Ống nano là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan
Ống nano là cấu trúc ống rỗng có đường kính nanomet và chiều dài lớn, làm từ graphene hoặc hợp chất vô cơ, nổi bật với tỉ số bề mặt–kích thước lớn và tính chất cơ–điện–nhiệt ưu việt. Được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, ống nano mang lại khả năng dẫn điện, nhiệt và cơ học vượt trội, đồng thời là vật liệu nghiên cứu tiềm năng cho các thiết bị công nghệ cao trong tương lai.
Định nghĩa ống nano
Ống nano (nanotube) là cấu trúc ống rỗng với đường kính cỡ nanomet (1–100 nm) và chiều dài có thể lên tới hàng micromet hoặc hơn. Vật liệu làm ống nano thường là tơ graphene (carbon nanotube), boron nitride (BNNT) hoặc các hợp chất vô cơ khác như MoS₂, WS₂.
Ống nano carbon (CNT) gồm lớp graphene cuộn tròn thành hình ống, chia thành ống đơn thành vách (SWCNT) và ống đa thành vách (MWCNT). SWCNT chỉ có một lớp graphene, còn MWCNT gồm nhiều lớp đồng tâm, mang tính chất cơ học và điện học khác biệt.
Đặc trưng nổi bật của ống nano là tỉ số bề mặt–thể tích rất cao, độ bền kéo vượt trội (tới 100 GPa), độ dẫn nhiệt lên tới 3 000 W/m·K và tính dẫn điện đa dạng từ cách điện đến siêu dẫn tùy cấu trúc. Những tính chất này mở ra nhiều ứng dụng trong vật liệu tổng hợp, điện tử nano và y sinh.
Lịch sử phát hiện
Năm 1991, Yoshinori Iijima lần đầu quan sát ống nano carbon đa thành vách (MWCNT) qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và công bố trên tạp chí Nature, mở ra lĩnh vực nghiên cứu nanotube toàn cầu (Iijima, 1991).
Tiếp đó, vào cuối thập niên 1990, ống đơn thành vách (SWCNT) được tổng hợp thành công bằng phương pháp hồ quang điện và lắng đen hơi từ plasma, giúp kiểm soát đường kính ống tốt hơn và chứng minh vai trò quan trọng của cấu trúc chiral trong tính chất điện.
Đến đầu thế kỷ XXI, phương pháp lắng đen hơi kết hợp hóa hơi hóa học (CVD) trở thành tiêu chuẩn công nghiệp, cho phép sản xuất CNT với hiệu suất cao và khả năng quy mô lớn. Nhiều trung tâm nghiên cứu và công ty đã đầu tư phát triển ứng dụng ống nano trong composite, điện tử, pin và cảm biến.
Phân loại ống nano
Ống nano carbon chia làm hai loại chính dựa trên số lớp graphene:
- SWCNT (Single-Walled CNT): đường kính 0,4–2 nm, chiều dài vài micromet, cấu trúc chiral (armchair, zigzag, chiral).
- MWCNT (Multi-Walled CNT): gồm 2–50 lớp graphene đồng tâm, đường kính tổng thể 5–100 nm, có tính cơ học cao hơn SWCNT nhưng dẫn điện kém đồng nhất.
Ống nano vô cơ như BNNT (boron nitride nanotube) có cấu trúc tương tự CNT nhưng nổi bật ở tính cách điện và chịu nhiệt cao (> 900 °C). Ống WS₂, MoS₂ thuộc nhóm dichalcogenides cho khả năng bôi trơn cực thấp và ứng dụng trong ma sát siêu nhỏ.
| Loại ống | Vật liệu | Đặc tính chính |
|---|---|---|
| SWCNT | Carbon | Điện dẫn biến thiên (tuỳ chiral), độ bền cao |
| MWCNT | Carbon | Độ bền kéo vượt trội, dẫn nhiệt tốt |
| BNNT | Boron Nitride | Cách điện, chịu nhiệt cao |
| MoS₂NT | MoS₂ | Bôi trơn nano, bán dẫn |
Phương pháp tổng hợp
Phương pháp hồ quang điện (arc discharge) tạo CNT chất lượng cao với khả năng thu ống dài đồng đều. Grafit điện cực chịu dòng 50–100 A trong khí trơ (He hoặc Ar), plasma sinh ra sẽ bốc hơi carbon và ngưng tụ thành ống nano.
