Công nghệ xây dựng

Ống nano carbon: Ưu và nhược điểm – Bài viết mới cập nhật năm 2024

Ống nano carbon: Ưu và nhược điểm
– Cập nhật kiến thức mới nhất năm 2023

Diễn đàn duy nhất dành cho toàn ngành, đa lĩnh vực để tìm kiếm và chia sẻ kiến thức về quy hoạch, thiết kế, kiến trúc, công nghệ xây dựng và vận hành các tài sản được xây dựng.

Ống nano cacbon hay CNT không phải là một thuật ngữ mới trong bối cảnh hiện tại, thực ra nó là dạng thù hình của cacbon chia sẻ cấu trúc nano hình trụ. Chiều dài đến đường kính của ống nano nằm trong khoảng 132.000.000: 1 và có các đặc tính rất hấp dẫn được sử dụng trong công nghệ nano, quang học, khoa học vật liệu, điện tử và các lĩnh vực khoa học khác. Do tính dẫn nhiệt đặc biệt của chúng, các đặc tính cơ và điện, ống nano carbon được sử dụng làm chất phụ gia cho các vật liệu cấu trúc khác nhau, ví dụ như trong gậy bóng chày, các bộ phận xe hơi và câu lạc bộ golf, ống nano tạo thành một phần rất nhỏ của vật liệu. Các ống nano là thành viên của gia đình fullerene bao gồm các buckyball và các đầu của các ống nano này có thể được bao bọc bởi bán cầu của buckyball. Tên của chúng bắt nguồn từ cấu trúc rỗng, dài của chúng với các bức tường được tạo thành bởi các tấm carbon dày một nguyên tử được gọi là graphene. Sau đó, các tấm này được cuộn ở góc cụ thể và riêng biệt và sự kết hợp của góc cán và bán kính quyết định các đặc tính của các ống nano này. Ống nano là ống nano một vách (SWNT) hoặc ống nano nhiều vách (MWNT). Các hạt của ống nano được giữ với nhau bằng lực van der Waals. Hóa học lượng tử ứng dụng đặc biệt là sự lai hóa quỹ đạo mô tả tốt nhất liên kết hóa học trong chúng. Liên kết hóa học chủ yếu bao gồm các liên kết sp2 tương tự như các liên kết xảy ra trong than chì và mạnh hơn các liên kết sp3 có trong kim cương và ankan, do đó chịu trách nhiệm về độ bền lớn của các cấu trúc này.

Bối cảnh lịch sử

Năm 1952, LV Radushkevich và LM Lukyanovich đã công bố những hình ảnh rõ nét về các ống 50 nm được tạo thành từ carbon trên Tạp chí Hóa lý của Liên Xô nhưng bài báo không khơi dậy được sự quan tâm của các nhà khoa học phương Tây vì nó được xuất bản bằng tiếng Nga và quyền truy cập không được mở do chiến tranh lạnh. Việc phát minh ra kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã giúp cho việc hình dung các cấu trúc này trở nên khả thi. Một bài báo do Oberlin, Endo và Koyama xuất bản năm 1976 đã chỉ ra về các sợi carbon rỗng có đường kính quy mô nanomet bằng cách sử dụng kỹ thuật tăng trưởng hơi. Năm 1979, John Abrahamson trình bày bằng chứng về ống nano carbon trong Hội nghị hai năm một lần về carbon của Đại học bang Pennsylvania.

Toàn bộ công lao cho mối quan tâm hiện tại đối với ống nano cacbon là do phát hiện ra buckminsterfullerene C60 và các fulleren đồng minh khác vào năm 1985. Việc phát hiện ra rằng cacbon có thể hình thành các cấu trúc ổn định khác ngoài than chì và kim cương đã buộc các nhà nghiên cứu phải tìm ra các dạng cacbon mới và kết quả đưa ra ở dạng C60 có thể được cung cấp trong tất cả các phòng thí nghiệm trong thiết bị làm bay hơi hồ quang đơn giản. Sumio Lijima, một nhà khoa học Nhật Bản đã phát hiện ra ống nano carbon liên quan đến fullerene bằng cách sử dụng thiết bị bay hơi hồ quang đơn giản vào năm 1991. Các ống này được tạo thành từ hai lớp với đường kính từ 3-30 nm và được đóng lại ở cả hai đầu. Năm 1993, các ống nano carbon đơn lớp được phát hiện có đường kính 1-2 nm và có thể cong nhưng chúng không gây được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu vì chúng không hoàn hảo về mặt cấu trúc vì vậy các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để cải thiện tính chất xúc tác của các ống nano này.

