Bucky Ball

  • View
    18

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Tiểu luận về fullerene (buckyball)

Text of Bucky Ball

QuBng C60 v ng Nano Carbon"There's plenty of room at the bottom"(Richard P. Feynman, Physics Nobel Laureate)Trng Vn Tn (*)Cch y mi nm cm t "cng ngh nano" (nanotechnology) t c ngi bit n, nhng ngy hm nay n tr thnh mt thut ng quen thuc mi giai tng trong x hi hin i.Ngi lm kinh t hay chnh tr cng thng cp n nano d ngi ni ln ngi nghe lm khi vn khng bit ch xc l g.Nanol ting gi tt ca nanometer (k hiu nm, 1 nm = 10-9m hay l 0.000000001 m) [1] l mt n v o lng th nguyn nguyn t hay phn t.Cng ngh nano lin quann vic li dng nhng hin tng n v nanometer thit k vt liu v vt cht vi nhng chc nng c bit ngay t thang (scale) nguyn t hoc phn t. Ngi ta gi y l phng php thit k "t di ln" (bottom-up method) khc vi phng php thit k thng thng "t trn xung" (top-down method) ang c lu dng[2].Nh vt l hc ni ting Richard Feynman tng tin on phng php "t di ln" trong mt bi thuyt trnh nm 1959 qua cu ni va nghim tc va hi hc"There's plenty of room at the bottom"(C rt nhiu ch trng mit di).Li d on thin ti nycho bit vng tn cng "mit di" ca nguyn t v phn t vn cn l nhng vng ph nhiu bt ngt ch i con ngi n thao tng khai hoang!Tuy nhin con ngi phi ch n 30 nm mi nhn thy s bng n ca nn cng ngh nano ch yu s dng phng php "t di ln". Nn cng nghny ang c tc ng mnh ln nn cng ngh"c in" hin ti v cng l mt ng lc ca nhng cng trnh nghin cu a ngnh(multi-discipline) bao gm vt l, ha hc, vt liu hc, sinh hc, ton hc, tin hc v.v... y l mt cuc cch mng kngh ca loi ngi th k 21. N s mang li cho nhn loi nhng thay i khoa hc k thut mang tnh t ph v c tm nh hng su xa trong sinh hot x hi, vn ha, kinh t hn c cuc cch mng k ngh th k 18.ng sau bc bnh phong cng ngh nano l nhng vt liu nano. Trong nhng vt liu ny xut hin hai dng carbon: phn t fullerene C60 c hnh dng tri bng v ng nano carbon (carbon nanotube). Spht hinca hai dng carbon thp nin 80 v 90 th k trc c mt trng hp thi im vi s ra i v pht trin ca cng ngh nano. Vic khm ph fullerene v ng nano carbon l tp hp ca nhiu s kin ngu nhin. Gi l ngu nhin nhng tht ra l nhng kt qu ht sc ngon mc phn nh mt tinh thn lm vic mit mi nhng vn phng khong lc quan, mt t duy phn tch bn nhy nhng khng x cng gio iu ca nh khoa hc.Hin nay, hng trm trung tm nghin cu ln nh v cng ngh nano c thnh lp khp ni trn th gii ng u l M, Nht Bn, u Chu, Trung Quc vi kinh ph trong vi nm ti stng n hng chc t la mi nm. i vi mt snc cng ngh nano v b mn fullerene/ng nanocarbon l u tin quc gia chocc n nghin cu v trin khai.Trong bi vit ny chng ta hy nhn xem c tht s l con ngi ang i vo mt cuc cch mng khoa hc k thut m ra mt thi i hong kim cng ngh cha tng c trong lch s nhn loi. V c tht s l nn cng ngh silicon ca th k 20 ang t gi"cuc h trng" c thay th bi nn cng ngh carbon.Qubng C60Nm 1985, mt nhm nghin cu bao gm Harold Kroto (University of Sussex, Anh Quc) v Sean O'Brien, Robert Curl, Richard Smalley (Rice University, Texas, M) khm ph ra mt phn t cha 60 nguyn t carbon, vit tt l C60.Gio s Kroto l mt nh nghin cu ha hc thin vn.Vo thp nin 70, ng c mt chng trnh nghin cu nhng chui di cc nguyn t carbon trongcc m my bi gia cc v sao (interstellar dust). ng lin lc vi nhm ca Curl v Smalley v dng quang ph k laser ca nhm ny m phng iu kin hnh thnh ca cc chui carbon trong cc m my v tr.H khng nhng c th ti to nhng chui carbon m cn tnh c khm ph mt phn t rt bn cha chnh xc 60 nguyn t carbon. S khm ph C60 xoay hng nghin cu ca nhm ny t chuyn tm kim nhng thnh phn ca vt cht ti (dark matter) trong v tr n mt lnh vc hon ton mi l lin h n khoa vt liu (Materials Science). Nm 1996, Kroto, Curl v Smalley c gii Nobel Ha hc cho s khm ph ny.Trc C60 ngi ta ch bit carbon qua ba dng: dng v nh hnh (amorphous) nh than , than ci, b hng (l ni), dng than ch (graphite) dng cho li bt ch v dng kim cng (Hnh1). S khc nhauv hnh dng, mu m, gi c v cng yu chung ca n giigia than , than ch v kim cng th qu l mt tri mt vc. Tuy nhin, s khc nhau trongcu trc ha hc li kh n gin. Nh ci tn nh ngha, dng v nh hnh khng c mt cu trc nht nh.Trong than ch cc nguyn t carbon nm trn mt mt phng thnh nhng lc gic ging nh mt t ong. Cu trc ny hnh thnh nhng mt phng nm chng cht ln nhau mang nhng electronpidi ng t do. Than ch dn in nh nhng electron di ng ny. Trong kim cng nhng electronpikt hp tr thnh nhng ni ha hc lin kt nhng mt phng carbon vlm cho cht ny c mt cng khc thng v khng dn in.

