Ứng dụng của ống than nano:

Hiện trạng và thách thức

Trương Văn Tân

"Trong việc thương phẩm hóa một phát minh,
đừng nghe những ǵ chuyên gia hàn lâm dự đoán
mà hăy nh́n phản ứng và hành động của doanh nghiệp".

 

 

Tóm tắt

Gần một phần tư thế kỷ nghiên cứu và triển khai, ống than nano từng được gọi vật liệu "thần kỳ" đă có những đóng góp ǵ vào cuộc sống của xă hội loài người? Ứng dụng của ống than nano bao trùm mọi ngành công nghiệp từ composite tiên tiến, pin, siêu tụ điện đến transistor cho máy tính, tải thuốc trong cơ thể. Sự đa dạng của ống than nano đưa đến nhiều tiềm năng ứng dụng nhưng cũng chính sự đa dạng này đă làm lu mờ tiêu điểm tập trung của ứng dụng, thị trường trở nên rời rạc. Ống than nano chỉ thay thế vật liệu cũ trong các ứng dụng hiện có mà chưa phát huy được đặc tính của ḿnh cho những ứng dụng chưa từng có. V́ vậy, nó chưa tạo được cú hích mạnh trên thương trường. Mặt khác, tính an toàn đối với cơ thể qua tiếp xúc và sử dụng là một vấn đề quan ngại trong cộng đồng nhưng vẫn chưa có lời giải đáp rạch ṛi. Dù vậy, đă có hàng ngàn tấn ống than nano được sản xuất và sử dụng hằng năm. Bài tổng quan này tŕnh bày hiện trạng ứng dụng, phân tích những thách thức kỹ thuật và triển vọng tương lai.

 

1. Hiện trạng

Đặc điểm của các công tŕnh nghiên cứu vật liệu học là khám phá các đặc tính của vật liệu mới, t́m kiếm những ứng dụng mới hay thay thế vật liệu cổ điển trong các ứng dụng hiện có. Nghiên cứu của vật liệu nano nằm trong phạm trù này. Kể từ lúc Sumio Iijima tái phát hiện ông than nano (1991) đến ngày nay (2014), nghiên cứu về khoa học và ứng dụng của ống than nano đă đi vào thập niên thứ ba. Mười năm đầu tiên của nghiên cứu ống than nano đă tạo ra nhiều phấn kích, sản xuất ra một số lượng lớn các bài báo cáo viết về những đặc tính phi thường của ống than nano với những tiềm năng ứng dụng trong điện tử, y học và không gian. Ngày nay đă có nhiều thương phẩm chứa ống than nano bao gồm sơn, linh kiện ô-tô, dụng cụ thể thao và nhiều ứng dụng khác trong đó ống than nano có vai tṛ chính trong việc gia cường, gia tăng đặc tính nhiệt và điện của sản phẩm.

Các chuyên gia dự đoán công nghệ nano kể cả các sản phẩm nano carbon (ống than, graphene) sẽ có doanh thu vài trăm tỷ đô la trong vài năm tới. Hơn 10 năm trước, đă có nhiều bài báo cáo dự đoán hoặc chỉ ra con đường ứng dụng điển h́nh là bài "Carbon nanotubes: the route toward applications" (Ống than nano: con đường đi tới ứng dụng) [1] và gần đây bài "Carbon nanotubes: present and future commercial applications" (Ống than nano: các ứng dụng thương mại hiện tại và tương lai) [2]. Nhưng ở thời điểm hiện tại (2014), công nghệ nano cho ứng dụng vẫn chưa cất cánh bay cao như dự đoán.

Ống than nano mang nhiều đặc tính, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, cơ tính, xúc tác, điện tử, nên các ứng dụng gần như bao trùm hầu hết mọi ngành công nghệ. H́nh 1 liệt kê các ứng dụng dùng ống than nano để thay thế các vật liệu truyền thống. Tùy theo thể loại và chất lượng của ống than, phạm vi ứng dụng có thể chia làm hai lĩnh vực: (1) các ứng dụng sử dụng ống than nano nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotube, MWNT) chất lượng trung b́nh và (2) các ứng dụng sử dụng ống than nano một vỏ (single-wall carbon nanotube, SWNT) chất lượng cao. Lĩnh vực 1 bao gồm nanocomposite, sợi gia cường tiên tiến, bộ cảm ứng, điện cực, màng lọc nước. Lĩnh vực 2 là công nghiệp điện tử, quang điện tử đ̣i hỏi ống than nano có độ đồng nhất và tinh khiết tuyệt đối.

H́nh 1: Các ứng dụng của ống than nano.

Theo thống kê trong H́nh 2, từ năm 2004 đến năm 2011 số lượng bài báo cáo về ống than nano gia tăng từ 8.000 đến 24.000 bài. Cũng trong giai đoạn này bài báo cáo về graphene gia tăng từ vài trăm đến gần 14.000 bài năm 2011. Số đăng kư phát minh cũng được ghi nhận vài ngàn trong một năm. Những con số này cho thấy việc nghiên cứu triển khai (R&D) không suy giảm và đồng thời có sự hỗ trợ của graphene, một người "anh em" trong họ carbon. Lượng sản xuất của ống than cho các ứng dụng công nghiệp gia tăng theo bậc lũy thừa. Số lượng cho năm 2011 hơn 2.000 tấn gia tăng 10 lần so với số lượng năm 2004 (H́nh 2).

H́nh 2: Thống kê về số bài báo cáo, đăng kư phát minh và lượng sản xuất công nghiệp. (a) Annual publications or patents: Số báo cáo hay đăng kư phát minh hằng năm. (b) Production capacity (kiloton/year): Số lượng sản xuất (1.000 tấn/năm). (c) Publications: Bài báo cáo. (d) Issued patents: Đăng kư phát minh. (e) CNT production capacity (Estimated/Confirmed): Số lượng sản xuất ống than nano (Dự đoán/Xác nhận) [2].

Trong lĩnh vực vật liệu nano thuần carbon, fullerene, ống than nano và graphene là ba loại vật liệu xuất hiện trong ba thập niên vừa qua. Fullerene gần như không có những ứng dụng nào quan trọng ngoài pin mặt trời hữu cơ, graphene vừa mới bước vào ngưỡng cửa của ứng dụng, chỉ c̣n lại ống than nano như là người anh cả trưởng thành. Gần một phần tư thế kỷ đă trôi qua, ống than nano đă sẵn sàng cho cuộc hành tŕnh thương mại hóa, có mặt trên thương trường nhưng vẫn chưa tạo ra một cuộc cách mạng như bao người mong đợi. Trong các ứng dụng hiện có (H́nh 1), liệu ống than nano có thể thay thế vật liệu truyền thống, làm tốt và rẻ hơn?

Bài viết này là một tổng quan mô tả những ứng dụng của ống than nano hiện có trên thị trường, các nỗ lực nghiên cứu và truy t́m nguyên nhân đang cản trở bước tiến của ống than trên con đường thực dụng hóa.

2. Sản xuất quy mô lớn

Sản xuất đại trà là điều kiện tiên quyết cho các ứng dụng thực tiễn đời thường. Có ba phương pháp tổng hợp ống than nano là: phóng điện hồ quang (arc discharge), khắc ṃn laser (laser ablation) và ngưng tụ hơi hóa học (chemical vapour deposition, CVD). Phóng điện hồ quang có ưu điểm là đơn giản, tổng hợp ống than nano ít khuyết tật nhưng độ tinh kiết thấp. Khắc ṃn laser đ̣i hỏi các thiết bị phức tạp, đắt tiền nhưng hiệu suất thu hoạch thấp. CVD được xem là một phương pháp thông dụng nhờ hiệu suất cao, dễ điều chỉnh điều kiện thao tác và ít tốn kém. Hiện nay, CVD được dùng để sản xuất đại trà MWNT và SWNT. Trong một thập niên vừa qua bản chất của việc tổng hợp ống than nano bằng CVD đă khảo sát tỉ mỉ và tổng kết trong nhiều bài tổng quan [3-4]. Tuy nhiên, khi phải nâng quá tŕnh tổng hợp đến tầm mức công nghiệp th́ những điều hiểu biết ở quy mô nhỏ cần phải được bổ sung và thay đổi.

