Công nghệ NANO là một bước đội phá trong các ngành khoa học kĩ thuật

Công nghệ NANO là một bước đội phá trong các ngành khoa học kĩ thuật

Mở đầu Trong năm gần đây, công nghệ nano bớc đột phá ngành khoa học kỹ thuật Đối tợng ngành công nghệ vËt liƯu nano, lµ vËt liƯu cã kÝch thíc rÊt nhá (tõ 1-100 nm) Víi kÝch thíc nhá nh vËy, vật liệu nano thể nhiều đặc tính thú vị khác thờng mà trớc cha thấy xuất vật liệu thông thờng khác Đó tính chất khác thờng nhiệt độ nóng chảy, từ tính, điện dung, màu sắc Vì vậy, vật liệu nano đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nh: công nghệ điện tử, viễn thông, y tế sức khoẻ, lợng, môi trờng, quân Ngêi ta hi väng cã thĨ sư dơng vËt liệu nano để tạo máy móc, thiết bị sản phẩm u việt Trong số vật liệu nano, hạt nano kim loại quí, có bạc nano đóng vai trò vô quan trọng Vật liệu nano bạc loại vật liệu nhận đợc quan tâm ý nhà khoa học nh nhà doanh nghiệp Ngoài đặc tính chung vật liệu nano, hạt bạc kích thớc nano có tính quý khác nh: tính quang, tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khả chống oxi hoá, khả diệt khuẩn, tẩy trùng nguyên liệu quan trọng để sản xuất vi mạch điện tử Vì nhu cầu hạt bạc nano ngày cao nên nhiều nghiên cứu tập trung điều chế bạc nano với qui trình đơn giản, hiệu cao, kích thớc hạt nh mong muốn Trong luận văn này, Nghiên cứu tổng hợp, tính chất khả ứng dụng vật liệu xúc tác bạc kim loại chất mang nhôm oxit Chơng 1: Tỉng quan 1.1 Mét sè kh¸i niƯm 1.1.1 VËt liệu nano Vật liệu nano loại vật liệu mới, tập hợp nguyên tử kim loại hay phi kim (đợc gọi cluster) hay phân tử oxit, sunfua, nitrua, borua có kích thớc hạt trung bình khoảng từ 1- 100 nm Đó vật liệu xốp với đờng kính mao quản nằm giới hạn tơng tự (zeolit, phốtphát cacbonxylat kim loại) [1] Vật liệu nano đối tợng hai lĩnh vực công nghệ nano khoa học nano, nã liªn kÕt hai lÜnh vùc trªn víi Kích thớc vật liệu nano đợc trải rộng Ví dụ, có cầu có bán kính bóng bàn thể tích đủ để làm rÊt nhiỊu h¹t nano cã kÝch thíc 10 nm Nếu xếp hạt thành hàng dài độ dài chúng nghìn lần chu vi trái đất [3] Với tiến khoa học công nghệ nay, vật liệu nano đợc đánh giá hớng đột phá công nghệ vật liệu Bên cạnh vật liệu míi kh¸c cã nhiỊu triĨn väng øng dơng nh vËt liệu composite, vật liệu quang điện tử, vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, vật liệu chức (nhớ h×nh, tù håi phơc ), vËt liƯu nano víi tính không gây nên đột phá công nghệ mà mở khả ứng dụng to lớn mẻ 1.1.2 Các loại vật liệu nano [2], [3] Dựa vào hình dạng vật liệu ngời ta chia thành loại: + VËt liƯu nano hai chiỊu: lµ vËt liƯu ®ã cã hai chiỊu lµ kÝch thíc nano nh mµng máng + VËt liƯu nano mét chiỊu: lµ vËt liƯu có chiều kích thớc nano nh d©y nano, èng nano + VËt liƯu nano hai chiỊu: vật liệu có hai chiều có kÝch thíc nanomet VÝ dơ nh mµng nano … + Vật liệu nano chiều (hay gọi vật liệu nano không chiều): vật liệu ba chiỊu ®Ịu cã kÝch thíc nanomet VÝ dơ nh: dung dịch keo nano, hạt nano + Vật liệu có cấu tróc nano hay nano composit ®ã chØ cã mét phần vật liệu có kích thớc nano cấu tróc cđa nã cã cÊu tróc nano kh«ng chiỊu, mét chiều hai chiều đan xen 1.1.3 Đặc điểm tính chất vật liệu nano Một số đặc điểm: + Tơng tác nguyên tử điện tử vật liệu bị ảnh hởng biến đổi phạm vi thang nano, làm thay đổi cấu hình vật liệu thang nano ta điều khiển đợc tính chất vật liệu theo ý muốn mà không cần phải thay đổi hình dạng cấu trúc + VËt liƯu cã cÊu tróc nano cã tû lƯ gi÷a diƯn tÝch bỊ mỈt so víi thĨ tÝch rÊt lín nên chúng lý tởng để làm vật liệu xúc tác composit phản ứng hoá học Các loại vËt liƯu cã cÊu tróc nano võa cøng h¬n, bỊn so với vật liệu micro + Tốc độ tơng tác, truyền tín hiệu cấu