Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
VI. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARBON NANO TUBE Ở VIỆT NAM

VI. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARBON NANO TUBE Ở VIỆT NAM

Tải bản đầy đủ - 0trang

tàu vũ trụ được sử dụng trong y học, vật liệu điện tử... Lúc này trên thế giới, carbon nano

tube được coi là “vật liệu trung tâm của thế kỷ” và được bán với giá rất đắt, khoảng 800 1.500 USD/g. Các phòng thí nghiệm lớn điều nghiên cứu và đã có một số thành cơng nhất

định, riêng Việt Nam đây là lần đầu tiên sản phẩm đã ra đời và đi theo một công nghệ

riêng.

TS Nguyễn Chánh Khê cho biết thành công này là do trung tâm đã chọn một hướng

nghiên cứu mới cho sản phẩm của mình là “cạnh tranh bằng ý tưởng sáng tạo” chứ không

đi theo các cơng nghệ hiện có của các nước. Bởi nếu đi theo các hướng đó thì việc kinh

doanh sản phẩm sau này sẽ rất khó vì vướng vào quy định bản quyền của các nước. Và

các trang thiết bị hiện đại của Việt Nam hiện nay cũng chưa có đủ. Vì vậy, giải pháp mới,

độc lập của ơng tuy gặp phải khó khăn về các điều kiện vật chất và trang thiết bị thí

nghiệm trong điều kiện Việt Nam nhưng cuối cùng bằng ý chí sáng tạo tất cả đã vượt qua

và mang về kết quả cao nhất.

TS Nguyễn Chánh Khê đã tiến hành việc đăng ký quyền sở hữu trí tuệ sản phẩm tại

Mỹ, Nhật và Châu Âu.



2 Các ứng dụng thực tiễn

a Bộ nhớ ống nano cacbon siêu nhanh

Một loại bộ nhớ khơng xóa mới có tên là Nano-RAM (NRAM) dựa trên nền tảng ống

nano carbon (carbon nanotube) và có tốc độ của DRAM hiện đang được đưa vào sản xuất

tại bảy nhà máy ở những khu vực khác nhau trên thế giới.

NRAM có tiềm năng tạo ra loại bộ nhớ với mật độ lớn hơn hẳn loại bộ nhớ NAND

flash đang được dùng để sản xuất ổ nhớ USB và ổ đĩa rắn hiện nay (SSD). Mật độ cao

nhất của quy trình chế tạo NAND flash hiện nay là gần 15 nanometer. NRAM có thể đạt

đến mật độ dưới 5 nanometer, theo Nantero.

Một ưu điểm khác là NRAM được phát triển với các đặt tả kỹ thuật về giao tiếp của

DDR4 nên có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 3,2 tỉ mỗi giây hay 2.400 Mbps – nhanh

hơn gấp đôi NAND flash. Tuy nhiên, về bản chất khả năng đọc/ghi của NRAM nhanh hơn

NAND flash hàng ngàn lần. Nantero cho biết điểm thắt cổ chai là các đường truyền



21



(BUS) của máy tính. Các ống nano có tốc độ chuyển trạng thái – tắt sang mở và từ mở

sang tắt chỉ tính bằng picosecond (một picosecond bằng một phần nghìn tỷ của giây)

Các ống nano carbon rất chắc. Trong thực tế, chúng chắc hơn thép 50 lần và có kích

thước chỉ bằng 1/50.000 sợi tóc người. Với độ bền của ống nano carbon, NRAM có thể

chịu được thao tác ghi lớn hơn hẳn NAND flash.

NAND flash tốt nhất với tính năng sữa lỗi có thể chịu được khoảng 100.000 chu kỳ

ghi-xóa. Theo Nantero, NRAM có thể chịu được 1012 chu kỳ ghi và 1015 chu kỳ đọc – có

thể coi như vơ hạn



b Làm vỏ phi thuyền

NASA đã quyết định hợp tác để triển khai công nghệ phức chất nano (nano

composite) của VN vào việc sản xuất vỏ phi thuyền vũ trụ. NASA đã chọn sản phẩm

carbon nano tube của VN sản xuất nhờ các tính năng đồng đều, khơng nhiễm bẩn, giá trị

ứng dụng cao và đặc biệt là giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm của Nhật Bản, Trung

