện đại để chế tạo và thử nghiệm kem tản nhiệt có chứa CNTs. Các thí nghiệm được thực hiện để khảo sát hiệu quả tản nhiệt của các loại kem khác nhau, từ đó tìm ra công thức tối ưu nhất.

3.1. Chế tạo kem tản nhiệt từ CNTs

Kem tản nhiệt được chế tạo bằng cách kết hợp CNTs với các thành phần khác để tạo ra một sản phẩm có độ dẫn nhiệt cao. Quá trình chế tạo bao gồm các bước như trộn, khuấy và kiểm tra chất lượng.

3.2. Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng

Các thí nghiệm được thực hiện để đo nhiệt độ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt chứa CNTs. Đồng thời, mô phỏng quá trình tản nhiệt cũng được thực hiện để so sánh với kết quả thực nghiệm.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy kem tản nhiệt chứa CNTs có hiệu suất tản nhiệt vượt trội so với các loại kem truyền thống. Việc ứng dụng CNTs trong tản nhiệt không chỉ giúp giảm nhiệt độ mà còn cải thiện hiệu suất làm việc của vi xử lý.

4.1. Kết quả thực nghiệm tản nhiệt

Kết quả thực nghiệm cho thấy kem tản nhiệt chứa CNTs có khả năng giảm nhiệt độ CPU đáng kể so với kem tản nhiệt thông thường. Điều này chứng tỏ tiềm năng của CNTs trong ứng dụng tản nhiệt.

4.2. Ứng dụng CNTs trong công nghiệp

Việc ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho vi xử lý có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành công nghiệp điện tử. Các sản phẩm tản nhiệt mới có thể giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về mô phỏng và thực nghiệm tản nhiệt bằng vật liệu ống nanô cácbon đã chỉ ra rằng CNTs có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tản nhiệt cho vi xử lý. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong công nghệ tản nhiệt.

5.1. Tương lai của vật liệu ống nanô trong tản nhiệt

Với những ưu điểm vượt trội, CNTs có thể trở thành vật liệu chủ đạo trong các ứng dụng tản nhiệt trong tương lai. Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa công thức và quy trình chế tạo.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ mở rộng ứng dụng của CNTs không chỉ trong tản nhiệt mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như điện tử, y tế và vật liệu xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vi xử lý máy tính (CPU) là bộ phận trung tâm, chịu trách nhiệm xử lý lệnh và dữ liệu, với mật độ transistor ngày càng tăng từ 55 triệu transistor ở Pentium 4 Prescott lên đến khoảng 400 triệu transistor ở thế hệ vi xử lý lõi tứ. Sự gia tăng này kéo theo lượng nhiệt tỏa ra lớn, có thể lên tới 100 W/cm², gây ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của CPU. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tản nhiệt hiệu quả là vấn đề cấp thiết trong công nghệ máy tính hiện đại.

Phương pháp tản nhiệt phổ biến hiện nay là sử dụng quạt kết hợp với kem tản nhiệt đặt giữa CPU và đế tản nhiệt nhằm lấp đầy các khe hở do bề mặt không hoàn toàn tiếp xúc, từ đó tăng hiệu quả truyền nhiệt. Tuy nhiên, hiệu suất tản nhiệt phụ thuộc lớn vào độ dẫn nhiệt của lớp kem tản nhiệt. Trong bối cảnh đó, vật liệu ống nanô cacbon (CNTs) với độ dẫn nhiệt lên đến khoảng 3000 W/mK được xem là ứng viên tiềm năng để cải thiện tính năng của kem tản nhiệt.

Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng CNTs vào kem tản nhiệt cho vi xử lý máy tính, thực hiện mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt nhằm xác định hiệu quả và nồng độ CNTs tối ưu trong kem. Nghiên cứu được tiến hành tại phòng thí nghiệm với điều kiện môi trường kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm ổn định, sử dụng các thiết bị đo nhiệt độ tích hợp trong CPU và phần mềm chuyên dụng để thu thập dữ liệu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất tản nhiệt, kéo dài tuổi thọ và cải thiện hiệu năng của vi xử lý trong các hệ thống máy tính hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và tính chất vật liệu ống nanô cacbon (CNTs): CNTs gồm ống nanô đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNT), có cấu trúc dạng ống cuộn từ lớp graphene với các trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3. CNTs có tính chất dẫn nhiệt và dẫn điện vượt trội, độ bền cơ học cao, và khả năng chịu nhiệt tốt, làm cho chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho ứng dụng tản nhiệt.

• Mô hình truyền nhiệt trong hệ thống tản nhiệt CPU: Mô hình mạch điện tương đương được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt, trong đó các thành phần như vi xử lý, lớp kem tản nhiệt, quạt tản nhiệt và môi trường được biểu diễn bằng các phần tử nhiệt dung và nhiệt trở. Hệ phương trình vi phân mô tả sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian được giải để đánh giá hiệu quả tản nhiệt.

• Khái niệm nhiệt trở và nhiệt dung: Nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt (R1) là yếu tố quyết định đến khả năng truyền nhiệt từ CPU đến quạt tản nhiệt. Nhiệt dung của các thành phần ảnh hưởng đến tốc độ thay đổi nhiệt độ trong quá trình hoạt động.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên máy tính sử dụng CPU Intel Pentium 4 3.06 GHz, với các loại kem tản nhiệt thương mại và kem pha CNTs ở các nồng độ khác nhau.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát cấu trúc bề mặt kem tản nhiệt, phổ Raman để xác định sự phân tán và tương tác của CNTs trong kem, phổ huỳnh quang tia X (EDX) để phân tích thành phần hóa học. Nhiệt độ CPU được đo bằng sensor tích hợp và phần mềm Speedfan, kết hợp với phần mềm StressPrime để tạo tải tối đa cho CPU.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu bao gồm các bước: chế tạo kem tản nhiệt pha CNTs với nồng độ từ 1% đến 5% khối lượng, khảo sát cấu trúc và tính chất vật liệu, thực nghiệm đo nhiệt độ CPU dưới các chế độ tải khác nhau, mô phỏng quá trình tản nhiệt dựa trên mô hình mạch điện nhiệt, so sánh và đánh giá hiệu quả tản nhiệt.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng các mẫu kem tản nhiệt thương mại Stars 350, Arctic Silver 5 và kem pha CNTs với các nồng độ khác nhau. Việc chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các loại kem phổ biến trên thị trường và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân tán CNTs trong kem tản nhiệt: Qua ảnh SEM, kem tản nhiệt pha CNTs bằng phương pháp trộn cơ học đơn thuần cho thấy hiện tượng tụ đám và phân tán không đều của CNTs. Khi sử dụng dung môi chloroform kết hợp rung siêu âm và khuấy từ, CNTs phân tán đều hơn rõ rệt, hạn chế hiện tượng tụ đám (ảnh SEM phóng đại 80.000 lần). Phổ Raman xác nhận sự hiện diện của CNTs trong kem mà không làm thay đổi thành phần hóa học của vật liệu nền.

2. Nồng độ CNTs tối ưu: Thí nghiệm với các nồng độ CNTs từ 1% đến 5% khối lượng cho thấy hiệu quả tản nhiệt đạt cao nhất ở nồng độ 2% wt. Khi vượt quá 2%, hiệu quả giảm do mất tính nhớt của kem, làm giảm khả năng trải đều trên bề mặt CPU. Kết quả này được minh họa qua đồ thị nhiệt độ CPU giảm theo thời gian với các nồng độ khác nhau.