trúc nano nhanh nhiều so với cấu trúc micro sử dụng tính u việt để chế tạo hệ thống nhanh với hiệu lợng cao Tính chất thú vị vật liệu nano bắt nguồn từ kích thớc chúng, kích thớc nhỏ bé nên so sánh với kích thớc tới hạn nhiều tính chất hoá lý vật liệu khác Có thể hình dung phần kích thớc chúng qua số liệu sau [7], [17]:  C¬ cÊu nhá nhÊt cđa vËt chÊt nguyên tử có kích thớc: 0,1 nm Phân tử tập hợp nhiều nguyên tử: 0,1 nm  Vi khuÈn: 50 nm  Hång huyÕt cÇu: 104 nm  Tinh trïng: 2,5.104 nm  Sỵi tãc: 105 nm + Đầu kim: 106 nm Chiều cao ngêi trëng thµnh: ~ 1,5.109 – 2.109 nm Nh đà nói trên, kích thớc vật liệu nano từ vài nm vài trăm nm, nhỏ 1/1000 chiều rộng sợi tóc ngời Từ sè liƯu trªn ta cã thĨ thÊy vËt liƯu nano có kích thớc cấp độ phân tử, việc có kích thớc vô nhỏ bé đà đem lại cho vật liệu nano tính chất mà vật liệu thông thờng có đợc 1.1.4 Công nghệ nano KĨ tõ Jonh Dalton thut phơc thÕ giíi tồn nguyên tử vào năm 1803, nhà khoa học đà muốn làm nhiều điều chúng Công nghệ nano đa lên tầm cao mở chân trời Trong nghiên cứu tổ chức liên hợp quốc bảo trợ dự báo vấn đề kinh tế - xà hội thiên niên kỷ thứ ba Các chuyên gia báo cáo công nghệ nano ngành đột phá có tác dụng tích cực vòng 25 năm tới kinh tế giới [18] Dự báo dựa vào kiện số nớc tham gia đầu t chạy đua nghiên cứu công nghệ nano tăng mạnh hàng năm, số phát minh tăng vọt Công nghệ nano đà tồn tự nhiên thời gian dài Một ví dụ điển hình lông siêu mịn bàn chân thạch sùng cho phép bám vào tờng chí mặt dới tÊm kÝnh n»m ngang C«ng nghƯ nano gióp ngêi chế tạo hệ thống nhỏ hơn, nhẹ hơn, bền hơn, hiệu song lại rẻ tiền [3] Công nghệ nano tổng hợp, phân tích chế tạo ứng dụng cấu trúc thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dạng kích thớc cấp độ nanomet (Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu - ĐHBKHN) Theo giáo s Norio Tanigu Đại Học Khoa học Tokyo: Công nghệ nano bao gồm trình phân tách, làm bền biến dạng vật liệu nguyên tử phân tử Trong năm 80, ý kiến đợc xem xét sâu tiến sỹ Eri Dexrecler sách kỷ nguyên công nghệ nano hệ thống nano, máy móc phân tử Ông ngời đà đẩy mạnh ý nghĩa quan trọng mặt công nghệ tợng ứng dụng cấp độ nano từ thuật ngữ đợc sử dụng tới ngày Công nghệ nano khoa học liên ngành bao gồm: Toán học, Vật lý, Hoá häc, Y häc, Sinh häc … vµ lµ mét ngµnh công nghệ có nhiều tiềm [20] Toán học Y Sinh Học Vật lý Công nghệ nano Hoá học Công nghệ thông tin Hình 1.1: Sơ đồ mối quan hệ nano với ngành khác Công nghệ nano bao gồm vấn đề chính: - Cơ sở khoa học nano - Công cụ phơng pháp quan sát can thiệp cấp độ nano - Chế tạo kiĨm so¸t kÝch thíc, tÝnh chÊt cđa vËt liƯu nano - øng dơng vËt liƯu naono Trong ®ã nhiƯm vơ nhà hóa học phải điều chế nắm bắt thông tin điều khiển cấu tróc, tÝnh chÊt cđa vËt liƯu nano 1.1.5 Khoa häc nano Cùng với công nghệ nano, khoa học nano mét nh¸nh cđa khoa häc vËt liƯu Khoa häc nano ngành khoa học nghiên cứu tợng can thiệp (manipulation) vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Tại quy mô tính chất vật liệu khác hẳn với tính chất chúng quy mô lớn [2] Thực cấu trúc nano đà đợc nhà khoa học biết đến từ kỷ Những hạt phân tán cực nhỏ đà đợc đề cập đến hóa học hệ phân tán hay gọi hoá keo Nhng hạn chế lợng phơng pháp nghiên cứu trớc mà hạt keo có kích thớc nano nhng đợc sử dụng cách lÃng phí làm cách keo tụ [4], [27] Do vËy, khoa häc nano gióp chóng ta hiĨu rõ chất trình động học xúc tác bề mặt, chức hoá học màng sinh học tạo thành tập hợp phân tử có đặc tính siêu việt, đồng thời cho phép ta tìm nhiều phơng pháp điều chế vật liệu nano cách có hiệu 1.2 øng dơng cđa vËt liƯu nano VËt liƯu nano lµ lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động