MỞ ĐẦU Trong nhứng năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm được quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod nano… “Công nghệ nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý của người tiêu dung. Vậy thực chất của công nghệ nano là gì, nó được ứng dụng như thế nào trong đời sống và khoa học kỹ thuật hiện nay. Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mĩ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó công nghệ nano bắt đầu được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano là sự ra đời của hàng loạt các vật liệu nano mới như nanocomposittes gốm, polymer clay, sợi nano, xúc tác nano… Các vật liệu nano có vai trò hết sức quan trọng trong đời sống và khoa học kỹ thuật của nhân loại. Do đó tôi đã chọn đề tài “Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều chế” để làm bài khóa luận này. Mục đích: Tìm hiểu và nghiên cứu về khái niệm vật liệu nano và các phương pháp điều chế vật liệu nano. Nhiệm vụ: Nghiên cứu tài liệu có liên quan đến vật liệu nano và các phương pháp điều chế , sau đó tổng hợp vàviết tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế. Với sự cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu để hoàn thành bài khóa luận này, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để bài khóa luận được hoàn thiện hơn.
Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trong nhứng năm gần thị trường bắt đầu xuất nhiều sản phẩm quảng bá sử dụng công nghệ nano trang nano bạc, thiết bị lọc nước nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod nano… “Công nghệ nano” không góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà trở thành chiêu thức tiếp thị nhà sản xuất nhằm thu hút ý người tiêu dung Vậy thực chất công nghệ nano gì, ứng dụng đời sống khoa học kỹ thuật Khái niệm công nghệ nano nhắc đến năm 1959 nhà vật lý người Mĩ Richard Feynman đề cập tới khả chế tạo vật chất kích thước siêu nhỏ từ trình tập hợp nguyên tử, phân tử Những năm 1980, nhờ đời hàng loạt thiết bị phân tích, có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, người quan sát hiểu rõ lĩnh vực nano Từ công nghệ nano bắt đầu nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Cùng với phát triển công nghệ nano đời hàng loạt vật liệu nano nanocomposittes gốm, polymer clay, sợi nano, xúc tác nano… Các vật liệu nano có vai trò quan trọng đời sống khoa học kỹ thuật nhân loại Do chọn đề tài “Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế” để làm khóa luận Mục đích: Tìm hiểu nghiên cứu khái niệm vật liệu nano phương pháp điều chế vật liệu nano Nhiệm vụ: Nghiên cứu tài liệu có liên quan đến vật liệu nano phương pháp điều chế , sau tổng hợp vàviết tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế Với cố gắng tìm hiểu nghiên cứu tài liệu để hoàn thành khóa luận này, tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý thầy cô bạn để khóa luận hoàn thiện Chương SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ NANO 1 Khái niệm công nghệ nano Công nghệ nano (nanotechnology) ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng, kích thước qui mô nanomet Nói cách khác, công nghệ nano có nghĩa kỹ thuật sử dụng kích thước từ 0,1- 100 nm để tạo biến đổi hoàn toàn lý tính cách sâu sắc hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effect) Công nghệ nanno bao gồm vấn đề sau đây: • • • • Cơ sở khoa học nano Phương pháp quan sát can thiệp qui mô nm Chế tạo vật liệu nano ứng dụng vật liệu nano 1.2 Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu có chiều có kích thước nm Căn vào tiêu chí khác mà chia vật liệu nano thành nhóm khác - a) Căn vào trạng thái vật liệu: người ta chia thành loại rắn, lỏng, khí Trong vật liệu nano tập trung nghiên cứu chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Căn vào tính chất vật liệu: người ta chia vật liệu nano thành vật liệu nano bán dẫn, vật liệu nano kim loại, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học… Căn vào hình dáng vật liệu: cách phân loại phổ biến Vật liệu nano ba chiều: ba chiều có kích thước nano, không chiều cho electron tự Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế - Các hạt nano: Các hạt nano thường có đường kính nhỏ 100 nm gồm hai loại: hạt nano tự nhiên tạo hạt nano nhân tạo Các hạt nano tự nhiên tạo diện nhiều môi trường: kết hoạt động quang hóa, núi lửa, loại thực vật tảo tạo ra, kết việc đốt lửa nấu nướng thực phẩm gần từ khí thải phương tiện giao thông Các hạt nano nhân tạo chiếm thiểu số nhà khoa học quan tâm tính chất (ví dụ phản ứng hóa học hoạt động quang học) mà chúng có so với hạt lớn vật liệu Ví dụ, hạt titan đioxit kẽm oxit trở nên suốt cỡ nano, lại có khả hấp thụ phản chiếu tia UV nên ứng dụng làm chất chống nắng Các hạt nano có đặc thù sản phẩm thành phẩm, mà thông thường giữ vai trò nguyên liệu thô, thành phần chất phụ gia cho sản phẩm hoàn chỉnh Mặc dù việc sản xuất chúng thời ỏi so với vật liệu nano khác, chúng có mặt số lượng nhỏ sản phẩm tiêu dùng, ví dụ mỹ phẩm Bên cạnh đó, tính chất nâng