Mô hình 3D của ba loại ống nano carbon đơn vách .
Hoạt hình cho thấy cấu trúc 3 chiều của một ống nano .
Các ống nano carbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube – CNT) là một dạng thù hình của carbon. Một ống nano carbon đơn vách là một tấm than chì độ dày một-nguyên-tử cuộn tròn lại thành một hình trụ liền, với đường kính cỡ nanomet. Điều này xảy ra trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính vượt trên 10.000. Các phân tử carbon hình trụ đó có các tính chất thú vị làm cho chúng có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, và một số ngành khoa học vật liệu khác. Chúng thể hiện độ bền đáng kinh ngạc và các tính chất điện độc đáo, và độ dẫn nhiệt hiệu quả. Các ống nano vô cơ cũng đã được tổng hợp.
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 được phủ bởi một bán cầu có cấu trúc buckyball. Tên của chúng được đặt theo hình dạng của chúng, do đường kính của ống nano vào cỡ một vài nanomet (xấp xỉ nhỏ hơn 50.000 lần một sợi tóc), trong khi độ dài của chúng có thể lên tới vài milimet. Các nhà nghiên cứu ở đại học Cincinnati (UC) đã phát triển một quá trình để xây mạng thẳng hàng các ống nano carbon cực dài. Họ đã có thể sản xuất các ống nano carbon dài 18mm [1] và có thể xoắn lại thành các sợi nano carbon. Có hai loại ống nano carbon chính: ống nano đơn vách (SWNT) và ống nano đa vách (MWNT).
Bản chất của link trong ống nano carbon được lý giải bởi hóa học lượng tử, đơn cử là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của những ống nano được cấu thành trọn vẹn bởi những link sp2, tương tự như với than chì. Cấu trúc link này, mạnh hơn những link sp3 ở trong kim cương, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt quan trọng. Các ống nano thường thì tự sắp xếp thành những ” sợi dây thừng ” được giữ với nhau bởi lực Van der Waals. Dưới áp suất cao, những ống nano hoàn toàn có thể trộn với nhau, trao đổi 1 số ít link sp2 cho link sp3, tạo ra năng lực sản ra những sợi dây khỏe, độ dài không số lượng giới hạn trải qua link ống nano áp suất cao. [ 2 ]
Sự mày mò[sửa|sửa mã nguồn]
Các loại ống nano carbon[sửa|sửa mã nguồn]
n,m) có thể tưởng tượng như là một vector (Ch) trong một tấm than chì vô hạn mà mô tả cách “cuộn” tấm than chì để tạo ống nano. T thể hiện trục của ống, và a1 với a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thựcCách đặt tên ống nano ( ) hoàn toàn có thể tưởng tượng như thể một vector ( ) trong một tấm than chì vô hạn mà diễn đạt cách ” cuộn ” tấm than chì để tạo ống nano. biểu lộ trục của ống, vàvớilà những vector đơn vị chức năng của graphene trong khoảng trống thực
Phần lớn các ống nano đơn vách (SWNT-Single-Walled Nanotube) có đường kính gần 1 nanomet, với độ dài đường ống có thể gấp hàng nghìn lần như vậy. Cấu trúc của một SWNT có thể được hình dung là cuộn một vách than chì độ dày một-nguyên-tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền. Cách mà tấm graphene được cuộn như vậy được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m) gọi là vector chiral. Các số nguyên n và m là số của các vector đơn vị dọc theo hai hướng trong lưới tinh thể hình tổ ong của graphene. Nếu m=0, ống nano được gọi là “zigzag”. Nếu n=m, ống nano được gọi là “ghế bành”. Nếu không, chúng được gọi là “chiral”.
