Công nghê Nanô ? ppt

Định nghĩa“Công nghệ nano là một ngành khoa học - kỹ thuật ở quy mô nguyên tử và phân tử - kích thước nanômét National Nanotechnology Initiative, 2007... Lịch sử nghiên cứuÝ tưởng về cô

Công nghê Nanô ?

Kích thước

Định nghĩa

“Công nghệ nano là một ngành khoa học - kỹ thuật ở quy

mô nguyên tử và phân tử - kích thước nanômét

National Nanotechnology Initiative, 2007

Nanô mét

1 m = 10 9 nm

1 nm = 10 -9 m

O O

O O O O O

O S O

S O S O S O S O S O S O S

P O

21 st Century Challenge

Combine nanoscale building blocks to make novel functional devices, e.g., a photosynthetic reaction center with integral semiconductor storage

Đầu đinh 1-2 mm

Thành lượng tử (48 ntử Cu phân bố trên bề mặt của 1 mũi dò STM (đường kính 14 nm)

Ống Nanô 10x nm (điện cực)

ống Carbon

~1.3 nm Ống nanô (transistor)

Office of Basic Energy Sciences Office of Science, U.S DOE

Kích thước

Lịch sử nghiên cứu

Ý tưởng về công nghệ nano được đề

xuất vào 29/12/1959 do nhà vật lý

Richard Feynman: tất cả mọi thứ đều

được cấu tạo nên từ các phần tử có

kích thước rất nhỏ là các nguyên tử và

phân tử

Richard Feynman.

Tắc kè: Nanô?

Sợi nanô ở các ngón giúp tắc kè bám chặt

“Hiệu ứng lá sen” – không dính ướt?

Bề mặt cấu trúc nanô !

Lịch sử nghiên cứu

• 1981 các nhà khoa học của IBM ở Zurich

(Thụy Sĩ) lần đầu tiên đã phát minh ra kính

hiển vi điện tử quét xuyên ngầm (scanning

tunnelling microscope - STM): cho phép quan

sát được từng đơn nguyên tử

• Năm 1990 các nhà khoa học của IBM đã tìm

Lịch sử nghiên cứu

• Giải Nobel Hóa học được trao năm

1996 cho 3 nhà khoa học Harold Kroto,

Robert Curl và Richard Smalley cho

phát minh Carbon 60 được tìm ra

1985

• Đến năm 1991, ống nanô Carbon 60

đã được tạo ra và biết đến nhờ tính

siêu nhỏ - siêu cứng – siêu nhẹ: nhẹ

hơn 6 lần nhưng độ cứng gấp 100 lần

so với thép!!!

A “Buckyball.”

A “Carbon Nanotube”

Các sản phẩm ứng dụng công nghệ Nanô

Vải sợi

Mỹ phẩm, chăm sóc sức khỏe

Thực phẩmNăng lượng

Linh kiệnThiết bị

Thuốc – dược phẩm

Hàng tiêu dùng

Quốc phòng

An ninhQuân đội

Công nghệ Nanô

Môi trường

Vũ trụQuốc phòng/an ninh

Hàng tiêu dùng

Công nghệ Nanô và đời sống

Kinh tế

Giáo dục

Ứng dụng: hàng không, an ninh, quốc phòng

Vật liệu siêu nhẹ - siêu cứng có chứa nanô Carbon được sử dụng chế tạo

vỏ máy bay

-Quần áo tư trang nhẹ, chống đạn,

chống cháy, có thể thay đổi mầu sắc

theo môi trường, tàng hình…

-Cảm biến sinh học được tích hợp bên

trong có khả năng phát hiện nhanh và

chính xác các loại vũ khí không nhìn

thấy như hóa học, sinh học…

Cảm biến sinh học

Ứng dụng: công nghệ vũ trụ, vệ tinh

Đề xuất gần đây về thang máy dùng trong

vũ trụ (nhẹ, cứng, bền) sử dụng các ống nanô carbon phục vụ các nghiên cứu không gian

