Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bạc và ứng dụng

Với sự phát triển của khoa học và công nghệ nano, con người tiến hành chế tạo kim loại bạc ở kích thước nano để nâng cao khả năng diệt khuẩn và phạm vi ứng dụng của bạc.. Khái niệm và sự

Trang 1

Nguyễn Thị Anh - K34A - Khoa Hóa học 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

*********

NGUYỄN THỊ ANH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO BẠC VÀ ỨNG DỤNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành:Hoá Công Nghệ Môi Trường

Người hướng dẫn khoa học

TS.NGÔ TRỊNH TÙNG

Hà Nội - 2012

Trang 2

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, công nghệ nano là một ngành thuộc lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển nhanh chóng tạo nên bước đột phá trong các ngành điện tử, tin học, y sinh học, môi trường và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống Với sự phát triển của khoa học và công nghệ nano, con người tiến hành chế tạo kim loại bạc ở kích thước nano để nâng cao khả năng diệt khuẩn và phạm vi ứng dụng của bạc Ở kích thước nano bạc thể hiện những tính chất vật lý, hóa học, sinh học khác biệt và vô cùng quý giá, đặc biệt là tính kháng khuẩn, chống nấm đặc biệt mà không độc hại với cơ thể con người và môi trường Nhờ khả năng kháng khuẩn mà hiện nay trên thế giới đã xuất hiện nhiều sản phẩm có sử dụng nano bạc làm chất diệt khuẩn, khử mùi Việt Nam là nước nhiệt đới gió mùa rất thuận lợi cho vi khuẩn sinh sôi và phát triển, nên việc tìm một biện pháp ngăn ngừa vi khuẩn có hại để bảo vệ cộng đồng là rất cần thiết, đã và đang được xã hội quan tâm Đây cũng

là một hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam hiện nay

Khoá luận này,chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hạt nano

bạc và ứng dụng” Các nội dung của đề tại như sau:

Chế tạo hạt nano bạc với nồng độ 0,1 tới 1%

Nghiên cứu, khảo sát tính chất, các yếu tố công nghệ đến cấu trúc của hạt nano bạc như tỷ lệ các thành phần, chủng loại chất khử bằng phân tích nhiễu xạ Tia X, chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử truyền qua(TEM), kính hiển vi điện tử quét(SEM), quang phổ hấp thụ UV-Vis, và phân tích nhiệt(TGA)

Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của nano bạc

Trang 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về công nghệ nano

1.1.1 Khái niệm và sự ra đời của công nghệ nano

Hình1.1.So sánh kích thước các nano tinh thể với các loại vi khuẩn, virus và các phân tử

Thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) xuất hiện từ những năm

70 của thế kỷ XX,chỉ việc nghiên cứu, học tập , tổng hợp và sử dụng các loại vật liệu có kích thước nano mét

Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm

1908, khi Lohman sử dụng để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200nm Năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano hàm ý liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai Tổ chức

Nanotechnology Initiative tại Mỹ định nghĩa công nghệ nano: “là bất cứ thứ

gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”, liên quan đến

công nghệ chế tạo các cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử Độ chính xác ở

100 nm

1000 Å

10 Å (8x)

Trang 4

đây đòi hỏi rất cao, từ 0,1 đến 100 nm, tức là phải chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân tử Mặt khác quá trình vi hình hoá các linh kiện cũng đòi hỏi người ta phải nghiên cứu các lớp mỏng có bề dày cỡ nm, các sợi mảnh có bề ngang cỡ nm, các hạt có đường kính cỡ nm Phát hiện ra hàng loạt hiện tượng, tính chất rất mới mẻ, có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực rất khác nhau để hình thành các chuyên ngành mới có gắn thêm chữ nano Hơn nữa, việc nghiên cứu các quá trình của sự sống xảy ra trong tế bào cho thấy sự sản xuất

ra các chất của sự sống như protein, đều được thực hiện bởi việc lắp ráp vô cùng tinh vi, các đơn vị phân tử với nhau mà thành, tức là cũng ở trong phạm

vi công nghệ nano

1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Khoa học nano nghiên cứu các vấn đề cơ bản của vật lý học, hoá học, sinh học của các cấu trúc nano Dựa trên các kết quả của khoa học nano đi đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc nano Công nghệ nano dựa trên những cơ

sở khoa học chủ yếu sau:

+ Hiệu ứng kích thước lượng tử : Các hệ bán dẫn thấp chiều là những hệ

có kích thước theo một, hai hoặc cả ba chiều có thể so sánh với bước sóng DeBroglie của các kích thước cơ bản trong tinh thể Trong các hệ này, các kích thước cơ bản (như điện tử, lỗ trống, exciton) chịu sự ảnh hưởng của sự giam giữ lượng tử khi chuyển động bị giới hạn dọc theo trục bị giam giữ Hiệu ứng giam giữ lượng tử được quan sát thông qua sự dịch đỉnh về phía sóng xanh trong phổ hấp thụ với sự giảm kích thước hạt Khi kích thước hạt giảm tới gần bán kính Bohr exciton, thì có sự thay đổi mạnh mẽ về cấu trúc điện tử và các tính chất vật lý

