đề tài nghiên cứu chế tạo nano đồng chitosan có khả năng khắng nấm định hướng ứng dụng bảo vệ thực vật

Đặc biệt ngành công nghệ mới nàyđang tạo ra một cuộc cách mạng trong những ứng dụng y sinh học nhờ vào những khảnăng giúp con người can thiệp tại kích thước nano mét, mà tại đó vật liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

KHOA DẦU KHÍ VÀ NĂNG LƯỢNG

BỘ MÔN LỌC – HÓA DẦU

ĐỀ TÀI : Nghiên cứu chế tạo nano đồng chitosan có khả năng khắng nấm định hướng ứng dụng bảo vệ thực vật

Cán bộ hướng dẩn: Ts Vũ Văn Toàn

Sv thực hiện : Kong Rachana

Vũ Thị Nga

Đồng Văn Nghĩa

HN, 5/2024

Mục Lục

Mục Lục 1

MỞ ĐẦU 6

1 Lý do chọn đề tài 6

2 Mục tiêu nghiên cứu 8

4 Phương pháp nghiên cứu 8

Phương pháp thực nghiệm 8

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 9

6 Bố cục của nghiên cứu 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO 10

1.1.1 Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano 10

a Nguồn gốc của công nghệ nano 10

b Khái niệm trong công nghệ nano 10

1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano 11

Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [4],[41] 12

1.1.3 Vật liệu nano 13

a Khái niệm 13

b Phân loại vật liệu nano [4], [41] 14

c Nguyên nhân tính chất mới lạ của vật liệu nano 14

1.1.4 Ứng dụng của vật liệu nano 15

a Công nghệ nano với vấn đề sức khoẻ và y tế 16

b Công nghệ nano với vấn đề năng lượng 16

c Công nghệ nano với vấn đề môi trường 17

d Công nghệ nano với công nghệ thông tin [3], [6] 17

e Công nghệ nano trong cơ khí, vật liệu, điện tử [3], [6] 18

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano 19

a Phương pháp đi từ trên xuống (top-down) [2], [8] 19

b Phương pháp đi từ dưới lên (bottom-up) 19

1.2 HẠT NANO ĐỒNG 21

1.2.1 Giới thiệu về đồng kim loại 21

a Tổng quát 21

b Tính chất nguyên tử và điện tử 22

c Tính chất vật lý [7], [10] 22

d Tính chất hóa học [7], [10] 23

e Vai trò sinh học 24

g Phòng ngừa 24

1.2.2 Đặc tính kháng khuẩn của đồng 25

1.2.3 Khả năng và cơ chế kháng khuẩn của đồng 26

1.2.4 Giới thiệu về hạt nano đồng 28

1.2.5 Các phương pháp chế tạo hạt nano đồng 29

a Phương pháp khử hóa học 29

b Phương pháp thủy nhiệt (sovothermal) 30

c Phương pháp quang hóa 30

d Phương pháp điện hóa 31

e Phương pháp nhiệt nhân 31

g Phương pháp có hỗ trợ nhiệt vi sóng 32

h Phương pháp sinh học 32

1.2.6 Tính chất của hạt nano đồng 33

a Tính chất quang [4], [41] 33

b Tính chất điện [4], [41] 34

c Tính chất nhiệt [4], [41] 34

d Tính chất từ [4], [41] 35

e Tính chất xúc tác 35

Hình 1.10 Sự phân bố của các nguyên tử trên bề mặt so với tổng nguyên tử có trong hạt 35

1.2.7 Ứng dụng của hạt nano đồng 36

a Làm chất xúc tác 36

b Làm mực in để in các bảng mạch điện tử 37

Hình 1.12 Máy in phun công nghiệp đầu tiên và mực in nano đồng phát triển bởi Samsung Electro-Mechanics 38

c Hạt nano đồng được dùng trong thiết bị cảm biến 38

Hình 1.13 Hơi nước gặp bề mặt Cu/C tạo ra dãy màu sắc (c-f) và hơi ethanol tiếp xúc với bề mặt Cu/C cũng tạo ra dãy màu sắc (a-b) 38

d Nano đồng được dùng làm lưới lọc 38

e Nano đồng sử dụng làm chất kháng khuẩn 39

1.3 TỔNG QUAN VỀ CHÈ XANH 39

1.3.1 Đặc điểm cây chè 39

1.3.1.1 Giới thiệu 39

- Cây chè thuộc ngành hạt kín Angiospermae, lớp song tử diệp Dicotyledonae, 39

- bộ Theales, họ Theaceae, chi chè Camellia (Thea), loài Camellia (Thea) sinensis 39

- Tên Việt Nam: cây chè 39

- Tên khoa học của cây chè được nhiều nhà khoa học công nhận là: Camellia sinensis (L) O Kuntze và có tên đồng nghĩa là: Thea sinensis L 39

1.3.1.2 Mô tả cây chè 39

1.3.1.3 Phân bố và sinh thái 40

1.3.2 Ứng dụng cây chè trong y học dân gian và hiện đại 40

1.3.2.1 Y học dân gian 40

1.3.2.2 Y dược học và hóa sinh học hiện đại 40

1.3.3 Một số thành phần chính của chè 43

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 44

2.1 NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 44

2.1.1 Nguyên liệu 44

2.1.2 Dụng cụ và hóa chất 44

a Dụng cụ và thiết bị 44

b Hóa chất 44

2.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HÓA LÝ 45

2.2.1 Xác định độ ẩm 45

2.2.2 Xác định hàm lượng tro 46

2.3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ TRÀ XANH 46

2.3.1 Khảo sát thời gian chiết 46

2.3.2 Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng 47

2.4 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO NANO ĐỒNG 47

2.4.1 Khảo sát nồng độ dung dịch đồng sunfat 47

2.4.2 Khảo sát tỉ lệ thể tích dịch chiết lá trà xanh 48

2.4.3 Khảo sát pH môi trường tạo nano đồng 48

2.4.4 Khảo sát nhiệt độ tạo nano đồng 48

2.5 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP HẠT NANO ĐỒNG 48

2.6 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẢN PHẨM 49

2.6.1 Phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS) 50

2.6.2 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 51

Hình 2.4 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, tính tuần hoàn dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ 52

