Fullerren, ống nano cacbon, graphen

(Hóa học ngày nay-H2N2)-Kỳ trước ta đã thấy các nguyên tử cacbon tuy nhẹ nhưng do cấu hình electron của nó (lớp trong cùng s có 2 electron, lớp ngoài cùng p có 4 electron, tổng cộng có 6 electron), dễ liên kết cộng hoá trị với 4 hay 3 nguyên tử cacbon khác để tạo thành tinh thể. Khi một nguyên tử cacbon, liên kết cộng hoá trị được với 4 nguyên tử cacbon khác sẽ có được tinh thể kim cương cứng, bền, đẹp vào loại nhất trong tất cả các loại tinh thể. Khi một nguyên tử cacbon chỉ liên kết cộng hoá trị được với ba nguyên tử cacbon khác sẽ có được tinh thể graphit. Cấu tạo của graphit gồm nhiều lớp song song dễ trượt lên nhau do đó graphit được dùng làm lõi bút chì, chổi than ở máy điện…

>> Graphen

Kỳ trước chúng ta đã nói đến graphen có thể hình dung như là lá mỏng nhất được bóc tách ra từ graphit. Ở lá graphen, mỗi nguyên tử cacbon có ba mối liên kết cộng hoá trị nằm cân đối trong mặt phẳng, góc giữa hai mối liên kết kề nhau là 120⁰. Mỗi mối liên kết như vậy lại hết nối với một nguyên tử cacbon (để cộng hoá trị) nên quanh một nguyên tử cacbon có ba nguyên tử cacbon khác, cứ như vậy tạo thành mạng lưới phẳng. Đó là graphen gồm các nguyên tử cacbon nằm theo hình tổ ong sáu cạnh tương đối khó xé rách vì liên kết cộng hoá trị là liên kết rất mạnh.

Xét về lịch sử thì hai dạng tinh thể của cacbon là kim cương và graphit đã được biết từ gần trăm năm trước, graphit có cấu trúc gồm các lớp dễ trượt lên nhau cũng đã được biết từ lâu.

1. Fulơren (fullerene)

Nhưng vào khoảng những năm 1960 khi nghiên cứu những mối liên kết của cacbon trong cấu tạo các phân tử, đặc biệt là các phân tử chất cho mùi thơm, người ta mới lập luận là do có các mối liên kết cộng hoá trị đặc biệt, các nguyên tử cacbon có thể liên kết với nhau tạo ra các phân tử lớn cacbon có dạng như cái lồng. Đến năm 1985 trong thiết bị tạo ra các chùm phân tử do giáo sư Rick Smalley thiết kế, các nhà khoa học mới quan sát thấy thực sự có các đại phân tử cacbon dạng cái lồng. Cụ thể là cả cái lồng gồm 60 nguyên tử, kết nối với nhau theo các hình lục giác kiểu như lá graphen nhưng gói lại như mặt ngoài của quả bóng đá. Khi gói lại như vậy một số hình lục giác bị co lại chuyển thành hình ngũ giác (5 góc hay 5 cạnh). Người ta gọi đại phân tử này là C_60­. Ở Mỹ trước đây có kiến trúc sư Buckminster Fuller đã thiết kế ngôi nhà kính to để lấy ánh sáng tự nhiên mặt ngoài là các đa giác khung nhôm lợp kính. Do ngoại hình tương tự nên người ta gọi phân tử C₆₀ là fulơren (fullerene) có khi còn gọi là quả bóng Bucky (Bucky ball). Các nhà khoa học tìm ra fulơren đã được trao tặng giải Nobel hoá học năm 1996.

Vì cấu tạo gồm toàn nguyên tử nhẹ cacbon, liên kết với nhau toàn là bằng liên kết mạnh cộng hoá trị, lại có dạng hình cầu rỗng (khoảng cách giữa các nguyên tử cỡ từ 0,14 nanomet đường kính quả cầu cỡ 0,45 nanomet) nên fulơren C₆₀ xem như quả cầu nhỏ nhất, nhẹ nhất, cứng nhất.

Về sau người ta còn tìm thấy các phân tử C₇₀, C₇₆, C₈₄, C₉₀, C₉₄… cơ bản cũng có cấu trúc như cái lồng nhưng to hơn, không thật gần hình cầu như C₆₀ đều gọi là fulơren.