Phương pháp hóa hơi lắng đen hơi (Chemical Vapor Deposition – CVD) sử dụng khí hydrocarbon (CH₄, C₂H₂) phân hủy nhiệt trên xúc tác kim loại (Fe, Co, Ni) ở 600–900 °C. CVD dễ mở rộng quy mô, kiểm soát chiều dài và mật độ ống thông qua kích thước hạt xúc tác.
- Arc Discharge: chất lượng ống cao, khó kiểm soát kích thước, tạo nhiều tạp chất.
- CVD: điều khiển dễ, quy mô lớn, cần xử lý tạp chất kim loại.
- Phương pháp laser ablation: bắn laser Nd:YAG lên target graphite, tạo plasma và ngưng tụ CNT mịn, hiệu suất thấp.
Tính chất và kỹ thuật phân tích
Đặc tính ống nano carbon (CNT) phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc chiral và số lớp graphene. SWCNT có thể dẫn điện như kim loại hoặc bán dẫn tùy góc cuộn, trong khi MWCNT thường dẫn điện kim loại với điện trở suất 10⁻⁶–10⁻⁵ Ω·cm.
Khả năng dẫn nhiệt của CNT rất cao, đạt 1 000–3 000 W/m·K, vượt xa các kim loại truyền thống. Độ bền kéo của SWCNT được đo khoảng 60–100 GPa, mô đun Young dao động 0,5–1 TPa, cho thấy khả năng chịu lực vượt trội.
- Phân tích cấu trúc bằng TEM/SEM để xác định đường kính và số lớp.
- Raman spectroscopy xác định cấu trúc chiral và mức độ khiếm khuyết (D/G ratio).
- TGA (Thermogravimetric Analysis) đánh giá độ tinh khiết và hàm lượng tạp chất kim loại xúc tác.
| Kỹ thuật | Đặc tính phân tích | Phạm vi |
|---|---|---|
| TEM | Quan sát trực tiếp cấu trúc ống | 0.4–100 nm |
| Raman | Xác định chiral & khiếm khuyết | 1 000–2 000 cm⁻¹ |
| TGA | Hàm lượng tạp chất & tính ổn định | 25–1 000 °C |
Ứng dụng công nghiệp
Ống nano đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong composite cao cấp, điện tử, lưu trữ năng lượng và y sinh. Trong composite polymer, CNT tăng độ bền cơ học, độ dẫn điện và dẫn nhiệt với hàm lượng chỉ 0,1–5 % khối lượng.
Trong điện tử, màng CNT mỏng có thể thay thế indium tin oxide (ITO) trong màn hình cảm ứng nhờ tính dẫn điện cao và độ trong suốt > 90 %. CNT cũng được dùng làm điện cực cho pin lithium-ion, cải thiện vòng đời và dung lượng lưu trữ.
- Loại CNT/polymer composite: ứng dụng trong khung gầm ô tô, thiết bị thể thao.
- Điện cực CNT trong siêu tụ điện: tăng mật độ công suất và tuổi thọ.
- Sensor sinh học: bề mặt CNT chức năng hóa cho phép phát hiện glucose, DNA và khí độc ở nồng độ thấp.
Ống nano vô cơ (BNNT) được nghiên cứu cho lớp phủ chịu nhiệt và cách điện trong động cơ phản lực, còn MoS₂NT ứng dụng trong dầu bôi trơn nano, giảm hệ số ma sát xuống 0,02.