2.7 PHƯƠNG PHÁP THỬ KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA DUNG DỊCH KEO NANO ĐỒNG 52

2.7.1 Môi trường nuôi cấy vi khuẩn 52

a Cách pha chế môi trường 52

b Cấy vi khuẩn lên môi trường 53

2.7.2 Cách tiến hành thử khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo nano

đồng 53

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54

3.1 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HÓA LÝ 54

3.1.1 Xác định độ ẩm 54

3.2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ TRÀ XANH 54

3.2.1 Khảo sát thời gian chiết 54

3.2.2 Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng 55

3.3.KẾT QUẢ SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO NANO ĐỘNG 56

3.3.1 khảo sát nồng độ dung dịch đồng sùnat 56

3.3.2 Khảo sát pH môi trường tạo nano đồng 57

3.3.3 Khảo sát nhiệt độ tạo nano đồng 58

3.4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HẠT NANO ĐỒNG 59

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong vòng 20 năm qua công nghệ nano luôn là ngành khoa học mũi nhọn, đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của các ngành khoa học Công nghệ nano đã có những ứng dụng to lớn và hữu ích trong các ngành điện tử, năng lượng, y học,

mỹ phẩm và còn đi xa hơn nữa trong nhiều lĩnh vực Đặc biệt ngành công nghệ mới này đang tạo ra một cuộc cách mạng trong những ứng dụng y sinh học nhờ vào những khả năng giúp con người can thiệp tại kích thước nano mét, mà tại đó vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt và lý thú

Chế tạo hạt nano có kích thước theo yêu cầu (1 - 100 nm) và phân bố hẹp là mục tiêucủa các công trình nghiên cứu Vì, trong vật liệu nano thì thông số kích thước là rất quantrọng ảnh hưởng đến đặc tính của chúng do sự thay đổi diện tích tiếp xúc bề mặt

Trong công nghệ nano, nghiên cứu các hạt nano là một khía cạnh quan trọng Mà tiêubiểu là các hạt nano kim loại như hạt nano Au, Ag, Pt, Cu, Các hạt nano kim loại thểhiện những tính chất vật lý, hóa học, sinh học khác biệt và vô cùng quý giá, đặc biệt làtính kháng khuẩn Hạt nano được sử dụng sớm và có nhiều ứng dụng trong việc khángkhuẩn là các hạt nano kim loại quý như vàng, bạc Nhưng với chi phí tổng hợp tốn kém,giá thành cao thì việc sử dụng nano vàng, bạc trên một quy mô lớn là khó có thể thựchiện được Trong khi đó đồng là một kim loại khá dồi dào, phổ biến, rẻ tiền và dễ tìmthấy trong tự nhiên Các nghiên cứu gần đây cho thấy các hạt nano đồng được chế tạo racũng mang những tính năng ưu việt không kém gì các hạt nano vàng, bạc, đặc biệt làtính kháng khuẩn Chính vì vậy, hạt nano đồng đang nhận được sự quan tâm lớn của cácnhà nghiên cứu

Có rất nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp các hạt nano đồng, trong đó sự pháttriển của quá trình tổng hợp sinh học của các hạt nano đồng sử dụng chiết xuất thực vậtđóng một vai trò quan trọng bởi đó là con đường ít tốn kém, thân thiện với môi trường vàkhông liên quan đến bất kỳ hóa chất độc hại Đặc biệt đây là phương pháp tổng hợp đượccác hạt nano sạch, an toàn để ứng dụng trong các lĩnh vực y sinh học Trong khi đó tổnghợp các hạt nano bằng các phương pháp hóa học khác có thể dẫn đến sự hiện diện củamột số loại hóa chất độc hại trên bề mặt của các hạt nano, làm hạn chế và gây ra các táchại không mong muốn khi ứng dụng trong y sinh học [11] Chính vì vậy, để tăng cườngmối quan tâm đến vấn đề môi trường, giảm chi phí tổng hợp và đặc biệt là tạo ra đượcnhững hạt nano sạch để ứng dụng vào lĩnh vực y sinh học Trong đề tài này chúng tôihướng đến phương pháp tổng hợp các hạt nano đồng sử dụng chiết xuất thực vật để thaythế cho các phương pháp hóa học và vật lý tốn kém khác

Cây chè xanh (Camellia sinenssis) là loài cây có ở nhiều nơi trên đất nước ta, dễ trồng,phát triển tốt, được đánh giá cao về chất lượng và thành phần, đồng thời quá trình thumua cũng dễ dàng

Tính đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về cây chè bao gồm các lĩnh vựcchiết tách, xác định thành phần hóa học các hợp chất hữu cơ đã chứng minh trong cácloại thực vật này có chứa các có chứa nhiều flavanoid, diterpenoid, phytosterol vàphytoalexin Chúng có những thành phần khử hiệu quả cũng như chất ổn định nanođồng tạo thành

Cùng với việc gia tăng không ngừng của các loại vi khuẩn gây bệnh đang đe dọacuộc sống của con người và các sinh vật khác thì việc nghiên cứu chế tạo sản phẩmmới có thể kháng khuẩn như nano vàng, bạc để dần thay thế cho hạt nano vàng, bạc làhướng đi mới và cấp thiết

Với những lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu với nội dung “Nghiên cứu tổng hợp nano đồng từ dung dịch Cu 2+ bằng dịch chiết nước lá chè và ứng dụng làm chất kháng khuẩn”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá khả năng tổng hợp nano đồng từ dung dịchCuSO4 bằng tác nhân khử làdịch chiết nước lá bàng

- Xây dựng quy trình tổng hợp hạt nano đồng từ dung dịchCu2+ bằng dịch chiết thựcvật

- Thử tác dụng kháng khuẩn của hạt nano đồng tổng hợp được để ứng dụng làm chất

kháng khuẩn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Lá chè xanh (Camellia sinenssis ) được thu mua tại chợ Nông Lâm , HN

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

- Thu thập tổng hợp tài liệu, tư liệu và các thông tin tài liệu liên quan đến đề tài

- Tìm hiểu các phương pháp thực nghiệm sử dụng trong quá trình nghiên cứu

- Xử lý các thông tin về lý thuyết có thể sử dụng được để đưa ra các vấn đề cần thực

hiện trong quá trình thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp chiết tách: phương pháp chưng ninh sử dụng dung môi là nước

- Phương pháp xác định các thông số hóa lý: xác định độ ẩm, hàm lượng tro

- Phương pháp phân tích công cụ: phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử VIS)

