Công nghệ nanô

CÔNG NGHÊ NANÔ ? 2 Kích thước 3 Định nghĩa “Công nghệ nano là một ngành khoa học - kỹ thuật ở quy mô nguyên tử và phân tử - kích thước nanômét National Nanotechnology Initiative, 2007 4 Nanô mét 1 m = 10 9 nm 1 nm = 10 -9 m 5 DNA ~2-1/2 nm T T ự ự nhiên nhiên Tro, tàn thuốc ~ 10-20 µm Nguyên tử Si Khoảng cách ~nm Sợi tóc ~ 60 – 120 µm wide Tề bào bạch cầu ~ 2-5 µm Kiến ~ 5mm Con ve 200 µm ATP synthase ~10 nm diameter O O O OO O OO O OO OO O S O S O S O S O S O S O S O S P O O 21 st Century Challenge Combine nanoscale building blocks to make novel functional devices, e.g., a photosynthetic reaction center with integral semiconductor storage The Microworld 0.1 nm 1 nanometer (nm) 0.01 mm 10 nm 0.1 mm 100 nm 1 micrometer (mm) 0.01 mm 10 mm 0.1 mm 100 mm 1 millimeter (mm) 1 cm 10 mm 10 -2 m 10 -3 m 10 -4 m 10 -5 m 10 -6 m 10 -7 m 10 -8 m 10 -9 m 10 -10 m Visible The Nanoworld 1,000 nanometers = InfraredUltraviolet Microwave Soft x-ray 1,000,000 nanometers = Nhân Nhân t t ạ ạ o o Thiết bị MEMS 10 -100 µm Tế bào hồng cầu Phấn hoa ðầu ñinh 1-2 mm Thành lượng tử (48 ntử Cu phân bố trên bề mặt của 1 mũi dò STM (ñường kính 14 nm) Ống Nanô 10x nm (ñiện cực) ống Carbon ~1.3 nm Ống nanô (transistor) Office of Basic Energy Sciences Office of Science, U.S. DOE Version 03-05-02 Kích thước 6 Lịch sử nghiên cứu Ý tưởng về công nghệ nano ñược ñề xuất vào 29/12/1959 do nhà vật lý Richard Feynman: tất cả mọi thứ ñều ñược cấu tạo nên từ các phần tử có kích thước rất nhỏ là các nguyên tử và phân tử. Richard Feynman. 7 Tắc kè: Nanô? 8 http://robotics.eecs.berkeley.edu/~ronf/Gecko/index.html Sợi nanô ở các ngón giúp tắc kè bám chặt 9 “Hiệu ứng lá sen” – không dính ướt? Bề mặt cấu trúc nanô ! 10 Lịch sử nghiên cứu • 1981 các nhà khoa học của IBM ở Zurich (Thụy Sĩ) lần ñầu tiên ñã phát minh ra kính hiển vi ñiện tử quét xuyên ngầm (scanning tunnelling microscope - STM): cho phép quan sát ñược từng ñơn nguyên tử • Năm 1990 các nhà khoa học của IBM ñã tìm ra cách sử dụng STM ñể di chuyển từng nguyên tử Xe (xenon) trên bề mặt niken di chuyển 35 nguyên tử Xe tạo ra IBM trên bề mặt Ni Fe trên ñế Cu Ảnh chụp STM 11 Lịch sử nghiên cứu • Giải Nobel Hóa học ñược trao năm 1996 cho 3 nhà khoa học Harold Kroto, Robert Curl và Richard Smalley cho phát minh Carbon 60 ñược tìm ra 1985. • ðến năm 1991, ống nanô Carbon 60 ñã ñược tạo ra và biết ñến nhờ tính siêu nhỏ - siêu cứng – siêu nhẹ: nhẹ hơn 6 lần nhưng ñộ cứng gấp 100 lần so với thép!!! A “Buckyball.” A “Carbon Nanotube” 12Hạt nanô “Ôtô Nano” (Rice University) Các sản phẩm từ công nghệ nanô Source: Chấm lượng tử Nanô carbon Hạt nanô huỳnh quang 13 Các sản phẩm ứng dụng công nghệ Nanô Vải sợi Mỹ phẩm, chăm sóc sức khỏe Thực phẩm Năng lượng Linh kiện Thiết bị Thuốc – dược phẩm Hàng tiêu dùng Quốc phòng An ninh Quân ñội 14 Công nghệ Nanô Chăm sóc sức khỏe Lương thực, mỹ phẩm Môi trường Vũ trụ Quốc phòng/an ninh Hàng tiêu dùng Công nghệ Nanô và ñời sống Kinh tế Giáo dục 15 Ứng dụng: hàng không, an ninh, quốc phòng Vật liệu siêu nhẹ - siêu cứng có chứa nanô Carbon ñược sử dụng chế tạo vỏ máy bay -Quần áo tư trang nhẹ, chống ñạn, chống cháy, có thể thay ñổi mầu sắc theo môi trường, tàng hình… -Cảm biến sinh học ñược tích hợp bên trong có khả năng phát hiện nhanh và chính xác các loại vũ khí không nhìn thấy như hóa học, sinh học… Cảm biến sinh học 16 Ứng dụng: công nghệ vũ trụ, vệ tinh ðề xuất gần ñây về thang máy dùng trong vũ trụ (nhẹ, cứng, bền) sử dụng các ống nanô carbon phục vụ các nghiên cứu không gian 17 • Thiết kế các chuỗi sinh học theo các trình tự quá trình sinh học tự nhiên • Sửa chữa sai hỏng và lắp ráp các chuỗi phần tử sinh học, gien,… • Chuẩn ñoán và ñiều trị bệnh Ứng dụng: y sinh 18 • Ngành ñiện tử nanô kết hợp với ngành sinh học, hóa học, vật lý, kỹ thuật, và khoa học máy tính ñể tạo ra các con chip máy tính (nanochips), nanomotors, … gắn với cơ thể người có sự liên hệ với hệ thần kinh • Công nghệ nano