Đ ầ J C R Ì ,T M C ^ Ấ J T VÀ MỘT SỐ ^ « UVAKXViW ^kNKttOKHỌCTự NVtttNvk c n g nghê TS NGUYỄN ĐẠI HẢI G IÁ O TRÌNH VẬT LIỆU NANO ĐIỂU CHẾ, TÍNH CHẤT VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG NHÀ XUẤT KHOA HỌC Tự NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU ỨNG DỤNG HỘI ĐỒNG THẨM ĐỊNH GIÁO TRÌNH “VẬT LIỆU NANO: Điều CHẾ, TÍNH CHATVÀ MỘT số ỨNG DỤNG" Chủ tịch Hội đồng: GS.TS Nguyễn Cửu Khoa Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn Phản biện 2: PGS.TS Trần Ngọc Quyển ủy viên: TS Võ Nguyễn Đăng Khoa ủy viên, thư ký: TS Nguyễn Hồng Duy LỜI NĨI ĐẦU Cùng với phát triển vượt bậc công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học nhiều khái niệm lĩnh vực khoa học định hình phát triên Một lĩnh vực ngành công nghệ vật liệu vật liệu nano Đó vật liệu có tính chât quang, điện, tù, xúc tác, khác biệt hồn tồn so vơi dạng vật liệu khối Hiện nay, ậác tài liệu phục vụ giảng dạy vật liệu nano, đặc biệt /3 tính chất, phương pháp tổng hợp phương pháp đánh giá vật liệu nano sở đào tạo đại học vấ sau đại học nước ta chưa đầy đủ, hồn thiện “Vật liệu nano: Điều chế, tính chất m ột số ứng dụng” biên soạn với mục tiêu cung cấp kiến thức nâng cao vê vật liệu nano cho sinh viên đại học đại học chuyên ngành vật liệu hóa ứng dụng Cuốn sách có cấu trúc gơm chương: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tính chất vật liệu nano Chương 3: Điểu chế vật liệu nano Chương 4: Phương pháp đánh giá vật liệu nano Chương 5: Một số ứng dụng vật liệu nano Chương trình bày kiến thức, khái niệm vê lĩnh vực nano Chương trình bày tính chất đặc biệt mà vật liệu cấp độ nano thể Chương trình bày số phương pháp tổng hợp phổ biến tạo vật liệu nano Chương trình bày phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu nano Chương trình bày số ứng dụng vật liệu nano sô' lĩnh vực Y học, tin học, môi trường Tác giả chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ tạo điều kiện để sách hoàn thành Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Cửu Khoa khuyến khích giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để sách sớm hoàn thiện Mặc dù có nhiều cố gắng q trình biên soạn chắn sách không tránh khỏi sơ suất, thiếu sót; tác giả mong nhận ý kiến đóng góp để giáo trình hồn thiện lần tái sau TÁC GIẢ DANH SÁCH Từ VIẾT TẮT ADN Deoxyribonucleic acid (axit đêôxiribônuclêic) AFM Atomic Force Microscope (kính hiển vi lực nguyên tử) Ar Aromatic (vòng thơm) asym asymmetric (bất đối xứng) br broad (rộng) CPU Central Processing Unit (bộ vi xử lý trung tâm) CFC chlorofluorocarbon CNT Carbon Nanotube (ống nano cacbon) CO Carbon monoxide CT Computed tomography (chụp cắt lớp vi tính) CVD Chemical vapour deposition Gắng động pha hóa học) DC Direct current (dòng điện chiều) DCE 1,2-Dichloroethane DDS Drug delivery systems (hệ thống phân phối thuốc) def deformation (biến dạng) DLS Dynamic Light Scattering (tán xạ ánh sáng động) dp depolarised (khử cực) DRAM Dynamic random access m em ory (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) DSC Differential scanning calorimetry (phân tích nhiệt quét vi sai) EPR Enhanced permeability and retention (hiệu ứng tăng cường tính thấm thời gian lưu giữ) GMR Giant M agneto-resistance effect (hiệu ứng từ trở khổng lổ) HDPE High density polyethylene LOC Lab-on-a-chip LSPR Localised surface plasmon resonance (cộng hưởng plasmon bể m ặt cục bộ) m m edium (trung bình) MEMS M icroelectro-m echanical system s (hệ th ống vi điện tử) - MOCVD Metalorganic