cao chúng gây nhiều tranh cãi độ độc hại chúng Trong hầu hết ứng dụng, hạt nano làm cố định (ví dụ, gắn vào bề mặt bên hợp chất) chúng dạng tự lơ lửng chất lỏng - Các dendrimer: Các dendrimer phân tử polyme hình cầu, hình thành thông qua trình tự lắp ráp phân tử cấp cỡ nano Có nhiều loại dendrimer, loại nhỏ có kích thước vài nm Dendrimer sử dụng ứng dụng thông thường lớp vỏ bọc mực, nhiều ứng dụng hữu ích khác dựa vào tính chất thú vị chúng - Các chấm lượng tử: Các chấm lượng tử hạt nano chất bán dẫn Khi hạt chất bán dẫn chế tạo đủ nhỏ bắt đầu xuất hiệu ứng lượng tử Hiệu ứng hạn định lượng electron hố (lỗ trống Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế electron, lỗ trống hoạt động điện tích dương) có hạt Vì lượng liên quan tới bước sóng, nên điều điều chỉnh tính chất quang học hạt dựa kích thước Vì tạo hạt phát hấp thụ bước sóng đặc trưng (các màu) ánh sáng, đơn bắng cách điều chỉnh kích thước chúng Những chấm sử dụng xử lý số phản ứng hóa học đặc thù b) - Vật liệu nano hai chiều: vật liệu có chiều có kích thước nano, electron tự chiều (2 chiều cầm tù ) Loại vật liệu tạo tính chất học điện học lạ đăc biệt nên thời gian gần tập trung nghiên cứu tương đối nhiều Các ống nano cácbon: Các ống nano cácbon (CNT) lần nhà vật lý người Nhật Bản, Sumio Iijima, quan sát vào năm 1991 Có hai dạng CNT: ống đơn vách (một ống) đa vách (các ống đồng tâm) Đặc thù hai loại có đường kính vài nm dài từ vài µm tới vài cm CNT giữ vai trò quan trọng công nghệ nano tính chất vật lý hóa học lạ chúng Chúng cứng mặt học (các môđun theo tiêu chuẩn Young chúng lớn tetrepascal, khiến cho chúng cứng kim cương), lại mềm dẻo (thể trục chúng) dẫn điện tốt (số đường xoắn ốc dải graphene định tính chất bán dẫn hay kim loại CNT) Tất tính chất làm cho CNT có tiềm ứng dụng lớn hợp chất gia cố, thiết bị - cảm biến, linh kiện điện tử nano hình Các ống nano vô cơ: Các ống nano vô vât liệu dạng fullerene vô có cấu tạo từ hợp chất có lớp, ví dụ molypden đisulfua (MoS 2) phát sau CNT Chúng có tính chất trơn tuyệt vời, chịu tác động sóng va chạm, có phản ứng xúc tác co khả chứa hydrô lithi cao, điều - hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng Các dây nano: Các dây nano dây cực mảnh dãy chấm tuyến tính hình thành qua trình tự lắp ráp Chúng làm từ nhiều loại vật liệu Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế Các dây nano có ứng dụng tiềm việc lưu giữ liệu mật độ cao dạng đầu đọc từ tính phương tiện lưu trữ theo mẫu, thiết bị nano điện tử, quang học…Việc phát triển dây nano dựa kỹ thuật phát triển phức tạp, có trình tự lắp ráp, trình phân tử tự xếp cách tự nhiên chất theo bậc, trình lắng đọng thể phương pháp hóa học (CVD) lên chất theo mẫu trình mạ - điện hay cấy ghép phân tử Các polyme sinh học: Các polyme sinh học, ví dụ phân tử AND, góp phần giúp cấu trúc nano dây tự tổ chức thành mô hình phức tạp Ví dụ bọc sương sống AND kim loại nhờ tích hợp công nghệ sinh học nano thiết bị cảm biến tương thích sinh học động nhỏ, đơn giản Những kiểu tự lắp ráp cấu trúc nano có trục hữu thường điều khiển lực tương tác yếu, ví dụ liên kết hyđrô, c) d) tương tác kỵ nước tương tác Van der Waals Vật liệu nano chiều: Là vật liệu có chiều kích thước nano, chiều tự Các vật liệu phát triển sử dụng nhiều năm lĩnh vực chế tạo linh kiện điện tử, hóa chất kỹ thuật Rất nhiều ứng dụng thực tế vật liệu nano thực phù hợp sử dụng dạng màng mỏng Các nhà khoa học nắm rõ hình thành tính chất lớp màng từ cấp độ phân tử trở lên, kể lớp phức hợp hoàn toàn, mà tạo màng lớp (các lớp có độ dày nguyên tử phân tử) Việc điều khiển thành phần cấu tạo, độ phẳng bề mặt phát triển màng đạt nhiều tiến Các ưu đặc trưng màng nano diện tích bề mặt lớn độ phản ứng đăc trưng thường sử dụng nhiều ứng dụng pin nhiên liệu chất xúc tác Ngoài 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 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế 1.3 Cơ sở khoa học công nghệ nano Vật liệu nano với kích thước nhỏ khoảng 1-100nm có tính chất thú vị khác biệt hẳn với vật liệu thường thấy Sự thay đổi tính chất cách đặc biệt kích thước nano cho yếu tố sau: a) Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm nhiều nguyên tử, hiệu ứng lượng tử µ m3 trung bình hóa với nhiều nguyên tử (1 có khoảng 1012 nguyên tử) bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng cấu trúc nano có nguyên tử tính chất lượng tử thể rõ ràng Ví dụ chấm lượng tử coi đại lượng nguyên tử, có mức lượng giống nguyên tử b) Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Do nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với nguyên tử bên lòng vật liệu nên kích thước vật liệu giảm hiệu ứng có liên quan đến nguyên tử bề mặt (hiệu ứng bề mặt) tăng lên Hiệu ứng bề mặt có tác dụng với tất giá trị kích thước, hạt bé hiệu ứng lớn ngược lại Ngay vật liệu khối truyền thống có hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng nhỏ nên thường bị bỏ qua.Chính hiệu ứng liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu tới hạn dạng khối Bảng 1.1 Một số