3. Hiệu quả tản nhiệt so với kem thương mại: Kem tản nhiệt Stars và Arctic Silver 5 pha CNTs 2% wt. cho thấy giảm nhiệt độ CPU nhanh hơn và duy trì nhiệt độ thấp hơn so với kem gốc không pha CNTs. Ví dụ, nhiệt độ CPU khi sử dụng kem Stars/2% CNTs giảm khoảng 5-7°C so với kem Stars nguyên bản trong điều kiện tải 100%.

4. Mô phỏng quá trình tản nhiệt: Mô hình mạch điện nhiệt cho phép mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ CPU theo thời gian với các giá trị nhiệt trở khác nhau tương ứng với các loại kem tản nhiệt. Kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, xác nhận tính chính xác của mô hình và hiệu quả cải thiện nhiệt trở của kem khi pha CNTs.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng tụ đám CNTs khi trộn cơ học đơn thuần làm giảm khả năng truyền nhiệt do tạo thành các vùng không đồng nhất, làm tăng nhiệt trở. Việc sử dụng dung môi chloroform và rung siêu âm giúp phân tán CNTs đồng đều, tạo mạng dẫn nhiệt liên tục trong kem, từ đó tăng hiệu quả tản nhiệt. Nồng độ CNTs 2% wt. được xác định là điểm cân bằng giữa khả năng dẫn nhiệt và tính chất vật lý của kem, phù hợp với các nghiên cứu tương tự trong ngành.

So sánh với các loại kem tản nhiệt thương mại, kem pha CNTs không chỉ cải thiện hiệu suất tản nhiệt mà còn có tiềm năng giảm chi phí và tăng độ bền do tính ổn định nhiệt và cơ học của CNTs. Mô hình mô phỏng cung cấp công cụ hữu ích để dự đoán hiệu quả tản nhiệt và tối ưu hóa thiết kế kem trong tương lai.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ CPU theo thời gian dưới các điều kiện tải khác nhau, bảng so sánh nhiệt độ tối đa và thời gian làm mát giữa các loại kem, cũng như ảnh SEM minh họa sự phân tán CNTs.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng phương pháp phân tán CNTs bằng dung môi và rung siêu âm: Khuyến nghị các nhà sản xuất kem tản nhiệt áp dụng kỹ thuật này để đảm bảo phân tán đồng đều CNTs, từ đó nâng cao hiệu quả tản nhiệt. Thời gian thực hiện khoảng 3-5 giờ cho mỗi mẻ sản xuất, do bộ phận R&D chịu trách nhiệm.

2. Tối ưu nồng độ CNTs trong kem tản nhiệt: Đề xuất duy trì nồng độ CNTs ở mức 2% wt. để cân bằng giữa hiệu suất tản nhiệt và tính chất vật lý của kem. Các đơn vị sản xuất cần kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ pha trộn trong quy trình sản xuất.

3. Phát triển kem tản nhiệt ứng dụng CNTs cho các thiết bị điện tử công suất cao: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng kem CNTs cho GPU, LED công suất lớn và các thiết bị công nghiệp, nhằm tận dụng tính năng dẫn nhiệt vượt trội của CNTs. Thời gian nghiên cứu và phát triển dự kiến 1-2 năm.

4. Xây dựng mô hình mô phỏng tản nhiệt tích hợp: Khuyến nghị các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển phần mềm mô phỏng dựa trên mô hình mạch điện nhiệt để hỗ trợ thiết kế và đánh giá hiệu quả tản nhiệt trong các sản phẩm mới. Thời gian triển khai 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu: Có thể áp dụng kiến thức về cấu trúc, tính chất và phương pháp chế tạo CNTs để phát triển vật liệu tản nhiệt mới, nâng cao hiệu quả truyền nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp.

2. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử và máy tính: Sử dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm kem tản nhiệt, tăng tính cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường về hiệu suất và độ bền.

3. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ nano: Tham khảo phương pháp phân tích vật liệu bằng SEM, Raman, EDX và mô hình mô phỏng nhiệt để mở rộng nghiên cứu ứng dụng CNTs trong lĩnh vực nano và vật liệu tiên tiến.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu, cơ điện tử, công nghệ nano: Tài liệu cung cấp nền tảng lý thuyết và thực nghiệm chi tiết, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu tản nhiệt và ứng dụng CNTs.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần sử dụng CNTs trong kem tản nhiệt?
   CNTs có độ dẫn nhiệt rất cao (khoảng 3000 W/mK), vượt trội so với các vật liệu truyền thống như bạc (8 W/mK) hay đồng (4.5 W/mK). Việc bổ sung CNTs giúp tăng khả năng truyền nhiệt của kem, giảm nhiệt độ CPU hiệu quả hơn.

2. Nồng độ CNTs tối ưu trong kem tản nhiệt là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy nồng độ 2% khối lượng là tối ưu, giúp kem có độ dẫn nhiệt cao nhất mà vẫn giữ được tính chất vật lý tốt, tránh hiện tượng tụ đám và mất độ nhớt.

3. Phương pháp phân tán CNTs trong kem có ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả?
   Phương pháp sử dụng dung môi chloroform kết hợp rung siêu âm và khuấy từ giúp CNTs phân tán đều, tạo mạng dẫn nhiệt liên tục, cải thiện hiệu quả tản nhiệt so với trộn cơ học đơn thuần.

4. Kem tản nhiệt pha CNTs có bền vững và an toàn không?
   CNTs có tính ổn định nhiệt cao và khả năng chịu nhiệt tốt, giúp kem tản nhiệt duy trì hiệu quả lâu dài. Tuy nhiên, cần kiểm soát kỹ quy trình sản xuất để đảm bảo an toàn và đồng nhất sản phẩm.

5. Mô hình mô phỏng tản nhiệt có thể áp dụng cho các loại CPU khác không?
   Mô hình mạch điện nhiệt có thể điều chỉnh các tham số như công suất tỏa nhiệt, nhiệt dung và nhiệt trở để phù hợp với các loại CPU khác nhau, hỗ trợ thiết kế hệ thống tản nhiệt hiệu quả.

Kết luận

• Ứng dụng ống nanô cacbon (CNTs) vào kem tản nhiệt giúp cải thiện đáng kể hiệu quả truyền nhiệt, giảm nhiệt độ CPU từ 5-7°C so với kem truyền thống.
• Nồng độ CNTs tối ưu là 2% khối lượng, cân bằng giữa hiệu suất tản nhiệt và tính chất vật lý của kem.
• Phương pháp phân tán CNTs bằng dung môi chloroform kết hợp rung siêu âm và khuấy từ là kỹ thuật hiệu quả để phân tán đồng đều CNTs trong kem.
• Mô hình mô phỏng mạch điện nhiệt phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, hỗ trợ đánh giá và tối ưu hóa thiết kế kem tản nhiệt.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng CNTs trong các thiết bị điện tử công suất cao và phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên triển khai thử nghiệm sản xuất kem tản nhiệt pha CNTs quy mô lớn, đồng thời phát triển các công cụ mô phỏng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống tản nhiệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon 1.1 Lịch sử phát triển Trong bảng hệ thống tuần hoàn cácbon là nguyên tố nằm ở vị trí thứ 6 (có 6 ñiện tử, nguyên tử lượng là 12), có cấu hình ñiện tử là 1s22s22p2 do ñó nguyên tử cácbon có bốn ñiện tử hóa trị. Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa học [20], vì vậy các hàm sóng của bốn ñiện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc kết hợp với các nguyên tử khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các ñiện tử gọi là các trạng thái lai hóa. Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cácbon.

Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng (hình 1a) ñược tạo thành như một chuỗi dây xích phẳng. Mỗi mắt xích là một nguyên tử cácbon. Dạng lai hóa này có thể ñược tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn. Trạng thái lai hóa sp2 là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này có ba obital sp2 ñược tạo thành còn lại là một obital 2p.