Việc sản xuất ống than nano chất lượng cao, số lượng nhiều và giá rẻ là mục tiêu triển khai của doanh nghiệp trong 20 năm qua. Sản xuất đại trà ống than nano được khởi động từ MWNT v́ phương pháp tổng hợp không đ̣i hỏi những điều kiện khe khắt như SWNT. Các công ty tại Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc tranh đua tổng hợp MWNT chất lượng cao với hiệu suất thu hoạch tăng từ 1 kg/giờ đến 8 kg/giờ. Công ty Showa Denko (Nhật) phá mọi kỷ lục đạt đến năng suất 16 kg/giờ (2007) [5]

So với MWNT, năng suất thu hoạch của SWNT c̣n rất thấp. SWNT lần đầu tiên được sản xuất vào năm 2000 có tên thương phẩm là HiPco bởi nhóm của giáo sư Smalley. Hiệu suất thu hoạch là 0,45 g/giờ. Được gọi là chất lượng cao nhưng kinh nghiệm của người viết cho thấy SWNT (HiPCo) không có tính đồng nhất. Công ty Toray Industries (Nhật Bản) đă gia tăng đến 15 g/giờ (2002). Năm 2007, viện nghiên cứu quốc gia Nhật Bản "National Institute of Advanced Industrial Science and Technology" (AIST) dưới sự chỉ đạo của tiến sĩ Sumio Iijima [6] đă sản xuất SWNT 100 g/giờ. Viện AIST đă đầu tư rất nhiều vào việc sản xuất đại trà SWNT chất lượng cao dùng phương pháp CVD với một ḷ cao nhiệt "khổng lồ" có đường kính 0,5 m và dài 12 m. Thiết kế ḷ cao nhiệt là một quá tŕnh cam go v́ sự điều chỉnh nhiệt độ và áp suất trong ḷ, nồng độ chất xúc tác, các loại khí là một kỹ thuật đ̣i hỏi sự chính xác rất cao. Hiệu suất của ḷ có thể đạt đến 1 kg/giờ (2007) vẫn c̣n thấp so với MWNT. SWNT dùng cho các ứng dụng điện tử và quang điện tử đ̣i hỏi sự đồng nhất chất lượng ở mức phân tử như cấu trúc, độ dẫn điện, kích thước ống và sự đồng nhất phải được lặp lại (reproducibility) ở từng mảng sản xuất. Nếu công tŕnh sản xuất SWNT đại trà của AIST đáp ứng được những đ̣i hỏi khe khắt này th́ công nghiệp điện tử dùng ống than nano sẽ có cơ hội cất cánh. AIST đang nhắm đến việc gia tăng năng suất đến 10 kg/giờ.

Thống kê cho thấy nhu cầu sử dụng ống than nano không ngừng gia tăng (H́nh 2). Giá bán tiếp tục giảm. Giá năm 2010 cho MWNT là $1/g và cho SWNT $100/g. Theo sự đánh giá của các cơ quan tư vấn khoa học công nghệ giá MWNT chất lượng cao có giá bán là $100/kg (2014). Nếu số lượng sẽ gia tăng theo đà sản xuất hiện tại th́ giá sẽ giảm xuống $50/kg vào năm 2020 cho việc gia cường. Tuy nhiên giá vẫn c̣n khá đắt so với các chất độn gia cường cổ điển. SWNT để dùng trong công nghiệp điện tử sẽ giảm đến $10.000/kg ($10/g). Vấn đề giá cả của SWNT không phải là trở ngại chính trong việc phát triển các công cụ điện tử v́ số lượng dùng rất nhỏ, mà ở phương pháp chế tạo vô cùng phức tạp để duy tŕ chất lượng ống than gần như tuyệt đối.

Tùy vào nhu cầu ứng dụng các ống than nano có thể được tổng hợp "mọc" thẳng như một "cánh đồng lúa" có trật tự trên chất nền, hay tạo thành mạng lưới hỗn độn ngẫu nhiên như "ổ chuột" (H́nh 3), với những điều kiện tổng hợp từ đơn giản đến cực kỳ chính xác. Đỉnh cao của việc tổng hợp ống than nano là các công tŕnh nghiên cứu sản xuất đại trà SWNT của Viện AIST. Sự thành bại của AIST có ảnh hưởng rộng lớn đến việc áp dụng ống than nano vào công nghiệp điện tử và niềm tin trong việc thiết kế ḷ tổng hợp CVD quy mô lớn có khả năng điều chỉnh một cách vi diệu cho việc thu hoạch một vật liệu có biệt danh là "thần kỳ".

      

3a                                                                                        3b

H́nh 3: H́nh dạng của tập hợp ống than nano: (a) "cánh đồng lúa" và (b) mạng lưới hỗn độn.

3. Công nghiệp điện tử

Công nghiệp điện tử và quang điện tử là một lĩnh vực nhiều thách thức kỹ thuật nhưng khi vượt qua chướng ngại th́ sự đột phá sẽ mang đến rất nhiều lợi nhuận. Một thực nghiệm thú vị do nhóm Zettl (Đại học California, Berkeley) thực hiện là đài radio làm bằng một ống than nano [7]. Đương nhiên, radio này mắt thường không nh́n thấy v́ ống than quá nhỏ. Ống than hành xử vừa là một ăng ten thu sóng, vừa là linh kiện khuếch đại, chỉnh lưu và có thể nghe được nhạc từ một đài phát sóng FM. Công tŕnh này là một chứng cứ cho thấy tiềm năng ứng dụng điện tử của ống than nano.

Một trong những động lực lớn đẩy mạnh các nghiên cứu ứng dụng của ống than nano trong lĩnh vực điện tử là việc thay thế silicon trong các linh kiện điện tử điển h́nh là transistor. Trong nửa thế kỷ qua, transistor silicon từ kích cỡ micromét được thu nhỏ đến 20 nm (2013). Liệu transistor ống than nano có thể tiếp tục cuộc hành tŕnh thu nhỏ khi độ nhỏ của transistor silicon đứng lại trước một giới hạn? Ống than nano với đường kính 1- 2 nm với những đặc tính điện tử thích hợp nên việc tiếp tục thu nhỏ transistor là việc khả thi.

Nhóm Avouris của công ty IBM trong 10 năm qua là một trong những nhóm nghiên cứu tiên phong đóng góp rất nhiều tri thức trong việc dùng ống than nano như là một vật liệu cho transistor thay cho silicon [8]. Trên phương diện lư tính và điện tính, do bản chất rỗng của ống điện tử di chuyển rất nhanh trong ống v́ không có sự va chạm được gọi là di chuyển đạn đạo, nên ống than nano có độ di động cao hơn và điện dung (capacitance) nhỏ hơn silicon. Hai đặc tính này là điều kiện cần cho transistor. Transistor ống than có tiềm năng thu nhỏ, ít phát nhiệt và do đó sự tiêu hao năng lượng thấp hơn 10 lần so với transistor silicon. Nhưng, việc sản xuất đại trà transistor và chế tạo một mạch tích hợp có thể chứa hàng tỷ transistor ống than là một vấn đề nan giải v́ nhiều lư do.

Những lư do này có thể nhận thấy trong một công tŕnh vô cùng thú vị của một nhóm nghiên cứu tại đại học Stanford (Mỹ). Gần đây (2013), nhóm này đă tŕnh làng một máy tính dùng transistor ống than nano đầu tiên [9]. Bằng những phương pháp đă biết, trước hết họ tổng hợp mạng (array) SWNT theo một thứ tự chính xác rồi sao đó loại trừ các SWNT có độ dẫn điện của kim loại và chỉ chừa lại các SWNT bán dẫn. Chỉ có SWNT bán dẫn mới được dùng làm vật liệu cho transistor. Qua cách sắp xếp mạng SWNT trong quá tŕnh tổng hợp, 178 transistor SWNT được thành h́nh trên một mạch tích hợp. Mỗi transistor chứa 10 đến 200 ống SWNT và có độ lớn 8 µm, 400 lần to hơn transistor silicon trong các máy tính hiện tại. V́ vậy, sức mạnh xử lư của máy tính ống than nano chỉ tương đương với máy tính trong thập niên 50, 60 của thế kỷ trước. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu này đă tạo một bước nhảy vọt chứng tỏ tiềm năng vi tính của ống than qua việc chế tạo bộ xử lư trung tâm (CPU), bộ năo của máy tính, hoàn toàn bằng ống than một cách đầy sáng tạo.

Ngoài giá trị khoa học độc đáo trong công tŕnh của nhóm Stanford, bài báo cáo c̣n cho thấy ưu và khuyết điểm khi ống than nano được sử dụng để chế tạo bộ xử lư máy tính. Cũng như đồng xu có hai mặt, mặt trái của nó cho thấy việc chế tạo máy tính ống than nano có nhiều công đoạn khó khăn thậm chí có thể đưa đến bế tắc trong việc thương mại hóa. Thứ nhất, để làm transistor, SWNT phải là chất bán dẫn với độ dẫn điện chính xác cho từng ống. Điều này đ̣i hỏi sự chính xác và độ tinh khiết trong việc tổng hợp để tạo ra từng ống than giống nhau về kích thước và chirality (Phụ lục a). Có khả thi không? Thứ hai, trong quá tŕnh chế tạo mạch tích hợp chứa transistor ống than nano, làm thế nào có thể đặt hàng tỷ ống than một cách chính xác để chế tạo bộ xử lư trung tâm (CPU)?

Thật ra, nửa thế kỷ trước hai đ̣i hỏi này đă là một thách thức kỹ thuật đáng sợ trong việc chế tạo transistor silicon và thiết kế mạch tích hợp. Độ tinh kiết của silicon phải lớn hơn 99%, càng nhiều số 9 càng tốt. Mạch tích hợp trong bộ xử lư phải chứa vài triệu transistor trên một diện tích vài cm2. Đây là sự đ̣i hỏi nghiệt ngă của những con số (tyranny of numbers). Ngày nay, độ tinh khiết của silicon đạt đến 99,999999999% (11 số 9) và li-tô quang có thể tạo 1 tỷ transistor trên một diện tích vài cm2. Cũng chính v́ hai ưu điểm này các doanh nghiệp không bao giờ muốn từ bỏ silicon nếu không có lư do thích đáng trên phương diện kỹ thuật và doanh thu.