giá trị hạt nano hình cầu Đường kính hạt (nm) Số nguyên tử Tỉ số nguyên tử bề mặt (%) Năng lượng bề mặt (erg/mol) Năng lượng bề mặt/ tổng số lượng (%) 10 30000 4000 20 40 4,08 x1011 8,16 x1011 7,6 14,3 250 80 8,16 x1011 35,3 30 90 8,16 x1011 82,2 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế c) Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học vật liệu có giới hạn kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ kích thước tính chất hoàn toàn bị thay đổi Người ta gọi kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt kích thước so sánh với kích thước tới hạn tính chất vật liệu Ví dụ điện trở kim loại tuân theo định luật Omh kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước vật liệu xuống nhỏ quãng đường tự trung bình electron kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm định luật Omh không Lúc điện trở vật có kích thước nano tuân theo quy tắc lượng tử Không phải vật liệu có kích thước nano có tính chất khác biệt mà phụ thuộc vào tính chất mà nghiên cứu Các tính chất khác tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang tính chất hóa học khác có độ dài tới hạn khoảng nm Chính mà người ta gọi ngành khoa học công nghệ liên quan khoa học nano công nghệ nano Bảng 1.2 Kích thước tới hạn số tính chất Lĩnh vực Tính chất Tính chất điện Bước sóng điện tử Quãng đường tự trung bình không đàn hồi Hiệu ứng đường ngầm Tính chất từ Tính chất Quang Tính siêu dẫn Tính chất Độ dày vách đômen Quãng đường tán xạ spin Hố lượng tử Độ dài suy giảm Độ sâu bề mặt kim loại Độ dài liên kết cặp cooper Độ thẩm thấu Meisner Tương tác bất đính xứ Biên hạt Bán kính khởi động đứt vỡ Độ dài tới hạn (nm) 10-100 1-100 1-10 10-100 1-100 1-100 10-100 10-100 0,1-100 1-100 1-1000 1-10 1-100 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế Xúc tác Siêu phân tử Miễn dịch Sai hỏng mầm Độ nhăn bề mặt Hình học topo bề mặt Độ dài Kuhn Cấu trúc nhị cấp Cấu trúc tam cấp Nhận biết phân tử 0,1-10 1-10 1-10 1-100 1-10 10-100 1-10 1.4 Ứng dụng vật liệu nano Vật liệu nano ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Ví dụ như: - - - - - - Trong dược học, thuốc chữa bệnh: có khả chế tạo chế tạo phân tử sinh học mà chuyển “dược phẩm tế bào, điều giải phóng hạt nano hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh” Gắn (tagging) AND chip AND: Xét nghiệm kim loại xác định AND thực lớp phủ hạt nano vàng với chuỗi sợi AND Khi hạt ghép vào AND xảy liên kết (sự lai tạo) Quá trình làm cho hạt keo vàng kết tụ lại, kết diễn thay đổi màu Khi dãy AND chưa biết mà gắn với mảng chip AND xảy liên kết dãy chưa biết nhận dạng vị trí mảng Lưu trử thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo chất lượng mực cao màu sắc, độ bao phủ, tính bền màu Cũng vậy, “bút nano” (các mũi kính hiển vi lực nguyên tử) viết thư có kích cỡ nhỏ 5nm Trên thực tế hạt nano ứng dụng audio, băng video, đĩa đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang từ hạt siêu mịn Làm lạnh: Ở kích thước nhỏ, người ta chứng minh lợi ích entropy nhận nhờ đảo chiều từ tính hạt nano từ Nếu hạt nano có moment từ lớn độ kháng từ thích hợp hiệu ứng từ nhiệt cho phép làm lạnh quy mô thực tế Máy tính hóa học/quang học: Các mạng chiều hay chiều có trật tự kim loại hạt nano bán dẫn có tính chất từ quang đặc biệt Các vật liệu hứa hẹn có nhiều ứng dụng công nghiệp điện tử, bao gồm máy tính quang học Gốm chất cách nhiệt cải tiến: Việc nén hạt gốm kích thước nano tạo vạt rắn mềm dẻo Sau phát triển thêm phương pháp nén, vật liệu Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế - - - - - - - - không xốp, độ đặc cao điều chế Những vật liệu sử dụng thay cho kim loại nhiều ứng dụng Kim loại cứng hơn: kim loại hạt nano nén vào vật rắn có bề mặt đáng ý hơn, độ cứng cao gấp lần so với độ cứng kim loại tinh thể thông thường Tiền chất lớp màng: Dung dịch keo kim loại nanoquoes sử dụng tiền chất để chế tạo thành lớp màng kim loại mỏng sử dụng sơn phun Đặc biệt việc mạ vàng đồ dùng bạc thực chất keo vàng - axetone Pin mặt trời: Hạt nano chất bán dẫn, có bandgap kích thước điều chỉnh được, có tiềm pin mặt trời hiệu suất cao (sản xuất điện) tách nước (sản xuất hydro) Lọc nước: Các bột mịn kim loại phản ứng (Fe, Zn) có khả phản ứng cao chlorocarbon môi trường nước Các kết dẫn đến việc thực thành công màng chắn bột – cát kim loại xốp cho làm nước ngầm Chất hấp thụ phân ly: Các oxide kim loại hạt nano có độ hoạt động bề mặt chọn lọc cao diện tích bề mặt lớn Do hấp thụ hóa học phân ly thường xảy ra, nên vật liệu gắn cho tên “chất hấp thụ phân ly” sử dụng chiến tranh chống hóa/sinh học, lọc khí, để thiêu hủy chất độc Làm chất xúc tác cho phản ứng hóa học sinh học Sensors: Khối kết tụ xốp hạt nano bán dẫn nghiên cứu nén tải trọng thấp Những vật liệu giữ vững bề mặt lớn chúng, hấp thụ khí khác nhau, tính dẫn điện chúng thay đổi Do nhiều khí phát hấp thụ đơn vị khối lượng so sánh với bột nén thông thường, thay đổi điện xảy nhiều lần hơn, việc sử dụng hạt nano tạo ưu điểm đáng kể công nghiệp cảm biến Điện cực cấu trúc