Nghiên cứu tổng hợp hạt Nano bạc và ứng dụng

Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ********* NGUYỄN THỊ ANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO BẠC VÀ ỨNG D KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Chun ngành:Hố Cơng Nghệ Mơi Trường Người hướng dẫn khoa học TS.NGƠ TRỊNH TÙNG Hà Nội - 2012 Nguyễn Thị Anh - K34A - Khoa Hóa học Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Anh - K34A - Khoa Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 2 MỞ ĐẦU Những năm gần đây, công nghệ nano ngành thuộc lĩnh vực khoa học cơng nghệ mới, phát triển nhanh chóng tạo nên bước đột phá ngành điện tử, tin học, y sinh học, môi trường ứng dụng rộng rãi đời sống Với phát triển khoa học công nghệ nano, người tiến hành chế tạo kim loại bạc kích thước nano để nâng cao khả diệt khuẩn phạm vi ứng dụng bạc Ở kích thước nano bạc thể tính chất vật lý, hóa học, sinh học khác biệt vô quý giá, đặc biệt tính kháng khuẩn, chống nấm đặc biệt mà khơng độc hại với thể người môi trường Nhờ khả kháng khuẩn mà giới xuất nhiều sản phẩm có sử dụng nano bạc làm chất diệt khuẩn, khử mùi Việt Nam nước nhiệt đới gió mùa thuận lợi cho vi khuẩn sinh sơi phát triển, nên việc tìm biện pháp ngăn ngừa vi khuẩn có hại để bảo vệ cộng đồng cần thiết, xã hội quan tâm Đây hướng nghiên cứu Việt Nam Khoá luận này,chúng chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bạc ứng dụng” Các nội dung đề sau: Chế tạo hạt nano bạc với nồng độ 0,1 tới 1% Nghiên cứu, khảo sát tính chất, yếu tố công nghệ đến cấu trúc hạt nano bạc tỷ lệ thành phần, chủng loại chất khử phân tích nhiễu xạ Tia X, chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua(TEM), kính hiển vi điện tử quét(SEM), quang phổ hấp thụ UV-Vis, phân tích nhiệt(TGA) Nghiên cứu khả diệt khuẩn nano bạc CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu công nghệ nano 1.1.1 Khái niệm đời công nghệ nano (8x) Hạt nhân tế bào Mamallan (10x) Dạng vi khuẩn (100x) Erythrocyle (Tế bào hồng cầu) 100 nm 1000 Å Kích thước nano 10 Å Immunoglobin Các hạt nano Virut pollo Fulleren-C 60 Nguyên tử 0,26 0,04 Cs Rb K Na Li H Hình1.1.So sánh kích thước nano tinh thể với loại vi khuẩn, virus phân tử Thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) xuất từ năm 70 kỷ XX,chỉ việc nghiên cứu, học tập , tổng hợp sử dụng loại vật liệu có kích thước nano mét Tiền tố nano xuất tài liệu khoa học lần vào năm 1908, Lohman sử dụng để sinh vật nhỏ với đường kính 200nm Năm 1974, Tanigushi lần sử dụng thuật ngữ công nghệ nano hàm ý liên kết vật liệu cho kỹ thuật xác tương lai Tổ chức Nanotechnology Initiative Mỹ định nghĩa cơng nghệ nano: “là thứ liên quan đến cấu trúc có kích thước nhỏ 100nm”, liên quan đến công nghệ chế tạo cấu trúc vi hình mạch vi điện tử Độ xác đòi hỏi cao, từ 0,1 đến 100 nm, tức phải xác đến lớp nguyên tử, phân tử Mặt khác trình vi hình hố linh kiện đòi hỏi người ta phải nghiên cứu lớp mỏng có bề dày cỡ nm, sợi mảnh có bề ngang cỡ nm, hạt có đường kính cỡ nm Phát hàng loạt tượng, tính chất mẻ, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác để hình