Khóa Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Vật Liệu Carbon Nano Tubes (CNT)

Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp tìm hiểu vật liệu carbon nano tubes cnt, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất biện pháp cải tiến thực tế.

• Tác giả: Phạm Thị Ánh Minh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Xuân Vương
• Trường học: Trường Đại Học Thủ Dầu Một
• Chuyên ngành: Cao Đẳng Sư Phạm Hóa
• Đề tài: Tìm Hiểu Vật Liệu Carbon Nano Tubes (CNT)
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Bình Dương

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT)
• 1.1. Các dạng thù hình của carbon
• 1.1.1. Cacbon vô định hình
• 1.1.2. Carbon xốp nano (lưới cực nhẹ từ tính)
• 1.1.3. Carbon ống nano (CNT)
• 1.2. Lịch sử phát minh vật liệu CNT
• 1.3. Khái quát về vật liệu CNT
• 1.3.1. Ống nano đơn lớp SWNT (Single Wall Nano Tube)
• 1.3.2. Ống nano đa lớp MWNT (Multi Wall Nano Tube)
• 1.4. Việc sử dụng vật liệu nano hiện nay
• 2. Chương 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT)
• 2.1. Ứng dụng trong công nghiệp
• 2.1.1. Sản xuất linh kiện điện tử
• 2.1.2. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu siêu bền, siêu nhẹ
• 2.1.3. Sản xuất sơn chống mài mòn cho tàu thủy
• 2.1.4. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu năng lượng
• 2.1.5. Thiết bị phát xạ điện trường
• 2.1.6. Làm đầu dò nano và sensơ
• 2.1.6.1. Các ứng dụng sensor
• 2.2. Ứng dụng trong y tế
• 2.2.1. Ống nano cacbon quay đều trong điều trị ung thư
• 2.2.2. Cảm biến ống nano các bon dùng theo dõi trình trạng của bệnh nhân tiểu đường
• 3. Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON NANOTUBES (CNT)
• 3.1. Phương pháp vật lý
• 3.1.1. Phương pháp hồ quang điện
• 3.1.1.1. Nguyên tắc chế tạo MWCNTs và SWCNTs
• 3.1.2. Phương pháp sử dụng tia laser
• 3.2. Phương pháp hóa học
• 3.2.1. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)
• 3.2.1.1. Phương pháp CVD tăng cường plasma
• 3.2.1.2. Phương pháp CVD nhiệt
• 3.2.1.3. Phương pháp CVD dùng xúc tác alcohol
• 3.2.1.4. Phương pháp tạo thành các pha bay hơi
• 3.2.1.5. Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi ở dạng bọt gel (Aero gel-supported)
• 3.2.1.6. Phương pháp CVD nhiệt có laser hỗ trợ (LCVD)
• 3.2.1.7. Phương pháp CVD với xúc tác Co-Mo (CoMoCat)
• 3.2.1.8. Phương pháp HiPco
• 4. Chương 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH LÝ HÓA VẬT LIỆU CNT
• 4.1. Phương pháp BET (Brunauer Emmet Teller) xác định bề mặt riêng và độ hấp phụ của vật liệu CNT
• 4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 4.3. Nguyên lý của phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Về Vật Liệu Carbon Nano Tubes CNT Đầy Đủ Nhất

Vật liệu carbon nano tubes (CNT) đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu nóng bỏng trong lĩnh vực công nghệ nano. CNT là các ống hình trụ được cấu tạo từ các nguyên tử carbon, có đường kính chỉ vài nanomet nhưng lại có độ bền và tính dẫn điện vượt trội. Sự phát triển của CNT không chỉ mở ra những ứng dụng mới trong công nghiệp mà còn trong y học, điện tử và nhiều lĩnh vực khác. Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về CNT, từ lịch sử phát minh đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Lịch Sử Phát Minh Vật Liệu CNT Đáng Chú Ý

Vật liệu CNT được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi Tiến sĩ Iijima. Ông đã phát hiện ra những ống nano carbon trong quá trình nghiên cứu fulleren C60. Sự phát hiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu vật liệu nano. CNT được chia thành hai loại chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ống nano đa lớp (MWNT). Mỗi loại có những đặc tính và ứng dụng riêng biệt, từ đó thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nano trên toàn cầu.

1.2. Tổng Quan Về Cấu Trúc Và Tính Chất Của CNT

Cấu trúc của CNT được hình thành từ các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo kiểu sp2, tạo thành các ống trụ rỗng. Đặc điểm nổi bật của CNT là độ bền cơ học cao, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Những tính chất này khiến CNT trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp và y học.

II. Những Thách Thức Trong Nghiên Cứu Và Ứng Dụng CNT

Mặc dù carbon nano tubes có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng chúng cũng gặp không ít thách thức. Các vấn đề như chi phí sản xuất cao, khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng và quy trình tổng hợp vẫn đang là những rào cản lớn. Bên cạnh đó, việc hiểu rõ các tính chất lý hóa của CNT cũng là một thách thức không nhỏ đối với các nhà nghiên cứu.

2.1. Chi Phí Sản Xuất CNT Cao Làm Giới Hạn Ứng Dụng

Chi phí sản xuất CNT vẫn còn cao, điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực. Các phương pháp tổng hợp CNT như lắng đọng hơi hóa học (CVD) hay hồ quang điện đều yêu cầu thiết bị và công nghệ tiên tiến, dẫn đến chi phí đầu tư lớn.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Kiểm Soát Chất Lượng CNT

Việc kiểm soát chất lượng của CNT trong quá trình sản xuất là một thách thức lớn. Các yếu tố như kích thước, hình dạng và độ tinh khiết của CNT cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất trong ứng dụng.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu CNT Hiệu Quả Nhất

Có nhiều phương pháp tổng hợp carbon nano tubes, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm lắng đọng hơi hóa học (CVD), hồ quang điện và phương pháp laser. Mỗi phương pháp này đều có khả năng tạo ra CNT với các đặc tính khác nhau, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

3.1. Phương Pháp Lắng Đọng Hơi Hóa Học CVD Được Sử Dụng Rộng Rãi

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp CNT. Phương pháp này cho phép sản xuất CNT với độ tinh khiết cao và kiểm soát tốt kích thước cũng như hình dạng của ống nano.

