Bài giảng vật liệu graphene và ứng dụng

BÀI GIẢNG: VẬT LIỆU GRAPHENE VÀ ỨNG DỤNG Andrei Geim Konstantin Sergeevich Novoselov PHẦN 1: GIỚI THIỆU VỀ GRAPHENE I GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ GRAPHENE 1.1 Giới thiệu graphene ❑ Graphen hay graphene phẳng dày lớp nguyên tử nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành màng tinh thể hình tổ ong Hình ảnh cấu trúc graphite graphene Hình 1.3: a) Mẫu than Hình 1.3: b) Mơ hình Hình 1.3: c) Mơ hình chì chiều ba loại chiều fullerene C60 ống nano carbon đơn vách 1.2 Lịch sử đời graphene ❑ Năm 1859, Benjamin Brodie ghi nhận cấu trúc dạng phiến graphit oxit bị khử nhiệt ❑ Cấu trúc graphit xác định từ nhiễu xạ đơn tinh thể vào năm 1924 ❑ Lý thuyết graphene P R Wallace khám phá lần vào năm 1947 điểm khởi đầu để tìm hiểu đặc tính điện tử 3D graphite ❑ Hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) mẫu than chì mỏng bao gồm vài lớp graphene G Ruess F Vogt công bố năm 1948 ❑ Năm 1961–1962, Hanns-Peter Boehm công bố nghiên cứu mảnh graphite cực mỏng, đặt thuật ngữ "graphene“ ❑ Bắt đầu từ năm 1970, C Oshima cộng mô tả lớp nguyên tử cacbon đơn lẻ phát triển theo phương thẳng đứng vật liệu khác ❑ Thuật ngữ "graphene" sử dụng lần vào năm 1987 để mô tả graphit đơn lẻ thành phần hợp chất xen phủ graphit ❑ Nỗ lực tạo màng mỏng than chì cách bóc tách học bắt đầu vào năm 1990 Những nỗ lực ban đầu sử dụng kỹ thuật bóc tách tương tự phương pháp vẽ Thu mẫu nhiều lớp có độ dày tới 10 nm ❑ Năm 2002, Robert B Rutherford Richard L Dudman nộp đơn đăng ký sáng chế Mỹ phương pháp sản xuất graphene cách bóc liên tục lớp từ vảy graphite có độ dày 0,00001 inch (2,5 × 10 −7 mét) ❑ Một sáng chế khác Hoa Kỳ đệ trình năm Bor Z Jang Wen C Huang cho phương pháp sản xuất graphene dựa bóc tách ❑ Graphene phân lập vào năm 2004 Andre Geim Konstantin Novoselov Đại học Manchester Họ kéo lớp graphene từ than chì loại băng dính thơng thường gọi phân cắt vi kỹ thuật băng Scotch ❑ Công trình dẫn đến việc hai người đoạt giải Nobel Vật lý năm 2010 "cho thí nghiệm đột phá liên quan đến vật liệu hai chiều graphene Nghiên cứu mở nhiều nghiên cứu lĩnh vực khác nhau: vật liệu — lượng tử, điện, hóa học, học, quang học, từ tính, v.v 1.3 Cấu trúc graphene ❑ Carbon nguyên tố quan trọng tự nhiên kết hợp với ngun tố khác để tạo nên hàng triệu hợp chất hữu ❑ Carbon nguyên tố vị trí thứ bảng hệ thống tuần hồn ngun tố hố học Hình (a) Cấu trúc nguyên tử nguyên tử cacbon (b) Mức lượng electron lớp ngồi ngun tử cacbon (c) Sự hình thành phép lai sp2 (d) Mạng tinh thể graphen, A B nguyên tử cacbon thuộc mạng khác nhau, a1 a2 vectơ ô đơn vị (e) Liên kết sigma liên kết pi hình thành lai hóa sp2 ❑ Tương tác liên kết hydro DOX GO bật điều kiện trung tính, dẫn đến giải phóng có kiểm sốt Khi nhóm amin (-NH2) DOX trở thành proton, dẫn đến phân ly phần tương tác liên kết hydro điều kiện axit, lượng DOX giải phóng từ GO cao nhiều Hu cộng tiến hành nạp DOX pluronic F127 GNS (F127 / GNS) nồng độ DOX ban đầu khác với nồng độ F127 / GNS ❑Người ta thấy hiệu suất tải đạt tới 289% (w / w) nồng