CHƯƠNG 1. Giới thiệu về cacbon và giấy cacbon 1. Cacbon a) Công nghệ nano Công nghệ nano là một lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các loại vật liệu có kích thước nano. Đây là một trong những công nghệ điển hình của nền công nghiệp 4.
Từ những nghiên cứu, phân tích tổng hợp vật liệu có kích thước nano, người ta đã tạo nên những ứng dụng độc đáo và quan trọng. Những vật liệu kích thước nano là một thành phần quan trọng để tạo vật liệu dễ gia công. Một ví dụ điển hình là các thiết bị phát sáng bằng nhựa và pin Mặt Trời hữu cơ. Hoạt động của thiết bị này phụ thuộc vào việc hình thành các trạng thái kích thích điện tử, exciton, trong vật liệu có cấu trúc nano phức tạp.
Các vật liệu nano có thể được chế tạo bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp có thể được áp dụng với một số vật liệu tùy thuộc vào yêu cầu vật liệu, điều kiện trang bị phòng thí nghiệm… Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội. Trong y sinh học: các hạt nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể giúp con người có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào.
Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư… Năng lượng: nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài… Điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ - siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ… Môi trường: chế tạo ra màng lọc nano lọc được các phân tử gây ô nhiễm; các chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn… Trong hai thập kỷ qua, các hạt nano và chất lỏng có chứa các hạt nano (gọi là chất lỏng nano) đã mở ra một cơ hội mới để nâng cao hiệu quả của các hệ thống chưng cất 1 nhiệt khác nhau. Do các đặc tính đầy hứa hẹn của chất lỏng nano, một số nhà nghiên cứu đã sử dụng chúng để cải thiện hiệu suất của các hệ chưng cất dùng năng lượng Mặt Trời, sử dụng chất lỏng nano trong các bộ thu năng lượng Mặt Trời có giá cả phải chăng và thân thiện với môi trường vì chúng làm giảm lượng khí thải CO2 do tiêu thụ nhiên liệu [6]. b) Nano cacbon Vật liệu cacbon đã gây nhiều sự chú ý rộng rãi vì nó có độc tính thấp và thân thiện môi trường, thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực phân tích sinh hóa. Cacbon có nhiều tính chất độc đáo, bao gồm tính dẫn điện, dẫn nhiệt và cơ học đặc biệt.
Vì một phần lớn cơ thể con người bao gồm cacbon, nên nó thường được coi là vật liệu tương thích với sinh học. Cacbon là một trong những nguyên tố linh hoạt nhất trên Trái Đất, đã thu hút rất nhiều sự chú ý đặc biệt do khả năng hình thành các loại trạng thái lai hóa khác nhau (như sp, sp2 và sp3), điều đó làm cho nó có khả năng hình thành một loạt các dạng thù hình khác nhau từ kim cương là vật liệu cứng nhất đến graphit là vật liệu mềm nhất. Các vật liệu nano dựa trên cacbon như ống nano cacbon (CNTs), hạt nano cacbon (CNPs) và graphen đã được tổng hợp và nghiên cứu rộng rãi do các tính chất ưu việt về điện và quang của nó. Các vật liệu nano có thể được chế tạo bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp có thể được áp dụng với một số vật liệu tùy thuộc vào yêu cầu vật liệu, điều kiện trang bị phòng thí nghiệm… như phương pháp hóa ướt (wet chemical methods): Phương pháp hóa ướt gồm có phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và đồng kết tủa.
Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, điều kiện pH… mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu có kích thước nano. Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là một khó khăn, phương pháp sol-gel thì không có hiệu suất cao, sản phẩm không đồng nhất; Phương pháp cơ học (Nano-Mechanical Method): Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học.
Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Phương pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên, nó lại có nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có 2 thể đạt được hạt có kích thước nhỏ.
Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại; Phương pháp bốc bay nhiệt (thermal evaporation method): Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả trong chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt, người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tấm chắn. Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo vật liệu ở quy mô thương mại; Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase method): Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro-explosion), đốt laser (laser ablation method), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí.
Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon. Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ [7]. c) Giấy cacbon Tận dụng các đặc tính nổi trội của các hạt nano cacbon, các hạt này được nhuộm lên giấy giàu sợi như Hình 1.4 làm vật liệu để chế tạo hệ chưng cất nước được thiết kế trong phần kế tiếp của khóa luận.
Giấy giàu sợi sau khi được tích hợp vào đế hệ chưng cất nước được cho thấy trong Hình 1. Giấy giàu sợi phủ hạt nano cacbon. Giấy giàu sợi phủ nano cacbon được gắn trên miếng xốp. d) Ứng dụng Cacbon có nhiều tính chất độc đáo được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực [8], trong các ngành như y sinh, công nghiệp, nông nghiệp… 4 • Y sinh: Sự xuất hiện của vật liệu nano cacbon đã cho thấy nhiều ứng dụng quan trọng trong phương pháp tiếp cận để phát hiện và điều trị nhiều loại bệnh, đặc biệt là ung thư.
Đây là căn bệnh nguy hiểm của loài người trên thế giới vì các phương pháp điều trị hiện nay đều không có khả năng tiêu diệt hoàn toàn tất cả các tế bào ung thư cũng như tác dụng phụ độc hại nghiêm trọng của hóa trị và xạ trị [9]. Vật liệu nano cacbon cung cấp nền tảng công nghệ tuyệt vời trong lĩnh vực cấp thuốc. Nhiều thành tựu đã được chứng minh như là thuốc chống ung thư, rối loạn thần kinh, chống vi khuẩn, chống viêm… Tuy nhiên bên cạnh đó vẫn có một số hạn chế về độc tính đối với tế bào và các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu chúng [10]. • Nông nghiệp: Nano cacbon được ứng dụng trong cảm biến nano: sử dụng trong phương pháp chẩn đoán lâm sàng, được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện các ion và các tác nhân hóa học như bạc, thủy ngân… Nano cacbon ảnh hưởng đến sự phát triển và nảy mầm của cây trồng.
Các chức năng trao đổi chất của thực vật có thể bị ảnh hưởng bởi nồng độ tối ưu của các hạt nano vào thực vật sẽ mang đến nhiều tác động mạnh mẽ đối với sự phát triển của thực vật [6]. • Điện tử: Nhờ những đặc tính độc đáo của nano cacbon nên chúng được sử dụng trong các thiết bị điện tử trong các máy tính tiên tiến, khi nhiệt độ của con chip chưa được làm mát có thể lên tới hơn 100ᵒC [11]. • Cảm biến điện hóa: Hạt nano cacbon đã được dùng để xây dựng các cảm biến điện hóa do các đặc tính điện hóa nổi bật của chúng như diện tích bề mặt hiệu dụng cao, độ dẫn điện lớn…[7]. Exciton - plasmon hiệu ứng bề mặt - cơ chế tương tác của sóng điện từ với plasmon Một exciton là một lượng tử năng lượng xuất hiện do điện tử bị kích thích trong mạng tinh thể; nó là một trạng thái ràng buộc giữa electron và lỗ trống, tương tác nhau thông qua lực tĩnh điện.
Về tổng quát, exiton trung hòa về điện, do đó chuyển động của nó trong mạng tinh thể tạo ra sự vận chuyển năng lượng.