chemical vapour deposition (CVD kim) mram Magnetoresistive random-access mem ory (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ trở) mRNA mesenger RNA (ARN thông tin) MRI Magnetic resonance imaging (chụp ảnh cộng hưởng từ) NIR Near-infrared spectroscopy (phổ hổng ngoại gẩn) NM Nuclear medicine (y học hạt nhân) OCT Optical coherent tomography (chụp cắt lớp quang học) p polarised (trạng thái phân cực) PCBs Polychlorinated biphenyl PVD Physical vapor deposition (lắng động pha vật lý) PCE Perchloroethylene Tetrachloroethylene PCM Phase change memory (bộ nhớ đảo pha) PET Polyethylene Terephthalate QĐs Quantum dots (chấm lượng tử) RF Radio frequency (tẩn số radio) s strong (mạnh) SDS Sodium dodecyl sulfate SEM Scanning electron microscope (Idnh hiển vi điện tử quét) sh sharp (nhọn) SRAM Static random access memory (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh) STM Scanning tunneling microscope (kính hiến vi quét xuyên hẩm) str stretching (kéo căng) SWNT Single-walled carbon nanotubes (ỗng nano cacbon đơn tường) sym symmetric (đối xứng) TCE T richloroethylene TEM Transmission electron microscope (kính hiển vi điện tử truyển qua) TEOS Tetraethyl orthosilicate TGA Thermal gravimetry analysis (phân tích nhiệt trọng trường) THF Tetrahydrofuran us Ultrasound (siêu âm) ưv Ultra-violet (cực tím tử ngoại) V variable (biến thiên) vib vibration (rung động) VLSI Very-large-scale integration VOCs Volatile organic compounds (hợp chất hữu dễ bay hơi) vs very strong (rất mạnh) w weak (yếu) H-TAS M iniaturised total analysis systems (hệ vi phân tích tổng hợp) uRS Micro-Raman spectroscopy (kính hiển vi ram an) CHƯƠNG GI0I THIỆU Vật liệu nano (nano materials) vật liệu thu hút quan tâm đặc biệt hai thập niên trở lại [1] Sự quan tâm thể rõ qua gia tăng vể số lượng cơng trình nghiên cứu, bảo vệ quycn sở hữu trí iu ộ, tẩn suất xuất phương tiện truyền thơng, báo chí Theo thống kê từ trang khoa học Web of Science (WoS), sở liệu kiến thức thuộc hệ thống ISI Trong giai đoạn từ năm 2000-2015, nghiên cứu khoa học cơng nghệ nano có tốc độ tăng trưởng nhanh Chỉ tính riêng số liệu từ WoS, có 1.118.238 viết nghiên cứu nano, đạt 85,6 % tổng số tài liệu khoa học WoS, 42.714 đánh giá vê' cơng nghệ nano, chiếm 3,3 %, phần cịn lại bao gổm báo hội thảo hội nghị, chương sách, (Hình 1.1) [2], Kết từ phân tích chuyên sâu đến từ ISIindexed nanotechnology articles cho thấy hóa học, vật liệu kỹ thuật vật lý ba thành phần để cập nhiều 218 PHỤ LỤC (tiếp H»eo) 219 PHỤ LỤC (tiếp theo) 3500 3000 2500 2000 !500 1000 220 PHỤ LỤC I (riếp thí©) 221 222 >€* 01“ PHỤ LỤC (tiếp theo) s p o c str 223 224 PHỰ LỤC (trêp theo) 225 1800 1700 PHỤ Lực l(liểp theo) 1600 1500 1400 If00 226 227 1500 1400 PHỤ LỰC I (tiếp theo) 1300 1200 1100 _ 1000 MỤC LỰC LỜI N Ó I Đ Ầ U DANH SÁCH T ữ VIẾT T Ắ T CHƯƠNG G IỚ I T H IỆ U CHƯƠNG T ÍN H C H Ấ T V Ậ T LIỆU N A N O TÍN H CH Ấ T VẬ T LÝ Ở CẤP ĐỘ N A N O 20 TÍN H CH Ấ T H Ĩ A H Ọ C Ở CẤP ĐỘ N A N O 22 CÁC TÍN H CH ẤT ĐẶC BIỆT CỦA VẬT LIỆU N A N O 24 3.1 Tính chất bể m ặ t .24 3.2 N ăng lượng bể m ặt 25 3.3 Các phản ứng liên quan lớn đến tính chất bể m ặt .26 TÍN H CH Ấ T Đ IỆ N .30 TÍN H CHẤT Q U A N G 33 5.1 Sự tương tác ánh sáng vật c h ấ t 33 5.2 Màu sắc tạo từ h ạt cấu trúc nano 35 5.3 M àu sắc hệ keo kim loại 36 5.4 M àu sắc tinh thể nano bán d ẫ n 38 TÍNH CHẤT T Ư 39 TIN H CHẤT C H Ọ C 43 CH Ư ƠN G Đ IỂU CH Ế VẬ T LIỆU NANO PHƯƠNG PHÁP VẬT LỸ 52 1.1 G iới th iệu 52 228 1.2 P h n g p h p h ọ c 53 1.3 P h n g p h p d ự a trê n bay h i 54 1.4 P h ú n x 63 1.5 Lắng đ ọ n g p h a h i h óa h ọ c 66 1.6 Lắng đ ọ n g h ổ q u a n g 69 PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 71 2.1 G iới th iệ u 71 2.2 C hát keo d u n g d ịch keo 72 2.3 M ấm p h t triể n h ạt n a n o 77 2.4 T hợp n a n o kim loại thô n g qua du n g dịch k eo .79 2.5 T hợp n a n o bán dẵn thông qua dung dịch keo.