ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH dẫn điện có NGUỒN gốc từ CARBON tự NHIÊN

Richard Phillips Feynman 1918 - 1988 là một người Mỹ nhà vật lý lý thuyết,nổi tiếng với công việc của mình trong con đường xây dựng: cơ học lượng tử , lýthuyết về điện động lực học lượng

ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH DẪN ĐIỆN CÓ NGUỒN GỐC TỪ CARBON TỰ NHIÊN

LỜI MỞ ĐẦU

Suốt hàng ngàn năm nay từ văn bản trên đá và giấy cói đến giấy ảnh và kínhảnh hiện đại, mực đã được sử dụng và cải tiến rất nhiều Cho đến ngày nay, các loạimực được thay thế bởi các chất màu tổng hợp, thuốc nhuộm và các hạt kim loại; Cáclĩnh vực phát triển mới đang xuất hiện với tốc độ ngày càng tăng

Do sự phát triển không ngừng của thế giới công nghệ luôn hướng đến sự tối

ưu, những dụng cụ hỗ trợ hiệu quả nhất cho con người Mực dẫn điện (hoặc sơn dẫn

điện) là một lĩnh vực nghiên cứu đem đến sự thuận tiện và tính hữu hiệu đáng kinhngạc Một loại mực đặc biệt, khi viết ra trên nhiều bề mặt khác nhau, (gỗ, mica,cartong, giấy…) mà nét vẽ của nó cho phép dòng điện chạy qua mà không cần bất cứdây dẫn, chỉ cần vẽ hay viết thôi là tạo ra được mạch điện

Mực điện hoặc sơn dẫn điện được sử dụng trong các ngành khác nhau củangành công nghiệp Một số ví dụ về sử dụng có thể được tìm thấy trong các công tắcmàng, bảng mạch in, cảm biến y tế, thiết bị điện thoại, công tắc in, vỏ máy tính, các bộphận làm nóng và các loại tương tự

Phương pháp đánh giá: XRD (X-ray diffraction), EDX hay EDS dispersive X-ray spectroscopy), SEM (Scanning Electron Microscope), TGA (Thermogravimetric Analysis), FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy).

(Energy-MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 6

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 10

1.3 Giới thiệu công nghệ nano 10

1.3.1 Lịch sử phát triển của công nghệ nano 10

1.3.2 Định nghĩa công nghệ nano 12

1.3.3 Phân loại vật liệu nano 13

1.3.4 Chế tạo vật liệu nano 15

1.3.5 Tổng quan về nano carbon 17

1.4 Cơ sở khoa học để chế tạo mực dẫn điện bằng công nghệ nano 21

1.4.1 Ưu điểm vượt trội về đặc trưng của công nghệ nano 21

1.4.2 Các phương pháp đánh giá mực dẫn điện carbon 23

1.4.3 Thành phần mực dẫn điện carbon 29

1.4.4 Ứng dụng của mực dẫn điện carbon 34

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ 38

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu: 38

2.2 Dụng cụ thí nghiệm 38

2.3 Hóa chất sử dụng 39

2.4 Quy trình thực nghiệm 40

2.5 Các hạng mục đánh giá sau khi có kết quả: 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 45

3.1 Đánh giá kết quả: 45

3.2 Đánh giá vật liệu 50

3.2.1 Đánh giá thành phần dung dịch dẫn điện: 50

3.2.2 Đánh giá kích thước hạt của mẫu: 55

3.2.3 Đánh giá liên kết của dung dịch dẫn điện: 58

3.2.4 Đánh giá độ bền nhiệt của dung dịch dẫn điện: 62

3.3 Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến dung dịch mực đẫn điện: 64

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của chất keo đến điện trở 64

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng đến điện trở 64

KẾT LUẬN 66

KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1 Richard Phillips Feynman (1918-1988) 7

Hình 1-2 So sánh kích thước hạt nano (Nguồn: internet) 9

Hình 1-3 Hạt nano bạc (Nguồn: internet) 10

Hình 1-4 (a) Ống than nano, (b) Dây nano oxit kẽm (Nguồn: internet) 11

Hình 1-5 Màng graphene (Nguồn: Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia) 11

Hình 1-6 Phương pháp top-down và bottom-up 12

Hình 1-7(a) Carbon vô định hình, (b) Cấu trúc tinh thể của carbon vô định hình 15

Hình 1-8 (a) Graphite dạng khoáng vật, (b) Cấu trúc của graphite (Nguồn: internet) 16