+ Hiệu ứng kích thước : Các đại lượng vật lý thường được đặc trưng bằng một số đại lượng vật lý không đổi, ví dụ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt

độ nóng chảy, từ độ bão hoà của vật liệu sắt từ Nhưng các đại lượng đặc

Trang 5

trưng này chỉ không đổi khi kích thước của vật đủ lớn và ở trên thang nano Khi giảm kích thước của vật xuống đến thang nano, tức là vật trở thành cấu trúc nano thì các đại lượng đặc trưng nói trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước và gọi đó là hiệu ứng kích thước

Sự giảm theo kích thước này được giải thích bằng vai trò của tán xạ điện tử trên bề mặt càng tăng khi bề dày lớp nano càng giảm

+ Hiệu ứng bề mặt :Các cấu trúc nano có kích thước theo một chiều rất nhỏ nên chúng có diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích rất lớn Hiệu ứng

bề mặt thường liên quan đến các quá trình thụ động hoá bề mặt, các trạng thái bức xạ bề mặt và sức căng của bề mặt vật liệu Một số tính chất đặc biệt của các vật liệu cấu trúc nano có nguyên nhân là do các tương tác điện - từ giữa chúng qua các lớp bề mặt của những hạt nano cạnh nhau Lực tương tác này trong nhiều trường hợp có thể lớn hơn lực tương tác Van der Waals

1.1.3 Ý nghĩa của khoa học nano và công nghệ nano

Khoa học và công nghệ nano : Có ý nghĩa rất quan trọng và cực kỳ hấp dẫn vì các lý do sau đây:

- Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi các biến đổi trong phạm vi thang nano Do đó, khi làm thay đổi cấu hình ở

Bảng 1.1: Diện tích bề mặt của hạt cầu thay đổi theo kích thước hạt Ở đây có giả thiết khối lượng riêng của hạt cầu

là 2 g/cm3

Trang 6

thang nano của vật liệu ta có thể "điều khiển" được các tính chất của vật liệu theo ý muốn mà không cần phải thay đổi thành phần hoá học Ví dụ thay đổi kích thước của hạt nano sẽ làm cho chúng đổi màu ánh sáng phát ra hoặc có thể thay đổi các hạt nano từ tính để chúng trở thành hạt một đômen thì tính chất từ của nó sẽ thay đổi hẳn

- Vật liệu nano có diện tích mặt ngoài rất cao nên chúng rất lý tưởng để dùng vào chức năng xúc tác cho hệ phản ứng hoá học, hấp phụ, nhả thuốc chữa bệnh từ từ trong cơ thể, lưu trữ năng lượng và cả trong liệu pháp thẩm mỹ

- Vật liệu có chứa các cấu trúc nano có thể cứng hơn, nhưng lại bền hơn

so với cùng vật liệu đó mà không hàm chứa các cấu trúc nano Các hạt nano phân tán trên một nền thích hợp có thể tạo ra các vật liệu compozit siêu cứng

- Tốc độ tương tác và truyền tín hiệu giữa các cấu trúc nano nhanh hơn giữa các cấu trúc micro rất nhiều và có thể sử dụng tính chất ưu việt này để chế tạo các hệ thống nhanh hơn với hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn

- Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano, nên nếu các bộ phận nhân tạo, dùng trong tế bào, có tổ chức cấu trúc nano bắt chước

tự nhiên thì chúng sẽ dễ tương hợp sinh học Điều này cực kỳ quan trọng cho việc bảo vệ sức khoẻ

1.1.4 Công nghệ nền cơ bản trong hoá học nano

Hình 1.2 Công nghệ chế tạo vật liệu cấu trúc nano

Trang 7

Vật liệu nano có thể là bột rời có kích thước hạt từ 0,1 nanomet đến

100 nanomet, có thể là vật liệu khối nhưng cấu tạo từ những hạt có kích thước nanomet Trong công nghệ nano có phương thức từ trên xuống dưới (top-down) chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ dưới lên trên (bottom-up) lắp ghép những hạt

cỡ phân tử hay nguyên tử lại để thu được kích thước nano Đặc biệt, gần đây việc thực hiện công nghệ nano theo phương thức bottom-up trở thành kỹ thuật

có thể tạo ra các hình thái vật liệu mà loài người hằng mong ước nên thu hút được rất nhiều sự quan tâm.Các phương pháp từ trên xuống ít được sử dụng

vì nano bạc chế tạo bằng phương pháp này thường có kích thước hạt lớn và không đồng đều Hiện nay các vật liệu kim loại nano như vàng (Au), Sắt (Fe), đồng (Cu), bạc (Ag) dưới dạng bột hay dung dịch keo

1.2 Tổng quan về nano-kim loại bạc

1.2.1 Giới thiệu về các hạt nano kim loại- Hệ keo

1.2.1.1 Các hạt nano kim loại

Các hạt nano kim loại đã được biết đến từ rất lâu Người ta đã tìm thấy các hạt kim loại vàng và bạc trong thuỷ tinh từ trên 2000 năm trước dưới dạng các hạt nano Chúng được sử dụng làm chất tạo màu, thường dùng trong các cửa kính nhà thờ Năm 1831, Michael Faraday đã nghiên cứu và chứng minh rằng những màu sắc đặc biệt của các hạt kim loại là do kích thước rất nhỏ của chúng chứ không phải là do trạng thái cấu trúc của chúng mang lại

hệ keo, người ta thường dựa vào độ phân tán để phân loại một cách khái quát

Trang 8

Ngoài ra, theo trạng thái tập hợp của môi trường phân tán người ta phân thành keo lỏng, keo rắn, keo khí; Theo tương tác với môi trường, người ta phân thành keo kị lỏng, keo ưa lỏng