Quốc... Carbon nano tube được coi là vật liệu trung tâm của thế kỷ, được bán trên thị

trường thế giới với giá từ 100.000 USD - 800.000 USD/kg, được Trung tâm R&D sản

xuất thành cơng với số lượng lớn hồn tồn bằng ngun liệu và cơng nghệ trong nước.

c



Bóng bán dẫn bóng bán dẫn trong bộ vi xử lý

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà



Nẵng, 2010. Gordon Moore - một trong những nhà sáng lập viên của tập đoàn Intel và

cũng là người phát triển định luật Moore, ông đã từng phát biểu như sau: “Số lượng

transistor (bóng bán dẫn) trên mỗi đơn vị inch vuông (1 inch vuông xấp xỉ 6,45 cm2) sẽ

tăng lên gấp đôi sau mỗi năm”. Nhưng đến năm 2000, ơng đã sửa đổi thời gian để có thể

tăng gấp đôi tốc độ cho bộ xử lý là theo chu kì 2 năm (tức 24 tháng). Còn David House thì

lại đưa ra một lập luận khác rằng tốc độ xử lý sẽ tăng gấp đơi theo chu kì 18 tháng

Tuy nhiên, nếu chúng ta nhìn vào tốc độ phát triển bóng bán dẫn như hiện nay thì

việc “tăng gấp đơi” này có lẽ sẽ khó có thể thực hiện được.



22



Hình 6.1 Bộ đếm vi xử lí

Trong những năm trở lại đây, kĩ thuật chế tạo và phát triển bóng bán dẫn

(transistor) đã bắt đầu chững lại, điều này cũng làm tốc độ phát triển của các bộ vi xử lí

cũng vì thế mà chững theo.

Cuối năm 2010, sau khi bảng lộ trình cơng nghệ bóng bán dẫn tồn cầu

(International Technology Roadmap for Semiconductors) được công bố. Đa số các

chuyên gia đều đồng tình với nhận định: “Bắt đầu từ cuối năm 2013, mật độ bóng bán



23



dẫn sẽ tăng lên gấp đơi theo chu kì 3 năm”. Lý do cho sự đồng tình này chính là: Silicon

- vật liệu bán dẫn đã từng tạo nên tồn bộ ngành cơng nghiệp máy tính điện tử ngày nay

đã đạt tới giới hạn của mình và khơng thể “ép” tăng thêm được nữa.

Điều này buộc các nhà khoa học phải tìm ra một loại vật liệu mới để thay thế

Silicon và có thể dùng được trong sản xuất ở kích thước dưới 10 nanomet. Theo đánh

giá của nhiều chuyên gia, vật liệu sáng giá nhất để thay thế Silicon bây giờ chính là

Carbon Nanotubes (viết tắt là CNT). Các các kĩ sư của IBM đã đưa ra thơng báo về lộ

trình cho ra mắt các mẫu vi xử lý có sử dụng vật liệu CNT vào năm 2020.



Hình 6.2 Bóng bán dẫn

Kích thước bóng bán dẫn bóng bán dẫn trong bộ vi xử lý mới chính mới là thứ

quan trọng nhất. Bởi các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng bây giờ như smartphone,

desktop hay thậm chí các server cỡ lớn đều có giới hạn kích thước và còn làm việc dựa

trên nền tảng căn bản là trạng thái tắt-bật của các bóng bán dẫn thì khi đó tốc độ xử lí

còn tỉ lệ thuận với mật độ bóng bán dẫn được nhồi vào trong vùng diện tích giới hạn đó.

Vật liệu mới Carbon Nanotubes (CNT) có cấu trúc dạng ống được cuộn lại

những tấm graphene có độ dày chỉ tương đương với một phân tử nên có thể đem lại kích



24



thước bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với Silicon. Nhờ thế mà mật độ bóng bán dẫn được nhồi

vào một inch vng cũng tăng theo.



25



Hình 6.2 Cấu trúc dạng ống

Trong mẫu thử nghiệm lần này, các bóng bán dẫn CNT mới của IBM mới chỉ

đạt kích thước 30 nanomet và được xếp cách nhau 8 nanomet. Tuy nhiên, khi so sánh ở

cùng một mức tiêu thụ điện năng, các bộ xử lý CNT nhanh hơn gấp 6 lần các bộ xử lý

Silicon hiện tại.