nano: Các vi tinh thể (crystallite) kim loại kích thước nano lớn lên kết tủa điện phân nhanh nhờ vào tốc độ tạo nhân cao giảm lớn lên vi tinh thể (hạt) Kim loại từ sắt, sau tạo nên chất rắn từ đậm đặc có tính chất từ mềm (độ kháng từ thấp độ từ bão hòa cao) Các vật liệu hữu ích cho máy biến Cấu trúc nano nanocomposite: Có số tác động kì diệu sinh bột nano cho vào chất polymer Bột nano dạng hạt mịn, cấu trúc giống hình kim loại platelet Tác động tăng cường thêm độ bền hỗn hợp nhiều Các vật liệu nhẹ hơn, bền hơn, lớp phủ chống mòn, vật thay cho kim loại, hình dung nhiều loại Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế - - Sơn tự lau có màu đẹp: Người ta chứng minh thêm vào sơn chất phụ gia hạt nano hấp thụ ánh sáng TiO2, sơn tự lau Chất lỏng từ thông minh: Chất lỏng sắt (ferrofuid) dung dịch chất keo chứa hạt từ nhỏ làm ổn định phối tử hoạt tính bề mặt Chúng sử dụng vào đệm kín chân không, giảm xóc nhớt, đệm kín lọa trừ chất bẩn Đồng thời sử dụng làm chất lỏng làm mát, ổ trục kích thước nano, dây dẫn nhiệt điều chỉnh từ, axit từ chia tách quặng khai thác mỏ tách kim loại phế liệu Ắc quy bền hơn: Với ví dụ điển hình vật liệu cấu trúc nano ắc quy ion lithium Nâng cao an ninh quốc gia: tương lai, công nghệ nano đóng vai trò quan trọng công nghiệp chế tạo trang thiết bị cho quân công phòng thủ đất nước Ngoài ra, việc sử dụng hạt nano chức năng, diện tích bề mặt lớn, chất hấp phụ, phá hủy tác nhân hóa/sinh học chứng minh có hiệu cho phép đối phó nhanh với số vấn đề hậu cần Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Có phương pháp để chế tạo vật liệu nano top-down bottom-up - Top-down: phương thức từ xuống tức chia nhỏ hệ thống lớn để cuối tạo đơn vị có kích thước nano Bottom-up: phương thức từ lên nghĩa lắp ghép hạt cở phân tử hay nguyên tử lại để thu kích thước nano 2.1 Phương pháp top-down 2.1.1 Nguyên lý Dùng kỹ thuật nghiền biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt có kích thước nano 2.1.2 Phân loại - Phương pháp top-down gồm phương pháp sau: 10 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế • 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) Các viên bi cứng va chạm vào phá vỡ bột đến kích thước nano Kết thu vật liệu • nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng: Được sử dụng với kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không làm phá hủy vật liệu Như đùn thủy lực, tuốt, cán, ép Nhiệt độ điều chỉnh tùy thuộc vào trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn nhiệt độ kết tinh lại gọi biến dạng nóng, ngược lại gọi biến dạng nguội Kết thu vật • liệu nano chiều chiều Ngoài ra, người ta thường dùng phương pháp quang khắc để tạo cấu trúc nano phức tạp Đây phương pháp đơn giản, rẻ tiển hiệu quả, tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước lớn ( ứng dụng làm vật liệu kết cấu ) chế tạo lượng lớn vật liệu tính đồng vật liệu không cao, tạo lượng phế thải lớn 2.2 Phương pháp bottom-up Nếu nhà vật lý chế tạo vật liệu nano phương pháp “topdown”, “gọt” nhỏ dần cấu trúc micro Thì nhà hóa học lại theo đường hoàn toàn ngược lại với phương pháp “bottom-up”, ghép nguyên tử phân tử thông thường thành cấu trúc vật chất với kích thước nano Nếu phương pháp “top-down” đòi hỏi phải sử dụng công nghệ vi điện tử trình độ đại có trung tâm nghiên cứu với vốn đầu tư lớn làm được, với phương pháp “bottom-up” tạo cấu trúc nano phòng thí nghiệm với vốn đầu tư không lớn, yêu cầu có trình độ khoa học cao Đồng thời với phương pháp “bottom-up” người chế tạo hình 11 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế thái vật liệu mà loài người mong ước Chính nay, phương pháp “bottom-up” nghiên cứu ứng dụng rộng rãi phần lớn vật liệu nano chế tạo từ phương pháp 2.2.1 Nguyên lý Hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion 2.2.2 Phân loại Trong phương pháp có số công nghệ kĩ thuật để chế tạo vật liệu cấu trúc nano đóng vai trò công nghệ nền, Tiêu biểu phương pháp sol-gel, phương pháp hạt nano micell ngược, phương pháp lắng đọng pha hóa học vật lý, phương pháp tự lắp ghép phân tử 2.2.2.1 Phương pháp sol-gel Đây công điển hình chế tạo vật liệu nano Có hai dạng biết đến là: cách không dùng alkoxide cách có dùng alkoxide Tùy thuộc vào cách thức điều chế sử dụng mà oxit tạo thành có tính chất lý, hóa khác - Sol trạng thái tồn ổn định hạt rắn tướng colloide bên chất - lỏng Colloide hạt thấy không qua màng bán thẩm có kích thước từ 0,2 - nm đến mm, hạt có từ 103 đến 109 phân tử Gel chất rắn lỗ xốp có cấu tạo mạng ba chiều môi trường phân tán chất lỏng Quá trình sol-gel liên quan đến phát triển mạng vô thông qua huyền phù dạng keo (sol) tạo gel sol để tạo thành pha chất lỏng liên tục (gel) Các tiền chất để tổng hợp chất keo phối tử (gốc kết hợp) khác nguyên tố kim loại kim Các nguyên liệu ban đầu xử lý, tạo thành dạng oxit hay sol phân tán nước hay axit loãng Loại bỏ chất 12 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế lỏng sol thu gel Quá trình chuyển đổi sol/gel điều chỉnh kích thước hình dạng hạt Nung