Trong nghiên cứu hoá keo người ta còn phân hệ thành son, gel Son là những hệ phân tán keo nhưng giữa các hạt keo không có tương tác liên hệ chúng với nhau Gel là hệ mà giữa các hạt có tương tác ràng buộc chúng trong một liên hệ nào đó

1.2.2 Phương pháp chế tạo nano kim loại bạc

Người ta có thể sử dụng các quy trình khác nhau cũng như các điều kiện khác nhau: chất đầu, phương pháp, điều kiện lọc, rửa, sấy, nung…để điều chế bạc nano với kích cỡ khác nhau để phục vụ cho những mục đích khác nhau Nói chung, cũng giống như các vật liệu nano khác, bạc nano chủ yếu được tổng hợp bằng hai phương pháp vật lý và phương pháp hóa học Ở đây,chúng tôi chỉ đề cập đến một số phương pháp điển hình đã được biết khá rộng rãi trên thế giới

1.2.2.1 Phương trình tổng quát điều chế kim loại bạc

Thông thường kim loại bạc được điều chế từ muối bạc (thường là AgNO3) bằng phản ứng khử Tác nhân khử là các anđehit có công thức chung

là RCHO Trong đó người ta hay sử dụng andehit focmic (HCHO) và đường glucôzơ (C6H12O6)

RCHO + 2Ag+ + 3NH3 + H2O 2Ag + RCOONH4 + 2NH4+

RCHO + 2AgNO3 + 3NH3 + H2O 2Ag + RCOONH4 + 2NH4NO3

* Trong trường hợp ta sử dụng tác nhân khử là andehit focmic:

HCHO + 4AgNO3 + 6NH3 + 2H2O 4Ag + (NH4 )2 CO3 + 4NH4NO3 Đây là phương trình viết gộp của 3 phản ứng:

* AgNO3 + 3NH3 + H2O Ag(NH3)2OH + NH4NO3

* HCHO + 2Ag(NH3)2OH 2Ag + HCOO-NH4+ + 3NH3 + H2O

* HCOO-NH4+ + 2Ag(NH3)2OH 2Ag + (NH4 )2 CO3 + 3NH3 + H2O

Trang 9

* Trong trường hợp ta sử dụng tác nhân khử là đường glucozơ:

CH2OH-(CHOH)4-CHO + 2Ag(NH3)2OH CH2OH-(CHOH)4-COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O

1.2.2.2 Sử dụng chất hoạt động bề mặt chế tạo nano kim loại bạc

Thông thường, nano bạc được chế tạo dưới dạng các hệ keo nano bằng phương pháp sử dụng chất hoạt động bề mặt Trong đó, cấu tạo mixen của hạt keo nano bạc bao gồm:

- Nhân trung hoà điện tích: Là tập hợp các nguyên tử bạc có cấu trúc tinh thể Số nguyên tử tập hợp thành hạt keo càng nhiều thì kích thước hạt keo càng lớn

- Điện tích hạt keo nano bạc : Bề mặt hạt keo hấp phụ ion Ag+ của dung dịch và tạo ra lớp ion tạo thế Những ion đối (xNO3-

, RCOO- ) cũng phân bố

ở 2 vùng: Trong lớp Hemhon và phần còn lại nằm trong lớp khuếch tán Nhân, lớp tạo thế và lớp Hemhon tạo thành hạt keo nano Bạc Hạt keo và lớp khuếch tán tạo thành mixen

NO 3

-NO 3 -

NO 3 -

Hình 1.8: Cấu tạo mixen của hạt bạc khi không có chất hoạt động bề mặt

mAgnAg+(n-x)NO3- xNO3-

Cấu tạo mixen của hạt keo nano bạc khi có sự bảo vệ của chất hoạt động bề mặt

Trang 10

Trong quá trình khử ion Ag+

thành Ag, bề mặt hạt keo nano bạc hấp phụ ion Ag+

trong dung dịch và tạo ra lớp ion tạo thế dương trên bề mặt Chất hoạt động bề mặt dưới dạng RCOO-

(R là gốc hydrocacbon) bị hấp phụ lên bề mặt lớp ion tạo thế Nhờ vậy, các hạt keo trở nên bền vững và không bị keo tụ lại với nhau Sự có mặt của các chất hoạt động bề mặt cũng giúp cho các hạt keo vừa có tính ưa nước vừa có tính ưa dầu Do đó, các hạt keo nano bạc có thể phân tán tốt và bền vững trong cả môi trường phân cực và môi trường không phân cực

