Vật lý chất rắn

Vật lý chất rắn

Bài viết chưa xemgửi bởi hell » Thứ 3 Tháng 4 05, 2005 8:31 am

Ko phải chuyên ngành của em, đưa một số bài từ forum cũ sang.


ứng dụng của công nghệ nano:



1. Dùng ống nano cacbon để đo lưu lượng:

Theo những nghiên cứu cơ bản về ống nano cacbon thì có thể sử dụng ống này để làm cảm biến về dòng chảy của chất lỏng. Các nhà nghiên cứu ở Viện nghiên cứu khoa học Ấn Độ, Viện nghiên cứu Raman ở Bangalore cho biết rằng khi đặt một bó ống nano cacbon tường đơn (SWNT - single walled carbon nanotube) vào dóng nước chảy , theo hướng dònmg chảy sẽ có một hiệu thế dọc theo bó ống nano cacbon.
Hơi khác với những tiên đoán lý thuyết trước đây, thực nghiệm cho thấy hiệu thế sinh ra ko phải tỉ lệ thuận với tốc độ dòng nước chảy mà là phụ thuộc theo kiểu hàm mũ. Độ lớn của tỉ lệ điện thế/vận tốc còn phụ thuộc vào độ dẫn ion và bản chất phân cực của chất lỏng.
Từ các kết quả thí nghiệm các nhà nghiên cứu đã xây dựng chi tiết lý thuyết về hiệu ứng sinh ra hiệu thế này trên cơ sở phần tử tải điện bị nhốt trong ống nano cacbon tức là chỉ còn một chiều để chuyển động. Thế dọc theo ống là thế dạng răng cưa, thế này bị biến đổi khi có vận tốc của chất lỏng chảy ở gần bề mặt ống. Biến đổi này ko đối xứng với thế răng cưa nên tạo ra điện thế.
Dựa trên hiện tượng này từ ống nano cacbon có thể làm cảm bién dòng chảy rất nhạy và kích thước rất nhỏ. Ở những thể tích rất nhỏ có thể dùng cảm biến loại này và khi tốc độ dòng chảy thấp độ nhạy vẫn cao, vẫn có được đáp ứng nhanh. Các nhà nghiên cứu cho rằng lĩnh vực y sinh học rất cần đến loại cảm biến đo vận tốc dòng chảy này.

2. Bôi trơn ko ma sát:

Những nhà nghiên cứu Đại học Aichi, Đại hoc Seikei và Viện khoa học công ghệ Nhật Bản đã chế tạo được một hệ siêu bôi trơn. Đó là hai lá graphit giữa có một lớp đơn phân tử C60. Các phân tử C60 làm nhiệ vụ như là ổ bi phân tử. Các vòng 6 nguyên tử cacbon ở giữa các phân tử C60 và graphit tạo ra các bánh răng nano. Xét về ma sát tĩnh thì tuy nhỏ nhưng vẫn còn có một giá trị nhất định nhưng xét về ma sát động thì giá trị bằng không tức là ko có ma sát động. Các nhà nghiên cứu đang giải thích theo mô hình chuyển động của các phân tử C60 giữa các lá graphit là cách quay từng bước theo kiểu dính rồi trượt của các bánh xe răng phân tử.
Từ những nghiên cứu mới này mở ra một hướng mới về công nghệ bôi trơn bằng phân tử có thể ứng dụng cho cả vật liệu Si khi làm các bộ phận vi cơ chuyển động của các máy micro và nano.

