Chế tạo nano bạc

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA VẬT LÝ TÊN ĐỀ TÀI: PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BẠC GVHD: PGS.TS PHẠM THÀNH HUY HVTH: NGUYỄN THU HIẾU LỚP: CAO HỌC VLCR K20 Quy Nhơn, tháng năm 2018 PHẦN MỞ ĐẦU • Lý chọn đề tài Ngày công nghệ nano phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác như: y học, sinh học, công nghệ xúc tác, công nghệ thông tin, xúc tác, quang học, dệt may, mỹ phẩm…trong cơng nghệ nano bạc nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm Nano bạc có nhiều tính chất khác hẳn với bạc khối tính chất quang, từ, điện…nhưng đặc trưng nano bạc tính kháng khuẩn Nano bạc có khả giết chết 650 loại vi khuẩn khác vịng phút Tất vi khuẩn khơng bị lờn với kháng sinh bạc thế, hạt nano bạc khơng bị tác dụng Ngồi ra, hạt nano bạc giúp tạo oxygen hoạt tính từ khơng khí từ nước từ phá hủy màng tế bào vi khuẩn Các hạt nano bạc đưa vào chất dẻo ứng dụng rộng rãi đời sống Nano bạc đưa vào polymer polyetylen (PE), polypropylen (PP), loại giấy, vải… có khả giết chết ba loại vi khuẩn: tụ cầu khuẩn vàng, Bacillus pneumoniae E Coli Có nhiều cách tổng hợp nano bạc như: phương pháp vi sóng, phương pháp khử sinh học, phương pháp hoá lý… phương pháp phân huỷ nhiệt phức chất oxalat bạc nhằm tạo hạt nano bạc phương pháp áp dụng có hiệu cao Nano bạc tạo từ phương pháp có độ cao, khí CO2 dễ dàng, không lẫn tạp chất Hơn nữa, dung dịch keo nano bạc hoàn toàn khơng có diện ion Ag+ nên màu sắc sản phẩm ứng dụng dung dịch không bị ảnh hưởng Dung dịch keo nano bạc điều chế điều kiện hoá học xanh với tiền chất oxalate bạc, chất bảo vệ polyvinyl pyroidone (PVP) mơi trường glycerine có hỗ trợ nhiệt vi sóng Đây phương pháp tiện lợi, đơn giản, thời gian phản ứng nhanh Từ ưu điểm nano bạc tính hữu ích, khác biệt phương pháp phân hủy nhiệt so với phương pháp khác thúc đẩy cho chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc môi trường glycerin sản phẩm ứng dụng” làm đề tài nghiên cứu khoa học • Tổng quan lịch sử nghiên cứu đề tài Ngày giới nước, khoa học công nghệ nano phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi ngành khoa học khác điện tử, vật lý, hóa học, sinh học, y học, mơi trường bật ứng dụng việc xử lý nhiễm khuẩn, không gây độc hại cho người khơng gây kích ứng da ƒ Tình hình nghiên cứu giới Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu tổng hợp ứng dụng nano bạc như: nước/dầu (Wanzhong tổng Zhang, hợp keo Xueliang bạc pha Qiao, Jianguo Chen) [14]; chế tạo trang phẩu thuật chứa nano bạc với hiệu suất kháng khuẩn cao (Sougata Sarkar, Atish Dipankar Jana, Samir Kumar Samanta, Golam Mostafa) [13]; chế kháng khuẩn nano bạc (Y Li, P Leung, L Yao, Q w Song, E Newton) [16]; tổng hợp khảo sát tính chất lý hố hạt nano bạc cao su thiên nhiên (N H H Abu Bakar, J Ismail, M Abu Bakar) [10]; sản xuất nano bạc ứng dụng dược phẩm (X Chen, H J Schluesener) [15]; chế tạo màng lọc nước kháng khuẩn mút xốp Polyurethane chứa nano bạc (Prashant Jain, T Pradeep) [11]; hiệu tính kháng dung dịch keo nano bạc lên vải sợi (H J Lee, S Y Yeo, S H Jeong) [9]; phân hủy