thành chuyên ngành có gắn thêm chữ nano Hơn nữa, việc nghiên cứu trình sống xảy tế bào cho thấy sản xuất chất sống protein, thực việc lắp ráp vô tinh vi, đơn vị phân tử với mà thành, tức phạm vi công nghệ nano 1.1.2 Cơ sở khoa học công nghệ nano Khoa học nano nghiên cứu vấn đề vật lý học, hoá học, sinh học cấu trúc nano Dựa kết khoa học nano đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc nano Công nghệ nano dựa sở khoa học chủ yếu sau: + Hiệu ứng kích thước lượng tử : Các hệ bán dẫn thấp chiều hệ có kích thước theo một, hai ba chiều so sánh với bước sóng DeBroglie kích thước tinh thể Trong hệ này, kích thước (như điện tử, lỗ trống, exciton) chịu ảnh hưởng giam giữ lượng tử chuyển động bị giới hạn dọc theo trục bị giam giữ Hiệu ứng giam giữ lượng tử quan sát thơng qua dịch đỉnh phía sóng xanh phổ hấp thụ với giảm kích thước hạt Khi kích thước hạt giảm tới gần bán kính Bohr exciton, có thay đổi mạnh mẽ cấu trúc điện tử tính chất vật lý + Hiệu ứng kích thước : Các đại lượng vật lý thường đặc trưng số đại lượng vật lý khơng đổi, ví dụ độ dẫn điện kim loại, nhiệt độ nóng chảy, từ độ bão hoà vật liệu sắt từ Nhưng đại lượng đặc trưng khơng đổi kích thước vật đủ lớn thang nano Khi giảm kích thước vật xuống đến thang nano, tức vật trở thành cấu trúc nano đại lượng đặc trưng nói khơng bất biến nữa, ngược lại chúng thay đổi theo kích thước gọi hiệu ứng kích thước Sự giảm theo kích thước giải thích vai trò tán xạ điện tử bề mặt tăng bề dày lớp nano giảm + Hiệu ứng bề mặt :Các cấu trúc nano có kích thước theo chiều nhỏ nên chúng có diện tích bề mặt đơn vị thể tích lớn Hiệu ứng bề mặt thường liên quan đến trình thụ động hố bề mặt, trạng thái xạ bề mặt sức căng bề mặt vật liệu Một số tính chất đặc biệt vật liệu cấu trúc nano có nguyên nhân tương tác điện - từ chúng qua lớp bề mặt hạt nano cạnh Lực tương tác nhiều trường hợp lớn lực tương tác Van der Waals Đường kính Diện tích/g 1cm 3cm 1mm 30cm 2 Bảng 1.1: Diện tích bề 300cm 100 m mặt hạt cầu thay đổi 3000cm m hạt Ở kích10thước 3m m theo có giả thiết khối lượng 100nm 30m 10nm 300m 1nm 3000m riêng hạt cầu 2 1.1.3 Ý nghĩa khoa học nano công nghệ nano Khoa học công nghệ nano : Có ý nghĩa quan trọng hấp dẫn lý sau đây: - Tương tác nguyên tử điện tử vật liệu bị ảnh hưởng biến đổi phạm vi thang nano Do đó, làm thay đổi cấu hình Hình 3.9: Phổ UV-VIS hệ keo nano bạc phân tán nước mẫu D5 3.6 Nghiên cứu thành phần nano bạc phƣơng pháp phân tích nhiệt (TGA) Nghiên cứu thành phần mẫu bột nano bạc phương pháp phân tích nhiệt (TGA) cho kết tương đối giống Do nhiệt độ nóng chảy kim loại bạc 960 C, nên để tránh làm hỏng cốc phân tích (cốc platin) chúng tơi thực phép phân tích nhiệt khoảng từ nhiệt độ 0 phòng tới 900 C, bước quét 10 C/ phút Trên hình 3.12 giản đồ phân tích nhiệt mẫu D5 Từ nhiệt độ phòng 150 C, khối lượng mẫu không thay đổi Từ nhiệt 0 độ 200 C - 250 C khối lượng mẫu giảm nhanh chóng, Trên đường vi phân DrTGA cho thấy tốc độ mát khối lượng lớn 207 C Cho tới 300 C, khối lượng mẫu giảm 9,529% Trong khoảng nhiệt độ 0 từ 300 C tới 900 C tốc độ giảm khối lượng mẫu đồng