— .80 2.6 P hư ơng p háp vi n h ũ tương (m icroem uỉsicn} 81 2.7 Phư ơng p h áp sol-gel 84 ? Tổng hợp thủy nhiệt 87 2.9 T hợp th ô n g qua siêu âm 88 PH Ư Ơ N G PH Ấ P SINH H Ọ C .90 3.1 Giới th iệ u 90 3.2 T hợp sử dụng vi sinh v ật .91 3.3 T hợp sử dụng chiết xuất từ thực v ậ t 93 T ự LẮP G H É P 94 4.1 Giới th iệu 94 4.2 M ột số ví dụ điển h ìn h 96 CHƯƠNG PH Ư Ơ N G PH Á P Đ n h A g iấ Vậ t l iệ u NANO K ÍN H H IỂN V I 104 KÍNH HIẾN VI ĐIỆN TỬ 104 1.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 104 1.2 Kính hiển vi điện tử truyển qua (TEM ) 113 229 1.3 Kính hiển vi quét xuyên hầm (STM ) 118 KÍNH HIỂN VI Lực NGUYÊN TỬ (A F M ) .124 2.1 Giới th iệ u 124 2.2 Các phận c h ín h 125 2.3 Các chế độ hoạt đ ộ n g 127 B KỸ THUẬT QUANG PHỔ 130 QUANG PHỔ TỬ NGOẠI - KHẢ KIẾN 130 NHIỄU XẠ TIA X .132 2.1 Tia X 132 2.2 Tương tác tia X với vật c h ấ t 136 2.3 Cấu trúc tinh thể định luật Bragg 137 2.4 Mơ hình nhiễu x 139 2.5 Xác định kích thước tinh thể thơng qua đỉnh nhiễu x 140 2.6 Định danh m ột m ẫu vô danh phổ nhiễu xạ tia X 141 QUANG PHỔ RAMAN 146 3.1 Xác định pha hạt n a n o 146 3.2 Xác định cấu trúc nano phổ m icro-Ram an 146 3.3 Định danh cấu trúc hóa học vật liệu .149 C PHƯƠNG PHẤP KHÔNG PHẤT XẠ VÀ PHI ĐIỆN TỬ 151 VI CÂN TINH THỂ THẠCH A N H (Q C M ) 151 1.1 Giới thiệu 151 1.2 Các phận ch ín h 153 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Đ Ộ N G 154 2.1 Giới thiệu 154 2.2 Các phận ch ín h 155 TÁN XẠ ÁNH SÁNG NẢNG ĐỘNG (DLS) 160 3.1 Giới th iệu 160 3.2 Các phận 161 230 CHƯƠNG M Ộ T SỐ Ứ N G D Ụ N G C Ủ A V Ậ T LIỆU N A N O TR O N G LĨNH v ự c Y H Ọ C 166 1.1 Chẩn đ o n 167 1.2 Tạo lập h ình ảnh nguồn b ệ n h 177 1.3 Liệu pháp trị liệu 178 TR O N G LĨNH v ự c MÔI T R Ư Ờ N G 186 2.1 Xử lý ô n hiễm hạt nano kim loại 187 2.2 Xử lý ô n hiễm hạt nano bán d ẫ n 189 2.3 Xử lý ô n hiễm cách sử dụng hạt nano từ tính 190 2.4 H iệu ứng bể mặt sen vật liệu nano làm bế m ặ t .ĩ 92 TRO NG LĨNH v ự c N Ă N G L Ư Ợ N G 192 3.1 N ăn g lượng mặt trời 194 3.2 H ydro 198 TRO NG L lN H v ự c ĐIỆN T Ử - VIỄN TH Ô N G 206 4.1 M ạch tích hợp bán d ẫ n 207 4.2 Thiết bị lưu trữ liệ u 209 PHỤ LỤC 216 231 G IÁ O TRÌNH VẬT LIỆU NANO ĐIỂU CHẾ, TÍNH CHẤT VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG • • NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC T ự NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ Nhà A16 - Sỗ 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Điện thoại: Phòng Phát hành: 04.22149040; Phòng Biên tập: 04.37917148; Phòng Quản lý Tổng hợp: 04.22149041; Fax: 04.37910147; Email: nxb@vap.ac.vn; Website: www.vap.ac.vn C h ịu tr c h n h iệ m x u ấ t b ả n Giám đổc, Tổng bỉên tập TRẨNVẲNSẮC Điên tập: Đinh Như Quang Trình bày kỹ thuật: Vũ Quỳnh Hoa Trình bày bìa: Đinh Thành Đức In 300 cn, khổ 14,5x20,5 cm, Cơng ty CP Khoa học 8c Cơng nghệ Hồng Quỗc Việt Địa chỉ: Sổ 18 Hoàng Quỗc Việt, Cẩu Giấy, Hà Nội Số xác nhận đãng ký xuất bản: 466-2017/CXBIPH/02-07/KHTNVCN Số định xuẫt bản: 23/QĐ-KHTNCN, cấp ngày 19 tháng năm 2017 ISBN: 978-604-913-532-3 In xong nộp lưu chiểu quý II năm 2017