2.4 Các loại ống nano carbon
2.4.2 Ống nano đa lớp (MWNT – Multi Wall Nanotube)
Năm 1991, các nhà khoa học đã quan sát thấy các nanotube nhỏ của graphit lắng đọng trên điện cực âm trong khi hồ quang điện trực tiếp graphit nhằm điều chế fullerene. Các nanotube này là các trụ graphit đồng tâm kín ở một đầu do sự có mặt của các vòng năm cạnh. Nanotube có thể là nhiều lớp với tube trung tâm có đường kính nanomet bao quanh bởi các phiến graphit riêng rẽ cách nhau ~ 3.4Aº
Hình 2.11. Cấu trúc của một nanotube tạo thành từ hai trụ graphit đồng tâm Hình trên mô tả cấu trúc của một nanotube tạo thành từ hai trụ graphit đồng tâm, thu được bằng ghép trường lực (force field calculation). Một đầu của carbon nanotube có dạng chỏm cầu giống với một nửa của quả cầu fullerene có cùng đường kính. Carbon nanotube là một dạng thù hình của carbon có liên kết cố định. Do có liên kết hóa học
tương tự fullerene nên carbon nanotube được coi như là fullerene tube hoặc tube dạng khối.
Ống nano đa lớp gồm nhiều lớp than chì. Có hai mô hình được sử dụng để miêu tả MWNTs. Trong mô hình thứ 1 có tên gọi: Russion doll, MWNTs gồm nhiều ống SWNTs đơn lồng vào nhau. Trong mô hình thứ 2: Parchment, MWNTs được mô tả như một tấm đơn graphite được cuộn xung quanh chính nó, giống như một cuộn giấy da hoặc tờ báo cuộn tròn lại. Khoảng cách giữa các lớp trong MWNTs tương đương khoảng cách các lớp graphite trong cấu trúc than chì, xấp xỉ 3,4 Angstrom. Do đó, MWNTs có đường kính lớn hơn SWNTs (khoảng 1,5 – 100 nm hoặc hơn), và có độ trơ hóa học cao hơn.
Cơ cấu Russian doll được quan sát thây phổ biến hơn. Từng lớp vỏ của nó được mô tả như những SWNTs, có thể mang tính kim loại hoặc bán dẫn. Bởi xác suất thống kê về sự hạn chế về đường kính tương đối của các ống riêng lẻ, một trong những lớp vỏ, và vì vậy MWNTs thường là một kim loại có năng lượng vùng cấm bằng 0 (zero-gap).
Giống như SWNTs, MWNTs cũng bị lực Van der Waals kết tụ nhưng ảnh hưởng ít hơn.
Vì thế, cùng với cấu trúc không đồng nhất của mình mà MWNTs thường tồn tại ở dạng ống và tạo rất ít chùm kết tụ.
F) Hình SEM của MWNTs kết tụ G) Hình TEM của MWSTs
H) Hình HRTEM của MWNTs với khoảng 20 lớp trên mỗi thành Tuy nhiên, hình dạng sản phẩm MWNTs và SWNTs giống nhau
MWNTs hai lớp được gọi là DWNTs, nó là một loại đặc biệt của CNTs bởi hình thái và tính chất của nó tương tự như SWNT nhưng độ bền hóa học được cải thiện đáng kể. Điều này đặc biệt quan trọng khi cần biến tính (ghép các chức năng hóa học lên bề mặt ống) để thêm các thuộc tính mới cho CNTs. Trong trường hợp của SWNT, biến tính cộng hóa trị sẽ phá vỡ một số liên kết C=C, để lại lỗ hổng trong cơ cấu CNTs và do đó thay đổi các thuộc tính cơ, điện. Trong trường hợp của DWNT, chỉ có lớp bên ngoài bị sửa đổi. Việc tổng hợp SWNTs trên quy mô gram lần đầu tiên được đề xuất năm 2003 dùng kỹ thuật CVD, sử dụng quá trình khử chọn lọc dung dịch oxit trong methane và hydro.
Với khả năng chuyển động lồng nhau co giãn được của các lớp vỏ bên trong và cơ tính độc nhất của mình, mở ra khả năng ứng dụng MWNTs như những cánh tay di động trong các thiết bị vi cơ tương lai. Tuy nhiên, MWNTs lại ít được chú ý hơn SWNTs vì sự phức tạp của nó, mỗi lớp vỏ có thể mang các tính chất khác nhau và có sự tương tác giữa các lớp. [4]
So sánh SWNTs và MWNTs
Hình chụp TEM của carbon nanotube
Hình chụp SEM của CNTs kết tụ
Một số dạng CNTs khác:
Nanotorus là một carbon nanotube uốn cong thành một hình xuyến. Nanotorus được dự đoán là có nhiều tính chất độc đáo, chẳng hạn như momen từ lớn hơn 1000 lần so với dự kiến trước đó cho một số bán kính cụ thể. Những tính chất như momen từ, bền nhiệt …
Nanobud:
Là một vật liệu mới được phát hiện, tạo nên sự kết hợp hai dạng thù hình của carbon là carbon nanotube và fullerene. Trong vật liệu mới này, fullerene giống như chồi là liên kết cộng hóa trị với lớp ngoài là CNT cơ bản. Vật liệu lai (hybrid) này có tính chất hữu ích cho cả hai fullerene và CNTs. Đặc biệt, chúng có khả năng phát xạ trường điện tử cực tốt. Trong các vật liệu composite, sự có mặt của các phân tử fullerene có chức năng như các mẫu neo phân tử giữ các ống nano không bị trượt, do đó cải thiện cơ tính của vật liệu.
Nanopeapod:
Là một vật liệu lai mới lạ, nó chứa các phân tử fullerene bên trong CNTs. Nó có thể có các tính chất từ lý thú với việc đun nóng hoặc chiếu xạ. Nó cũng có thể được ứng dụng như một mạch dao động trong lúc nghiên cứu lý thuyết và dự đoán.
Carbon nanotubes xếp chồng lên nhau (Cup-stacked carbon nanotubes – CSCNTs)
Là loại ống carbon với những cấu trúc carbon giả một chiều (quan-1D) khác, những loại thường thể hiện tính dẫn điện giống kim loại. Còn CSCNTs biểu hiện tính bán dẫn do vi kết cấu xếp chồng của các lớp graphene.
Carbon nanotubes Extreme Cycloparaphenylene
Các hình ảnh của ống CNTs dài nhất là 18,5 cm đã được báo cáo trong năm 2009, các ống này được phát triển trên nền Si sử dụng kỹ thuật lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) được cải tiến.
Các ống CNTs ngắn nhất là hợp chất hữu cơ cycloparaphenylene được tổng hợp vào đầu năm 2009.
Các ống CNTs mỏng nhất là armchair (2,2) CNT với đường kính 3 Angstrom. Ống nano này được phát triển bên trong một ống MW-CNTs. Việc xác định các dạng của ống nano được thực hiện bằng sự kết hợp các phương pháp HRTEM, phổ Raman và tính toán mô
vẫn còn nghi vấn. Còn (3,3), (4,3) và (5,1) CNTs (đều có đường kính khoảng 4 Angstrom) đã được xác định rõ ràng bằng HRTEM được điều chỉnh chính xác hơn. Tuy nhiên, chúng được tìm thấy bên trong các ông nano carbon hai lớp.