thể đường phân tích nhiệt đường vi phân DrTGA Từ 300 C tới 0 900 C khối lượng mẫu bị mát thêm 6.139 % Như vậy, 900 C tổng khối lượng mẫu bị mát so với khối lượng ban đầu 15,668% Như xác định thành phần bột nano bạc có khoảng 84% kim loại bạc, 16% lại chất hoạt động bề mặt bao quanh hạt bạc có nhiệm vụ giữ cho hạt không bị co cụm lại với Từ thành phần ta suy tỷ lệ Ag: ligand oleat 14: Hình 3.10 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu D5 3.7 Một số tính chất đặc trƣng sản phẩm nano bạc Keo nano bạc tổng hợp có màu sắc khác phụ thuộc vào điều kiện chế tạo nồng độ hệ keo Ở nồng độ cao (từ 1%) keo nano bạc có màu nâu đen, pha lỗng hệ keo có màu vàng sáng Với hệ keo chế tạo điều kiện khác theo chiều giảm nồng độ phản ứng, hệ keo nano bạc chuyển từ màu vàng - đỏ sang màu vàng sáng, màu vàng xanh, cuối màu xanh nồng độ thấp Bảng 3.4: Một số tính chất đặc trưng hệ keo nano bạc Hệ keo nano bạc phân tán Hệ keo nano bạc phân tán Tính chất nước toluen Màu vàng sáng nồng độ Màu sắc thấp (nâu đen nồng độ cao) Nồng độ bạc (ppm) Độ nhớt (cps, 25 C) 100 phân tán Tỷ trọng (g/cm ) cao) 100 10.000 10 0.7 10 14 trung bình (nm) Các mơi trường thấp (nâu đen nồng độ Kích thước hạt pH 50.000 Màu vàng sáng nồng độ PVA, EVA, Acrylic 1,05 ~ Epoxy 0,866 0,88 Với hệ keo chế tạo điều kiện thích hợp, hệ keo bạc hồn tồn đồng thể không xảy tượng keo tụ sau nhiều tháng Các hệ keo nano bạc thường có độ nhớt cao yếu tố cần thiết để giữ cho hệ keo bền vững Bột nano bạc có màu đen, ánh bạc giống màu graphit Bột nano bạc phân tán tốt dung môi hữu benzen, toluen 3.8 Phân tán nano bạc polyme Các hạt nano bạc phân tán polyme PVA, acrylic, epoxy, nylon6 Kết thu cho thấy nano bạc phân tán polyme khơng có dấu hiệu co cụm hay tách pha Màng PVA chứa nano bạc có màu vàng sáng suốt (Thay màu trắng màng PVA tinh khiết) Nhựa epoxy chứa nano bạc chuyển từ màu trắng sang màu vàng sáng Các hạt nylon6 chứa nano bạc có màu vàng nâu Việc phân tán thành cơng nano bạc loại dung môi polyme mở khả đưa nano bạc vào nhựa, sơn, cao su để làm chất dẫn điện khử trùng (dùng để làm loại đồ hộp, tủ lạnh, máy giặt, điều hồ khơng khí có khả kháng khuẩn khử mùi) Thực nghiệm cho thấy hạt nano bạc dễ dàng thấm sâu vào vải, giấy tạo loại vải giấy có tính dẫn điện khử trùng Ta sử dụng chúng cho mục đích bảo quản thực phẩm khử mùi Đây hướng áp dụng giàu triển vọng thực Việt Nam KẾT LUẬN Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bạc ứng dụng ” thu kết sau: Đã chế tạo keo nano bạc phân tán bền vững môi trường nước với nồng độ từ 0,1 tới 1%; xác định điều kiện thích hợp cho phản ứng khử, là: + Tác nhân khử đường glucơzơ + Chất hoạt động bề mặt axit myristic axit oleic (hai chất có ưu điểm riêng, mà tuỳ trường hợp mà ta định nên sử dụng chất hoạt động cho phù hợp) + Nồng độ kim loại bạc hệ keo 1% + Tỷ lệ mol axit/bạc chọn theo mục đích sử dụng Thơng thường chúng tơi chọn tỷ lệ mol axit/bạc=1 Phản ứng thực nhiệt độ phòng, thường hồn thành sau Kích thước hạt nano bạc thu dao động khoảng 10nm q trình hợp lý có khả sử dụng thực tế Đã tiến hành keo tụ thu bột nanô bạc