(UV Phương pháp đo TEM, EDX, XRD

- Phương pháp khảo sát khả năng kháng khuẩn của hạt nano đồng trên các loại vi

khuẩn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nghiên cứu này giúp cho chúng ta hiểu biết rõ hơn về phương pháp điều chế hạtnano đồng bằng phương pháp hóa học xanh, an toàn, ít tốn kém

- Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có rất nhiều ở nước ta là lá chè xanh , để tổng hợphạt nano đồng

- Trên cơ sở của nghiên cứu này có thể tiến hành tổng hợp nano đồng trên quy mô

lớn, từ đó sản xuất chất kháng khuẩn và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác

6 Bố cục của nghiên cứu

Chương 1 - TỔNG QUAN

Chương 2 - NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO

1.1.1 Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano

a Nguồn gốc của công nghệ nano

Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra năm 1959 bởi nhà vật lý học người MỹRichard Feynman (Viện kỹ thuật Massatchusets-MIT) Ông đề ra một thuyết táo bạo:

“Thay vì phân chia vật chất, tại sao chúng ta không đi từ cái vô cùng nhỏ?” Từ đó ôngcho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên

tử và sâu hơn nữa

Mười năm sau, Eric Drexler lần đầu tiên đưa ra thuật ngữ “Nanotechnology” - côngnghệ nano Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm

1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đềcập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử Năm 1985, hai nhà nghiêncứu Gerd Bining (Đức) và Heinrich Rohrer (Thụy Sỹ) tạo ra kính hiển vi, có khả năngnhìn những vật chỉ nhỏ bằng 1/25 kích thước phân tử Đây là phương tiện đầu tiên

“nhìn” thấy vật liệu nano Một năm sau, họ đoạt giải Nobel

Năm 1990, một nhà nghiên cứu của hãng IBM Don Eigler đạt được những thành công

từ kỹ thuật NANO, là vẽ lại được biểu tượng của nhiều công ty bằng những dạng vậtchất siêu nhỏ, từ kỹ thuật siêu nhỏ Từ đó NANO xem như được công chúng biết đến[2], [44]

b Khái niệm trong công nghệ nano

Định nghĩa về khoa học nano dựa trên tiền tố “nano” của tiếng Hy Lạp có nghĩa là nhỏxíu, rất nhỏ Dưới dạng kỹ thuật, nano có nghĩa là bằng một phần tỉ của một cái gì đó

10-9 (1/1000000) Ví dụ : nanogam = 1 phần tỷ của gam ; nanomét = 1 phần tỷ mét Cónhiều cách khác nhau để định nghĩa công nghệ nano:

Viện công nghệ Nano Anh quốc (Institute of Nanotechnology) định nghĩa Nano là

“một ngành khoa học và công nghệ mà ở đó các kích thước từ 0,1nm tới 100nm đóngvai trò chủ đạo”

Chương trình Nano quốc gia của Mỹ NNI định nghĩa công nghệ nano phải bao hàm:

- Nghiên cứu và phát triển công nghệ ở cấp độ phân tử với kích thước khoảng 1-100

nm

- Tạo ra và sử dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và chức năngmới do kích thước cực nhỏ

- Có khả năng kiểm soát và thao tác ở cấp độ nguyên tử [2], [6] Theo Website của

United Stales National Nanotechnology Initiative thì đưa ra định nghĩa như sau:

“Công nghệ nano là xử lý thông tin và kiểm soát vật chất ở các chiều xấp xỉ từ 1đến 100 nm, nơi mà những hiện tượng khác thường xảy ra có khả năng cho phépnhững ứng dụng mới lạ” [8]

Một cách tổng quát khoa học và công nghệ nano là khoa học và công nghệ nhằm tiếpcận, tạo ra các vật liệu, linh kiện và hệ thống có các tính chất mới nổi trội nhờ vào kíchthước nano mét, đồng thời hiểu được và điều khiển được các tính chất và chức năngcủa chúng khi ở kích thước nano mét Công nghệ nano là một khoa học liên ngành, là

sự kết tinh của nhiều thành tựu khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau (bao gồm toánhọc, vật lý, hoá học, y-sinh học…) và là một ngành công nghệ có rất nhiều tiềm năng

1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Khoa học nano nghiên cứu các vấn đề cơ bản của vật lý học, hóa học, sinh học của cáccấu trúc nano Dựa trên các kết quả của khoa học nano đi đến nghiên cứu ứng dụng cấu

trúc nano Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau:

- Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô

gồm rất nhiều nguyên tử , các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiềunguyên tử (1 μmm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giángngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử

thể hiện rõ ràng hơn [2], [44]

- Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số nguyên tử trên bề mặt và

tổng số nguyên tử (gọi là tỉ số f) của vật liệu gia tăng (bảng 1.1) Do nguyên tử trên

bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên tronglòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến cácnguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng Khi kíchthước của vật liệu giảm đến nano mét thì giá trị f này tăng lên đáng kể Hiệu ứng bềmặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng

lớn và ngược lại Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyềnthống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua Vì

vậy việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng [2], [44]

Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [4],[41]

Đường kính

hạt nano (nm)

Số nguyêntử

Tỉ số nguyên tửtrên bề mặt (%)

Năng lượng bềmặt (erg/mol)

Năng lượng bề mặt/năng lượng tổng(%)

- Kích thước tới hạn (hiệu ứng kích thước):

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếuvật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Người tagọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó

có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu Kích thước

tới hạn của một số tính chất của vật liệu được thống kê trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Kích thước tới hạn của một số tính chất của vật liệu [4],[41]

Vật liệu nano là đối tượng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano Về trạng tháingười ta chia vật liệu thành ba trạng thái rắn, lỏng, khí Hiện nay, vật liệu nano đượcnghiên cứu chủ yếu ở trạng thái rắn Vật liệu nano có thể là những tập hợp của cácnguyên tử kim loại hay phi kim (được gọi là Cluster) hay phân tử của các oxit, sunfua,nitrua, borua,… có kích thước trong khoảng từ 1 đến 100 nm Đó cũng có thể là nhữngvật liệu xốp với đường kính mao quản nằm trong giới hạn tương tự (zeolit, photphat,cacbonxylat kim loại,…)

