Tiểu luận Vật liệu NaNo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM o0o MÔN: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU Tiểu luận VẬT LIỆU NANO Sinh viên thực hiện: Phạm Trí Nhựt Võ Hoàng Yến Huỳnh Như Ý Lê Hoàng Phương Thy Lớp: 14DHH02 Giáo viên hướng dẫn: Th.S Triệu Tuấn Anh TP.Hồ Chí Minh, 03-2016 MỤC LỤC Chương I: Tổng quan vật liệu nano 1.1 Khái niệm vật liệu nano 1.2 Nguồn gốc vật liệu nano 1.3 Tính chất vật liệu nano 1.4 Phân loại vật liệu nano Chương II: Chế tạo vật liệu nano 2.1 Phương pháp từ xuống (Top-Down) 2.2 Phương pháp từ lên (Bottom-Up) 2.3 Phương pháp Vật lý 2.4 Phương pháp Hóa học 2.5 Phương pháp kết hợp Chương III: Tiềm ứng dụng 3.1 Nguy tiềm ẩn 3.2 Ứng dụng tiêu biểu đời sống 3.2.1 Trong y học 3.2.2 Trong công nghiệp sản xuất chất phủ 3.2.3 Trong công nghiệp điện tử Kết Luận Tài liệu tham khảo Nhóm Page Nhóm Page CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO 1.1 Khái niệm Nói cách đơn giản, khoa học nano khoa học nghiên cứu vật chất kích thước nhỏ - kích thước nanomet (nm) Một nano phần tỉ met (m) hay phần triệu milimet (mm) Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nanomet Về trạng thái vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng khí nano = 10-9m = phần tỷ m = 10-6mm = phần triệu mm nano = 10 Ȧ ~ kích thước 10 nguyên tử Micromet µm= 103nm nm Độ dày sợi tóc 80-200 80.000-200.000 Tế bào máu 4-6 4.000-6.000 Vi khuẩn E.coli 1.000 ʎ ánh sáng nhìn thấy 400-750 Virus đậu mùa 0.2-0.3 200-300 Đường kính ADN nguyên tử 0.1 Bảng so sánh kích thước số vật Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010 1.2 Nhóm Nguồn gốc Page Khái niệm nano nhắc đến năm 1959 nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả chế tạo vật chất kích thước siêu nhỏ từ trình tập hợp nguyên tử, phân tử Một thiết bị sử dụng nhiều lĩnh vực nano kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm STM (Scaning Tunneling Microscope) có khả quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử Ngoài thiết bị khác kính hiển vi dò đầu quét SPM Nó chủ yếu bao gồm đầu dò cực nhỏ quét bề mặt Khi đầu dò quét bề mặt, hiệu ứng đường ngầm, điện tử vượt qua khoảng không gian mặt vật liệu đầu dò Kỹ thuật làm cho người quan sát hiểu rõ lĩnh vực nano Hình 1: Sơ đồ kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010 1.3 Nhóm Tính chất vật liệu nano Page Vật liệu nano với kích thước nhỏ khoảng 1-100nm có tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy Sự thay đổi tính chất cách đặc biệt kích thước nano cho hiệu ứng bề mặt kích thước tới hạn vật liệu nano Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ nguyên tử bề mặt thường lớn so với tổng thể tích hạt Các nguyên tử bề mặt đóng vai trò tâm hoạt động vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao Kích thước tới hạn: tính chất vật lý, hóa học tính chất điện, tính chất từ quang… vật liệu có kích thước tới hạn mà kích thước vật liệu kích thước tính chất không tuân theo định luật với vật liệu vĩ mô thường gặp Vật liệu nano có tính chất đặc biệt kích thước (1 -100nm) nằm phạm vi kích thước tới hạn tính chất điện, từ, quang… vật liệu 1.4 Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay, chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân thành loại sau: - Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thước nano, không chiều tự cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano - Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, điện tử tự chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano - Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng Ngoài có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn CHƯƠNG II : CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Nhóm Page 2.1 Phương pháp từ xuống (Top-down) Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Trong phương pháp nghiền, vật liệu dạng bột trộn lẫn với viên bi làm từ vật liệu cứng đặt cối Máy nghiền nghiền lắc, nghiền rung nghiền quay (còn gọi nghiền kiểu hành tinh) Trong thực tế pin mặt trời hay thiết bị quang điện thiết bị vi điện tử người tạo theo “con đường” phương pháp từ xuống (top-down) “con đường” từ vật liệu cấu trúc lớn đến vật liệu có cấu trúc nano 2.2 Phương pháp từ lên (bottom-up) Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion Phương pháp từ lên phát triển mạnh mẽ tính linh động chất lượng sản phẩm