Trước hai đ̣i hỏi này, ống than nano vẫn c̣n trong t́nh trạng của silicon 50 năm trước. Kỹ thuật tổng hợp hiện nay không thể nào đạt đến độ tinh khiết như silicon. Các mảng tổng hợp là một hỗn hợp chứa SWNT có độ dẫn điện kéo dài từ bán dẫn đến kim loại. Yếu tố chế ngự độ dẫn điện của ống than nano trong quá tŕnh tổng hợp là chirality và đường kính ống (Phụ lục a). Ống dạng ghế bành có độ dẫn điện kim loại hữu ích cho các ứng dụng khác nhưng cần phải loại bỏ trong việc chế tạo transistor. Để có chirality và đường kính đồng nhất, nhiệt độ ḷ, lưu lượng nguồn khí, chất xúc tác cần phải quản lư thật chính xác. Đây là một quá tŕnh nhiều khó khăn đ̣i hỏi những bàn tay điêu luyện và kiên nhẫn. Hiện nay, người ta có thể tổng hợp SWNT từ 1 đến 2 nm với sai số ± 0,2 nm [4], nhưng hiệu suất của SWNT bán dẫn chỉ đạt được tối đa 90%. Để thu hoạch SWNT bán dẫn có độ tinh khiết >99% từ hỗn hợp SWNT ta cần phải có một công đoạn tách lọc để loại bỏ SWNT kim loại [10]. Độ tinh khiết 11 con số 9 như silicon hiện tại vẫn là một điều hoang tưởng trong kỹ thuật tổng hợp và tách lọc ống than nano.

Ngoài ra, công tŕnh của nhóm Stanford và transistor ống than nano của nhóm Avouris cho thấy công đoạn chế tạo transistor vẫn c̣n ở trong t́nh trạng thủ công. Khả năng làm mạch tích hợp c̣n rất thô thiển và chỉ có thể chứa vài trăm transistor. Việc đặt từng ống than nano cho mỗi transistor (Phụ lục b) để tạo mạch tích hợp chứa hàng triệu, hàng tỷ transistor bằng tay là một việc điên cuồng! Có một phương pháp nào tương tự như li-tô quang cho silicon có thể chế tạo một mạch tích hợp chứa vài trăm ngàn hay khiêm tốn hơn vài chục ngàn transistor ống than nano trong vài tiếng đồng hồ? Ở thời điểm này, câu trả lời là "Không".

4. Nanocomposite và sợi gia cường

Composite là một công nghiệp đang tiêu thụ nhiều nhất ống than nano, phần lớn là MWNT. Với cơ tính siêu việt của ống than nano chỉ cần pha trộn một lượng nhỏ (~1%) vào polymer thông thường như poly(methylmethacrylate) hay epoxy th́ cơ tính sẽ tăng vài mươi lần (Bảng 1). Trên thực tế, epoxy chứa 1% ống than nano (sản phẩm của công ty Zyvex tại Mỹ) chỉ gia tăng 5 – 10% (0,05 – 0,1 lần) độ bền và độ cứng của epoxy. Dù vậy, các loại composite/MWNT được sản xuất và sử dụng trong các dụng cụ thể thao, sườn xe đạp, bộ phận xe hơi, thân tàu thủy, cách quạt tua-bin.

Sản phẩm tổng hợp của ống than nano thường ở trong trạng thái kết tập (aggregation) bởi lực van der Waals. Cơ tính của trạng thái kết tập chỉ bằng 1/10 đến 1/100 của một ống. Nguyên lư "một cây làm chẳng nên non …" không thể áp dụng cho trường hợp ống than. Việc phân tán một tập hợp ống than nano thành những ống riêng lẽ để tận dụng cơ tính siêu việt của từng ống vẫn c̣n là một vấn đề nan giải dù đă có hàng ngàn báo cáo về composite giữa polymer và ống than nano. Việc tách rời ống than bằng siêu âm trong một dung môi là một phương pháp phổ biến dù không nhiều hiệu quả như sản phẩm Zyvex đă cho thấy. Cho đến nay người ta vẫn chưa hiểu rơ cơ cấu tại sao trong trạng thái kết tập cơ tính lại bị giảm sút trầm trọng. Dù vậy, số lượng sản xuất composite polymer và ống than nano sẽ tiếp tục gia tăng nhờ vào đặc tính dẫn điện và nhiệt của ống than. Lĩnh vực này đă được khảo sát tỉ mỉ và tŕnh bày thành sách với điểm nhấn về sản xuất, đặc tính và ứng dụng [11].

Bảng 1: So sánh cơ tính các loại sợi gia cường

Chú thích:

1. GPa: giga (G) pascal (Pa), 1 GPa = 109 Pa. Pa (= N/m2) là lực trên một đơn vị diện tích.
2. Độ bền ở điểm đứt (stress at break).
3. Độ cứng (stiffness) c̣n gọi là mô-đun Young (Young's modulus).
4. Độ dai c̣n có tên gọi là "công của sự kéo dài" (work of extension) được tính bởi công thức ½σε , σ: độ bền (stress) và ε: độ căng (strain).

Một phương pháp khác là "kéo khô" (dry drawing). Khâu quan trọng trong phương pháp này là việc tổng hợp ống nano mọc thẳng tạo nên một "cánh đồng" có thể kéo thành màng cực mỏng (H́nh 4). Điều kiện này chỉ có thể đạt được bằng những điều kiện tổng hợp được tối ưu hóa và tài khéo léo của người thực hiện [19]. Trong quá tŕnh kéo lực van der Waals được khắc phục một phần, các ống than nano đă được tách rời để tạo màng, dù việc tách không tạo được các ống riêng lẻ hoàn toàn 100%. Polymer dẫn điện polypyrrole (PPy) đă được gia cường dùng màng ống than nano bằng phương thức chồng chập luân phiên: PPy/ màng/PPy/màng/PPy … [20]. Bằng cách này composite PPy/màng với 33% ống than nano đă được thực hiện. Tuy nhiên, phương pháp này không thích hợp cho việc sản xuất có quy mô lớn.

H́nh 4: Màng được kéo từ một "cánh đồng" ống than nano (bên trái)
và được quấn thành cuộn (bên phải) (Nguồn: www.futuretimeline.net).

Một phương pháp thực tế hơn là phủ ống than nano lên sợi carbon. Sợi carbon (carbon fibre) được chế tạo từ việc xử lư nhiệt polyacrylonitrile (PAN) là một trong những loại sợi gia cường được sử dụng rộng khắp trong nhiều thập niên qua. Sợi carbon được dùng làm chất nền trong ḷ CVD và bằng chất xúc tác thích hợp từng ống than nano sẽ được tổng hợp lên trên mặt sợi carbon (H́nh 5) [21]. Như thế, sự kết tập thành cụm không xảy ra và cơ tính của một ống than sẽ được tận dụng. Công ty Zyvex (Mỹ) đă chế tạo epoxy được gia cường bởi sợi carbon/ống than nano và composite này được dùng để chế tạo thân tàu cho các loại tàu tuần duyên.

H́nh 5: Ống than nano được tổng hợp trên sợi carbon để làm sợi gia cường.

Kéo sợi cho việc gia cường là một trong những họat động nghiên cứu quan trọng trong công nghệ composite. Hiện nay, trên thị trường đă có nhiều loại sợi gia cường cao cấp như sợi thủy tinh, sợi Kevlar, sợi polyethylene và sợi carbon. Việc kéo sợi carbon từ ống than nano đă được tích cực khảo sát và nghiên cứu trong hai thập niên qua. Cho đến nay có hai phương pháp chính kéo sợi ống than nano. Phương pháp thứ nhất là tổng hợp các ống than mọc thẳng đứng trên một chất nền tạo nên một "cánh đồng lúa" như đă đề cập (H́nh 4). Sợi ống than nano được tạo thành bằng cách xoắn màng biến thành sợi (H́nh 6). Đây là phương pháp kéo khô (dry drawing) [17,22].

 

H́nh 6: Phương pháp kéo khô: sợi được tạo thành từ "cánh đồng" ống than
bằng cách vừa kéo vừa xoắn màng [22].

Phương pháp kéo sợi ống than nano thứ hai là "kéo ướt" (wet drawing) từ một dung dịch keo (colloidal solution) chứa ống than nano và sợi được đông tụ trong dung dịch nước poly(vinyl alcohol) (PVA) [23]. Như đề cập bên dưới, sợi ống than nano được tạo thành theo phương pháp này không có giá trị thực tiễn. V́ sự hiện diện PVA trong sợi, PVA sẽ tan khi gặp nước vô hiệu hóa tính gia cường.

Gần đây, sự cộng tác giữa nhóm Pasquali (Rice University, Mỹ) và công ty Teijin (Nhật Bản) lần đầu tiên đă chế tạo thành công một cách ngoạn mục sợi ống than nano và đang được nâng cấp thành thương phẩm. Khác với phương pháp dùng PVA, sợi được kéo trực tiếp từ một dung dịch acid cực mạnh (siêu acid) chứa ống than nano [18]. Theo các chuyên gia, phương pháp kéo sợi của nhóm Pasquali và Teijin là một bước đột phá trong ngành sợi gia cường [24]. V́ giá sản xuất c̣n rất cao sợi ống than nano, tạm gọi là sợi ống than nano (CNT) Teijin, cần phải pha trộn với các loại sợi gia cường truyền thống để giảm giá.

