Giới thiệu về ống carbon nano

Trong những năm gần đây, vật liệu nano carbon trở thành tâm điển chú ý của rất nhiều nhà khoa học nhờ đặc tính siêu việt giúp tạo ra vật liệu mới, thiết bị mới thay thế cho công nghệ hiện tại. Đặc biệt trong số đó, phải kể đến graphene và ống carbon nano(CNTs), trong đó graphene là một lớp của graphite( than chì).

Có thể chia vật liệu carbon theo số chiều của chúng, Graphite: 3 chiều, graphene: 2 chiều, CNTs: 1 chiều, Fullerene: 0 chiều.

Đồ thị năng lượng-mật độ trạng thái phụ thuộc vào số chiều, CNTs là quantum wire( dây lượng tử), fullerene được coi là quantum dot.
Mỗi nguyên tử carbon trong tấm graphene ở trạng thái lai hóa sp2 và sắp xếp thành hình lục giác đều.

Graphene là vật liệu 2 chiều, được tạo ra bằng  cách dán băng dính lên graphite, sau khi giật miếng băng dính ra, bạn đã có vài lớp graphite trên đó.

Chỉ mấy năm gần đây, các nhà khoa học mới bắt đầu để ý đến graphene vì trước đây không ai biết các để lấy ra từng lớp graphene riêng lẻ.

Ống carbon nano đơn từơng(SWCNTs) có thể được hiểu đơn giản là sản phẩm của việc cuốn  tấm graphene thành hình ống. Cách cuốn khác nhau tạo ra SWCNTs với tính chất là đường kính khác nhau. Gọi véc tơ cuốn là C, gọi a1 a2 là véc tơ đặc trưng cho hình lục giác tạo bởi 6 nguyên tử carbon của graphene, ta có C=na1+ma2, trong đó (n,m) là cặp số đặc trưng cho mỗi ống carbon nano. Khi m=0, ống được xếp vào kiểu zig zag, khi m=n, ống được xếp vào kiểu armchair. Đường kính của SWCNTs:  , trong đó a = 0.246 nm, a được tính từ hai véc tơ a1, a2. Với q là số tự nhiên, khi |n-m|=3q thì ống mang tính kim loại, các trường hợp khác là bán dẫn. SWCNTs luôn sinh ra với tỷ lệ kim loại: bán dẫn là 1:3. Năng lượng cần thiết để tạo thành ống carbon nano khá cao, có nhiều phương pháp như Laser ablation, arc discharge, CVD được sử dụng trong việc tổng hợp ống carbon nano. Một số loại ống carbon nano thông dụng: CoMoCat( Nguyên liệu là Carbon monoxide cùng chất xúc tác), HipCo( High pressure Carbon monoxide).

Kiểu zig zag

Kiểu arm chair

Ngoài tính chất cơ học siêu việt, ống carbon nano có nhiều tiềm năng trong việc chế tạo màng trong suốt dẫn điện có ứng trong trong công nghệ màn hình cảm ứng, Field Effect Transistor(FET)…, do tính chất của SWCNTs phụ thuộc  cặp số (n,m), các nhà khoa học đang cố gắng tìm ra phương pháp hiệu quả để  chia tách ống carbon nano ra thành từng thành phần riêng, trong đó  Density gradient ultracentrifugation(DGU), column chromato graphy là hai phương pháp hiệu quả nhất. Đặc biệt, column chromato graphy có khả năng phát triển ra quy mô công nghiệp. Bài viết này trình bày phương pháp làm giàu thành phần (6,5) bằng DGU. Phương pháp làm giàu thành phần kim loại và column chromato graphy sẽ được lần lượt giới thiệu trong những bài sau.

Làm giàu (6,5)

Hóa chất

CoMoCat SWCNTs, Sodium Cholate(SC), Iodixanol(IO)

Thiết bị

Ultracentrifuge Sorvall 100SE ultra-centrifure SEA 424

Rotor: TH641

Tốc độ quay: 41000 rpm

Quy trình

Chuẩn bị dung dịch ống carbon nano

Do lực hút Van der Waals, ống carbon nano có xu hướng quấn lấy nhau và không tan tốt trong dung dịch. Ở đây chúng ta dùng chất bề mặt SC để giữ các ống không quấn lấy nhau thành bó.

Hòa CoMoCat với dd SC 2% theo tỷ lệ 1mg: 1ml.