Hnh 1: Tm loi carbon theo th t t tri sang phi:(a) Kim cng, (b) Than ch, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e)C540, (f) C70, (g) Carbon v nh hnh (h) ng nano carbon (Ngun: Wikipedia).S khm ph ca C60 cho carbon mt dng th t. Sau khi nhn din C60 t quang ph hp th Kroto, Curl v Smalley bt u to m hnh cho cu trc ca C60. Trong qu trnh ny cc ng nhanh chng nhn ra rng cc nguyn t carbon khng th spphng theo kiu lc gic t ong ca than ch, nhng c th sp xp thnhmt qu cu trn trong hnh lc gic xen k vi hnh ng gic ging nh tri bng (Hnh1d v 2). Phn t mi ny c t tn l buckminster fullerene theo tn lt v h ca kin trc s Richard Buckminster Fuller. ng Fuller l ngi sng to ra cu trc mi vm hnh cu vi m dnglc gic (Hnh3). Cho vn tt ngi ta thng gi C60 l fullerene hay l bucky ball.

Hnh 2: Qu bng C60.

Hnh 3: Kin trc s Richard Buckminster Fullerv mi vm hnh cu vi m dnglc gic.Trong vic quyt nh trao gii Nobel, Vin Hn Lm Khoa Hc Thy in qun mt cng lao ca gio s Eiji Osawa. ng lngi u tin tin on s hin hu ca C60. Ti tnh c gp ng ti mt cuc hi tho khoa hc chuyn ngnh.Cng nhphn ln cc gio sngi Nht Bn khc, gio s Osawa l mt ngi kh knh, im m v khim tn. Khi ti gi chuyn C60 v gii Nobel, ng m n ci hin ha tm s"Khng c Nobel ti tic lm ch v C60 l a con khoa hc ca ti m. Ti tin onC60 vo nm 1970 khi ti va mi c b nhim Ging Vin ti i Hc Hokkaido. V ti vit bng ting Nht v ng bi bo co ca ti trn tp ch Kagaku (Ha Hc) nm 1970[3]nn khng c cc ng nghip quc t lu n. Mt nm sau ti vit li thnh mt chng cho mt quyn sch gio khoa, cng bng ting Nht". Ti hi"Nu thy tin on nh vy th ti sao thy khng lm mt th nghim kim chng". ng bc bch"Theo s tnh ton ca ti th nng lng hot tnh ca phn ng to ra C60 rt cao. Ti khng th hnh dung c mt cht xc tc no c thh thp nng lng hot tnh phn ng c th xy ra. Nhng ti hnh dung c cu trc ca n trong mt ln ti nhn a con trai ca ti a gin vi tri bng trong cng vin gn nh. Ti cng khng ngh ramt phng tin vt lnh dng laser hoc tia c nng lng cao nh nhm Smalley lm kch ng phn ng. Hn na, thi im ti mi va lm Ging Vin nn cn phi to mt du n no trong phn khoa. Ti cm thy vic tng hpC60 qu nhiu kh khn nn nh chn mt hng nghin cu khc". C mt iu lm cho ng c an i phn nol trong bi din vn nhn gii NobelKroto, Curl v Smalley cp n thnh qu tin phong ca ng.ng gi tng ti bi bo co khoa hc mang tnh lch s ny (Hnh4).