Tuy nhiên, cơ tính của sợi ống than Teijin vẫn c̣n thấp so với sợi carbon cao cấp chế tạo từ PAN. Chẳng hạn, các loại sợi carbon được sản xuất bởi công ty Toray (Nhật) được gọi là sợi nhóm T có độ bền 5 – 6 GPa và độ cứng gần 300 GPa (Bảng 1), trong khi sợi ống than nano Teijin chỉ là 1 GPa và 120 GPa (vật liệu 9 trong Bảng 1). Sợi carbon nhóm T rất thông dụng trong các composite làm thân máy bay. Trong đó T1000G là loại sợi carbon "có độ bền cao nhất thế giới" [25]. V́ cơ tính ưu việt của sợi carbon Toray và lư do an ninh quốc gia, sợi T800 và T1000 không được phép của chính phủ Mỹ và Nhật xuất khẩu sang Trung Quốc. Điều này cho thấy tầm quan trọng của sợi carbon trong công nghiệp hàng không dân sự lẫn quân sự.

Trong những năm gần đây, composite sợi carbon dần dần được thay thế nhôm dùng cho thân máy bay để giảm trọng lượng. Nhưng hai vấn đề chính chưa được giải quyết là độ dẫn điện và dẫn nhiệt thấp của loại composite này. Trong thân máy bay có nhiều điểm nóng cần sự phát tán nhiệt nhanh chóng. Ngoài ra, bề mặt cần độ dẫn điện cao để phát tán điện khi bị sét đánh. So với sợi carbon nhóm T, dù cơ tính có thấp nhưng sợi ống than Teijin sở hữu độ dẫn điện cao hơn titanum và ch́, và độ dẫn nhiệt cao hơn đồng. Đây là những đặc tính vượt trội hơn sợi carbon cổ điển (Bảng 2). Trong tương lai, sợi carbon Teijin có thể đáp ứng nhu cầu phát tán nhiệt và điện bằng cách pha trộn với sợi carbon cổ điển trong composite làm thân máy bay. Ngoài ứng dụng gia cường, sợi ống than Teijin có thể thay thế giây đồng dùng để chuyển tải dữ liệu trong dụng cụ điện tử và giây điện dùng trong máy bay hay xe hơi để giảm trọng lượng. Người ta phỏng tính có khoảng 100 km dây đồng trong một chiếc máy bay. Nếu thay tất cả bằng sợi ống than Teijin th́ trọng lượng máy bay sẽ giảm rất nhiều.

Độ dai (toughness) là công cần thiết để chống lại sự găy nứt, đổ vỡ và là một yếu tố quyết định trong việc chế tạo áo giáp chống đạn và công phá. Tơ nhện thiên nhiên là một loại sợi có độ dai ưu việt (Bảng 1) và sợi Kevlar hiện nay vẫn là một loại sợi polymer rất phổ biến dùng cho áo giáp v́ nhẹ và độ dai cao. Nh́n vào Bảng 1, ta thấy ngay độ dai ưu việt của Kevlar khi so với sợi carbon hay sợi thủy tinh.

Ống than nano cho thấy tiềm năng rất lớn trong việc chống đạn và công phá, chẳng hạn như sợi ống than nano được chế tạo bằng phương pháp đông tụ trong dung dịch nước PVA có độ dai gấp 10 lần Kevlar (1.500 MJ/m3, vật liệu 5 trong Bảng 1). Bằng phương pháp chế tạo tương tự, composite giữa ống than nano và graphene có một độ dai là 2.000 MJ/m3 (vật liệu 6 trong Bảng 1), có thể gọi là độ dai lớn nhất trong các loại sợi hữu cơ. Tiếc rằng, trong quá tŕnh kéo sợi PVA phải được sử dụng để tạo sự đông tụ giữa các ống than. PVA trở nên một thành phần của sợi và là polymer tan trong nước nên sợi không giá trị thực tiễn. Cho đến nay vẫn chưa có phương pháp nào có thể thay thế PVA bằng một polymer không tan trong nước.

Một vật liệu lư tưởng chống công phá và cho cấu trúc xây dựng phải có độ bền cứng và độ dai cùng lớn. Tuy nhiên, trong các vật liệu tổng hợp bởi con người độ bền cứng và độ dai thường là hai yếu tố đối nghịch [26]. Người ta có thể chế tạo các vật liệu bền cứng nhưng dễ găy nứt như sợi carbon, sợi thủy tinh (Bảng 1). Ngược lại, những sợi có độ dai ưu việt như sợi Kevlar, sợi ống than nano, sợi ống than/graphene (vật liệu 1, 5, 6 trong Bảng 1) có độ bền rất thấp. Trong lĩnh vực này Mẹ Thiên nhiên, một nhà vật liệu học siêu việt hơn con người, đă tổng hợp được xương động vật, các loại vỏ ṣ, bào ngư vừa bền cứng và vừa có độ dai lớn. Bảng 1 cho thấy ống than nano và người "anh em" graphene cho thấy tiềm năng tạo sợi có độ dai rất lớn nhưng độ bền cứng siêu việt của chúng vẫn chưa được phát huy đúng mức.

5. Tích trữ năng lượng: Pin

Kể từ ngày công ty Sony tung ra thị trường pin lithium (năm 1992) pin ion lithium trở thành một sản phẩm đứng đầu trong thể loại pin nạp điện (rechargeable battery) cung cấp năng lượng cho mọi thao tác trong các dụng cụ điện tử cầm tay di động. Pin ion lithium đă bán ra 6 triệu đơn vị vào năm 2010 và tiếp tục gia tăng nhờ vào sự phổ cập của điện thoại thông minh. Pin ion lithium hầu như chiếm lĩnh thị trường pin nạp điện dần dần thay thế Nickel Hydride kim loại (NiMH) và Nickel-Cadmium (NiCad) trong các dụng cụ điện. Việc đa dạng hóa các chức năng trong điện thoại thông minh như lưu giữ dữ liệu, h́nh ảnh, sử dụng hệ thống định vị đ̣i hỏi pin có khả năng nạp điện nhanh và tích điện nhiều hơn. Gần đây, pin ion lithium cũng được triển khai cho các ứng dụng trong các phương tiện chuyên chở như xe hơi chạy pin, xe nâng hàng (fork lift) v.v... Từ những nhu cầu này, thị trường tương lai của pin ion lithium sẽ rất rộng lớn và đồng thời có những đ̣i hỏi cấp bách thúc đẩy việc cải thiện pin để thỏa măn mọi nhu cầu.

Pin ion lithium có 3 thành phần chính là điện cực dương, âm và chất điện giải. Điện cực âm là than ch́ (graphite) và điện cực dương là lithium cobalt oxit (LiCoO2). Hai điện cực đều có cấu trúc lớp để ion lithium Li+ có thể xen vào giữa các lớp (intercalation) nhằm gia tăng số lượng ion Li+ được tích trữ. Đây là đặc điểm quan trọng của pin. Khi phóng hay nạp điện ion Li+ di chuyển giữa hai điện cực. Đặc tính của điện cực rất quan trọng không những cho việc tích điện mà c̣n bảo đảm sự an toàn không cháy nổ và kéo dài tuổi thọ của pin. V́ vậy cải thiện pin có nghĩa là cải thiện điện cực. Than ch́ được xem là một vật liệu thích hợp cho điện cực âm v́ giá rẻ. Năng suất phóng điện của pin với hệ thống điện cực than ch́ và LiCoO2 có con số lư thuyết là 372 mAh/g (mAh = miliAmpere hour, 1 Ah là pin cung cấp ḍng điện 1 A trong 1 giờ). Trên thực tế năng suất chỉ bằng 50% con số lư thuyết.

H́nh dạng ống và độ dẫn điện cao của ống than nano được xem là những đặc tính lư tưởng cho việc cải thiện điện cực nhằm gia tăng khả năng tích điện và rút ngắn thời gian nạp điện. Theo tính toán lư thuyết, người ta nhận thấy rằng 6 nguyên tố carbon trong than ch́ chứa 1 ion lithium (LiC6) trong khi ta chỉ cần 3 nguyên tố carbon (LiC3) cho 1 ion lithium do h́nh dạng rỗng của ống than. Có nghĩa, nếu thay than ch́ bằng ống than nano th́ trữ lượng ion Li, hay điện năng, sẽ gia tăng gấp đôi. Để chứng minh điều này Shimoda và cộng sự [27] dùng điện cực SWNT thay cho điện cực than ch́. Đầu ống SWNT được "chặt" bỏ bằng phương pháp khắc acit (etching) để ion Li+ có thể tự do ra vào phía bên trong của ống. Với điện cực SWNT, nhóm Shimoda gia tăng năng suất đến 700 mAh/g. Sau thí nghiệm của nhóm Shimoda, điện cực MWNT và điện cực "cánh đồng" ống than (H́nh 3a) cũng cho thấy sự gia tăng năng suất phóng điện và rút ngắn thời gian nạp điện [28]. Tuy nhiên, những công tŕnh này đang vấp phải nhiều khó khăn kỹ thuật và giá cả khi phải nâng lên tầm sản xuất quy mô.