thời gian gần Điều đợc thể số công trình khoa học, số phát minh sáng chế, số công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ Sản phẩm từ vật liệu nano cã nhiỊu u viƯt, ®ã cã hai u viƯt chÝnh sau [1], [3]: V× kÝch thíc cÊu tróc nano nhỏ làm cho sản phẩm dễ vi tiểu hình hóa, tiêu phí vật liệu, lợng, không gây ô nhiễm môi trờng giá thành sản phẩm giảm Sản phẩm công nghệ nano có nhiều tính mới, thay vật liệu khác đợc Vì vậy, công nghệ nano đà nhanh chóng thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vực đời sống 1.2.1 Công nghệ nano với vấn đề y tế sức khoẻ ây l l lnh vc c trông ch nht ca công ngh nano Vì tính chất mẻ cấu trúc nano, ngời ta đà vận dụng cấu trúc để chữa bệnh, mà trớc chữa hiệu - Tìm lộ trình để đa thuốc đến chỗ cần thể: bị viêm nhiễm khuẩn vị trí thể, ta phải tiêm loại thuốc kháng khuẩn vào mạch máu có phần phân tử thuốc đến vị trí có viêm, phận khác thể phải nhận cách vô ích lợng tơng đối phân tử thuốc Việc hay dẫn đến hiệu ứng phụ nguy hiểm Phải làm để phân tử thuốc đến tập trung vào địa điểm cần đến Ngời ta phát hạt nano từ tính giúp việc Trớc hết phải chế tạo hạt nano có kích thớc nanomet mang từ tính (Ví dụ: phơng pháp hoá học cho kết tủa oxit sắt) Các hạt nano đợc chế biến cho móc nối với phân tử loại thuốc cần dùng Nh hạt nano đóng vai trò xe tải kéo rơ-mooc phân tử thuốc Chỉ việc dùng từ trờng (hoặc nam châm) hớng xe tải nano kéo thuốc đến địa Nh vô hiệu so với trớc Đặc biệt ung th tế bào ung th bị công mạnh mẽ tập trung phân tử hoá chất mạnh, tránh đợc hiệu ứng phụ gây cho tế bào lành [1], [6] - Các hạt nano để làm thẩm mỹ bảo vệ da: việc sửa sang sắc đẹp đà hình thành ngành nano phẫu thuật thẩm mỹ (cosmetic nano - surgery) Trớc đây, ngời ta thờng nghe nói vi phẫu thuật thẩm mỹ mổ xẻ nhỏ (tiểu phân) để bóc mỡ thừa, căng da, xoá nếp nhăn, mài vết sạm, đổi màu tóc da Đây thị trờng lớn có sức hấp dẫn mạnh, công nghệ kiệt xuất đời nh công nghệ nano Hiện nay, ngời ta dùng nhiều loại thuốc thẩm mỹ bảo vệ da Ví dụ, đà thơng mại hoá loại kem chống tia tử ngoại, loại kem bôi có chứa hạt nano oxit kẽm ZnO Loại kem suốt với bớc sóng dài ánh sáng (đỏ, da cam) nên da dễ bắt màu nâu đẹp Đồng thời hạt nano oxit kẽm ngăn chặn tia tử (bớc sóng ngắn) tới da gây ung th da Ngời ta nghiên cứu chế tạo máy móc kích thớc phân tử gọi máy nano (chính máy phân tử) mà thành công việc chữa bệnh, phẫu thuật tuyệt diệu mức mà khó hình dung [6], [10] - Më triĨn väng míi viƯc ®iỊu trị, bệnh nan y Hiện nay, y tế nano tập trung vào mục tiêu xúc sức khoẻ ngời, bệnh di truyền có nguyên nhân từ gen, bệnh nan y hiƯn nh: HIV/ AIDS, ung th, tim m¹ch, bệnh lan rộng nh: béo phì, tiểu đờng, liƯt rung (Parkinson), mÊt trÝ nhí (Alheimer) 1.2.2 §èi víi vấn đề lợng môi trờng [1], [6], [10] Để giải vấn đề lợng cách thách thức nghiêm trọng kỷ này, ngời ta thu đợc nhiều kết khả quan từ công nghệ nano Các sản phẩm lợng từ vật liệu nano nh: + Các nguồn lợng rẻ từ vật liệu nano + Các loại pin lợng mặt trời nh tế bào quang Vontaric + Các thiết bị điều khiển tiết kiệm lợng nh thiết bị chiếu sáng tiết kiệm điện + Các chất xúc tác từ vật liệu nano để nâng cao hiệu suất chuyển hóa lợng từ dầu mỏ Khi vấn đề lợng đợc giải quyết, kéo theo vấn đề nguy môi trờng đợc giảm nhẹ Các chất làm môi trờng vấn đề đợc quan tâm Các máy lọc tạo ống cacbon nano, với hình trụ rỗng đờng kính vài nanomet có khả lọc đợc vi khuẩn vi rút đờng ống Các lồng nguyên tử nhỏ có khả giữ chất ô nhiễm chất hoá học chiến tranh nớc đất 1.2.3 Đối với công nghệ thông tin viễn thông [1], [6], [10] Nhờ vào kích thớc nhỏ, cấu trúc nano chặt làm tăng tỷ trọng gãi Tû träng gãi cao cã nhiỊu lỵi Ých nh tốc độ xử lý số liệu khả lu trữ thông tin tăng Do đó, có nhiều ứng dụng máy tính, nhớ xử lý thông tin với dung lợng tốc độ lớn Nhờ phát hiệu ứng từ điện trở khổng lồ lớp nano sắt từ kép, ngời ta đà chế tạo đầu đọc cực nhạy cho ổ đĩa cứng từ đó, dung lợng đĩa cứng tăng lên từ 10 -15 lần HÃng Intel đà giới thiệu bé xư lý kÝch thíc chØ b»ng 65nm C¸c kü s h·ng nµy tin tëng bé xư lý 5nm cã thể thực tơng lai Công ty giới thiệu hình ảnh mẫu Transitor 65, 45, 32, 22 nm [23], [24] Trong t¬ng lai: + Bé vi xử lý sử dụng lợng giảm giá thành làm tăng hiệu máy tính lên hàng triệu lần + Thiết bị lu trữ có khối lợng nhỏ + Bộ cảm biến tổng hợp: lựa chọn, xử lý, liên kết lợng lớn liệu kích cỡ khối lợng nhỏ + Tần số truyền cao khả sử dụng hiệu suất cao tín hiệu quang làm cho độ rộng tần số giảm 10 lần + Lợng tử hoá tin học Ngoài sản phẩm ngành công nghệ nano đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nh hàng không vũ trụ, công nghệ hoá học, nông nghiệp, thực phẩm, mỹ phẩm Đến năm 90 kỷ trớc, ứng dụng quan công nghệ nano đà gây chấn động giới khoa học kinh doanh Quá trình toàn cầu hoá, cạnh tranh hợp tác nớc công nghệ nano sôi động Dẫn đầu thuộc ba động kinh tế giới: Mỹ, EU, Nhật Bản Các nớc lớn nh Nga, Trung Qc, Ên §é cịng cã nhiỊu cë së khoa học công nghệ nghiên cứu phát triển công nghệ nano [10] Hàng ngày, theo dõi Internet thấy có hàng chục phát minh công nghệ thông tin công nghệ truyền thông dựa công nghệ nano đợc công bố 1.3 Một số phơng pháp chế t¹o vËt liƯu nano [1], [3], [17] VËt liƯu nano đợc chế tạo phơng pháp: phơng pháp từ dới lên từ xuống Phơng pháp từ xuống phơng pháp tạo hạt kích thớc lớn Phơng pháp từ dới lên phơng pháp hình thành hạt nano từ nguyên tử ion 1.3.1 Phơng pháp từ xuống Nguyên lý: Dùng kĩ thuật nghiền biến dạng để biến vật liệu có kích thớc lớn kích thớc nano Đây phơng pháp đơn giản, rẻ tiền nhng hiệu quả, chế tạo đợc lợng lớn vật liệu nhng tính đồng vật liệu không cao Trong phơng pháp nghiền, vật liệu dạng bột đợc trộn lẫn với viên bi đợc làm từ vật liệu cứng Máy nghiền nghiền lắc, nghiền rung nghiền quay Các viên bi va chạm v lo phá vỡ bột đến kích th ớc nano Kết thu đợc vật liệu nano không chiều Phơng pháp biến dạng dồn thuỷ lực, tuốt, cán ép Nhiệt độ đợc điều chỉnh tuỳ thuộc vào trờng hợp cụ thể Nếu nhiệt độ lớn nhiệt độ phòng gọi biến dạng nóng, nhiệt độ nhỏ nhiệt độ phòng gọi biến dạng nguội Kết thu đợc vật liệu nano chiều chiều Ngoài ngời ta dùng phơng pháp quang khác để tạo cấu trúc nano phức tạp nh: phân hủy, laze, 1.3.2 Phơng pháp từ dới lên Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion Phơng pháp từ dới lên phát triển mạnh mẽ tính linh động chất lợng sản phẩm cuối Phần lớn vật liệu nano đợc điều chế phơng pháp Nó phơng pháp vật lý, hoá học kết hợp hai phơng pháp hoá- lý 1.3.2.1 Phơng pháp vật lý Đây phơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử chuyển pha a Phơng pháp chuyển pha Vật liệu đợc đun nóng cho nguội với tốc độ nhanh để thu đợc trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy trình chuyển pha từ vô định hình sang tinh thể (phơng pháp làm nguội nhanh) b phơng pháp bốc bay nhiệt 10 Vật liệu đợc đốt dùng tia phóng xạ phóng điện hồ quang làm bay vật liệu Sau vât liệu đợc ngng tụ lại tạo bột mịn, nhỏ vào kích cỡ nano ví dụ: phơng pháp phóng điện hồ quang; ngời ta dùng bình chân khí trơ thổi qua áp suất thấp Trong bình có hai điện cực nối víi mét ®iƯn thÕ lín Khi måi cho phãng ®iƯn xảy tợng hai điện cực: anot bị điện tử bắn phá làm cho nguyên tử bốc bay lên (bốc bay nhiệt) bị điện tử trở thành ion dơng hớng catot, ®ã catot bÞ phđ mét líp vËt liƯu bay sang từ anot Thành phần chất làm điện cực ảnh