Ba obital ñồng phẳng tạo với nhau một góc 1200 (hình1b) và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các nguyên tố cácbon bên cạnh. Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế tiếp. Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cácbon tưởng tượng giống như một tấm cácbon ñơn 2D phẳng trong ñó góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cácbon là 1200 trông giống như một mạng hình tổ ong. Mạng này thường tồn tại trong cấu trúc graphene.

Sp1- hybrid Sp2- Hybrid Sp3- Hybrid Linear Trigonal Tetrhedral (a) Planar (c) (b)+ Hình 1.1 Các trạng thái lai hóa khác nhau của các bon a) sp1 b) sp2 c) sp3 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trạng thái lai hóa sp3 (hình 1. Trong trạng thái này bốn obital lai hóa sp3 tương ñương nhau ñược tạo thành ñịnh hướng theo các ñỉnh của tứ diện ñều quanh một nguyên tử và có thể tạo thành bốn liên kết σ bằng sự chồng chập với các obital của các nguyên tử bên cạnh. Một ví dụ ñiển hình là phân tử etan (C2H6), liên kết σ Csp3 - Csp3 (C-C) ñược tạo thành giữa hai nguyên tử cácbon bởi sự chồng chập các orbital sp3 và ba liên kết σ Csp3 - H1s ñược tạo thành tại mỗi nguyên tử cácbon. Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp3 thường tồn tại trong cấu trúc kim cương.

Graphit Một dạng khác của cácbon hay gặp trong kĩ thuật, ñó là graphit, hay còn gọi là than chì. Graphit là một dạng tinh thể khác của cácbon, có cấu trúc lớp, mỗi lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như là một dạng liên kết Van Der Waals. Bên trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cácbon liên kiết phẳng với ba nguyên tử cácbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 1200 [22]. Trong graphite, nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các lớp mạng lục giác song song.

Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1.2a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Å như ñược thể hiện trên (hình 1. Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu ñen như lá cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, than là dạng cácbon vô ñịnh hình trong ñó các nguyên tử cácbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết sp2 và không có liên kết sp. Cấu trúc Graphit: a) Chiều ñứng b)Chiều ngang [22] Kim cương 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Như ñã biết cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3.

Các trạng thái lai hóa này hình thành nên các dạng vật chất khác nhau nhau trong tự nhiên. a) Cấu trúc tinh thể của kim cương b) Kim cương dạng khối Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cácbon. ðây là dạng tinh thể thể hiện rõ nét nhất trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử cácbon, tồn tại ở dạng lập phương và lục giác. Cấu trúc của mạng tinh thể kim cương ñược thể hiện trên hình 1.

Ở dạng lập phương, mỗi nguyên tử cácbon liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác ở xung quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ sp3, các liên kết này ñều là các liên kết cộng hóa trị. Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là rất lớn nên kim cương rất cứng và bền. Ô mạng cơ sở của kim cương tạo thành trên cơ sở lập phương tâm mặt. Bốn nguyên tử cácbon bên trong chiếm tại các vị trí tọa ñộ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4).

Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là 1,544 Å. Góc cố ñịnh giữa các liên kết cộng hóa trị trong mạng kim cương là 109,50. Cũng như graphite, kim cương có ñộ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000W/m.K) và nhiệt ñộ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K). Fullerenes Năm 1985, trong khi nghiên cứu về cácbon Kroto và ñồng nghiệp [22] ñã khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cácbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình thứ ba này của cácbon ñược gọi là Fullerenes.

Fullerenes là một lồng phân tử cácbon khép kín với các nguyên tử cácbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip. Fullerenes ñược biết ñến ñầu tiên là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử cácbon nằm ở ñỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác ñều và 20 lục giác ñều (hình 1. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Fullerene C60 Fullerene C70 Fullerene C80 (a) (b) (c) Hình 1. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60 b) C70 c) C80 Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cácbon là liên kết sp2.

Ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3, do vậy các nguyên tử cácbon không có tọa ñộ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip. Cấu trúc của phân tử C60 giống như một quả bóng ñá nhiều múi nên ñể có ñược một mặt cầu, mỗi ngũ giác ñược bao quanh bởi năm lục giác. Sự có mặt của các ngũ giác cung cấp ñộ cong cần thiết cho sự hình thành cấu trúc dạng lồng. Năm 1990, Kratschmer [22] ñã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng ñiện hồ quang giữa 2 ñiện cực graphite có chứa C60 và các dạng fullerenes khác như C70, C80 (hình 1.

Hiện nay, fullerenes có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Nhờ có tính chất siêu ñàn hồi ñặc biệt là rất bền nên fullerenes có thể ứng dụng ñể chế tạo các loại áo giáp trong quân sự. Ứng dụng ñang nổi nên hiện nay là dùng fullerenes ñể làm chất mang dược phẩm dùng trong y tế. Người ta ñã cho những ligand bám ở ngoài quả cầu fullerene dùng ñể ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào.

Những thuốc chữa bệnh có sử dụng fullerene ñang bắt ñầu ñược bán trên thị trường. Việc kết hợp một số loại vật liệu với fullerenes có thể tạo ra những loại vật liệu mới với các tính chất ña dạng như tạo ra các chất siêu dẫn, chất cách ñiện. Ống nanô cácbon Năm 1991, trong quá trình chế tạo fullerenes S. Hai năm sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nanô các bon ñơn tường (SWCNT) có ñường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromét.

Kể từ ñó ñến nay, có hai loại ống nanô cácbon (CNTs) ñược biết ñến là: CNTs ñơn tường (SWCNT) và CNTs ña tường (MWCNTs) (hình 1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNTs Ống nanô cácbon ñơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì ñộ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và ñược khép kín ở mỗi ñầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do ñó CNTs còn ñược biết ñến như là fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử cácbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững.

Ống nanô các bon ña tường gồm nhiều ống ñơn tường ñường kính khác nhau lồng vào nhau và ñồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm ñến 0,39 nm. Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau ñể tạo thành từng bó xếp chặt (ñược gọi là SWNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên ñến vài mm. Phát hiện mới về ống nanô cácbon cũng như những tính chất ñặc biệt của nó ñã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Sự góp mặt của CNTs ñánh dấu sự ra ñời của ngành khoa học vật liệu mới: các vật liệu dựa trên cơ sở các bon - vật liệu mới cho tương lai.2 Cấu trúc của ống nanô các bon CNTs có cấu trúc giống như các lớp mạng graphene cuộn lại thành dạng ống trụ rỗng, ñồng trục. Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs ñược phân thành các loại khác nhau. Cấu trúc của vật liệu CNTs ñược ñặc trưng bởi véc tơ Chiral, kí hiệu là Ch. Véc tơ này chỉ hướng cuộn của các mạng graphene và ñộ lớn ñường kính ống (hình 1.

Ch = na1 + ma2 = (n, m) (1) Trong ñó: n và m là các số nguyên. a1 và a2 là các véc tơ ñơn vị của mạng graphene Có nhiều cách chọn véctơ cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong hình 1. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail]  3 1  3 1 a1 = a ,  , a 2 = a ,−  (2)  2 2   2 2 Với a là hằng số mạng của graphite: a = 0,246 nm. Góc của véc tơ Chiral θ: 2n + m cos θ = (3) 2 (n 2 + m 2 + nm ) ðường kính D của ống ñược tính theo công thức sau: D = k n 2 + m2 + nm (nm) (4) (k ∈ N ) Theo vector chiral, vật liệu CNTs có các cấu trúc khác nhau tương ứng với các cặp chỉ số (n, m) khác nhau.

Ba cấu trúc thường gặp ñó là: amchair, zigzag và chiral tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.