Vật liệu ở thang đo nano bao gồm các lá nano, sợi nano, ống nano và hạt nano Ở kíchthước nano vật liệu có những tính năng đặc biệt mà vật liệu khối không có được đó là

do sự thu nhỏ kích thước dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt [2], [6]

b Phân loại vật liệu nano [4], [41]

* Phân loại theo hình dáng của vật liệu: đặt tên số chiều không bị giới hạn ở kích

thước nano mét

- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ đám nano,hạt nano

- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều tự do, hai chiều có kíchthước nano, ví dụ dây nano, ống nano

- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều tự do, một chiều có kích thướcnano, ví dụ màng mỏng (có chiều dày kích thước nano)

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phầncủa vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều,hai chiều đan xen

* Phân loại theo tính chất vật liệu: thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano

- Vật liệu nano kim loại

- Vật liệu nano bán dẫn

- Vật liệu nano từ tính

- Vật liệu nano sinh học

c Nguyên nhân tính chất mới lạ của vật liệu nano

Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi nhấttrong khoa học vật liệu ngày nay là do đối tượng của chúng là vật liệu nano có nhữngtính chất kì lạ khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên cứutrước đó Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ

bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu Vậtliệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Đốivới vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu,nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từnguyên nhân này [2], [6], [44]

1.1.4 Ứng dụng của vật liệu nano

Được đánh giá như một phát minh thế kỷ, công nghệ nano đang dần làm biến đổi cuộcsống của con người trên tất cả các lĩnh vực, từ y học bảo vệ sức khỏe, bảo vệ môitrường đến các chuyến bay vào vũ trụ Điều đó được thể hiện bằng số các công trìnhkhoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học,

công nghệ nano tăng theo cấp số mũ Sản phẩm từ vật liệu nano có nhiều tính năng ưuviệt, có ý nghĩa quan trọng và cực kỳ hấp dẫn vì những lí do sau đây:

- Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi cácbiến đổi trong phạm vi thang nano Do đó, khi làm thay đổi cấu hình trong thangnano của vật liệu ta có thể “điều khiển” được tính chất của vật liệu mà không phảithay đổi thành phần hóa học của chúng Ví dụ, thay đổi kích thước của hạt nano sẽlàm chúng đổi màu ánh sáng phát ra hoặc thay đổi các hạt nano từ tính để chúngtrở thành một đômen thì tính chất từ của chúng thay đổi hẳn

- Vật liệu nano có diện tích mặt ngoài rất lớn nên rất lý tưởng dùng vào chức năngxúc tác cho các hệ phản ứng hóa học, hấp phụ, nhả thuốc chữa bệnh từ từ trong cơthể, lưu trữ năng lượng và liệu pháp thẩm mỹ

- Vật liệu có chứa các cấu trúc nano có thể cứng hơn nhưng lại bền hơn vật liệukhông hàm chứa cấu trúc nano Các hạt nano phân tán trên một nền thích hợp cóthể tạo ra các vật liệu compozit siêu cứng

- Tốc độ tương tác và truyền tín hiệu giữa các cấu trúc nano nhanh hơn giữa các cấutrúc micro rất nhiều và có thể sử dụng các tính chất siêu việt này để chế tạo các hệthống nhanh hơn với hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn - Vì các hệ sinh học

về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano nên các bộ phận nhân tạo dùng trong tếbào có tổ chức cấu trúc nano bắt chước tự nhiên thì chúng sẽ tương hợp sinh học.Điều này cực kỳ quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe

Vì vậy công nghệ nano đã nhanh chóng thâm nhập các ngành công nghiệp và mọi lĩnh

vực đời sống

a Công nghệ nano với vấn đề sức khoẻ và y tế

Việc ứng dụng thành tựu của công nghệ nano vào y tế, bảo vệ sức khoẻ sẽ tạo ra bướcnhảy vọt mới của thị trường dịch vụ y tế và thiết bị y tế Nó làm tăng tốc độ và hiệuquả trong chuẩn đoán, điều trị bệnh Với công nghệ này, người ta đã chế tạo được cácthiết bị siêu nhỏ và đủ “thông minh” để đưa thuốc đến đúng địa chỉ cần thiết trong cơthể, hay có thể can thiệp lên các tổ chức tế bào trong cơ thể để có thể đảm bảo thuốckhông ảnh hưởng đến những tế bào khoẻ mạnh gây tác dụng phụ nguy hiểm

Một lĩnh vực mới của công nghệ nano đang được phát triển là chế tạo các vật liệunano có tính chất mô phỏng sinh học, từ đó có thể thay thế, sửa chữa được các mô

hỏng trong cơ thể con người Hạt nano vàng được dùng để truyền dẫn thuốc được mô

tả ở hình 1.1

Hình 1.1 Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc

Gần đây, các nhà khoa học thuộc Memorial Sloan - Kettering Center tại New York đãthành công trong việc chế tạo một thiết bị nano bé xíu, mắt thường không nhìn thấyđược mà khi thả vào cơ thể con người - nó có chức năng săn lùng các tế bào ung thư.Thiết bị này được trang bị kháng thể, có nhiệm vụ nhận dạng các tế bào ung thư và cáchạt nguyên tử actinium, nó thâm nhập vào nhân của tế bào ung thư và lúc đó các hạtnguyên tử actinium tiến hành “bắn phá” tiêu diệt các tế bào này

Các nhà khoa học thuộc trường đại học Canifornia, San Diego đã tạo ra những miếngxốp rất nhỏ mô phỏng những tế bào hồng cầu và có khả năng hút các độc tố gây chếtngười bao gồm nọc rắn và vi khuẩn ra khỏi máu [42]

b Công nghệ nano với vấn đề năng lượng

Để giải quyết vấn đề năng lượng - một thách thức nghiêm trọng trong thế kỉ này, người

ta đã thu được nhiều kết quả khả quan từ công nghệ nano

Các loại pin mặt trời với hiệu suất cao, giá thành giảm, chất xúc tác nano để nâng caohiệu suất chuyển năng lượng của hyđrocacbon thành nhiệt năng, vật liệu nano để chếtạo các loại vật liệu điện từ mới, các thiết bị điều khiển mới nhằm tiết kiệm năng lượng