Hình 1-9 (a) Kim cương, (b) Cấu trúc kim cương (Nguồn: internet) 16

Hình 1-10 Cấu trúc fullerene (Nguồn: internet) 17

Hình 1-11 (a) Máy quang phổ nhiễu xạ tia X, (b) Cơ chế nhiễu xạ tia X (Nguồn: internet) 19

Hình 1-12 (a) Máy EDX, (b) Nguyên lý của phép đo EDX (Nguồn: internet) 20

Hình 1-13 (a) Máy SEM, (b) Nguyên lý hoạt động của SEM (Nguồn: internet) 21

Hình 1-14 (a) Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA, (b) Cơ chế phép đo TGA (Nguồn: internet) 21

Hình 1-15 (a) Quang phổ kế FTIR, (b) Cơ chế phép đo FTIR (Nguồn: internet) 23

Hình 1-16 (a) Bột graphite, (b) Cấu trúc của graphite (Nguồn: internet) 23

Hình 1-17 (a) Acid acetic, (b) Cấu tạo của acid acetic (Nguồn: internet) 26

Hình 1-18 (a) Bo mạch thông thường, (b) Bo mạch in dùng đồng (Nguồn: internet) 29

Hình 1-19 Điện cực graphite anode (Nguồn: internet) 29

Hình 2-1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm 33

Hình 2-2 Phổ XRD của hạt nano Cu 34

Hình 2-3 Cấu trúc bề mặt của nano ZnO2 được chụp bằng SEM ở các độ phóng đại khác nhau 35

Hình 2-4 Phổ FTIR của màng PVA (Nguồn: internet) 36

Hình 2-5 Phổ EDX của ống nano TiO2 phủ ZnO 37

Hình 3-1 Sự thay đổi điện trở theo thời gian lưu của mẫu 1(100% graphite) 39

Hình 3-2 Sự thay đổi điện trở theo thời gian lưu của mẫu 2 (graphite : than tre = 1:1) 40

Hình 3-3 Sự thay đổi điện trở theo thời gian lưu của mẫu 3 (100% than tre) 41

Hình 3-4 Thử khả năng dẫn của (a) Đèn led, (b) Giấy form, (c) Mẫu 1 (100% graphite), (d) Mẫu 2 (than tre : graphite = 1:1), (e) Mẫu 3 (100% than tre) 42

Hình 3-5 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, tính tuần hoàn dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ 44

Hình 3-6 Kết quả XRD của mẫu 1 (100% graphite) 44

Hình 3-7 Kết quả EDX của mẫu thí nghiệm 1(100% graphite) (a) lần 1, (b) lần 2, (c) lần 3 47

Hình 3-10 SEM của mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite) (a) Độ phóng đại 100 lần, (b) độ phóng đại 200 lần, (c) độ phóng đại 2000 lần, (d) độ phóng đại 3000 lần 48

Hình 3-11 SEM của mẫu thí nghiệm 2 (graphite : than tre = 1:1), (a) độ phóng đại 3000 lần, (b) độ phóng đại 5000 lần 49

Hình 3-12 SEM của mẫu thí nghiệm 3 (100% than tre), (a) độ phóng đại 3000X, (b) độ phóng đại 5000X 50

Hình 3-13 Kết quả FTIR của mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite) 51

Hình 3-14 Kết quả FTIR của mẫu thí nghiệm 2 (graphite : than tre = 1:1) 52

Hình 3-15 Kết quả FTIR của mẫu thí nghiệm 3 (100% than tre) 53

Hình 3-16 Kết quả TGA của mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite) 54

Hình 3-17 Đồ thị ảnh hưởng của chất keo đến điện trở của mẫu 1 (100% graphite) 55

Hình 3-18 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian lắng đến điện trở của mẫu 1 (100% graphite) 56

DANH MỤC BẢN

Bảng 1-1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu (Nguồn: Internet)

18

Bảng 1-2 Đặc điểm của các loại graphite tự nhiên 25

Bảng 2-1 Giá trị số sóng đặc trưng của một số liên kết trong phân tử 36

Bảng 3-1 Điện trở của mẫu 1 (100% graphite) theo thời gian lưu 39

Bảng 3-2 Điện trở của mẫu 2 (graphite : than tre = 1:1) theo thời gian lưu 40

Bảng 3-3 Điện trở của mẫu 3 (100% than tre) theo thời gian lưu 41

Bảng 3-4 Thành phần nguyên tố trong mẫu thí nghiệm 1 (100% graphite) 47

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

XRD: X-ray diffraction

TGA: Thermogravimetric Analysis

SEM: Scanning Electron Microscopy

EDX hay EDS: Energy-dispersive X-ray spectroscopy

FTIR: Fourier-transform infrared spectroscopy

HCNG: hard carbon and nano graphite

GO: graphite oxide

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu công nghệ nano

1.3.1 Lịch sử phát triển của công nghệ nano

Hình 1-1 Richard Phillips Feynman (1918-1988)