chế tạo ra các máy tính siêu nhỏ tiết kiệm năng lượng Ứng dụng: ngành điện tử 19 Ứng dụng: ngành năng lượng Chế tạo vật liệu nanô có khả năng hấp thụ và lưu trữ nguồn năng lượng mặt trời và chuyển ñổi thành năng lượng ñiện (pin mặt trời). Công nghệ mới, vật liệu mới tạo ra nguồn năng lượng sạch như sử dụng Hyñrô ñể cung cấp cho các pin nhiên liệu 20 Nội dung môn học • Công nghệ nanô • Vật liệu nanô • Phương pháp nghiên cứu và quan sát các cấu trúc nanô • Phương pháp chế tạo vật liệu nano • Ứng dụng vật liệu nano 21 VậT LIệU NANÔ ? Vật liệu nano là vật liệu trong ñó ít nhất một chiều có kích thước nano mét (< 100 nm) 22 a- chuổi hạt nanô b- băng nanô c- dây nanô d- chấm nanô e- tiếp xúc nanô f- ống nanô g- chấm lõm nanô h- bậc thang nanô j- xuyến nanô k- màng mỏng chế tạo theo khuôn Phân loại vật liệu Nanô theo hình dạng 23 Phân loại vật liệu nanô theo số chiều • Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano . • Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, . • Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng, . • Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt nanô tinh thể • Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. 24 Phân loại vật liệu nanô theo số chiều 25 0 chiều 1 chiều 2 chiều dạng hạt màng mỏng cấu trúc dị thể hạt nanô mọc trên cấu trúc cột dây nanô màng ghi từ hình kim màng mỏng ña lớp Một số ví dụ vật liệu nanô theo số chiều 26 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu 1-10ðộ nhăn bề mặt 0,1-10Sai hỏng mầm 1-100Bán kính khởi ñộng ñứt vỡ 1-10Biên hạt 1-1000Tương tác bất ñịnh xứ Tính chất cơ 1-100ðộ thẩm thấu Meisner 0,1-100ðộ dài liên kết cặp Cooper Tính siêu dẫn 10-100ðộ sâu bề mặt kim loại 10-100ðộ dài suy giảm 1-100Hố lượng tử Tính chất quang 1-100Quãng ñường tán xạ spin 10-100ðộ dày vách ñômen Tính chất từ 1-10Hiệu ứng ñường ngầm 1-100 Quãng ñường tự do trung bình không ñàn hồi 10-100Bước sóng ñiện tử Tính chất ñiện ðộ dài tới hạn (nm)Tính chất Lĩnh vực Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu ñều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay ñổi. Kích thc ti hn 27 Vật liệu nanô 100 nm 1 nm Lớn Trung bình Nhỏ Vĩ mô Tính chất truyền thống/cổ ñiển (vĩ mô) Vi mô Nhiều tính chất mới/lượng tử -Nhiệt: t o nóng chảy -Cơ: ñàn hồi -Quang: hấp thụ, truyền qua -ðiện: qui tắc lượng tử -Từ: hiệu ứng bề mặt, ñơn ñômen,… -Hóa: xúc tác, phản ứng hóa học,… Do ñóng góp của hiệu ứng bề mặt: các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ ñáng kể so với tổng số nguyên tử - Tỉ phần bề mặt/thể tích: S/V ~ 1/r lớn - Năng lượng bề mặt chiếm ưu thế do liên kết bên trong lõi nhỏ - Sự giam cầm không gian của các tính chất (Kích thước vật liệu ~ ñộ dài tới hạn của một số tính chất: Quãng ñường tự do TB, sai hỏng, xuyên ngầm…) 28 Vật liệu nanô Nhiệt ñộ nóng chảy ~ năng lượng liên kết => T nc giảm khi xuống kích thước nanô 29 Ví dụ: hiệu ứng bề mặt Hình dạng giọt nước phụ thuộc vào 3 thành phần lực liên kết: bề mặt tiếp xúc, không khí và phân tử nước bên trong. Chống ướt tốt Chống ướt kém Chống ướt hoàn toàn Tự làm sạch bằng “hiệu ứng lá sen” 30 Ví dụ: hiệu ứng bề mặt và ứng dụng Tự nhiên Ứng dụng: Kính tự làm sạch Liên kết với bề mặt mạnh Liên kết với bề mặt yếu 31 Kính thông minh Kính thường Kính tự làm sạch TiO 2 32 Kính sinh thái tự làm sạch Phủ lớp mỏng nanô TiO 2 (~15 nm) lên kính có tác dụng: -Hấp thụ bức xạ tử ngoại của mặt trời tạo ra hiệu ứng xúc tác quang hóa, phân hủy chất bẩn trên kính - Lớp xốp nanô chống ướt và khi nước rơi xuống bề mặt kinh, các giọt nước hút nhau, hình thành nên một màn nước sẽ rửa trôi chất bẩn Sơn tự làm sạch (sơn nanô), vải tự làm sạch… . nm) 22 a- chuổi hạt nanô b- băng nanô c- dây nanô d- chấm nanô e- tiếp xúc nanô f- ống nanô g- chấm lõm nanô h- bậc thang nanô j- xuyến nanô k- màng mỏng. 12Hạt nanô “Ôtô Nano” (Rice University) Các sản phẩm từ công nghệ nanô Source: Chấm lượng tử Nanô carbon Hạt nanô huỳnh quang 13 Các sản phẩm ứng dụng công