Bath sonicate dung dịch thu được trong 15-20 phút, sau đó tip sonicate dung dịch trong 1 giờ. ( Sonication là phương pháp dùng sóng âm để hòa tan các chất vào dung dịch) Quá trình này nhằm mục đích tách ống carbon nano ra khỏi bó , tạo điều kiện cho chất bề mặt phát huy tác dụng.

Đặt dung dịch vào máy centrifuge ở tốc độ 41000 rpm trong khoảng 1 giờ, nhằm loại bỏ những bó ống carbon nano lớn.

Tạo gradient

*Chú ý, nồng độ dung dịch được tính bằng % khối lượng trên đơn vị thể tích, ví dụ 2% có nghĩa là 2 g chất tan trong 100ml dung dịch.

Các dung dịch với khối lượng riêng theo thứ tự giảm dần được đưa vào ống centrifuge theo thứ tự

2 ml 60% IO, 2%SC  ( lớp dứơi dùng)

715 micro lít 22.5% IO, 2%SC

715 micro lít 20% IO, 2%SC

715 micro lít 17.5% IO, 2%SC

715 micro lít 15% IO, 2%SC

715 micro lít 15% IO, 2%SC

715 micro lít 12.5% IO, 2%SC

715 micro lít 10% IO, 2%SC

715 micro lít 7.5% IO, 2%SC (lớp trên cùng)

Do máy centrifure có thể chứa 6 ống cùng lúc,. chiết suất của các lớp dung dịch khác nhau, ta có thể thấy mặt phân cách giữa các lớp. Do khác nhau về tỷ khối, các lớp chất lỏng bắt đầu trộn lẫn, để tăng tốc độ trộn lẫn, ta có thể đặt ống nằm nghiêng để tăng diện tích tiếp xúc giữa các mặt chất lỏng. Dùng màng nylon bọc kín đầu ống và để ống nằm nghiêng trên mặt bàn, 1 đầu tựa lên miếng đệm mút. Để ống trong trạng thái này khoảng 1 tiếng. Trước khi tiêm dung dịch ống carbon nano. Bằng phương pháp này, ta có thể tạo gradient của chất lỏng với tỷ khổi tăng dần từ trên xuống dưới.

Hòa dung dịch CoMoCat với iodixanol 60% theo tỷ lệ thể tích 2:1 để tạo dung dịch CoMoCat với 20% IO, 2% SC.

Đùng ống tiêm, đưa 1 ml dung dịch CoMoCat ở trên vào vị trí của lớp dung dịch 20% IO của ống centrifure. Do Iodixanol có tỷ khối rất cao, coi như tỷ khối của dung dịch phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ IO, khi đó dd CoMoCat có tỷ khối tương tự(20% IO) môi trường xung quanh, dd CoMoCat sẽ bị giữ trong ống centrifuge ở vị trí này. Tiêm CoMoCat vào 5 ống, trong ống thứ 6, CoMoCat được thay bằng dd 20% IO, 2% SC, dung dịch này được dùng làm mẫu so sánh khi khảo sát quang hấp thụ của kết quả.

Nếu ống centrifuge chưa đầy, cần làm đầy ống bằng dd SC 2% để đảm bảo ống không bị vỡ trong quá trình quay.

Khối lượng các ống phải bằng nhau trong mỗi cặp (1,4), (2,5), (3,6) để đảm bảo cân bằng cho rotor. Nếu các cặp ống không cân bằng, máy centrifuge sẽ không họat động hoặc sẽ xảy ra sự cố trong quá trình quay. Khối lượng mỗi ống trong cặp cần phải bằng nhau, chính xác tới 0.01 g.

Với tốc độ quay 41000 rpm, cần chạy máy trong 16 giờ.

Kết quả

Dưới tác động của gia tốc cực lớn, các ống phân thành nhiều lớp với màu sắc khác nhau. Màu hồng tím trên dùng chứa nhiều thành phần (6,5) , tiếp theo là lớp màu xanh, vàng nhạt và lớp màu đen rất dầy dưới cùng.

Dùng pipette để hút tách lấy từng lớp và đặt trong các lọ khác nhau. Chú ý: Phải tách ngay sau khi centrifuge, nếu để quá lâu các lớp dung dịch với tỷ khối khác nhau sẽ trộn lẫn với nhau và cuốn theo cả ống carbon nano theo.

Kết quả

CoMoCat, 2%SC, Fluorescence Spectrosopy at Exitation wavelength 660 nm

Peak cao nhất bên trái đại diện cho ống (6,5) , lớp thứ nhất có thành phần (6,5) cao nhất trong so với các lớp còn lại.

Tham khảo: Nature nanotechnology