Định nghĩa và lịch sử phát hiện
Ống nano carbon đa vách (tiếng Anh: Multi-Walled Carbon Nanotubes, viết tắt là MWCNT) là một dạng thù hình nhân tạo một chiều (1D) của nguyên tố carbon thuộc họ fullerene cấu trúc nano. MWCNT được cấu tạo bởi nhiều lớp ống graphene hình trụ đồng trục lồng vào nhau một cách đồng tâm, được liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện Van der Waals yếu giữa các lớp nguyên tử.
Lịch sử của công nghệ nano hiện đại đã ghi nhận dấu mốc mang tính bước ngoặt vào năm 1991, khi nhà vật lý người Nhật Bản Sumio Iijima lần đầu tiên quan sát và công bố cấu trúc vi thể của MWCNT trên tạp chí Nature thông qua kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM). Phát hiện này đã mở ra một kỷ nguyên bùng nổ nghiên cứu về vật liệu nano carbon trên toàn thế giới.
Cấu trúc phân tử và đặc trưng hình thái
Theo công trình nền tảng của Iijima (1991), cấu trúc của MWCNT có thể hình dung như việc cuộn tròn đồng tâm nhiều tấm lưới lục giác carbon . Khoảng cách giữa hai lớp vách ống liền kề trong MWCNT xấp xỉ , tương đương với khoảng cách giữa các lớp tinh thể trong than chì tự nhiên (graphite).
Theo tổng quan toàn diện của De Volder và cộng sự (2013) trên tạp chí Science, các thông số hình học tiêu chuẩn của MWCNT bao gồm:
| Thông số hình học | Dải kích thước đặc trưng | Ý nghĩa công nghệ |
|---|---|---|
| Đường kính ngoài () | 2 đến 100 nm | Quyết định diện tích bề mặt riêng và số lớp vách graphene (từ 2 đến hơn 50 lớp) |
| Đường kính trong () | 1 đến 10 nm | Kênh mao quản trung tâm cho phép chứa các phân tử kim loại hoặc hóa chất nạp bên trong |
| Chiều dài ống () | Vài micromet đến vài milimet | Tạo tỷ lệ khung hình (aspect ratio) cực lớn vượt quá 1000, tạo mạng lưới dẫn điện hiệu quả |
Tính chất cơ lý, nhiệt và điện học vượt trội
Nhờ liên kết cộng hóa trị carbon-carbon - một trong những liên kết hóa học bền vững nhất trong tự nhiên, MWCNT thể hiện những tính chất cơ lý và vật lý phi thường theo đánh giá của Baughman, Zakhidov và de Heer (2002) trên tạp chí Science:
- Cơ tính siêu việt: Mô đun đàn hồi Young lý thuyết dọc theo trục ống đạt từ 0.8 đến 1.2 TPa (cao gấp khoảng 5 lần so với thép kết cấu), cùng độ bền kéo đứt đạt từ 10 đến 60 GPa, trong khi tỷ trọng chỉ bằng một phần sáu của thép.
- Độ dẫn nhiệt xuất sắc: Độ dẫn nhiệt dọc trục ở nhiệt độ phòng vượt quá 3000 W/(m·K), cao hơn hẳn kim cương tinh khiết và đồng kim loại, giúp tản nhiệt tối ưu trong các thiết bị vi điện tử.
- Đặc tính dẫn điện và khả năng tải dòng: Nhờ cấu trúc đa lớp bù trừ tính chirality, MWCNT luôn thể hiện tính dẫn điện kim loại và có khả năng mang mật độ dòng điện khổng lồ lên tới mà không xảy ra hiện tượng nóng chảy do di cư điện tử (electromigration).
Phương pháp tổng hợp công nghiệp
Để phục vụ nhu cầu ứng dụng thực tế ở quy mô hàng tấn mỗi năm, MWCNT được chế tạo thông qua các công nghệ lắng đọng và nhiệt phân hiện đại:
1. Lắng đọng hơi hóa học có xúc tác (Catalytic CVD): Đây là phương pháp sản xuất công nghiệp phổ biến nhất hiện nay nhờ tính khả thi kinh tế cao. Các tiền chất hydrocarbon thể khí (như methane, ethylene hoặc acetylene) được dẫn qua buồng phản ứng ở nhiệt độ từ 600 đến 1000 °C có chứa các hạt nano xúc tác kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni) để nuôi cấy các bó MWCNT mọc thẳng đứng với độ tinh khiết cao.
2. Phóng điện hồ quang (Arc Discharge): Tạo hồ quang điện giữa hai điện cực than chì trong môi trường khí trơ áp suất thấp để làm bốc hơi carbon và ngưng tụ tạo thành MWCNT có độ hoàn hảo cấu trúc tinh thể cao.
3. Bốc bay laser (Laser Ablation): Chiếu chùm xung laser năng lượng cao vào bia than chì nung nóng trong lò để làm thăng hoa carbon.
Ứng dụng thương mại và công nghệ cao
Hiện nay, MWCNT đã trở thành vật liệu nano được thương mại hóa thành công nhất trên toàn cầu với các ứng dụng then chốt:
- Phụ gia dẫn điện trong pin Lithium-ion: Thêm từ 1% đến 2% MWCNT vào vật liệu cực dương (LFP, NMC) giúp tạo mạng lưới dẫn điện 3D xuyên suốt, giảm nội trở của pin và tăng tốc độ sạc nhanh cho xe điện.
- Vật liệu composite polymer siêu bền: Trộn MWCNT vào nền nhựa epoxy, polypropylene hoặc sợi carbon giúp tăng cường độ bền va đập, chống tĩnh điện trong vỏ máy bay và linh kiện ô tô.
- Màng lọc nano và xử lý môi trường: Khả năng hấp phụ kim loại nặng, thuốc trừ sâu và các hợp chất thơm trong nước thải nhờ diện tích tiếp xúc lớn.