cuối Phần lớn vật liệu nano mà dùng chế tạo từ phương pháp Phương pháp từ lên phương pháp vật lý, phương pháp hóa học kết hợp hai Đỉnh cao trình tiến hóa trình thiết kế "từ lên" (bottom-up) Dùng thành phần đơn giản nhất, để cuối hoàn thành cấu trúc phức tạp nhất, điều kiện bình thường (nhiệt độ – 40̊ C, áp suất atm) 2.3 Phương pháp vật lý Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử chuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano tạo từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu nung nóng cho nguội với tốc độ nhanh để thu trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy chuyển pha vô định hình tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Nhóm Page Phương pháp vật lý thường dùng để tạo hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính 2.4 Phương pháp hóa học Là phương pháp tạo vật liệu nano từ ion Phương pháp hóa học có đặc điểm đa dạng tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, phân loại phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, 2.5 Phương pháp kết hợp Là phương pháp tạo vật liệu nano dựa nguyên tắc vật lý hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, Trong thực tế hệ thống sinh học sinh vật sử dụng đường từ lên (bottom-up) đường tự lắp ráp phân tử thành cấu trúc nano thành cấu trúc lớn Hiện nay, phương pháp nano kết hợp cho lắp rắp thiết bị quang điện, điện tử rẻ tiền lại có hiệu cao Nhóm Page CHƯƠNG III: TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG 3.1 Ứng dụng tiêu biểu đời sống 3.1.1 Trong y học Y tế ứng dụng lớn công nghệ nano Ví dụ việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác thử nghiệm để hạn chế khối u phát triển tiêu diệt chúng cấp độ tế bào Các hạt nano đưa đến khối u bên thể, sau chúng tăng nhiệt độ tia laser hồng ngoại chiếu từ bên để tiêu diệt khối u Không dừng lại đó, nhà khoa học nghiên cứu dự án nano-robot vô đặc biệt Với robot có kích thước siêu nhỏ, vào bên thể người để đưa thuốc điều trị đến phận cần thiết Việc cung cấp thuốc cách trực tiếp làm tăng khả hiệu điều trị Hình 2.1: Mô hình robot nano ứng dụng y học Các hạt nano có đặc tính sinh học xem nano-robot giúp truyền thuốc, tiêu hủy tế bào ung thư Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010 Nhóm Page Hình 2.2: Tiêu diệt tế bào ung thư phương pháp sử dụng vật liệu nanobio Các hạt nano TiO2 gắn kết thêm kháng thể đưa vào tế bào ung thư Các hạt nano – bio gặp lượng ánh sáng TiO2 giải phóng gốc oxi tự gốc tiêu diệt tế bào ung thư Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010 Ngoài hạt nano bạc gặp vi khuẩn, virus tương tác với lớp protein bề mặt chúng, từ phá hủy màng tế bào Ion bạc có uy lực nhóm chức mang điện tích âm tế bào vi khuẩn (làm thay đổi cấu trúc tế bào), dẫn đến khả diệt khuẩn nano bạc Đặc biệt tiêu diệt loại vi khuẩn đường ruột khuẩn E coli (tiêu chảy) Nhóm Page 10 Hình 2.3: Cơ chế diệt virus phân tử nano bạc Nguồn: Google hình ảnh, 2016 3.1.2 Trong công nghiệp sản xuất chất phủ: Ứng dụng công nghệ Nano vào sơn mang lại đặc tính vượt trội như: hàm lượng VOC thấp, không độc, chống cháy, chống ăn mòn, khả siêu chịu nhiệt chống chịu thời tiết, tự làm (hiệu ứng sen), lớp sơn cứng với khả chịu mài mòn cao.Có thể dùng làm lớp sơn cho chất vô hữu Những tính vượt trội có nhờ Cấu trúc “vỏ - lõi” đặc biệt sơn Nano Hình 3.1: Sản phẩm kết hợp SiO2 latex Nguồn: Google hình ảnh, 2016 Các hạt SiO2 liên kết hoá học với hạt latex, chúng hoàn toàn cố định với hạt latex Các hạt silicat có kích thước (≈ 20-30 nm) nhỏ hạt latex bao phủ chủ yếu bề mặt hạt latex (nhờ vào liên kết chéo chặt chẽ) Nhờ lớp vỏ silicat có kích thước nhỏ mà yếu tố bên xâm nhập vào gây ảnh hưởng đến màng sơn 3.1.3 Trong công nghiệp điện tử Công nghệ nano đóng góp không nhỏ lĩnh vực điện tử, đặc biệt công nghệ lượng Pin nano tương lai có cấu tạo theo kiểu ống Nhóm Page 11 nanowhiskers Cấu trúc ống khiến cực pin có diện tích bề mặt lớn nhiều lần, giúp lưu trữ nhiều điện Trong kích thước viên pin ngày thu hẹp lại Hình 3.2: Hình dạng pin nano Nguồn: nld.com.vn 3.2 Nguy tiềm ẩn Những hạt nano nhỏ, gọi quantum dot, xâm nhập qua da lợn Những nghiên cứu khác gợi ý rằng, từ da chúng di chuyển qua hệ thống ống lympho để đến hạch bạch cầu (lymph nodes) cuối đến quan gan, thận lách Và hít vào hạt nano sâu vào phổi so với hạt có kích thước lớn đến phận nhạy cảm Vì lẽ đó, nhà