Trong một hướng đi thực tiễn ít phức tạp và ít tốn kém hơn, một lượng nhỏ MWNT (1-10%) được trộn vào trong điện cực dương và điện cực âm như một chất phụ gia [29]. MWNT gia tăng lượng tích điện, số lần nạp điện và tính an toàn của pin. Hiện nay, điện cực của pin ion lithium bán trên thương trường phần lớn có chứa ống than nano. Nghiên cứu điện cực vẫn c̣n đang tiếp diễn. Trong tương lai khi có một phương pháp đại trà chế tạo điện cực ống than giá rẻ thay cho than ch́, như các số liệu nghiên cứu cho thấy pin ion lithium sẽ thỏa măn những nhu cầu càng lúc càng gia tăng của các dụng cụ điện tử và lĩnh vực xe chạy pin.

6. Tích trữ năng lượng: Siêu tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện học dùng để nạp điện, tích điện và phóng điện khi cần thiết. Tụ điện và pin cùng có chức năng tích trữ năng lượng. Nhưng pin phóng điện từ từ trong khi tụ điện phóng điện thật nhanh. Cũng như pin, các nhu cầu hiện đại đ̣i hỏi tụ điện nạp điện nhanh và trữ năng lượng cao. Do bản chất, kích cỡ của tụ điện thường rất cồng kềnh và nặng cân. Để chứa một năng lượng điện tương đương với cục pin AA (cỡ ngón tay út) tụ điện chiếm một thể tích vài ngàn lần to hơn. Tụ điện cần phải được thu nhỏ và gia tăng hiệu suất để đáp ứng với nhu cầu của các dụng cụ điện tử hiện đại. Những đ̣i hỏi này đă đẩy mạnh sự ra đời của siêu tụ điện (super-capacitor). So với tụ điển cổ điển, siêu tụ điện có năng suất cao và được thu nhỏ nhiều lần. Chiếc đèn chớp của máy ảnh kỹ thuật số là một ứng dụng của siêu tụ điện. Mỗi lần chớp sáng là do sự phóng điện thật nhanh từ siêu tụ điện. Sau đó siêu tụ điện nhanh chóng nạp điện từ nguồn điện của pin rồi sẵn sàng cho ánh chớp kế tiếp. Siêu tụ điện c̣n được cài đặt trong dụng cụ cầm tay như chiếc điện thoại thông minh cực kỳ hiện đại đến những phương tiện to lớn như xe hơi chạy điện. Những cú đạp tăng tốc xe hơi cần sự phóng điện thật nhanh nhả ra một lượng điện thật nhiều để đẩy mạnh xe đi tới. Siêu tụ điện có thị trường rộng lớn và tiềm năng doanh thu dồi dào.

Vấn đề tích trữ năng lượng trong pin hay siêu tụ điện liên quan đến việc di chuyển và tích trữ ion. Cả hai dụng cụ tích điện này đều cần chất điện giải trong đó có ion âm và dương. Trong pin, phản ứng hóa học sẽ di chuyển ion của chất điện giải đi vào hay ra khỏi điện cực tương ứng với quá tŕnh pin nạp điện hay phóng điện. Trong trường hợp pin lithium, như đă đề cập ion lithium Li+ hiện diện trong cấu trúc nguyên tử của toàn thể điện cực, nghĩa là ở bề mặt và bên trong điện cực. Trong siêu tụ điện, điện trường kích động sự di chuyển của ion nhập vào hay ra khỏi bề mặt điện cực trong việc nạp hay phóng điện mà không qua trung gian của một phản ứng hóa học. Đây là sự khác biệt giữa pin và tụ điện. Cũng v́ sự khác biệt này nên sự phóng điện của pin là một quá tŕnh lâu dài với điện lượng nhỏ (low power) trong khi sự phóng điện của tụ điện xảy ra trong khoảnh khắc phóng thích điện lượng cao (high power).

Cơ sở lư luận cho việc chế tạo siêu tụ điện tương đối đơn giản. Đặc tính của tụ điện được diễn tả bằng điện dung C và có công thức như sau,

C = εA/d

trong đó ε là hằng số điện môi, A là diện tích của điện cực và d là khoảng cách giữa hai điện cực.

V́ vậy, để điện có thể "tụ" ở mật độ cao (điện dung C cao), ε phải lớn, A rộng và d nhỏ. Trong ba biến số này th́ sự lựa chọn vật liệu có hằng số điện môi to ε có nhiều khó khăn, độ dày d chỉ có thể giảm đến một giới hạn nhất định. Chỉ có diện tích bề mặt A là một biến số có nhiều khả năng làm gia tăng. So với tụ điện thông thường điện dung của siêu tụ điện đă gia tăng nhiều lần, nhưng so với pin có kích cỡ tương đương siêu tụ điện chỉ có thể trữ tối đa 5% tích điện của pin v́ điện cực pin có diện tích tàng trữ nhiều lần to hơn. Nếu điện dung của siêu tụ điện được tiếp tục gia tăng, nó có thể dẫn đến một cuộc cách mạng năng lượng trong các ứng dụng của dụng cụ điện tử và công nghiệp ô tô. Ống than nano dùng như một vật liệu điện cực để gia tăng diện tích bề mặt sẽ cho một lời giải đáp. Ta hăy xem con đường đi đến lời giải đáp đó được thực hiện như thế nào.

Hiện nay, điện cực của siêu tụ điện bán trên thị trường được phủ bởi một lớp carbon xốp hoạt tính có vô số lỗ vi mô tạo một diện tích bề mặt 1.000 – 2.000 m2/g. Như vậy lớp than xốp sẽ gia tăng diện tích bề mặt từ 10.000 đến 100.000 lần nhiều hơn tụ điện thông thường. Điện dung của điện cực than thường trong khoảng 20 - 50 µF/cm2. Nếu diện tích bề mặt của than xốp là 1.000 m2/g th́ điện dung sẽ là 200 - 500 F/g (F/g: Faraday cho 1 gram vật liệu). Nhưng trên thực tế siêu tụ điện chỉ cho vài mươi F/g hay là 5 - 10% của trị số lư thuyết. Lư do đơn giản là chất điện giải không thấm vào điện cực. Điều này cho thấy dù có diện tích bề mặt rất lớn nhưng không có sự thẩm thấu toàn diện vào điện cực th́ điện dung chỉ dừng lại ở con số vài phần trăm của lư thuyết. Vậy th́, làm sao để sự thẩm thấu gia tăng?

Ống than nano có diện tích bề mặt là 1.315 m2/g nằm trong phạm vi của các loại than xốp hoạt tính. Việc gia tăng diện tích bề mặt điện cực bằng cách sử dụng ống than nano xem ra là một việc hiển nhiên. Kết quả nghiên cứu cho thấy điện cực MWNT cho điện dung 113 F/g [30] và điện cực SWNT 180 F/g [31] nhiều lần to hơn than xốp chỉ có vài mươi F/g. Tuy nhiên, ống than nano dùng cho điện cực là những mạng hỗn tạp (H́nh 3b). Để gia tăng hiệu năng bề mặt của ống than nano và rút kinh nghiệm từ pin, điện cực ống than "cánh đồng lúa" có sự sắp xếp trật tự đă được khảo sát. Công tŕnh nghiên cứu học vị tiến sĩ của Riaccardo Signorelli là một thí dụ nổi bật [32]. Tuy nhiên, việc chế tạo điện cực ống than nano để tận dụng bề mặt rộng lớn của vật liệu này không phải là một điều đơn giản. Trong suốt quá tŕnh tiến sĩ của ḿnh tại MIT (Mỹ) Riccardo Signorelli đă phải đi qua nhiều công đoạn gian nan và cuối cùng chế tạo thành công điện cực ống than nano của siêu tụ điện [32-33]. Chúng ta hăy xem Signorelli đă giải quyết chướng ngại kỹ thuật như thế nào.

 

H́nh 7: "Cánh đồng" ống than nano được tổng hợp trên chất nền nhôm.

Tổng hợp ống than nano trên một chất nền Si/SiO2, thạch anh hay thủy tinh theo phương pháp CVD như đă đề cập là một kỹ thuật thông dụng. Nhưng chất nền này là vật cách điện. Bằng một phương thức độc đáo Signorelli dùng nhôm, thậm chí nhôm mỏng dùng trong nhà bếp, và phủ chất xúc tác oxit sắt lên chất nền rồi từ đó tổng hợp ống than (H́nh 7). Tuy đă có điện cực, nhưng liệu chất điện giải có thể thấm vào mặt điện cực và thẩm thấu xuyên suốt từ đỉnh ống đến mặt chất nền phía dưới? Câu trả lời là "Không dễ dàng". Tuy nhiên, bằng chân không Signorelli đă có thể hút chất điện giải xuyên qua khoảng cách giữa các ống nano. Như vậy, điện cực ống than nano đă được hoàn thành cho siêu tụ điện (H́nh 8).

 

          

(a)                                                                                                     (b)

H́nh 8 : Gia tăng diện tích điện cực bằng ống than nano:
(a) Siêu tụ điện có điện cực than xốp hoạt tính
và (b) siêu tụ điện có điện cực ống than nano có diện tích bề mặt gia tăng.

