tiểu luận vật liệu học: vật liệu nano và nano bạc

VẬT LIỆU HỌC BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  TIỂU LUẬN MÔN: VẬT LIỆU HỌC ĐỀ TÀI: VẬT LIỆU NANO – NANO BẠC Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Cường Nhóm thực hiện: 1. Nguyễn Ngọc Thịnh 12033301 2. Nguyễn Ngọc Thịnh 12021701 3. Trần Minh Thuận 12064091 4. Đỗ Phước Tiến 12011111 5. Nguyễn Thị Hồng Thương 12039801 TP. Hồ Chí Minh Tháng 6 Năm 2014 VẬT LIỆU HỌC Nguyễn Ngọc Thịnh 12033301 LỜI MỞ ĐẦU Bạc là một trong số những kim loại được con người biết đến và được sử dụng sớm nhất. Từ lâu bạc đã được con người dùng làm đồ trang trí, trang sức và bạc còn được dùng làm thuốc chữa bệnh. Cho đến tận ngày nay bạc vẫn là một kim loại quý. Hạt nano kim loại là một khái niệm dùng để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng nano bạc đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước Công nguyên và hiện nay được trưng bày ở bảo tàng Anh. Nhưng người đặt nền móng đầu tiên về nghiên cứu hạt nano kim loại là Michael Faraday. Những nghiên cứu của ông đó là phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của hạt nano vàng. Nhưng chỉ vài chục năm gần đây, nghiên cứu về kim loại quý đặc biệt là vàng, bạc thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học nhờ những tính chất lí thú về tính chất điện, quang, xúc tác, hiện tượng cộng hưởng plasmon, khả năng diệt khuẩn . Với những tính chất đặc biệt, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và điều quan trọng là hạt nano bạc có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp: dùng những nguyên liệu đơn giản, phương pháp chế tạo đơn giản. Với những lí do nêu trên mà nhóm chúng em chọn nano bạc làm đề tài bài tiểu luận của mình. Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do giới hạn về kiến thức cũng như những sai sót trong quá trình thực hiện là không thể tránh khỏi. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Thầy và các bạn để những bài nghiên cứu về sau sẽ đầy đủ và ít sai sót hơn. VẬT LIỆU HỌC TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ NANO VÀ VẬT LIỆU NANO Sự ra đời của công nghệ nano và vật liệu nano Nhà triết học Hy Lạp cổ đại Démocrite có thể được coi là cha đẻ của các công nghệ NANO. Khoảng 400 năm trước Công nguyên, ông đã lần đầu tiên sử dụng từ nguyên tử để chỉ hạt vật chất bé nhất. Năm 1661, nhà hóa học người Ireland, Robert Boyle, đã công bố bài viết mà trong đó phê phán khẳng định của Aristote về việc tất cả mọi thứ trên trái đất hình thành từ bốn nguyên tố căn bản là nước, đất, lửa và không khí (những yếu tố triết học căn bản của khoa học giả kim, hóa học và vật lý học thời đó). Boyle cho rằng mọi thứ đều hình thành từ những phần tử siêu nhỏ, kết hợp với nhau theo những kiểu khác nhau thì tạo nên những vật khác nhau. Về sau, những ý tưởng của Démocrite và Boyle đã được giới khoa học công nhận. Có lẽ bước ngoặt lớn nhất về các công nghệ NANO trong khoa học hiện đại được thực hiện nhờ nhà sáng chế người Mỹ George Eastmen, người về sau đã lập nên hãng Canon lừng danh. Chính ông Eastmen năm 1883 đã sáng chế ra phim chụp ảnh. Từ đó tới nay, những yếu tố cấu thành các công nghệ NANO đã không ngừng được xây dựng thông qua những sáng chế hay phát minh nhỏ lẻ, tưởng như không liên quan gì tới nhau. Năm 1905, nhà vật lý Albert Einstein đã công bố công trình trong đó chứng minh rằng, kích thước của một phân tử đường khoảng 1 nanometer (một phần triệu milimét). Năm 1931, hai nhà vật lý người Đức Maks Knoll và Ernst Rusk đã chế tạo