3. Từ ống nano cacbon kéo ra sợi:

Ống nano cacbon có các đặc tính quý báu về cơ, điện, nhiệt ... Đó là vật liệu nổi trội nhất của công nghệ nano. Tuy nhiên ống nano cacbon tồn tại dưới dạng những ống cực nhỏ và ngắn lẫn trong chất khác hoặc mọc lên thành những đám sợi ngắn, khi tinh lọc ra để gần nhau thì chúng dễ co cụm lại.
Các nhà nghiên cứu Kaili Jiang, Qunging Li, Showshan Fan ở khoa vật lý và trung tâm nghiên cứu công nghệ nano ở Đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh) đã tìm đuwocj cách kéo các ống nôn cacbon thành sợi nano cacbon khá dài, mở ra khả năng dùng ống nano cacbon dưới dạng sợi dài dễ thao tác. Từ đó người ta làm ra vật liệu ống nano cacbon dạng khối, làm cho các tính chất quý báu đặc biệt của ống nano cacbon có thể đưa ra sử dụng đại trà.
Các nhà ghiên cứu ở Đại học Thanh Hoa đã kéo được những sợi chỉ nano cacbon dài đến 30cm và đường kính sợi chỉ (gồm nhiều ống) là 200micromet. Theo các nhà nghiên cứu với cách này dễ dàng làm được những sợi chỉ nano cacbon dài đến hàng chục mét.
Cách làm như sau: cho ống nano cacbon mọc thật đều trên đế silic sao cho độ dài mỗi ống cỡ vài trăm micromet và các ống nằm sát nhau đều nhau (có quy trình công nghệ chuẩn để àlm việc này).
Phải chú ý làm sao cho các ống nano cacbon này tuy ngắn nhưng sắp xếp rất trật tự, song song nhau và khít nhau, chúng tác dụng lên nhau lực hút Van đe Van. Từ mảng các ống nano cacbon sắp xếp trật tự này nhóm nghiên cứu ở Thanh HOa đã kéo ra thành sợi nano cacbon dài 30cm, rộng 200 micromet theo kiểu sợi chỉ tơ từ kén tằm. Theo nhóm nghiên cứu, nếu chuẩn bị được mảng ống nano cacbon trật tự này rộng đến 1cm2 có thể kéo sợi nano cacbon dài đến 10m.
Sợi chỉ nano cacbon kéo theo cách này thường là bẹt như dải băng bao gồm nhiều sợi nhỏ mỗi sợi có đường kính cỡ vài trăm nanomet. Bề rộng của cả sợi nano cacbon kéo ra phụ thuộc vào đầu cặp để kéo, đầu cvặp càng nhỏ sợi kéo ra càng mảnh.
Các tác giả đã làm một số thử nghiệm đối với sợi nano cacbon kéo ra được này.
Lấy sợi nano cacbon quấn lại làm sợi đốt của bóng đèn tròn, hút chân ko trong bóng đen còn 5x10^-3 Pascal, cung cấp điện một chiều trong khoảng 5-70 vôn, đèn với sợi đốt là sợi nano cacbon này khá sáng. Sau 3 giờ cho đèn thắp sáng, sợi đốt đã tăng độ dẫn điện 13% và độ bền kéo tăng từ 1mN đến 6,4mN. Điều này chứng tỏ các ống nano cacbon trong sợi nano cacbon kéo ra đuwocj này đã kết chặt lại với nhau hơn. Có lẽ là khi đốt nóng bằng dòng điện để thắp sáng những chỗ mà các ống nano cacbon tiếp xúc với nhau yếu bị nóng lên nhiều do điện trở tiếp xúc cao, nên chúng tự hàn lại với nhau ở những chỗ đó.
Với các sợi nano cacbon này các tác giả cũng đã căng song song với nhau thành một cái lưới để phân cực ánh sáng. Khi chiếu chùm ánh sáng laze qua lưới phân cực này, những photon có phương phân cực song song với các sợi nano cacbon bị hấp thụ, các phôtn có phương phân cực vuông gocs với các sợi nano cacbon lại đi qua.
Vì các ống nano cacbon có đường kính cỡ 10nm lưới phân cực này chỉ làm việc đối với ánh sáng vùng tử ngoại cới bước sóng hàng chục nanomet.
Sợi nano cacbon kéo ra theo cách này sau khi gia công nhiệt, có thể quấn hay bệ cho to hơn, có thể dùng làm áo chống đạn hay vải ngăn cản sóng điện từ.

4. Sợi nano biến ánh sáng thành điện:

Fulơren là phân tử C60 đuwocj phát hiện từ những năm 1985. Những phân tử hình cầu như trái bóng đá đã làm các nhà khoa học và công nghệ ngạc nhiên vì có quá nhiều tính chất lý, hóa đặc biệt có thể khai thác để tạo nên vật liệu mới. Tuy nhiên dưới dạng những quả cầu nhỏ, rời rạc khó có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi.
Mayasa Sawamura và đồng nghiệp ở Đại học Tokyo (Nhật) đã thành công trong việc làm ra sợi nano từ fulơren. Nói chung các fulơren có dạng hình cầu này có xu hướng tụ tập với nhau thành những đám hạt lộn xộn. Khi trải chúng lên bề mặt một chất lỏng, chúng cũng ko trải ra thành một màng mỏng trên mặt chất lỏng mà cứ nhóm lại từng chỗ một cách ngẫu nhiên. Muốn lợi dụng tính chất quang điện của fuloren, chúng phải sắp xếp thế nào đó để thành sợi liên tục thì mới dẫn dòng điện được. Nếu ko được như sợi dây điện thì ít ra cũng phải có dạng như tinh thể lỏng tức là các hạt cứ nối nhau thành sợi nano, tuy cong queo nhưng cũng có xu hướng nằm dọc theo một hướng nào đó. Tuy đã có một số tinh thể lỏng trên cơ sở fuloren nhưng ở đấy chưa quan sát thấy có các hạt fuloren sắp xếp thành những cột dài. Nhóm nghiên cứu ở Đại học Tokyo đã sáng tạo ra cáh làm những "quả cầu lồn" trên cơ sở fuloren rồi cho các quả cầu lông này nối đuôi nhau trở thành một sợi fuloren dài dẫn điện được.
Quả cầu lông này có cấu tạo như sau: đầu tròn nặng, chỗ chạm vào vợt là một phân tử fuloren. Từ đầu tròn này có gắn vào 5 cái "lông". Đó là 5 nhóm thơm gồm các nguyên tử cacbon, hydro và oxy. Đầu mỗi cái lông có một lông tơ là hai chuỗi chất béo gồm các nguyên tử cacbon và hydro.
QUả cầu lông có cấu tạo như trên có tính chất rất đặc biệt : mỗi cái lông tơ lại làm cầu nối đến một quả cầu lông khác, làm cho chúng xoắn với nhau thành một chuỗi dài gồm nhiều quả cầu lông nối đuôi nhau.
Chế tạo một loại "sơn" có những chuỗi fuloren dài như vậy để quét lên một bề mặt nào đó, ta có được một tấm pin mặt trời có hiệu suất khá cao và rất bền. Cũng có thể dùng các sợi fuloren này làm dây dẫn nano mềm cho các mạch điện nano.
Nhiều người đang hi vọng nay mai triiển khai đại trà đuwocj công nghệ làm sợi fuloren này sẽ có những mái nhà là tấm pin mặt trời to lớn chỉ đơn giản bằng cách quét sơn có sợi fuloren.