đã xuất hiện

Nhờ công nghệ nano, những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo sẽ giúp conngười sản xuất năng lượng sạch Với công nghệ nano, người ta cũng có thể chế tạo ranhững thiết bị ít tiêu tốn năng lượng hơn do sử dụng những loại vật liệu nhỏ nhẹ hơn.Hơn nữa, các màng nano (với chi phí sản xuất rất thấp) hứa hẹn có thể hấp thụ được

nhiều năng lượng mặt trời hơn quang điện hiện nay và có thể khởi động cho một cuộccách mạng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời Công nghệ nano mở ra con đườngmới đầy hứa hẹn trong việc tạo ra tế bào năng lượng mặt trời không tốn kém cũng nhưcải tiến hiệu suất và giảm giá thành của tế bào nguyên liệu, được xem là nguồn năng

lượng cho xe hơi và xe tải trong tương lai [43]

c Công nghệ nano với vấn đề môi trường

Để giải quyết những vấn đề môi sinh, người ta có thể tạo ra những màng lọc các phân

tử gây ô nhiễm nhỏ bé nhất, công nghệ nano này giờ đây đang được áp dụng khá phổbiến ở Pháp để lọc nước thải [43]

Các chất làm sạch môi trường cũng đang là vấn đề được quan tâm Các loại hạt nanohoạt tính cao có thể hấp thụ hoặc vận chuyển chất gây ô nhiễm thành dạng keo huyềnphù hoặc sol khí Các hạt này cũng có thể tham gia vào các quá trình hoá học phức tạptrong khí quyển hoặc trong đất mà ta có thể lựa chọn để khắc phục hoặc làm giảm nhẹcác thảm họa ô nhiễm môi trường

Công nghệ nano tiềm năng là “một giấc mơ xanh nhân đôi” Với công nghệ nanochúng ta có thể tạo ra những sản phẩm và quy trình xanh ngay từ lúc ban đầu Côngnghệ nano cho phép chúng ta thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuấttruyền thống gây ô nhiễm môi trường bằng những hóa chất, vật liệu và những quy trìnhthân thiện với môi trường hơn

d Công nghệ nano với công nghệ thông tin [3], [6]

Sự ra đời của máy tính điện tử đã mở ra cuộc cách mạng khoa học công nghệ thông tinvới những bước phát triển đột phá trong những thập niên cuối thế kỉ XX cho đến nay.Tuy nhiên, các linh kiện máy tính sử dụng công nghệ này đã tiệm cận giới hạn lýthuyết và tiếp tục phát triển, chúng trở nên quá đắt đỏ Nếu không tìm ra được biệnpháp thay thế hữu hiệu các linh kiện cũ này thì sẽ không thể đáp ứng được nhu cầu của

bộ nhớ ngày càng lớn theo tốc độ phát triển rất nhanh của công nghệ thông tin Từ đâycông nghệ nano ra đời, đã đưa ra một giải pháp tuyệt vời cho bài toán hóc búa này Đóchính là chấm lượng tử Chấm lượng tử là một hạt (bán dẫn, kim loại, polyme) có bánkính cỡ vài nanomét Người ta đã nghiên cứu và chế tạo được các chíp máy tính vớicác chấm lượng tử gọi là chíp nano có độ tích hợp rất cao, triển vọng cho phép tăngdung lượng bộ nhớ của máy tính, có thể chứa thông tin từ tất cả các thư viện trên thếgiới trong thiết bị nhỏ như một viên đường

Công nghệ nano cũng được ứng dụng trong chế tạo các linh kiện quang điện tử trongcác màn hình tinh thể lỏng, thiết bị phát tia laze, với độ chính xác cỡ vài nano mét.Nhiều phòng thí nghiệm đang bắt tay vào nghiên cứu thế hệ máy tính nano, máy tính

có các chi tiết được thiết kế bằng việc sắp xếp những nguyên tử mới có khả năng lưugiữ (chứa được nhiều terabyte thông tin), xử lý thông tin với tốc độ lớn hơn hiện nay

rất nhiều lần và đặc biệt là giá thành rẻ

e Công nghệ nano trong cơ khí, vật liệu, điện tử [3], [6]

Công nghệ nano hiện nay tập trung nghiên cứu mạnh trong lĩnh vực vật liệu Việc tìm

ra những vật liệu mới với tính năng cơ-lí-hoá đặc biệt để ứng dụng trong cơ khí, xâydựng đang là lĩnh vực nghiên cứu mạnh nhất trong ngành khoa học này

Các ống nano cũng có thể làm sợi tóc thắp sáng bóng đèn, do vậy mà chúng đang đượcphát triển để thay thế các bóng điện, các bảng hiển thị thông tin, màn hình máy tính,điện thoại di động Các ống nano cũng cực kỳ vững chắc, có sức mạnh gấp mười lầnthép và đặc biệt là kháng nhiệt, điều này có thể giúp con người sản xuất ra hàng loạtthiết bị cho ngành sản xuất xe hơi, máy bay và tàu vũ trụ Các tập đoàn đang tham gialĩnh vực này là Hewlet Parkard, IBM, Intel, Nano-Proprietary, Natero, NVE, Samsung,Zettacore, General Motors và Ford

Đặc biệt, công nghệ nano trong tương lai còn có thể cho phép tạo ra những vật liệu gầngiống với vật liệu trong cơ thể con người nhằm thay thế những phần cơ thể bị hỏng củacon người Các công ty đang phát triển công nghệ này là BioPhan, General Electrics,

Johnson & Johnson, LabNow, Nanokinetics, NASA và Quantum Dot

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano

Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để tổng hợp vật liệunano như vật lý, hóa học, sinh học, nhưng xét một cách tổng thể thì chỉ có hai

phương pháp chung: phương pháp đi từ trên xuống và phương pháp đi từ dưới lên

a Phương pháp đi từ trên xuống (top-down) [2], [8]

Phương pháp đi từ trên xuống là phương pháp dùng kỹ thuật nghiền hoặc biến

dạng để biến các vật liệu đến kích thước nano

* Phương pháp nghiền

Vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rấtcứng và đặt trong cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung, nghiền quay Các

viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là

vật liệu nano không chiều

* Phương pháp biến dạng

Phương pháp biến dạng có thể là đùn thủy lực, tuốt, cán ép Nhiệt độ có thểđược điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độphòng thì gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì gọi là biếndạng nguội Kết quả thu được là các hạt nano một chiều hoặc hai chiều

Nhìn chung phương pháp đi từ trên xuống là phương pháp đơn giản, rẻ tiềnnhưng hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu Tuy nhiên tính đồng nhấtcủa vật liệu không cao và do vậy phương pháp đi từ trên xuống ít được dùng để điều

chế vật liệu nano so với phương pháp đi từ dưới lên

b Phương pháp đi từ dưới lên (bottom-up)