Năm 2009, Signorelli cho biết mẫu đầu tiên của ông có điện dung 225 F/g và tích điện 7 lần nhiều hơn siêu tụ điện thông thường [33]. Tốt nghiệp tiến sĩ năm 2009, vị tiến sĩ trẻ tuổi này và các cộng sự sau đó thành lập công ty FastCAP năm 2011 và sản xuất siêu tụ điện có tích điện 15 lần nhiều hơn siêu tụ điện bán trên thị trường. Quá tŕnh làm việc của Signorelli từ nghiên cứu tiến sĩ đến tạo dựng một công ty dựa trên các kết quả thực nghiệm học tập quả là điều ngoạn mục và hiếm thấy. Siêu tụ điện của FastCAP đang làm một cuộc cách mạng năng lượng trong bối cảnh chuyển đổi từ năng lượng xăng dầu sang điện năng cho các phương tiện vận chuyển tương lai.

7. Xử lư nước

Nước sạch là một trong những vấn đề hàng đầu trong sinh hoạt con người. Khủng hoảng về nước và ô nhiễm môi trường đang xảy ra khắp mọi nơi trên thế giới. Việc lọc nước tẩy chất độc và lọc nước biển thành nước ngọt là hai vấn đề đang được nghiên cứu để cung cấp nước cho con người và gia súc. Hiện nay, trong các b́nh lọc nước gia dụng than xốp hoạt tính là một vật liệu phổ cập được sử dụng để khử mùi chlorine, một số chất ô nhiễm hữu cơ và độc tố trong nước máy. Tuy nhiên, than xốp hoạt tính không loại trừ được kim loại, các chất ô nhiễm vi sinh và vô cơ. Hơn nữa, than xốp chỉ dùng được một lần mà không thể tái sinh dùng cho những lần kết tiếp.

Dựa trên những dữ liệu thực nghiệm và năng suất của than xốp, ống than nano được khảo sát như là một vật liệu lọc nước trong hai thập niên qua. Màng (membrane) ống than nano ngoài những đặc tính lọc của than xốp c̣n có hiệu năng khử vi khuẩn, vi rút và các chất ô nhiễm vô cơ rất hữu hiệu [34]. Sau một thời gian sử dụng, màng có thể tái sinh để dùng cho những lần sau bằng cách tẩy khử các chất ô nhiễm ra khỏi màng bằng siêu âm hay bằng phương pháp điện hóa nhờ vào tính dẫn điện. Công ty Seldon Technologies (Mỹ) đă sản xuất và bán trên thị trường hệ thống lọc nước bẩn thành nước sạch sử dụng mạng lưới ống than nano. Mạng lưới này khử 99,9999% vi khuẩn, 99.99% vi rút, các chất ô nhiễm từ ch́, cadmium, thuốc sát trùng và ô nhiễm phóng xạ như cesium. Hệ thống lọc nước này thích hợp cho vùng sâu vùng xa, các vùng thiên tai hay những cuộc hành quân.

Một đặc điểm khác của ống than nano cho việc lọc nước là đặc điểm vận chuyển vi mô của nước xuyên qua ống than. Hiện tượng lưu thông vi mô (nano/micro-fluidics) của ḍng nước hay ḍng khí đi qua ống than có đường kính vài nanomét đă được khảo sát trên lư thuyết và thực nghiệm từ nhiều năm qua [35 -36]. Nhóm nghiên cứu tại đại học California, Berkeley (Mỹ) [35] chế tạo một màng lọc tạo thành từ "cánh đồng" ống than có đầu ống để hở. Đầu ống hở để ḍng nước vi mô có thể lưu thông dễ dàng. Họ nhận thấy rằng nước (hay khí) đi xuyên qua bên trong ống than nhanh hơn vài mươi lần so với các màng thông thường như màng xốp polycarbonate có lỗ với đường kính tương đương. Nếu áp dụng vào việc lọc nước biển, màng ống than với độ thẩm thấu gia tăng sẽ giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng so với màng xốp polycarbonate. Năng lượng cần để lọc hiện nay c̣n rất tốn kém và là lư do chính khiến cho giá cả quá cao. Ngoài ra, để gia tăng năng suất khử muối, ống than nano có đường kính rất nhỏ 0,3 nm được sử dụng [37]. Ở đường kính này những ion hidrat natri của muối sẽ bị chặn lại nhưng nước vẫn có thể chảy xuyên qua.

Những công tŕnh nghiên cứu trên cho thấy tiềm năng lọc nước bẩn thành nước sạch và khử muối để lọc nước biển thành nước ngọt sẽ có nhiều triển vọng trong tương lai khi các ống than nano được sản xuất đại trà với giá phải chăng. Lúc đó, vấn đề nước uống sẽ không c̣n là nổi lo âu cho cư dân ở các hải đảo xa xôi, vùng sâu vùng xa hay sa mạc nóng cháy.

8. Y học và an toàn sinh học

Một trong những ứng dụng quan trọng của các vật liệu nano là việc tải thuốc đến tế bào ung thư. Hạt nano và ống than nano là hai loại vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất được dùng làm mặt nền (platform) tải thuốc và được chức năng hoá với những nhóm chức thích hợp để cảm nhận độ pH, nhiệt và kích động sự nhả thuốc khi gặp mục tiêu (Phụ chú c). Chúng giống như những chiếc tàu ngầm tí hon được bơm vào mạch máu, len lỏi vào các tế bào để tiêu diệt các tế bào bệnh nhưng chừa lại tế bào tốt. Ống than nano có tác dụng như cây kim đi xuyên qua tế bào mục tiêu và sau đó được kích hoạt nhả thuốc. Hiện nay, hạt sinh học lyposome chính thức được dùng để tải thuốc trị ung thư doxorubicin. Nhưng lyposome chỉ có thể tải 8 - 10 wt% thuốc trong khi ống than nano có thể tải đến 60 wt% [38]. Ngoài ra, thuốc được tải bằng ống than nano có thể được phóng thích dễ dàng qua sự kích hoạt của tia cận hồng ngoại.

Dù có nhiều ưu điểm hơn liposome, ống than nano vẫn chưa hội đủ điều kiện cần thiết để đưa vào cơ thể con người. Thứ nhất, khi ống than nano đi vào cơ thể th́ nó phải có sự tương thích sinh học (biocompatibility), không gây độc tính và dị ứng đối với cơ thể. Thứ hai, sau khi hoàn thành sứ mạng tải và nhả thuốc ống than nano phải tự phân hủy và những chất phân hủy không phải là độc tố và cần được thải ra ngoài. Ống than nano chưa thỏa măn hai điều kiện này. Việc thực dụng hóa trong y học sẽ bế tắc nếu hai điều kiện cơ bản trên không được giải quyết. Nhưng đă có một số công tŕnh, dù rất khiêm tốn, được thực hiện nhằm thay đổi bề mặt của ống than nano để gia tăng tính tương thích và tự phân hủy. Một công tŕnh nổi bật là gắn nhóm chức lên trên ống than và qua nhóm chức phản ứng phân hủy xảy ra dưới sự chi phối của các enzyme trong cơ thể động vật [39].

Tính tương thích sinh học và độc tính của các vật liệu nano bao gồm hạt nano và carbon nano (ống than, graphene, fullerene) là một đề tài được quần chúng đặc biệt quan tâm. Có một lúc, cụm từ "công nghệ nano" được các doanh nghiệp in lên nhăn mác để lăng xê sản phẩm của ḿnh. Nhưng gần đây, trên nhiều mỹ phẩm hay kem chống nắng lại được ghi là "không sử dụng vật liệu nano". Giới tiêu dùng rất hoang mang v́ không rơ thực hư thế nào. Tuy rằng đă có nhiều công tŕnh khảo sát vật liệu nano trong cơ thể sinh vật, từ nhiều năm qua số liệu thực nghiệm vẫn chưa đáp ứng kịp với sự đa dạng càng ngày càng gia tăng của sản phẩm và vật liệu nano. Ngoài ra, các kết quả lắm khi mâu thuẫn bởi phương thức thực nghiệm không giống nhau giữa các pḥng nghiên cứu. Trong nhiều hội thảo khoa học, độc tính nano lúc nào cũng là một đề tài nóng và thường đưa đến những cuộc tranh luận gay gắt giữa các nhà khoa học, luật sư và công đoàn.

Trong trường hợp ống than nano, khả năng phát viêm gây ung thư giống như sợi thạch miên (asbestos) là một quan ngại sâu xa trong các ứng dụng y học cũng như trong sản xuất và xử lư công nghiệp. Một thí nghiệm cho thấy khi bơm một lượng MWNT có chiều dài ống dài hơn 20 µm vào phổi con chuột th́ hiệu ứng viêm ung thư xuất hiện [40]. Mặt khác, bằng một thí nghiệm tương tự nhưng với chiều dài ống 1 µm th́ hiện tượng viêm không xảy ra [41]. Rơ ràng, chiều dài ống than có ảnh hưởng sâu đậm đến việc phát viêm trong tế bào. Nhưng người ta vẫn chưa hiểu tại sao. Ngoài ra, như được đề cập ở trên việc giảm thiểu độc tính và gia tăng tính tự phân hủy bằng phương pháp chức năng hoá bề mặt ống với nhóm chức thích hợp cũng đă được chứng thực. Nhưng đây chỉ là bước đầu của một con đường dài trước mắt.