Ống nano có thành đơn (SWNT)

Hầu hết các ống nano có thành đơn chia sẻ đường kính gần 1nm với chiều dài dài hơn hàng triệu lần và cấu trúc có thể được hình dung bằng cách quấn một lớp than chì dày một nguyên tử gọi là graphene vào một hình trụ liền mạch. Cách mà graphene được bao bọc được biểu thị bằng một cặp chỉ số (n, m) và các số nguyên n và m đại diện cho các vectơ đơn vị dọc theo hai hướng trong mạng tinh thể lược mật của graphene. Nếu m = 0 thì các ống nano được gọi là ống nano ngoằn ngoèo và nếu n = m thì chúng được gọi là ghế bành nếu không thì chúng là chiral. SWNTs là loại ống nano rất quan trọng vì đặc tính của chúng thay đổi theo sự thay đổi giá trị n và m và được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển bóng bán dẫn hiệu ứng trường liên phân tử đầu tiên. Giá của những ống nano này đã giảm trong thời đại hiện nay.

Ống nano đa mạch (MWNT)

Chúng bao gồm nhiều lớp graphene được cuộn lại và có hai lớp có thể xác định rõ hơn cấu trúc của các ống nano này. Mô hình Búp bê của Nga nói rằng các lớp than chì được sắp xếp trong các hình trụ đồng tâm, ví dụ như một ống nano có thành đơn trong một ống nano có thành đơn. Mô hình Giấy da nói rằng một tờ than chì được cuộn xung quanh chính nó giống như một tờ báo được cuộn lại. Khoảng cách giữa các lớp trong các ống nano này là 3,4. Mô hình Búp bê Nga thường được xem xét trong khi nghiên cứu cấu trúc của MWNT. Ống nano hai thành (DWNT) là một loại ống nano đặc biệt có hình thái và tính chất tương tự như MWNT với khả năng chống lại hóa chất được cải thiện cao.

Torus

Ống nano là một ống nano carbon được uốn cong dưới dạng hình xuyến và mang nhiều đặc tính độc đáo như mômen từ gấp 1000 lần. Độ bền nhiệt và mômen từ phụ thuộc vào bán kính của hình xuyến cũng như bán kính của ống.

Nanobud

Nanobuds là vật liệu mới được tạo ra bằng cách kết hợp hai dạng thù hình của carbon là ống nano carbon và fulleren. Trong vật liệu này, fullerene giống như chồi được liên kết cộng hóa trị với các thành bên ngoài của ống nano bên dưới. Vật liệu mới này chia sẻ các đặc tính của cả fulleren và ống nano cacbon. Chúng được cho là những bộ phát trường tốt.

Ống nano cacbon được graphit hóa

Chúng là vật liệu lai tương đối mới được phát triển kết hợp các lá than chì được trồng dọc theo các thành bên của một ống nano nhiều vách. Stoner và các đồng nghiệp đã báo cáo rằng những vật liệu lai này đã nâng cao khả năng siêu tụ điện.

Peapod

Hạt đậu carbon là một vật liệu lai mới bao gồm mạng lưới fullerene bị mắc kẹt bên trong một ống nano carbon. Nó sở hữu các đặc tính từ tính, sưởi ấm và chiếu xạ thú vị.

Các ống nano carbon xếp chồng lên nhau

Chúng khác với các vật liệu carbon gần như 1D khác hoạt động như chất dẫn điện gần như kim loại của các electron. Hành vi bán dẫn của các cấu trúc này là do sự hiện diện của cấu trúc vi mô xếp chồng lên nhau của các lớp graphene.

Ống nano carbon cực lớn

Ống nano carbon dài nhất được báo cáo vào năm 2009 với kích thước 18,5 cm được phát triển trên chất nền Si bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học và đại diện cho các mảng đồng nhất về điện của ống nano carbon đơn thành. Cycloparaphenylene là ống nano carbon ngắn nhất được báo cáo vào năm 2009. Ống nano carbon mỏng nhất là chiếc ghế bành có đường kính 3.

Đặc tính

1. Sức mạnh

Các ống nano cacbon có độ bền kéo và mô đun đàn hồi mạnh nhất trong số tất cả các vật liệu được phát hiện. Độ bền kéo là do sự hiện diện của lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cacbon riêng lẻ. Độ bền kéo của ống nhiều thành được báo cáo là 63 gigapascal (GPa) vào năm 2000. Các nghiên cứu sâu hơn được thực hiện vào năm 2008 đã phát hiện ra rằng vỏ của những ống này có độ bền 100 gigapascal, phù hợp tốt với các mô hình lượng tử. Vì những ống này có mật độ thấp nên độ bền của chúng cao. Nếu các ống này bị biến dạng kéo quá mức, chúng sẽ bị biến dạng dẻo có nghĩa là chúng bị biến đổi vĩnh viễn. Mặc dù độ bền của các ống riêng lẻ rất cao nhưng tương tác cắt yếu giữa các vỏ và ống liền kề dẫn đến độ bền của các ống nhiều thành bị yếu đi. Chúng cũng không mạnh khi bị nén. Do cấu trúc rỗng và tỷ lệ co cao nên chúng bị vênh khi bị giữ dưới ứng suất xoắn hoặc uốn.

