Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 109 m) . Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài.
I TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO SẮT VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG TRONG SINH HỌC 1.1 Giới thiệu công nghệ nano 1.1.1 Khái niệm nguồn gốc công nghệ nano Công nghệ nano 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 quy mô nanômét (nm, nm = 10-9 m) Ở kích thước nano, vật liệu có tính đặc biệt mà vật liệu truyền thống khơng có thu nhỏ kích thước việc tăng diện tích mặt ngồi Ý tưởng công nghệ nano đưa nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho khoa học vào chiều sâu cấu trúc vật chất đến phân tử, nguyên tử vào sâu Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” bắt đầu sử dụng vào năm 1974 Nario Taniguchi nhà nghiên cứu trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả chế tạo cấu trúc vi hình mạch vi điện tử 1.1.2 Cơ sở khoa học công nghệ nano Công nghệ nano dựa sở khoa học chủ yếu sau: - 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 trung bình hóa với nhiều ngun tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng cấu trúc nano có ngun tử tính chất lượng tử thể rõ ràng - Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước 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 thước, hạt bé hiệu ứng lớn ngược lại Ở giới hạn cả, vật liệukhối truyền thống có hiệu ứng bề mặt, có điều hiệuứng nhỏ thường bị bỏ qua Vì vậy, việc ứng dụng hiệuứng bề mặt vật liệu nano tương đối dễ dàng Bảng cho biết số giá trị điển hình hạt nano hình cầu Với hạt nano có đường kính nm số ngun tử mà hạt chứa 4.000 ngun tử, tí số f 40 %, lượng bề mặt 8,16×1011 tỉ số lượng bề mặt lượng toàn phần 82,2 % Tuy nhiên, giá trị vật lí giảm nửa kích thước hạt nano tăng gấp hai lần lên 10nm Bảng 1: Số nguyên tử lượng bề mặt hạt nano hình cầu Đường kínhhạt Số ngun tử nano (nm) Tỉsố nguyêntử Năng lượngbề trênbề mặt(%) mặt (erg/mol) 10 30.000 20 4,8.1011 7,6 4.000 40 11 8,6.10 14,3 250 80 11 2,04.10 14,3 30 90 12 9,23.10 82,2 - Nănglượng bềmặt/Năng lượngtổng (%) 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 hồn tồn 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 Bảng 2: Độ dài tới hạn số tính chất vật liệu Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Tính chất điện Bước sóng điện tử 10-100 Qng đường tự trung bình khơng đàn hồi 1-100 Tính chất từ Tính chất quang Tính siêu dẫn Tính chất Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Quãng đường tán xạ spin 1-100 Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Nhận biết phân tử 1-10 Miễn dịch 1.2 Hạt nano sắt 1.2.1 Giới thiệu sắt kim loại Cấu hình electron bạc: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 Bán kính nguyên tử Fe: 156pm Bán kính ion sắt: nm Bảng 2: Số nguyên tử sắt đơn vị thể tích[14] Kích thước hạt nano sắt (nm) Số nguyên tử chứa 20 1.2.2 Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại - Phương pháp ăn mòn laze: Phương pháp sử dụng chùm tia laze với bước sóng ngắn bắn lên vật liệu khối đặt dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt Các hạt nano tạo thành với kích thước khoảng 10 nm bao phủ chất hoạt hóa bề mặt - Phương pháp khử hóa học: Phương pháp sử dụng tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại Để hạt phân tán tốt dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt hạt nano có điện tích đẩy dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt Các hạt nano tạo thành phương pháp có kích thước từ 10 nm đến 100 nm - Phương pháp khử vật lý: Phương khử vật lí dùng tác nhân vật lí điện tử, sóng điện từ lượng cao tia gamm, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành kim loại Dưới tác dụng tác nhân vật lí, có nhiều q trình biến đổi dung môi phụ gia dung môi để sinh gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại - Phương pháp khử hóa lý: Đây phương pháp trung gian hóa học vật lí Nguyên lí dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp điện phân thơng thường tạo màng mỏng kim loại Trước xảy hình thành màng, nguyên tử kim loại sau điện hóa tạo hạt nano bám lên điện cực âm Lúc người ta tác dụng xung siêu âm đồng với xung điện phân hạt nano kim loại rời khỏi điện cực vào dung dịch - Phương pháp khử sinh học: Dùng vi khuẩn tác nhân khử ion kim loại Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào dung dịch có chứa ion bạc để thu hạt nano bạc Phương pháp đơn giản, thân thiện với môi trường tạo hạt với số lượng lớn 1.2.3 Giới thiệu hạt nano sắt: Kích thước hạt nano sắt khoảng 3- 50 nm ,các tinh thể hạt nano sắt có hình cầu nối với thành chuỗi.kiểu liên kết chuỗi tương tác hạt kim loại có từ tính với Anh Tem hạt nano sắt Trong lĩnh vực khoa học cơng nghệ nano ,sắt kim loại kích thước nano quan tâm nhiều ứng dụng rộng rãi đời sống.Nano sắt dung nhiều công nghệ thông tin truyền thông làm vật liệu chế tạo linh kiện điện tử cảm biến Gần nano sắt ứng dụng rộng rãi hiệu xử lý nước cá chất độc hại.Nano sắt nhà khoa học gọi thần dược vạn xử lý mơi trường.Vì năm gần xu hướng chế tạo ứng dụng nano sắt xử lý chất độc hại nhiều trường phái khoa học đặc biệt quan tâm 1.2.4 Phương pháp chế tạo hạt nano sắt: Quy trình tổng hợp nano sắt kim loại : Nano sắt kim loại tổng hợp theo phương trình sau: 4Fe3+ 3BH-4 + 9H2O =4Fe0 + 3H2BO3- +12H++6H2 Sauk hi nghiên cứu khảo sát tỷ mỷ điều kiện nung nóng dung dịch ,tỷ lệ chất tham gia phản ứng ,tốc độ khuấy nhỏ giọt, chọn thông số tối ưu : nung nóng dung dịch NaBH4 0,25M,dung dịch FeCl3 0,045M ,tỉ lệ tác nhân theo thể tích 1:1.Nhờ có NaBH4dư,các tinh thể nano sắt tạo thành nhanh ,đồng tránh tạo thành oxit sắt trình tổng hợp.QUá trình tổng hợp tiến hành sau :Thêm từ từ dung dịch NaBH4 0,25M(tốc độ nhỏ giọt 50 giọt /1phut) vào dung dịch FeCl3.6H2O 0,04M với tỉ lệ 1:1 ,phản ứng khuấy lien tục Tinh thể nano sắt tạo thành được rửa (gạn ) nước cất Deion – lần ,lọc qua giấy lọc định lượng sấy tủ sấy chân không nhiwwtj độ 400c 5h Sản phẩm cho vào lọ kín giữ nhiệt độ thấp tránh ánh sang khơng khí lọt vào tốt giữ mơi trường khí trơ II QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP Cơng nghệ xử lý nước thải công nghệ sở vật liệu nano kim loại hóa trị khơng: Nhờ đặc tính trội khả ơxi hóa khử vật liệu nano kim loại hóa trị khơng sở hạ tầng đáp ứng tốt hiệu suất xử lý tăng đáng kể Điều kiện để áp dụng cơng nghệ: - Dung tích bể đủ lưu giữ nước thải cần xử lý ≥ - Hệ thống sục khí đủ , hạ tầng bơm, lắng đồng - Hóa chất kèm sẵn sàng (xút, polime, nano kim loại hóa trị khơng, chất khử trùng) Quy trình cơng nghệ diễn giải theo sơ đồ sau: BỂ GOM BỂ TRUNG HỊA BỂ PHẢN ỨNG ƠXI HĨA KHỬ BỂ LẮNG BỂ HỒN THIỆN KHỬ TRUNG SỤC XẢ RA MƠI TRƯỜNG XẤP XỈ CẬN A pH 7,2 –7,4 POLIME MÁY ÉP Lưu ý: - Xút (NaOH) pha nồng độ 10% có bơm định lượng, đầu dị tự động đồng điều chỉnh hai bể (trung hịa hồn thiện) - Nano kim loại hóa trị khơng tính tương đương 1l/100m3 nước thải - Sục khí ổn định ba bể (trung hịa, ơxi hóa khử, hồn thiện) - Polime kéo lắng nên dùng hỗn hợp hai loại PAC (10%) PAA (1/1000) - Khử trùng dùng Clorin khơng cần nano kim loại có tính khử trùng cao Đầu đạt xấp xỉ cận A theo tiêu chuẩn Từ điều chỉnh lưu lượng tối đa sở bể sục III.Tiềm khoa học Công Nghệ Nano Tiềm thương mại chế tạo Hiện nay, giới vật liệu thiết bị nano bắt đầu sản xuất với số lượng ngày nhiều đánh giá có tiềm thương mại cao, mang lại khoản lợi nhuận khổng lồ Theo dự báo Quỹ Khoa học Quốc gia, Mỹ, giá trị thương mại hàng năm giai đoạn 2011-2015 tất sản phẩm liên quan tới Công nghệ Nano ( bao gồm công nghệ thông tin truyền thông ) khoảng 1000 tỷ USD Các ôxit kim loại, titan điôxit, kẽm ôxit, silic ôxit, nhôm ôxit, ziriconi sắt ôxit loại hạt nano thương mại quan