Hình 1.4: Sự hình thành của 2 lớp ion oleate trên bề mặt hạt nano bạc

1.2.2.3 Độ bền của hệ keo nano bạc

Đứng về mặt động học mà xét thì hệ keo là không bền Thông thường

hệ keo không nằm ở vị trí cân bằng nhiệt động, khi không có một tác động bên ngoài nào khác, hệ keo luôn có khuynh hướng chuyển về trạng thái bền vững bằng sự giảm bề mặt hệ, thể hiện bằng sự keo tụ hệ keo Tuy nhiên, sự keo tụ không phải xảy ra ngay tức khắc mà diễn ra trong một khoảng thời gian xác định Đối với những hệ keo bản chất khác nhau, thời gian keo tụ cũng khác nhau Nói một cách khác, tốc độ keo tụ của các hệ keo rất khác nhau Như vậy, đứng về mặt động học mà xét hệ keo vẫn tồn tại trong một khoảng thời gian nào đó, lúc đó hệ keo bền …

+ Những phương pháp làm cho hệ keo bền vững

Trang 11

Muốn làm cho hệ keo bền vững phải làm tăng lực đẩy điện, làm giảm xác suất va chạm hiệu quả của các hạt keo, cụ thể là:

- Tạo cho bề mặt các hạt keo hấp phụ điện tích

- Giữ cho hệ keo có nồng độ nhỏ

- Tạo cho bề mặt hạt keo hấp phụ chất bảo vệ, làm cho bề mặt hạt thấm ướt tốt Chất bảo vệ thường sử dụng để tạo độ bền cho các hệ keo là các chất hoạt tính bề mặt và một số dung dịch cao phân tử

1.2.2.4 Những yếu tố làm keo tụ hệ keo nano bạc

Keo tụ hệ keo là mặt đối lập với việc tạo ra độ bền cho hệ keo, vì vậy muốn keo tụ hệ keo phải khử bỏ những yếu tố làm cho hệ keo bền Có những phương pháp keo tụ để chế tạo bột nano bạc như sau:

Keo tụ bằng tác dụng của chất điện ly: Đây là phương pháp quan trọng nhất và đã được sử dụng trong khoá luận Sự keo tụ có thể diễn ra trong hai trường hợp giới hạn như sau:

+ Sự keo tụ trung hoà: Chất điện ly thêm vào hệ làm giảm điện tích của ion tạo thế, thể hiện ở sự giảm điện thế bề mặt, do đó làm cho hệ keo tụ Trong chất điện ly keo tụ, ion có tác dụng keo tụ trực tiếp là ion cùng dấu với ion nằm trong lớp khuếch tán, đồng thời ngược dấu với ion tạo thế của hạt keo Như vậy cation keo tụ keo âm, còn anion keo tụ keo dương

+ Sự keo tụ nồng độ: Khi thêm chất điện ly trơ vào hệ, chiều dày lớp khuếch tán giảm xuống, kéo theo sự giảm lực đẩy điện, do đó hệ keo dễ dàng

bị keo tụ

Keo tụ do sự thay đổi nhiệt độ: Cả hai cách đun nóng và làm lạnh đều

có thể dẫn đến keo tụ hệ keo

Trang 12

Keo tụ do pha loãng hoặc cô đặc hệ keo: Khi pha loãng hệ keo có thể làm tăng độ bền của hệ keo hoặc làm cho hệ keo trở nên kém bền hơn

Keo tụ do tác động cơ học

1.2.2.5 Phân tán nano bạc trong polymer

Nano bạc có thể phân tán trong polyme bằng nhiều cách khác nhau như:

+ Phân tán nano bạc trong polyme nóng chảy và khuấy trộn mạnh (có thể

sử dụng rung siêu âm)

+ Hoà tan polyme trong một loại dung môi thích hợp rồi cho nano bạc phân tán vào Cho bay hơi dung môi ta thu được nanô bạc phân tán trong polyme

+ Khử trực tiếp muối bạc trong polyme (dạng nhũ tương hoặc dạng hoà tan) để thu được dạng phân tán của nano bạc trong polyme

Nano bạc được pha vào trong các loại polyme với nồng độ khoảng

20 50 ppm có tác dụng kháng khuẩn, chủ yếu sử dụng trong các thiết bị sinh hoạt gia đình

-OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH -OH

Ag +

A

g A g A g A g

A g

Ag +

Hình 1.5 : Minh hoạ trạng thái phân bố của nano Bạc trong Poly(EGDMA)

Trang 13

Polyme chứa nanô bạc Nồng độ

(ppm) ứng dụng

PE

Bao bì, màng bảo vệ, đồ chứa bằng nhựa

PP

Bao bì, đồ đựng thức ăn, đồ chứa bằng nhựa

PS

Bàn chải, đồ chứa bằng nhựa, bàn ghế

PET

(polyetylenterephtalat) 20 50

Chai lọ đựng thức ăn và nước uống

PVC

(polyvinylclorit) 20 50

Da tổng hợp, khăn trải bàn, thảm

ABS

(Acrylonitril/Butadien/Styren) 20 50

Đồ gia dụng (trong tủ lạnh, máy giặt, máy rửa bát đĩa) PES

(polyete sunfua) 20 50

Đồ dùng trẻ em, chai đựng thuốc

Hiệu quả diệt khuẩn >99,9%

1.2.2.6 Một số phương pháp khác

 Phương pháp bay hơi vật lý

Bay hơi vật lý là phương pháp từ trên xuống, đó là một công cụ góp phần cho sự phát triển của công nghệ nano Bay hơi vật lý bao gồm kỹ thuật ngưng tụ khí trơ, đồng ngưng tụ và ngưng tụ dòng hơi phun trên bia bắn

Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ: cho hóa hơi sợi dây bạc tinh khiết ở nhiệt độ cao trong điều kiện chân không, sau đó dòng hơi bạc nguyên tử quá bão hòa được ngưng tụ và phát triển thành hạt bạc khi tiếp xúc với khí heli và được làm lạnh bởi nitơ lỏng

Bảng 1.2: Các loại polyme chứa nano bạc và ứng dụng

Trang 14

Kỹ thuật đồng ngưng tụ: tương tự như ngưng tụ khí trơ nhưng quá trình hình thành và phát triển hạt xảy ra trên lớp bằng dung môi thích hợp

Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ và đồng ngưng tụ được thực hiện ở nhiệt độ cao (>2.0000C), sản phẩm tạo ra có độ tinh khiết cao, kích thước hạt nano bạc trung bình 75nm(phương pháp ngưng tụ khí trơ), 12nm (phương pháp đồng ngưng tụ)

 Phương pháp ăn mòn laze

Đây là phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt Một chùm laser dạng xung có buớc sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10Hz, năng lượng mỗi xung là 90mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1nm - 3nm Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10

nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na (với n = 8, 10, 12, 14) nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M

 Phương pháp sử dụng màng chất đa điện ly

Lớp màng của chất đa điện ly có đặc điểm có nhiều nhóm mang điện tích trái dấu Một số chất đa điện ly được sử dụng như polyacrylie axit (PPA), Polyallylamin hidroclorua (PAH), Polyetylenimit (PEI) Do đặc điểm của các mạch chất đa điện ly là mạch dài nên chúng có thể hình thành các hố tích điện âm kích cỡ nano mét bởi các nhóm cacbonyl, nhóm chứa nitơ Các

Trang 15

cứu người ta thấy rằng khả năng khử PEG nhạy hơn, nó lại có mạch cacbon dài nên PEG vừa là chất khử vừa là chất bảo vệ trong quá trình phản ứng

 Phương pháp phân huỷ nhiệt

Trong phương pháp này người ta thường sử dụng một muối của bạc và axit hữu cơ thường là các họ axit béo mạch dài thẳng làm chất bảo vệ Nung muối đó ở nhiệt độ dưới 3000C trong vòng 2 giờ ta sẽ thu được tinh thể bạc nano với kích cỡ nhỏ và phân bổ kích thước hẹp

Phương pháp này đơn giản, ít độc, tốn ít hoá chất, thời gian phản ứng thấp, dễ dàng tạo ra lượng lớn, kích thước hạt thu được rất nhỏ, phân bố trong một khoảng hẹp và thường dưới dạng tinh thể

1.2.3.Hạt nano kim loại bạc

1.2.3.1 Cơ bản về bạc

Tính chất vật lý:

Bạc là kim loại chuyển tiếp, màu trắng, sáng, có tính dẻo, dễ dàng dát mỏng, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao nhất và điện trở thấp nhất trong các kim loại Nhiệt độ nóng chảy là 961.930C

Tính chất hóa học:

Bạc có ký hiệu là Ag, số nguyên tử 47 thuộc phân nhóm IB trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, bạc có khối lượng phân tử là 107.868 (đơn

vị C) Cấu hình electron [Kr]4d105s1 , có số oxi hóa là +1 và +2, phổ biến nhất

là trạng thái oxi hóa +1

Trong tự nhiên, bạc tồn tại hai dạng đồng vị bền là Ag-107(52%) và Ag-109(48%) Bạc không tan trong nước, môi trường kiềm nhưng có khả năng tan trong một số axit mạnh như axit nitric, sufuric đặc nóng v.v

Về mặt hóa học, bạc là kim loại rất kém hoạt động Bạc không tác dụng với oxi không khí kể cả khi đun nóng nên bạc được xem là kim loại quý điển hình

Bạc có cấu hình electron như sau:

Trang 16

Cấu hình electron: 1s2

2s22p63s23p63d104s24p64d105s1 Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm

Bán kính ion bạc: 0,23 nm

Bảng 1.3: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích

Kích thước của hạt nano Ag (nm)

Số nguyên tử chứa trong đó

- Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường

- Chi phí cho quá trình sản xuất thấp

- Ổn định ở nhiệt độ cao

Trang 17

1.2.3.2 Bạc nano và tính ưu việt của bạc nano so với bạc ion và bạc khối

Nano bạc mang đầy đủ tính chất của bạc khối như dẫn điện, dẫn nhiệt, khả năng xúc tác, tính điện quang, khả năng diệt khuẩn Ngoài ra, bạc nano có nhiều tính khác biệt so với bạc kim loại nhờ các đặc tính của nano như diện tích bề mặt lớn, khả năng phân tán tốt trong các dung môi Điển hình như khả năng diệt khuẩn, xúc tác tốt hơn hẳn so với bạc kim loại hay bạc ion, và lượng bạc cần sử dụng thì ít hơn rất nhiều góp phần tiết kiệm chi phí sản xuất