hởng đến thành phần cấu trúc, hiệu suất hạt nano tạo thành Phơng pháp không tạo đợc hạt nano dạng khối mà chủ yếu dạng bột mịn 1.3.2.2 Phơng pháp hoá học Vật liệu cấu trúc nano nói chung, bạc nano nói riêng chủ yếu đợc tổng hợp hai phơng pháp phơng pháp vật lý phơng pháp hoá học, phơng pháp hoá học phơng pháp hiệu để điều chế vật liệu nano Do phơng pháp yêu cầu thiết bị đơn giản sản phẩm tạo có đồng cấu trúc kích thớc phơng pháp khác Hơn phơng pháp hoá học ta kiểm soát đợc điều kiện phản ứng, yếu tố ảnh hởng đến kích thớc hạt nh chế trình tổng hợp, từ tìm đợc quy trình tổng hợp tối u Vì vậy, giới thiệu số phơng pháp hoá học để điều chế bạc nano a Phơng pháp sử dụng màng chất đa điện ly Một đặc điểm màng có chứa nhiều nhóm mang điện tích trái dấu Một số chất đa điện li đợc sử dụng nh polyarcylic axit PAA, polyallylamin hidroclorua PAH, polyetylenimit PEI Chúng có nhóm cacbonyl nguyên tử nitơ tơng ứng mang điện tích âm nên hấp thụ ion kim loại, tạo thành chất bền màng polyme Sau ta sử dụng chất khử thích hợp để khử ion kim loại thành sản phẩm màng kim loại cấu trúc nano đơn lớp đa lớp Phơng pháp đợc ứng dụng để tổng hợp vật liệu gồm kim loại Ta điều khiển kích thớc màng cách thay đổi nồng độ ion kim loại c Phơng pháp phân huỷ nhiệt 11 Trong phơng pháp ngời ta tiến hành phân huỷ phøc cđa mét kim lo¹i víi axit bÐo ë 250oc môi trờng có nitơ, tạo hạt kim loại đơn phân tán bền Phân tích sản phẩm ngời ta thấy hạt nano sinh ®ỵc phđ b»ng mét líp máng axit bÐo ChÝnh sù bao phủ giúp cho hạt nano bền ngăn cản không cho chúng tổ hợp với hoà tan chúng vào dung môi hoá chúng Đấy phơng pháp mới, không gây ô nhiễm môi trờng kích thớc hạt tạo tơng đối nhỏ (khoảng nm) nhng đòi hỏi thiết bị thí nghiệm đại d Phơng pháp sol-gel Đây phơng pháp hữu hiệu để chế tạo nhiều bột nano, với thành phần cấu trúc mong muốn, dễ điều khiển kích thớc hạt, độ mịn độ đồng hạt cao Vật liệu đầu thờng muối kim loại vô hợp chất kim Điều yếu phơng pháp điều khiển tốt trình phản ứng Vấn đề phụ thuộc vào việc lựa chọn chất tham gia phản ứng, chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ phản ứng nồng độ chất tham gia phản ứng Quá trình sol- gel đợc dùng làm bột mịn với bột dạng hình cầu, tổng hợp màng mỏng để phủ lên bề mặt vật liệu khác, làm gốm sứ thuỷ tinh, làm màng xốp e Sử dụng hạt nano có sẵn tự nhiên Sử dụng khuôn có sẵn tự nhiên để làm môi trờng phản ứng nh zeolit hạt sét, khuôn sinh học Vì chúng có lỗ nhỏ kích thớc nano nên ta khống chế đợc kích thớc vật liệu sinh khuôn g Phơng pháp khử hoá học Trong phơng pháp này, ngời ta thực khử muối kim loại tơng ứng có mặt tác nhân làm bền, để khống chế lớn lên hạt keo ngăn cản keo tụ chúng Phơng pháp có u điểm quy trình thực đơn giản không đòi hỏi thiết bị đắt tiền điều khiển kích thớc mong muốn tổng hợp lợng lớn Phơng pháp chủ yếu để tao hạt nano kim loại 12 1.3.2.3 Phơng pháp kết hợp Đây phơng pháp chế tạo vật liệu nano hai nguyên tắc vật lý hoá học Phơng pháp siêu âm hoá học: Các chất phản ứng đợc hoà tan nớc chất bảo vệ chất hoạt động bề mặt polyme hoà tan nớc Chúng vừa có vai trò bảo vệ sản phẩm vừa nguồn để tạo gốc tự Khi bắn sóng siêu âm (tần số 20KHZ) vào dung dịch làm phân tử nớc phân ly thành gốc tự H., OH Các gốc lại tơng tác với polyme chất hoạt động bề mặt tạo gốc tự thứ cấp R khử ion kim loại thành kim loại Các ph¶n øng: RH + OH = R + H2O R + Ag+  R + Ag + H 1.4 Mét số phơng pháp nghiên cứu vật liệu nano 1.4.1 Phơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [4], [11] Phơng pháp nhiễu xạ tia X phơng pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể quan trọng hiệu Khi chiếu chùm tia X vào tinh thể, điện từ trờng