Carbon, một nguyên tố đặc biệt, nó có thể tồn tại bền vững ở nhiều trạng thái khác nhau : dạng 3 chiều bán dẫn, 2 chiều bán kim loại graphit, dạng 1 chiều dẫn và bán dẫn của ống carbon nano, và dạng vô định hình. Sự khác nhau giữa các trạng thái của carbon nằm ở trạng thái lai tạo orbital điện tử của nguyên tố carbon.
Trong bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleep, carbon chiếm vị trí thứ 6. Mỗi nguyên tử carbon có 6 điện tử và có cấu hình điện tử :1s 2s 2p. Do sự khác biệt về mức năng lượng giữa lớp orbital 2s và 2p là rất nhỏ so với liên kết hóa học cho nên các điện tử ở orbital 2s có thể lai hóa với các điện tử của orbital 2p để tạo ra các dạng lai hóa orbital sp, sp2 và sp3 trong khi các nguyên tố khác cùng nhóm 4 (Si, Ge) chỉ có lai hóa orbital sp3. Mỗi sự lai hóa orbital khác nhau sẽ dẫn đến cấu trúc khác nhau. Lai hóa orbital sp tạo ra cấu trúc thẳng, lai hóa orbital sp2 tạo ra cấu trúc mặt phẳng và lai hóa orbital sp3 tạo ra cấu trúc tứ diện.
a) Diamond (kim cương) b) Graphite (than chì)
c) Lonsdaleite (cacbon trong thiên thạch) d) C60 (Buckminsterfullerene or buckyball) (fuleren)
e) C540 (fuleren) f) C70 (fuleren)
g) Amorphous carbon (cacbon vô định hình)
h) single-walled carbon nanotube or buckytube
Hình 2.1 Các dạng thù hình của carbon.
2.1.1 Graphite và graphene.
Graphite là một dạng thù hình của carbon. Nó có cấu tạo nhiều lớp, trong đó liên kết giữa các nguyên tử carbon là liên kết cộng hóa trị còn giữa các lớp là liên kết yếu Van der Waals. Trên cùng một lớp, các nguyên tử carbon lai hóa sp2 tạo nên cấu trúc 6 cạnh đều và phẳng. Khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon cạnh nhau là 1.42 Ao, giữa 2 lớp là 3.35 Ao
Do có cấu trúc lớp, graphite có tính chất mềm,dẫn điện tốt, hấp thụ ánh sáng mạnh và có tỷ trọng thấp (d = 2.22 g/cm3) . Nó được sử dụng làm chất phụ gia cho các chất bôi trơn ở nhiệt độ cao.
Graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cácbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại.
Chiều dài liên kết carbon-carbon trong graphen khoảng 0,142 nm. Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồmthan chì, ống nanô cácbon và fulleren. Cũng có thể xét một phân tử thơm lớn vô hạn, mà trong trường hợp giới hạn của họ các hidrô cácbon đa vòng phẳng gọi là graphen.
Hình 2.2 b) Phác họa cấu trúc tinh thể của gpraphene
Graphen có độ dày chỉ tương đương một nguyên tử và gần như trong suốt khi được chia thành các phiến, nhưng lại cứng gấp 200 lần so với thép mặc dù mỏng hơn túi bọc thực phẩm tới 60.000 lần, nó dẫn điện và dẫn nhiệt cực tốt.
2.1.2 Cấu trúc carbon nano dạng hình cầu 2.1.2.1 Than đen
Than đen tổng hợp có cấu trúc gồm nhiều lớp nhỏ như của graphit. Trong đó, vị trí các nguyên tử carbon có cùng vị trí tương đối như các nguyên tử carbon trong graphit. Trong mỗi phân tử than đen, các lớp graphit được sắp xếp đồng tâm. Khi than đen được xử lý ở nhiệt độ trên 3000ºC trong khí trơ thì cấu trúc than đen chuyển sang cấu trúc đa diện, rỗng, ở giữa có các lớp khung graphit.
Than đen được sản xuất qua phương pháp khử hydro của hydrocarbon. Than đen được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong sản xuất lốp ôtô.
2.1.2.2 Cấu trúc carbon nano không định hình C60, C70
C60 là một phân tử trong đó nguyên tử carbon được xếp theo 12 vòng năm cạnh và vòng 6 cạnh giống hình quả bóng (hình 2.4). C60 có thể tan trong các dung môi thơm như
benzen, toluene và nhờ tính chất này có thể tách nó ra khỏi các dạng carbon khác trong quá trình sản xuất.
C60 và các dạng carbon không định hình khác có thể sản xuất được ở khối lượng lớn khi ta dùng tia lửa điện hồ quang xoay chiều tác dụng lên hai điện cực graphit trong môi trường khí trơ. Ngoài ra, tinh thể nó có thể được tạo ra từ trong dung dịch khi ta làm bay hơi chất dung môi. Các tinh thể C60 chứa một lượng nhất định chất dung môi ở bên trong. Do vậy khi làm thăng hoa thì ta có thể sản xuất được màng phim mỏng tinh thể C60.
Hình 2.4 Cấu trúc phân tử carbon C60 2.1.2.3 Carbon dạng củ hành
Là dạng carbon hình cầu, đồng tâm và rỗng ở giữa.
Carbon củ hành được tạo thành khi chiếu tia điện tử mạnh vào một phân tử carbon nano đa diện. Một điều đặc biệt là đường kính của hình cầu trong cùng xấp xỉ bằng 7.1Aº bằng đường kính của phân tử C60. Sử dụng kỹ thuật này ta có thể sản xuất được các khung hình cầu có đường kính trên 100A . Mặc dù các khung hình cầu này có nhiều năng lượng kéo dãn (đường cong của khung) nhưng các khung hình cầu nhiều lớp này không có các liên kết treo. Vì vậy chúng vẫn bền vững ngay cả khi ta chiếu tia điện tử.
2.1.2.4 Carbon xốp
Carbon xốp là loại carbon có độ rỗng cao, diện tích bề mặt lớn và các lỗ rỗng có kích thước nanomet. Carbon xốp gồm : carbon hoạt hóa, graphit tách lớp và carbon aerogel.
Các lỗ rỗng nano có thể ở dạng cũi hay đường hầm. Trên lý thuyết người ta chia lỗ rỗng meso có đường kính từ 2-100nm và lỗ rỗng có đường kính nhỏ hơn 2nm.
Carbon aerogel là dạng vô định hình của sự lai hóa sp2 với một tỷ trọng khối thấp. Nó được tạo thành khi ta làm nguội thật nhanh. Loại này là một dạng tiêu biểu của vật liệu