Ngược với phương pháp đi từ trên xuống, phương pháp đi từ dưới lên hìnhthành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion

Ưu điểm của phương pháp này là tổng hợp được vật liệu nano với kích thướcnhỏ, đồng đều Phần lớn các vật liệu nano hiện nay được điều chế từ phương pháp này

Nó có thể là phương pháp vật lý, hoá học hoặc kết hợp cả hai phương pháp

* Phương pháp vật lý [2], [8]

Đây là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha

- Phương pháp chuyển pha

Vật liệu được đun nóng rồi làm nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái

vô định hình Sau đó tiến hành xử lý nhiệt để xảy ra quá trình chuyển pha từ vô địnhhình sang tinh thể (phương pháp làm nguội nhanh)

-Phương pháp bốc bay nhiệt

Vật liệu được đốt “phương pháp đốt” hoặc dùng tia bức xạ hoặc phóng điện hồquang làm cho bay hơi Sau khi ngưng tụ hơi ta sẽ thu được các hạt bột mịn có kích

thước nano

* Phương pháp hoá học [2], [8]

Phương pháp hoá học là phương pháp chế tạo vật liệu nano từ các ion hoặcnguyên tử Đây là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp vật liệu nano

Ưu điểm của phương pháp này là có thể tổng hợp được tất cả các dạng của vậtliệu nano như dây nano, ống nano, hạt nano, thậm chí là cả các cấu trúc nano phức tạp

mô phỏng sinh học Hơn nữa, phương pháp này còn cho phép can thiệp để tạo ra cácvật liệu nano với kích thước nhỏ như mong muốn với độ đồng đều cao

- Phương pháp sử dụng các hạt nano có sẵn trong tự nhiên

Các chất có sẵn trong tự nhiên như zeolit, các hạt sét, các phân tử sinh học,… córất nhiều các lỗ nhỏ với kích thước nanomet Các chất này vì thế có thể làm khuôn

phản ứng tổng hợp vật liệu nano,…

* Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng các tác nhân là các vi sinh vậtnhư vi rút, vi khuẩn, nấm hoặc chiết xuất thực vật có khả năng khử ion kim loại tạonguyên tử kim loại với kích thước nano [12]

- Sử dụng vi sinh vật

Các tác nhân sinh học thường là: các vi khuẩn MKY3, các loại nấm verticillium,

aspergillus [32], penicillium citrinum, penicillium waksmanii, penicillium aurantiogriseum [26] Cơ chế tạo hạt nano kim loại từ vi sinh vật được thể hiện ở hình

1.2

- Sử dụng chiết xuất thực vật

Chiết xuất thực vật thường chứa các chất khử như phenol, alkaloid, terpenoid,flavanoids, tannin, quinines và các chất này sẽ khử ion kim loại thành hạt nano.Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường, không độc hại [11], [12]

Hình 1.2 Cơ chế tạo hạt nano kim loại từ vi sinh vật

1.2 HẠT NANO ĐỒNG

1.2.1 Giới thiệu về đồng kim loại

a Tổng quát

Đồng được kí hiệu là Cu, nằm ở ô thứ 29, thuộc phân nhóm phụ nhóm IB, chu

kỳ 4 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học

Cấu hình electron của nguyên tố đồng ở lớp ngoài cùng là 3d10 4s1

Trong thiên nhiên đồng có hai đồng vị bền là 63Cu (70.13%) và 65Cu(29.87%) Trong tự nhiên, Cu chiếm khoảng 0.003% trữ lượng trong vỏ trái đất Cuđược phân bố rộng rãi ở cả dạng tự do và dạng hợp chất Phổ biến nhất vẫn là cáckhoáng vật chứa đồng như: quặng cancozin Cu2S (79.8% Cu); Cuprit Cu2O (88.8%Cu); covelin CuS (66.5% Cu); cancopirit CuFeS2 (34.57% Cu) và malachitCuCO3.Cu(OH)2 [7], [10]

b Tính chất nguyên tử và điện tử

- Khối lượng

- Bán kính nguyên tử: 1,28 Ao

- Độ âm điện (theo thang Pauling): 1,9

- Bán kính Van der Waals: 1,4 Ao

Hình 1.4 Cấu hình electron của đồng

c Tính chất vật lý [7], [10]

Đồng là kim loại nặng, mềm, có ánh kim, màu đỏ và tương đối phổ biến Một số hằng

số vật lý của đồng được thống kê ở bảng 1.3

Nhiệt thăng hoa (KJ/mol)

Tỷ khối

Độ cứng thang Moxo

Độ dẫn điện Hg=1

Độ dẫn nhiệt Hg=1

Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt thăng hoa của đồng cao hơn nhiều sovới hầu hết các kim loại nhóm A vì tham gia trong liên kết kim loại không chỉ có cácelectron s mà có cả các electron d nữa Là kim loại dẫn điện, dẫn nhiệt tốt đứng thứ haichỉ sau bạc Đồng cũng vượt xa các kim loại khác về tính dẻo, dễ dát mỏng và dễ kéo

sợi

Khi đun nóng trong không khí ở nhiệt độ 130oC đồng tạo nên ở bề mặt một lớp màng

Cu2O; ở 200oC tạo một lớp hỗn hợp oxit Cu2O và CuO; ở nhiệt độ cao hơn 200oC,

đồng cháy tạo nên CuO và cho ngọn lửa màu lục * Tác dụng với phi kim

Đồng có thể tác dụng với F, Cl, S, C, P, … khi được đun nóng tạo ra các muối tươngứng

e Vai trò sinh học

Đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao Hợp chất

của đồng là cần thiết đối với quá trình tổng hợp hemoglobin và photpholipit Sự thiếuđồng gây nên bệnh thiếu máu Ngoài ra, đồng cũng được tìm thấy trong một số loại

enzyme, protein và là kim loại trung tâm của hemocyanin, một chất chuyên chở oxy Máu của cua móng ngựa (cua hoàng đế) Limulus polyphemus sử dụng đồng thay vì sắt