Khả năng kháng khuẩn xuất hiện cả ở bạc kim loại, bạc ion và bạc nano bởi chúng đều có thể giải phóng ion bạc ra môi trường, và chính những ion này đóng vai trò là chất diệt khuẩn Nhưng khi ở trạng thái bạc khối, lượng ion bạc được giải phóng ra là rất ít, còn nếu sử dụng dung dịch ion bạc để diệt khuẩn thì thời gian tác dụng ngắn do tính không bền của ion bạc Còn ở trạng thái nano, với diện tích bề mặt riêng rất lớn là một hệ giải phóng ion bạc tốt, các ion bạc được giải phóng từ từ vào môi trường nên đạt khả năng diệt khuẩn cao và lâu dài

1.2.3.3 Đặc tính diệt khuẩn của bạc

Trong lịch sử nhân loại bạc được biết đến từ rất sớm là một trong những chất diệt khuẩn hiệu quả Người Hy lạp cổ đại dùng các lọ hay bình bằng bạc để trữ nước và lọc nước Những người khai hoang châu Mỹ đặt một đồng tiền bằng bạc vào trong cốc sữa trước khi uống để giảm sự phát triển của

vi khuẩn Những người khai phá châu Úc lót bạc phía trong bình nước để cho nước sạch Trong thế chiến thứ hai, bạc được dùng để khử trùng lên bề mặt vết thương.Việc chúng ta ném bạc vào giếng nước cũng dựa trên huyền thoại

về tính chất làm lành của kim loại Hiện nay, cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) vẫn sử dụng bạc cho hệ thống lọc nước trong tàu con thoi Bạc và các muối bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng Bạc được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống

Trang 18

hàng ngày Thí dụ để tiệt khuẩn hoàn toàn cho một mét khối nước chỉ cần 10 đến 20 miligam bạc hay nhựa plastic làm đồ dùng kháng khuẩn chỉ chứa 100 miligam bạc trong một kilogam Nhưng sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến giá trị diệt trùng của bạc nữa Trong những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các đặc trưng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano Hơn 95 phần trăm tụ cầu khuẩn bây giờ đã kháng cả penicillin Vào những năm 60, methicillin đã được thay thế

penicillin để trị khuẩn tụ cầu

Các nghiên cứu y học đã khẳng định ion bạc có khả năng tiêu diệt hơn

650 chủng vi sinh gây bệnh cho người Mặt khác, nguyên tố bạc không độc hại đối với cơ thể con người với liều lượng tương đối cao ( theo Tổ chức bảo

vệ môi trường Mỹ, cơ thể con người có thể nhận liên tục mỗi ngày 0,3-0,4 mg

Ag+ trong suốt cuộc đời mà không bị ảnh hưởng đến sức khoẻ) Vì vậy, ngày nay bạc ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hoạt động khoa học sản xuất Mặt khác, đặc tính quý của bạc với vai trò chất sát trùng là

Hình 1.6 Mô tả cấu tế bào vi khuẩn

Vi khuẩn và nấm là những

vi khuẩn đơn bào

Có hai loạ vi khuẩn là vi khuẩn yếm khí và vi khuẩn

kị khí Chúng thường sử dụng một loại enzim(protein)cho quá trình trao đổi chất

Trang 19

bạc không bị các chủng vi sinh gây bệnh thích nghi như nhiều hoá chất sát trùng khác Gần đây, các kết quả nghiên cứu mới nhất về tính khử trùng của bạc đã khẳng định bạc ở kích thước nano có hiệu quả sát khuẩn cao hơn bạc ở kích thước micro nhiều lần Điều này đã thúc đẩy nhiều hướng nghiên cứu chế tạo và sử dụng nano bạc khử trùng trong y tế và đời sống trên thế giới

Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc

Hình 1.7 Cơ chế diệt khuẩn của bạc Hiện nay tồn tại một số quan điểm giải thích cơ chế diệt khuẩn và vô hiệu hoá virus của bạc, chủ yếu dựa trên cơ sở ức chế quá trình vận chuyển oxy trong tế bào Quan điểm được nhiều người thừa nhận nhất cho rằng đó là

do bạc tác dụng lên màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn Màng này là một cấu trúc gồm các prôtêin được liên kết với nhau bằng cầu nối axit amin để tạo độ cứng cho màng- các prôtêin này được gọi là các peptidoglican Các ion bạc tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn Nếu các ion bạc

A: l pid bi-layer, B: lpopolysa charide, C: Proteinn

Trang 20

Nguyễn Thị Anh - K34A - Khoa Húa học 20

được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đú, khả năng hoạt động của vi khuẩn cú thể lại được phục hồi Cỏc tế bào động vật cấp cao cú lớp màng bảo vệ hoàn toàn khỏc so với tế bào vi sinh vật, khụng cho phộp cỏc ion bạc xõm nhập, vỡ vậy chỳng khụng bị tổn thương khi tiếp xỳc với cỏc ion này Cú thể núi, tỏc dụng của ion bạc ở đõy khụng mang tớnh đặc thự về bệnh lý giống như thuốc khỏng sinh, mà mang tớnh đặc thự về cấu trỳc tế bào Vỡ vậy bất kỳ một tế bào nào khụng cú lớp màng bảo vệ bền vững về hoỏ học đều dễ dàng bị bạc tỏc động, chẳng hạn như cỏc loại virus ngoại tế bào ( extracellular virus).Do đú, hạt nano bạc chỉ cú thể tỏc dụng với tế bào bậc thấp vỡ màng tế bào khụng bền vững Đồng thời bạc tỏc dụng như một chất xỳc tỏc nờn ớt bị tiờu hao trong quỏ trỡnh sử dụng