Mặc dù, vật liệu CNT mang nhiều tiềm năng to lớn nhưng nhìn chung việc chế

tạo bộ xử lý CNT vẫn còn quá phức tạp. Chưa kể, việc thay thế tồn bộ quy trình cũ

sang quy trình CNT mới là vơ cùng tốn kém và mạo hiểm.

Trong thông báo lần này, các kĩ sư IBM cũng chưa nói rõ về những những thành

cơng đạt được trong việc nghiên cứu và chế tạo chip dựa trên vật liệu bán dẫn mới CNT.

Nhưng với lộ trình đã được đặt ra như thế này, thì dù muốn dù khơng trong năm 2020 họ

cũng buộc phải công bố kết quả nghiên cứu của mình. Hiện tại trên thế giới đang có rất

nhiều cơng nghệ được đẩy mạnh nghiên cứu như máy tính lượng tử, máy tính quang học…

Theo đánh giá sơ bộ tất cả các nghiên cứu này đều cho khả năng tính tốn nhanh hơn rất

nhiều so với bộ vi xử lý bây giờ.



d Siêu tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện học dùng để nạp điện, tích điện và phóng điện khi cần thiết.

Tụ điện và pin có cùng chức năng tích trữ năng lượng. Nhưng pin phóng điện với tốc độ

châm hơn trong khi tụ điện phóng điện thật nhanh. Cũng như pin, các nhu cầu hiện đại đòi

hỏi thụ điện nạp điện thật nhanh và trự năng lượng cao. Tụ điện cần phải được thu nhỏ và



26



tăng hiệu suất để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị điện tử hiện đại. Những đòi hỏi này đã

đẩy mạnh sự ra đời của siêu tụ điện. 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, ngồi ra

còn dùng trong điện thoại thông minh…

Ống carbon nano dùng như một vật liệu điện cực để gia tăng diện tích bề mặt điện

cực. Hiện nay điện cực của siêu tụ điện bán trên thị trường được phủ một lớp carbon xốp

hoạt tính có vơ số lỗ vi mơ tạo một diện tích bề mặt 1.000 – 2.000 m 2/g. Như vậy lớp

carbon xốp sẽ tăng diện tích bề mặt từ 10.000 đến 100.000 lần tụ điện thông thường. Điện

dung của điện cực than trường trong khoảng 20 -50 μF/cm 2. Nếu diện tích của bề mặt

carbon xốp là 1.000 m2/g thì điện dung sẽ là 200 – 500 F/g (Faraday cho 1 gam vật liệu).

Nhưng trên thực tế siwwu tụ điện chỉ cho vài chục F/g hay là 5 – 10% của trị số lý thuyết.

Lý do đơn giản là chất điện giải không thắm vào điện cực. Điều này cho thấy dù có điện

tích bề mặt rất lớn nhưng khơng có sự thẩm thấu tồn diện vào điện cực thì điện dung chỉ

dừng lại ở con số vài phần trăm của lý thuyết.

Ống nano carbon có diện tích bề mặt rất lớn khoảng 1.315 m 2/g nên việc gia tăng diện

tích bề mặt điện cực bằng cách sử dụng ống carbon nano là có thể. Kết quả nghiên cứu

cho thấy điện cực MWCNTs cho điện dung 113F/g và điện cực SWCNTs là 180 F/g lớn

hơn nhiều so với carbon xốp. Tuy nhiên, ống carbon nano dùng cho điện cực là những

mạng hỗn tạp. Để tăng hiệu năng bề mặt ống nano carbon thì các ống cần sắp xếp một

cách trật tự. Cơng trình nghiên cứu học vị tiến sĩ của Riaccardo Signorelli đã tổng hợp

nano carbon trên chất nền Si/SiO 2, thạch anh hay thủy tinh theo phương pháp CVD thông

dụng. Nhưng chất nền là vật cách điện. Bằng phương thức độc đáo, Signorelli dùng nhôm,

và phụ chất xúc tác oxide sắt lên chất nền rồi từ đó tổng hợp carbon naono. Bằng chân

khơng, Signorelli đã có thể hút chất điện giải xuyên qua khoảng cách giữa các ống nano.

Như vậy điện cực ống nano carbon đã được hoàn thành cho siêu tụ điện.