Ưu điểm và hạn chế
Ưu điểm chính của ống nano là tỉ số bề mặt–thể tích lớn, độ bền kéo và dẫn nhiệt/dẫn điện vượt trội, cho phép tạo vật liệu siêu nhẹ và siêu bền. CNT có thể chịu nhiệt độ lên tới 1 500 °C trong môi trường không khí.
Hạn chế lớn nhất là chi phí sản xuất và khó kiểm soát độ đồng nhất về kích thước, cấu trúc chiral và tạp chất. Sự kết tụ (agglomeration) của CNT trong ma trận polymer gây khó khăn trong phân tán và giảm hiệu quả cải thiện tính cơ lý.
- Khó tách riêng SWCNT theo cấu trúc kim loại/bán dẫn.
- Tính độc hại tiềm ẩn khi hít phải bụi CNT, yêu cầu biện pháp an toàn nghiêm ngặt.
- Chi phí xử lý tạp chất kim loại xúc tác còn cao, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng.
Xu hướng nghiên cứu và phát triển
Nghiên cứu hiện hướng đến tổng hợp CNT có cấu trúc chiral định trước bằng kỹ thuật CVD tiên tiến và xúc tác nano định vị. Việc tích hợp CNT với vật liệu 2D như graphene và MXene mở ra lớp vật liệu lai đa chức năng cho điện tử linh hoạt và lưu trữ năng lượng.
Trong y sinh, CNT được thiết kế làm vector vận chuyển thuốc và gene, tận dụng khả năng xuyên qua màng tế bào và tương tác bề mặt chức năng hóa. Nhiều thử nghiệm lâm sàng đang đánh giá tính an toàn và hiệu quả của CNT trong điều trị ung thư và tái tạo mô.
- Phát triển CNT tự lắp ghép (self-assembly) thành cấu trúc 3D cho pin và siêu tụ điện.
- Ứng dụng AI trong tối ưu hóa quy trình CVD, dự đoán điều kiện tổng hợp cho cấu trúc mong muốn.
- Thiết kế CNT sinh học phân hủy được để giảm ảnh hưởng môi trường và độc tính.
Tài liệu tham khảo
- Iijima, Y., “Helical microtubules of graphitic carbon,” Nature, vol. 354, 1991.
- Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G. & Avouris, P. (eds.), Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties, and Applications, Springer, 2001.
- ScienceDirect Topics, “Carbon Nanotubes,” Elsevier, truy cập 2025, sciencedirect.com.
- Wang, X., et al., “Boron Nitride Nanotubes: Synthesis and Applications,” Advanced Materials, vol. 32, 2020.
- Xu, Y., et al., “Graphene–CNT hybrids for energy storage,” Journal of Materials Chemistry A, vol. 7, 2019.
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề ống nano:
Một bằng chứng gián tiếp được trình bày về khả năng chế tạo các dây lượng tử Si tự do mà không cần sử dụng kỹ thuật lắng đọng epitaxial hoặc quang khắc. Phương pháp mới này sử dụng các bước hòa tan hóa học và điện hóa để tạo ra mạng lưới các dây riêng biệt từ các tấm wafer số lượng lớn. Các lớp Si xốp có độ xốp cao thể hiện sự phát quang màu đỏ có thể nhìn thấy ở nhiệt độ phòng, có thể quan sát bằ...
...Một phương pháp kết hợp giữa quá trình hình thành cụm bằng laser ablation và quá trình kết tinh hơi-lỏng-rắn (VLS) đã được phát triển để tổng hợp các dây nano bán dẫn. Trong quy trình này, laser ablation được sử dụng để tạo ra các cụm xúc tác có đường kính ở mức nanomet, qua đó xác định kích thước của dây tạo thành thông qua quá trình VLS. Phương pháp này đã được sử dụng để điều chế một lượng lớn ...
...- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10