5. Bộ nhớ ống nano cacbon


Ống nano cacbon được phát hiện từ năm 1991 và hứa hẹn sẽ có rất nhiều ứng dụng thực tế kì la . Về cơ tính thì ống nano cacbon nhẹ,bền, cứng, đàn hồi rất khác thươngVề tính chất điện thì tùy cách hình thành,ống nano cacbon có thể là dẫn điện, cách điện,bán dẫn, thậm chí là siêu dẫn .Sử dụng ống nano cacbon lam linh kiện có hai trạng thái 0 và 1 để ghi thông tin,nổi tiếng nhất là công trình dùng ống nano cacbon một vách có tính bán dẫn, gác ngang qua hai thành kim loại để làm thành trandito thường . Trandito thường này cực nhỏ,hoạt động đóng mở rất nhanh nhưngcó nhược điểm lả làm đơn chiếc để thí nghiệm thì được nhưng làm đại trà,ghép lại có hàng có lối trật tự và cố mật độ cao để làm thành bộ nhớ có ứng dụng thực tế thì rất khó khăn,chưa làm được .
Thomas Ruecks,Giám đốc nghiên cứu của hãng Nantero đã công bố một cách hoàn toàn mới dùng ống nano cacbon làm phần tử có 2 trạng thái 0 va 1 để nhớ và một công nghệ mới để làm đại trà , sắp xếp các ống nano cacbon này có trật tự, mật độ cao thành bộ nhớ không tự xóa NRAM ứng dụng tring sản xuất .
Nguyen tắc làm việc của một phàn tử nhớ cóhai trạng thái làm bằng ống nano cacbon như sau: Từ hai đầu nhô lên căng 1 ống nano cacbon loại dẫn điện lên trên bề mặt sao cho ống nano cacbon cách bề mặt một khoảng nhỏ .Ống nano cacbon là mmột điện cực .diện tích lớp kim loại phủ trên bề mặt ở phía dưới ống nano cacbon là 1 cực .Khi ống nano cacbon đang căng, vì hở với điện cực kim loại ở bề mặt nên giửa 2 cực là cách điện,ta có trạng thái 0 .Dùng điện thế tác dụng,ống nano cacbon bị hút do lực điện trường sẽ cong xuống chạm vào và dính với lớp kim loại ở bề mặt : hai điện cực nối điện,ta có trạng thái 1 .Đặc điểm của ống nano cacbon là cứng và rất dễ đàn hồi, dễ dàng làm cho nó một khi đã bị lực điện hút làm côngúng chạn với bề mặt thì bị dính và luôn luôn giữ ở trạng thái cong xuống đó mặc ầu không còn lực điện hút nữa . Chỉ khi nào tạo ra một lực điện đẩy ống nano cacbon lên thì ống nano cacbon mới hết bị "dính" và duỗi thẳng ra trở lại .Nói cách khác, làm theo cấu tạo này ta được phần tử nhớ không tự xóa (non - volatile) vì một khi đã ở trạng thái 0 hoặc 1 thì sẽ ở mãi trạng thái đó, mất điện vẫn không bị xóa trạng thái đang nhớ .Chỉ khi nào ra lệnh để xóa , trạngk thái đó mới thay đổi .Có thể nói đây là một phần tử nhớ cơ học có hai trạng thái bền về cơ đươc điều khiển dễ ghi bằng điện và đọc cũng bằng điện, thật là hiếm có .
Giải pháp chế tạo đại trà:Óng nano cacbon được phủ đều thành một lơps mỏng trên bề mặt đế ,do sự sắp xếp chúng gần như song sơngví nhau giống như một lớp vải sợi dọc . Dùng kĩ thuật khác hình để khoét hoặc để lại những chỗ xác định ,làm cho các ống nano cacbon hai đầu gắn vào chỗ nhô cao , ở giữa tách ra hở với mặt đế .Với kĩ thuật phun phủ khắc hình làm các điện cực, các đường dẫn ... như ở công nghệ vi điện tử,Rueckes đã làm được bộ nhớ NRAM 10 Gbit gồm 10 tỉ ống nano cacbon trên 1 phiến silic và có nhiều khả năng tăng dumg lượng lên nhiều hơn nữa .Bộ nhớ làm từ các dãy ống, hàng nano cacbon NRAM này tiết kiệm điện, bền vững với môi trường,không bị từ trường làm nhiễu và có thể dùng trong máy tính, máy ảnh số, chơi nhạc MP3 ...

6. Đầu đọc từ điện trở dị thường:

Ta thường nghe nói đến từ điện trở MR (magnetoresistance), từ điện trở khổng lồ GMR (giant magnetoresistance) và từ điện trở siêu khổng lồ CMR (colossal magneto resistance). Ở các laọi điện trở này đều có hiện tượng điện trở biến thiên khi có từ trường và trong cấu tạo luôn luôn có vật liệu từ. Đặc biệt từ điện trở khổng lồ có cấu tạo là các lớp tờ-phi từ xen kẽ được ứng dụng nhiều để làm bộ nhớ MRAM và hầu hết máy tính thế hệ mới hiện nay đều dùng đầu từ GMR để đọc ổ cứng. Nhờ đầu từ GMR, dung lượng ổ cứng tăng lên nhiều lần so với 5, 7 năm trước đây dùng đầu từ cảm ứng.
Gần đây người ta chú ý đến một loại từ điện trở có deltaR/R rất cao, còn cao hơn đối với GMR, nhưng trong cấu tạo của nó hoàn toàn ko có vật liệu từ mà chỉ có bán dẫn và kim loại. Đó là từ điện trở dị thường EMR (extraodinary magnetoresistance ).
Để hiểu từ điện trở dị thường ta xét một đĩa vàng chôn trong một thỏi bán dẫn có vùng cấm hẹp như InSb. Bình thường độ dẫn điện của vàng lớn gấp 2000 lần độ dẫn điện của bán dẫn InSb. Khi tác dụng một hiệu điện thế giữa hai đầu thỏi bán dẫn sẽ có dòng điện chạy qua thỏi. nếu trong thỏi ko có đĩa vàng thì đường sức của điện trường do hiệu thế ở hai đầu thỏi gây nên sẽ song song với thỏi và dòng điện (nguwocj chiều với dòng các electron) cũng chạy dọc theo đường sức, song song với thỏi. Đặc điểm của đường sức điện trường là hễ gặp vật dẫn tốt, đường sức sẽ bị cong theo hướng vuông góc với mặt ngoài của vật dẫn. Vì vậy trong bán dẫn có đĩa vàng thì đường sức tập trung nhiều vào bên trong đĩa vàng, dòng điện cũng tập trung đi vào trong đĩa vàng nhiều hơn, do đó điện trở của thỏi bán dẫn có đĩa vàng giảm. Điện trở giảm nhiều hay ít là tùy thuộc vào kích thước , vị trí tương đối của đĩa vàng đối với thỏi bán dẫn.
Bây giờ giả sử tác dụng một từ trường theo chiều ngang của thỏi. Từ trường tác dụng lên dòng điện (lên các điện tích chuyển động) một lực vuông góc với phương từ trường và phương dòng điện nên sinh ra hiệu thế giữa mặt trên và mặt dưới của thỏi bán dẫn (hiệu ứng Hall). Giả sử rằng hiệu thế này gây ra điện trường từ trên xuống dưới. Gặp đĩa vàng, đường sức của điện trường này cũng tập trung đi vào đĩa. nếu từ trường đủ lớn thì điện trường theo hướng từ trên xuống dưới thẳng thế điện trường do hiệu thế ở hai đầu thỏi gây ra. Kết quả là đường sức do điện thế ở hai đầu thỏi tạo ra bị đẩy ra khỏi đĩa, dòng điện ko tập trung chạy qua đĩa vàng nữa mà chạy vòng ra ngoài, vào khu vực chỉ có bán dẫn. Vì vậy khi từ trường tác dụng, điện trở của thỏi bán dẫn có đĩa vàng tăng đáng kể so với khi ko có từ trường. thỏi bán dẫn có đĩa vàng trở thành một cảm biến từ trường rất nhạy: theo dõi thay đổi điện trở sẽ biết được từ trường mạnh hay yếu.
Trên cơ sở nguyên tắc trên, người ta làm cảm biến EMR. Thực tế người ta ko làm cảm biến ở dạng đĩa vàng chôn trong thỏi bán dẫn. Người ta làm các lớp mỏng bán dẫn lớp mỏng vàng và các lớp mỏng khác và theo công nghệ khắc hình như ở công nghệ vi điện tử để tạo ra hình dạng, cấu hình thích hợp để có đuwocj hiệu ứng EMR cao. Cảm biến thí nghiệm đã làm được có giá trị MR đến 35% khi từ trường là 0,05T ở nhiệt độ phòng. Giá trị MR này thỏa mãn tốt điều kiện dùng cảm biến làm đầu đọc ở đĩa từ. Tiêu chuẩn của đầu đọc ở đĩa từ nhạy có thể đọc được mật độ ghi từ tức là mật độ dữ liệu cao, ít bị nhiễu, hằng số thời gian càng nhỏ càng tốt và từ trường làm việc càng nhỏ càng tốt.
Cảm biến EMR ko phải chỉ dùng để làm đầu từ. Nhờ hiệu ứng từ điện trở cao, cảm biến này có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực tinh vi khác về đo từ, điều khiển tự động, máy y tế, theo dõi những dịch chuyển tinh vi....
Hình đại diện của thành viên
hell
Thành viên nhiệt tình
Thành viên nhiệt tình
 
Bài viết: 477
Ngày tham gia: Chủ nhật Tháng 3 13, 2005 1:11 pm

Bài viết chưa xemgửi bởi hell » Thứ 3 Tháng 4 05, 2005 8:33 am

ỐNG NANÔ CACBON – VẬT LIỆU HÀNG ĐẦU CỦA CÔNG NGHỆ NANÔ

Nguyễn Xuân Chánh

Ống nanô cacbon là gì? Tại sao ống nanô cacbon lại được xếp hạng là vật liệu hàng đầu của công nghệ nanô? Có thể chế tạo được ống nanô cacbon trong điều kiện chưa có những thiết bị đắt tiền hay không? Đó là những vấn đề mà GS-TSKH Nguyễn Xuân Chánh - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - muốn trao đổi cùng độc giả qua bài viết này.

Công nghệ nanô - đột phá của thế kỷ, công nghệ nanô - điều khiển đến từng phân tử, nguyên tử..., đó là những câu thường gặp trong báo chí khoa học ngày nay. Nhưng công nghệ nanô là gì? Tìm được một định nghĩa ngắn gọn không phải là dễ, vì nó liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khoa học và sản xuất, viết cả một quyển sách giới thiệu cũng còn là chưa đủ.