gel thu oxit Phương pháp sol-gel dựa sở phản ứng thủy phân ngưng tụ alkoxide từ tiền chất ví dụ Si(OEt) (tetraethyl orthosilicate hay TEOS) Các phản ứng mô tả sau: MOR + H 2O → MOH + ROH (phản ứng thủy phân) MOH + ROM → M − O − M + ROH Dung dịch alkoxid kim loại [phản ứng 2.1] (phản ứng ngưng tụ) [phản ứng 2.2] Thủy phân & polymerChiết hóa xuất siêu tới hạn Kết tủa Gel hóa Phủ quay phủ nhúng Bay Hình 2.1 Sơ đồ trình tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel *Tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel xảy theo bước sau: Bước Giai đoạn tạo gel: bước chia làm giai đoạn sau: 13 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế - Sự hình thành dung dịch bền tiền thân kim loại alkoxide solvated (sol): Chất tiền tố xử lí qua loạt trình thủy phân phản ứng polymer hóa tạo keo huyền phù (sol) + Khi dạng sol, sử dụng phương pháp phủ quay (spin coating) hay phủ nhúng (dip coating) có màng gel khô bề mặt đế Màng xốp, làm nóng lên ta có màng đặc chế đế (xem bước 1- hình 2.1) + Khi dạng sol, sử dụng phương pháp kết tủa, phun lửa dùng kĩ thuật nhũ tương có nhứng hạt đồng mịn Thường dung để - sản xuất bột nano công nghiệp (xem bước - hình 2.1) Sự gel hóa (keo tụ), kết trình hình thành mạng lưới cầu nối oxide alcohol (gel) phản ứng đa trùng ngưng polyeste hóa dẫn đến - tăng đáng kể độ nhớt dung dịch Thoái hóa gel (sự co lại gel), xảy liên tục với phản ứng đa trùng ngưng gel biến thành khối vững chắc, kèm với co thắt mạng lưới gel trình đẩy dung môi khỏi gel qua lỗ xốp Hiện tượng chín Ostwald (hay gọi hạt thô, tượng hạt nhỏ bị hấp thụ hạt lớn trình hình thành) chuyển đổi pha xảy đồng thời với co lại gel Quá trình thoái hóa gel vượt ngày có ý nghĩa quan trọng việc ngăn chặn vết nứt gel thu Bước 2.Giai đoạn sấy khô gel: Trước sấy vật liệu làm cách rửa bề mặt với dung môi, sau gạn lọc ly tâm Dung môi rửa ảnh hưởng tới thành phần hóa học mức độ tinh thể Khi sấy (thường 1000C) nước chất lỏng dễ bay loại bỏ Quá trình phức tạp thay đổi cấu trúc gel Kết giai đoạn sấy khô - tạo tiểu phân nano vô định hình Nếu làm bay dung môi,thu sản phẩm khối chất rắn gọi xerogel (gel khô)(xem bước - hình 2.1) 14 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế - Nếu dung môi (ví dụ nước) chiết xuất đến siêu tới hạn gần siêu tới hạn, thu vật liệu chứa nhiều lỗ xốp nên khối lượng riêng vật liệu - thấp, gọi aerogel (gel khí)(xem bước - hình 2.1) Bước 3: Giai đoạn nung: xảy theo giai đoạn Sự khử nước: Nung xerogel thu nhiệt độ cao (lớn 800 0C), nhóm M-OH bề mặt loại bỏ, làm cho gel khả hút nước Mục đích - giai đoạn tạo tinh thể nano từ dạng vô định hình Sự dồn nén phân hủy gel nhiệt độ cao (lớn 800 0C): lỗ xốp mạng lưới gel bị phá hủy, lại loại chất hữu bay Giai đoạn dẫn đến sụt giảm diện tích bề mặt, gây biến đổi pha + Từ xerogel (gel khô) đem nung ta thu gốm đặc, hạt sau ảnh hưởng nhiệt độ liên kết chặt lại với (xem bước - hình 2.1) + Nếu điều chỉnh độ nhớt sol thích hợp từ sol kéo sợi, nung nóng lên có sợi gốm, cấu tạo sợi gồm nhiều hạt nhỏ liên kết lại với (xem bước - hình 2.1) Sự tạo thành vật liệu nano phương pháp sol-gel phụ thuộc nhiều vào lựa chọn dung môi chất hoạt động bề mặt để ổn định Các dung môi thường sử dụng là: họ ancol, dẫn xuât halogen ankan…;và chất hoạt động bề mặt để ổn định gồm: poly(ethylen glycol), 2-(2-methoxyethoxy ethanol)… Điểm ý lớn phương pháp đòi hỏi phải điều khiển tốt phản ứng hóa học, nói trình hóa lý Ví dụ để sản xuất bột nano oxit zirconi, ban đầu chuẩn bị sol cách cho nitric zirconi hòa tan axit nitric Tuy nhiên phải thêm chất có hoạt tính bề mặt sol ytri vào điều khiển việc tạo hạt hình cầu gel Từ xử lý gel ta thu bột nano oxit zirconi Sơ đồ sau: Zr(OH)4 +HNO3 → sol → sol ytri * Ưu nhược điểm phương pháp sol-gel: 15 → Gel → bột Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế - Ưu điểm: Phương pháp sol-gel có nhiều thuận lợi so với phương pháp khác tạo sản phẩm nguyên chất, đồng nhất, đòi hỏi thiết bị không phức tạp, giá thành hợp lý - Nhược điểm: Các chất tiền tố bị thủy phân mạnh khí đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ điều kiện phản ứng; giá thành chất thường cao nên hạn chế ý nghĩa thương mại chúng Phương pháp không dùng alkoxide sử dụng muối vô (như nitrat, clorua, acetat, cacbonat, acetyacetat…) đòi hỏi giai đoạn cuối phải loại bỏ anion vô thêm vào * Ứng dụng: Phương pháp dùng để điều chế vật liệu vô phi kim loại kính, gốm sứ, thủy tinh, thủy tinh-gốm, lớp mỏng phủ lên bề mặt, hạt hay màng xốp, sợi 2.2.2.2 Phương pháp nghệ lắng đọng pha hóa học (chemical Vapour Deposition-CVD) Lắng đọng pha hóa học phương pháp mà nhờ vật liệu rắn lắng đọng từ pha thông qua phản ứng hóa học xảy gần bề mặt đế đun nóng Lắng đọng pha hóa học công nghệ xử lý vật liệu sử dụng rộng rãi Trong CVD, vật liệu rắn thu dạng lớp phủ, bột đơn tinh thể Bằng cách thay đổi điều kiện thí nghiệm, vật liệu đế, nhiệt độ đế, thành phần cấu tạo hỗn hợp khí phản ứng, áp suất… đạt đặc tính khác vật liệu Công nghệ CVD hiểu đơn giản bao gồm công đoạn, phun