Phương pháp chế tạo vật liệu NANO

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN HÓA TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ Lọc nước Công nghệ nano gì? Nó có vai trò đời sống khkt? Công nghệ nano nghành 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 nm Cơ sở khoa học CNNN Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Hiệu ứng bề mặt Kích thước tới hạn Vật liệu nano gì? Vật liệu nano vật liệu có chiều có kích thước nm Phân loại - Trạng thái vật liệu: rắn, lỏng, khí - Tính chất vật liệu: bán dẫn, kim loại, từ tính, sinh hoc - Hình dáng vật liệu: Cách phân loại phổ biến 1.Vật liệu nano chiều: hạt nano… Vật liệu nano chiều: ống cacbon, dây nano Vật liệu nano chiều: màng nano mỏng… Ngoài có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nano, cấu trúc có nano 1, 2, chiều đan xen lẫn Hạt nano vàng Sợi nano Ống nano Màng nano đa lớp Ứng dụng vật liệu nano Phương pháp chế tạo vật liệu nano  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 KẾT LUẬN - 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 Phương pháp top-down 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 Phân loại Phương pháp nghiền Phương pháp biến dạng Phương pháp quang khắc Ưu nhược điểm: 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 Phương pháp bottom-up  Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion  Phân loại Phương pháp sol-gel Phương pháp lắng đọng pha hóa học Phương pháp lắng đọng pha vật lý Phương pháp lắng đọng nhiệt phân phun phủ Phương pháp tự lắp ghép phân tử Phương pháp hạt micelle ngược Phương pháp hồ quang plasma Phương pháp mạ điện Phương pháp khử sinh học Ưu nhược điểm: Có thể tạo cấu trúc nano phòng thí nghiệm với vốn đầu tư không lớn, yêu cầu có trình độ khoa học cao Vật liệu thu có tính đồng cao Phương pháp sol-gel Phương pháp sol-gel dựa sở phản ứng thủy phân ngưng tụ alkoxide tiền chất ban đầu Tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel xảy theo bước sau 1.Giai đoạn tạo gel 2.Giai đoạn sấy khô gel 3.Giai đoạn nung Ưu nhược điểm phương pháp sol-gel Ưu điểm: Sản phẩm thu 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: 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 Phương pháp lắng đọng pha hóa học (chemical Vapour Deposition-CVD)  Lắng đọng pha hóa học phương pháp mà vật liệu rắn lắng đọng từ pha thông qua phản ứng hóa học xảy gần bề mặt đế đun nóng  Một số phương pháp CVD: CVD nhiệt, CVD nâng plasma (PECVD), CVP (lắng đọng pha hóa học polymer), ALCVD(Lắng đọng pha hóa học lớp nguyên tử)…  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  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: Chế tạo lớp phủ màng mỏng bề mặt (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 Phương pháp 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 Phương pháp 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: Một aerosol (một giọt nhỏ) tạo thành từ dung dịch ban đầu thay cho CVD Aerosol hội tụ trực tiếp mẫu hầu hết trường hợp, khuyếch tán trình trội CVD Các chất gia nhiệt áp suất môi trường, CVD hệ thường đặt điều kịên giảm áp So với phương pháp lắng đọng tạo màng mỏng khác, SPD có nhiều ưu điểm 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 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 nước  ADN, peptide protein khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp vật liệu  Ví dụ 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 Phương pháp hạt micelle ngược  Micelle ngược trình tạo thành hạt micelle (hình cầu đường kính từ 10 đến 100nm) môi trường dầu chất hoạt động bề mặt có nhân pha nước chứa hạt vô cơ, hạt lai  Tâm hạt nano bao gồm hạt kim loại, hạt lai 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 (CMC), 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 Phương pháp hồ quang plasma  Nguyên lý: Tạo điện hồ quang nhờ phóng điện điện cực graphit buồng chứa khí trơ He Ar với điều kiện: cường độ dòng điện 100A, khoảng cách điện cực 1mm áp suất 500mmHg He  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 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 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 Phương pháp khử sinh học Dùng vi khuẩn tác nhân khử ion kim loại Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử  Vật liệu vĩ mô gồm nhiều nguyên tử, hiệu ứng lượng tử 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 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 Vì 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 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 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 Đó 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  Phương pháp nghiền: vật liệu dạng bột trộn lẫn với viên bi làm từ vật liệu cứng đặt cối 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 [...]