Nhưng chúng ta có thể tiếp cận công nghệ nanô theo cách lần lượt tìm hiểu một số vấn đề nổi trội của công nghệ đó. Tạp chí Science et Avenir (Khoa học và Tương lai) số ra tháng 10.2002, giới thiệu công nghệ nanô theo cách nêu lên "Bảy kỳ quan của thế giới nanô" (Les sept merveilles du nanomonde), trong đó kỳ quan thứ nhất là ống nanô cacbon, với câu mở đầu: “Nếu trong thế giới nanô có một ông vua thì chiếc gậy quyền uy của ông vua đó là ống nanô cacbon".

1. Ống nanô cacbon
Lâu nay ta vẫn biết nguyên tố cacbon ký hiệu là C, tồn tại trong tự nhiên dưới ba dạng: Dạng vô định hình màu đen như ở than củi, than đá; dạng tinh thể graphit như ở chổi than của máy điện và dạng tinh thể kim cương như ở nhẫn tay, vòng đeo cổ của người đẹp.

Tuy nhiên đến năm 1985, người ta phát hiện ra còn có một dạng nữa của cacbon và đặt tên là fulơren. Ở dạng này, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau thành những phân tử lớn có dạng hình đa diện như quả bóng đá, các mặt của đa diện là các hình 6 cạnh hoặc 5 cạnh mà đỉnh của chúng là các nguyên tử cacbon. Phân tử có 60 nguyên tử C được ký hiệu là C60 có dạng hình cầu, ngoài ra còn có C70, C80... hình bầu dục.

Năm 1992 lại xảy ra một bất ngờ lớn nữa: S. Iijima trong khi quan sát kỹ bột than để tìm fulơren đã phát hiện ra một dạng tinh thể kỳ lạ hơn của cacbon, đó là ống nanô cacbon. Mới nhìn dưới kính hiển vi điện tử thì đó là những ống rỗng dài và thẳng, đường kính chỉ vào cỡ 1,4 đến vài nanomet, còn chiều dài có thể đến micromet.

Tìm hiểu kỹ về mặt cấu trúc, ống nanô cacbon bên trong rỗng (hình 1), thành ống như một lá graphit cuộn tròn, hai đầu ống là hai nửa quả bóng fulơren úp lại. Cấu trúc này làm cho ống nanô cacbon có những tính chất kỳ lạ, chưa có vật liệu nào so sánh được: Sáu lần nhẹ hơn thép nhưng độ bền hàng chục lần lớn hơn; uốn cong gần như gấp khúc nhưng vẫn còn tính đàn hồi, thả ra lại thẳng; ở điều kiện này thì cách điện, thay đổi một chút thì trở thành dẫn điện, thậm chí có thể trở thành siêu dẫn...

Có thể giải thích được những tính chất lạ thường của ống nanô cacbon khi xét đến liên kết giữa các nguyên tử cacbon để tạo thành tinh thể.

Nguyên tử cacbon có 6 điện tử, nguyên tử lượng là 12, đứng ở vị trí thứ 6 trong bảng tuần hoàn Mendeleev (hàng 2, cột IV.. Ở dạng kim cương, mỗi nguyên tử cacbon chìa ra xung quanh bốn mối liên kết cộng hoá trị phân bố đều trong không gian (theo kiểu tứ diện đều) để nối với bốn nguyên tử cacbon gần nhất. Liên kết cộng hoá trị là liên kết rất mạnh. Ở cấu trúc kim cương, các nguyên tử cacbon chỉ liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị nên như mọi người đều biết, kim cương rất cứng, rất bền. Ở dạng graphit, các nguyên tử cacbon có cấu trúc nhiều lớp, ở mỗi lớp các nguyên tử cacbon xếp theo các hình sáu cạnh đều đặn, mỗi nguyên tử cacbon chìa ra ba mối liên kết cộng hoá trị để nối với ba nguyên tử cacbon gần nhất. Nhờ liên kết mạnh giữa các nguyên tử nên mặt graphit rất rắn chắc, còn liên kết giữa các mặt graphit với nhau lại lỏng lẻo hơn. Từ đấy ta hiểu được tính bôi trơn của graphit ở chổi than, ở lõi bút chì: các mặt graphit dễ trượt đối với nhau làm thành chất bôi trơn rắn.

Cấu trúc của ống nanô cacbon liên quan đến các mặt graphit nói trên. Đoạn thẳng của vỏ ống nanô cacbon như là cắt từ một lá graphit rồi cuộn tròn lại, còn các nửa quả bóng fulơren úp ở hai đầu ống như là cắt từ lá graphit rồi uốn khum tròn lại. Vì vậy, ở thân ống nanô cacbon, các nguyên tử cacbon đều nằm ở các đỉnh của các hình 6 cạnh, còn ở hai đầu vì phải uốn khum nên có cả hình 6 cạnh và hình 5 cạnh. Tuy nhiên, tất cả đều là nguyên tử cacbon, đều là liên kết cộng hoá trị.

Ống nanô cacbon mô tả ở trên là ống nanô cacbon một vách, đường kính của ống trong khoảng từ 1 đến 2 nm. Còn có ống nanô cấu trúc tương tự nhưng có nhiều vách như là nhiều ống lồng vào nhau, khoảng cách giữa các vách là 0,34 nm, và ruột rỗng hình trụ bên trong có đường kính khoảng từ 1 đến 8 nm. Chiều dài của các ống nanô cacbon cỡ hàng chục nanomét đến hàng chục milimet.