3.2. Phương Pháp Hồ Quang Điện Đem Lại Kết Quả Nhanh

Phương pháp hồ quang điện cũng được sử dụng để tổng hợp CNT. Phương pháp này cho phép tạo ra CNT trong thời gian ngắn, tuy nhiên, chất lượng của CNT thu được thường không đồng nhất như phương pháp CVD.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của CNT Trong Nhiều Lĩnh Vực

Ứng dụng của carbon nano tubes rất đa dạng, từ công nghiệp điện tử đến y học. CNT được sử dụng để sản xuất linh kiện điện tử, cảm biến, và thậm chí trong các liệu pháp điều trị ung thư. Những ứng dụng này không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống.

4.1. CNT Trong Ngành Công Nghiệp Điện Tử

Trong ngành công nghiệp điện tử, CNT được sử dụng để sản xuất các linh kiện như transistor, cảm biến và mạch tích hợp. Với khả năng dẫn điện tốt, CNT giúp cải thiện hiệu suất và giảm kích thước của các linh kiện điện tử.

4.2. CNT Trong Y Học Và Điều Trị Bệnh

Trong y học, CNT được nghiên cứu để sử dụng trong các liệu pháp điều trị ung thư. Chúng có khả năng vận chuyển thuốc đến đúng vị trí trong cơ thể, giúp giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Vật Liệu CNT

Tương lai của carbon nano tubes rất hứa hẹn với nhiều nghiên cứu và ứng dụng mới đang được phát triển. Sự phát triển của công nghệ nano sẽ tiếp tục mở ra những cơ hội mới cho CNT trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc giải quyết các thách thức hiện tại sẽ giúp CNT trở thành một phần không thể thiếu trong công nghệ tương lai.

5.1. Xu Hướng Nghiên Cứu CNT Trong Tương Lai

Xu hướng nghiên cứu CNT trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu mới sẽ giúp mở rộng ứng dụng của CNT trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng CNT Trong Các Lĩnh Vực Mới

Tiềm năng ứng dụng của CNT trong các lĩnh vực mới như năng lượng tái tạo, vật liệu siêu bền và công nghệ sinh học đang được khám phá. Những ứng dụng này có thể mang lại những bước tiến lớn trong công nghệ và cải thiện chất lượng cuộc sống.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Tìm hiểu vật liệu Carbon Nano Tubes (CNT)" được thực hiện bởi sinh viên Phạm Thị Ánh Minh (Lớp C11HO-01, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Thủ Dầu Một) dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Xuân Vương, thuộc chuyên ngành Sư phạm Hóa học (niên khóa 2011–2014).

Bối cảnh thực tiễn của đề tài xuất phát từ xu hướng phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ hiện đại nhằm tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch, giá thành thấp cùng các loại nguyên vật liệu sản xuất siêu nhỏ và siêu nhẹ. Ngành công nghệ nano ra đời để kiến tạo những cấu trúc kích thước nanomet từ các nguyên tố cơ bản trong bảng tuần hoàn hóa học, mở ra khả năng chế tạo vật liệu mang đặc tính mới vượt trội. Trên phạm vi toàn cầu, các quốc gia như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Nga và nhiều nước châu Âu đã đầu tư ngân sách lớn cho nghiên cứu và thương mại hóa công nghệ nano tại các trường đại học và tập đoàn sản xuất. Tại Việt Nam, chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia cũng đã được triển khai với sự tham gia của nhiều viện nghiên cứu và trường đại học. Trong số các vật liệu nano, ống nano carbon (Carbon Nanotubes - CNT) thu hút sự quan tâm đặc biệt của giới khoa học nhờ tiềm năng ứng dụng lớn trong vi điện tử thay thế silicon, chẩn đoán y học, tích trữ năng lượng và công nghiệp vật liệu.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể theo 4 nội dung:

1. Tìm hiểu lịch sử phát minh và bản chất cấu trúc của vật liệu CNT.
2. Tổng hợp các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu CNT trong đời sống, khoa học kỹ thuật và y tế.
3. Khảo sát, hệ thống hóa các phương pháp vật lý và hóa học dùng để tổng hợp CNT trong phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp.
4. Trình bày các nguyên lý và kỹ thuật phân tích lý - hóa đặc trưng nhằm đánh giá cấu trúc, diện tích bề mặt và hình thái học của vật liệu CNT.

Đối tượng nghiên cứu là cấu trúc, tính chất lý hóa, quy trình công nghệ chế tạo và phương pháp phân tích vật liệu ống nano carbon (bao gồm ống đơn lớp SWNT và ống đa lớp MWNT). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tổng quan tài liệu khoa học trong và ngoài nước được công bố tính đến thời điểm hoàn thành khóa luận (tháng 04 năm 2014).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc hóa học lượng tử về các dạng thù hình của carbon, trạng thái lai hóa orbital ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) và cơ chế hình thành liên kết trong mạng tinh thể nano. Các mô hình và lý thuyết khoa học trọng tâm bao gồm:

• Thuyết cấu trúc tinh thể học và liên kết hóa học: Phân tích sự xen phủ orbital $sp^2$ tạo liên kết $\sigma$ bền vững và hệ electron $\pi$ liên hợp trong tấm graphene, giải thích độ bền cơ học cao hơn liên kết $sp^3$ của kim cương cũng như tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt của CNT.
• Thuyết vector Chiral: Khung hình học không gian mô tả quy luật cuộn tấm than chì đơn lớp theo vector chỉ số $(n, m)$ để xác định cấu trúc hình học (zigzag, armchair, chiral) và tính chất điện tử của SWNT.
• Thuyết hấp phụ đa phân tử BET (Brunauer – Emmett – Teller): Mô hình nhiệt động học mô tả quá trình hấp phụ vật lý đa lớp của chất khí trên bề mặt chất rắn nhằm xác định dung lượng hấp phụ đơn lớp ($V_m$) và diện tích bề mặt riêng ($S_0$).
• Nguyên lý tương tác điện tử - vật rắn: Cơ sở tán xạ chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử quét (SEM) để thu nhận tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) và điện tử tán xạ ngược (BSE).

