DIỄN ĐÀN HÓA HỌC _ ĐẠI HỌC TRÀ VINH

Diễn đàn Hóa Học sinh viên Trường Đại Học Trà vinh.
 
IndexIndex  CalendarCalendar  Trợ giúpTrợ giúp  Tìm kiếmTìm kiếm  Thành viênThành viên  NhómNhóm  Đăng kýĐăng ký  Đăng NhậpĐăng Nhập  

Share | 
 

 Quả bóng đá C60.!

Xem chủ đề cũ hơn Xem chủ đề mới hơn Go down 
Tác giảThông điệp
legin07
Trung Tá
Trung Tá


Tổng số bài gửi : 43
Join date : 02/11/2010
Đến từ : Chemical Applied Department_TraVinh University

Bài gửiTiêu đề: Quả bóng đá C60.!   Sat Dec 04, 2010 12:57 am

Quả bóng đá C60
Năm 1985, một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto (University of Sussex, Anh Quốc) và Sean O'Brien, Robert Curl, Richard Smalley (Rice University, Texas, Mỹ) khám phá ra một phân tử chứa 60 nguyên tử carbon, viết tắt là C60. Giáo sư Kroto là một nhà nghiên cứu hóa học thiên văn. Vào thập niên 70, ông đã có một chương trình nghiên cứu những chuỗi dài các nguyên tử carbon trong các đám mây bụi giữa các vì sao (interstellar dust). Ông liên lạc với nhóm của Curl và Smalley và dùng quang phổ kế laser của nhóm nầy để mô phỏng điều kiện hình thành của các chuỗi carbon trong các đám mây vũ trụ. Họ không những có thể tái tạo những chuỗi carbon mà còn tình cờ khám phá một phân tử rất bền chứa chính xác 60 nguyên tử carbon. Sự khám phá C60 xoay hướng nghiên cứu của nhóm nầy từ chuyện tìm kiếm những thành phần của vật chất tối (dark matter) trong vũ trụ đến một lĩnh vực hoàn toàn mới lạ liên hệ đến khoa vật liệu (Materials Science). Năm 1996, Kroto, Curl và Smalley được giải Nobel Hóa học cho sự khám phá nầy.

Tám loại carbon theo thứ tự từ trái sang phải: (a) Kim cương, (b) Than chì, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e) C540, (f) C70, (g) Carbon vô định hình (h) Ống nano carbon (Nguồn: Wikipedia)
Trước C60 người ta chỉ biết carbon qua ba dạng: dạng vô định hình (amorphous) như than đá, than củi, bồ hóng (lọ nồi), dạng than chì (graphite) dùng cho lõi bút chì và dạng kim cương. Sự khác nhau về hình dạng, màu mè, giá cả và cường độ yêu chuộng của nữ giới giữa than đá, than chì và kim cương thì quả là một trời một vực. Tuy nhiên, sự khác nhau trong cấu trúc hóa học lại khá đơn giản. Như cái tên đã định nghĩa, dạng vô định hình không có một cấu trúc nhất định. Trong than chì các nguyên tố carbon nằm trên một mặt phẳng thành những lục giác giống như một tổ ong. Cấu trúc nầy hình thành những mặt phẳng nằm chồng chất lên nhau mang những electron pi di động tự do. Than chì dẫn điện nhờ những electron di động nầy. Trong kim cương những electron pi kết hợp trở thành những nối hóa học liên kết những mặt phẳng carbon và làm cho chất nầy có một độ cứng khác thường và không dẫn điện.
Sự khám phá của C60 cho carbon một dạng thứ tư. Sau khi nhận diện C60 từ quang phổ hấp thụ Kroto, Curl và Smalley bắt đầu tạo mô hình cho cấu trúc của C60. Trong quá trình nầy các ông nhanh chóng nhận ra rằng các nguyên tố carbon không thể sắp phẳng theo kiểu lục giác tổ ong của than chì, nhưng có thể sắp xếp thành một quả cầu tròn trong đó hình lục giác xen kẻ với hình ngũ giác giống như trái bóng đá. Phân tử mới nầy được đặt tên là buckminster fullerene theo tên lót và họ của kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller. Ông Fuller là người sáng tạo ra cấu trúc mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác. Cho vắn tắt người ta thường gọi C60 là fullerene hay là bucky ball.