nhiệt tạo hạt nano bạc (S Navaladian, B Viswanathan, R P Viswanath, T K Varadarajan) [12] ƒ Tình hình nghiên cứu nước Cùng với phát triển mạnh mẽ lĩnh vực nano giới, nước có nhiều đề tài nghiên cứu lĩnh vực tiêu biểu như: Nhóm nghiên cứu nano Phịng thí nghiệm cơng nghệ nano – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh chế tạo nano bạc từ tiền chất AgNO3 phương pháp khử vật lý; khử polyol có hỗ trợ nhiệt vi sóng; ứng dụng dung dịch keo nano bạc ngâm tẩm vật liệu polyurethan để xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn [3]; chế tạo nano bạc cao su thiên nhiên phương pháp khử hóa học [4]; Tổng hợp xanh hạt nano bạc dung dịch keo nano bạc (N.T.P Phong, Ngơ Hồng Minh, Ngơ Võ Kế Thành Đặng Mậu Chiến) [7]; Chế tạo hạt keo nano bạc PVP tia gama (Bùi Duy Du, Đặng Văn Phú, Nguyễn Ngọc Duy, Nguyễn Thị Kim Lan, Võ Thị Kim Lang, Ngô Võ Kế Thành, Nguyễn Thị Phương Phong Nguyễn Quốc Hiền) [5]; chế tạo màng lọc nước kháng khuẩn mút xốp Polyurethane chứa nano bạc (Nguyễn Thị Phương Phong, Võ Kế Thành, Phan Huê Phương) [6] • Mục tiêu phạm vi nghiên cứu ƒ Điều chế nano bạc môi trường glycerin phương pháp khử nhiệt có hỗ trợ vi sóng ƒ Khảo sát khả kháng khuẩn dung dịch nano bạc phương pháp vòng kháng khuẩn Viện Pasteur Thành Phố Hồ Chí Minh ƒ Ứng dụng vật liệu nano bạc vào sản phẩm như: gel rửa tay kháng khuẩn ƒ Kiểm tra khả kháng khuẩn sản phẩm gel rửa tay Viện Pasteur – TP.Hồ Chí Minh • Phương pháp nghiên cứu ƒ Điều chế phức chất bạc oxalat xác định tính chất lý hố phương pháp phân tích FE – SEM, EDS, XRD ƒ Chế tạo hạt nano bạc phương pháp phân huỷ nhiệt, thay đổi nhiệt độ nung mẫu xác định tính chất lý hố phương pháp phân tích XRD, TEM ƒ Điều chế dung dịch keo nano bạc điều kiện hoá học xanh với tiền chất oxalate bạc, chất bảo vệ polyvinyl pyroidone (PVP) mơi trường glycerine có hỗ trợ nhiệt vi sóng Thay đổi thơng số nồng độ bạc oxalat, nhiệt độ, thời gian Sử dụng phương pháp phân tích: UV-Vis TEM ƒ Kiểm tra khả kháng khuẩn dung dịch nano Ag sản phẩm ứng dụng Viện Pasteur – TP.Hồ Chí Minh Kiểm tra diệt khuẩn với vi khuẩn Y tế quy định Bảng I: Các loại vi khuẩn bệnh thường gặp STT Loại vi khuẩn Staphylococcusaureus ATCC 25923 Salmonella typhi Escherichia coli ATCC 25922 Pseudomonasaeruginosa ATCC 2785 Shigella flexneri NCDC 2774-71 Bacillus subtilis ATCC 6633 Những bệnh thường gặp Gây mụn nhọt, viêm mô tế bào Gây thương hàn, dịch tả lợn Gây bệnh tiêu chảy Gây viêm lỗ chân lông Gây tiêu chảy người Gây ôi thiu loại thực phẩm • Những đóng góp đề tài vấn đề mà đề tài chưa làm - Đề tài mở hướng cho việc chế tạo hạt nano bạc dung môi xanh thân thiện với mơi trường Bên cạnh đó, sản phẩm đề tài ứng dụng tạo gel rửa tay kháng khuẩn, an toàn cho người sử dụng - Đã ứng dụng vào sản phẩm chưa phát triển sản phẩm chế tạo rộng rãi thị trường Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu nano 1.1.1 Khoa học nano: ngành khoa học nghiên cứu tượng vận dụng 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 1.1.2 Cơng 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 nanomet 1.1.3 Vật liệu nano: đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thước vật liệu nano trải dài khoảng rộng, từ vài nm đến vài trăm nm 1.2 Giới thiệu kim loại bạc Bạc kim loại người phát từ sớm (khoảng 5500 đến 6000 năm trước) sau vàng đồng Tuy nhiên lúc bạc xem kim loại khai thác Qua pháp lệnh vua Ai Cập Menet (khoảng 3600 năm trước công nguyên), người ta biết giá vàng bạc lúc 1: 2,5 Ký hiệu bạc Ag có nguồn gốc từ chữ Argentum tiếng la tinh, bạc biết đến từ thời tiền sử, nhắc tới Chúa sáng tạo giới, đống xỉ bạc tìm thấy Tiểu Á đảo thuộc biển Aegean chứng minh bạc tách khỏi chì từ thiên niên kỷ thứ trước công nguyên 1.2.1 Các tính chất vật liệu nano Vật liệu có tính chất kỳ lạ, khác hẳn với tính chất vật liệu khối mà người ta nghiên cứu trước Sự khác biệt tính chất vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai tượng sau: Hình 1.1: Phương pháp khử hóa lý 1.3.2.4 Phương pháp khử sinh học Dùng vi khuẩn tác nhân khử ion kim loại Cấy vi khuẩn MKY3 vào dung dịch có chứa ion bạc để thu hạt bạc nano Phương pháp đơn giản, thân thiện với mơi trường tạo hạt với số lượng lớn 1.3.2.5 Phương pháp micell đảo Phương pháp cho hạt kim loại có kích thước khoảng – 20nm, với kích thước nano đặc tính biểu biên độ rộng Dung dịch micell đảo sạch, trạng thái nhiệt ổn định, hỗn hợp ba: pha nước, pha dầu chất hoạt động bề mặt gọi chung vi nhũ Trong vi nhũ hạt nano nằm giọt nước bao phủ phần ưa nước chất hoạt động bề mặt, cịn phần kỵ nước lại bị solvat hoá dầu 1.3.2.6 Phương pháp khử nhiệt Là phương pháp tạo hạt bạc có độ tinh khiết cao khơng u cầu phải có mặt chất hoạt động bề mặt (hoặc cần lượng nhỏ) tác nhân khử Các phát minh tạo hạt bạc cách phân huỷ oxalat bạc nhiệt độ cao 1000C để tạo hạt nano bạc 1.4 Tính chất hạt nano bạc Hạt nano bạc có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối hiệu ứng bề mặt hiệu ứng kích thước Tuy nhiên, đặc điểm hạt nano bạc có tính kim loại, tức có mật độ điện tử tự lớn tính chất thể có đặc trưng riêng khác với hạt khơng có mật độ điện tử tự cao 1.4.1 Tính chất quang học Tính chất quang học hạt nano bạc trộn thủy tinh làm cho sản phẩm từ thủy tinh có màu sắc khác người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước Các tượng bắt nguồn từ tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) điện tử tự hạt nano bạc hấp thụ ánh sáng chiếu vào Kim loại có nhiều điện tử tự do, điện tử tự dao động tác dụng điện từ trường bên ngồi ánh sáng Thơng thường dao động bị dập tắt nhanh chóng sai hỏng mạng hay nút mạng tinh thể kim loại quãng đường tự trung bình điện tử nhỏ kích thước Nhưng kích thước kim loại nhỏ quãng đường tự trung bình tượng dập tắt khơng cịn mà điện tử dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích 1.4.2 Tính chất điện Tính dẫn điện kim loại tốt, hay điện trở kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự cao Đối với vật liệu khối, lý luận độ dẫn dựa cấu trúc vùng lượng chất rắn Điện trở kim loại đến từ tán xạ điện tử lên sai hỏng mạng tinh thể tán xạ với dao động nhiệt nút mạng (phonon) Tập thể điện tử chuyển động kim loại (dòng điện I) tác dụng điện trường (U) có liên hệ với thông qua