Ống nano đơn vách là loại ống nano carbon cực kỳ quan trọng bởi chúng biểu lộ những đặc thù điện quan trọng mà không ống nano đa vách nào có được. Các ống nano đơn vách là ứng viên sáng giá trong việc thu nhỏ size loại sản phẩm ngành cơ điện từ cỡ micro lúc bấy giờ xuống còn nano. Sản phẩm cơ bản của ngành này là dây điên, mà SWNT lại dẫn điện rất tốt [ 3 ]. Một ứng dụng hữu dụng khác của SWNT là trong việc tăng trưởng những transitor cảm ứng ( FET-field effect transitor ) nội phân tử. Việc sản xuất cổng logic ( logic gate ) tiên phong sử dụng FET làm bằng SWNT gần đây đã trở thành hiện thực [ 4 ]. Bởi vì SWNT trở thành p-FET khi tiếp xúc với oxy và n-FET khi không tiếp xúc với oxy, chúng đều hoàn toàn có thể bảo vệ 50% SWNT khỏi bị tiếp xúc với oxy, trong khi cho tiếp xúc với oxy nửa còn lại. Kết quả là một SWNT đơn hoàn toàn có thể hoạt động giải trí như một cửa luận lý NOT với cả loại FET n và p trong cùng một phân tử .Ống nano đơn vách vẫn có chi phí sản xuất cao, khoảng chừng USD 1500 mỗi gam vào năm 2000, và việc tăng trưởng những chiêu thức tổng hợp hiệu suất cao hơn là rất thiết yếu cho tương lai của công nghệ tiên tiến nano. Nếu không hề phát hiện những giải pháp tổng hợp rẻ hơn, nó sẽ trở thành cản trở về mặt kinh tế tài chính trên con đường đưa ống nano đơn vách ra ứng dụng trong thực tiễn. [ 5 ] Một vài nhà cung ứng phân phối SWNT arc discharge với khoảng chừng USD 50 – 100 vào năm 2007. [ 6 ] [ 7 ]
Ống carbon nano đa vách ( MWNT ) gồm nhiều vách than chì ( graphite ). Có hai quy mô được sử dụng để diễn đạt MWNT. Trong quy mô thứ nhất có tên gọi : Russian doll, MWNT gồm nhiều ống SWNT đơn lồng vào nhau. Trong quy mô thứ hai : Parchment, MWNT được diễn đạt như một tấm graphite cuộn lại. Khoảng cách giữa những vách trong MWNT tương tự vách khoảng cách những vách graphite trong cấu trúc than chì, xê dịch 3.4 Å .MWNT có đường kính lớn hơn SWNT, và có độ trơ với hóa chất cao hơn. Năm 2009, nhóm nghiên cứu và điều tra của giáo sư James Tour ở ĐH Rice dùng KMnO4 trong H2SO4 đặc để mở ống MWNT tạo nên Graphene nanoribbon, khu công trình được đăng trên tạp chí nature. MWNT hai vách được gọi là DWNT, được tổng hợp trên quy mô gram vào năm 2003. [ 8 ] by the bằng chiêu thức CCVD .
nanobud Cấu trúc của mầm ống carbon nanoỐng carbon nano vòng được tiên đoán bằng triết lý với nhiều đặc thù đặc biệt quan trọng .
Ống carbon nano mầm và một dạng đặc biệt quan trọng, phối hợp bởi ống carbon nano và fullerene. Trong vật tư composite, mầm fullerene đóng vai trò như thể mỏ neo, giúp những ống carbon nano không trượt, giúp tăng mức độ bền của vật tư .
Các dạng khác[sửa|sửa mã nguồn]
Cycloparaphenylene
Ống carbon nano dài 18.5 cm được báo cáo giải trình vào năm 2009, được tổng hợp trên nền Silic bằng chiêu thức CVD nâng cấp cải tiến. Ống carbon nano ngắn nhất được biết đến là phân tử cycloparaphenylene, được tổng hợp vào đầu năm 2009. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Ống carbon nano mỏng dính nhất là loại ghế bành ( armchair ) ( 2,2 ) với đường kính 3 Å, được tổng hợp trong lòng ống carbon nano đa vách. Việc xác lập loại ống được triển khai bằng kính hiển vi điện tử quét truyền qua độ phân giải cao ( HRTEM ), máy quang phổ raman và kim chỉ nan tỷ lệ công dụng ( DFT ). [ 12 ]
Các đặc thù[sửa|sửa mã nguồn]
Động lực học[sửa|sửa mã nguồn]
Chế tạo transistor hiệu ứng trường ( CNT-FET )[sửa|sửa mã nguồn]
CNT-FET là transistor hiệu ứng trường sử dụng một hoặc nhiều ống nano carbon làm kênh dẫn ( kênh nối giữa Source và Drain ) thay vì silicon trong MOSFET truyền thống cuội nguồn. Được điều tra và nghiên cứu lần tiên phong vào năm 1998, và kể từ đó có nhiều tăng trưởng đáng kể .Theo định luật Moore, kích cỡ của những linh phụ kiện bán dẫn ( transistor ) sẽ giảm đi khoảng chừng hai lần mỗi hai năm. Việc chạy đua thu nhỏ linh phụ kiện này là động lực cho những tân tiến khoa học – công nghệ kể từ cuối thế kỷ 20. Tuy nhiên, tới phiên bản ITRS 2009, việc thu nhỏ hơn nữa phải đương đầu với những số lượng giới hạn nghiêm trọng tương quan đến công nghệ tiên tiến sản xuất và hiệu suất thiết bị khi kích cỡ kênh của transistor thu hẹp xuống khoanh vùng phạm vi dưới 22 nm. Các số lượng giới hạn tương quan đến đường đi của electron ( electron tunneling ) chạy qua kênh quá ngắn và màng cách điện mỏng dính, dòng điện bị rò khi chưa có kích thích, tiêu tốn lãng phí dòng điện chạy thụ động, hiệu ứng xảy ra do kênh ngắn và sự xô lệch cấu trúc thiết bị và doping. Những số lượng giới hạn này hoàn toàn có thể được khắc phục ở một mức độ nào đó và tạo điều kiện kèm theo liên tục thu nhỏ kích cỡ thiết bị bằng cách đổi khác vật tư làm kênh trong cấu trúc MOSFET truyền thống lịch sử bằng một hoặc nhiều ống nano carbon .