khí khí tiền chất vào buồng chứa nhiều vật thể nung nóng để phủ Các phản ứng hóa học xảy song song gần với bề mặt nóng, dẫn đến lắng đọng màng mỏng bề mặt 16 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế *Một số phương pháp CVD: Các phương pháp CVD rộng chia tách theo khác phương pháp hoạt hóa, áp suất tiền chất - CVD nhiệt (thermal CVD): CVD kích hoạt phản ứng nhiệt, thường thực - nhiệt độ cao (trên 9000C) Đây phương pháp phổ biến cổ điển CVD plasma - Plasma Assisted CVD (hay gọi CVD nâng plasma PECVD): sử dụng lượng plasma để kích hoạt phản ứng Nhiệt độ thấp - so với CVD nhiệt, vào khoảng 300-5000C MOCVD (metal organic chemical vapor deposition): CVD nhiệt sử dụng - tiền chất hợp chất hữu kim loại ALCVD(Lắng đọng pha hóa học lớp nguyên tử): tiền chất thể khí đưa vào liên tục tới bề mặt đế lò phản ứng làm với khí trơ rút chân không Phản ứng hóa học dẫn đến lắng đọng pha màng xảy đế nhiệt độ nhiệt độ phân hủy tiền chất chứa thành phần kim loại phản ứng pha - khí không quan trọng CBE (epitaxy chùm hóa học) MOMBE (epitaxy chùm phân tử hữu kim loại): CBE phương pháp CVD chân không cao, sử dụng tiền chất hữu kim loại dễ bay tiền chất thể khí MOMBE sử dụng tiền chất hữu kim loại dễ bay tiền chất bay rắn Trong CBE MOMBE, phản ứng hóa học xảy đế, dẫn đến màng đơn tinh thể Bởi phản ứng pha khí không đóng vai trò - quan trọng phát triển màng APCVD (lắng đọng pha hóa học áp suất khí quyển) LPCVD (lắng đọng - pha hóa học áp suất thấp) CVP (lắng đọng pha hóa học polymer) * Ưu nhược điểm phương pháp CVD - Ưu điểm: hệ thống thiết bị đợn giản, tốc độ lắng đọng cao, có khả lắng đọng hợp kim nhiều thành phần, chế tạo màng cấu trúc hoàn thiện độ cao Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình phức tạp 17 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế - Nhược điểm: chế phản ứng phức tạp, đòi hỏi nhiệt độ đế cao phương pháp khác Đế dụng cụ thiết bị bị ăn mòn dòng * Ứng dụng: Ứng dụng chế tạo lớp phủ màng mỏng bề mặt ví dụ màng cách điện chống gỉ, chống oxy hóa Chế tạo sợi quang chịu nhiệt, pin mặt trời, sử dụng để sản xuất bột vật liệu có độ tinh khiết cao, chế tạo vật liệu composite thông qua phương pháp thấm Phương pháp sử dụng để lắng đọng nhiều loại vật liệu 2.2.2.3 Công nghệ lắng đọng pha vật lý (Physical vapouor depostion – PVD) PVD lớp khác kỹ thuật lắng đọng điều chế màng mỏng Các màng tạo thành từ pha khí, biến đổi hóa học từ tiền chất sản phẩm Vì vậy, thực với chất bền pha khí Ứng dụng chủ yếu kỹ thuật PVD bốc bay nhiệt, chất bay từ nồi nấu kim loại ngưng tụ chất PVD gọi kỹ thuật đường chiều, dòng chất theo môt đường thẳng từ nguồn tới chất mang Điều dẫn tới hiệu ứng bóng, mà chúng CVD Chất nhiệt độ phòng hay gia nhiệt/làm lạnh tùy thuộc vào nhu cầu Trong đa số trường hợp, chất để thẳng nguồn, lắp ráp khác Trong đa số trường hợp, tạo điều kiện áp suất thấp để giảm tới tối thiểu va chạm phân tử khí ngăn ngừa làm bẩn màng kết tụ Trong phương pháp bốc chùm electron, dòng tập trung electron đốt nóng chất chọn Các electron phát nhiệt từ dây vonfram mà đốt nóng dòng điện 18 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế 2.2.2.4 Công nghệ lắng đọng nhiệt phân phun phủ (Spray pyrolysis deposition – SPD) SPD kỹ thuật lắng đọng aerosol cho màng mỏng bột liên quan tới CVD Các điểm khác chủ yếu phương pháp nhiệt phân phun phủ: (1) aerosol (một giọt nhỏ) tạo thành từ dung dịch ban đầu thay cho CVD (2) Aerosol hội tụ trực tiếp mẫu hầu hết trường hợp, khuyếch tán trình trội CVD (3) Các chất gia nhiệt áp suất môi trường, CVD hệ thường đặt điều kịên giảm áp Có vài dẫn xuất nhỏ kỹ thuật này, chủ yếu khác bước tao aerosol tính chất phản ứng chất (phương pháp từ khí tới hạt phương pháp từ giọt tới hạt) So sánh với phương pháp lắng đọng tạo màng mỏng khác, phương pháp nhiệt phân phun phủ có nhiều giá trị đơn giản, giá thành thấp, tái sản xuất được, có khả lắng đọng bao phủ diện tích rộng thời gian ngắn, màng tạo thể tính chất điện học tính chất tiêu biểu khác tốt Sự đồng đa số trường hợp vấn đề, phẳng lớp màng 2.2.2.5 Phương pháp tự lắp ghép phân tử Tự lắp ráp trình tự tổ chức hay nhiều thành phần thành khối lớn thông qua liên kết đồng phi đồng hóa trị Tự lắp ráp phân tử (MSA) cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo cấu trúc siêu phân tử MSA đuợc tạo thành liên kết phi đồng hóa trị yếu, đáng ý liên kết H, liên kết ion, tương tác kỵ nước, vander Waals liên kết H qua nuớc Mặc dù đứng riêng, liên kết tương đối yếu tổng thể chung, chúng chi phối trình hình thành cấu trúc tất đại phân tử sinh học ảnh huởng đến tương tác chúng với phân tử khác Tất phân tử sinh học, bao gồm peptide protein, tương tác tự tổ chức thành cấu trúc xác định, có chức 19 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế Bằng cách quan sát trình cấu trúc siêu phân tử lắp ráp tự nhiên, bắt đầu khai thác tự lắp ráp để tạo vật liệu tổng hợp hoàn toàn ADN, peptide protein khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp vật liệu Tự nhiên sử dụng chúng nhu khung để tạo nhiều