Quả bóng đá phân tử C60 với đường kính vào khoảng 1 nm
Trong việc quyết định trao giải Nobel, Viện Hàn Lâm Khoa Học Thụy Điển đã quên mất công lao của giáo sư Eiji Osawa. Ông là người đầu tiên đã tiên đoán sự hiện hữu của C60. Tôi tình cờ gặp ông tại một cuộc hội thảo khoa học chuyên ngành. Cũng như phần lớn các giáo sư người Nhật Bản khác, giáo sư Osawa là một người khả kính, điềm đạm và khiêm tốn. Khi tôi gợi chuyện C60 và giải Nobel, ông mở nụ cười hiền hòa tâm sự "Không được Nobel tôi tiếc lắm chứ vì C60 là đứa con khoa học của tôi mà. Tôi tiên đoán C60 vào năm 1970 khi tôi vừa mới đươc bổ nhiệm Giảng Viên tại Đại Học Hokkaido. Vì tôi viết bằng tiếng Nhật và đăng bài báo cáo của tôi trên tạp chí Kagaku (Hóa Học) năm 1970 nên không được các đồng nghiệp quốc tế lưu ý đến. Một năm sau tôi viết lại thành một chương cho một quyển sách giáo khoa, cũng bằng tiếng Nhật". Tôi hỏi "Nếu thầy đã tiên đoán như vậy thì tại sao thầy không làm một thí nghiệm để kiểm chứng". Ông bộc bạch "Theo sự tính toán của tôi thì năng lượng hoạt tính của phản ứng tạo ra C60 rất cao. Tôi không thể hình dung được một chất xúc tác nào có thể hạ thấp năng lượng hoạt tính để phản ứng có thể xảy ra. Nhưng tôi đã hình dung được cấu trúc của nó trong một lần tôi nhìn đứa con trai của tôi đùa giỡn với trái bóng đá trong công viên gần nhà. Tôi cũng không nghĩ ra một phương tiện vật lý như dùng laser hoặc tia có năng lượng cao như nhóm Smalley đã làm để kích động phản ứng. Hơn nữa, ở thời điểm đó tôi mới vừa làm Giảng Viên nên cần phải tạo một dấu ấn nào đó trong phân khoa. Tôi cảm thấy việc tổng hợp C60 quá nhiều khó khăn nên đành chọn một hướng nghiên cứu khác". Có một điều làm cho ông được an ủi phần nào là trong bài diễn văn nhận giải Nobel Kroto, Curl và Smalley đã đề cập đến thành quả tiên phong của ông. Ông đã gởi tặng tôi bài báo cáo khoa học mang tính lịch sử nầy.
Như giáo sư Osawa đã trình bày, ở điều kiện và nhiệt độ bình thường việc tổng hợp C60 là một việc bất khả thi trên phương diện nhiệt động học (thermodynamics). Vì là một nhà hóa học thiên văn, Kroto tiếp cận vấn đề bằng một phương thức khác. Tháng 9 năm 1985, trong thời gian làm việc tại Rice University ông dùng tia laser của Curl và Smalley bắn vào than chì (laser ablation) để tái tạo sự tương tác của các tia vũ trụ và carbon trong không gian. Trong phổ ký khối lượng (mass spectrography) của các sản phẩm tạo thành xuất hiện hai đỉnh rất to chỉ định C60 và C70. Một bất ngờ nhưng Kroto, Curl và Smalley biết ngay đây là một khám phá đổi đời "kinh thiên động địa". Khi tia laser bắn vào một vùng nào đó của vật chất thì sẽ nâng nhiệt độ vùng đó lên cao hằng ngàn độ, thậm chí hằng chục ngàn độ. Ở nhiệt độ cao những chướng ngại nhiệt động học không còn là vấn đề và sự tạo thành C60 trở nên rất thuận lợi.