2. Độ cứng

Các ống nano một vách tiêu chuẩn có thể chịu được áp suất khoảng 24GPa mà không bị biến dạng và có thể trải qua quá trình chuyển đổi thành các ống nano pha siêu cứng. Áp suất tối đa chịu được theo các kỹ thuật thí nghiệm hiện tại là 55 GPa. Nhưng những ống nano siêu cứng này có thể sụp đổ ở áp suất cao hơn 55 GPa. Mô đun số lượng lớn của các ống nano này cao hơn nhiều so với mô đun của kim cương.

3. Tính chất động học

Ống nano nhiều thành là nhiều ống nano đồng tâm được gấp lại bên trong nhau và có đặc tính kính viễn vọng nổi bật nơi ống bên trong có thể trượt mà không có ma sát bên trong vỏ ngoài của nó, do đó, tạo ra một ổ trục quay. Đây có lẽ là ví dụ thực sự đầu tiên về công nghệ nano phân tử hữu ích trong việc chế tạo máy. Tính chất này đã được sử dụng để chế tạo động cơ quay nhỏ nhất thế giới.

4. Tính chất điện

Tính đối xứng và cấu trúc điện tử độc đáo của graphene chịu trách nhiệm cung cấp cho các ống nano carbon các đặc tính điện đáng kinh ngạc của chúng. Hiện tượng siêu dẫn bên trong đã được quan sát thấy trong các ống nano nhưng nó là một vấn đề gây tranh cãi trong bối cảnh hiện nay.

5. Hấp thụ sóng

Các đặc tính được nghiên cứu gần đây nhất của ống nano carbon nhiều thành là hiệu quả của chúng để thể hiện sự hấp thụ vi sóng và là lĩnh vực nghiên cứu hiện tại của các nhà nghiên cứu đối với vật liệu hấp thụ radar (RAM) để cung cấp sức mạnh tốt hơn cho máy bay và phương tiện quân sự. Nghiên cứu đang được tiến hành trong đó các nhà nghiên cứu đang cố gắng lấp đầy các MWNT bằng các kim loại như sắt, niken hoặc coban để tăng hiệu quả của các ống này đối với chế độ vi sóng và kết quả đã cho thấy sự cải thiện về khả năng hấp thụ tối đa và băng thông hấp thụ đầy đủ.

6. Tính chất nhiệt

Tất cả các ống nano thường được cho là chất dẫn nhiệt tốt thể hiện đặc tính của sự dẫn đường đạn đạo.

Khuyết tật

Lỗi tinh thể ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của bất kỳ vật liệu nào và khuyết tật là do sự hiện diện của các khoảng trống nguyên tử và các khuyết tật đó có thể làm giảm độ bền kéo của vật liệu xuống khoảng 85%. Khuyết tật Wales mạnh tạo ra một ngũ giác và tam giác bằng cách sắp xếp lại các liên kết. Độ bền kéo của ống nano cacbon phụ thuộc vào đoạn yếu nhất. Khiếm khuyết tinh thể học cũng ảnh hưởng đến các tính chất điện của ống bằng cách giảm độ dẫn điện. Lỗi tinh thể cũng ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của các ống dẫn đến sự tán xạ phonon làm giảm đường dẫn tự do trung bình.

Các ứng dụng

Ống nano được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các đầu của các đầu dò vi mô lực nguyên tử. Chúng cũng được sử dụng trong kỹ thuật mô đóng vai trò như một giá đỡ cho sự phát triển của xương. Sức mạnh tiềm tàng của chúng giúp chúng được sử dụng làm vật liệu lấp đầy để tăng độ bền kéo của các ống nano khác. Đặc tính cơ học của chúng giúp chúng được sử dụng để sản xuất quần áo, áo khoác thể thao và thang máy vũ trụ. Chúng cũng được sử dụng trong việc sản xuất các mạch điện, dây cáp quảng cáo.

Kết thúc
Ngoài các bài viết tin tức, bài báo hàng ngày của SEMTEK, nguồn nội dung cũng bao gồm các bài viết từ các cộng tác viên chuyên gia đầu ngành về chuỗi kiến thức kỹ thuật, công nghệ xây dựng, kiến trúc và kiến thức quản lý, phát triển tổ chức doanh nghiệp,.. được chia sẽ chủ yếu từ nhiều khía cạnh liên quan chuỗi kiến thức này.
Bạn có thể dành thời gian để xem thêm các chuyên mục nội dung chính với các bài viết tư vấn, chia sẻ mới nhất, các tin tức gần đây từ chuyên gia và đối tác của Chúng tôi. Cuối cùng, với các kiến thức chia sẻ của bài viết, hy vọng góp phần nào kiến thức hỗ trợ cho độc giả tốt hơn trong hoạt động nghề nghiệp cá nhân!
* Ý kiến được trình bày trong bài viết này là của tác giả khách mời và không nhất thiết phải là SEMTEK. Nhân viên tác giả, cộng tác viên biên tập sẽ được liệt kê bên cuối bài viết.
Trân trọng,
Các chuyên mục nội dung liên quan

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button