trọng Các vật liệu có sẵn dạng bột khô huyền phù lỏng Số lượng vật liệu sử dụng lĩnh vực thị trường chăm sóc da ( titan điôxit, v.v… ) giới khoảng 1000 - 2000 tấn/năm, với vật liệu cấu phần nano trị giá khoảng 10 USD đến 100000 USD/tấn Mặc dù thị trường giới hạt nano dự báo gia tăng vài năm tới, tốc độ sản xuất tất hóa chất tồn cầu khoảng 400 triệu tấn/năm (EC 2001) hóa chất dạng hạt nano chiếm phần nhỏ tổng số hóa chất sản xuất ( khoảng 0,01% ) Bên cạnh đó, vật liệu vô cơ, kim loại bán dẫn cỡ nano thường có nhiều chức năng, nên sử dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp Ví dụ, kẽm ơxit sử dụng làm vật liệu quang điện tử ( làm hình pin quang voltaic pin mặt trời tiên tiến ) dạng cố định thành phẩm, nhiều so với làm thành phần sản phẩm chăm sóc da có hạt nano dạng tự Tiềm khoa học - công nghệ nano cơng giảm đói nghèo tồn cầu Viện Nanotech Foresight, quan chuyên lĩnh vực công nghệ Nano thành lập năm 1986 Mỹ, xác định nhiệm vụ tổng thể công nghệ nano giới giai đoạn nay, gồm: - Đáp ứng nhu cầu lượng toàn cầu giải pháp sạch, - Cung cấp nước cho toàn cầu, - Tăng sức khoẻ tuổi thọ cho người, - Tối đa hố sản xuất nơng nghiệp, - Làm cho cơng nghệ thơng tin có mặt nơi, - Tạo điều kiện để phát triển hiểu biết vũ trụ Nhưng bên cạnh đó, khoa học cơng nghệ Nano cịn cơng cụ hữu hiệu để giải nhiệm vụ quan trọng, cấp bách giới Đó làm giảm nạn đói nghèo mà tỷ người sống nước nghèo phải đối mặt Các nhà khoa học cho rằng, hầu hết sóng cơng nghệ làm tăng khoảng cách nước giàu với nước nghèo, việc khai thác Công nghệ Nano lại hội để thu hẹp khoảng cách ứng dụng Cơng nghệ Nano có tiềm lớn để cải tiến tiêu chuẩn sống người nghèo Bản Báo cáo Phát triển Con người năm 2001 Chương trình Phát triển Liên hiệp quốc (LHQ) minh hoạ rõ ràng vai trò làm giảm tỷ lệ tử vong cải thiện đời sống người KH&CN giai đoạn 1960-1990, không nhấn mạnh đặc biệt tới vai trị Cơng nghệ Nano Trong báo cáo công bố vào đầu năm 2005, Lực lượng đặc nhiệm Khoa học, Công nghệ Đổi Liên hiệp quốc ( phận thành lập để hỗ trợ cho quan Liên hiệp quốc nhằm thực Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ Liên hiệp quốc ) nêu bật tiềm to lớn Công nghệ Nano phát triển bền vững Vậy cộng đồng khoa học quốc tế làm để hỗ trợ cho việc ứng dụng công nghệ Nano nước nghèo ? Năm 2002, Các Viện Y học Quốc gia (Mỹ) khái quát hố Lộ trình nghiên cứu y học để xác định phương hướng nghiên cứu y-sinh y học nano lĩnh vực hứa hẹn giải vấn đề mà nước nghèo phải đối mặt Một số nhà khoa học từ Trung tâm Đạo đức Sinh học trường Đại học Toronto Chương trình Hệ gen Y tế Tồn cầu Canađa, tiến hành chương trình đánh giá tiềm sử dụng ứng dụng Công nghệ Nano để thực Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ Liên hiệp quốc phương pháp khoa học rút kết luận thể bảng Trong đó, mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ là: I - Xố đói giảm nghèo; II - Phổ cập giáo dục; III- Đẩy mạnh bình đẳng giới trao quyền cho phụ nữ; IV - Giảm tỉ lệ tử vong trẻ em; V - Tăng cường sức khoẻ cho bà mẹ; VI - Chống lại HIV/AIDS, sốt rét bệnh khác; VII - Đảm bảo môi trường bền vững; VIII - Xây dựng quan hệ đối tác toàn cầu để phát triển Tài liệu tham khảo 1.Công nghệ nano Vi.wikipedia.org http://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87_nano Công nghệ nano ứng dụng thực tiễn, Trang www.prt.vn/upload/Nghiencuu/Congnghenanovaungdung.doc Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 23 (2007) 253-256 ... 0,04M với tỉ lệ 1:1 ,phản ứng khuấy lien tục Tinh thể nano sắt tạo thành được rửa (gạn ) nước cất Deion – lần ,lọc qua giấy lọc định lượng sấy tủ sấy chân không nhiwwtj độ 400c 5h Sản phẩm cho vào... lĩnh vực cơng nghiệp Ví dụ, kẽm ơxit sử dụng làm vật liệu quang điện tử ( làm hình pin quang voltaic pin mặt trời tiên tiến ) dạng cố định thành phẩm, nhiều so với làm thành phần sản phẩm chăm