loại vật liệu khác (collagen, keratin… ) Một số ví dụ: + Chế tạo sợi nano: Một loại sợi nano đuợc tạo thành từ peptide ion hóa tự lắp ráp bổ sung , chúng tạo thành dung dịch lỏng với hai bề mặt: ưa nuớc, kỵ nuớc Các gốc β phiến kỵ nước tự bảo vệ chúng khỏi nuớc tự lắp ráp nước theo cách tương tự gấp nếp protein Đặc trưng cấu trúc độc vô nhị peptide “Lego phân tử” chúng tạo thành liên kết ion bổ sung với lặp lại đặn bề mặt ưa nuớc Có thể định huớng điện tích theo chiều nguợc lại, để tạo phân tử hoàn toàn khác Trình tự thiết kế tốt cho phép peptide tự lắp ráp theo trật tự, trình giống lắp ráp polymer nghiên cứu kỹ + Chế tạo ống cacbon: Phospholipid dễ dàng tự lắp ráp dung dịch nuớc, tạo thành cấu trúc khác bao gồm micell, túi ống Schnur cộng tiên phong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo vật liệu dùng lĩnh vực chế tạo vật liệu sử dụng khối cấu trúc đơn giản 2.2.2.6 Phương pháp hạt micelle ngược Micelle ngược la trình tạo thành hạt micelle môi trường dầu chất hoạt động bề mặt có nhân pha nước chứa hạt vô cơ, hạt lai Lúc giọt pha phân tán (pha nước) khuếch tán dung môi hữu ưa dầu pha liên tục Các hạt micelle ngược có cấu tạo hình cầu đường kính từ 10 đến 100nm Trong tâm hạt nano bao gồm hạt kim loại, hạt lai (hạt lai vô cơ/ hưu cơ, oxit kim loại, muối kim loại, hạt hữu cơ/ lai vô cơ) 20 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế Phía lớp phủ chất hoạt động bề mặt có phần đầu hấp thụ bề mặt kim loại theo lực hút tĩnh điện, phần đuôi khuếch tán tạo thành hình cầu (lớp phủ lớp stern) với nước choán đầy không gian vỏ Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt đạt tới mức tới hạn (critical micelle concentration – CMC) Do lực Vander waal, chất hữu kết hợp với phần đuôi ưa dầu chất hoạt động bề mặt tạo thành lớp màng khuếch tán bảo vệ hạt micelle ngược Khi hoàn toàn điều khiển kích thước micelle ngược kích thước phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ lượng nước lượng chất hoạt động bề mặt Có thể thực hầu hết phản ứng nước nước chứa bên micelle Do kết tủa hạt nano bên micelle Kích thước hạt nano bị giới hạn kích thước micelle ngược Các hạt nano sinh có khả kết tụ lại với Do cho phân tử mũ (chất gắn cộng hóa trị với bề mặt vật liệu) vào dung dich để ngăn cản trình kết tụ hạt nano tạo thành 2.2.2.7 Phương pháp hồ quang plasma Nguồn điện Anôt (+) Catôt (-) khí Hút chân không Hình 2: hồ quang plasma 21 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế Để có điện hồ quang, người ta dùng bình kín hút chân không cho chất khí, thường khí trơ thổi qua với áp suất thấp Trong bình có điện cực nối với điện thế, cỡ hàng chục vôn Khi mồi cho phóng điện có hồ quang điện cực Khí điện cực có có hồ quang nóng thực chất nguyên tử bị điện tử trở thành ion electron tự Đó plazma Một điện cực (anot) bị electron bắn phá làm cho nguyên tử bốc bay lên, bi electron trở thành ion dương hướng catot Do catot bị phủ lớp vật chất từ anot bay sang Đồng thời có hạt không đến canot nên rơi xuống phải chọn chế độ phóng hồ quang hợp lý có hạt nano mong muốn rơi xuống hình thành catot Chất làm điện cực phải dẫn điện Thành phần hóa học chất làm điện cực có ảnh hưởng định đến thành phần hóa học hạt nano tạo mà ảnh hưởng đến việc tạo hạt nano dạng gì, hiệu suất cao hay thấp… Phương pháp chủ yếu dung để chế tạo lớp bột mịn, hạt nhỏ catot, chế tạo ống cacbon Nhược điểm phương pháp mẫu chứa thu lẫn tạp chất, cần tiến hành làm sau thu mẫu Ngoài phương pháp hồ quang plazma không tạo vật liệu dạng khối 2.2.2.8 Phương pháp mạ điện Phương pháp mạ điện thường sử dụng phổ biến để chế tạo lớp kim loại mỏng bề mặt vật liệu điện Dung dịch điện phân, chất liệu điện cực, mật độ dòng điện, điện thế, nhiệt độ… yếu tố quan trọng để có lớp mạ chất lượng Thông thường yêu cầu chất lượng lớp mạ phải bám chặc vào bề mặt, phải láng bóng, phải đặc nghĩa khối lượng riêng lớp mạ giống khối lượng 22 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế riêng lớp mạ giống khối lượng riêng vật liệu khối xuất phát.Đối với phương pháp mạ điện công nghệ nano có yêu cầu sau: - Cần lớp vật liệu thông thường mỏng (một chiều cỡ nm) Cần lớp vật liệu đặc có cấu trúc hạt tinh thể nhỏ Chọn chế độ mạ thích hợp để có lớp mạ dày, đặc với cấu trúc tinh thể hạt nhỏ đến kích cỡ - nm Đây vật khối có hạt tinh thể nano Có thể chọn chế độ để lớp phủ hình thành điện cực liên tục mà hạt nano rời, liên kết với yếu Lớp phủ không thật đặc, bề mặt không láng bong mà có nhiều nhấp nhô vi mô Dùng trực tiếp cạo lấy bột Việc mạ điện không đơn việc chuyển vật liệu từ điện cực sang điện cực để tạo thành lớp màng mỏng Rất nhiều trường hợp chất tạo lớp phủ lấy từ dung dịch, hỗn hợp dạng lỏng Màng cấu trúc nano paladin, niken, vàng, polymer hữu cơ, oxit, bán dẫn… chế tạo theo phương pháp Các màng chuyên dùng để làm pin nhiên liệu, pin mặt trời, lớp tản nhiệt, cảm biến… Ngoài phương pháp mạ điện dùng để lấp lỗ nano màng polymer để tạo điện cực nano nhằm điều khiển ion chuyển động Đó màng nhân tạo có ion điều khiển nanocomposit