Ngành nghiên cứu độc tính nano (nanotoxicology) nay đă xuất hiện. Những công tŕnh nghiên cứu về độc tính, tính tương hợp, cơ cấu phân hủy trong cơ thể đang gia tăng rất nhanh để bắt kịp với trào lưu sản xuất và sử dụng vật liệu nano. Nhưng ở thời điểm hiện tại các vật liệu nano kể cả ống than vẫn chưa sẵn sàng cho các ứng dụng y học có tiếp xúc với cơ thể con người.

9. Kết luận: Thách thức và triển vọng

Cứu cánh của các nghiên cứu vật liệu học (materials science) là ứng dụng thực tế. Từ nhiều năm qua, vật liệu là một ngành được giới kinh thương, doanh nghiệp đặc biệt chú ư. Liên quan đến việc thương phẩm hóa một phát minh có người đă từng phát biểu, "Đừng tin vào sự dự đoán của các chuyên gia hàn lâm, họ chỉ thấy cây mà không thấy rừng mà hăy nh́n vào phản ứng và hành động của doanh nghiệp trước một phát minh". Dự đoán của các nhà nghiên cứu hàn lâm về ứng dụng của một phát minh thường có hội chứng "lạc quan tếu" v́ một khám phá lớn trong pḥng thí nghiệm không có nghĩa sẽ nhanh chóng trở thành thương phẩm. Ống than nano dù có biệt danh là vật liệu "thần kỳ", cũng không phải là ngoại lệ. Mặc dù đă có hàng chục ngàn bài báo cáo được xuất bản và hàng ngàn phát minh được đăng kư hằng năm, các ứng dụng liên quan đến ống than nano vẫn chưa tạo được những cú hích trên thương trường.

Vấn đề giá giảm và năng suất tăng của một sản phẩm luôn luôn là hai việc quan trọng hàng đầu của chiến lược thương trường. Giới tiêu dùng sẽ vô cùng yêu mến những sản phẩm mới nếu nó "mười lần rẻ hơn và mười lần tốt hơn". Trong bài tổng quan này, chúng ta thấy rơ ống than nano chỉ đóng vai tṛ thay thế hay hỗ trợ vật liệu cũ trong một ứng dụng hiện có. Trước hết, nó phải chứng tỏ năng suất cao hơn vật liệu cũ mặc dù chưa cần giá phải rẻ hơn. Mặt khác, ống than nano chưa tận dụng được những ưu điểm của ḿnh để đề xuất ứng dụng mới chưa từng có. V́ vậy, việc ứng dụng của ống than nano chưa có bước đột phá để thống lĩnh thị trường. Chính v́ lư do này nhiều công ty đă mệt mỏi trong việc đeo đuổi triển khai ống than nano. Bayer (Đức) là một công ty hóa chất và dược phẩm hàng đầu thế giới đă đầu tư nhiều vào việc nghiên cứu và thương mại hóa ống than nano. Nhưng bây giờ họ quyết định rời khỏi lĩnh vực này v́ theo quan điểm của Bayer thị trường ống than nano quá rời rạc nên doanh thu không cao. Nh́n chung, trên thế giới hầu như mọi nỗ lực thực dụng hóa ống than nano bây giờ đều nằm trong các bộ phận R&D của các doanh nghiệp và cơ quan nghiên cứu tại Nhật Bản và Mỹ.

Dù có sự khác biệt trong chiến lược kinh doanh của từng công ty, số lượng ống than nano được sử dụng trong sản xuất hiện nay, phần lớn là MWNT, có con số dao động từ hàng trăm tấn đến hàng ngàn tấn mỗi năm và tiếp tục gia tăng. Đây là một thành quả phấn khởi cho cộng đồng nghiên cứu và doanh nghiệp. Phần lớn số lượng này được dùng để chế tạo composite cho dụng cụ thể thao, công nghiệp ô tô, tàu thủy, điện cực pin lithium và siêu tụ điện. Ngoài ra, việc sản xuất composite ống than nano cần phải dựa vào những máy móc và phương pháp hiện có để tránh phí tổn làm mới và chỉ đặc biệt cho ống than.

Việc phân tán bột ống than nano thành từng ống riêng lẻ vào chất nền polymer để chế tạo composite tiên tiến vẫn chưa được giải quyết. Những sản phẩm có sự sắp xếp trật tự như "cánh đồng lúa" hay sợi ống than là tập hợp vĩ mô đem đến nhiều ứng dụng thực tiễn. Tuy nhiên, người ta vẫn chưa t́m ra nguyên nhân tại sao những tập hợp vĩ mô này vẫn chưa đạt được cơ tính và độ dẫn nhiệt siêu việt của một ống than. Cũng v́ "bóng tối" vô minh này, sợi làm từ ống than nano và graphene đạt đến độ dai cao nhất (2.000 MJ/m3) trong các sợi hữu cơ với tiềm năng tuyệt vời chống công phá vẫn chưa có được độ bền cứng của hai thành phần tạo nên. Tuy nhiên, một ưu điểm nổi bật của ống than nano và sợi ống than (sợi Teijin) là độ dẫn điện và dẫn nhiệt. Nó thu hút sự chú ư của giới công nghiệp hàng không và không gian. Sự phát tán nhiệt và tĩnh điện là những vấn đề quan trọng hàng đầu trong công nghiệp, nhất là máy bay, cho việc bảo toàn thiết bị và sự an toàn của người sử dụng. Các loại sợi hữu cơ và composite truyền thống c̣n rất yếu kém về phương diện này.

Trong lĩnh vực điện tử, kỳ vọng dùng ống than nano thay cho silicon để thu nhỏ transistor là một điều có thể thực hiện trong pḥng thí nghiệm nhưng hiện nay bất khả thi trên b́nh diện sản xuất lớn công nghiệp. Ngoài ra, việc sản xuất đại trà SWNT chất lượng cao cho công nghiệp điện tử tùy vào sự thành bại của viện AIST (Nhật Bản). Sự kiện "máy tính ống than nano" cho thấy tiềm năng điện toán của ống than nhưng mặt khác cũng cho thấy nhược điểm trong vấn đề sản xuất. Doanh nghiệp không bao giờ muốn xa rời một vật liệu như silicon đă đem đến biết bao lợi nhuận và quá quen thuộc trong thiết kế và sản xuất các linh kiện điện tử hơn 50 năm qua. Trong nghiên cứu, triển khai và sản xuất, sự lựa chọn vật liệu dùng trong một sản phẩm là một yếu tố then chốt quyết định giá cả và phẩm chất. Vô h́nh trung, có một sự "cạnh tranh" giữa các vật liệu với nhau. Có một lúc màn h́nh tivi ống than nano gần được tung ra thị trường th́ phải thối lui v́ màn h́nh tivi tinh thể lỏng truyền thống đă được cải thiện và tiếp tục cuốn hút giới tiêu thụ.

Cho đến thế kỷ 20, các đề án triển khai công nghệ thường phát sinh từ nhu cầu thị trường. Các nhu cầu này không c̣n rơ nét ở thế kỷ 21 nhưng khuynh hướng chung cho thấy năng lượng tái tạo, giảm ô nhiễm môi sinh là những nhu cầu của xă hội loài người hiện nay và sẽ kéo dài trong vài thập niên tới. Khoa học và công nghệ carbon mà trong đó ống than nano và graphene sẽ đáp ứng những nhu cầu này trong việc triển khai pin, pin mặt trời, siêu tụ điện, màng lọc nước. Nhu cầu xe hơi chạy pin hay pin nhiên liệu (fuel cell) sẽ trở thành động lực cho những khám phá mới dùng ống than nano nói riêng và vật liệu carbon nano nói chung.

Nhưng thật là mỉa mai, bản thân ống than nano và các vật liệu nano khác cũng có thể là chất ô nhiễm thậm chí gây ung thư. Cộng đồng nghiên cứu và doanh nghiệp ghi nhận nghiêm túc việc này và đă có những công tŕnh nổi bật t́m hiểu cơ cấu gây bệnh và cải thiện bề mặt ống than để gia tăng tính tương thích sinh học và tự phân hủy. Ngày nay, hầu hết các nước tiên tiến đều xuất bản các quy tŕnh, cẩm nang công nghiệp cho việc tiếp xúc và xử lư vật liệu nano. Việc khảo sát phản ứng của tế bào sinh vật khi tiếp xúc với vật liệu nano là một công việc phức tạp và cần thời gian vài năm, vài mươi năm để thu thập những số liệu chính xác. Đây là những bước đi đúng hướng để thấu hiểu những rủi ro nguy hiểm trong việc bảo vệ sự an toàn sức khỏe và đồng thời tận dụng những đặc tính ưu việt của ống than nano trong các ứng dụng thực tiễn.

Các viện nghiên cứu hàn lâm và doanh nghiệp vẫn sát cánh đồng hành trong việc truy t́m chân lư khoa học, vượt chướng ngại kỹ thuật và cải thiện cuộc sống con người với những phát minh đổi đời. Trong một tương lai không xa, sự xuất hiện của graphene và kết hợp giữa graphene và ống than nano sẽ mang đến nhiều hứa hẹn với những ứng dụng chưa từng có trong lịch sử khoa học công nghệ.