Việc phát hiện ra fulơren đã gây chấn động trong khoa học vì không ai ngờ là một nguyên tố rất quen thuộc cacbon từ hàng trăm năm nay chỉ biết có hai dạng tinh thể là kim cương và graphit nay lại biết thêm một dạng tinh thể nữa là fulơren. Nhưng quan trọng hơn là do những tính chất lý hoá rất đặc biệt của fulơren, các nhà khoa học thấy có rất nhiều khả năng ứng dụng. Thí dụ  có thể dùng fulơren như những hòn bi lăn chống ma sát, tức là một cách bôi trơn khô cực kỳ tinh vi, có thể dùng được cho cả môi trường chân không. Nhưng một hướng rất có triển vọng là dùng fulơren như một cái lồng để mang được chất đưa vào cơ thể, ngăn chặn được một số virus nguy hiểm như HIV. Fulơren cũng đã được nghiên cứu để từ đó làm ra màng kim cương nhân tạo…

2. Ống nano cacbon

Trong khi người ta đổ xô nghiên cứu về fulơren và ứng dụng vì đó là vật liệu quá mới, nguyên liệu rất dễ kiếm thì năm 1991 Sumio Lijma làm việc ở hãng NEC (Nhật) trong khi theo dõi các loại bụi trong bình kín để chế tạo fulơren theo cách phóng điện hồ quang trong khí trơ với các điện cực than (cacbon) lại phát hiện thấy có những tinh thể nhỏ dạng như cái ống rỗng đường kính ống vào cỡ 1,4 nanomet còn dài có thể đến micromet, thậm chí milimet.

Nếu fulơren xem như có cấu tạo từ lá graphen cắt gói dán lại thành hình cầu thì ống nano cacbon có thể xem như từ lá graphen cắt thành dải cuốn tròn lại thành ống. Ở hai đầu ống có thể là hở, có thể là kín như có hai nửa quả cầu fulơren úp lại. Như vậy bề mặt bao quanh ống nano cacbon gồm toàn là nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác, hai đầu cũng là nguyên tử cacbon nhưng có một số chỗ không phải là xếp theo hình lục giác mà là hình ngũ giác (5 cạnh) để khép kín lại được…

Cấu tạo hình ống toàn là gồm các nguyên tử cacbon, toàn là liên kết cộng hoá trị nên ống nano cacbon là cái ống nhỏ nhất, cứng nhất. Vì là cácbon, xếp thành cái lồng hình ống nên tính ra khối lượng riêng chỉ cỡ một phần mười của thép và lực kéo cho đứt so với thép cao hơn mười lần nên có thể xem là ống nano trăm lần bền hơn thép.

Các tính chất điện của ống nano cacbon cũng rất khác thường. Ta đã nói rằng ống nano cacbon có cấu tạo giống như là cắt một dải chữu nhật ở tấm graphen cuộn tròn lại. Có thể cắt dải vuông góc hoặc xiên nhiều, xiên ít… do đó ống nano cacbon hình thành từ các dải đó uốn tròn lại tuy mặt ngoài đều là hình lục giác cả nhưng có khác nhau xét về cấu trúc tinh vi, ảnh hưởng mạnh đến các tính chất điện. Ống nano cacbon có kiểu là cách điện, có kiểu là dẫn điện, có kiểu là bán dẫn, thậm chí có kiểu là siêu dẫn.

Thực sự việc hình thành các ống nano cacbon là từ các nguyên tử cacbon, do bản chất các mối liên kết của chúng và do điều kiện nhiệt độ, áp suất… các nguyên tử cacbon tự liên kết với nhau tạo ra ống nano cacbon.

Với khả năng công nghệ hiện nay, người ta có thể điều khiển các điều kiện để hình thành ống nano cacbon với kiểu cách thích hợp, số lượng nhiều, giá thành rẻ. Ngoài ống nano cacbon như đã nói trên goi là ống nano cacbon một vách (SWCNT – single wall carbon nanotube) còn có và phổ biến hơn là ống nano cacbon nhiều vách (MWCNT – multi – wall carbon nanotube), ống nano cacbon rẽ nhánh…

Ống nano cacbon là tiêu biểu cho vật liệu nano, nguyên liệu đặc thù nhất của công nghệ nano. Người ta nói một cách văn vẻ: nếu trong thế giới có một ông vua thì chiếc gậy quyền uy (vương trượng) của ông vua đó là ống nano cacbon.