Chế tạo sensor đo lường và thống kê nhiệt độ[sửa|sửa mã nguồn]
Tạo ra những tấm phim cảm ứng ( sensing films ) từ ống nano carbon và Nafion. Hợp chất được tạo ra bằng giải pháp Spin Coating. Người ta dùng tấm phim này phủ lên điện cực của QCM ( Quartz Crystal Microbalances ) để giám sát nhiệt độ trong khoảng chừng 8.50 đến 15,300 ppmv. Trong điều kiện kèm theo độ ẩm thấp, hợp chất CNT / Nafion phủ lên điện cực bằng vàng của QCM cho ra hiệu quả tuyến tính với độ nhạy tuyệt vời, phản hồi nhanh và thời hạn Phục hồi ngắn ( ít hơn 5 s – ở điều kiện kèm theo thử nghiệm là 15.76 ppmv ). [ 13 ]
[14]Truyền tải nhiệt bằng dung dịch CNT lỏng[sửa|sửa mã nguồn]
So với những hạt nano Al2O3, CuO, TiO2, Cu, Fe, dung dịch CNT với nồng độ thấp và phân tán có độ dẫn nhiệt rất cao ( ~ 3000W / mK ). Lý do là chính do CNT có đặc tính dẫn nhiệt rất gần với kim cương với diện tích quy hoạnh mặt phẳng lớn, carbon phân bổ trên CNT thành hình tròn trụ với thông số L / D ~ 132,000,000 / 1 .Truyền nhiệt đóng một vai trò quan trọng trong hầu hết những ngành công nghiệp. Nhiệt tạo ra từ việc sản xuất nguồn năng lượng cần được làm lạnh với số lượng lớn. Hơn nữa, hầu hết những phản ứng hoá học đều toả nhiệt, nhiệt tạo ra từ phương tiện đi lại giao thông vận tải, máy điều hoà nhiệt độ, … nên việc dẫn nhiệt và làm nguội trở lên cấp thiết .
Bào mòn laser[sửa|sửa mã nguồn]
Chemical vapor deposition ( CVD )[sửa|sửa mã nguồn]
Môi trường lửa tự nhiên, phụ và có trấn áp[sửa|sửa mã nguồn]
Các ứng dụng tiềm năng, hiện tại và cổ đại[sửa|sửa mã nguồn]
Các ứng dụng khác[sửa|sửa mã nguồn]
Ống nano carbon cũng được tiến hành trong những mạng lưới hệ thống cơ điện nano, gồm có những thành phần bộ nhớ cơ học ( NRAM tăng trưởng bởi Nantero Inc. ) và motor điện cỡ nano ( xem Motor nano ) .Một cách sử dụng khác của ống nano carbon là phương tiện đi lại luân chuyển gene. [ 15 ]
Eikos Inc ở Franklin, Massachusetts và Unidym Inc. ở Silicon Valley, California đang phát triển các tấm phim vô hình, dẫn điện làm bằng ống nano carbon để thay cho oxit thiếc indium (ITO). Phim ống nano carbon khỏe hơn phim ITO rất nhiều, làm chúng trở nên lý tưởng cho việc sử dụng trong màn hình cảm ứng và màn hình dẻo. Phim ống nano cũng rất hứa hẹn trong việc sử dụng cho màn hình máy tính, điện thoại di động, PDA, và ATM.
Các ứng dụng mô phỏng phân tử ống nano carbon[sửa|sửa mã nguồn]
Mô hình phân tử ống nano carbon[sửa|sửa mã nguồn]
Carbon Nanotube Models