độ DOX 0,9 mg / ml Sau đó, độc tính tế bào in vitro DOX / F127 / GNS khơng cộng hóa trị nanohybrid tế bào ung thư vú người MCF-7 nghiên cứu Lượng giải phóng thuốc điều kiện axit cao điều kiện trung tính Độc tính tế bào DOX nạp F127 / GNS MCF-7 cao so với khơng có DOX so với F127 / GNS tự ❑ Để tăng cường tác dụng chống ung thư, Wang et al biến đổi GO giảm (rGO) cụm hạt nano vàng (GNC) lên mặt phẳng chúng thông qua trình hấp thụ vật lý khơng cộng hóa trị Người ta thấy GNC-rGO nạp DOX ức chế phát triển tế bào HepG2 mạnh DOX GNC-rGO đơn thuần, điều cho thấy DOX GNC-rGO vận chuyển vào tế bào chất hiệu DOX tự (Hình 4) 2.2 Chất cho phân phối gen protein ❑ Liệu pháp gen kỹ thuật ghép để điều trị thành công rối loạn di truyền khác Liệu pháp gen thành công đạt cách phát triển vector bảo vệ DNA khỏi endonuclease có hiệu chuyển nạp cao Các đèn hiệu phân tử aptamers phân phối bên tế bào với trợ giúp GO để phát cụ thể phân tử sinh học ❑ DNA plasmid bị cô đặc GO tương tác tĩnh điện tạo từ PEI tích điện dương axit nucleic tích điện âm Điều khơng tạo thành cấu trúc ổn định mà cải thiện hiệu truyền vector với giảm độc tính tế bào ❑ Để nâng cao hiệu việc phân phối thuốc theo mục tiêu, Yang et al điều chế hỗn hợp nano GO-Fe3O4 siêu thuận từ thơng qua phương pháp kết tủa hóa học, sau FA liên hợp với hạt nano Fe3O4 thơng qua liên kết imide với nhóm amin kết tủa nano GO-Fe3O4 biến tính APS [35] DOX tải lên bề mặt GO đa chức thơng qua xếp chồng p-p Các thí nghiệm ống nghiệm kết hợp nano GO-Fe3O4 nạp DOX thể độc tính tế bào tế bào ung thư vú SK3 người cao nhiều so với không tải DOX, thấp so với GO-Fe3O4-FADOX nồng độ thuốc ❑ Những kết cho thấy sử dụng GO chất mang thảm đa chức lý tưởng cho liệu pháp kết hợp khối u Hơn nữa, tờ GO chứng minh tiềm to lớn liệu pháp quang nhiệt phân phối thuốc Zhang cộng phát triển PEG-GO-DOX cho hiệu ứng chống khối u ống nghiệm in vivo cách kết hợp liệu pháp quang nhiệt hóa học hệ thống [54] Kết cho thấy liệu pháp nhiệt hóa học kết hợp thể tác dụng hiệp đồng dẫn đến hiệu tiêu diệt tế bào ung thư tốt so với liệu pháp hóa trị quang nhiệt đơn 4.2 Delivery of other cancer drugs ❑ Graphene hoạt động tảng để liên kết phân tử protein bảo vệ protein khỏi q trình phân giải protein Do đó, vật liệu dựa graphene sử dụng chất mang nano để vận chuyển nội tế bào protein điều trị 2.3 Chất Graphene cho liệu pháp quang nhiệt Liệu pháp quang động ❑ Liệu pháp quang nhiệt (PTT) gần coi phương pháp xâm lấn tối thiểu hiệu cao điều trị ung thư PTT liên quan đến việc chuyển đổi lượng ánh sáng thành nhiệt số tác nhân hấp thụ ánh sáng chiếu xạ ❑ Khi phân tử bị kích thích chuyển sang trạng thái bản, chúng giải phóng lượng dạng nhiệt gây tượng thối hóa nhiệt ung thư Vật liệu nano có độ hấp thụ NIR đánh giá cao PTT chúng tránh can thiệp từ mô sinh học So với tác nhân PPT thường sử dụng hạt nano vàng, mật độ công suất thấp (2 W cm-2) GO nguyên sinh cung cấp hiệu PTT in vivo ❑ Ngồi ra, diện tích bề mặt cao có sẵn graphene cung cấp khả tải thuốc hiệu liên hợp phân tử phối tử để đạt tiềm điều trị mục tiêu nâng cao Hơn nữa, chức