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo của khóa luận là phương pháp nghiên cứu lý thuyết: thu thập, phân loại, phân tích, tổng hợp và hệ thống hóa dữ liệu từ các giáo trình chuyên ngành, bài báo khoa học trên các tạp chí quốc tế, luận văn và các tài liệu chuyên khảo về công nghệ nano và vật liệu carbon.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu Carbon Nano Tube (CNT)

Chương 1 hệ thống hóa các dạng thù hình của nguyên tố carbon và xác lập vị trí của CNT trong hệ thống vật liệu carbon:

• Các dạng thù hình của carbon: Kim cương (lai hóa $sp^3$, cấu trúc tứ diện ba chiều); Than chì/Graphit (lai hóa $sp^2$, cấu trúc lớp phẳng lục giác liên kết Van der Waals); Carbon vô định hình (cấu trúc phi tinh thể, hỗn hợp $sp^3/sp^2$, thành phần chính của muội than, than hoạt tính); Graphene (tấm phẳng một lớp nguyên tử carbon tổ ong liên kết $sp^2$, độ dài liên kết C-C là 0,142 nm, do Novoselov phát hiện năm 2004 và đạt giải Nobel năm 2010); Fulleren (cấu trúc cầu rỗng, tiêu biểu là $C_{60}$); Carbon xốp nano (carbon nanofoam - mạng lưới bó sợi từ tính cực nhẹ); Ống nano carbon (CNT - tấm than chì cuộn tròn thành hình trụ rỗng).

Dạng lai hóa	Dạng thù hình tiêu biểu	Đặc điểm liên kết
$sp^3$	Kim cương (lập phương)	Cấu trúc tứ diện 3 chiều
$sp^2$	Graphit, Graphene, Fullerene, Glassy carbon	Mạng lục giác 2 chiều, dẫn điện
$sp$	Linear acetylenic carbon	Chuỗi carbon mạch thẳng
Hỗn hợp $sp^3/sp^2$	Carbon vô định hình, Carbon nanofoam	Mạng lưới hỗn tạp, xốp hoặc phi tinh thể
Dạng khác / Giả thiết	$C_1, C_2, C_3$, Chaoit, Carbon lập phương, Carbon kim loại	Các trạng thái lý thuyết và cụm nguyên tử

• Lịch sử phát minh: Năm 1991, TS. Sumio Iijima (Nhật Bản) phát hiện ống nano carbon đa tường (MWCNT) trong muội than ở catot khi phóng điện hồ quang chế tạo $C_{60}$. Đến năm 1993, ống nano carbon đơn tường (SWCNT) có đường kính từ 1,5 đến 2 nm được tìm thấy.
• Phân loại cấu trúc CNT:
  • SWNT (Single-Wall Nanotubes): Tấm graphene đơn cuộn lại, đường kính xấp xỉ 1 nm, chiều dài gấp hàng nghìn lần đường kính (tỉ lệ chiều dài/đường kính $> 10$). Vector chiral biểu diễn qua cặp số $(n, m)$: cấu trúc zigzag ($m = 0$), armchair ($n = m$) và chiral ($n > m > 0$).
  • MWNT (Multi-Wall Nanotubes): Gồm nhiều lớp than chì đồng trục với khoảng cách giữa các lớp xấp xỉ 0,34 nm (tương đương khoảng cách giữa các lớp trong graphit). Có hai mô hình cấu trúc: Russian doll (các hình trụ đồng tâm lồng vào nhau) và Parchment (một tấm than chì đơn tự cuộn nhiều vòng quanh trục).

---

Chương 2: Các ứng dụng của vật liệu Carbon Nano Tube (CNT)

Chương 2 tổng hợp chi tiết các tiềm năng và ứng dụng thực tiễn của CNT trong công nghiệp kỹ thuật cao và y sinh học:

1. Sản xuất linh kiện điện tử và bán dẫn:

   • Chế tạo điốt kích thước vài nanomet bằng cách xếp chồng các sợi CNT bán dẫn loại p và loại n bằng phương pháp dòng chảy.
   • Ứng dụng trong điện tử học spin (spintronics): Electron di chuyển trong CNT theo cơ chế xung kích (ballistic transport), không bị tán xạ bởi mạng tinh thể hay sai hỏng, giúp bảo toàn trạng thái spin ($-1/2$ và $+1/2$), cho phép điều khiển linh kiện bằng từ trường.
   • Transistor hiệu ứng trường (CNT-FET): Sử dụng CNT làm kênh dẫn, độ dẫn điện có thể thay đổi hơn $10^6$ lần so với transistor nền silic, tốc độ đóng mở đạt dải Terahertz (THz), tiêu thụ điện năng thấp và tản nhiệt hiệu quả.

2. Vật liệu composite siêu bền và siêu nhẹ:

   • Ứng dụng dệt sợi chế tạo áo chống đạn nhẹ, bền hơn nhiều lần so với sợi truyền thống (Đại học Cambridge).
   • NASA ứng dụng CNT trong chế tạo vỏ tàu vũ trụ nhằm giảm trọng tải, tiết kiệm chi phí phóng và tăng khả năng chịu va đập cơ học.

3. Sơn chống mài mòn cho tàu thủy:

   • Hãng Advanced Marine Coatings (Na Uy) và Bayer MaterialScience phát triển hệ sơn hai thành phần Green Ocean Coating Heavy Duty (gốc Epoxid – Mastix Resin bổ sung hạt Baytubes CNT).
   • Thử nghiệm trên diện tích 700 $\text{m}^2$ vỏ tàu chở khí lỏng Berge Arzew (dung tích $138.000\text{ m}^3$) với độ dày màng sơn $400\text{ }\mu\text{m}$: Màng sơn không chứa hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC), bề mặt siêu phẳng nhẵn giúp triệt tiêu ma sát thủy động lực học, giảm lực cản sóng, tiết kiệm nhiên liệu và thay thế các lớp phủ kẽm chống hà độc hại.