Richard Phillips Feynman (1918 - 1988) là một người Mỹ nhà vật lý lý thuyết,nổi tiếng với công việc của mình trong con đường xây dựng: cơ học lượng tử , lýthuyết về điện động lực học lượng tử, và tính chất vật lý của siêu chảy của siêu lạnhheli lỏng, cũng như trong vật lý hạt mà ông đề xuất các mô hình Parton Đối với nhữngđóng góp của ông cho sự phát triển của điện động lực học lượng tử, Feynman cùng vớiJulian Schwinger và Shin'ichirō Tomonaga, nhận giải Nobel Vật lý năm 1965.Feynman đã phát triển một sơ đồ biểu diễn hình ảnh được sử dụng rộng rãi cho cácbiểu thức toán học mô tả hành vi của các hạt hạ nguyên tử, sau này được gọi là sơ đồFeynman Trong suốt cuộc đời, Feynman đã trở thành một trong những nhà khoa họcnổi tiếng nhất trên thế giới Trong một cuộc thăm dò năm 1999 của 130 nhà vật lý hàngđầu thế giới bởi tạp chí Vật lý Anh, ông được xếp hạng là một trong mười nhà vật lý vĩđại nhất mọi thời đại

Feynman đặt vấn đề làm sao có thể chứa toàn bộ 24 quyển Bách khoa Từ điểnBritannica với tổng cộng 25.000 trang giấy trên đầu cây kim có đường kính 1,5 mm nggiải thích bằng con số rất đơn giản Muốn đặt 25.000 trang giấy trên mặt của đầu kim

ta chỉ cần thu nhỏ 25.000 ngàn lần toàn thể bộ bách khoa từ điển Có nghĩa là nhữngchữ in cũng phải thu nhỏ 25.000 lần Trong các mẫu tự, dấu chấm trên đầu chữ “i” là

ký hiệu nhỏ nhất Sau khi thu nhỏ 25.000 lần, dấu chấm vẫn còn có một kích cỡ của tậphợp 1000 nguyên tử Con số 1000 nguyên tử còn rất to và cho rất nhiều lựa chọn đểcon người thao tác (manipulate) bằng một phương pháp vật lý nào đó Feynman tiếptục luận điểm của mình Ông phỏng chừng có 24 triệu quyển sách trong các thư việntrên toàn thế giới Nếu tất cả được thu nhỏ 25.000 lần thì toàn thể sách viết biểu hiện trithức của loài người trên quả đất sẽ được “in” vỏn vẹn trên 35 trang giấy A4 Feynmancòn nói đến khả năng làm những sợi dây dẫn điện phân tử và các linh kiện điện tử nhưtransistor ở thang phân tử Ông nói đến công cụ lớn làm nên những công cụ nhỏ hơn vànhỏ hơn nữa để giúp con người di dời, thao tác và điều khiển nguyên tử và phân tửtheo ý mình

Feynman phác họa khả năng hình thành một nền công nghệ mới trong đó conngười có thể di chuyển, chồng chập các loại nguyên tử, phân tử để thiết kế một dụng cụcực kỳ nhỏ ở thang vi mô (microscopic) hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trúcphân tử của nó Phương pháp đó ở thế kỷ 21 được gọi là “công nghệ nano” với cáchthiết kế từng nguyên tử một “từ dưới lên” (bottom-up method) Thật ra, kỹ thuật thunhỏ hay là phương pháp “từ trên xuống” (top-down method) đã là xương sống của việcxây dựng và phát triển công nghiệp điện tử từ hơn 50 năm qua Transistor là một linhkiện chính trong các vi mạch của các loại dụng cụ điện tử Nó là “linh hồn” từ cái máytính tay (calculator) khiêm tốn đến cái máy vi tính phức tạp Phương pháp “từ trênxuống” đã được áp dụng để thu nhỏ transistor có độ to ban đầu khoảng vài cm ở thờiđiểm phát minh (năm 1947) cho đến ngày hôm nay thì đến bậc nm

Công nghệ nano hiển thị một loạt các ứng dụng tiềm năng trong vật liệu, thôngtin, năng lượng, môi trường, cuộc sống, quân sự, sản xuất, là nguồn phát triển côngnghệ cao trong thế kỷ 21, sẽ mang lại những thay đổi lớn cho cuộc sống con ngườitrong thế kỷ 21 để nắm bắt các lĩnh vực chiến lược khoa học và công nghệ trọng điểmcao và các tầm cao chỉ huy của nền kinh tế toàn cầu[1].