Trương Văn Tân

(Cuối thu, tháng 5 2014)

Phụ lục:

a. Chirality

Người viết không t́m được từ Việt thích hợp có nghĩa tương đương với chữ "chirality". Chirality trong trường hợp của ống than nano có thể gọi là hướng của dăy lục giác so với trục ống. Tưởng tượng ta cuộn một tấm giấy thành một ống tṛn, ta có thể cuộn theo chiều dọc, chiều ngang hay từ một góc của tấm giấy. Tùy theo huớng cuộn ta có ba loại ống: ống dạng ghế bành, ống dạng zigzag và ống dạng chiral trung gian (H́nh P1). Ống dạng ghế bành có độ dẫn điện cao của kim loại. Ống dạng zigzag và chiral có độ dẫn điện thấp của chất bán dẫn. Trong một mảng tổng hợp của ống than nano, thường ta có một hỗn hợp chứa 3 dạng ống. Có những ứng dụng đ̣i hỏi độ dẫn điện phải đồng nhất. Điều này đ̣i hỏi ống phải có đường kính và chirality đồng nhất. Ống có độ dẫn điện bán dẫn (dạng zigzag và chiral) dùng cho việc chế tạo transistor. Ống có độ dẫn điện kim loại (dạng ghế bành) dùng cho các ứng dụng khác như điện cực, màng lọc nước, composite, sợi gia cường v.v... Cho đến nay người ta vẫn chưa thiết lập được các điều kiện tổng hợp để đạt 100 % chirality giống nhau.

H́nh P1: Ba dạng của chirality: ghế bành, zigzag và chiral.

b. Cấu tạo của transistor ống than nano

 

H́nh P2: Transistor ống than nano.

(a) Cấu tạo, S: cực nguồn (source), D: cực máng (drain), Si back gate: cổng silicon.

(b): Mặt trên của mẫu transistor với cực S và D là hợp kim Au/Ti được nối với một SWNT bắc ngang

[B. L. Allen, P. D. Kichambare and A. Star, Adv. Mater., 19 (2007) 143924].

c. Chức năng hoá (functionalization)

H́nh P3: Phần 1 của nhóm chức gắn vào bề mặt ống than bằng nối cộng hóa trị và phần 2 có tác dụng theo nhu cầu:

(a) nối với phân tử chất nền để tạo composite, (b) gia tăng sự phân tán từng ống,

(c) gia tăng tính tương thích sinh học và tự phân hủy trong cơ thể động vật.

Chức năng hoá là sử dụng một hợp chất hóa học thích hợp gọi là nhóm chức (functional group) để gắn lên bề mặt ống than nano bằng nối cộng hóa trị qua một phản ứng hóa học (H́nh P3). Nhóm chức sẽ giúp ống than nano thực hiện một hay nhiều chức năng nhất định nào đó, chẳng hạn nối kết với chất nền để chế tạo composite hay để gia tăng sự phân tán thành từng ống trong dung môi, hay gia tăng tính tương thích sinh học và tự phân hủy. Ngoài ra, nhóm chức phải được thiết kế để khi nối kết với mặt ống các phản ứng hóa học không được làm tổn hại gây khuyết tật đến mạng carbon.

Tài liệu tham khảo

1. R. H. Baughman, A. A. Zakhidov and W. A. de Heer, Science 297 (2002) 787.

2. M. F. L. De Volder, S. H. Tawfick, R. H. Baughman and A. John Hart, Science 339 (2013) 535.

3. A. V. Melechko, V. I. Merkulov, T. E. McKnight, M. A. Guillorn, K. L. Klein, D. H. Lowndes and M. L. Simpson, J. Appl. Phys. 97 (2005) 041301.

4. C. Liu and H.-M. Cheng, Materials Today 16 (Jan-Feb 2013) 19.

5. M. Kumar and Y. Ando, J. Nanosci. Nanotechnol. 10 (2010) 3739.

6. K. Hata, D. N. Futaba, K. Mizuno, T. Namai, M. Yumura and S. Iijima, Science 306 (2004) 1362.

7. K. Jensen, J. Weldon, H. Garcia and A. Zettl, Nano Lett. 7 (2007) 3508.

8. P. Avouris and R. Martel, MRS Bulletin 25 (April 2010) 306.

9. M. M. Shulaker et al, Nature 501 (2013) 526.

10. J. Liu and M. C. Hersam, MRS Bulletin 35 (April 2010) 315.

11. (a) B. P. Grady, "Carbon nanotube- polymer composites: Manufacture, properties and applications", John Wileys & Sons, New Jersey, 2001. (b) B. P. Grady, J. Polym. Sci. Polym. Phys. 50 (2012) 591.

12. M. Cheng, W. Chen and T. Weerasooriya, J. Eng. Mater. Technol. 127 (2005) 197.

13. D. Porter, J. Guan and F. Vollrath, Adv. Mater. 25 (2013) 1275.

14. A. B. Dalton, S. Collins, J. Razal, E. Munoz, V. H. Ebron, B. G. Kim, J. N. Coleman, J. P. Ferraris, and R. H. Baughman, J. Mater. Chem. 14(2004) 1.

15. A. B. Dalton, S. Collins, E. Muñoz, J. M. Razal, V. H. Ebron, J. P. Ferraris, J. N. Coleman, B. G. Kim and R. H. Baughman, Nature 423 (2003) 703.

16. M. K. Shin, B. Lee, S. H. Kim, J. A. Lee, G. M. Spinks, S. Gambhir, G. G. Wallace, M. E. Kozlov, R. H. Baughman, and S. J. Kim, Nature Comm.3 (2012) 650.

17. C.-D. Tran, W. Humphries, S. Smith, C. Huynh and S. Lucas, Carbon 47 (2009) 2662.

18. N. Behabtu et al, Science 339 (2013) 182.

19. C. P. Huynh, S. C. Hawkins, M. Redrado, S. Barnes, D. Lau, W. Humphries, G. P. Simon, Carbon 49 (2011) 1989.

20. W. Zheng, V.-T. Truong, P. G. Whitten, G. M. Spinks and G. G. Wallace Langmuir 28 (2012) 10891.

21. B. Hornbostel and S. Roth, Patent WO 2008/012196 A1 (31 January 2008).

22. M. Zhang, K. R. Atkinson and R. H. Baughman, Science 306 (2004) 1358.

23. B. Vigolo, A. Pénicaud, C. Coulon, C. Sauder,R. Pailler, C. Journet, P. Bernier and P. Poulin, Science 290 (2000) 1331.

24. J.-F. Tremblay, Chemical & Engineering News (June 10 2013) pp 10.

25. B. Perrett, Aviation Week & Space Technology (December 9 2012) pp 32.

26. R. O. Ritchie, Nature 10 (2011) 817.

27. H. Shimoda, B. Gao, X. P. Tang, A. Kleinhammes, L. Fleming, Y. Wu and O. Zhou, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 015502.

28. L. Dai, D. W. Chang, J.-B. Baek and W. Lu, Small 8 (2012) 1130.

29. M. Endo, T. Hayashi and Y. A. Kim, Pure Appl. Chem. 78 (2006) 1703.

30. C. Niu, E. K. Sichel, R. Hoch, D. May and H. Tennent, Appl. Phys. Lett. 70 (1996) 1480.

31. K. H. An, W. S. Kim, Y. S. Park, J.-M. Moon, D. J. Bae, S. C. Lim, Y. S. Lee and Y. H. Lee, Adv. Func. Mater. 11 (2001) 387.

32. Riccardo Signorelli, "High energy and power density nanotube-enhanced ultracapacitor design, modelling, testing, and predicting performance", PhD Thesis, MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (June 2009).

33. R. Signorelli, D. C. Ku, J. G. Kassakian and J. E. Schindall, Prodceedings of the IEEE, 97 (2009) 1837.

34. X. Liu, M. Wang, S. Zhang and B. Pan, J. Environ. Sci. 25 (2013) 1263.

35. J. K. Holt et al, Science 312 (2006) 1034.

36. B. Corry, J. Phys. Chem. B 112 (2008) 1427.

37. X. Zhao, Y. Liu, S. Inoue, T. Suzuki, R. O. Jones and Y. Ando, Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 125502.

38. Z. Liu, X. Sun, N. Nakayama-Ratchfordand and H. Dai, ACS Nano 1 (2007) 50.

39. A. Bianco, K. Kostarelos and M. Prato, Chem. Comm. 47 (2011) 10182.

40. C. A. Poland, R. Duffin, I. Kinloch, A. Maynard, W. A. H. Wallace, A. Seaton, V. Stone, S.Brown, W. MacNee and K.Donaldson, Nature Nanotechnol. 3 (2008) 423.

41. J. Muller, M. Delos, N. Panin, V. Rabolli, F. Huaux and D. Lison, Toxicol. Sci. 110 (2009) 442.

(Đă đăng trên diendan.org)

 


Cảm tưởng xin gởi về :  vantantruong@hotmail.com

© "Khi phát hành lại bài này cần phải có sự đồng ư của tác giả 
và ghi rơ nguồn lấy từ www.erct.com"