Tiểu luận về Vật liệu NANO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA VẬT LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TÊN TIỂU LUẬN VẬT LIỆU NANO Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phạm Minh Tân Sinh viên thực hiện : Dương Hương Quỳnh Đỗ Thị Quỳnh Phạm Văn Hiện Lớp : Cử nhân Vật Lý k7 Thái Nguyên, 4 – 2013 MỤC LỤC Mở đầu Chương I : Giới thiệu vật liệu Nano 1.1 Vật liệu nano là gì ? 1.2: Cơ sở khoa học của công nghệ nano. Chương II : Chế tạo vật liệu Nano. 2.1 Phóng điện hồ quang hay hồ quang plazma. 2.2 Phương pháp hoá và lý phủ từ pha hơi (CVD và PVD). 2.2.1 Phương pháp CVD 2.2.2. Phương pháp Lắng đọng pha hơi vật lý (PVD) 2.3 Phương pháp mạ điện. 2.4 Phương pháp sol-gel. 2.5 Phương pháp nghiền bi. 2.6 Sử dụng các hạt nano có trong tự nhiên. 2.7 Phương pháp nguội nhanh. Chương III : Ứng dụng của vật liệu Nano. 3.1 Vật liệu ngăn cách. 3.2 Ứng dụng trong chế tạo máy. 3.3 Ứng dụng làm màn hình. 3.4 Ứng dụng làm pin. 3.5 Ứng dụng làm Nam châm cực mạnh. 3.6 Ứng dụng trong động cơ ôtô, máy bay. 3.7 Vật liệu thích nghi sinh học để cấy vào cơ thể. 3.8 Một số ứng dụng khác của vật liệu nano. Kết Luận. MỞ ĐẦU Nếu Thế kỷ 20 được coi là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin thì Thế kỷ 21 sẽ thuộc về công nghệ nano. Nanotechnology là một ngành công nghệ non trẻ , tuy nhiên nó có khả năng sẽ làm thay đổi một cách toàn diện bộ mặt cuộc sống của chúng ta . Bằng công nghệ Nano , người ta có thể "nhét" tất cả thông tin của 27 cuốn Từ điển Bách khoa toàn thư của Anh nằm gọn trong một thiết bị chỉ bằng sợi tóc. Người ta cũng có thể chế tạo ra những con robot mà mắt thường không nhìn thấy được . Và còn vô số điều kỳ lạ khác mà con người có thể khai thác nhờ vào công nghệ Nano . Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đã quan tâm và đặt ra mục tiêu nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ Nano như là một đòn bẩy thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế , cùng các ngành khoa học công nghệ khác, vốn đã phát triển như : công nghệ thông tin, công nghệ thiết kế vi mạch , công nghệ sinh học . Trong những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt của nhiều quốc gia trên thế giới, do các khả năng ứng dụng của nó vào đời sống. Với vật liệu kích thước nanomét, các tính chất quang có thể được kiểm soát nhờ việc thay đổi kích thước, hình dạng và thành phần của vật liệu. Khả năng điều khiển các tính chất quang của các nano tinh thể làm cho vật liệu này chiếm một vị trí quan trọng trong khoa học vật liệu và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong các lĩnh vực như vật lý, hoá học, sinh học và ứng dụng kỹ thuật. Những nghiên cứu về các vật liệu có kích thước nano rất phong phú và đa dạng như nghiên cứu chế tạo các vật liệu (vật liệu bán dẫn, vật liệu quang học, thông tin quang ), nghiên cứu cơ bản các tính chất về cấu trúc, tính chất quang, tính chất điện - từ, và các ứng dụng của nó. Các vật liệu nano thể hiện các tính chất quang, điện tử và từ đặc biệt mà ở các vật liệu khối không có. Vật liệu nano ( nano materials ) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế , số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 . Vậy thì tại sao vật liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Bài tiểu luận này chúng em sẽ trình bày về vật liệu nano, các phương pháp chế tạo, tính chất lí hóa, và