Tổng hợp nano bạc bằng phương pháp vi nhũ tương và ứng dụng để kháng khuẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ PTN CƠNG NGHỆ NANO PHẠM THỤY BÍCH TUYỀN TỔNG HỢP NANO BẠC BẰNG PHƢƠNG PHÁP VI NHŨ TƢƠNG VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ KHÁNG KHUẨN Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanơ (Chun ngành đào tạo thí điểm) TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ VĂN HIẾU Thành phố Hồ Chí Minh – 2012 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu nano 1.1.1 Các khái niệm 1.1.2 Tính chất vật liệu nano .1 1.1.3 Phân loại vật liệu nano 1.1.4 Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano 1.2 Tổng quan hạt nano bạc hợp chất TiO2 .2 1.2.1 Hạt nano bạc .2 1.2.2 Hợp chất TiO2 .6 1.3 Giới thiệu phƣơng pháp tổng hợp nano bạc hợp chất TiO2 .7 1.3.1 Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng 1.3.2 Phƣơng pháp Sol-gel 10 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 11 2.1 Chuẩn bị hóa chất dụng cụ thí nghiệm .11 2.1.1 Hoá chất 11 2.1.2 Dụng cụ thiết bị đƣợc sử dụng để tiến hành thí nghiệm 11 2.1.3 Các thiết bị đƣợc sử dụng việc phân tích mẫu 11 2.2 Quy trình thí nghiệm 12 2.2.1 Quy trình tổng hợp dung dịch nano bạc 12 2.2.2 Quy trình tổng hợp sol TiO2:Ag .12 2.2.3 Quy trình tạo mẫu màng bột TiO2:Ag 13 2.3 Các phƣơng pháp phân tích mẫu 14 2.3.1 Phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis .14 2.3.2 Phổ nhiễu xạ tia X 14 2.3.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM .15 2.3.4 Phƣơng pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn dung dịch nano bạc 15 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 16 3.1 Tổng hợp dung dịch nano bạc 16 3.1.1 Kết phân tích UV-Vis 16 3.1.2 Kết phân tích TEM 18 3.1.3 Kết kiểm tra hàm lƣợng bạc thực tế 20 3.1.4 Kết phân tích khả diệt khuẩn 20 3.2 Kết tạo màng bột TiO2:Ag 20 3.2.1 Kết phân tích mẫu màng 20 3.2.2 Kết phân tích mẫu bột 21 CHƢƠNG 4: 22 4.1 Kết luận: 22 4.2 Hƣớng phát triển đề tài: 23 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu nano 1.1.1 Các khái niệm Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tƣợng can thiệp vào vật liệu theo quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Công nghệ nano việc thiết kế, phân tích đặc trƣng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thƣớc quy mơ nano mét Vật liệu nano đối tƣợng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với 1.1.2 Tính chất vật liệu nano 1.1.2.1 Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử vật liệu gia tăng Hiệu ứng bề mặt ln có tác dụng với tất giá trị kích thƣớc, hạt bé hiệu ứng lớn ngƣợc lại Bảng 1.1: Số nguyên tử lƣợng bề mặt hạt nano hình cầu Đƣờng kính hạt nano (nm) 10 Số nguyên tử 30.000 4.000 250 30 Tỉ số nguyên tử bề mặt (%) 20 40 80 90 Năng lƣợng bề mặt (erg/mol) 4,08×1011 8,16×1011 2,04×1012 9,23×1012 Năng lƣợng bề mặt lƣợng tổng (%) 7,6 14,3 35,3 82,2 1.1.2.2 Hiệu ứng kích thƣớc Đối với vật liệu, tính chất có độ dài đặc trƣng Độ dài đặc trƣng nhiều tính chất vật liệu rơi vào kích thƣớc nm Chính điều làm nên tên “vật liệu nano” mà ta thƣờng nghe đến ngày Bảng 1.2: Giá trị độ dài đặc trƣng số tính chất vật liệu Tính chất Thơng số Độ dài đặc trƣng (nm) Điện Bƣớc sóng điện tử Quãng đƣờng tự trung bình khơng đàn hồi Hiệu ứng đƣờng ngầm 10-100 1-100 1-10 Từ Vách đô men, tƣơng tác trao đổi Quãng đƣờng tán xạ spin Giới hạn siêu thuận từ 10-100 1-100 5-100 Hố lƣợng tử (bán kính Bohr) 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Quang Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Hấp thụ Plasmon bề mặt 10-500 1.1.3 Phân loại vật liệu nano Về hình dáng vật liệu: Vật liệu nano không chiều, chiều, hai chiều, Theo tính chất vật liệu: Vật liệu nano kim loại, bán dẫn, từ tính, sinh học,… 1.1.4 Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano Vật liệu nano đƣợc chế tạo hai phƣơng pháp: phƣơng pháp từ xuống (top-down) phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up) Phƣơng pháp từ xuống phƣơng pháp tạo hạt kích thƣớc nano từ hạt có kích thƣớc lớn hơn; phƣơng pháp từ dƣới lên phƣơng pháp hình thành hạt nano từ nguyên tử 1.2 Tổng quan hạt nano bạc hợp chất TiO2 1.2.1 Hạt nano bạc 1.2.1.1 Nguyên tố kim loại bạc  Cấu trúc tinh thể bạc Bạc (Ag) nguyên tố thứ 47 hệ thống tuần hoàn, thuộc chu kỳ 5, phân nhóm IB, có cấu trúc tinh thể lập phƣơng tâm mặt Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể bạc  Tính chất điện tử bạc Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p64s23d105s1 Bảng 1.3: Một số số tính chất điện tử bạc Ái lực điện tử Năng lƣợng ion hóa lần Năng lƣợng ion hóa lần Năng lƣợng ion hóa lần Độ âm điện Pauling Độ âm điện Allred Rochow Độ âm điện Mulliken-Jaffe Liên kết Ag-Ag Bán kính nguyên tử Bán kính nguyên tử Bán kính Covalent Bán kính Van der Waals 125.6 kJ/mol 731.0 kJ/mol 2070 kJ/mol 3361 kJ/mol 1.93 Pauling Units 1.42 Pauling Units 1.47 Pauling Units 288.9 pm 160 pm 165 pm 153 pm 172 pm  Tính chất hóa học Trong điều kiện thƣờng, bạc kim loại bền, khó bị oxy hóa khơng khí bị đun nóng Trong phòng thí nghiệm, để điều chế bạc ngƣời ta thƣờng dùng chất khử hữu nhiệt độ để khử Ag+ có dung dịch AgNO3 Ag 2AgNO3 2Ag + 2NO2 + O2  Tính chất vật lý bạc Bảng 1.4: Tính chất vật lý bạc Tỉ trọng Thể tích phân tử gam Vận tốc truyền âm Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sơi Mơ đun Young Mô đun cắt Mô đun nén Hệ số Poissons Độ cứng theo thang Mineral Độ cứng theo thang Brinell Độ cứng theo thang Vickers Điện trở Độ phản xạ Tính chất khối Tính chất nhiệt Tính chất đàn hồi Độ cứng Tính chất điện Tính chất quang 1.2.1.2 10490 kg/m3 10.27 cm3 2600 m/s 961.78 oC 2162 oC 83 GPa 30 GPa 100 GPa 0.37 2.5 24.5 MN/m2 251 MN/m2 1.6x10-8 m 97 % Các tính chất hạt nano bạc  Tính chất quang: Hạt nano kim loại, đặc biệt kim loại quý nhƣ vàng, bạc, đồng, platin có hiệu ứng vơ đặc biệt tồn kích thƣớc nanomet, “Cộng hƣởng Plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance _ SPR ), hiệu ứng khiến cho chúng có màu sắc khác ánh sáng truyền qua Hình 1.5: Plasmon bề mặt kim loại Tính chất quang hạt nano có đƣợc dao động tập thể điện tử dẫn đến từ trình tƣơng tác với xạ sóng