6. Cấu trúc luận văn
1.2.2. Vật liệu nano bạc
1.2.2.1. Kim loại Ag
Bạc là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có kí hiệu Ag, số nguyên tử 47, có:
-Cấu hình điện tử của Ag: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 -Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm
-Bán kính ion Ag: 0,23 nm
Bạc là một kim loại chuyển tiếp màu trắng, mềm, có tính dẫn điện tốt nhất và độ dẫn điện cao nhất trong tất cả các kim loại.
Từ xa xưa, người ta đã sử dụng bạc để làm vật trang trí, sử dụng tính kháng khuẩn của Ag để phòng bệnh. Ngày nay, công nghệ khoa học phát triển, có nhiều công trình nghiên cứu về Ag, hạt nano Ag và ứng dụng rộng rải trong hầu hết tất cả các lĩnh vực. Đặc biệt, dưới kích thước nano Ag rất phát triển trong nghành y học nhờ đặc tính kháng khuẩn, khử mùi, không gây hại đối với sức khỏe con người,…và nhiều đặc tính khác.
Bạc ở dạng tinh thể có cấu trúc lập phương tâm mặt (hình 1.1). Bạc được tìm thấy ở dạng tự nhiên, liên kết với lưu huỳnh, asen, antimony hoặc clo trong các khoáng chất như Argentie (Ag2S) và Silver horn (AgCl).
1.2.2.2. Nano Ag
Hạt nano Ag là các hạt Ag có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Do có diện tích bề mặt lớn nên có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn.
Các hạt nano Ag có hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Hiện tượng
này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa nano Ag với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt.
Bảng 1. 2. Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [35]
Kích thước của hạt nano Ag (nm) Số nguyên tử chứa trong đó 1 31 5 3900 20 250000 1.2.2.3. Một số tính chất hạt nano Ag
Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn, có những tính chất độc đáo sau [35]:
-Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh.
-Không có hại đối với sức khỏe con người với liều lượng cao, không có phụ gia hóa chất.
-Có khả năng phân tán ổn định định trong các dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như benzene, toluene).
-Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường.
-Chi phí sản xuất thấp. -Ổn định ở nhiệt độ cao.
Vật liệu nano có những tính chất khác hẳn so với vật liệu khối đã nghiên cứu trước. Sự khác biệt về tính chất này được giải thích từ hai hiện tượng sau:
Khi vật có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử (gọi là tỉ số ) của vật liệu gia tăng. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở trong lòng vật liệu, nên khi kích thước vật liệu giảm dần thì hiệu ứng có liên quan đến các các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng do tỉ số tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nano thì tỉ số này tăng lên đáng kể. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị kích thước, hạt có kích thước càng bé thì hiệu ứng bề mặt càng lớn và ngược lại [36].
Bảng 1.3. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của nano hình cầu [38]
Đường kính hạt nano (nm) Số nguyên tử Tỉ số nguyên tử trên bề mặt (%) Năng lượng bề mặt (erg/mol) Năng lượng bề mặt/Năng lượng tổng (%) 10 30.000 20 4,08×1011 7,6 5 4.000 40 8,16×1011 14,3 2 250 80 2,04×1012 35,3 1 30 90 9,23×1012 82,2 Hiệu ứng kích thước:
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Các tính chất của vật liệu đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm (Bảng 1.3). Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ
dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng số Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử). Bảng 1.3 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [36].
Bảng 1.4. Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu nano Ag.
Tính chất Thông số Độ dài đặc trưng (nm)
Điện
Bước sóng của điện tử
Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi Hiệu ứng đường ngầm 10-100 1-100 1-10 Từ
Vách đô men, tương tác trao đổi Quãng đường tán xạ spin
Giới hạn siêu thuận từ
10-100 1-100 5-100
Quang
Hố lượng tử (bán kính Bohr) Độ dài suy giảm
Độ sâu bề mặt kim loại Hấp thụ Plasmon bề mặt
1-100 10-100 10-100 10-500
Siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper
Độ thẩm thấu Meisner 0.1-100 1-100 Cơ Tương tác bất định xứ Biên hạt Bán kính khởi động đứt vỡ Sai hỏng mầm Độ nhẵn bề mặt 1-1000 1-10 1-100 0.1-10 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn Cấu trúc nhị cấp Cấu trúc tam cấp 1-100 1-10 10-1000