Năm 2009, Signorelli cho biết mẫu đầu tiên của ơng có điện dung 225 F/g và tích

điện gấp 7 lần nhiều hơn siêu tụ điện thơng thường. Tốt nghiệp Tiến sĩ năm 2009, ông

cùng cộng sự thành lập công ty FastCap năm 2011 và sản xuất siêu tuh điện bán trên thị

trường. Siêu tụ điên của FastCap đang làm một cuộc cách mạng năng lượng trong bối



27



cảnh chuyển đổi từ năng lượng xăng dầu sang điện năng cho các phượng tiện vẫn chuyển

trong tương lai.



e Hệ thống lọc nước

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà

Nẵng năm 2012. Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Ag-Nano/Carbon nanotubes

(CNTs)/Cotton và ứng dụng trong xử lý nước nhiễm khuẩn.

SVTH: Đỗ Quỳnh My, Phan Diệu Phương - Lớp 07H5, Khoa Hóa, Trường Đại Học

Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng. Trương Minh Hồng - Lớp 08H5, Khoa Hóa, Trường Đại

Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng. GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm - Khoa Hóa,

Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng.

Vật liệu kháng khuẩn dựa trên cơ sở" bạc nano hạt (Nanoparticle silver)" hiện đang

được đầu tư nghiên cứu rất nhiều trên thế giới nhờ khả năng diệt khuẩn rất tốt và không

gây độc đối với sức khỏe con người. Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành cơng vật liệu

"Silver nanoparticles/ carbon nanotubes/ cotton" và thiết kế hệ thống lọc nước sử dụng

loại vật liệu này. Kết quả thu được, bạc nano hạt có kích thước 5 ÷ 6 nm được phân tán rất

tốt trên CNTs và cotton bằng các phương pháp vật lý. Nhờ tác dụng của dòng điện, hệ

thống lọc có khả năng diệt khuẩn đến >95% trong thời gian chỉ sau một vài giây tiếp xúc

với lưu lượng nước chảy qua vật liệu lọc là 40000 L/h.m2.



f



Nghiên cứu phát triển và triển khai ứng dụng vật liệu carcbon nano của TS.

Nguyễn Văn Chúc – Trưởng phòng vật liệu carbon nano – Viện khoa học vật liệu –

Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.



28



Bằng phương pháp CVD nhiệt với 04 ống phản ứng thép không rỉ, đã tổng hợp thành

công vật liệu ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) số lượng lớn với đường kính ống

(10-80 nm) và độ sạch đạt 90-95 %. Vật liệu MWCNTs đã được thương mại hóa.



Hình 6.4 Carbon nanotube tổng hợp trên nên SiO2

Bằng phương pháp CVD nhiệt với ống phản ứng thạch anh, đã tổng hợp thành công

vật liệu MWCNTs và CNTs đơn tường (SWCNTs) định hướng vng góc và định hướng

nằm ngang trên bề mặt đế SiO 2/Si và trên các vi điện cực tích hợp platin. Đường kính của

SWCNTs từ 1-3 nm và chiều dài có thể đạt cm.

Đã nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng vật liệu CNTs trong vật liệu tổ hợp nền polymer,

epoxy, cao su làm vật liệu hấp thụ sóng rada, cao su chịu nhiệt, chịu mài mòn ứng dụng

trong các roăng cao su chịu mài mòn của các máy bơm cổ trục đứng.

Đã thành cơng trong việc sử dụng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh để chế tạo vật liệu

nanocomposite Al/CNTs, Cu/CNTs. Vật liệu nanocomposite Al/CNTs, Cu/CNTs với tỷ



29



trọng thấp, cơ tính tốt và hệ số giãn nở nhiệt thấp sẽ trở thành vật liệu tiềm năng cho các

vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất như công nghệ LED.

Thành công trong việc phân tán CNTs vào trong chất lỏng tản nhiệt như EG, DEG.

Nghiên cứu ứng dụng thành công việc đưa chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs để

tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất cao như CPU và HB-LED.

Đã chế tạo và khảo sát một số tính chất của kem tản nhiệt nền silicon chứa thành

phần graphene; của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene, graphene/CNTs. Đã thử

nghiệm hiệu quả hấp thụ nhiệt mặt trời của chất lỏng nền ethylene glycol chứa thành phần

CNTs. Đã ứng dụng CNTs trong nền bitumen (nhựa đường) để nâng cao tính chất cơ học.

VII.



TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CARBON NANO TUBE

TRONG TƯƠNG LAI

1



Chế tạo pin nhiên liệu dùng trong ơ tơ

Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng, đường kính chỉ vài nanometer nên CNTs có thể



tích trữ chất lỏng hoặc chất khí trong lõi trơ thơng qua hiệu ứng mao dẫn. Hấp thụ này được

gọi là hấp thụ vật lý. CNTs cũng có thể hấp thụ nguyên tử hydrogen theo hóa học nên được

sử dụng cho việc tích trữ hydro, làm thành pin nhiên liệu dùng trong ô tô.

2



Thay thế dây điện kim loại truyền thống

Bằng cách xử lý CNTs trong dung dịch siêu acid, các nhà khoa học ở Đại học Rice



(Mỹ) đã thu được những sợi dài, có thể sử dụng làm những dây dẫn nhẹ, hiệu quả cho mạng

lưới điện hoặc àm cơ sở cho các vật liệu dẫn điện. Họ tìm ra phương pháp mới để lắp ráp

CNTs với nhau bằng cách hòa tan CNTs vào dung dịch siêu acid chlorosulforic tạo ra dung

dịch có nồng độ về khối lượng lên đến 0,5 wt% cao hơn 1000 lần so với các acid khác. Ở

trạng thái mật độ cao này, chúng tạo thành tinh thể lỏng, có thể tạo thành những sợi dài

hàng tram mét hoặc nguyên khối. Vì CNTs rất bền nên có thể sẽ thay thế dây điện kim loại

truyền thống trong tương lai.



30



3



Ứng dụng trong y học

Trong thập kỉ qua, CNTs được nghiên cứu trong phương pháp điều trị do nó có thể

xâm nhập vào các tế bào mà khơng gây độc cho tế bào. CNTs cho phép tải một lượng lớn

trọng tải dọc theo chiều dài của ống mà không gây ảnh hưởng đến khả năng chuyển động

và thâm nhập của nó. Với tải trọng thích hợp, CNTs có thể thực hiện phương pháp điều trị

đa chức năng, bao gồm cả các loại thuốc, các gen và nhắm mục tiêu phân tử, thành tế bào

để phát huy tác dụng đa hóa trị.

Trong những năm gần đây, CNTs đã được sử dụng thành công trong kỹ thuật mô và

tế bào gốc ứng dụng dựa trên điều trị, bao gồm liệu pháp cơ tim, hình thành xương, cơ và

tái tạo tế bào thần kinh. Hơn nữa, do tính chất quang học riêng biệt nên CNTs được ứng

dụng trong việc phát hiện sinh học và hình ảnh. Vì vậy nên CNTs có rất nhiều ứng dụng

quan trọng trong y sinh học cũng như lĩnh vực phân phối thuốc, chuyển gen, liệu pháp tế

bào gốc, liệu pháp nhiệt, phát hiện sinh học và hình ảnh.



a) Ứng dụng trong phân phối thuốc hóa trị liệu

Ung thư là một trong những nguyên nhân phổ biến gây tử vong trên toàn thế giới.

Ngoài các phẩu thuật cắt bỏ khối u thì hóa trị là một phương pháp điều trị thường được sử

dụng đối với bênh ung thư. Tuy nhiên, hiệu quả của các loại thuốc hóa trị thường bị hạn chế

bởi độc tính đối với các mơ khác trong cơ thể. Bởi vì hầu hết các thuốc hóa trị liệu khơng

cụ thể tiêu diệt tế bào ung thư mà tiêu diệt tất cả các tế bào phân chia nhanh chóng. Các hạt

nano đã được áp dụng để phân phối thuốc và cho thấy sự cải thiện của hiệu quả thuốc, giảm

độc tính đối với các mơ khác trong cơ thể. Các thuộc tính của CNTs có lợi cho việc phân

phối thuốc trị ung thư như các hạt nano khác, kích thước của CNTs được chức năng hóa là

thích hợp hơn cho việc tích tụ trong phân tử mục tiêu. Các cấu trúc vòng benzene của CNTs

có thể sử dụng để tải các loại thuốc có cấu trúc vùng benzene như doxorubicin (DOX),

epirubicin (EPI), và daunorubicin (DAU)…

Hạt nano và ống nano carbon là hai loại vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất, được

dùng làm mặt nền (platform) tải thuốc và được chức năng hóa với những nhóm chức thích

hợp để cảm nhận độ pH, nhiệt và kích thích sự nhã thuốc khi gặp mục tiêu. Chúng giống



31



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

VI. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARBON NANO TUBE Ở VIỆT NAM

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×