được kính hiển vi cho phép nghiên cứu các phần tử siêu nhỏ. Năm 1968, Alfred Cho và John Arthur thuộc Trung tâm Nghiên cứu của Công ty Mỹ Bell, đã xây dựng nên những cơ sở lý thuyết của các công nghệ NANO khi xử lý các bề mặt. Năm 1974, nhà vật lý Nhật Bản Norio Taniguchi đã đưa vào sử dụng thuật ngữ các công nghệ NANO để chỉ những vật mà kích thước của nó nhỏ hơn một micrômet. NANO là từ mượn của tiếng Hy Lạp, nói tới sự nhỏ, bé, lùn. Trong đo lường, NANO có nghĩa là một phần tỉ Năm 1981, hai nhà vật lý người Đức là Herd Binning và Henrich Rorer đã chế tạo ra kính hiển vi có thể cho phép nhìn thấy những nguyên tử riêng biệt. Năm 1985, ba nhà khoa học người Mỹ là Robert Curl, Harold Kroto và Richard Smalley đã chế tạo được công nghệ cho phép đo chính xác những đồ vật mà đường kính của chúng nhỏ hơn một nanometer. VẬT LIỆU HỌC Ngay từ năm 1986, công nghệ NANO đã được công chúng rộng rãi biết đến. Nhà tương lai học người Mỹ Eric Drexsler, người đã lập ra và lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu Foresoght Insstitute, đã viết cuốn sách, trong đó dự đoán rằng chẳng bao lâu nữa các công nghệ NANO sẽ phát triển rất mạnh. Năm 1989, Donald Eigler, một nhân viên của hãng IBM, đã phủ lên tên của hãng mình làm việc các nguyên tử xenon. Nhà vật lý Richard P. Feynman năm 1959 đã dự đoán rằng, rất nhiều vấn đề khoa học sẽ chỉ được giải quyết một khi các nhà bác học tập được cách làm việc ở cấp độ nguyên tử. Năm 1965, Feynman được trao giải Nobel về những công trình nghiên cứu trong lĩnh vực điện động lực học lượng tử - hiện nay, đây là một trong những bộ phận của khoa học NANO. Năm 1993, tại Mỹ đã lập ra giải thưởng Feynman. Năm 1998, nhà bác học người Hà Lan Seez Deccer đã chế tạo được tranzito trên cơ sở các công nghệ NANO. Năm 1999, hai nhà vật lý người Mỹ là James Tour và Mark Reed đã xác định được rằng, một phân tử riêng lẻ cũng có thể phản ứng với bên ngoài như một chuỗi những phân tử. Năm 2000, Chính phủ Mỹ đã hỗ trợ chương trình Sáng kiến Quốc gia trong các công nghệ NANO (NNI). Các công trình nghiên cứu về các công nghệ NANO đã nhận được tiền trợ cấp từ ngân sách. Số tiền mà ngân sách Liên bang chi ra lúc đó cho NNI là 500 triệu USD. Năm 2001, Mark A. Ratner, tác giả cuốn sách "Các công nghệ NANO: Dẫn luận vào tư tưởng mới to lớn", cho rằng, các công nghệ NANO đã trở thành một phần trong đời sống nhân loại từ năm 2001. Chính năm đó đã xảy ra hai sự kiện quan trọng: tạp chí khoa học rất có uy tín "Science" đã đánh giá các công nghệ NANO là "Bước đột phá trong năm", còn tạp chí kinh doanh rất có thế lực "Forbes" đánh giá đó là "một ý tưởng mới nhiều triển vọng". Từ đó các công nghệ NANO được coi như một cuộc cách mạng công nghiệp mới. VẬT LIỆU HỌC 1.2. Định nghĩa 1.2.1. Công nghệ nano Là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10 −9 m). Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: - Cơ sở khoa học nano - Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nanomet - Chế tạo vật liệu nano - Ứng dụng vật liệu nano Nhà khoa học đang làm việc tại một phòng thí nghiệm công nghệ nano 1.2.2. Vật liệu nano Vật liệu Nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet. 1.3. Phân loại vật liệu nano Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khác niệm. sau đây là một vài cách phân loại thường dùng. 1.3.1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu: người ta đặt tên số chiều không gian bị giới hạn ở kích thước nano - Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano). Ví dụ: đám nano, hạt nano,… VẬT LIỆU HỌC Hạt nano vàng - Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano. Ví dụ: dây nano, ống nano,… Ống nano cacbon - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano. Ví dụ: màng mỏng,… VẬT LIỆU HỌC - Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ 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. Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số chiều bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano ba chiều, dây nano là vật liệu nano hai chiều và màng mỏng là vật liệu nano một chiều. Cách này ít phổ biến hơn cách ban đầu. 1.3.2. 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 - Vân vân Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. 1.4. Cơ sở khoa học của Công nghệ nano: 1.4.1. 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 micrômét có khoảng 1012 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. VẬT LIỆU HỌC 1.4.2. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ phần 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 nm khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. 1.4.3. 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 vi 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. VẬT LIỆU HỌC Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu. Lĩnh vực Tính chất điện Tính chất từ Tính chất quang Tính siêu dẫn Tính chất cơ Xúc tác Siêu phân tử Miễn dịch 1.4. Hướng ứng dụng chung: VẬT LIỆU HỌC Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà trước kia chưa có. Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng luợng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory). Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đường cho sự tiếp cận với những hệ thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micrômét. NANO BẠC Nguyễn Ngọc Thịnh 12021701 Định nghĩa nano bạc Nano bạc có nghĩa là phân chia nhỏ các phân tử bạc, tạo ra các ion bạc cực tiểu cỡ Nano để dễ dàng phủ lên các bộ phận chức năng thiết bị điện tử nhằm giúp hạn chế sự phát triển, phá vỡ sự tấn công của 1 số loại vi khuẩn gây bệnh. 2.2 Điều chế nano bạc Đỗ Phước Tiến 12011111 2.3 Tính chất Những tính chất của hạt nano xuất hiện là hệ quả của nguyên lý giam cầm lượng tử và sự cân xứng cao của bề mặt các nguyên tử, những điều này phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt nano. Sự điều chỉnh kích thước của hạt nano có thể dẫn tới những thay đổi về tính chất của các hạt, đây là nguyên nhân và chủ đề của nhiều nghiên cứu. Không giống với vật liệu khối có những tính chất vật lý không thay đổi theo khối lượng hạt nano cho thấy khả năng thay đổi những tính chất như điện, từ và quang học theo kích thước [...]... ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lý đã biết Nhưng... chất lỏng , nước Dụng cụ làm bằng hạt nano bạc sim điện thoại có hạt nano bạc 2 Ứng dụng chuẩn đoán: Các hạt nano bạc dược sử dụng trong cảm biến sinh học và nhiều xét nghiệm mà các vật liệu hạt nano bạc có thể sử dụng như thẻ sinh học để phát hiện hiện tượng • Dây nano bạc tạo nền tảng cho cảm biến đa năng mới đeo được VẬT LIỆU HỌC Một cảm biến dựa trên dây nano bạc được gắn trên khớp ngón tay cái để... thì lõi aragon chỉ làm cho canxi không bám vào thiết bị, chứ không loại bỏ được ra khỏi nguồn nước uống như công nghệ trao đổi ion hoặc R/O Máy lọc nước ứng dụng công nghê nano bạc 1.3 Những ứng dụng khác của nano bạc trong đời sống VẬT LIỆU HỌC Son nano bạc • khăn giấy nano bạc Ứng dụng nano bạc trong các thiết bị gia dụng − Ứng dụng các phân tử bạc (công nghệ Nano Silver) để khử khuẩn trong đồ dùng...VẬT LIỆU HỌC hạt Sự xuất hiện những hiệu ứng này là bởi những mức năng lượng không giống nhau của các hạt nhỏ trong vật liệu khối, nhưng riêng rẽ, bởi hiệu ứng giam cầm điện tử Vì thế, tính chất vật lý của hạt nano được xác định bởi kích thước của các hạt Vật liệu nano có những tính chất kỳ lạ khác hẳn với tính chất vật liệu khối đã nghiên cứu trước Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano. .. đó bị phân hủy và trả lại hạt nano bạc ban đầu - Dung dịch Nano bạc là một chất lỏng có tính chất trơ đối với axit, muối và cũng kiềm đồng thời cũng không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, nhiệt hoặc các chất khác - Nano bạc có tính chất ổn định và có thể kéo dài hiệu quả của nó trong một thời gian dài - Hạt nano bạc hoàn toàn an toàn và không có độc tố Đối với thủy sản nano bạc có công dụng như thế nào?... Với vật liệu lọc nước được trộn với Nano bạc (Ag+), khi nằm tại các khe lọc, bạc Nano silver có đủ thời VẬT LIỆU HỌC gian để giết chết con vi khuẩn, và hạn chế vi khuẩn phát triển trong lõi lọc, tránh được nguy cơ vi khuẩn phát triển và phá vỡ tấm lọc − Ngoài công nghệ bạc nano, các lõi này còn có thêm chức năng làm chuyển đổi cấu trúc của canxi trong nước thành dạng aragonite, giúp canxi không bám vào... của các hạt nano bạc là phụ thuộc rất nhiều vào kích thước Trần Minh Thuận 2.5 Ứng dụng nano bạc 12064091 VẬT LIỆU HỌC Hạt nano bạc đang được sử dụng trong rất nhiều công nghệ và tích hợp vào một mảng rộng các sản phẩm tiêu dùng có thể tận dụng tính chất chuẩn đoán, quang học, dẫn điện và kháng khuẩn theo mong muốn của con người 2.5.1 Ứng dụng Kháng Khuẩn: − Những năm gần đây, công nghệ nano ra đời... rữa rau ứng dụng hạt nano bạc • Ứng dụng nano bạc trong sản suất hàng tiêu dùng Khẩu trang được làm bằng hạt nano bạc − Việc sản xuất các mặt hàng tiêu dùng bằng kim loại bạc nguyên chất hoặc phủ chúng bằng bạc là rất đắt Tuy nhiên, các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, pha các nguyên liệu khác với hạt nano bạc là một phương pháp thích hợp để khai thác tính chất của bạc Các hạt nano siêu nhỏ thể hiện... VẬT LIỆU HỌC • Cơ chế diệt khuẩn của Nano bạc: Nano bạc với kích cỡ mét, tác dụng trực tiếp với vi khuẩn gây hại Nó bao lấy trực tiếp tế bào của vi khuẩn, và phá vỡ cấu trúc tế bào, vô hiệu hóa sự phát triển và sinh trưởng của chúng .Nano bạc tiêu diệt virus bằng cách chuyển động cắt đứt DNA, RNA của virus Cho nên với tính năng khử vi khuẩn của Nano bạc, có thể nói đó là công nghệ kháng khuẩn mạnh và. .. nhiều người vẫn lo ngại liệu công nghệ này có ảnh hưởng tới sức khỏe về lâu dài hay không? VẬT LIỆU HỌC Bình sữa phủ nano bạc − sơn nano bạc Đối với các thiết bị gia dụng lớn như máy giặt và máy khử độc thực phẩm thường sử dụng những thanh bạc lớn nguyên chất, có khu vực để riêng biệt và được điện phân dung dịch thành hàng tỉ các ion bạc mỗi lần giặt/xả − Chúng sẽ theo dòng nước bám vào các bề mặt thực . hơn. VẬT LIỆU HỌC TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ NANO VÀ VẬT LIỆU NANO Sự ra đời của công nghệ nano và vật liệu nano Nhà triết học Hy Lạp cổ đại Démocrite có thể được coi là cha đẻ của các công nghệ NANO. . VẬT LIỆU HỌC BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  TIỂU LUẬN MÔN: VẬT LIỆU HỌC ĐỀ TÀI: VẬT LIỆU NANO – NANO BẠC Giáo viên hướng. Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano. Ví dụ: dây nano, ống nano, … Ống nano cacbon - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano.