Bài Giảng Nano nhóm 12

Nhóm 12: Nguyễn Tất Đơ Bùi Đặng Thống Nhất Lê Như Cả Huế 2013 I Khái niệm NaNo  Vật liệu nano (nano materials) lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động thời gian gần Điều thể số cơng trình khoa học, số phát minh sáng chế , số cơng ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ Con số ước tính số tiền đầu tư vào lĩnh vực lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004, ngồi cịn đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano công nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với ( Bảng 1)  Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp (manipulation) vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Tại quy mơ đó, tính chất vật liệu khác hẳn với tính chất chúng quy mơ lớn  Công nghệ nano việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị, hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thước quy mơ nano mét Bảng 1: Số liệu họa qua năm vật liệu nano thu hút nguồn đầu tư tài nhân lực II Phân loại Vật liệu nano phân thành: Rắn 1.Trạng thái Lỏng Khí  Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay, chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Khơng chiều (cả ba chiều có kích thước nano), ví dụ, đám nano, hạt nano Hình dáng vật liệu chiều vật liệu chiều có kích thước nano, ví dụ, dây nano, ống nano, hai chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, ví dụ, màng mỏng, Ngồi cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano khơng chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn  Một số hình ảnh nano Vật liệu nano không chiều Vật liệu nano chiều Vật liệu nano hai chiều nanocomposite III Tính chất vật liệu nano  Như ta biết, vật liệu nano có tính chất thú vị kích thước so sánh với độ dài tới hạn tính chất đối tượng ta nghiên cứu Nó có tính chất sau: • Tính chất điện • Tính chất từ • Tính chất quang • Tính siêu dẫn • Tính chất • Xúc tác • Siêu phân tử • Miễn dịch IV Cơ sở khoa học cơng nghệ nano: Kích thước tới hạn Cơ Sở Khoa Học Hiệu ứng bề mặt Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Bảng độ dài tới hạn số tính chất vật liệu V Chế tạo vật liệu nano nào? Các vật liệu nano thu bốn phương pháp phổ biến, phương pháp có điểm mạnh điểm yếu, số phương pháp áp dụng với số vật liệu định  Hóa ướt (wet chemical)  Cơ học (mechanical) Phương pháp  Bốc bay  Hình thành từ pha khí (gasphase) 1) Phương pháp hóa ướt (wet chemical): Ưu điểm: vật liệu có  Gồm phương pháp chế tạo vật liệu dùng hóa keo (colloidal chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, kết tủa Theo phương pháp này, dung dịch chứa ion khác trộn với theo tỷ phần thích hợp, tác động nhiệt độ, áp suất mà vật liệu nano kết tủa từ dung dịch Sau q trình lọc, sấy khơ, ta thu vật liệu nano thể chế tạo đa dạng, phương pháp rẻ tiền chế tạo khối lượng lớn vật liệu Nhược điểm: hợp chất có liên kết với phân tử nước khó khăn, phương pháp so-gel hiệu khơng có hiệu suất 2) Phương pháp học (mechanical)  Gồm Gồm cácphương phươngpháp pháptán, tán, nghiền, nghiền,hợp hợpkim kimcơ cơhọc học.Theo Theo phương phươngpháp phápnày, này,vật vậtliệu liệuởởdạng dạng bột bộtđược đượcnghiền nghiềnđến đếnkích kíchthước thước nhỏ nhỏhơn hơn.Ngày Ngàynay, nay,các cácmáy máy nghiền nghiềnthường thườngdùng dùnglàlàmáy máynghiền nghiền kiểu kiểuhành hànhtinh tinhhay haymáy máynghiền nghiền quay quay Ưu điểm: đơn giản, dụng cụ chế tạo khơng đắt tiền chế tạo với lượng lớn vật liệu Nhược điểm: hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt khơng đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ dụng cụ chế tạo thường khó đạt hạt có kích thước nhỏ 3) Phương pháp bốc bay:  Gồm phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay chân khơng (vacuum deposition) vật lí, hóa học Ưu điểm: Hiệu để chế tạo màng mỏng lớp bao phủ bề mặt người ta dùng để chế tạo hạt nano cách cạo vật liệu từ đế Nhược điểm: Phương pháp không hiệu để chế tạo quy mơ lớn 4) Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase):  Các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electroexplosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma Nguyên tắc phương pháp hình thành vật liệu nano từ pha khí Phương pháp nhiệt phân dùng để tạo vật liệu đơn giản carbon, silicon Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon (fullerene) ống carbon Ưu điểm: phương pháp nhiệt phân biết đến từ lâu, tạo nhiều sản phẩm đơn giản Nhược điểm: Phương pháp đốt laser có hiệu suất quy mơ thấp phương pháp plasma khơng thích hợp để tạo vật liệu hữu nhiệt độ đến 9000ºC VI Ứng dụng vật liệu nano:  Ta hình dung cơng nghệ nano người vào tuổi trung niên có đầu bách khoa to tứ chi chậm phát triển, có mầm bệnh lại thêm tính gàn dở muốn làm nhiều việc lúc! Nói xem chừng q ngơn đa dạng vật liệu nano với nhiều ứng dụng đa ngành từ vật lý đến sinh y học, từ điện tử học đến hóa học làm chậm tiến trình thương phẩm hóa Nền cơng nghệ nano trở thành người tù thơng thái  Ta xem vài tiềm ứng dụng ống than nano: Ống than nano có tính tuyệt vời, cứng thép lần, bền thép 160 lần lại nhẹ thép gần lần Có thể nói ống than nano có tính cao so với vật liệu người ta biết từ trước đến Cần phải nhấn mạnh tính ống than riêng lẻ Gia cường loại polymer/epoxy đề tài nghiên cứu quan trọng ứng dụng công nghiệp từ nhiều thập niên  Việc triển khai composite polymer/epoxy ống than nano hướng tất nhiên lĩnh vực gia cường Trải nghiệm ngày cho ta biết đồ gia dụng polymer (plastic) tiện lợi giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ giòn, dễ gãy nứt Poly(methylmethacrylate) (PMMA), loại plastic gia dụng suốt kính, cần % ống than nano đủ làm tăng tính polymer nhiều lần  Một ứng dụng lớn khác ống than nano công nghiệp điện tử, Ống than mang đặc tính dẫn điện đạn đạo, nghĩa nhờ vào hình dạng ống electron di chuyển tự mà khơng bị va chạm vào thành ống, nhờ việc phát nhiệt giảm thiểu tối đa Độ dẫn điện ống điều chỉnh từ mức bán dẫn đến kim loại Người ta tận dụng đặc tính để chế tạo transistor ống nano Vật liệu transistor chất bán dẫn silicon Cột sống dụng cụ điện tử, máy tính cơng nghệ tin học transistor silicon Khi transistor nhỏ, ta gia tăng số transistor làm dụng cụ linh hoạt, chức cao, ứng đáp nhanh chóng, kích thước mỏng, nhỏ gọn gàng  Ứng dụng gia cường transistor ống than nano hai ứng dụng có tiềm tạo nên cách mạng công nghệ kỷ 21 Tuy nhiên, viễn ảnh thành cơng cịn mờ mịt Bảng phân bố vật liệu nano thị trường: Loại sản phẩm Số lượng Thị trường Phần trăm Hạt nano 160 Y/dược 30 Ống nano 55 Hóa chất vật liệu cao cấp 29 Vật liệu xốp nano 22 CN Thông tin, viễn thông 21 Lồng nano 21 Năng lượng 10 Châm lượng tử 19 Tự động hóa Vật liệu cấu trúc nano 16 Hàng không vũ trụ Sợi nano Dệt Hạt chứa hạt nano (capsule) Nông nghiệp Dây nano ... cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano khơng chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn  Một số hình ảnh nano Vật liệu nano khơng chiều Vật liệu nano chiều... nano) , ví dụ, đám nano, hạt nano Hình dáng vật liệu chiều vật liệu chiều có kích thước nano, ví dụ, dây nano, ống nano, hai chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, ví dụ, màng mỏng, Ngồi... Hạt nano 160 Y/dược 30 Ống nano 55 Hóa chất vật liệu cao cấp 29 Vật liệu xốp nano 22 CN Thông tin, viễn thông 21 Lồng nano 21 Năng lượng 10 Châm lượng tử 19 Tự động hóa Vật liệu cấu trúc nano