Một đặc điểm nữa về mặt cấu trúc của ống nanô cacbon có ảnh hưởng lớn đến các tính chất điện liên quan đến cấu trúc tinh vi hơn của ống nanô cacbon. Có thể hình dung điều này qua tưởng tượng cách cắt lá graphit để quấn lại thành ống nanô cacbon (hình 2). Bản thân lá graphit như là một mạng lưới gồm các nguyên tử cacbon nằm trên đỉnh các hình sáu cạnh đều. Có nhiều cách cắt lá graphit đó: Cắt dọc theo hướng các nguyên tử ở các đỉnh của các hình sáu cạnh gần nhau, cắt theo hướng đi qua tâm của các hình sáu cạnh... Với mỗi hướng cắt và cắt đoạn dài hay ngắn theo chiều ngang quấn lại (tất nhiên phải cắt theo hướng có các nguyên tử và phải quấn lại sao cho các nguyên tử khớp với nhau), ta có được các ống nanô cacbon to nhỏ khác nhau và cấu trúc có khác nhau chút đỉnh về độ xoắn. Sự khác nhau rất ít về độ xoắn này lại dẫn đến sự khác nhau rất lớn về độ dẫn điện: Loại ống này thì dẫn điện tốt, loại ống kia thì cách điện...

Như vậy, cũng là ống nanô cacbon nhưng có nhiều loại, loại một vách, loại nhiều vách, loại ống cuốn tròn theo kiểu này, loại ống cuốn tròn theo kiểu kia. Đó là còn chưa kể đến ống dài, ống ngắn, ống có các đầu đậy kín, ống bị hở ở hai đầu...

Ống nanô cacbon rất nhỏ, đúng là ở kích cỡ nanômet. Tất cả các dạng cấu trúc của ống nanô cabon đều do các nguyên tử cacbon tự sắp xếp để hình thành. Các cách nói, từ lá graphit cuộn tròn, dán lại... đều là cách nói cho dễ hiểu cấu trúc của ống, sự thật không thể nào làm được những thao tác tinh vi đến từng nguyên tử như vậy. Để có ống nanô cacbon, vấn đề là phải tạo được những điều kiện hoá lý sao cho các nguyên tử cacbon tự sắp xếp, liên kết lại thành một ống nanô cacbon.

2. Các cách chế tạo ống nanô cacbon

Hiện nay đã có nhiều cách chế tạo ống nanô cacbon. Sau đây là một số cách phổ biến.

a. Phóng điện hồ quang:

Làm một buồng kín chứa khí argon hoặc hêli, có hai điện cực than và giữa chúng có một hiệu điện thế để có phóng điện giữa hai cực than, tạo ra hồ quang plasma. Than ở cực dương (anôt) bị bốc bay bám vào cực âm (catôt) đối diện. Ở catôt cũng như ở muội than rơi xuống đáy bình có fulơren và ống nanô cacbon lẫn với than vô định hình. Chọn điều kiện phóng điện thích hợp và dùng thêm chất xúc tác có thể có được ống nanô cacbon loại này hoặc loại khác. Đặc biệt, dùng xúc tác (thí dụ coban) có thể có được ống nanô cacbon chất lượng cao, với số lượng lớn.

b. Bốc bay graphit bằng laser

Chiếu tia laser công suất lớn vào graphit làm cho graphit bốc bay và gia công nhiệt tiếp theo có thể thu được những thanh có đường kính cỡ 10-20 nm và dài đến hàng trăm micromet. Mỗi thanh như vậy là bó ống nanô cacbon.

c. Phương pháp CVD (phủ bằng hơi hoá học)

Thí dụ cho hơi acetylen phân huỷ có xúc tác trên các hạt sắt. Có nhiều dạng của cacbon hình thành, trong đó có dạng ống nanô cacbon. Dùng các chất như êtylen, hỗn hợp H2/CH4... để làm hơi hoá chất và chế độ thích hợp có thể có được các ống nanô cacbon tương đối thuần nhất tại những vị trí định trước.

d. Phương pháp cơ nhiệt (nghiền bi và nung)

Đổ bột graphit vào máy nghiền, khi nghiền, các hòn bi lăn và rơi xuống làm cho bột ngày càng mịn, đồng thời thổi khí trơ vào bình. Đưa bột than nghiền mịn vào lò để ủ nhiệt trong thời gian lâu, các ống nanô cacbon có thể tự hình thành. Để tạo được nhiều ống nanô cacbon chất lượng tốt, thường phải dùng thêm xúc tác, thí dụ hạt Co hoặc hạt Fe.

Còn một số cách nữa để chế tạo ống nanô cacbon nhưng nói chung bốn cách chính trình bày ở trên là cơ bản nhất.

Nhóm nghiên cứu về vật liệu ở Trung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Đại học Bách khoa Hà Nội - trong quý I năm 2004 đã dùng vật liệu ban đầu là than đá, than tre và than gáo dừa nghiền nhỏ theo phương pháp nghiền bi hành tinh rồi nung nóng bột than với các kim loại xúc tác - Đây chính là phương pháp cơ nhiệt nói trên - và kết quả là đã thu được: Hạt than nanô kích thước trung bình cỡ 30-40 nm, vật liệu cacbon nanô xốp, ống nanô cacbon một vách và nhiều vách. Ngoài ra còn có cả dạng sợi nanô cacbon dài đến hàng milimet. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử, ta thấy cụ thể tính đa dạng của những sản phẩm do các nguyên tử cacbon tự sắp xếp hình thành (hình 3).