định luật Ohm: U = IR, R điện trở kim loại Định luật Ohm cho thấy đường I – U đường tuyến tính Khi kích thước vật liệu giảm dần, hiệu ứng giam cầm lượng tử làm rời rạc hóa cấu trúc vùng lượng Hệ trình lượng tử hóa hạt nano bạc I – U khơng cịn tuyến tính mà xuất hiệu ứng gọi hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I – U bị nhảy bậc với giá trị bậc sai khác lượng e/2C cho U e/RC cho I, với e điện tích điện tử, C R điện dung điện trở khoảng nối hạt nano bạc với điện cực 1.4.3 Tính chất từ Bạc có tính nghịch từ trạng thái khối bù trừ cặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước bù trừ khơng tồn diện vật liệu có từ tính tương đối mạnh 1.4.4 Tính chất nhiệt Nhiệt độ nóng chảy Tm vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết nguyên tử mạng tinh thể Trong tinh thể, nguyên tử có số nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi số phối vị Các nguyên tử bề mặt vật liệu có số phối vị nhỏ số phối vị nguyên tử bên nên chúng dễ dàng tái xếp để trạng thái khác Như vậy, kích thước hạt nano bạc giảm, nhiệt độ nóng chảy giảm 1.5 Cơ chế kháng khuẩn ứng dụng nano bạc 1.5.1 Cơ chế kháng khuẩn nano bạc Nano bạc kháng khuẩn theo hai chế chính: • Làm biến chất vi khuẩn cách phá vỡ nối disulfit: nối disulfit (–S–S–) vi khuẩn quan trọng đóng vai trị cơng tắc đóng, mở thuận nghịch để tạo protein tế bào vi khuẩn gặp phản ứng oxy hóa Đây cấu trúc quan trọng enzyme vi khuẩn với tính chất xúc tác, nano bạc vơ hiệu hóa enzyme mà vi khuẩn, virus nấm cần cho trình chuyển hóa oxygen [2] • Phá vỡ màng tế bào vi khuẩn phản ứng oxy hóa: nano bạc giúp tạo oxy hoạt tính khơng khí từ nước Những oxy hoạt tính có khả phá vỡ màng tế bào thành tế bào vi khuẩn [2] Hình 1.2: Cơ chế phá vỡ màng tế bào phản ứng oxy hóa ¾ Ưu điểm nano bạc so với thuốc kháng sinh: Nano bạc giết chết vi khuẩn chế làm biến chất oxi hóa Vì vi khuẩn khơng có khả kháng lại bạc Các tế bào người dạng mô nên không bị ảnh hưởng q trình Khơng thuốc kháng sinh bị hấp thụ trình diệt khuẩn, nano bạc hoạt động chất xúc tác mà khơng bị hấp thụ Một tính chất khác giúp nano bạc tăng cường hiệu thể người dạng hạt nhỏ kim loại khác với ion bạc thường bị chuyển thành clorua bạc bao tử hay mạch máu Clorua bạc tan hiệu nhiều so với bạc kim loại hay ion bạc Chỉ có bạc kim loại sống với HCl bao tử mà giữ hoạt tính mạch máu mơ thể Điều có ý nghĩa theo EPA (Environmental Protection Agency – Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ), người dùng 350µcg/ liều dùng ngày, nhiều bị trúng độc bạc Nếu dùng – muỗng cà phê/ ngày (20ppm) tương đương với 100 – 200 µcg/ ngày (Thấp so với khuyến cáo EPA lượng bạc cung cấp nguồn nước Mỹ), có hiệu phịng bệnh tốt Điều đảm bảo cho người dùng sử dụng nano bạc chất bổ sung bữa ăn nước uống mà không bị ngộ độc [2] 1.5.2 Ứng dụng hạt nano bạc 1.5.2.1 Trong y tế, mỹ phẩm Bạc sử dụng thành công chiến tranh giới thứ để ngăn ngừa truyền nhiễm trước có kháng sinh Dung dịch bạc nitrat dùng dung dịch chuẩn để bôi vết bỏng nặng sau thay kem silver sulfadiazine (SSD Cream) đến năm cuối thập kỷ 90 Hiện nay, gạc phủ bạc hoạt hóa, dùng