Việc khám phá C60 đã làm chấn động hầu hết mọi ngành nghiên cứu khoa học. Đặc biệt đối với môn hóa học hữu cơ nó đã tạo ra một nguồn sinh khí mới cho ngành nghiên cứu quá cổ điển nầy. Sự khám phá có tầm quan trọng hơn sự khám phá cấu trúc vòng nhân benzene của Kekule gần 150 năm trước. Benzene đã mở ra toàn bộ ngành hóa học của hợp chất thơm (aromatic compounds). C60 đã mở ra ngành "Hóa học fullerene" đi song song với sự phát triển của ngành công nghệ nano hiện nay.
Kroto, Curl và Smalley chỉ cho biết sự hiện hữu của C60, nhưng tổng hợp C60 cho việc nghiên cứu và ứng dụng phải đợi đến năm 1990 khi Krätschmer và Huffman đưa ra phương pháp tổng hợp với một sản lượng lớn. Nhờ vào phương pháp nầy đến năm 1997 đã có hơn 9000 hợp chất dựa trên fullerene được tổng hợp, hơn 20 000 báo cáo khoa học đăng trên các tạp chí chuyên ngành. Những người nghiên cứu hóa hữu cơ thường có nhiều nỗi ám ảnh và niềm đam mê đối với những cấu trúc phân tử đối xứng và cấu trúc lồng (cage structure), nên fullerene trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mầu mỡ trong bộ môn nầy. Họ tổng hợp những fullerene cao hơn C60 như C70 (70 nguyên tử carbon, hình bóng bầu dục), C84 (84 nguyên tử carbon, hình quả đậu phọng). Họ kết hợp những nhóm chức (functional group) để chức năng hóa (functionalization) fullerene, gắn fullerene vào polymer để tổng hợp những dược liệu hay vật liệu cho áp dụng quang điện tử.
Lịch sử fullerene lâu đời hay non trẻ tùy vào hai cách nhìn khác nhau. Nghiên cứu fullerene thật ra rất ngắn chỉ hơn 20 năm kể từ ngày phổ ký khối lượng của Curl và Smalley cho biết sự hiện diện của C60 và C70, nhưng sự hiện hữu của fullerene có lẽ còn sớm hơn sự xuất hiện của loài người. Nó có trong những đám mây bụi trong vũ trụ, mỏ than, bồ hóng từ những ngọn nến lung linh hoặc những nơi khiêm tốn hơn như ở lò sưởi than, cái bếp nhà quê đen đui đủi vì lọ nồi... Người ta không tìm được C60 vì hàm lượng rất nhỏ và thường bị than vô định hình phủ lấp.
Khi màn bí mật C60 được vén mở, người ta nghĩ ngay đến những áp dụng thực tiễn của C60. Người ta kết hợp C60 với potassium (K) để tạo ra chất siêu dẫn hữu cơ ở nhiệt độ 18 K (-256 °C). Một số nhà nghiên cứu sinh học hy vọng có thể dùng C60 điều chế dược phẩm trị liệu bịnh AIDS. Trong vật lý, rất nhiều đề nghị áp dụng C60 để chế tạo những trang cụ (device) quang điện tử trong công nghệ cao. Tuy nhiên, trên mặt áp dụng các nhà khoa học thường mắc phải một căn bệnh chung là "lạc quan quá độ". Cấu trúc tròn trịa, đối xứng của C60 đã được tạp chí Science tôn vinh là "phân tử của năm 1991", nhưng cái xinh đẹp hấp dẫn không phải lúc nào cũng đưa đến kết quả thực tiễn hoàn mỹ.
Hai yếu tố làm C60 giảm tính thực tế là: (1) giá cả quá cao (giá cho 1 gram là vài trăm USD hoặc cao hơn cho tinh chất, so với giá vàng vào khoảng $10/g) và (2) C60 không hòa tan trong dung môi rất bất lợi cho việc gia công. Những hồ hởi ban đầu trong cộng đồng nghiên cứu khoa học dành cho fullerene bị dập tắc nhanh chóng vì những trở ngại nầy. Thậm chí ngay trong công nghệ "thấp", chẳng hạn dùng C60 như một chất phụ gia (additives) cho dầu nhớt làm giảm độ ma xát vẫn không địch nổi về giá cả và hiệu quả của những chất phụ gia thông thường. Tuần báo The Economist có lần phê bình "Cái công nghệ duy nhất mà quả bóng bucky đã thực sự cách mạng là sản xuất những bài báo cáo khoa học" (The only industry the buckyball has really revolutionized is the generation of scientific papers)!
