Những điều thú vị về công nghệ nan nô (phần 4) VẬT LIỆU MỚI- SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC KẾT CẤU CÁC BON

Có rất nhiều ví dụ về vật liệu nano để chúng ta nói đến chẳng hạn: hạt nano, hạn lượng tử, sợi nano, màng siêu mỏng v.v...Nhưng có một ví dụ minh họa một cách thật sinh động hiện tượng một vật liệu lỗi thời lại có thể lột xác để có một khởi đầu mới thật thú vị nhờ công nghệ nano, đó là nguyên tố các bon.

Nguyên tố các bon- là nguyên tố phi kim loại, có tính chất rắn tồn tại trong thiên nhiên- đóng vai trò cơ bản trong ngành hóa chất vô cơ. Nguyên tố này có những đặc tính hóa học thú vị là có thể tự liên kết và cũng có thể liên kết với rất nhiều nguyên tố khác, tạo thành khoảng 10 triệu hợp chất. Các bon tự nhiên tồn tại dưới hai dạng được biết đến là đá graphít và kim cương. Còn có ba dạng khác nữa được phát hiện vào giai đoạn 1985 -2004 đã gây ra sự quan tâm đặc biệt trong giới nghiên cứu về vật liệu các bon- đó là fullernes, ống nano, và than chì nano.

Fullerene

Fullerne gồm những phân tử các bon hình cầu với số lượng nguyên tử lớn hơn hoặc bằng 60 (C60). Đường kính 0.7-1.5nm. Chúng quyến rũ các nhà khoa học bởi vì chúng thể hiện những đặc tính khác biệt đối với vật liệu các bon. Fullerené được nghiên cứu để ứng dụng trong y khoa: chúng là chất chống ôxi hóa mạnh; có khả năng kết hợp với một số loại khác sinh để tạo thành một kết cấu nhằm vào một số vi khuẩn cứng đầu và thậm chí chúng còn nhằm đến tế bào ung thư. Chịu nhiệt và siêu dẫn là hai trong số những đặc tính đã được nghiên cứu sâu về fullerenes trong ngành chế tạo cơ khí.

Fullerenes đôi khi bị nhầm lẫn thành "một dạng các bon mới", được phát hiện tồn tại trong bụi vũ trụ cũng như trong các kết cấu địa chất của trái đất. Sự phát hiện ra các bon có thể tạo thành những kết cấu có tổ chức và ổn định hơn đá graphite và kim cương đã kích thích các nhà khoa học trên toàn thế giới đi sâu tìm kiếm những dạng tồn tại khác của các bon. Quá trình này dẫn đến sự phát hiện ra ống nano các bon (CNT). Những ống này hoàn toàn khác biệt so với loại vật liệu Fullerenes và chúng có những đặc tính khác hẳn.

Giành cho ai là người mới bắt đầu quan tâm tìm hiểu, xin xem video giới thiệu ống nano các bon CNT.

Ống nano các bon CNT được sản xuất với đường kính từ một đến hàng chục nano mét và có chiều dài vài micro mét. Chúng có những đặc tính cơ học và đặc tính điện tử thật đặc biệt đồng thời là chất dẫn nhiệt rất tốt. Độ bền xoắn, hoặc điểm gẫy của CNT gấp 6-7 lần so với của loại thép thông thường. Chúng thuộc loại sợi cứng và chắc nhất mà chúng ta từng được biết đến. CNT còn có thuộc tính kim loại và bán dẫn tùy thuộc vào dạng kết cấu của nó. Những đặc tính này, kết hợp với đặc điểm là CNT có khối lượng rất nhẹ, đã tạo ra khả năng rất lớn để ứng dụng vào những vật liệu tổng hợp được gia cường, điện tử nano, cảm biến và các thiết bị nano cơ học.

CNT có một hoặc nhiều vách, CNT vách đơn thể hiện nhiều đặc tính điện từ khác nhau hơn loại CNT nhiều vách và là ứng viên chính để áp dụng trong ngành điện tử nano. Nhìn chung, các ứng dụng thương mại phát triển tương đối chậm, chủ yếu là do giá thành sản xuất rất cao để sản xuất ra CNT chất lượng tốt, đặc biệt là loại vách đơn.

Một trong những ứng dụng trong tương lai của NCT là Cầu thang không gian- ý tưởng đưa ra một hệ thống vật tải bằng cáp thay thế cho tên lửa vũ trụ đưa người vào không gian.

Video Space Elevator

Thành viên mới nhất của câu lạc bộ vật liệu các bon là graphen. Được phát hiện ra năm 2004, graphene là một tấm các bon có độ dày 1 nguyên tử. Các dạng các bon đang tồn tại thường có các tấm graphenes, hoặc liên kết xếp chồng lên nhau tạo thành một vật liệu rắn như graphite có trong bút chì, hoặc chúng cuộn tròn lại thành CNT (hãy coi CNT vách đơn là một loại graphen hình trụ); hoặc gập lại thành Fullerenes. Các nhà vật lý từ lâu đã coi graphen plannar đứng tự do là không thể có được; quan niệm truyền thống là tấm graphen luôn cuộn lại. Lý do các nhà khoa học bị kích động là các tinh thể hai chiều (thường được gọi là 2D bởi vì nó chỉ giãn ra theo hai chiều- chiều dài và chiều rộng; vì vật liệu có độ dầy chỉ bằng một nguyên tử; chiều thứ ba là chiều cao, bị coi là bằng không) mở ra một chủng loại vật liệu hoàn toàn mới có những đặc tính điện tử, quang học và cơ học vượt trội.

(tổng hợp từ tài liệu nước ngoài)