Cú một cơ chế tỏc động của cỏc ion bạc lờn vi khuẩn đỏng chỳ ý khỏc được mụ tả như sau: Sau khi Ag+

tỏc động lờn lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn gõy bệnh nú sẽ đi vào bờn trong tế bào và phản ứng với nhúm sunphuahyđrin-SH của phõn tử men chuyển hoỏ oxy và vụ hiệu hoỏ men này dẫn đến ức chế quỏ trỡnh hụ hấp của tế bào vi khuẩn:

Ngoài ra cỏc ion bạc cũn cú khả năng liờn kết với cỏc base của DNA và trung hũa điện tớch của gốc phosphate do đú ngăn chặn quỏ trỡnh sao chộp DNA

+ 2 Men thụ động -SAg+

SAg+-

H+-SH

SH

-Men hoạt hoá + 2 Ag+

Trang 21

Hình 1.8 Ion bạc liên kết với các base của DNA

Keo nano bạc nồng độ 5ppm,trong 10 phút ở 370 C

E.coli Salmonella Bacillus Styphlococcus

Trang 22

Hình 1.9 Ảnh hiển vi của các loại vi khuẩn trước và sau khi bị tiêu diệt Trên hình 1.9 là ảnh hiển vi của các loại vi khuẩn khi còn sống và sau khi bị tiêu diệt dưới tác dụng của nano bạc Ảnh hiển vi đã cho thấy sự phá vỡ lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn

Bảng 1.4 : Cho thấy rằng với một lượng bạc nhỏ hơn nhiều lần cũng có khả năng kháng khuẩn tương đương với chitôsan và đồng

 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn hạt nano bạc

Kích thước, hình dạng hạt, nồng độ và sự phân bố là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính kháng khuẩn của hạt nano bạc

+ Kích thước hạt nano bạc là yếu tố quan trọng quyết định khả năng diệt khuẩn của chúng Hạt nano bạc có kích thước càng nhỏ thì khả năng diệt khuẩn của chúng càng mạnh, vì khi ở kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích càng lớn và hạt cũng có thể dễ dàng tương tác với vi khuẩn hơn Tuy nhiên các hạt có kích thước nhỏ lại có khuynh hướng liên kết

Trang 23

với nhau trong quá trình lưu trữ tạo thành các hạt lớn hơn gây ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn và bảo quản keo nano bạc Do đó trong quá trình chế tạo chúng ta phải tìm ra các phương pháp vừa tạo ra hạt nano bạc có kích thước nhỏ vừa bền vững

+ Các hạt nano có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau như hình que, hình cầu, hình tam giác,… Và sự thể hiện của các hạt nano bạc với cùng nồng

độ, sự phân bố nhưng với các hình dạng khác nhau là không giống nhau Các hạt nano bạc có hình tam giác cụt tính kháng khuẩn cao hơn các hạt hình cầu

và các hạt nano que có tính kháng khuẩn thấp nhất

+ Keo nano bạc có nồng độ càng cao và sự phân bố đều thì khả năng diệt khuẩn càng tốt Tuy nhiên khi nồng độ quá cao, do năng lượng bề mặt hạt nano lớn, nên các hạt nano bạc sẽ va chạm vào nhau và phá vỡ cấu trúc nano

Vì vậy chúng ta cũng cần tìm nồng độ thích hợp để các hạt phân bố đồng đều,

và tránh kết tủa

1.3 Ứng dụng của nano bạc

Hình 1.10 Những ứng dụng của nano bạc

Kháng khuẩn

Nano bạc

Trang 24

Bạc có 2 đặc điểm nổi bật là tính dẫn điện tốt và tính kháng khuẩn cao

Do đó, nanô bạc cũng có 2 ứng dụng quan trọng: làm vật liệu dẫn điện và làm chất khử trùng Về vật liệu dẫn điện, nanô bạc thường được sử dụng làm keo dẫn điện, vải dẫn điện, chống tĩnh điện, lớp bảo vệ điện từ Về tính khử trùng, nanô bạc thường được ứng dụng làm chất tiệt trùng, kháng khuẩn, khử mùi hôi

1.3.1.Ứng dụng diệt khuẩn

Trước sự gia tăng của dòng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh điển hình

là Staphylococcus aureus hay các loại vi nấm gây bệnh thực vật thiếu thuốc

đặc trị thì việc lựa chọn các chế phẩm chứa nano bạc đang rất được quan tâm

Thông thường nồng độ bạc sử dụng cho việc kháng khuẩn và sát trùng rất thấp, ví dụ như khoảng 5ppm cho việc diệt vi khuẩn Esherichia Coli hiệu quả đến 999% và khuẩn Staphylococcus aureus là hơn 99% Vì vậy, nano bạc rất hữu ích cho việc sử dụng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm bệnh phục vụ cho nhu cầu cuộc sống con người