Như vậy, có nhiều cách chế tạo ống nanô cacbon, trong đó có những cách không đòi hỏi nguyên vật liệu ban đầu quá cao cấp và thiết bị chế tạo quá phức tạp, đắt tiền. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra hiện nay là chế tạo ra để đáp ứng yêu cầu kinh tế, kỹ thuật nào. Ta đã thấy có nhiều loại ống nanô cacbon, mỗi loại có những tính chất vật lý nhất định. Có những yêu cầu kỹ thuật không đòi hỏi ống nanô cacbon phải có tính chất điện như thế nào mà chủ yếu là tính chất cơ, tính chất xốp, thí dụ ống nanô cacbon để làm vật liệu composit, để làm vật liệu chứa hyđrô. Lại có những yêu cầu kỹ thuật phải có ống nanô cacbon cùng loại, cùng độ dài, thí dụ dùng làm nguồn phát điện tử, làm linh kiện... Vì vậy, có khi giá trị một kilôgam ống nanô cacbon bằng giá mười kilôgam vàng, có khi giá một kilôgam ống nanô cacbon chỉ vài chục đôla.

3. Ứng dụng của ống nanô cacbon

Ống nanô cacbon có những tính chất cơ, điện cùng nhiều tính chất hoá, lý khác rất đặc biệt nên có nhiều ứng dụng mới, kỳ lạ và hứa hẹn nhiều triển vọng.

Đó là một dây lượng tử, từ đó có thể làm những linh kiện điện tử rất nhỏ, có tính chất linh kiện điện tử học lượng tử. Nổi bật nhất là từ một ống nanô cacbon một vách có thể làm ra tranzito trường bằng cách rất đơn giản là gác ngang ống nanô cacbon lên hai thanh nanô kim loại. Tranzito trường này cực nhỏ, hoạt động đóng mở rất nhanh và tốt. Nhược điểm hiện nay là mới làm được đơn chiếc, khó làm đại trà, khó ghép nhiều tranzito lại để có ứng dụng thực tế. Ứng dụng đang bắt đầu được phổ biến là dùng ống nanô cacbon làm nguồn phát điện tử. Lâu nay để có nguồn phát ra điện tử như ở đèn hình của ti vi, ở ống phát ra tia X phải dùng sợi đốt là vônfram nung nóng để phát ra nhiệt điện tử bằng cách cho dòng điện chạy qua. Nói chung nguồn này vừa nóng vừa cồng kềnh. Với ống nanô cacbon, không cần nung nóng mà chỉ cần tác dụng điện thế cỡ hàng chục vôn là điện tử đã phát ra theo hiệu ứng trường ở mũi nhọn. Hãng Samsung đã thí điểm làm đèn hình phẳng, gọn cho tivi nhờ dùng ống nanô cacbon làm súng phát ra điện tử. Hiện nay trên thị trường đã có bán máy X quang dùng cho y tế rất gọn nhẹ nhờ thay thế nguồn tia điện tử cổ điển vônfram nung nóng bằng bó sợi nanô cacbon phát ra điện tử ở trạng thái nguội nhờ hiệu ứng trường.

Ống nanô cacbon rất nhỏ và cứng nên được dùng làm mũi dò kiểu cái kim nhọn trong kính hiển vi tunen hay hiển vi lực nguyên tử. Nhờ những cái kim cứng, nhọn này có thể thăm dò, nghiên cứu sinh vật rất tốt, thậm chí còn có thể chọc thủng từng tế bào để đưa các nguyên tử, phân tử vào bên trong.

Dùng ống nanô cacbon trộn với polyme có được composit tinh vi hơn composit sợi cacbon, đặc biệt là rất tương thích với cơ thể sống. Riêng composit dẫn điện thì vì ống nanô cacbon nhỏ, cứng, rất đàn hồi nên khi trộn, gia công, ống nanô cacbon ít bị gãy, tính chất dẫn điện của composit được đồng đều vi mô hơn. Đặc biệt khi pha trộn ống nanô cacbon vào polyme PPV, độ dẫn điện tăng lên 8 bậc, hiệu suất quang - huỳnh quang vẫn đảm bảo tốt, về cơ tính lại bền hơn nhiều lần so với PPV không trộn.

Lĩnh vực được chú ý nhiều nhất là dùng ống nanô cacbon có nhiều chỗ trống để hyđrô dễ chui lọt vào bên trong, bám vào thành ống cũng như xen lẫn giữa các ống. Nhờ đó, với ống nanô cacbon có thể làm dung dịch chứa hyđrô, 1 gam dung dịch có thể chứa đến 10 lít hyđrô, tương đương với mật độ năng lượng điện là 16.000 Wh/kg. Với nửa lít dung dịch chứa hyđrô này có thể rót vào pin nhiên liệu đủ để máy tính xách tay 20 W hoạt động liên tục trong một tháng.

Khi phát hiện ra ống nanô cacbon có người đã liên hệ với chuyện khoa học viễn tưởng trước đây, đề xuất ý kiến là có thể dùng ống nanô cacbon làm sợi dây nối thẳng từ vệ tinh địa tĩnh xuống mặt đất. Nhờ sợi dây đó, việc cung cấp năng lượng, việc truyền thông tin giữa mặt đất và vệ tinh là "hữu tuyến", rất ít tổn hao năng lượng so với phương pháp "vô tuyến". Ống nanô cacbon vừa nhẹ, vừa bền nên mới có thể làm được sợi như vậy, còn với các loại vật liệu khác, chỉ riêng trọng lượng sợi dây cũng đã kéo dứt nó.