Không thể kể hết những ứng dụng mới, rất độc đáo của ông nano cacbon. Có thể nói đó là cái kim nhỏ nhất, cứng nhất hiện nay. Ở các hiển vi quét đầu dò, cần cái kim nhỏ nhất, cứng nhất quét lên bề mặt để tạo ảnh. Cái kim tốt nhất, nhỏ nhất và cứng nhất mà người ta đã sử dụng rất nhiều là ống nano cacbon. Ống nano cacbon cứng nhưng nhẹ và rỗng. Người ta đã sử dụng ống nano cacbon làm vật liệu chứa hyđro trong pin nhiệt liệu. Từ ống nano cacbon người ta cho fulơren chạy trong đó hầu như không ma sát, từ đó có khả năng làm được phần tủ nhớ cơ học nhưng rất nhỏ, thí dụ trạng thái 1 là fulơren ở đầu này của ống, trạng thái 0 là ở đầu kia. Người ta cũng đã làm được các tranzito bằng ống nano cacbon. Đặc biệt ống nano cacbon có khả năng phát ra electron khi có một điện trường nhỏ tác dụng (phát xạ lạnh) nên hiện đã được dùng làm nguồn phát electron nhỏ trong máy phát tia X dùng làm màn hình ở tivi. Ống nano cacbon còn được xe lại làm thành sợi nhỏ, cực nhẹ nhưng cực chắc, dùng để trộn với polyme làm vật liệu composit cao cấp…

3. Graphen

Khi ống nano cacbon đang được phát triển rất mạnh mẽ trong nghiên cứu cơ bản cũng như trong ứng dụng, các nhà khoa học thấy rằng fulơren cũng như ống nano cacbon có những đặc tính kỳ diệu như vậy căn nguyên cũng là từ lá graphen mà ra. Tại sao ta không chế trực tiếp lá graphen và đưa ra ứng dụng? Vấn đề này thực tế lại rất khó vì lá graphen chỉ dày một lớp nguyên tử, có hình thành ra thì tuy không dễ tách nhưng vì mỏng quá nên dễ gãy gấp vo viên lại thành vô định hình.

Tuy nhiên từ năm 2004 các nhà vật lý ở Đại học Manchester (Anh) đã tìm cách có được lá graphen độc lập và dẫn đến một cuộc cách mạng trong lĩnh vực này. Các nhà khoa học biết rằng graphit là chồng chất rất nhiều lá graphen lại và liên kết trong nội bộ lá graphen là liên kết cộng hoá trị rất chặt chẽ nhưng liên kết giữa các lá graphen trong graphit là liên kết yếu, lỏng lẻo hơn. Từ đó các nhà khoa học tìm cách cứ tách, tách mãi graphit ra thành từng lớp ngày càng mỏng hơn và tìm ra mẹo để lá mỏng đó tồn tại không bị co rúm, vo viên. Và họ đã làm ra được những lá graphen rộng đến 100 micromet mỗi chiều. Đó là lần đầu tiên có được tinh thể hai chiều mỏng nhất của cacbon, mỏng đến mức là lớp một nguyên tử.

Rất nhiều hiệu ứng mới xảy ra khi tinh thể có một chiều co lại đến mức nhỏ nhất, không thể nhỏ hơn được nữa. Nhiều lý thuyết về tinht hể hai chiều này được xây dựng và có điều kiện để kiểm nghiệm thực tế. Và đã bắt đầu có các linh kiện gọi là linh kiện graphen. Người ta thấy trong graphen electron chuyển động linh hoạt hơn là trong silic, có nhiều cách chuyển động dị thường như chuyển động theo kiểu đạn đạo (ballistic).

Người ta làm được trên lá graphen chỗ thì dẫn điện kiểu này, chỗ kiểu kia, thậm chí có chỗ là siêu dẫn. Làm được mạch “vi điện tử” trên lá graphen đã bắt đầu trở thành hiện thực. Có những nghiên cứu ứng dụng graphen hướng tới tương lai nhưng đã có những ứng dụng để đưa vào thương mại. Thí dụ cụ thể là dùng lá graphen làm cảm biến khí. Vì graphen có thể hấp thụ một số phân tử khí, cho nên có thể pha tạp những chất đặc biệt vào graphen, lúc graphen hấp thụ khí, điện trở thay đổi, qua đo điện trở có thể theo dõi biết được nồng độ khí.

Rất nhiều hứa hẹn ứng dụng graphen đang còn ở phía trước.

Những điều kỳ lạ của fulơren, ống nano cacbon và graphen, những vật liệu nano hiện đại nhất này lại bắt nguồn từ nguyên tố bình thường nhất là cacbon, có mặt phổ biến nhất trên Trái đất.

Theo Nguyễn Xuân Chánh (Vật lý & Tuổi trẻ)

<

p style=”text-align: justify;”>