các ứng dụng của chúng. CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VẬT LIỆU NANO Xu hướng của khoa học ứng dụng (bài này không đề cập đến khoa học cơ bản) hiện nay là tích hợp lại để cùng nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé có kích thước tiến đến kích thước của nguyên tử. Hàng ngàn năm trước đây, kể từ khi các nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập các nguyên tắc đầu tiên về khoa học (đúng hơn là siêu hình học), thì các ngành khoa học đều được tập trung thành một môn duy nhất đó là triết học, chính vì thế người ta gọi họ là nhà bác học vì họ biết hầu hết các vấn đề của khoa học. Đối tượng của khoa học lúc bất giờ là các vật thể vĩ mô. Cùng với thời gian, hiểu biết của con người càng tăng lên, và do đó, độ phức tạp cũng gia tăng, khoa học được phân ra theo các ngành khác nhau như toán học, vật lí, hóa học, sinh học, để nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét. Sự phân chia đó đang kết thúc và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi nghiên cứu các vật thể ở cấp độ nano mét. Nếu ta gọi sự phân chia theo các ngành toán, lí, hóa, sinh là phân chia theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành khoa học nano, công nghệ nano, khoa học vật liệu mới, là phân chia theo chiều ngang. Điều này có thể được thấy thông qua các tạp chí khoa học có liên quan. Ví dụ các tạp chí nổi tiếng về vật lí như Physical Review có số đầu tiên từ năm 1901, hoặc tạp chí hóa học Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ năm 1879, đó là các tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi nổi nhất trong thế kỷ trước. Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất hiện một loạt các tạp chí không theo một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác nhau như tạp chí uy tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từ năm 2003. Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa học đang phân chia lại theo chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước. Bài này xin giới thiệu sơ lược về đối tượng của khoa học và công nghệ nano, đó là vật liệu nano. 1.1. Vật liệu nano là gì ? Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước cỡ nanomet. Về trạng thái của vật liệu, các nhà khoa học phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, các nhà khoa học phân ra thành các loại sau: • Các vật liệu nano một chiều: màng mỏng, các lớp, các bề mặt , • Các vật liệu nano hai chiều: dây nano, các ống nano, • Các vật liệu nano ba chiều: các hạt nano, các hạt keo, các chấm lượng tử, các vật liệu dạng tinh thể nano, các đám nano • Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocompozit trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano, hoặc cấu trúc của nó có nano ba chiều, một chiều, hai chiều đan xen nhau. Hai yếu tố chính tạo nên các tính chất của vật liệu nano, làm cho nó khác biệt lớn đối với các vật liệu khác, đó là diện tích bề mặt được tăng lên đáng kể và các hiệu ứng lượng tử. Những yếu tố này có thể làm thay đổi hoặc tăng cường các tính chất ví dụ như độ phản ứng, độ cứng và các tính chất về điện. Khi giảm kích thước một hạt, thì tỷ lệ các nguyên tử ở trên bề mặt tăng lên so với các nguyên tử ở bên trong. Ví dụ, một hạt có kích thước 30 nm có 5% nguyên tử ở trên bề mặt của nó, với kích thước 10nm có 20% nguyên tử trên bề mặt của nó và 3 nm có 50% nguyên tử trên bề mặt