Tổng hợp vật liệu nanocomposite Ag/PVA: phương pháp khử hóa học và ứng dụng
MỤC LỤC
Tính chất quang
Như trên đã nói, tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước.
Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất.
Tính chất điện
Do vậy, tính chất quang của hạt nano có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.
Tính chất xúc tác
Thật vậy, hằng số hàng rào nhỏ hơn là nguyên nhân làm thay đổi trung tâm của dải d tới những năng lượng cao hơn, làm tăng khả năng phản ứng của bề mặt chất bị hút bám. Sự gia tăng phản ứng tại những vị trí sắp xếp hụt của các hạt có thể rất lớn, nó quyết định một mức độ rất lớn hoạt tính xúc tác của vật liệu, mặc dù sự tập trung này là rất thấp. Những hạt nano của một dãy lớn của sự chuyển tiếp giữa kim loại và oxit kim loại đã được tìm thấy những hoạt tính xúc tác phụ thuộc kích thước các hạt, điều này đang được nghiên cứu mạnh mẽ.
Hiện nay có nhiều sự quan tâm trong việc tìm kiếm các phương pháp có hiệu quả để chế tạo vật liệu xúc tác có hạt nano với các chất nền như các oxit vô cơ, nhôm, silica và titan, hay các polyme.
Chấm lượng tử
Từ sự thay đổi này trong cấu trúc điện tử có thể làm tăng hoạt tính xúc tác một cách đặc biệt trong hạt nano mà khác rất nhiều so với hiệu ứng ở vật liệu khối. Một lượng nhỏ các nguyên tử kéo theo kết quả của sự thành lập các dải electron với phạm vi của các electron hóa trị lớn hơn, và trong vùng nhỏ hơn của dải hóa trị. Sự biến đổi năng lượng và cấu trúc điện tử được phát ra bởi độ cong bề mặt của hạt nano kim loại làm tăng độ co bóp của hàng rào so với vật liệu khối.
Hình dạng, sự ổn định và sắp xếp của các hạt đã được chứng minh là có ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác và vì thế cũng là đề tài của nhiều nghiên cứu hiện nay.
Plasmons
Sự triệt tiêu của ánh sáng bởi hạt nano kim loại xảy ra theo cả cơ chế phõn tỏn và hấp thụ nhưng cơ chế hấp thụ xảy ra rừ hơn nhiều với hạt cú kớch thước nhỏ hơn 20nm. Ngày nay hầu hết việc nghiên cứu và sử dụng đều tập trung vào nano Au và nano Ag, bởi chỳng thể hiện rừ ràng nhất hiệu ứng plasmon, và cả hai cựng cú phổ hấp thụ trong vùng nhìn thấy. Chẳng hạn, với các hạt nano hình que (nanorod – shaped), dải plasmon phân tách thành hai dải tương ứng sự dao động của các electron tự do theo chiều dọc (longitudinal) và ngang (transverse).
Các hạt nano kim loại được dùng cho các ứng dụng thuộc quang học và lượng tử, chúng thường được cho vào trong vật liệu nền thích hợp như polyme hay thủy tinh.
Tổng hợp hạt nano bạc
Nguyên tắc chung tổng hợp hạt nano kim loại [2]
Sự kết hợp hạt nano kim loại vào các chất nền quang học cho phép xây dựng các thiết bị để sử dụng các tính chất thuận lợi của chúng. Vật liệu nền không chỉ giúp hình thành cấu trúc của sản phẩm mà còn có vai trò bảo vệ và ngăn ngừa sự kết tụ lại của các hạt.
Một số phương pháp điều chế hạt nano bạc Phương pháp ăn mòn laser
- Để lựa chọn được một hóa chất phù hợp tùy thuộc vào tính kinh tế, yêu cầu của quá trình điều chế cũng như chất lượng của hạt nano vì mỗi loại hóa chất sẽ tạo ra một cỡ hạt khác nhau. Đồng thời, mỗi loại hóa chất cũng cho tính bền vững của dung dịch các hạt nano Ag khác nhau và khả năng đưa nano bạc từ dung dịch nano tạo bởi các hóa chất này tùy thuộc vào sản phẩm ta cần ứng dụng. Dưới tác dụng của tác nhân vật lý có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các chất phụ gia trong dung môi sẽ sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion bạc thành bạc kim loại để chúng kết tụ tạo thành các hạt nano bạc.