để chuyên chở oxy

Theo tiêu chuẩn RDA (Recommended Daily Allowance - tổ chức quy định tiêu chuẩn

về lượng cho phép tiêu thụ mỗi ngày của từng chất dinh dưỡng) của Mỹ về đồng đốivới người lớn khỏe mạnh là 0,9 mg/ngày Trong cơ thể người, đồng được vận chuyển

chủ yếu trong máu bởi protein trong huyết tương gọi là ceruloplasmin Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới gan bằng liên kết với albumin Trong máu của động vật bậc thấp (ốc, sò và động vật thân mềm) có chất màu là hemocyanin, chứa

đồng và có chức năng như hemoglobin ở trong máu của động vật có xương sống Bệnh Wilson là một căn bệnh sinh ra do đồng hấp thụ không được chuyển tới gan màtích trữ lại trong cơ thể Căn bệnh này nếu không được điều trị kịp thời, có thể dẫn đếncác tổn thương não và gan

Theo kết quả một số công trình nghiên cứu về y khoa gần đây thì những người mắc

bệnh về thần kinh như bệnh schizophrenia thường có nồng độ đồng trong cơ thể cao

hơn so với người bình thường Tuy nhiên hiện vẫn chưa rõ mối liên quan của đồng vớibệnh này như thế nào (có 2 giả thiết được đưa ra là: do cơ thể cố tích lũy đồng để

chống lại bệnh hay bệnh này làm tích tụ đồng trong cơ thể)

g Phòng ngừa

Nhìn chung, mọi hợp chất của đồng đều độc với sức khỏe con người Khi nuốt hoặc

uống khoảng 30g đồng sunfat có khả năng gây tử vong cao Nồng độ an toàn của đồngtrong nước uống là đối với con người dao động theo từng nguồn, nhưng thường nằmtrong khoảng 1,5 - 2 mg/lít Theo RDA mức đồng cao nhất có thể chịu được trong chế

độ ăn uống đối với người lớn theo mọi nguồn là 10 mg/ngày

Đồng trong nước với nồng độ lớn hơn 5 mg/lít có thể tạo ra vết bẩn khó tẩy trên quần

áo hay các đồ vật được giặt giũ trong nước đó

1.2.2 Đặc tính kháng khuẩn của đồng

Đồng và các hợp chất của đồng thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo vànấm Người ta dùng CuSO4 để chống mốc cho gỗ, dùng nước Bordaux (Boóc-đô) làhỗn hợp của dung dịch CuSO4 và sữa vôi để trừ bọ cho một số cây trồng Tuy nhiên,hợp chất của đồng không độc bằng các hợp chất kim loại nặng khác như chì, thủyngân,

Từ xưa đồng đã được biết đến bởi đặc tính kháng khuẩn, ở thời La Mã người ta

đã biết ứng dụng đặc tính kháng khuẩn của đồng để làm sạch nước: như nước được vận

chuyển, chứa trong các vật chứa, ống dẫn bằng đồng có chất lượng tốt hơn so với nướcđược chứa hoặc vận chuyển trong các vật liệu khác [40]

Người đầu tiên sử dụng đồng như một chất diệt khuẩn là Smith's Papyrus và tàiliệu của ông được coi là tài liệu y tế lâu đời nhất trong lịch sử nhân loại Đồng bằngcác hình thức khác nhau đã được sử dụng để điều trị bệnh như: Để ngăn chặn nhiễmtrùng vết thương mới bằng cách trộn bột khô từ đồng (II) oxit và đồng sunfat, khửtrùng vết thương bằng hỗn hợp mật ong và đồng (I) oxit

Các học giả Hy Lạp Dioscorides Pedanius đã đưa ra các công thức chữa bệnh về mắt

có sử dụng đồng kim loại là đun hỗn hợp đồng kim loại và giấm cho bay hơi để khắcphục các bệnh về mắt như đau mắt đỏ, viêm mắt, leucoma (vảy cá mắt) cataract (đụcthủy tinh thể) và đau mắt hột Cũng đồng thời bác sĩ La Mã Aulus Cornelius Celsus,

người hành nghề y trong triều đại của Tiberius (14-37 SCN) trong cuốn sách De

Medicina ông đề nghị điều trị các bệnh hoa liễu sử dụng một loại thuốc là một hỗn

hợp của hạt tiêu, mộc dược, nghệ tây, và đun sôi với atimony sunphide và cupric oxit(đồng II oxit) [20]

Việc sử dụng đồng trong y học trở nên phổ biến trong thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX,

và nhiều loại chế phẩm từ đồng được sử dụng để điều trị các bệnh như: viêm hạch mãntính, eczema, chốc lở, scrofulosis, nhiễm lao phổi, bệnh lupus, bệnh giang mai, bệnhthiếu máu và đau dây thần kinh mặt Đồng tiếp tục được sử dụng như một tác nhânkháng khuẩn cho đến khi sự ra đời của thuốc kháng sinh vào năm 1932, khả năngkháng khuẩn của đồng không được quan tâm đến nữa

Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh kháng thuốc ngàycàng phổ biến, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩncủa đồng đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano bởi ở kích thước nano đồng códiện tích bề mặt lớn nên có thể tiếp xúc và phân tán nhanh lên tế bào vi khuẩn và tăngkhả năng diệt khuẩn Cơ chế tác động của hạt nano lên vi khuẩn được mô tả ở hình 1.5

Hình 1.5 Cơ chế tác động của hạt nano lên vi khuẩn

1.2.3 Khả năng và cơ chế kháng khuẩn của đồng

Phân tích các kết quả điều tra được trình bày trong hơn 350 ấn phẩm khoa học và báocáo làm việc từ Bộ Y tế, trong đó có 312 ấn phẩm khoa học từ năm 1892-1973, cũngnhư những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra hoạt tính kháng khuẩn của đồng và hợp kimcủa nó, có khả năng giết chết vi khuẩn và virus, làm chậm sự tăng trưởng của các vi

sinh vật đặc biệt là: Cobacillus, Legionella pneumophila, Salmonella, Staphylococcus

aureus, Poliovirus, Escherichia coli Hơn nữa, đồng chứng minh tính chất phá hủy các

loại virus cúm A [20]

- Đồng ức chế Actinomucor elegans, Aspergillus niger, Bacterium linens,

Bacillus megaterium, Bacillus subtilis, Brevibacterium erythrogenes, Saccharomyces mandshuricus, Penicillium chrysogenum, Rhizpus niveus và Saccharomyces cerevisiae