Bột nano bạc dễ dàng phân tán trở lại dung mơi hữu benzen, toluen Từ ta thu keo nano bạc phân tán dung môi hữu Phân tán thành công nano bạc loại polyme thông dụng PVA, acrylic, epoxy, nylon6 Kết mở triển vọng ứng dụng nano bạc làm chất diệt trùng chất dẫn điện thiết bị đồ gia dụng Đã tiến hành phân tích xác định hình thái, cấu trúc tính chất sản phẩm nano bạc ảnh SEM, TEM, phổ UV-VIS, nhiễu xạ tia X phép phân tích nhiệt vi sai Kết thu chứng minh cách chắn kích thước nanơ (3,5 nm) hạt kim loại bạc TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Vũ Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh (2004),"Cơng nghệ nano điều khiển đến phân tử nguyên tử ", Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Hoàng Hải (2007), Hạt nano kim loại, http//www.vatlyvietnam.org tập 1, số Hoàng Mai Hà (2005), “Chế tạo nano bạc, nghiên cứu hình thái, cấu trúc tính chất đặc trưng ’’, luận văn thạc sĩ Từ Văn Mặc (1995) "Phân tích hố lý", Nhà xuất KHKT Hà Nội Nguyễn Hữu Phú, Phạm Ngọc Thanh, Đinh Văn Hoan (1971), “Giáo trình hố lý hố keo”, Khoa Đại học chức xuất Nguyễn Ngọc Tú(2009), “Nghiên cứu gel nước thông minh nhạy pH lai nano bạc”, khóa luận tốt nghiệp đại học quy Những ứng dụng nano bạc đời sống, http://www.hoahocngaynay.com Kính hiển vi điện tử, http://www.mientay.vn.com TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH Anson, (2005), "Antibacterial Gel\ Features of Anson Nano Antibacterial Gel", http://www.ansonano.com/english/gel_feature 10 BluebestItalia SRL, (2005) "Nanosilver", http://www.nanosilver.it/ita/ applicazioni htm 11 J Jeffrey Brinker and George W.Scherer, (2003), "Sol-gel Science" 12 Kenneth J Klabunde (2001), "Nanoscale materials in chemistry", A John Wiley& Sons, Inc., Publication 13 Kim Young-hwan (2/2005), Study of Nano Silver & Applications, Naul Incorporation, 307 High-tech Center Daechon-dong, buk-gu, Gwangju, Korea 14 Limpid,(2005)"Nanosilver,photocatalyst and Nanocomposite Material1.htm", http:// www.nanocomposite.net/ 15 Myung-Han Lee, Seong-Geun Oh, Kyung-Do Suh, Deok-Geun Kim, Daewon Sohn (April 2002), “Preparation of silver nanoparticles in hexagonal phase formed by nonionic Triton X-100 surfactant”, www.Elsevier.com 16 Sukdeb Pal, Yu Kyung Tak,Joon Myong Song.”Does antibacterial activity of silver nanoparticle depend on shape of nanoparticle?” A study on Gram-negative E coli 17 Journal of Nanobiotechnology http://www.jnanobiotechnology.com/content/ ... Đây hướng nghiên cứu Việt Nam Khố luận này,chúng tơi chọn đề tài Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bạc ứng dụng Các nội dung đề sau: Chế tạo hạt nano bạc với nồng độ 0,1 tới 1% Nghiên cứu, khảo... sở khoa học công nghệ nano Khoa học nano nghiên cứu vấn đề vật lý học, hoá học, sinh học cấu trúc nano Dựa kết khoa học nano đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc nano Công nghệ nano dựa sở khoa học... loại bạc 1.2.1 Giới thiệu hạt nano kim loại- Hệ keo 1.2.1.1 Các hạt nano kim loại Các hạt nano kim loại biết đến từ lâu Người ta tìm thấy hạt kim loại vàng bạc thuỷ tinh từ 2000 năm trước dạng hạt