khoa học đặc biệt lo ngại việc sử dụng hạt nano sản phẩm phun Các nhà nghiên cứu không lo lắng sức khỏe người, mà lo lắng hiệu ứng mà hạt nano gây nên cho môi trường, đặc biệt hạt nano bạc Ngoài ra, đặc tính kháng khuẩn hạt nano bạc nguy hiểm với vi sinh vật cần thiết cho hệ sinh thái, thực vật môi trường nước động vật không xương sống trai, hàu ốc (nhuyễn thể) Bạc độc cho thực vật phù du (phytoplankton)- mắt xích nhiều chuỗi thức ăn Nhóm Page 12 KẾT LUẬN Công nghệ nano bước tiến vượt bậc công nghệ, tạo ứng dụng vô kỳ diệu tạo nhiều hội đem công nghệ vật chất lên tầm cao Nhóm Page 13 Nhưng bên cạnh có thách thức đặt vấn đề sức khỏe môi trường Tuy nhiên, phát triển không ngừng nghỉ khoa học công nghệ Tin rằng, công nghệ nano công cụ hỗ trợ tuyệt vời để giúp cho người có sống tiện nghị, hạnh phúc TÀI LIỆU THAM KHẢO CÔNG NGHỆ NANO– CUỘC CÁCH MẠNG TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21 CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH MẠNG Nhóm Page 14 TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21 ThS La Vũ Thùy Linh, 2010 http://www.cynosura.org/index.php/khoahoc-congnghe-80/132safety-nanomaterials http://www.moitruongdothidaklak.com.vn/t.aspx?id=578 https://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87_nano Nhóm Page 15 [...]... ngại về việc sử dụng hạt nano trong những sản phẩm phun Các nhà nghiên cứu không chỉ lo lắng vì sức khỏe con người, mà còn lo lắng về những hiệu ứng mà hạt nano có thể gây nên cho môi trường, đặc biệt là những hạt nano bạc Ngoài ra, đặc tính kháng khuẩn của hạt nano bạc rất nguy hiểm với những vi sinh vật cần thiết cho hệ sinh thái, đối với thực vật trong môi trường nước và động vật không xương sống như... nghệ Tin rằng, công nghệ nano sẽ là một công cụ hỗ trợ tuyệt vời để giúp cho con người có được cuộc sống tiện nghị, hạnh phúc TÀI LIỆU THAM KHẢO CÔNG NGHỆ NANO CUỘC CÁCH MẠNG TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21 CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH MẠNG Nhóm 4 Page 14 TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21 ThS La Vũ Thùy Linh, 2010 http://www.cynosura.org/index.php/khoahoc-congnghe-80/132safety-nanomaterials http://www.moitruongdothidaklak.com.vn/t.aspx?id=578... và động vật không xương sống như trai, hàu và ốc (nhuyễn thể) Bạc còn độc cho thực vật phù du (phytoplankton)- một mắt xích chính trong nhiều chuỗi thức ăn Nhóm 4 Page 12 KẾT LUẬN Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc của công nghệ, nó tạo ra những ứng dụng vô cùng kỳ diệu tạo ra nhiều cơ hội hơn và đem công nghệ vật chất lên một tầm cao mới Nhóm 4 Page 13 Nhưng bên cạnh đó cũng có những thách... Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công nghệ năng lượng Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống Nhóm 4 Page 11 nanowhiskers Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn Trong khi kích thước của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại Hình 3.2: Hình dạng của pin nano Nguồn:... của pin nano Nguồn: nld.com.vn 3.2 Nguy cơ tiềm ẩn Những hạt nano rất nhỏ, được gọi là quantum dot, có thể xâm nhập qua da của lợn Những nghiên cứu khác gợi ý rằng, từ da chúng có thể di chuyển qua hệ thống ống lympho để đi đến các hạch bạch cầu (lymph nodes) và cuối cùng là đến các cơ quan như gan, thận và lá lách Và khi hít vào thì những hạt nano sẽ đi sâu vào phổi hơn so với những hạt có kích thước...Hình 2.3: Cơ chế diệt virus của phân tử nano bạc Nguồn: Google hình ảnh, 2016 3.1.2 Trong công nghiệp sản xuất chất phủ: Ứng dụng công nghệ Nano vào sơn mang lại những đặc tính vượt trội như: hàm lượng VOC thấp, không độc, chống cháy, chống ăn mòn, khả năng siêu chịu nhiệt và chống chịu thời... ứng lá sen), lớp sơn cứng với khả năng chịu mài mòn cao.Có thể dùng làm lớp sơn ngoài cùng cho chất nền vô cơ và hữu cơ Những tính năng vượt trội đó có được là nhờ Cấu trúc “vỏ - lõi” đặc biệt của sơn Nano Hình 3.1: Sản phẩm kết hợp của SiO2 và latex Nguồn: Google hình ảnh, 2016 Các hạt SiO2 liên kết hoá học với hạt latex, vì thế chúng hoàn toàn được cố định với hạt latex Các hạt silicat có kích thước... Thùy Linh, 2010 http://www.cynosura.org/index.php/khoahoc-congnghe-80/132safety-nanomaterials http://www.moitruongdothidaklak.com.vn/t.aspx?id=578 https://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87 _nano Nhóm 4 Page 15