kim loại-chất dẻo 23 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế KẾT LUẬN Qua trình thực khóa luận đưa kết luận sau: Đã xây dựng tổng quan khái niệm vật liệu nano phương pháp chế tạo vật liệu nano Qua phương pháp điều chế vật liệu nano trình bày khóa luận, thấy phương pháp điều chế có ưu nhược điểm riêng biệt Chính vậy, điều chế vật liệu nano yêu cầu đặt người chế tạo phải chọn phương pháp điều chế thích hợp, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ( kích thước hạt, tính đồng đều…), kinh tế (giá thành sản phẩm), phải phù hợp với điều kiện trang thiết bị kỹ thuật có 24 Tổng quan vật liệu nano phương pháp điều chế TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano công nghệ vật liệu nguồn, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ Nguyễn Xuân Hưng (2007), Công nghệ sinh học nano, NXB Khoa học kỹ thuật Vũ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử, NXB Khoa học kỹ thuật Charle P.Poole J.Frank J Owens (2003), Introduction to nanotechnology, Wiley – Intersciense C.Jeffrey Brinker (2001), Sol-Gel Sciense the physics and chemistry of Sol-Gel processing, Wiley VHC http://gitam.edu/eresource/nano/NANOTECHNOLOGY/nanotechnology web1.htm 25 [...]... lấp lỗ nano trong màng polymer để tạo ra các điện cực nano nhằm điều khiển ion chuyển động Đó là màng nhân tạo có các ion điều khiển được như nanocomposit kim loại-chất dẻo 23 Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế KẾT LUẬN Qua quá trình thực hiện bài khóa luận có thể đưa ra kết luận sau: 1 2 Đã xây dựng được tổng quan về khái niệm vật liệu nano và các phương pháp chế tạo vật liệu nano. .. như phải phù hợp với điều kiện trang thiết bị kỹ thuật hiện có 24 Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano công nghệ nền và vật liệu nguồn, NXB 2 3 Khoa học tự nhiên và công nghệ Nguyễn Xuân Hưng (2007), Công nghệ sinh học nano, NXB Khoa học và kỹ thuật Vũ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng 4.. .Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế • Phương pháp nghiền: vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với nhưng viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được vật liệu • nano không... hiện nay, phương pháp “bottom-up” đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi và phần lớn các vật liệu nano được chế tạo từ phương pháp này 2.2.1 Nguyên lý Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion 2.2.2 Phân loại Trong phương pháp này có một số công nghệ và kĩ thuật để chế tạo vật liệu cấu trúc nano đóng vai trò công nghệ nền, cơ bản Tiêu biểu như phương pháp sol-gel, phương pháp hạt nano micell... Gel hóa 1 Phủ quay hoặc phủ nhúng 6 Bay hơi 3 5 Hình 2.1 Sơ đồ của quá trình tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel *Tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel xảy ra theo các bước sau: Bước 1 Giai đoạn tạo gel: trong bước này có thể chia làm 3 giai đoạn như sau: 13 Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế - Sự hình thành các dung dịch bền của tiền thân kim loại alkoxide hoặc... nhau của vật liệu Công nghệ CVD có thể hiểu đơn giản bao gồm các công đoạn, phun khí hoặc các khí tiền chất vào trong buồng chứa một hoặc nhiều hơn các vật thể đã được nung nóng để được phủ ngoài Các phản ứng hóa học xảy ra song song và gần với bề mặt nóng, dẫn đến lắng đọng của màng mỏng trên bề mặt 16 Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế *Một số phương pháp CVD: Các phương pháp CVD... hiện đại nhất và chỉ có ở các trung tâm nghiên cứu với vốn đầu tư rất lớn mới làm được, thì với phương pháp “bottom-up” chúng ta vẫn có thể tạo được cấu trúc nano trong phòng thí nghiệm với vốn đầu tư không lớn, chỉ yêu cầu có trình độ khoa học cao Đồng thời với phương pháp “bottom-up” con người có thể chế tạo được các hình 11 Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế thái vật liệu mà loài... và các phương pháp chế tạo vật liệu nano Qua các phương pháp điều chế vật liệu nano đã trình bày trong bài khóa luận, chúng ta thấy được mỗi phương pháp điều chế đều có những ưu và nhược điểm riêng biệt Chính vì vậy, khi điều chế vật liệu nano yêu cầu đặt ra đối với người chế tạo là phải chọn được phương pháp điều chế thích hợp, đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật ( kích thước hạt, tính đồng đều…),... với nhau Do đó có thể cho phân tử mũ (chất gắn cộng hóa trị với bề mặt vật liệu) vào dung dich để ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt nano mới tạo thành 2.2.2.7 Phương pháp hồ quang plasma Nguồn điện Anôt (+) Catôt (-) khí Hút chân không Hình 2: hồ quang plasma 21 Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế Để có điện hồ quang, người ta dùng một cái bình kín có thể hút chân không rồi cho... là các vật • liệu nano một chiều hoặc 2 chiều Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiển nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn ( ứng dụng làm vật liệu kết cấu ) và chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao, và tạo ra một