tia X tơng tác với nguyên tử nằm mạng tinh thể Các tia khuyếch tán từ tơng tác giao thoa víi Sù giao thoa cđa c¸c tia khuch tán sau qua tinh thể gọi nhiễu xạ Hiện tợng nhiễu xạ tia X đợc quan sát lần Maxvon Laue vào năm 1912 Và đợc giải thích hai cha William Henri Bragg William Lawrence Dragg Theo Bragg, nhiễu xạ tia X đợc xem giao thoa tia X phản xạ từ mặt phẳng nút mạng tinh thể(hkl) Điều kiện để có giao thoa tia phản xạ 2dsin = n Trong đó: d khoảng cách hai mặt phẳng mạng (hkl) liên tiếp , bớc sóng góc nghiêng tia phản xạ 13 2' 1' O I d B II C A H×nh 1.2: Giải thích nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg Giá trị d phụ thuộc vào số Miller (hkl) mặt mạng vào thông số mạng tinh thể Có nhiều phơng pháp ghi nhận tia nhiễu xạ: Phơng pháp dùng phim ảnh, giấy ảnh kính ảnh Phơng pháp dùng thiết bị kiểu máy đếm Phơng pháp dùng tinh thể thể hiệu ứng quang - electron (phơng pháp cã nhiỊu u thÕ v× cã thĨ kÕt nèi víi máy tính xử lý nhanh liệu) Trong phân tích cấu trúc ngời ta chia làm hai phơng pháp nghiên cứu: Phơng pháp đơn tinh thể: mẫu nghiên cứu đơn tinh thể có kích thớc đủ lớn (cỡ mm) thích hợp cho việc nghiên cứu Phơng pháp bột: mẫu nghiên cứu vi tinh thể nhỏ li ti, không thích hợp cho việc thao tác máy 1.4.2 Kính hiển vi điện tư trun qua (Transmission electron microscope TEM) [5], [13] 14 N guån cÊp e le c tro n M µ n h ìn h h iể n th ị ản h M Éu T h Ê u k Ýn h h é i tô P h ã n g to ả n h Hình 1.3: Sơ đồ làm việc kÝnh hiĨn vi ®iƯn tư trun qua KÝnh hiĨn vi điện tử truyền qua công nghệ hình ảnh cách hội tụ chùm electron mẫu tạo phóng đại hình ảnh huỳnh quang lớp phim ảnh Độ phân giải kính hiểm vi điện tử loại tốt vào cỡ 0,1nm, cao nhiều so với khả phóng đại kính hiểm vi quang học Độ phân giải thích hợp để quan sát chi tiÕt cã kÝch cì nano Khi chn bÞ chơp mÉu phải làm mẫu thật mỏng (khoảng 0,5nm) điện tử xuyên đợc qua mẫu để tạo ảnh phóng đại Khi đà làm đợc mẫu mỏng mà không làm sai lệch cấu trúc hiển vi điện tử truyền qua cho biết đợc nhiều nano mẫu nghiên cứu: hình dạng, kích thớc hạt, biên giới hạt 1.4.3 Kính hiĨn vi ®iƯn tư qt (Scanning electron Microscope-SEM) [5], [12] 15 N guån cÊp e le c tro n è n g tia c a t« t V Ë t k Ýn h ¶nh T h ù c h iƯ n q u tr ìn h quét đồng T r ờng quét Phản xạ C h u y Ĩ n th µ n h tÝn h iƯ u ® iƯ n v µ k h u y Õ c h đ i D e te c to r M ẫu Hình 1.4: Sơ đồ làm việc kÝnh hiĨn vi ®iƯn tư qt KÝnh hiĨn vi ®iƯn tử quét (SEM) loại kính hiển vi điện tử có khả tạo bề mặt hình ảnh mẫu với độ phân giải cao Cho chùm điện tử qua thấu kính điện tử để tiêu thụ thành điểm nhỏ chiếu lên mặt mẫu nghiên cứu Từ điểm bề mặt mẫu mà điện tử chiếu đến có nhiều loại hạt, nhiều loại tia phát ra, gọi chung loại tín hiệu Mỗi loại tín hiệu phản ánh đặc điểm mẫu điểm đợc điện tử chiếu đến, cho chùm tia điện tử quét mẫu quét cách đồng tia điện tử hình đèn hình, thu khuyếch đại loại tia từ mẫu phát để làm thay đổi cờng độ sáng tia điện tử quét hình ta có đợc ảnh Với ảnh phóng đại phơng pháp quét cho phép quan sát bề mặt mấp mô, không yêu cầu mẫu phải nát mỏng phẳng Tuy nhiên độ phân giải SEM không TEM 1.4.4 Phổ tán xạ lợng (EDS) [5], [3] Trong máy chụp SEM, ngời ta thờng ghép thêm modun tán xạ lợng EDS Khi chùm tia electron tơng tác với mẫu phát tia X đặc 16 trng nguyên tố Máy đo phổ tán xạ lợng ghi lại tia X Vị trí, cờng độ phổ tán xạ lợng cho phép xác định nguyên tố hàm lợng chúng mẫu 1.4.5 Phơng pháp phân tích nhiệt [3], [18] Phơng pháp phân tích nhiệt cung cấp thông tin tính chất nhiệt thành phần chất thể rắn Trên giản đồ phân tích nhiệt có bốn đờng Đờng T: Ghi lại biến đổi đơn nhiệt độ cuả mẫu theo thời gian Nó cho biết nhiệt độ xảy