• Thiết kế các chuỗi sinh học theo các trình tự quá trình sinh học tự nhiên

• Sửa chữa sai hỏng và lắp ráp các chuỗi phần tử sinh học, gien,…

• Chuẩn đoán và điều trị bệnh

Ứng dụng: y sinh

• Ngành điện tử nanô kết hợp với ngành sinh học, hóa học, vật lý, kỹ thuật, và

khoa học máy tính để tạo ra các con chip máy tính (nanochips), nanomotors, … gắn với cơ thể người có sự liên hệ với hệ thần kinh

• Công nghệ nano chế tạo ra các máy tính siêu nhỏ tiết kiệm năng lượng

Ứng dụng: ngành điện tử

Ứng dụng: ngành năng lượng

Chế tạo vật liệu nanô có khả năng hấp thụ

và lưu trữ nguồn năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành năng lượng điện (pin mặt trời)

Công ngh m i, v t li u m i t o ra ngu n ệ ớ ậ ệ ớ ạ ồ

năng l ượ ng s ch nh s d ng Hyđrô đ ạ ư ử ụ ể

cung c p cho các pin nhiên li u ấ ệ

Nội dung môn học

Vật liệu Nanô ?

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất

một chiều có kích thước nano mét (< 100 nm)

a- chu i h t nanôổ ạb- băng nanô c- dây nanô d- ch m nanô ấe- ti p xúc nanôếf- ng nanô ốg- ch m lõm nanô h- ấ

b c thang nanôậj- xuy n nanô ếk- màng m ng ch t o ỏ ế ạtheo khuôn

Phân loại vật liệu Nanô theo hình dạng

Phân loại vật liệu nanô theo số chiều

• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều

tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano

• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử

được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,

• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều

tự do, ví dụ, màng mỏng,

• Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt nanô tinh thể

• Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu

có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

Phân loại vật liệu nanô theo số chiều

màng mỏng

đa lớp

Một số ví dụ vật liệu nanô theo số chiều

Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu

Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm)

Tính chất điện

Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung bình

không đàn hồi 1-100Hiệu ứng đường ngầm 1-10

Tính chất từ Độ dày vách đômen 10-100

Quãng đường tán xạ spin 1-100

Tính chất quang

Hố lượng tử 1-100

Độ dài suy giảm 10-100

Độ sâu bề mặt kim loại 10-100

Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100

Độ nhăn bề mặt 1-10

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi

Kích thước tới hạn

Vật liệu nanô

Vĩ mô Tính chất truyền thống/cổ điển (vĩ mô)

Vi mô Nhiều tính chất mới/lượng tử

-Nhiệt: t o nóng chảy -Cơ: đàn hồi

-Quang: hấp thụ, truyền qua -Điện: qui tắc lượng tử

-Từ: hiệu ứng bề mặt, đơn đômen,…

-Hóa: xúc tác, phản ứng hóa học,…

Do đóng góp của hiệu ứng bề mặt: các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ

lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử

- Tỉ phần bề mặt/thể tích: S/V ~ 1/r lớn

- Năng lượng bề mặt chiếm ưu thế do liên kết bên trong lõi nhỏ

- Sự giam cầm không gian của các tính chất (Kích thước vật liệu ~ độ dài tới hạn của một số tính chất:

Quãng đường tự do TB, sai hỏng, xuyên ngầm…)

Vật liệu nanô

Nhiệt độ nóng chảy ~ năng lượng liên kết => Tnc giảm khi xuống kích thước nanô

Ví dụ: hiệu ứng bề mặt

Hình dạng giọt nước phụ thuộc vào 3 thành phần lực liên kết: bề mặt tiếp xúc, không khí và phân tử nước bên trong

Tự làm sạch bằng

“hiệu ứng lá sen”

Kính thông minh

TiO2