Một ví dụ sử dụng phương pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc là dung tia laser xung có bước sóng 500nm, độ dài xung 6sn, tần số 10 Hz, công suất 12 -14mJ [23], chiếu vào dung dịch AgNO3 như là nguồn kim loại và sodium dodecyl sulfate (SDS) như chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc.
Hiệu ứng diệt khuẩn của hạt nano bạc 1. Vi khuẩn
Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc
Khi các hạt nano kim loại ở kích thước 5nm chúng sẽ có khả năng gây nên các hiệu ứng điện tử tức là sự biến đổi cấu trong trúc điện tử của bề mặt. Các hạt nano bạc thường có dạng hình khối, số lượng các mặt hình khối cho thấy khả năng tác dụng với vi khuẩn ở mức độ cao hay thấp. Tuy nhiên, đã có những dẫn chứng cho thấy các hạt nano bạc đã đi vào bên trong tế bào và điều này cho thấy chúng đã tương tác với màng protein.
Tuy nhiên, từ những kết quả thực nghiệm của hàng loạt các công trình nghiên cứu đã cho thấy được hiệu quả diệt khuẩn của các hạt nano bạc là phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của nó [27].
Ảnh hưởng của hạt nano bạc đến sức khỏe con người
Đồng thời, ở kích thước nano thì diện tích bề mặt của hạt nano là lớn hơn rất nhiều so với khối hạt của nó. Nơi mà một lượng nhỏ ion bạc đã được che dấu và đóng góp một phần cho khả năng diệt khuẩn của phân tử nano bạc [27]. Thông qua các nghiên cứu ít ỏi chưa thể đánh giá hết tác động của các hạt nano bạc đối với sức khỏe con người.
Tuy nhiên, có thể khẳng định nano bạc là tác nhân góp phần làm trong sạch môi trường, không phải là chất độc hại với cơ thể con người [27].
Ứng dụng của hạt nano bạc trong đời sống
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Trong nước
Ngoài nước
Nội dung: Tổng hợp nano Ag bằng phương pháp khử với tác nhân là formaldehyt trong dung dịch muối AgNO3, môi trường PVP và PVA, Khảo sát ảnh hưởng của môi trường bazơ và tỉ lệ các chất quá trình tổng hợp, xác định cấu trúc của nano Ag, Xác định kích thước nano Ag bằng TEM. - Nội dung: Tổng hợp nano Ag bằng các phương pháp khử hóa học trong PVA có khối lượng phõn tử khỏc nhau, xỏc định tớnh chất quang học của vật liệu, theo dừi hình thái của của nano Ag trên ảnh TEM. Có hai hình thức thành lập nano Ag, một có kích thước ổn định theo thời gian, và hình thức còn lại kích thước lớn dần theo thời gian.
Nội dung: Tổng hợp nano Ag với PVP như là tác nhân bảo vệ và tác nhân khử, áp suất thực hiện phản ứng 40Mpa, ở các nhiệt độ khác nhau. Năm (2006), Deng Yan cùng các cộng sự tại Viện khoa học vật liệu nano, Trung Quốc với đề tài “Tính chất quang học của màng polymer nanocompozit Ag/PMMA“. - Kết quả: Nanocompozit có sự gia tăng của cường độ hấp thu khi có mặt Nano Ag tới bước sóng 532nm.
Nội dung: Tổng hợp nanocompozit với các hạt nao Ag, Ag2S trong nền polyme là tinh bột Sagu. Kết quả của việc tạo ra nanocompozit này được kiểm tra bằng phương pháp xác định cấu trúc, tính chất quang học và tính chất nhiệt. - Phổ XRD cho ra cấu trúc trong nền polyme của Nano Ag là dạng khối (cubic), còn của Ag2S là monoclinic.
Nội dung: tổng hợp nano Ag bằng phương pháp khử, sử dụng các hợp chất có chứa nhóm hydroxyl như là tác nhân khử và tác nhân bảo vệ. Nghiên cứu các tính chất quang học, xác định kích thước hạt nano, khả năng kháng khuẩn của vật liệu.
THỰC NGHIỆM
Tổng hợp vật liệu nanocompozit Ag/PVA 1. Quy trình
Sản phẩm nanocompozit dạng dung dịch màu vàng sẽ được tiến hành kiểm tra bằng phổ UV – Vis. Sản phẩm Nanocompo cho bay hơi tạo thành màng nano compozit được đem đi phân tích bằng phổ XRD, đo TEM và TGA.