Trong dân dụng

Cung cấp các thiết bị cho trẻ em

Những chai nhựa, đồ chơi cho trẻ em được làm từ nhựa có chứa thêm thành phần nano bạc để có tác dụng khử trùng Qua kiểm tra xác định được chúng có khả năng tiêu diệt được trên 99,9% vi khuẩn Bình sữa có ưu điểm tiêu độc, chống đầy hơi, diệt gần 100% khuẩn Staphyloccoci (gây ung thư) và E.coli

Hình 1.11 Các thiết bị và đồ dung dành cho trẻ em

Trang 25

Sản xuất hộp đựng bằng nhựa,bao bì đóng gói

Hình 1.12 Các loại hộp sử dụng nano bạc để bảo quản thực phẩm

Đưa nano bạc vào trong nhựa,các vật liệu bao bì để tăng khả năng diệt khuẩnbảo quản thực phẩm, tiêu diệt vi khuẩn E.coli, S aureus giữ cho thực phẩm luôn tươi mà không độc hại cho người sử dụng Chẳng hạn, rau diếp vẫn còn tươi nguyên sau 12 ngày bảo quản trong hộp nhựa có chứa nanô bạc trong khi với cùng loại rau diếp này bảo quản trong thùng nhựa bình thường

Trang 26

khử mùi giữ cho môi trường trong sạch Trong máy giặt, công nghệ này tạo thành hệ thống diệt khuẩn của máy mà không cần phải đun sôi nước hay sử dụng một biện pháp nào khác Cách làm này ít tốn kém điện năng mà vẫn bảo đảm hiệu quả Trong tủ lạnh có chứa nano bạc có thể bảo quản thực phẩm tới

15 ngày mà vẫn giữ nguyên được mùi vị

Sản xuất kem đánh răng và các chất tẩy rửa

Bạc có tác dụng làm trắng răng, làm răng thêm chắc chắn và làm sạch

cả những lỗ hổng của răng, ngăn chặn sâu răng và mùi hôi Đặc biệt, chúng có khả năng loại bỏ các bựa răng và loại trừ các bệnh về răng miệng Ngoài ra, các sản phẩm có chứa nanô bạc như bột giặt, nước xả làm mềm vải, xà phòng tắm, sữa tắm, các loại mỹ phẩm cũng đã được đưa ra thị trường

Trang phục

Trong may mặc người ta có thể tạo ra vải có chứa nano bạc giúp cho loại vải mới này có khả năng tự diệt khuẩn và nhờ đặc tính bề mặt mà nó cũng giảm khả năng bám bẩn của vải Nhờ tính năng khử khuẩn của nano bạc và tác dụng lọc mùi, lọc khí độc của than hoạt tính, khẩu trang nano bạc được sản xuất hứa hẹn ngăn ngừa cúm A/ H1N1

Hình 1.14 Các chất tẩy rửa có chứa nano bạc trên thị trường

Trang 27

 Ứng dụng trong y tế

Tạp chí Nanobiotechnology đưa ra nghiên cứu và chứng minh rằng những quy mô nhỏ hạt nano bạc có thể ức chế HIV-1(tức là, vi-rút AIDS), và nhiều virus khác như bệnh đậu mùa, virus SASR…Hiện nay một số hãng dược phẩm trên thế giới đã sản xuất các loại thuốc dạng viên hoặc dạng thuốc nước chứa nano bạc để chữa bệnh cảm cúm, diệt khuẩn trên da…

1.3.2 Những ứng dụng khác

Trong công nghiệp (khả năng dẫn điện, khả năng truyền quang)

Do khả năng dẫn điện tốt mà nano bạc được sử dụng làm chất truyền dẫn trong những vi mạch điện tử Nhờ vậy mà kích thước các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ xuống và chất lượng thì ngày càng tốt hơn

Hình 1.16 Các loại dược phẩm chứa nano bạc

Tất dệt Khăn Tất đi trong nhà Tất

Hình 1.15: Các sản phẩm khăn tất có chứa nano bạc

Trang 28

Các nhà khoa học của hãng IBM cũng đang nghiên cứu ứng dụng nano bạc để sản xuất các linh kiện điện tử phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng

Trong xây dựng sử dụng sơn nano bạc có khả năng tự diệt khuẩn chống bám bẩn, dễ lau chùi Bột nano bạc được trộn với sơn và phủ lên các phím điện thoại di động, tường nhà và các bề mặt cần được bảo vệ Với khả năng kháng khuẩn tuyệt vời nano bạc sẽ giữ cho bề mặt không bị nhiễm khuẩn cũng như tiêu diệt nấm mốc làm tăng tính thẩm mỹ và tuổi thọ công trình

Trong nông nghiệp người ta đã tạo ra dung dịch thuốc bảo vệ thực vật

từ nano bạc có khả năng diệt nấm mốc mà không ảnh hưởng tới sức khỏe con người

Ngoài ra, nano bạc còn có trong sợi tổng hợp như sợi PP, nylon và dùng để xử lý môi trường: Các loại nước thải từ bệnh viện, sản xuất chế biến thuỷ sản cao su

Hình 1.17 các thiết bị điện tử

sử dụng nano bạc

Định dạng
Số trang	57
Dung lượng	2,59 MB