1.3.2 Định nghĩa công nghệ nano.

Nano có nghĩa là nanomet (ký hiệu: nm) bằng một phần tỷ mét (1/1.000.000.000m), một đơn vị đo lường để đo kích thước những vật cực nhỏ Cơ cấu nhỏ nhất của vậtchất là nguyên tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử: 1 nm,

vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trùng: 25.000 nm, sợi tóc: 100.000

nm, đầu cây kim: 1 triệu nm và chiều cao con người: 2 tỷ nm

Hình 1-2 So sánh kích thước hạt nano (Nguồn: internet)Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chếtạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kíchthước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10−9 m) Ranh giới giữa công nghệ nano vàkhoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vậtliệu nano Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:

- Cơ sở khoa học nano

- Phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet

- Chế tạo vật liệu nano

- Ứng dụng vật liệu nano

Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước cực nhỏ ở mức nanomet (nm) củamột chiều đến ba chiều Nếu vật liệu có kích thước bằng hoặc nhỏ hơn 100 nm ở mộtchiều sẽ có dạng tấm, ví dụ tấm graphene từ graphite carbon; ở hai chiều sẽ có cấu trúcsợi hoặc hình ống như các ống nano carbon; ở ba chiều sẽ có cấu trúc hình cầu như cáchạt nano kim loại,… Các hạt nano có kích thước rất nhỏ mắt thường không nhìn thấyđược Ở kích thước nano vật liệu có diện tích bề mặt rất lớn nên có hoạt tính hóa họcrất mạnh và các tính chất quang, nhiệt,… rất khác so với vật liệu tương ứng bìnhthường

1.3.3 Phân loại vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet Vềtrạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí Vật liệunano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chấtlỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không cònchiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano

Hình 1-3 Hạt nano bạc (Nguồn: internet)

- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện

tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano

Hình 1-4 (a) Ống than nano, (b) Dây nano oxit kẽm (Nguồn: internet)

- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, haichiều tự do, ví dụ: màng mỏng

Hình 1-5 Màng graphene (Nguồn: Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia)Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ cómột phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.

1.3.4 Chế tạo vật liệu nano

Hình 1-6 Phương pháp top-down và bottom-up

- Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổchức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiềnnhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứngdụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộnlẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máynghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hànhtinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quảthu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sửdụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà khônglàm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ có thể được điềuchỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kếttinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội.Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp cóchiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc

để tạo ra các cấu trúc nano

- Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từdưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩmcuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từphương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháphóa học hoặc kết hợp cả hai

 Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặcchuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từphương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang)

Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc

độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy rachuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh).Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, vídụ: ổ cứng máy tính

 Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion.Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu

cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên,chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại:hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) và

từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dâynano, ống nano, màng nano, bột nano,

 Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên cácnguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màngnano, bột nano,

1.3.5 Tổng quan về nano carbon

1.3.5.1 Tổng quan về carbon

Carbon là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu là C và số nguyên

tử bằng 6, nguyên tử khối bằng 12 Là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến,carbon có nhiều dạng thù hình khác nhau, phổ biến nhất là 4 dạng thù hình gồm carbon

vô định hình, graphite, kim cương và Q-carbon

1.3.5.2 Tính chất của carbon

Carbon là nguyên tố đáng chú ý vì nhiều lý do Các dạng khác nhau của nó baogồm một trong những chất mềm nhất (graphite) và hai trong những chất cứng nhất(graphene và kim cương, hay fullerene - hợp chất rất cứng có thể nói là cứng nhất của

carbon và các hợp chất khác) cũng như là chất bán dẫn tốt nhất, hơn cả silic(graphene) Ngoài ra, nó có ái lực lớn để tạo ra liên kết với các nguyên tử nhỏ khác,bao gồm cả các nguyên tử carbon khác, và kích thước nhỏ của nó làm cho nó có khảnăng tạo ra liên kết phức tạp Vì các thuộc tính này, carbon được biết đến như lànguyên tố có thể tạo ra cỡ 10 triệu loại hợp chất khác nhau, chiếm phần lớn trong cáchợp chất hóa học Các hợp chất của carbon tạo ra nền tảng cho mọi loại hình sự sốngtrên Trái Đất và chu trình carbon-nitơ dự trữ và tái cung cấp một số năng lượng đượcsản sinh từ Mặt Trời và các ngôi sao.