ở nồng độ cao hơn 10g/l

- Torulopsis utilis hoàn toàn bị ức chế ở nồng độ 0,04g đồng/l

- Tubercle bacillus bị ức chế bởi đồng 0,02 - 0,2 g/l

- Achromobacter fischeri và Photobacterium phosphoreum bị ức chế tăng trưởng

bởi đồng kim loại

- Paramecium caudatum bị giảm phân chia tế bào bởi các tấm đồng đặt lên đĩa

petry chứa môi trường dinh dưỡng và mẫu vi khuẩn

- Poliovirus bị bất hoạt trong vòng 10 phút tiếp xúc với đồng và acid ascorbic

[40]

Cơ chế kháng khuẩn của đồng dựa trên tính chất hóa học của ion đồng Hơn 120nghiên cứu đã chỉ ra rằng cơ chế kháng vi sinh vật của đồng rất phức tạp và diễn rabằng nhiều cách, cả bên trong tế bào và trong không gian kẽ giữa các tế bào bao gồm:

- Cấu trúc 3 chiều của protein có thể được thay đổi bởi đồng, vì vậy proteinkhông còn có thể thực hiện các chức năng bình thường Kết quả là bất hoạt vi khuẩnhoặc virus

- Đồng có thể phá vỡ cấu trúc enzyme, và các nhóm chức bằng cách liên kết vớicác nhóm chứa lưu huỳnh hoặc carboxylate và các nhóm amin của protein

- Đồng có thể gây cản trở các nguyên tố cần thiết khác, chẳng hạn như kẽm vàsắt

- Đồng tạo điều kiện cho hoạt động có hại của gốc tự do Tạo phản ứng

oxy hóa khử - phản ứng Fenton (1) sinh ra gốc tự do OH phá hủy tế bào do đó gây hạicho vi khuẩn Ion đồng cũng có thể dẫn đến sự suy giảm của sulfhydryls, chẳng hạnnhư trong cysteines hoặc glutathione

Các hydrogen peroxide được tạo ra (3) lại tham gia vào phản ứng (1) và dẫn sinh ra cácgốc hydroxyl độc hại Các quá trình được mô tả ở hình 1.6

Hình 1.6 Mô tả các quá trình tác động của ion đồng lên vi khuẩn

- Đồng có thể tương tác với các chất béo, gây ra quá trình oxy hóa và làm thủngmàng tế bào, do đó có thể gây ra rò rỉ các chất hòa tan cần thiết, kết quả làm khô vàchết tế bào

- Đồng gây hại tới quá trình hô hấp trong tế bào E coli và làm suy giảm sự trao

đổi chất của tế bào

- Trong các thí nghiệm làm bất hoạt các chủng cúm H1N1, trong đó gần giống vớichủng cúm gia cầm H5N1 năm 2009, các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng nhữnghoạt động kháng khuẩn của đồng có thể tấn công vào cấu trúc tổng thể của virus và do

đó có hiệu lực cao

- Các enzyme trong vi khuẩn cần một lượng nhỏ đồng để thúc đẩy các phản ứnghóa học quan trọng Tuy nhiên đồng dư thừa có thể ảnh hưởng đến các protein vàenzyme trong vi khuẩn, do đó ức chế hoạt động của vi khuẩn Các nhà nghiên cứu tinrằng đồng dư thừa có khả năng phá vỡ chức năng tế bào cả bên trong tế bào, trongkhông gian kẽ giữa các tế bào, và bên ngoài của tế bào [20], [40]

Các cơ chế kháng khuẩn của đồng vẫn đang là đối tượng của các nhà nghiên cứu khoahọc trên thế giới Các con đường ức chế vi khuẩn của đồng được mô tả ở hình 1.7

Hình 1.7 Các con đường ức chế vi khuẩn của đồng

1.2.4 Giới thiệu về hạt nano đồng

Đồng kim loại đã được sử dụng làm chất kháng khuẩn trong nhiều thế kỷ,nhưng khi ở trạng thái phân tán với kích thước nanomet thì khả năng diệt khuẩn củađồng được tăng lên gấp bội Hạt nano đồng là các hạt đồng có kích thước từ 1 nm đến

100 nm Khi ở kích thước nhỏ, khả năng tác động và thâm nhập của nano đồng qua lớpmàng của vi khuẩn là rất tốt Đồng thời với kích thước của nano, diện tích bề mặt củahạt nano lớn hơn rất nhiều so với dạng khối của nó nên khả năng tương tác với vikhuẩn thông qua việc tiếp xúc bề mặt tăng lên

Hạt nano đồng thể hiện khả năng diệt khuẩn cao hơn đồng, cơ chế diệt khuẩncủa hạt nano đồng thì tương tự như đồng, nhưng cơ chế tác động của nó nhanh vàmạnh hơn đồng [30] Có thể khái quát qua hình 1.8

Hình 1.8 Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano đồng

(A) Các hạt nano đồng tương tác trực tiếp với màng ngoài vi khuẩn gây ra sự chênhlệch điện thế giữa bên trong và bên ngoài tế bào dẫn đến vỡ (thủng) màng tế bào ; (B)Màng tế bào bị vỡ dẫn đến rò rỉ các chất hòa tan và các chất dinh dưỡng cần thiết nhưkali, glutamate; (C) Các hạt nano đồng đi vào bên trong tế bào và tiếp tục kích thíchphát triển các phản ứng ức chế oxy hóa gây ra sự suy thoái chung của tế bào; (D) Hệ

gen DNA bị phân mảnh (phá vỡ) nhanh và giết chết tế bào [20], [24]

1.2.5 Các phương pháp chế tạo hạt nano đồng

Nano đồng có thể điều chế qua các phương pháp như: phương pháp polyol với sự hỗtrợ vi sóng, phương pháp khử hoá học, phương pháp quang hoá, phương pháp điệnhoá, phương pháp lắng đọng hơi vật lý hoặc hoá học, phương pháp nhiệt phân, phươngpháp siêu âm nhiệt (sonothermal), phương pháp siêu âm hoá học (sonochemical),…Dưới đây là một vài phương pháp tiêu biểu:

a Phương pháp khử hóa học

Nguyên lý của phương pháp này là sử dụng các tác nhân hóa học (X)

để khử ion Cu2+ thành các nguyên tử đồng kim loại và sau đó chúng sẽ kết tụ lại tạothành các hạt nano đồng

Cu2+ +X->Cu0 -> CuNPs