... hóa) Chế tạo sợi quang chịu nhiệt, pin mặt trời, ngoài ra còn được sử dụng để sản xuất bột và vật liệu có độ tinh khiết cao, cũng như chế tạo vật liệu composite thông qua phương pháp thấm Phương pháp này được sử dụng để lắng đọng nhiều loại vật liệu Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (Physical vapouor depostion – PVD)  PVD là một lớp khác của kỹ thuật lắng đọng điều chế màng mỏng Các màng tạo thành... 500mmHg của He  Phương pháp này chủ yếu dung để chế tạo ra được các lớp bột mịn, hạt nhỏ trên catot, và chế tạo ống cacbon  Nhược điểm của phương pháp này là mẫu chứa thu được còn lẫn tạp chất, vì vậy cần tiến hành làm sạch sau khi thu mẫu Ngoài ra phương pháp hồ quang plazma còn không tạo ra được vật liệu dạng khối Phương pháp mạ điện Phương pháp mạ điện thường được sử dụng phổ biến để chế tạo các lớp... vật liệu  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 Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được vật liệu nano không chiều (các hạt nano)  Phương pháp biến dạng: Được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không làm phá hủy vật. .. mỏng trên bề mặt vật liệu điện Ngoài ra phương pháp mạ điện còn được dùng để 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 Phương pháp khử sinh học Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử  Vật liệu vĩ mô gồm rất... bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho các tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu tới hạn ở dạng khối Kích thước tới hạn  Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có 1 giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Đó là kích thước tới hạn  Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể... để điều chế các vật liệu vô cơ phi kim loại như kính, gốm sứ, thủy tinh, thủy tinh-gốm, các lớp mỏng phủ lên các bề mặt, hạt hay các màng xốp, sợi Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (chemical Vapour Deposition-CVD)  Lắng đọng pha hơi hóa học là một phương pháp mà các vật liệu rắn được lắng đọng từ pha hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt đế được đun nóng  Một số phương pháp CVD:... trong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo ra các vật liệu dùng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các khối cấu trúc đơn giản Phương pháp hạt micelle ngược  Micelle ngược là quá trình tạo thành hạt micelle (hình cầu đường kính từ 10 đến 100nm) trong môi trường dầu bởi chất hoạt động bề mặt có nhân là pha nước chứa các hạt vô cơ, hạt lai  Tâm hạt nano bao gồm hạt kim loại, hạt lai Phía... micelle Do đó có thể kết tủa các hạt nano bên trong micelle Kích thước hạt nano bị giới hạn bởi kích thước của micelle ngược Các hạt nano mới sinh ra có khả năng kết tụ lại 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 Phương pháp hồ quang plasma  Nguyên lý: Tạo ra điện hồ quang nhờ sự phóng... của phương pháp CVD  Ưu điểm: hệ thống thiết bị đợn giản, tốc độ lắng đọng cao, có khả năng lắng đọng hợp kim nhiều thành phần, có thể chế tạo màng cấu trúc hoàn thiện và độ sạch cao Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình phức tạp  Nhược điểm: cơ chế phản ứng phức tạp, đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn trong các phương pháp khác Đế và các dụng cụ thiết bị có thể bị ăn mòn bởi các dòng hơi  Ứng dụng: Chế tạo. .. cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các cấu trúc siêu phân tử  MSA đuợc tạo thành bởi các liên kết phi đồng hóa trị yếu, đáng chú ý là liên kết H, liên kết ion, tương tác kỵ nước, vander Waals và liên kết H qua nước  ADN, peptide và protein là các khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu  Ví dụ Chế tạo ống cacbon: Phospholipid dễ dàng tự lắp ráp trong dung dịch nuớc, tạo thành các cấu trúc khác