biến đổi mẫu Đờng TG: Cho biết biến thiên khối lợng mẫu trình nung nóng Nó cho phép xác định thay đổi thành phần mẫu xảy hiệu ứng nhiệt Đờng DTG: ghi lại đạo hàm thay ®ỉi khèi lỵng cđa mÉu theo nhiƯt ®é Nã chØ chứa cực tiểu Diện tích giới hạn pic tỉ lệ với thay đổi khối lợng mẫu Đờng DTA: ghi lại thay đổi nhiƯt ®é cđa mÉu theo thêi gian so víi mÉu chuẩn Nó có chứa cực đại (ứng với hiệu ứng thu nhiệt) Kết hợp liện thu đợc từ việc phân tích đờng trên, ta có thông tin thành phần tính chất nhiệt chất cần nghiên cứu 1.5 Vật liệu bạc [2], [7], [20] Bạc (Ag) nguyên tố thứ 47 hệ thống tuần hoàn, thuộc phân nhóm IB, kim loại màu sáng trắng, mềm, dễ dát mỏng, khả dẫn điện dẫn nhiệt tốt, có khả phản xạ ánh sáng cao kim loại Khối lợng riêng 10,5 g/cm3; nhiệt độ nóng chảy 961,9oC, nhiệt ®é s«i 2212oC Tan axit nitric ë nhiƯt ®é phòng axit sunphuric đặc nóng Trong điều kiện thờng, bạc kim loại bền nhng không khí xuất khí H2S màu trắng bạc dần trở nên xám xịt tạo màng Ag2S Bạc kim loại có tính kháng khuẩn mạnh Trong tự nhiên, bạc tồn dạng tự gần nh tinh khiết Khoảng 20% lợng bạc đợc luyện trực tiếp từ quặng nghèo chứa Ag2S phơng pháp xianua 17 Trong phòng thí nghiệm, để điều chế bạc ngời ta thờng dùng chất hữu nhiệt độ ®Ĩ khư Ag+ cã dung dÞch AgNO3 vỊ Ag 2AgNO3 o  300 C  2Ag + 2NO2 + O2 1.6 Các phơng pháp điều chế bạc nano 1.6.1 Phơng pháp khử hoá học - Phơng pháp khử hoá học phơng pháp phổ biến việc điều chế hạt keo bạc nano - Nguyên tắc khử muối bạc (thờng AgNO3 ) dới có mặt tác nhân bảo vệ thích hợp cần thiết (thờng Polyme chất hoạt động bề mặt) để khống chế trình lớn lên tập hợp hạt keo bạc Kích thớc hạt phụ thuộc vào khả khử chất khử, vào tác nhân bảo vệ điều kiện thí nghiệm (nồng độ dung dịch, nhiệt độ) - Tác nhân khử đóng vai trò quan trọng trình điều chế Độ mạnh yếu tác nhân khử ảnh hởng tới kích thớc, hình dạng hạt nano tạo thành Nếu chất khử mạnh, trình khử diễn nhanh, số lợng hạt keo bạc sinh nhiều cha kịp đợc bảo vệ nên dễ dàng diễn keo tụ thành h¹t cã kÝch thíc lín NÕu chÊt khư sư dơng yếu, trình xảy chậm, đạt hiệu suất thấp dễ sinh nhiều trình trung gian sản phẩm không mong muốn Các tác nhân khử thờng dùng là: etylen glicol, formanđehit, natribohydrua, hydrazin, gluco [4], [9] Các tác nhân khử vừa chất bảo vệ vừa chất khử lại đóng vai trò dung môi thích hợp việc tổng hợp bạc nano - Chất bảo vệ thờng đợc sử dụng polyme mạch dài, chất hoạt động bề mặt, thiol, chất mạch thẳng có số nguyên tử C lớn nh: PVP, PVA, PEG Các chất bảo vệ chất độc lập thêm vào hỗn hợp phản ứng nhng có nhiều trờng hợp sản phẩm khử sinh trình phản ứng muối bạc ban đầu cha phản ứng hết Vai trò chúng khống chế trình lớn lên tập hợp hạt bạc nano tạo thành [4], [8] Có nhiều ý kiến giải thích đặc điểm chung có tơng tác nguyên tử bạc nano lớp vỏ với tác nhân này, làm giảm lợng tự bề mặt hạt nano Phân tử tác nhân làm bền thờng có nhóm phân cực có lực mạnh với Ag+ hay nguyên tử Ag kim loại nh nhãm –OH ë PVA, 18 xenlulo axetat, nhãm chøa nguyên tử O, N PVP Trong trình phản ứng, ion Ag+ đà đợc gắn polyme nên lớn lên cách tự Hơn nữa, hạt bạc nano vừa hình thành đà đợc ngăn cách với vỏ polyme lớn kết tụ đợc với Điều đà khống chế trình lớn lên tập hợp cuả hạt, dễ tạo kích thớc nhỏ đồng Ngoài ra, hạt bạc nano đợc bảo vệ theo quy chế làm bền hạt keo Khi ion Ag+ cha bị khử hoàn toàn, chúng đợc hấp thụ bề mặt hạt đợc tạo thành mixen gồm nhân bạc, lớp chất bảo vệ lớp đệm kép Ag+ NO3- Nhờ lớp đệm kép mà hạt bạc nano mang điện tích trái dấu đẩy tránh tợng keo tụ [4], [17] Ngoài yếu tố nh pH, nồng độ chất tham gia phản ứng, nhiệt ®é cđa ph¶n øng, tèc ®é, thêi gian cịng ¶nh hởng lớn tới chất lợng sản phẩm