4. Vật liệu năng lượng và lưu trữ khí:

   • Pin Lithium: Nghiên cứu của MIT sử dụng điện cực CNT đa tường xử lý bề mặt kết hợp Lithium Titanium Oxide bằng phương pháp "layer-by-layer", nâng mật độ năng lượng tích lũy trên một đơn vị khối lượng lên hơn 10 lần ($10\text{ kW/kg}$ so với $1\text{ kW/kg}$ của pin thông thường), giữ dung lượng ổn định sau 1.000 chu kỳ sạc/xả.
   • Tích trữ Hydro: Lưu trữ vật lý bằng hiện tượng mao dẫn trong lõi rỗng hoặc lưu trữ hóa học (hấp phụ nguyên tử H) làm pin nhiên liệu cho xe hơi.
   • Dây dẫn điện: Đại học Rice hòa tan CNT trong dung dịch siêu axit chlorosulphonic ở nồng độ $0,5\text{ wt}%$ (cao gấp 1.000 lần dung dịch axit thông thường), tạo trạng thái tinh thể lỏng để kéo thành sợi dẫn điện dài hàng trăm mét.
   • Pin giấy: Đại học Stanford kết hợp CNT và mực dẫn điện dây nano bạc (nanowire) để tạo pin giấy, giảm $20%$ trọng lượng và hỗ trợ sạc siêu nhanh.

5. Thiết bị phát xạ trường và đầu dò/cảm biến:

   • Thiết bị phát xạ trường: Nhờ ngưỡng thế phát xạ thấp, mật độ dòng ổn định và độ trơ hóa học cao, CNT được ứng dụng trong màn hình hiển thị phẳng và đầu dò kính hiển vi quét STM, AFM.
   • Đầu dò AFM/STM gắn CNT: Cải thiện độ phân giải mà không phá hủy mẫu nhờ độ đàn hồi cao; gắn nhóm chức $-\text{COOH}$ để tương tác hóa học và y sinh.
   • Cảm biến cồn: Gắn nhóm $-\text{COOH}$ lên bề mặt CNT để tương tác đặc hiệu với phân tử ethanol ($\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$), làm thay đổi độ dẫn điện nhằm phát hiện nồng độ cồn cực thấp.

6. Ứng dụng trong y học:

   • Tiêu diệt tế bào ung thư bằng từ trường quay (Đại học Dundee, Anh): Đưa chùm CNT bọc polymer tương thích sinh học vào môi trường nuôi cấy tế bào ung thư vú. Dưới từ trường $40\text{ mT}$, CNT khoan các lỗ kích thước nano tạm thời trên màng tế bào giúp thuốc nhuộm/thuốc thâm nhập; ở từ trường cường độ cao hơn, bó CNT phá vỡ màng tế bào, tiêu diệt $1/3$ lượng tế bào ung thư trong vòng 24 giờ.
   • Cảm biến sinh học cấy ghép (MIT): Cảm biến CNT bọc gel nhựa dạng tảo tránh sự đào thải của hệ thống miễn dịch, tồn tại 400 ngày dưới da chuột và có khả năng hoạt động tới 1 năm trong cơ thể người; dùng phát hiện Nitric Oxide (NO) liên quan đến khối u hoặc theo dõi liên tục nồng độ glucose và insulin ở bệnh nhân đái tháo đường.

---

Chương 3: Các phương pháp tổng hợp vật liệu Carbon Nanotubes (CNT)

Chương 3 trình bày toàn diện hai nhóm phương pháp tổng hợp CNT: phương pháp vật lý (nhiệt độ cao) và phương pháp hóa học (lắng đọng pha hơi):

1. Các phương pháp vật lý

• Phương pháp hồ quang điện (Electric Arc Discharge): Do Ebbesen và Ajayan phát triển năm 1992. Hai điện cực than/graphit đặt cách nhau 1 mm trong buồng chứa khí trơ (He hoặc Ar) ở áp suất $50 - 700\text{ mbar}$, dòng điện hồ quang xấp xỉ 100 A. Than ở cực dương (anot) bốc bay tạo plasma và tái kết tinh tại cực âm (catot). Sử dụng than tinh khiết tạo MWCNT; khi thêm chất xúc tác kim loại (Fe, Co, Ni, B) tạo thành SWCNT. Hiệu suất đạt khoảng $30%$ khối lượng. Hạn chế: Ống tạo thành ngắn ($\le 50\text{ }\mu\text{m}$), đường kính và hướng mọc phân bố ngẫu nhiên.
• Phương pháp bốc bay bằng tia laser (Laser Ablation): Nhóm Richard (Đại học Rice) thực hiện bằng cách chiếu chùm laser (thường dùng laser hai xung) vào bia graphit chứa bột xúc tác Co:Ni ($50:50$, kích thước hạt $1\text{ }\mu\text{m}$) đặt trong lò nung $1.200^\circ\text{C}$ chứa khí trơ Ar/He/Ne ở áp suất $500\text{ Torr}$. Xúc tác Ni/Y (tỉ lệ $4,2:1$) cho hiệu quả tạo SWCNT tốt nhất; gia công nhiệt ở $1.000^\circ\text{C}$ để loại bỏ fulleren. Hiệu suất đạt trên $70%$, tạo sản phẩm có độ tinh khiết cao ở quy mô hàng gam. Hạn chế: Chi phí vận hành rất cao do yêu cầu nguồn laser công suất lớn.

2. Các phương pháp hóa học (Lắng đọng pha hơi - CVD)

Nguyên tắc chung: Phân hủy nhiệt các phân tử khí chứa carbon ($\text{CH}_4$, $\text{C}_2\text{H}_4$, $\text{C}_2\text{H}_2$, $\text{CO}$, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) ở nhiệt độ $650 - 900^\circ\text{C}$ để giải phóng nguyên tử carbon; carbon khuếch tán và ngưng tụ phát triển thành ống nano trên các hạt xúc tác kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni, Mo...) phủ trên chất nền ($\text{Si}$, $\text{SiO}_2$, thủy tinh).