của nó. Do vậy, các hạt nano sẽ có diện tích bề mặt trên đơn vị khối lớn hơn so với các hạt ở kích thước lớn hơn. Vì các phản ứng hóa học xúc tác diễn ra ở bề mặt, nên điều này có nghĩa là một khối vật liệu dạng hạt nano sẽ phản ứng nhạy hơn với cùng khối vật liệu đó có cấu tạo từ các hạt lớn hơn. Song song với các hiệu ứng diện tích bề mặt, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu chi phối những tính chất của vật liệu khi kích thước bị giảm xuống cỡ nano. Chúng có thể tác động tới phản ứng điện, từ tính và quang học của vật liệu đặc biệt là khi cấu trúc của kích cỡ hạt tịnh tiến tới mức kích cỡ nhỏ nhất trong bảng kích thước nano. Vật liệu nano khai thác những hiệu ứng này bao gồm các chấm lượng tử, các tia laze năng lượng lượng tử (quantum well lasers), các linh kiện điện quang Đối với các vật liệu khác, ví dụ như những chất rắn tinh thể, khi kích thước các thành phần cấu trúc của chúng giảm, thì diện tích giao diện trong lòng vật liệu tăng lên sẽ tác động mạnh tới các tính chất điện và cơ. Hầu hết các kim loại được tạo ra từ các hạt tinh thể nhỏ, khi vật liệu bị giảm kích cỡ xuống thì ranh giới giữa các hạt giảm xuống đến mức gần bằng không, vì vậy tạo cho nó độ rắn. Nếu những hạt này có thể được làm cho cực nhỏ, hoặc thậm chí ở kích thước nano, thì diện tích giao diện bên trong vật liệu tăng lên rất nhiều, điều này càng làm tăng độ cứng của nó. Ví dụ, niken tinh thể nano có độ cứng bằng thép. Hiện nay có rất nhiều vật liệu nano mới chỉ đang ở giai đoạn sản xuất trong phòng thí nghiệm, nhưng một số ít đã bắt đầu được thương mại hóa. 1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano. 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 nhiều nguyên tử (1 µm 3 có khoảng 10 12 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Kích thước tới hạn 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. Người ta gọi 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. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano. Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu. CHƯƠNG II : [...]... th nano bng cỏch nghin nh cỏc bng nano tinh th hoc dỏn lin nhiu bng nano tinh th li thnh khi nano tinh th CHNG III : NG DNG CA VT LIU NANO Vt liu nano bao gm bt nano v nano tinh th cú rt nhiu ng dng do chỳng cú nhiu tớnh cht c, lý, húa rt c bit Cỏc ng dng ny c núi n nhiu khi xột n nano composit, vt liu t nano, bỏn dn nano õy ta ch nờu mt vi ng dng tiờu biu ca vt liu nano 3.1 Vt liu ngn cỏch Vt liu nano. .. lý to thnh ng nano cacbon: sau khi b nghin, bt graphit hỡnh thnh nhiu mm t ú hỡnh thnh cỏc ng nano cacbon V khi c nhit, cỏc ng nano cacbon thc s c hỡnh thnh t cỏc mm trờn Sn phm ca phng php nghin bi phn ln l cỏc ng nano cacbon nhiu vỏch õy l phng phỏp rt kinh t, cụng ngh khụng qỳa phc tp,tuy nhiờn im yu ca phng phỏp ny l khụng t c nhng ng nano cacbon cú kớch thc u n 2.6 S dng cỏc ht nano cú trong... Ngi ta tỡm c vt liu nano gm nano tinh th oxyt zircono,cng, khụng mũn, khụng b cỏc cht trong c th n mũn, c bit l thớch nghi vi c th sng Gm nano gel khi t vt liu ny li rt nh, nhng chu c 100 ln trng lng ca nú ú l vt liu rt cn cho vic thay th nhiu b phn trong c th m sau ny ớt phi chm súc y t Gm nano cng cú th lm t apatit ú l vt liu photphat canxi, vt liu ca xng t nhiờn Vỡ vy dựng vt liu nano ny cú tớnh cht... tng hp cú b khung thuc nhúm silicat cú nhiu l nano, cú tỏc dng nh cỏi rõy, cho phõn t i qua, dựng lm xỳc tỏc, hp th Sột trong t nhiờn li l vt liu cha nhiu ht nano Hỡnh 2.6 Cu trỳc ca sột monmorilonit Tm mng nht gm 3 lp nguyờn t Cụng ngh nano ó tỏch chit t sột ly ra bt gm cỏc tm monmorilinot nh vy trn vi cỏc cht khỏc, thớ d polyme lm composit gi l composit nano sột Polyme cú trn thờm ht nanno sột dng... cu trỳc nano ca paladi, niken, vng, polyme hu c (thớ d polyanilin), cỏc oxyt, bỏn dn u c ch to theo cỏch m in t hn hp dng lng Cỏc mng ny c dựng pin, pin nhiờn liu, pin mt tri, lp tn nhit v i mu ph ca kớnh, cm bin, linh kin photonic Phng phỏp m in cũn c dựng lp l nano trong mng polyme to ra cỏc in cc nano nhm iu khin ion chuyn ng ú l mng nhõn to cú cỏc kờnh ion iu khin c, thớ d cu to ca nano composit... thng Con co loai ca sụ thụng minh khac cung ng dung cụng nghờ nano nhng c biờt hn: luc nng qua thi ca sụ hi tụi lai, luc anh sang yờu ca sụ lai trong hn ra Võn ờ nay se noi phõn cụng nghờ nano trong quang hoc 3.2 ng dng trong ch to mỏy Cụng ngh nano cú th to ra nhng vt liu rt cng dựng ct gt trong ch to mỏy Mi khoan, dao ct cú ph lp vt liu nano lm t carbid vonfram, carbid tantanl, carbid titan thỡ cng... tinh thờ nano nitrid sillic (Si3N4) va carbid sillic (SiC ) Cac loai la võt liờu nay hay c dung trong lo nhiờt ụ cao Mt khac, t cụng nghờ nano cung co thờ lam c võt liờu mờm deo hn thụng thng Gụm thụng thng rõt cng va gion khi a nung thanh gụm thi khụng gia cụng c Nh oxyt zirconi (ZrO2) co kich thc hat nano co thờ lam ra gụm siờu deo biờn dang c ờn 300% so vi kich thc ban õu Gụm tinh thờ nano co thờ... tau, chiu c nhng hiờu ng c nhiờt, do co xat vi khụng khi vi tục ụ rõt cao Xu hng ngay nay la dung võt liờu composit va ngay cang tim ra c nhiờu loai composit hat nano thich hp Võt liờu nano nh nano tinh thờ vonfram titan bo ụng la võt liờu nano tinh thờ rõt co triờn vong ờ chiu c nhiờt ụ cao 3.7 Vt liu thớch nghi sinh hc cy vo c th cy vo c th, thớ d vt liu ghộp vo xng, tt nht l v sau cỏc mụ xung... xut phỏt i vi cụng ngh nano cú th cú ba yờu cu khỏc nhau - Cn mt lp vt liu nh thụng thng nhng mng (mt chiu c nanomet), thớ d lm in cc (dn in), lm lp lút cú ỏi lc nhm thu hỳt mt s nguyờn t, phõn t no ú bỏm vo - Cn lp vt liu c nhng cú cu trỳc ht tinh th rt nh Chn ch m thớch hp cú th cú c lp m dy, c vi cu trỳc tinh th l nhng ht nh, n kớch thc c nanomet õy l vt khi cú cỏc ht tinh th nano - Cú th chn ch... Hỡnh 2.2 Nanocomposit kim loi cht do tỏch ion cú chn lc 2.4 Phng phỏp sol-gel Phơng pháp sol-gel do R.Roy đề xuất năm 1956, cho phép trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên tử do đó, sản phẩm thu đợc có độ đồng nhất và độ tinh khiết cao, bề mặt riêng lớn, kích thớc hạt nhỏ, khả năng tạo composit với thành phần khác nhau mà phơng pháp nóng chảy không thể tổng hợp đợc; đồng thời còn tạo ra vật liệu ở các . học hàng ngàn năm về trước. Bài này xin giới thiệu sơ lược về đối tượng của khoa học và công nghệ nano, đó là vật liệu nano. 1.1. Vật liệu nano là gì ? Vật liệu nano là vật liệu trong đó có. nano, • Các vật liệu nano ba chiều: các hạt nano, các hạt keo, các chấm lượng tử, các vật liệu dạng tinh thể nano, các đám nano • Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocompozit. khí. Về hình dáng vật liệu, các nhà khoa học phân ra thành các loại sau: • Các vật liệu nano một chiều: màng mỏng, các lớp, các bề mặt , • Các vật liệu nano hai chiều: dây nano, các ống nano,