Cho đến nay có những ứng dụng vẫn là giả tưỏng. Tuy nhiên, rất nhiều ứng dụng mà trước đây, khi chưa có ống nanô cacbon thì chưa ai có thể tưởng tượng là có thể làm được, nhưng nay đã là thực tế, đã bắt đầu xuất hiện ở thị trường. Vì vậy, phát triển việc chế tạo ống nanô cacbon ở nước ta, thí điểm làm ra các sản phẩm mới từ ống nanô cacbon là những việc rất nên khuyến khích để bắt đầu con đường chạy đua về công nghệ nanô.
Vẫn là Ta
Chú Ruồi sung sướng
Sống xứng đáng
Chết chẳng vấn vương


Sống là để khỏi chết chứ ko phải để làm anh hùng (Godfather)
Hình đại diện của thành viên
hell
Thành viên nhiệt tình
Thành viên nhiệt tình
 
Bài viết: 477
Ngày tham gia: Chủ nhật Tháng 3 13, 2005 1:11 pm

Bài viết chưa xemgửi bởi k2000 » Thứ 5 Tháng 4 28, 2005 5:10 am

Đây là một ngành vật lý mới, có tên là
Nano teachnology hay vật lý nano, Ở đó nghiên cức cấu trúc của các hệ thấp chiều (0 chiều, 1 chiều, 2 chiều)
Hình đại diện của thành viên
k2000
Thành viên nhiệt tình
Thành viên nhiệt tình
 
Bài viết: 679
Ngày tham gia: Thứ 7 Tháng 3 19, 2005 2:28 pm

Bài viết chưa xemgửi bởi chungy4 » Chủ nhật Tháng 11 20, 2005 8:04 am

Các bé ơi anh tưởng chuyên ngành vật lý chất rắn thì nhiều người học nên đông vui chứ. Hóa ra còn buồn hơn bên Phương pháp. Còn nếu nói về nano thì bi h ra quách hiệu sách tìm quển sách của thầy Chánh viết, trong đấy có hết tất cả những gì cơ bản nhất đấy.
Còn bé nào thích học chuyên sâu thì thi lớp cao học nano của trường Đại học công nghệ ý. Lớp này học một năm ở bên việt nam còn 1 năm sau thì học ở Faculte des Sciences của đại học Paris Sud. Tiền học được bên Pháp trả đấy.
Các bé cầy ngoại ngữ luôn từ bây giờ đi nhé.
Yêu thế! Cho bần tăng xem với
Hình đại diện của thành viên
chungy4
Giảng viên
 
Bài viết: 96
Ngày tham gia: Thứ 3 Tháng 8 30, 2005 4:27 am
Đến từ: ENS HN

Bài viết chưa xemgửi bởi chungy4 » Chủ nhật Tháng 11 20, 2005 8:08 am

Trên diễn đàn này chắc có nhiều bác dân chất rắn lắm. Các bé đang làm luận văn lên đây mà hỏi. Phải tận dụng chứ. Cu tí nào có khó khăn về đo đạc thì tìm các anh ở nước ngoài mà nhờ.
Phải làm thế nào để mảng chất rắn nhiều bài một chút chứ.
Yêu thế! Cho bần tăng xem với
Hình đại diện của thành viên
chungy4
Giảng viên
 
Bài viết: 96
Ngày tham gia: Thứ 3 Tháng 8 30, 2005 4:27 am
Đến từ: ENS HN

Bài viết chưa xemgửi bởi khach » Thứ 4 Tháng 5 03, 2006 2:53 pm

hé hé
các bé đâu hết mà không hỏi han gì anh vậy
có gì không, mà hỏi câu kinh khủng vào, thật kinh khủng đấy nhế các bé

hé hé
Hình đại diện của thành viên
khach
Thành viên nhiệt tình
Thành viên nhiệt tình
 
Bài viết: 423
Ngày tham gia: Thứ 6 Tháng 3 11, 2005 12:04 pm

Bài viết chưa xemgửi bởi khach » Thứ 5 Tháng 5 04, 2006 9:56 am

chú Chung là chú nào mà hếc thế nhỉ
Hình đại diện của thành viên
khach
Thành viên nhiệt tình
Thành viên nhiệt tình
 
Bài viết: 423
Ngày tham gia: Thứ 6 Tháng 3 11, 2005 12:04 pm

Bài viết chưa xemgửi bởi hello » Thứ 2 Tháng 5 08, 2006 4:20 am

nano ai chẳng biết ,các bác cứ quảng cáo hoài ,cẳng thế mà chẳng có mấy ai viết bài hay hỏi han gì ,chán chết lên đc ! =)).có câu hỏi cho các bác đây.các bác học hiện tượng " vỡ đối xứng " chưa thế (spontaneous breaking symmetry)?nhe nói đây là một hiện tượng quan trong trong vật lý chất rắn nhà các bác ,nó liên quan tới lý thuyết chuyển phan lượng tử.đề nghị các bác nói rõ hơn ,lên đi vào trọng tâm của vấn đề ,cứ quảng cáo mãi ,chẳng thu đc kiến thức là bao ! :><:
hello
Mod
Mod
 
Bài viết: 181
Ngày tham gia: Thứ 7 Tháng 6 18, 2005 2:55 pm


Quay về Vật lý chất rắn

Ai đang trực tuyến?

Đang xem chuyên mục này: Không có thành viên nào đang trực tuyến1 khách