Phương pháp CVD	Nguồn Carbon	Xúc tác & Chất nền	Điều kiện nhiệt độ / Áp suất	Đặc điểm & Kích thước ống
PECVD (Tăng cường Plasma)	$\text{CH}_4, \text{C}_2\text{H}_2, \text{CO}$	Ni, Fe, Co trên $\text{Si}/\text{SiO}_2$	$\sim 330^\circ\text{C}$, dòng cao tần	MWCNT định hướng thẳng đứng, $\varnothing \approx 15\text{ nm}$, hiệu suất $\sim 50%$
Thermal CVD (CVD nhiệt)	Hydrocarbon + $\text{NH}_3$	Màng mỏng Fe, Ni, Co trên $\text{Si}$	$750 - 1.050^\circ\text{C}$	MWCNT; màng $13\text{ nm} \rightarrow \varnothing 30-40\text{ nm}$; màng $27\text{ nm} \rightarrow \varnothing 100-200\text{ nm}$
ACCVD (Xúc tác cồn)	Methanol, Ethanol	Fe, Co trên nền Zeolite	$\sim 550^\circ\text{C}$ ($< 600^\circ\text{C}$)	SWCNT chất lượng cao, $\varnothing \approx 1\text{ nm}$, giá thành thấp, thích hợp bán dẫn
Pha bay hơi (Floating catalyst)	Khí chứa C + Ferrocene	Ferrocene (pha hơi), không nền	Hệ 2 lò nhiệt độ khác nhau	SWCNT ($\varnothing 2-4\text{ nm}$); MWCNT ($\varnothing 70-100\text{ nm}$)
Aerogel-supported	Carbon monoxide ($\text{CO}$)	Fe/Mo trên bọt Aerogel	$\sim 860^\circ\text{C}$ (tối ưu)	SWCNT độ tinh khiết $> 99%$, $\varnothing \approx 1,0 - 1,5\text{ nm}$, diện tích bề mặt lớn
LCVD (Laser hỗ trợ nhiệt)	$\text{Fe(CO)}_5 + \text{C}_2\text{H}_2$	Hạt Fe phân hủy từ hơi $\text{Fe(CO)}_5$	Laser $\text{CO}_2$ sóng liên tục	SWCNT ($\varnothing \approx 0,5\text{ nm}$); MWCNT ($\varnothing 30-80\text{ nm}$)
CoMoCat (Xúc tác Co-Mo)	Khí $\text{CO}$	Co-Mo (ngăn thiêu kết Co)	$700 - 950^\circ\text{C}$, tầng sôi	SWCNT chọn lọc cao ($80-90%$), kiểm soát đường kính theo nhiệt độ
HiPco (CO áp suất cao)	Khí $\text{CO}$ dòng liên tục	$\text{Fe(CO)}_5$ (tiền chất)	Áp suất $\text{CO}$ cao, gia nhiệt	SWCNT quy mô lớn, điều khiển đường kính qua áp suất khí

Bảng biến thiên đường kính SWCNT theo nhiệt độ trong phương pháp CoMoCat:

• $750^\circ\text{C}$: Đường kính SWCNT đạt $0,85 - 0,95\text{ nm}$
• $850^\circ\text{C}$: Đường kính SWCNT đạt $0,90 - 1,25\text{ nm}$
• $950^\circ\text{C}$: Đường kính SWCNT đạt $1,00 - 1,40\text{ nm}$

---

Chương 4: Các phương pháp phân tích lý hóa vật liệu CNT

Chương 4 phân tích cơ sở lý thuyết và quy trình vận hành của các kỹ thuật phân tích cấu trúc, hình thái và bề mặt vật liệu nano:

1. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET (Brunauer – Emmett – Teller)

Được sử dụng để xác định độ hấp phụ khí và diện tích bề mặt riêng của CNT. Dựa trên mô hình hấp phụ đa phân tử đẳng nhiệt dạng đường cong chữ S, phương trình BET tuyến tính có dạng:

$$\frac{P}{V(P_0 - P)} = \frac{1}{V_m C} + \frac{C - 1}{V_m C} \left(\frac{P}{P_0}\right)$$

Trong đó:

• $P$: Áp suất khí hấp phụ thực tế.
• $P_0$: Áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ.
• $V$: Thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất $P$.
• $V_m$: Thể tích khí bị hấp phụ khi phủ kín lớp đơn phân tử.
• $C$: Thừa số năng lượng liên quan đến nhiệt hấp phụ lớp thứ nhất ($q_1$) và nhiệt hóa lỏng ($q_n$), với $C \approx \exp[(q_1 - q_n)/RT]$.

Từ đồ thị biểu diễn $\frac{P}{V(P_0 - P)}$ theo $\frac{P}{P_0}$, xác định được $V_m$ và $C$. Từ đó, diện tích bề mặt riêng $S_0$ của vật liệu CNT được tính theo công thức:

$$S_0 = \frac{V_m \cdot N \cdot W_m}{V_0}$$

Với $N$ là số Avogadro, $W_m$ là diện tích chiếm bởi một phân tử khí bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử, và $V_0 = 22.400\text{ cm}^3/\text{mol}$ (thể tích mol chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn).

2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc vi mô của CNT với độ phóng đại và độ phân giải cao. Chùm electron hẹp được phát ra từ súng phóng điện tử, tăng tốc dưới hiệu điện thế $10 - 50\text{ kV}$ và hội tụ qua hệ thống thấu kính từ quét trên bề mặt mẫu. Quá trình tương tác sinh ra hai dạng bức xạ chính:

• Điện tử thứ cấp (Secondary Electrons - SE): Năng lượng thấp ($< 50\text{ eV}$), phát ra từ độ sâu vài nanomet sát bề mặt mẫu, thu nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy để tạo ảnh địa hình hai chiều của mạng lưới ống nano.
• Điện tử tán xạ ngược (Backscattered Electrons - BSE): Năng lượng cao do chùm electron nguyên cấp phản xạ đàn hồi, phản ánh độ tương phản về thành phần hóa học (số nguyên tử Z) và phân tích cấu trúc tinh thể, hỗ trợ quan sát sự phân bố của hạt xúc tác kim loại trên ống nano.

3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Khảo sát cấu trúc tinh thể và sự định hướng mạng lưới nguyên tử carbon trong cấu trúc ống CNT thông qua phổ nhiễu xạ tia X.

---

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp một hệ thống dữ liệu toàn diện về vật liệu Carbon Nanotubes với các kết quả cụ thể:

• Làm rõ bức tranh tổng thể về các dạng thù hình carbon, chỉ ra sự khác biệt bản chất giữa cấu trúc lai hóa $sp^2$ của CNT/graphene với lai hóa $sp^3$ của kim cương, giải thích cơ sở lý thuyết của độ bền cơ học và tính chất điện tử.
• Tổng hợp định lượng các thông số kỹ thuật của 10 phương pháp chế tạo CNT (2 phương pháp vật lý và 8 biến thể CVD), cung cấp dữ liệu so sánh về nhiệt độ, hiệu suất, chất xúc tác và kích thước đường kính ống tạo thành (như hiệu suất hồ quang điện $\sim 30%$, laser ablation $> 70%$, CoMoCat đạt độ chọn lọc SWNT $80 - 90%$, PECVD tổng hợp định hướng ở $330^\circ\text{C}$).
• Phân tích chi tiết các ứng dụng thực tế có thông số thử nghiệm cụ thể: Màng sơn Baytubes CNT phủ $700\text{ m}^2$ tàu Berge Arzew; pin lithium tăng mật độ năng lượng 10 lần ($10\text{ kW/kg}$) sau 1.000 chu kỳ nạp xả; dung dịch CNT trong siêu axit chlorosulphonic đạt nồng độ $0,5\text{ wt}%$; cảm biến y sinh phủ tảo tồn tại 400 ngày trên động vật thử nghiệm; hiệu ứng từ trường quay $40\text{ mT}$ tiêu diệt $1/3$ tế bào ung thư vú trong 24 giờ.
• Hệ thống hóa cơ sở toán lý của phương pháp phân tích BET (phương trình đẳng nhiệt, cách tính $V_m, S_0$) và cơ chế tạo ảnh SE/BSE trong kính hiển vi SEM.

Đóng góp của khóa luận nằm ở việc tập hợp, đối chiếu và hệ thống hóa nguồn tài liệu chuyên khảo về CNT thành một tài liệu tham khảo đồng bộ, khoa học bằng tiếng Việt cho sinh viên ngành Sư phạm Hóa học và Hóa học ứng dụng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Đề tài dừng lại ở mức độ nghiên cứu tổng quan lý thuyết qua tài liệu, chưa tiến hành thực nghiệm chế tạo trực tiếp hoặc đo đạc mẫu CNT thực tế tại phòng thí nghiệm do điều kiện trang thiết bị phân tích hiện đại (như hệ CVD chuyên dụng, kính hiển vi SEM, HRTEM, BET) còn hạn chế.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm quy trình tổng hợp CNT bằng phương pháp CVD quy mô phòng thí nghiệm từ các nguồn tiền chất hydrocarbon sẵn có; nghiên cứu biến tính hóa học bề mặt CNT bằng các nhóm chức (như $-\text{COOH}, -\text{OH}$) nhằm ứng dụng chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý môi trường hoặc làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

• Sinh viên và giảng viên ngành Sư phạm Hóa học, Hóa học, Khoa học Vật liệu: Làm tài liệu tham khảo cho các học phần Hóa học chất rắn, Công nghệ nano, Hóa học vô cơ và Vật liệu tiên tiến.
• Học viên, nghiên cứu viên bắt đầu tiếp cận vật liệu nano carbon: Tham khảo bức tranh toàn cảnh về phương pháp tổng hợp CVD, quy luật kiểm soát đường kính ống nano theo nhiệt độ/chất xúc tác và các phương pháp đặc trưng hóa bề mặt (BET, SEM, XRD).
• Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (tổng hợp chi tiết 8 quy trình CVD và các thông số công nghệ tương ứng) và Chương 4 (hướng dẫn chi tiết nguyên lý toán học của phương trình BET).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận phân biệt cấu trúc của SWNT và MWNT như thế nào?
   Trả lời: SWNT là một tấm graphene đơn cuộn tròn thành hình trụ liền với đường kính xấp xỉ 1 nm, được đặc trưng bởi vector chiral $(n, m)$. MWNT gồm nhiều lớp than chì đồng trục cuộn lồng vào nhau với khoảng cách giữa các lớp xấp xỉ 0,34 nm, được mô tả theo hai kiểu cấu trúc là Russian doll (ống đồng tâm) hoặc Parchment (một tấm đơn tự cuộn nhiều vòng).

2. Vì sao phương pháp CoMoCat lại kiểm soát được độ chọn lọc SWNT cao?
   Trả lời: Phương pháp CoMoCat sử dụng hệ xúc tác Co-Mo độc nhất, trong đó Molybdenum tạo pha carbide ($\text{Mo}_2\text{C}$) có tác dụng phân tán và ngăn chặn hiện tượng thiêu kết (sintering) của các hạt Cobalt kim loại. Nhờ đó, phản ứng phân hủy $\text{CO}$ diễn ra có kiểm soát, triệt tiêu sự hình thành các dạng carbon vô định hình không mong muốn và đạt độ chọn lọc SWNT từ $80%$ đến $90%$.

3. Cơ chế nào giúp CNT làm tăng mật độ năng lượng của pin Lithium lên 10 lần theo nghiên cứu của MIT?
   Trả lời: Theo nghiên cứu của MIT được trích dẫn trong khóa luận, các lớp CNT đa tường xử lý nhiệt với hydro được chế tạo bằng phương pháp "layer-by-layer" kết hợp Lithium Titanium Oxide. Ảnh phân tích TEM và chu trình phóng nạp chứng minh rằng các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt CNT sau xử lý đóng vai trò quyết định trong việc gia tăng khả năng tích trữ ion và nâng mật độ năng lượng lên $10\text{ kW/kg}$ (so với $1\text{ kW/kg}$ ở pin thường).

4. Trong phương pháp phân tích BET, diện tích bề mặt riêng $S_0$ của CNT được tính toán qua những đại lượng nào?
   Trả lời: Đại lượng $S_0$ được tính theo công thức $S_0 = (V_m \cdot N \cdot W_m) / V_0$, trong đó $V_m$ (thể tích khí hấp phụ đơn lớp) được suy ra từ hệ số góc và điểm cắt trục tung của đường biểu diễn phương trình BET tuyến tính, $N$ là số Avogadro, $W_m$ là tiết diện phân tử chất bị hấp phụ, và $V_0 = 22.400\text{ cm}^3/\text{mol}$.

5. Cơ chế tiêu diệt tế bào ung thư bằng CNT dưới tác động của từ trường quay là gì?
   Trả lời: Khi đặt chùm ống CNT bọc polymer tương thích sinh học trong từ trường quay, chùm ống sẽ chuyển động quay và tương tác cơ học với màng tế bào. Dưới từ trường $40\text{ mT}$, các ống CNT khoan thủng màng tế bào tạm thời để đưa thuốc nhuộm/thuốc vào trong; ở từ trường cường độ cao hơn, bó ống phá hủy hoàn toàn màng tế bào khiến nội chất rò rỉ ra ngoài, làm chết $1/3$ lượng tế bào ung thư trong vòng 24 giờ.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Thị Ánh Minh là một công trình tổng quan lý thuyết hệ thống và chi tiết về vật liệu ống nano carbon (CNT), phản ánh rõ nét trình độ tổng hợp tư liệu khoa học của sinh viên chuyên ngành Sư phạm Hóa học. Tác phẩm đã phân tích sáng tỏ mối liên hệ giữa cấu trúc lai hóa $sp^2$ với các đặc tính cơ - điện - nhiệt vượt trội của CNT, đồng thời hệ thống hóa tường minh các công nghệ chế tạo từ quy mô phòng thí nghiệm đến công nghiệp (đặc biệt là 8 biến thể của kỹ thuật CVD) cùng các phương pháp phân tích đặc trưng lý hóa (BET, SEM, XRD). Đây là nguồn tài liệu học thuật có giá trị tham khảo tốt cho sinh viên và bạn đọc quan tâm đến lĩnh vực hóa học vật liệu nano.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. i LỜI CAM ĐOAN. ii LỜI CẢM ƠN. iii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN.

iv NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN.v DANH MỤC HÌNH ẢNH .x DANH MỤC BẢNG. xii KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT. xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT). Các dạng thù hình của carbon.

Cacbon vô định hình. Carbon xốp nano (lƣới cực nhẹ từ tính). Carbon ống nano (CNT). Lịch sử phát minh vật liệu CNT.

Khái quát về vật liệu CNT .1 Ống nano đơn lớp SWNT (Single Wall Nano Tube). Ống nano đa lớp MWNT ( Multi Wall Nano Tube)……………………………. Việc sử dụng vật liệu nano hiện nay.7 Chƣơng 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT). Ứng dụng trong công nghiệp.

Sản xuất linh kiện điện tử. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu siêu bền, siêu nhẹ. Sản xuất sơn chống mài mòn cho tàu thủy. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu năng lƣợng.

Thiết bị phát xạ điện trƣờng. Làm đầu dò nano và sensơ. Các ứng dụng sensor:. Ứng dụng trong y tế.

Ống nano cacbon quay đều trong điều trụ ung thƣ. Cảm biến ống nano các bon dùng theo dõi trình trạng của bệnh nhân tiểu đƣờng .17 Chƣơng 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON NANOTUBES (CNT). Phƣơng pháp vật lý. Phƣơng pháp hồ quang điện.

Nguyên tắc chế tạo MWCNTs và SWCNTs. Phƣơng pháp sử dụng tia laser. Phƣơng pháp hóa học. Phƣơng pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD).

Phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma :. Phƣơng pháp CVD nhiệt :. Phƣơng pháp CVD dùng xúc tác alcohol :. Phƣơng pháp tạo thành các pha bay hơi :.

Phƣơng pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi ở dạng bọt gel ( Aero gel- supported) .6 Phƣơng pháp CVD nhiệt có laser hỗ trợ (LCVD) .7 Phƣơng pháp CVD với xúc tác Co-Mo (CoMoCat) :. Phƣơng pháp HiPco .31 Chƣơng 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH LÝ HÓA VẬT LIỆU CNT. Phƣơng pháp BET (Brunauer Emmet Teller) xác định bề mặt riêng và độ hấp phụ của vật liệu CNT. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Nguyên lý của phổ nhiễu xạ tia X(XRD). 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 42 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc không gian của kim cƣơng .2 Cấu trúc không gian của Graphit.3 Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cacbon.4 Carbon ống nano.6 Ống nano carbon nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện tử .1 Transistor trƣờng sử dụng ống nanno carbon.2 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNT .3 Tàu thủy đƣợc sơn bằng sơn chống mòn có thành phần từ Carbon Nanotube .4 Mô hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H2 .5 Chế tạo pin giấy dựa trên các đặc tính bảo tồn năng lƣợng của ống nano .7 Típ STM, AFM có gắn CNT .8 Sợi composite của polyaniline với CNT .9 Mô hình ống nano carbon, dạng zig-zag .10 Tế bào mẫu đƣợc đƣa vào các từ trƣờng quay .1 Sơ đồ (a) và hệ thống thiết bị (b) chế tạo CNT bằng phƣơng pháp hồ quang điện .2 Sơ đồ (a) và thiết bị (b) chế tạo CNT bằng phƣơng pháp chùm laser .3 Ví dụ một hệ thiết bị tổng hợp CNT bằng phƣơng pháp cắt laser .4 Thiết bị (a) và sơ đồ (b) phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma .5 Sơ đồ thiết bị tổng hợp ống than nano theo phƣơng pháp thermal CVD .6 Sơ đồ phƣơng pháp CVD xúc tác alcohol.7 Sơ đồ thiệt bị của phƣơng pháp tạo thành pha bay hơi .8 Cách bố trí thiết bị đọng hóa học từ pha hơi sử dụng nhiệt laser (LCVD) .9 Hệ thống bộ hóa lỏng của qui trình CoMoCat.10 Sơ đồ bình phản ứng dòng CO.1 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đa phân tử .2 Sơ đồ cấu tạo máy SEM .3 Sơ đồ tán xạ tia X bởi nguyên tử .4 Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể.36 xi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số liên kết hóa học đặc trƣng cấu thành nên các dạng thù hình cacbon .1 Một số giá trị đƣờng kính SWNTs ở nhiệt độ khác nhau: .30 xii KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT CNT : Carbon Nano Tube SWNT : Single Wall Nano Tube MWNT : Multi Wall Nano Tube SWCNT : Single Wall Carbon Nano Tube MWCNT : Multi Wall Carbon Nano Tube CVD : Chemical Vapor Deposition LCVD : Laser Chemical Vapor Deposition BET : Brunauer Emmet Teller SEM : Scanning Electron Microscope XRD : X-ray Diffraction xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT) 1.1 Các dạng thù hình của carbon [1] 1.1 Kim cƣơng: Là một dạng thù hình cứng nhất của cacbon cho đến khi A. Novoselov tìm ra một thù hình khác của cacbon là graphene.