sinh học graphene với FBS, PEG dextran cải thiện khả tương thích sinh học nó, nâng cao hiệu quang nhiệt tăng thời gian lưu thông máu sinh khả dụng bên thể ❑ GO cho thấy độ hấp thụ cao vùng NIR, đặc tính sử dụng để phá hủy quang nhiệt tế bào khối u (tăng thân nhiệt) Các nanographene PEGyl hóa cho thấy hiệu hấp thụ khối u cao tiêm vào mơ hình khối u chuột ❑ Liệu pháp quang động (PDT) phương pháp điều trị cho bệnh ung thư kết hợp tiêu diệt mục tiêu qua trung gian chất nhạy cảm quang học Khi kích hoạt ánh sáng, phân tử chất nhạy cảm quang bị kích thích gây hình thành loại oxy phản ứng (ROS) gây tổn thương phục hồi cho tế bào ung thư Clo 6, chất cảm quang nạp vào axit folic kết hợp GO thông qua chất kỵ nước chất chồng π – π, cho thấy hiệu tiêu diệt tế bào ung thư MGC803 chiếu xạ ❑ Porphyrin, chất cảm quang tiếng, chức hóa nano GO thơng qua tương tác π – π Phức hợp sử dụng để điều trị khối u điều kiện thiếu oxy khối u đặc sâu khối u đa dạng nguyên bào thần kinh đệm PEG-GO mang 2- (1-hexyloxyethyl) -2-devinyl pyropheophorbide-alpha chất kích ứng ánh sáng nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng giai đoạn I giai đoạn II để điều trị loại ung thư khác Phức hợp chứng minh có khả chịu tải cao cải thiện PDT 2.4 Chất Graphene làm cảm biến sinh học ❑ Graphene có ứng dụng hấp dẫn việc phát triển cảm biến điện hóa cảm biến sinh học nhờ tính dẫn điện tuyệt vời, diện tích bề mặt lớn tiềm truyền điện tử cao Cảm biến sinh học bán dẫn hiệu ứng trường dựa Graphene phát triển để phát phân tử sinh học axit nucleic, protein yếu tố tăng trưởng, theo dõi thay đổi tín hiệu điện Việc phát triển cảm biến sinh học dựa graphene dựa đặc tính dập tắt huỳnh quang graphene ❑ Việc phát axit nucleic thực cách gắn thẻ GO với ssDNA đánh dấu huỳnh quang GO dập tắt phát huỳnh quang ssDNA SsDNA tạo thành cấu trúc xoắn kép tiếp xúc với trình tự bổ sung đích Sự hình thành chuỗi xoắn kép dịch chuyển GO khỏi sợi ssDNA, dẫn đến phục hồi huỳnh quang ❑ Cảm biến sinh học FRET, cảm biến sinh học FET cảm biến sinh học để phát DNA phát triển vật liệu graphenebased Ví dụ, cảm biến sinh học graphene FET pha tạp nitơ để phát VEGF cảm biến sinh học để phát catecholamine (dopamine, epinephrine norepinephrine) phát triển ❑ Các nhà nghiên cứu trường Đại học Illinois Chicago sử dụng thành công graphene, vật liệu tiếng mỏng mạnh nhất, để phát virus SARSCoV-2 phịng thí nghiệm Bước đột phá hữu ích chiến chống COVID-19 biến thể ... hẹn vật liệu tiềm cho ứng dụng đặc biệt linh kiện điện tử cơng suất Graphene có nhiều đặc tính vượt trội silicon có độ bền lớn thép dẫn nhiệt tốt 2.3 Tính chất học ❑ Vật liệu graphen vật liệu. .. ống nano carbon PHẦN 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE I ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ VÀ QUANG HỌC 1.1 Transitor hiệu ứng trường ❑ Transistor hiệu ứng trường hay Transistor trường,... thẳng ? ?ứng vật liệu khác ❑ Thuật ngữ "graphene" sử dụng lần vào năm 1987 để mô tả graphit đơn lẻ thành phần hợp chất xen phủ graphit ❑ Nỗ lực tạo màng mỏng than chì cách bóc tách học bắt đầu vào