Carbon cũng có điểm thăng hoa cao nhất trong tất cả các nguyên tố Trong điềukiện áp suất khí quyển nó không có điểm nóng chảy vì điểm ba trạng thái của nó ở tại10,8 ± 0,2 MPa và 4600 ± 300K (~ 4.330°C hay 7.820F), do đó nhiệt độ thăng hoa của

nó trong trường hợp này vào khoảng 3.900K

1.3.5.3 Các dạng thù hình

Các thù hình của carbon là khác nhau về cấu trúc mạng nguyên tử mà cácnguyên tử tinh khiết có thể tạo ra Ba dạng được biết nhiều nhất là carbon vô định hình,graphite và kim cương Một số thù hình kỳ dị khác cũng đã được tạo ra hay phát hiện

ra, bao gồm các fullerene, carbon ống nano, lonsdaleit và q-carbon Muội đèn bao gồmcác bề mặt dạng graphite nhỏ Các bề mặt này phân bổ ngẫu nhiên, vì thế cấu trúc tổngthể là đẳng hướng Carbon thủy tinh là đẳng hướng và có tỷ lệ độ xốp cao Khônggiống như graphite thông thường, các lớp graphite không xếp lên nhau giống như cáctrang sách, mà chúng có sự sắp xếp ngẫu nhiên

Ở dạng vô định hình, carbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphite nhưngkhông liên kết lại trong dạng tinh thể lớn Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và làthành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính

Hình 1-7(a) Carbon vô định hình, (b) Cấu trúc tinh thể của carbon vô định hình.

(Nguồn: internet)

Ở áp suất bình thường carbon có dạng của graphite, trong đó mỗi nguyên tử liênkết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng tạo ra các vòng lục giác, giống như các vòngtrong các hyđrocarbon thơm Có hai dạng của graphite đã biết, là alpha (lục giác) vàbeta (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giống nhau, ngoại trừ về cấu trúctinh thể Các loại graphite có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trongkhi graphite tổng hợp chỉ có dạng alpha Dạng alpha có thể chuyển thành dạng betathông qua xử lý cơ học và dạng beta chuyển ngược thành dạng alpha khi bị nung nóngtrên 1000°C Vì sự phi tập trung hóa của các đám mây pi, graphite có tính dẫn điện.Vật liệu vì thế là mềm và các lớp, thường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác,được giữ cùng nhau chỉ bằng các lực van der Waals, vì thế chúng dễ dàng trượt trênnhau

ba

Hình 1-8 (a) Graphite dạng khoáng vật, (b) Cấu trúc của graphite (Nguồn: internet)

Ở áp suất cực kỳ cao các nguyên tử carbon tạo thành thù hình gọi là kim cương,trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác Kim cương có cấu trúc lậpphương như silic và gecmani và vì độ bền của các liên kết carbon-carbon, cùng vớichất đẳng điện nitrua bo (BN) là những chất cứng nhất trong việc chống lại sự màimòn Sự chuyển hóa thành graphite ở nhiệt độ phòng là rất chậm và khong thể nhậnthấy Dưới các điều kiện khác, carbon kết tinh như là Lonsdaleit, một dạng giống nhưkim cương nhưng có cấu trúc lục giác

Hình 1-9 (a) Kim cương, (b) Cấu trúc kim cương (Nguồn: internet)

ba

Các fulleren có cấu trúc giống như graphite, nhưng thay vì có cấu trúc lục giácthuần túy, chúng có thể chứa 5 (hay 7) nguyên tử carbon, nó uốn cong các lớp thànhcác dạng hình cầu, elip hay hình trụ Các thuộc tính của các fulleren vẫn chưa đượcphân tích đầy đủ Tất cả các tên gọi của các fulleren lấy theo tên gọi của BuckminsterFuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, nó bắt chước cấu trúc của các

"buckyball"

Hình 1-10 Cấu trúc fullerene (Nguồn: internet)

1.4 Cơ sở khoa học để chế tạo mực dẫn điện bằng công nghệ nano

1.4.1 Ưu điểm vượt trội về đặc trưng của công nghệ nano

1.4.1.1 Hiệu ứng bề mặt:

Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng sốnguyên tử của vật liệu gia tăng Ví dụ: xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu.Nếu gọi ns là số nguyên tử nẳm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữahai con số trên là ns = 4n2/3 Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ

là f = ns=4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạtnano Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên

Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của cácnguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liênquan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng.

Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f tăng lên đáng kể Sự thayđổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thayđổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục

Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng

bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệukhối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏqua Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng

Bảng 1-1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu (Nguồn: Internet)

Đường kính

hạt nano(nm)

Số nguyêntử

Tỷ sốnguyên tửtrên bề mặt(%)

Năng lượng

bề mặt(erg/mol)

Năng lượng bềmặt/Năng lượngtổng (%)

rất nhiều các tính chất của vật liệu rơi vào kích thước nm Chính điều này đã làm nêncái tên “vật liệu nano” mà ta thường nghe đến ngày nay.

Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫnđến các tính chất vật lý đã biết trước đó Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liêntục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano Chính vì vậy, khi nói đến vậtliệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó Đối với kim loại,quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm Khi chúng ta cho mộtdòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãngđường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohmcho dây dẫn Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợidây

Khi chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãngđường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thếkhông còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/h, trong đó e là điệntích của điện tử, h là hằng số Planck Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện Có rất nhiềutính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi.Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển – lượng tử trong các vật liệunano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãmlượng tử)

1.4.2 Các phương pháp đánh giá mực dẫn điện carbon

Các phương pháp đánh giá giá trị mực dẫn điện:

- XRD (X-ray diffraction): phương pháp dùng để phân tích cấu trúc thông qua

đỉnh phổ và cường độ đỉnh phổ, ta có thể tính toán và suy ra trong khối vật rắn đó

có những chất gì và hàm lượng C có trong dung dịch mực

Hình 1-11 (a) Máy quang phổ nhiễu xạ tia X, (b) Cơ chế nhiễu xạ tia X (Nguồn:

internet)

- EDX hay EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy): là kỹ thuật phân tích

xác định các thành phần có trong chất rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từmẫu vật rắn do tương tác với các bức xạ (chùm điện tử có năng lượng cao trong cáckính hiển vi điện tử

Hình 1-12 (a) Máy EDX, (b) Nguyên lý của phép đo EDX (Nguồn: internet)

- SEM (Scanning Electron Microscope): kính hiển vi điện tử quét là phương pháp

dùng một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặtmẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên

bề mặt mẫu Khi đó điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạnhiệt, hay phát xạ trường ), sau đó được tăng tốc Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEMthường chỉ từ 10kV đến 50kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùmđiện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn Điện tửđược phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Ăngstrongđến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ cáccuộn quét tĩnh điện Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện

tử hội tụ Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạoảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích cácbức xạ: điện tử thứ cấp và điện tử tán ngược

Hình 1-13 (a) Máy SEM, (b) Nguyên lý hoạt động của SEM (Nguồn: internet)

- TGA (Thermogravimetric Analysis): là phương pháp dựa trên cơ sở xác định

khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi (hoặc nhận vào) trong quá trình chuyển phanhư là một hàm của nhiệt độ TGA nhằm xác định khối lượng bị mất trong quá trình

ba

chuyển pha Khối lượng bị mất theo thời gian và theo nhiệt độ do quá trình khửnước hoặc phân ly.

Hình 1-14 (a) Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA, (b) Cơ chế phép đo TGA

(Nguồn: internet)

- FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy): là một kỹ thuật sử dụng để cóđược một quang phổ hồng ngoại của sự hấp thụ hoặc phát xạ của một chất rắn,lỏng hoặc khí Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những

kỹ thuật phân tích rất hiệu quả Một trong những ưu điểm quan trọng nhất củaphương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúckhác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử vv…) là phương pháp này cung cấp

ba

thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toánphức tạp.

Cơ chế: các hợp chấp hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại.

Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hoá họcdao động với nhều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấpthụ bức xạ hồng ngoại Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoạitương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợpchất hoá học Bởi vậy phổ thông ngoại của một hợp chất hoá học coi như "dấuvân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng

Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:

- Độ dài sóng chính xác của bức xạ: một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉkhi nào tầng số dao động tự nhien của một phần phân tử (tức là các nguyên tửhay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) cũng là tần số cử bức xạ tới

- Lưỡng cực điện: một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ

gây nên sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng.