kèm với kem SSD tác dụng giảm đau thuận lợi việc điều trị gia Việc phổ biến sử dụng bạc điều trị giảm hẳn phát triển nhiều loại thuốc kháng sinh đại Tuy nhiên gần đây, bạc lại tái quan tâm có phổ sát khuẩn rộng Đặc biệt, sử dụng chung với alginate, loại polymer sinh học tự nhiên chiết xuất từ rong biển Một số sản phẩm bạc alginate điều chế nhằm ngăn ngừa việc nhiễm khuẩn trình điều trị vết thương, đặc biệt bệnh nhân Ngày nano bạc ứng dụng nhiều sản phẩm y tế ví dụ như: Găng tay kháng khuẩn, trang kháng khuẩn, loại vải kháng khuẩn bệnh viện Hình 1.3: Ứng dụng nano bạc vào trang y tế kem trị 1.5.2.2 Vật dụng, trang thiết bị Năm 2007, công ty AGC Flat Glass Europe (Canada) giới thiệu loại thủy tinh sát khuẩn để đối phó vấn nạn nhiễm khuẩn bệnh viện Loại thủy tinh phủ lớp bạc mỏng Hơn nữa, Samsung đưa loại máy giặt có lần xả cuối chứa ion bạc để giúp áo quần kháng khuẩn nhiều ngày Kohler giới thiệu dòng sản phẩm bồn cầu có phủ ion bạc để diệt khuẩn Hình 1.4: Ứng dụng nano bạc vào thiết bị cơng nghệ Hình1.5: Ứng dụng nano bạc vào vật dụng trang thiết bị 1.5.2.3 Xử lý môi trường: Màng lọc nước thải nano bạc Để xử lý ô nhiễm nguồn nước nước thải sinh hoạt khu công nghiệp gây ra, giới nước có nhiều cơng trình nghiên cứu việc ứng dụng công nghệ nano bạc cho việc xử lý nước thải Ngồi cịn có nhiều công ty sản xuất hạt nano dùng cho sơn, kính che nắng ống cacbon dùng ngành điện tử Hình 1.6: Ứng dụng nano bạc vào sơn xử lý nước thải Bạc hạn chế phát triển vi khuẩn nấm mốc, giảm mùi hôi giảm thiểu rủi ro nhiễm khuẩn nấm Áo quần, tất vớ có sử dụng bạc giúp chúng sử dụng nhiều ngày mà bị bốc mùi Bạc đưa vào áo quần hai dạng: (1) ion bạc tích hợp vào polymer dùng để tạo sợi vải, (2) phủ bạc kim lọai lên sợi vải Cả hai dạng cho khả sát khuẩn nấm mốc rộng Điều đáng lưu ý tính sát khuẩn bạc thân thiện da người diệt khuẩn mạnh khơng thuốc kháng sinh đơi có sốc thuốc bị lờn thuốc sau thời gian sử dụng Hình 1.7: Ứng dụng nano bạc vào mũ bảo hiểm Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Lựa chọn phương pháp chế Phương pháp khử hoá lý Đây phương pháp trung gian hoá học vật lý Nguyên lý dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp điện phân thông thường tạo màng mỏng kim loại Trước xảy hình thành màng, nguyên tử kim loại sau điện hoá tạo hạt nano bám lên điện cực âm Sau người ta tác dụng xung điện siêu âm đồng với xung điện phân hạt nano kim loại rời khỏi điện cực vào dung dịch 31 Hình 1.1: Phương pháp khử hóa lý ... Như vậy, kích thước hạt nano bạc giảm, nhiệt độ nóng chảy giảm 1.5 Cơ chế kháng khuẩn ứng dụng nano bạc 1.5.1 Cơ chế kháng khuẩn nano bạc Nano bạc kháng khuẩn theo hai chế chính: • Làm biến chất... keo nano bạc ngâm tẩm vật liệu polyurethan để xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn [3]; chế tạo nano bạc cao su thiên nhiên phương pháp khử hóa học [4]; Tổng hợp xanh hạt nano bạc dung dịch keo nano. .. phức chất oxalat bạc nhằm tạo hạt nano bạc phương pháp áp dụng có hiệu cao Nano bạc tạo từ phương pháp có độ cao, khí CO2 dễ dàng, không lẫn tạp chất Hơn nữa, dung dịch keo nano bạc hoàn toàn khơng