Hnh 4: Ta bi bo co "Cht thm siu ng" (Super-aromaticity)vit vo nm 1970 [3] v qu bng C60 trong bi vit.Nh gio s Osawa trnh by, iu kin v nhit bnh thng vic tng hp C60 l mt vic bt kh thi trn phng din nhit ng hc (thermodynamics).V l mt nh ha hc thin vn, Kroto tip cn vn bng mt phng thc khc. Thng 9 nm 1985, trong thi gian lm vic ti Rice Universityng dng tia laser caCurl v Smalleybn vo than ch (laser ablation) ti to s tng tc ca cc tia v tr v carbon trong khng gian.Trong ph k khi lng (mass spectrography) ca cc sn phm to thnh xut hin hai nh rtto ch nh C60 v C70. Mt bt ng nhng Kroto, Curl v Smalley bit ngay y l mt khm ph i i "kinh thin ng a". Khi tia laserbn vo mt vng no ca vt cht th s nng nhit vng ln cao hng ngn , thm ch hng chc ngn . nhit cao nhng chng ngi nhit ng hc khng cn l vn v s to thnh C60 tr nn rt thun li.Vic khm ph C60 lm chn ng hu ht mi ngnhnghin cu khoa hc. c bit i vi mn ha hc hu c n to ra mt ngun sinh kh mi cho ngnh nghin cu qu c in ny. S khm ph c tm quan trng hn s khm ph cu trc vng nhn benzene ca Kekule gn 150 nm trc. Benzene m ra ton b ngnh ha hc ca hp cht thm (aromatic compounds). C60 m ra ngnh "Ha hc fullerene" i song songvi s pht trin cangnh cng ngh nano hin nay.Kroto, Curl v Smalley ch cho bit s hin hu ca C60, nhng tng hp C60 cho vic nghin cu v ng dng phi i n nm 1990 khiKrtschmer v Huffmana ra phng php tng hp vi mt sn lng ln.Nh vo phng php ny n nm 1997 c hn 9000 hp cht da trn fullerene c tng hp, hn 20 000 bo co khoa hc ng trn cc tp ch chuyn ngnh. Nhng ngi nghin cu ha hu c thng c nhiu ni m nh v nim am m i vi nhng cu trc phn t i xng v cu trc lng (cage structure), nn fullerene tr thnh mt lnh vc nghin cu mu m trong b mn ny. H tng hp nhng fullerene cao hn C60 nh C70 (70 nguyn t carbon, hnh bngbu dc), C84 (84 nguyn t carbon, hnh qu u phng). Hkt hp nhng nhm chc (functional group) chc nng ha (functionalization)fullerene, gn fullerene vo polymer tng hp nhng dc liu hay vt liucho p dng quang in t. Lch s fullerene lu i hay non tr ty vo hai cch nhn khc nhau. Nghin cu fullerene tht ra rt ngn ch hn 20 nm k t ngy ph k khi lng ca Curl v Smalley cho bit s hin din ca C60 v C70, nhngs hin hu ca fullerenec l cn sm hn s xut hin ca loi ngi. N c trong nhng m my bi trong v tr, m than, b hng t nhng ngn nn lung linhhoc nhng ni khim tn hn nh l si than, ci bp nh qu en ui i v l ni... Ngi ta khng tm c C60 v hm lng rt nh v thng b than v nh hnh ph lp.Khi mn b mt C60 c vn m, ngi ta ngh ngay n nhng p dng thc tin ca C60. Ngi ta kt hp C60 vi potassium (K) to ra cht siu dn hu c nhit 18 K (-256C). Mt s nh nghin cu sinh hc hy vng c th dng C60 iu ch dc phm tr liu bnh AIDS. Trong vt l, rt nhiu ngh p dng C60 ch to nhng trang c (device) quang in t trong cng ngh cao. Tuy nhin, trn mt p dng cc nh khoa hc thng mc phi mt cn bnh chung l "lc quan qu ". Cu trc trn tra, i xng ca C60 c tp chSciencetn vinh l "phn t ca nm 1991", nhng ci xinh p hp dn khng phi lc no cng a n kt qu thc tin hon m.Hai yu t lm C60 gim tnh thc t l: (1) gi c qu cao (gi cho 1 gram l vi trm USD hoc cao hn cho tinh cht, so vigi vng vo khong $10/g) v (2) C60 khng ha tan trong dung mi rt bt li cho vic gia cng. Nhng h hi ban u trong cng ng nghin cu khoa hc dnh cho fullerene b dp tc nhanh chng v nhng tr ngi ny.Thm ch ngay trong cng ngh "thp", chng hn dng C60 nh mt cht ph gia (additives) cho du nht lm gim ma xt vn khng ch ni v gi c v hiu qu ca nhng cht ph gia thng thng. Tun boThe Economistc ln ph bnh"Ci cng ngh duy nht m qu bng bucky thc s cch mng lsnxut nhng bi bo co khoa hc"(The only industry the buckybal