Ứng dụng:

 Nhận biết các chất: Nếu có thể thì cần biết chắc mẫu là chất nguyên chất hayhỗn hợp Sau khi ghi phổ hồng ngoại, nếu chất nghiên cứu là hợp chất hữu cơthì trước tiên nghiên cứu vùng dao động co giãn của H để xác định xem mẫuthuộc loại hợp chất vòng thơm hay mạch thẳng hoặc cả hai Sau đó nghiên cứucác vùng tần số nhóm để xác định có hay không có các nhóm chức Mỗi khiphát hiện một loại chất, người ta so sánh phổ của chất nghiên cứu với phổ củachất nguyên chất tương ứng để có thể nhận định đúng

 Xác định độ tinh khiết: phổ hồng ngoại được dùng để xác định độ tinh khiết củacác chất Khi thích hợp chất không tinh khiết thì thường độ rõ nét của đám phổriêng biệt bị giảm, sự xuất hiện thêm các đám phổ sẽ làm "nhoè" phổ

 Suy đoán về tính đối xứng của phân tử

 Phân tích định lượng

Hình 1-15 (a) Quang phổ kế FTIR, (b) Cơ chế phép đo FTIR (Nguồn: internet)

ba

1.4.3 Thành phần mực dẫn điện carbon

1.4.3.1 Graphite:

Hình 1-16 (a) Bột graphite, (b) Cấu trúc của graphite (Nguồn: internet)

- Tên: graphite, C

- Màu sắc: xám thép tới đen

- Khối lượng nguyên tử chuẩn: 12,0107(8)

- Trạng thái vật chất: rắn

- Mật độ: 2,09–2,23 g/cm³

Một số thuộc tính vật lý và hóa học chính của graphite

Graphite có một số tính chất khác biệt làm cho nó không thể thiếu cho ngành côngnghiệp hiện đại, là:

Nhiệt độ nóng chảy rất cao (3.800 ÷ 3.900oC); ở nhiệt độ cao 1.000 ÷ 2.000o C có sứcbền cơ học cao hơn ở nhiệt độ thường; ổn định ở nhiệt độ cao (lên đến 4500 F màkhông bị oxy hóa)

- Trơ về mặt hóa học

- Ổn định cao khi có sự va đập nhiệt

- Dẫn nhiệt cao khi ở thể rắn, nhưng dẫn nhiệt thấp khi đã chế thành sản phẩmvải, băng cuộn xốp

- Hệ số giãn nở nhiệt thấp

- Dẫn điện tốt Đây là nguyên tố phi kim duy nhất có khả năng dẫn điện tốt

- Hệ số ma sát thấp, tự bôi trơn: Các nghiên cứu gần đây cho rằng trên graphit cóhiệu ứng gọi là siêu nhớt Người ta áp dụng tính chất này để sản xuất mỡ chì Ví

dụ mỡ PLC graphite có khả năng chịu được ma sát trượt

- Độ trơ cao đối với phản ứng hóa học và xói mòn

- Hấp thụ mạnh các loại khí và hơi

- Có khả năng điều hoà nhanh tỷ lệ nơtron nhanh xuống chậm; Có khả năng cao

để hấp thụ lượng lớn neutron; Hấp thụ tỷ lệ cao các tán xạ neutron nhiệt trongbuồng hấp thụ nhiệt Graphite được sử dụng như là vỏ bọc (khuôn) và phần điềutiết trong các lò phản ứng nguyên tử

Graphite gồm 2 loại: tự nhiên và nhân tạo Graphite tự nhiên được sản xuất từquặng tinh graphite với hàm lượng và kích thước hạt khác nhau Graphite nhân tạođược sản xuất chủ yếu từ nguồn cốc dầu mỏ Graphite được phát hiện có nguồn gốc từquá trình biến chất là phổ biến hơn so với graphite có trong dung nham núi lửa Dùtheo cách nào thì nhiệt độ cao, áp suất cao cùng môi trường hoàn nguyên là các điềukiện tiên quyết cho sự hình thành graphite

Graphite hình thành tự nhiên là các tinh thể tinh khiết, tuy nhiên hình thức tồntại của chúng trong các loại quặng là khác nhau Graphite vô định hình được hìnhthành từ quá trình biến chất các vỉa than antraxit tồn tại trước đó, graphite dạng vảy

được cho là hình thành dưới các đại dương sâu, lắng đọng carbon hữu cơ Ngoài ra,còn tồn tại một số hình thức khác của graphite như các mảnh graphite xâm nhiễm trong

mỏ đá cẩm thạch hay graphite dạng vân, dạng mạch

Bảng 1-2 Đặc điểm của các loại graphite tự nhiên (Nguồn: internet)

hình

Dạng tinh thể Vi tinh thể Vảy tinh thể,

Tình hình khai thác, chế biến graphite ở Việt Nam:

Tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo quặng graphite Việt Nam khoảng 29 triệutấn So với thế giới thì nước ta không phải quá dồi dào về loại khoáng sản này.Theo kếtquả thăm dò, nguồn quặng graphite nước ta tập trung chủ yếu tại vùng Tây Bắc với trữlượng và tài nguyên dự báo khoảng 26 triệu tấn, còn lại là khu vực Trung Bộ khoảng 3triệu tấn Các mỏ graphite tại nước ta chủ yếu nằm trong đới đứt gãy Sông Hồng kéodài từ Yên Bái đến Lào Cai

1.4.3.2 Acid axetic (CH 3 COOH):

Hình 1-17 (a) Acid axetic, (b) Cấu tạo của acid axetic (Nguồn: internet)

- Công thức phân tử C2H4O2

- Khối lượng phân tử: 60,05 g/mol

- Điểm sôi: 118,1°C

- Mật độ: 1,05 g/cm³

- Nguồn gốc: Axit axetic, hay còn gọi là ethanoic hoặc etanoic, là một axit hữu

cơ, mạnh hơn axit carbonic Phân tử gồm nhóm methyl liên kết với nhómcarboxyl Giấm là axit axetic nồng độ từ 2–6% Giấm được điều chế bằng cáchlên men rượu etylic Axit axetic còn có thể được điều chế từ acetylen, crackingdầu mỏ hoặc chưng gỗ

- Tính chất:

 Tính chất vật lý: axit axetic CH3COOH là chất lỏng, không màu, vị chua, tan

vô hạn trong nước Dung dịch axit axetic nồng độ từ 2 – 5 % dùng làm acidaxetic

 Tính chất hóa học: axit axetic là một axit yếu, yêu hơn các axit HCl, H2SO4,HNO3, H2SO3 nhưng mạnh hơn axit carbonic H2CO3 Axit axetic cũng cóđầy đủ tính chất của một axit

 Dung dịch axit axetic làm quỳ tím đổi màu thành đỏ

 Tác dụng với oxit bazơ, bazơ tạo thành muối và nước

ba

CH3COOH + NaOH -> H2O + CH3COONa

CH3COOH + CaO -> H2O + (CH3COO)2Ca

 Tác dụng với kim loại (trước H) giải phóng H2

2CH3COOH + 2Na - > 2CH3COONa + H2

 Tác dụng với muối của axit yếu hơn

2CH3COOH + CaCO3 -> (CH3COO)2Ca + CO2 + H2O

 Tác dụng với rượu tạo ra este và nước :

CH3COOH + C2H5OH -> CH3COOC2H5 + H2

1.4.3.3 Chất phụ gia và các chất bổ trợ

Vai trò của chất phụ gia: các chất phụ gia và chất bổ trợ có thể được sử dụng đểtăng cường hiệu suất của mực dẫn điện carbon Các tính chất và số lượng của các chấtphụ gia và chất bổ trợ này có thể khác nhau đối với từng loại mực dẫn điện carbon, chomỗi chất nền, cho mỗi phương pháp in và các loại tương tự Những khác biệt này có thể

do các nguồn bề mặt khác nhau, tính chất bám dính khác nhau của chất nền, yêu cầu củacác phương pháp in khác nhau như phun mực và các chiến lược khác nhau được sử dụng

để thiêu kết mực kim loại vào dây dẫn kim loại Các chất phụ gia và chất bổ trợ có thểđược lựa chọn để tương thích về mặt hóa học và chất phân tán được sử dụng trong việcxây dựng các loại mực Ngoài ra, bởi vì sức căng bề mặt của mực dung môi và nước dựatrên có thể khác nhau, các chất phụ gia khác nhau và bộ điều chỉnh có thể cần thiết đểduy trì góc tiếp xúc mong muốn giữa mực và chất nền[2] .Các chất phụ gia và chất bổ trợđược sử dụng trong mực kim loại dẫn điện có thể hoạt động như bộ điều biến lưu biến,tác nhân làm ướt, chất xúc tác bám dính, chất kết dính, chất tạo bọt, chất làm tăng độcứng, và các loại tương tự Phụ gia và chất bổ trợ có thể được lựa chọn thuận lợi để điềuchỉnh đặc tính mực cho các công thức tạo mực, chất nền và phương pháp ứng dụng khácnhau Ví dụ, lựa chọn các tác nhân và bộ điều chỉnh cho phép kiểm soát cẩn thận các đặctính mực cần thiết để sử dụng với nhiều chất nền, bao gồm sửa đổi trong các loại bề