Cấu trúc: mỗi nguyên tử đƣợc liên kết với 4 nguyên tử khác theo kiểu tứ diện, tạo thành các lƣới 3 chiều gồm các vòng 6 thành viên.1 Cấu trúc không gian của kim cƣơng 1.2 Graphit (than chì): Là một trong những chất mềm nhất. Cấu trúc: mỗi nguyên tử đƣợc liên kết theo kiểu tam giác với 3 nguyên tử khác, tạo thành các lƣới 2 chiều của các vòng 6 thành viên ở dạng phẳng; các tấm phẳng này liên kết lỏng lẻo với nhau.2 Cấu trúc không gian của Graphit.3 Cacbon vô định hình Cấu trúc: các nguyên tử cacbon trong trạng thái phi tinh thể, không có quy luật và giống nhƣ cấu trúc vô định hình của vật liệu thủy tinh. Trong dạng vô định hình, cacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhƣng không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.4 Graphene: Là khoáng vật cứng nhất cũng nhƣ bán dẫn tốt nhất.

Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nano cacbon và fulleren.Novoselov đã phát hiện ra chất này năm 2004 và đƣợc trao giải Nobel Vật lí vì phát hiện này năm 2010. Cấu trúc: có dạng tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Chiều dài liên kết carbon - carbon trong graphen khoảng 0,142 nm.3 Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cacbon.5 Fulleren Một lƣợng tƣơng đối lớn các nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu tam giác, tạo thành các hình cầu rỗng (trong số đó nổi tiếng và đơn giản nhất là Buckminster fulleren).6 Carbon xốp nano (lƣới cực nhẹ từ tính). Cấu trúc: lƣới mật độ thấp của các bó có cấu trúc giống nhƣ graphit, trong đó các nguyên tử đƣợc liên kết theo kiểu tam giác trong các vòng 6 hay 7 thành viên.7 Carbon ống nano (CNT).

Cấu trúc: mỗi nguyên tử liên kết theo kiểu tam giác trong tấm cong để tạo thành ống trụ rỗng (hình dƣới). Vật liệu ống nano các bon CNT sẽ là chủ đề chính nghiên cứu trong đề tài này.4 Carbon ống nano 3 Bảng 1.1 Một số liên kết hóa học đặc trƣng cấu thành nên các dạng thù hình cacbon Dạng sp3  Kim cƣơng (lập phƣơng). Dạng sp2  Graphit  Graphene  Fullerene  Glassy carbon Dạng sp Linear axetylenic carbon Dạng hỗn hợp  Carbon vô định hình sp3/sp2  Carbon nanofoam Các dạng khác  C1  C2  C3 Dạng giả thiết  C6  C8  Chaoit  Carbon lập phƣơng  Carbon kim loại 4 1.2 Lịch sử phát minh vật liệu CNT [2] Ống nano carbon (CNT) đƣợc tạo ra bởi những nguyên tử carbon, các nguyên tử carbon này có liên kết hóa trị với nhau bằng lai hóa sp2. Năm 1991, khi nghiên cứu Fulleren C60, Tiến sĩ Iijima – một nhà khoa học Nhật Bản – đã phát hiện trong đám muội than – sản phẩm phụ trong quá trình phóng điện hồ quang – có những ống tinh thể cực nhỏ và dài bám vào catot.

Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy rằng các ống này có nhiều lớp carbon, ống này lồng vào ống kia. Các ống sau này đƣợc gọi là ống nano carbon đa tƣờng (MWCNT- multi wall carbon nanotube). Mặc dù có nhiều tính chất đặc biệt nhƣng không dễ dàng để phân tích ống nano carbon bằng phƣơng pháp quang phổ, do vậy điều này đã cản trở việc nghiên cứu về chúng. Năm 1993, ống nano carbon đơn tƣờng (SWCNT – single wall carbon nanotube) đã đƣợc phát hiện, đó là các ống rỗng đƣờng kính từ 1.5 - 2nm, dài cỡ micromet.

Vỏ của ống bao gồm các nguyên tử carbon sắp xếp theo các đỉnh 6 cạnh rất đều đặn, chính sự phát hiện này đã thúc đẩy sự nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Phƣơng pháp quang phổ Raman là phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền so với kính hiển vi điện tử, đƣợc dùng rộng rãi để nghiên cứu trên CNT trong những thập kỉ trƣớc. Trong những thập kỉ trƣớc đây khi nano carbon đƣợc phát hiện và nghiên cứu thì hầu nhƣ không có sản phẩm ứng dụng thực tiễn nào ra đời do còn nhiều khó khăn trong nghiên cứu.3 Khái quát về vật liệu CNT Ống nano carbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) là các dạng thù hình của cacbon. Một ống nano cacbon đơn lớp là một tấm than chì độ dày một nguyên tử cuộn tròn lại thành một hình trụ liền, với đƣờng kính cỡ nanomet.

Điều này xảy ra trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đƣờng kính vƣợt trên 10. Ống nano là 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 đƣợc phủ bởi một bán cầu có cấu trúc buckyball. 5 Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ống nano đa lớp (MWNT).

Bản chất của liên kết trong ống nano cacbon đƣợc giải thích bởi hóa học lƣợng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano đƣợc cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tƣơng tự với than chì. Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết sp3 ở trong kim cƣơng, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt. Các ống nano thông thƣờng tự sắp xếp thành các "sợi dây thừng" đƣợc giữ với nhau bởi lực Van der Waals.

Dƣới áp suất cao, các ống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp2 cho liên kết sp3, tạo ra khả năng sản sinh ra các sợi dây khỏe, độ dài không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao.1 Ống nano đơn lớp SWNT (Single Wall Nano Tube) zigzag(n,0) chiral(n,m) Armchair(m,m) Hình 1.