CÔNG NGHỆ HỢP CHẤT NANO HỮU CƠ - PHẦN 1 doc

Giới thiệu` 1959: Richard Feynman nhà vật lý học người Mỹ đưa ý tưởng cơ bản về công nghệ nano: khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơ

Phần 1: Giới thiệu vật liệu cấu trúc nano

TS Lê Thị Hồng Nhan

CÔNG NGHỆ HỢP CHẤT

NANO HỮU CƠ

Giới thiệu

` Vật liệu nano ( nano materials ) => một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây

` Công nghệ nano: trở thành một vấn đề hết sức thời sự

và được sự quan tâm nhiều hơn của các nhà khoa học

` Các nước trên thế giới hiện nay đang bước vào một

cuộc chạy đua mới về phát triển và ứng dụng công nghệnano

Giới thiệu

` 1959: Richard Feynman (nhà vật lý học người Mỹ ) đưa ý tưởng cơ bản về công nghệ nano: khoa học đã đi vào

chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử,

nguyên tử vào sâu hơn nữa

` 1974: Nario Taniguchi (Nhật) Đưa ra thuật ngữ “công

nghệ nano” sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc

vi hình của mạch vi điện tử

` 1980: K.Eric Drexler (Mỹ) sử dụng thuật ngữ “công nghệnano”

Giới thiệu

Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano

Giới thiệu

` Khoa học nano: nghiên cứu về các hiện tượng và sự

can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô

nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn

` Công nghệ nano: thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo

và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano

mét

Định nghĩa

` Chữ nano, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị

đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần(10-9)

Ví dụ : nanogam = 1 phần tỷ của gam ; nanomet = 1 phần

tỷ mét

` Vật liệu nano: có thể được định nghĩa một cách khái quát

là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấutạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước

nanomet

Định nghĩa

` Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa: công nghệ nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”

` Vật liệu nano: kích thước 1-100 nm

Định nghĩa

` Kích thước cơ bản một số vật thể

` Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của

nguyên tử và tính chất khối của vật liệu

` Dễ hấp thụ qua tế bào, da và ruột.

` Tính chất quang học và vật lý khác so với vật liệu có kích thước lớn hơn

Diện tích bề mặt

Sự gia tăng đáng kể diện tích bề mặt khi giảm kích thước hạt

Sự bám dính

tăng bám dính do lực hút van der Waals

VD: Lamprecht khảo sát sự bám dính của hạt polystyrene lên màng nhầy ruột già bị viêm

Nhiệt độ nóng chảy

` Nhiệt độ vật liệu ở kích thước nano giảm đáng kể so với vật liệu dạng khối

` Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu kích thước lớn

không phụ thuộc vào kích thước Tuy nhiên, khi

giảm kích thước xuống scale phân tử, nhiệt độ nóng chảy giảm mạm

` Sự giảm nhiệt độ nóng chảy thay đổi từ vài chục đến vài tram đối với kim loại

Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù

` Kích thước lớn scale micro=> dễ kết tụ và sa lắng do trọng lực

` Kích thước nhỏ ở scale nano => dễ lơ lửng trong

chất lỏng vì trọng lực rất nhỏ trong hạt nano

` Chuyện động nhiệt (Brownian) là nguyên nhân của

sự dễ lơ lửng

Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù

` Vận tốc lắng tính theo định luật Stoke

G: gia tốc trọng trường(9.8 m/s), ρl

Khối lượng riêng chất lỏng (997 kg/m3 của nước ở

25oC), μl độ nhớt (0.00089 Pa/s của nước ở 25oC)

Độ dịch chuyển Brown tính theo thuyết Einstein

2k Tt B x

d

πμ

=

kB là hằng số Boltzman (1.38 x 10-23J/K), và T là nhiệt độKelvin

Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù

Kích thước hạt

(nm)

Tốc độ lắng(nm/s)

Sự dịch chuyển của hạt rắn thay đổi với kích thước

khác nhau trong nước ở 25oC

Hạt kích thước <1000 nm=> chuyển động Brown lớn hơntốc độ lắng => lơ lửng

Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù

` Hỗn hợp hạt nano: huyền phù bền theo thời gian

` Hỗn hợp hạt micro: huyền phù dễ sa lắng => phải lắc và không dùng làm dịch truyền, tiêm

` Khi tác dụng bởi ly tâm, hỗn hợp hạt huyền phù vẫn

sa lắng

Độ tan

` Phương trình của Ostwald – Freundlich mô tả cho hạt cầu

Ảnh hưởng của bán kính hạt (r), thể tích phân tử (υ),

tỷ trọng (ρ), sức căng bề mặt (γ) đến độ tan (S), tại nhiệt độ T

Độ tan

` illustrates the calculated effect of particle radius on S/S0 for a hypothetical particle with

a molecular weight of 708, an interfacial surface tension of 50, 75, or 100 dyn.cm−1, and a density of 1 g/ml S/S0 tightly scales with the proportion of surface molecules of nanoparticles

Nồng độ bão hòa

` Trạng thái siêu bão hòa: nồng độ quá cao và khởi đầu cho quá trình kết tinh, đưa hệ về micro scale và đưa hệ về cân bằng nhiệt động trạng thái bão hòa

VD: itraconazole vô định hình có độ tan ở trạng thái siêu bão hòa cao gấp 60 lần độ tan ở trạng thái kết tinh (Cha et al 2002).

` Hạt thuốc nano lý tưởng nên ở dạng vô định hình chứ không nên kết tinh

` Lưu ý: phải đủ thời gian cho hấp thu qua đường

uống và thời gian trưng bày (shelf-life) của sản

phẩm

Tốc độ hòa tan

` Sự gia tăng tốc độ hòa tan khi hạt ở scale nano

` Định luật Noyes–Whitney mô tả tốc độ hòa tan dc/dt (Noyes and Whitney, 1897)

D: hệ số khuếch tán; A: diện tích bề mặt; cs : độ tan bão hòa; cx : nồng độ khối; h: “khoảng cách khuếch tán” trong đó gradient nồng độ diễn ra

Tốc độ hòa tan

` Sự giảm khoảng cách khuếch tán h và sự tăng gradient nồng độ (cs-cx)/h

Tốc độ hòa tan

Tính chất từ tính và quang học

` Kích thước nhỏ=> thể hiện các tính chất từ, quang, điện đặc biệt => Các ứng dụng trong liệu pháp chữa bệnh

` Nano từ:

kích thước <20nm, vật liệu ferromagnetic trở thành

superparamagnetic => không thể hiện từ tính

Áp dụng từ trường => định hướng hạt đến khu vực

mong muốn

=> giảm thiểu tác động nhiệt, cơ học

Tính chất từ tính và quang học

` Bước sóng ánh sáng bị hấp thu thay đổi khi kích thước hạt giảm xuống scale nano do cộng hưởng plasma

Vận chuyển sinh học

` Kích thước giảm xuống nano=> phù hợp kích thước khe hở và lỗ trên thành tế bào, mô

ÎDễ dàng di chuyển vào cơ thể con người => hạt

nano đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển hệ dẫn truyền thuốc (uống hay tiêm tĩnh mạch)

Vận chuyển sinh học

VD: hạt Polystyrene với kích thước 50–3000nm được chochuột ăn hằng ngày trong 10 ngày với liều lượng 1.25 mg/kg

` >300nm: không xu ất hiện trong máu

` >100nm: không vào tủy

` 100nm: sự tăng độ hấp thu là 26%

` 50nm: sự tăng độ hấp thu là 34%