điện từ Khi dao động nhƣ vây, điện tử phân bố lại hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành lƣỡng cực điện Hình 1.6: Dao động đám mây electron bị chiếu sáng Mie đƣợc bƣớc sóng cộng hƣởng vị trí đỉnh cực đại phụ thuộc vào kích thƣớc hạt nano Khi kích thƣớc hạt tăng đỉnh phổ hấp thụ dịch chuyển phía bƣớc sóng cộng hƣởng Ngoài mật độ hạt nano bạc ảnh hƣởng đến tính chất quang Nếu mật độ lỗng coi nhƣ gần hạt tự do, nồng độ cao phải tính đến ảnh hƣởng q trình tƣơng tác hạt  Tính chất từ: Ở trạng thái khối bạc có tính nghịch từ bù trừ cặp điện tử Khi thu nhỏ kích thƣớc đến kích thƣớc nano bù trừ khơng tồn diện hạt nano bạc có tính từ tính mạnh  Tính chất điện: Bạc kim loại dẫn điện tốt Khi kích thƣớc hạt giảm dần kích cỡ nanomet, hiệu ứng lƣợng tử giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng lƣợng dẫn đến hiệu ứng chắn Coulomb  Tính chất nhiệt: Khi kích thƣớc bạc giảm xuống cỡ nanomet nhiệt độ nóng chảy bạc giảm xuống thấp so với bạc khối 1.2.1.3 Đặc tính kháng khuẩn  Cơ chế diệt khuẩn hạt nano bạc Ion bạc có khả liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên màng tế bào vi khuẩn ức chế khả vận chuyển oxy vào bên tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn Hình 1.10: Cơ chế diệt khuẩn nano bạc Sau vào bên tế bào phản ứng với nhóm –SH phân tử enzym dẫn đến ức chế q trình hơ hấp tế bào vi khuẩn Ngồi ra, có khả liên kết với base DNA trung hòa điện tích gốc phosphate ngăn chặn q trình chép DNA 1.2.1.4 Ứng dụng nano bạc Với tính chất kháng khuẩn hiệu quả, nano bạc đƣợc ứng dụng nhiều ngành nghề sản phẩm từ y – sinh đến vật dụng tiêu dùng ngày 1.2.2 Hợp chất TiO2 1.2.2.1 Cấu trúc hợp chất TiO2 TiO2 có nhiều dạng thù hình, ba dạng thù hình là: Anatase, Rutile Brookite Thông thƣờng, TiO2 đƣợc sử dụng làm chất xúc tác quang hóa dạng Anatase Rutile 1.2.2.2 Quá trình diệt khuẩn TiO2 Những vật liệu tự làm làm việc cách sử dụng tính chất quang xúc tác TiO2 Vật liệu đƣợc phủ lớp nano TiO2 mỏng Khi lớp bán dẫn đƣợc đƣa ánh sáng, photon với lƣợng lớn độ rộng vùng cấm TiO2 kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Những electron bị kích thích tác động trở lại với phân tử oxy khơng khí, phá vỡ hầu hết hợp chất hữu thành CO2 H2O thơng qua phản ứng oxy hóa- khử Hình 1.18: Quá trình làm việc vải tự làm 1.2.2.3 Ứng dụng hợp chất TiO2 Tính tự làm TiO2 đặc biệt quan trọng loại kiếng dùng phƣơng tiện vận chuyển (kiếng chiếu hậu, kiếng chắn gió xe), giúp tài xế ln có nhìn rõ ràng, xác khung cảnh chung quanh Nó phân hủy từ từ chất bẩn hữu ngăn cản chúng bám bề mặt kiếng 1.3 Giới thiệu phƣơng pháp tổng hợp nano bạc hợp chất TiO2 1.3.1 Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng Vi nhũ tƣơng hệ phân tán vi dị thể, gồm pha dầu pha nƣớc phân tán đồng vào đƣợc ổn định phân tử chất diện hoạt bề mặt phân cách hai pha, có tính đẳng hƣớng mặt quang học, ổn định mặt nhiệt động học giống dung dịch lỏng VSL= U.C = [V.(d-d0).g]/B (1.3) Tùy theo tốc độ khuếch tán VKT tốc độ sa lắng VSL mà: + Hạt sa lắng VSL > VKT + Hệ phân tán cân VSL = VKT + Hệ bền vững VSL