tạo thành Ví dụ, pH lớn xảy trình tạo thành Ag 2O nên khó khống chế phản ứng, đặc biệt pH cao ion OH- làm mỏng lớp điện kép bao hạt nano làm hạt nano dễ tập hợp Khi nồng độ thấp tốc độ cung cấp chất phản ứng nhỏ, hạt nano tạo thành thờng nhỏ đồng Phơng pháp có u điểm dễ thực hiện, dễ khống chế điều kiện phản ứng nhng thích hợp với ứng dụng dạng keo khó thu sản phẩm dạng bột mịn Dạng bột mịn thu lại không bền dung dịch keo 1.6.2 Phơng pháp sử dụng màng chất đa điện ly [7], [27] Lớp màng chất đa điện ly có đặc ®iĨm cã nhiỊu nhãm mang ®iƯn tÝch tr¸i dÊu Mét số chất đa điện ly đợc sử dụng nh polyacrylie axit (PPA), polyallylamin hidroclorua (PAH), polyetylenimit (PEI) Do đặc điểm mạch chất đa điện ly mạch dài nên chúng hình thành hố tích điện ©m kÝch cì nano mÐt bëi c¸c nhãm cacbonyl, nhãm chứa nitơ Các hố hấp thụ ion Ag+ tạo thành phức bền màng Sau ta sử dụng chất khử thích hợp để khử ion Ag+ thành Ag Đây phơng pháp tạo kích thớc hạt có độ đồng cao nhỏ 1.6.3 Phơng pháp phân huỷ nhiệt [14] Trong phơng pháp ngời ta thờng sử dụng muối Ag axit hữu thờng họ axit béo mạch dài thẳng làm chất bảo vệ Nung muối 19 nhiệt độ < 3000C vòng 24h ta thu đợc tinh thể Ag nano với kích cỡ nhỏ phân bổ kích thớc hẹp Phơng pháp đơn giản, độc, tốn hoá chất, thời gian phản ứng thấp, dễ dàng tạo lợng lớn, kích thớc hạt thu đợc nhỏ, phân bố khoảng hẹp thêng díi d¹ng tinh thĨ 1.7 øng dơng cđa b¹c nano B¹c cã nhiỊu øng dơng to lín phơc vơ cho lợi ích ngời Bạc đợc dùng để trang trí, kỵ gió, bảo vệ sức khoẻ Khoa học công nghệ ngày phát triển, ngời ta phát hiƯn nhiỊu tÝnh chÊt u viƯt cđa b¹c nh tÝnh quang, tÝnh dÉn ®iƯn, dÉn nhiƯt tèt nhÊt số kim loại , nên bạc đà đ ợc sử dụng nhiều kỹ thuật điện tử, quang học [17] Với phát triển công nghệ nano, bạc nano nhận đợc nhiều ý nhà khoa học nh nhà doanh nghiệp Đó bạc nano mang đặc tính đáng quý vật liệu nano mà có tính chất riêng khác biệt, đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác [19] 1.7.1 Đối với sức khoẻ y tế Sở dĩ bạc đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực y học sức khoẻ bạc kháng sinh tự nhiên tác dụng phụ Các dụng cụ bạc có khả hạn chế thay đổi chất lợng thực phẩm đợc đựng ion bạc đợc tách hạn chế phát triển vi khuẩn, công, phá vỡ màng tế bào khoảng 650 loại vi khuẩn, đơn bào gây hại khác kích thớc nanomet, bạc tiêu diệt đợc 99% lợng vi khuẩn [13] Ngời ta đà dùng hạt nano bạc để làm loại gạc y tế, dụng cụ phẫu thuật, sơn kháng khuẩn, dung dịch tẩy trùng thành phần số dợc phẩm Do diện tích bề mặt lớn, cần dùng lợng nhỏ mà tác dụng diệt khuẩn đà tăng lên nhiều Bởi vậy, nhiều vật dụng đợc tráng lớp bạc nano để diệt khuẩn nh máy điều hoà, tủ lạnh, bình lọc nớc [9] HÃng Mummyberr gần đay đà giới thiệu công nghệ nano bạc ứng dụng vào sản xuất khăn ớt, bình sữa dụng cụ đựng thức ăn cho trẻ Theo kết nghiên cứu viện FITI (Hàn Qc) so s¸nh sù sinh trëng cđa vi khn E coli gây tiêu chảy Staphyloccoci gây bệnh ung th bình sữa nano bạc với bình sữa thờng, thấy sau lợng khuẩn bình sữa thờng tăng lên 84,4% bình nano giảm 20 ... së khoa học công nghệ nghiên cứu phát triển công nghệ nano [10] Hàng ngày, theo dõi Internet thấy có hàng chục phát minh công nghệ thông tin công nghệ truyền thông dựa công nghệ nano đợc công. .. Hoá học, Y học, Sinh học ngành công nghệ có nhiều tiềm [20] Toán häc Y – Sinh Häc VËt lý C«ng nghƯ nano Hoá học Công nghệ thông tin Hình 1.1: Sơ đồ mối quan hệ nano với ngành khác Công nghệ nano. .. khiển cÊu tróc, tÝnh chÊt cđa vËt liƯu nano 1.1.5 Khoa häc nano Cïng víi c«ng nghƯ nano, khoa häc nano nhánh khoa học vật liệu Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tợng can thiệp (manipulation)