Nhưng viễn ảnh của C60 trong áp dụng công nghệ không đến nổi tăm tối như các nhà bình luận kinh tế đã hấp tấp dự đoán. Sự kiên trì của những người làm khoa học lúc nào cũng cho thấy một niềm lạc quan của "những tia sáng ở cuối đường hầm". Gần đây công ty Nano-C (Mỹ) tuyên bố khả năng sản xuất hằng tấn C60 cho giới công nghệ. Một nhà máy thí điểm tại Nhật đang có khả năng chế tạo 40 tấn hằng năm và sẽ lên đến vài trăm tấn khi nhà máy được nâng cấp. Phương pháp sản xuất hàng loạt sẽ làm giảm giá C60 đến mức $5/g và có thể $1/g trong một tương lai không xa. Đây là một bước nhảy vĩ đại so với những năm đầu ở thập niên 90 khi người ta chỉ thu lượm vài miligram C60 ở mỗi lần tổng hợp khó khăn và giá cho mỗi gram có lúc lên đến $1500/g. Nhà sản xuất dự đoán nhu cầu C60 sẽ tăng nhanh trong vài năm tới cho việc chế biến dược liệu, dầu nhớt cao cấp và mỹ phẩm trang điểm.
Câu chuyện cô bé Lọ Lem mãi mãi là một câu chuyện tình làm thổn thức nhiều con tim trẻ. Cô bé bị bà mẹ ghẻ hành hạ lúc nào cũng phải quét dọn lò sưởi nên mặt mũi dính đầy lọ nồi. Bà Tiên với chiếc đũa thần biến nàng thành một tiểu thư đài các được trang điểm cực kỳ diễm lệ để dự những buổi khiêu vũ của chàng hòang tử độc thân đa tình. Có lẽ nàng được trang điểm với những mỹ phẩm chứa C60, nàng sẽ đeo những chuỗi kim cương carbon vô giá. Nhưng sau nửa đêm nàng sẽ trở lại cô bé đầy lọ.... Nhìn từ quan điểm của hóa học carbon, chuyện tình khi đượm tính khoa học có thể làm thất vọng nhiều tâm hồn lãng mạn nhưng tất cả chỉ là câu chuyện carbon ở những trạng thái khác nhau!
Trở lại thực tế của thế kỷ 21. Khả năng áp dụng fullerene trong công nghệ cao liên quan đến quang học và quang điện tử đang được tích cực khảo sát ở nhiều cơ quan nghiên cứu trên thế giới. Tạp chí Journal of Materials Chemistry xuất bản một số đặc biệt tổng kết những thành quả mới nhất của nghiên cứu fullerene. Một trong ứng dụng có tầm quan trọng đặc biệt là đặc tính photovoltaic của C60 tức là khả năng biến năng lượng mặt trời thành điện còn gọi là pin mặt trời. Loại pin nầy được chế tạo từ C60 và polymer dẫn điện (electrically conducting polymers). Mặc dù hiệu suất chuyển hoán năng lượng vẫn chưa bì kịp pin mặt trời silicon đang được phổ biến trên thương trường, loại pin mặt trời hữu cơ nầy sẽ cho những đặc điểm không có ở silicon như dễ gia công, giá rẻ, nhẹ, mỏng và mềm.

Về Đầu Trang Go down
Xem lý lịch thành viên http://legin07.spaces.live.com
 
Quả bóng đá C60.!
Xem chủ đề cũ hơn Xem chủ đề mới hơn Về Đầu Trang 
Trang 1 trong tổng số 1 trang

Permissions in this forum:Bạn không có quyền trả lời bài viết
DIỄN ĐÀN HÓA HỌC _ ĐẠI HỌC TRÀ VINH :: NANO CHEMISTRY-
Chuyển đến