CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO
1.2.4. Ứng dụng của vật liệu nano
Do có nhiều tính năng độc đáo và kích thước tương đương với các phân tử sinh học nên hiện nay, công nghệ nano đang được đầu tư nghiên cứu đặc biệt trong lĩnh vực y sinh. Các ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano trong lĩnh vực này là:
Hình 1.5: Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc
Chẩn đoán: Sử dụng các hạt nano (hạt nano vàng, nano từ, chấm lượng tử…) để đánh dấu các phân tử sinh học, vi sinh vật, phát hiện các chuỗi gen nhờ vào cơ chế bắt cặp bổ xung của DNA hoặc cơ chế bắt cặp kháng nguyên – kháng thể.
Vận chuyển thuốc: Cung cấp thuốc cho từng tế bào cụ thể bằng cách sử
dụng các hạt nano nhằm tiết kiệm thuốc và tránh các tác dụng phụ.
Mô kỹ thuật: Công nghệ nano có thể giúp cơ thể tái sản xuất hoặc sửa chữa các mô bị hư hỏng bằng cách sử dụng “giàn” dựa trên vật liệu nano và các yếu tố tăng trưởng [7].
1.2.5. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano
a. Phương pháp đi từ trên xuống (top-down)
Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tô chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp
đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thuớc nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì
được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lóp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
b. Phương pháp đi từ dưới lên (bottom-up)
Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ
phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
• Phương pháp vật lý là: Phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử
hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ
phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ
nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thế (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.
• Phương pháp hóa học là: Phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ
thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel...) và từ pha khí (nhiệt phân...). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano...
• Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí... Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano...
1.3. HẠT NANO BẠC
1.3.1. Giới thiệu về bạc kim loại
Cấu hình electron của bạc: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 5s Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm
Bán kính ion bạc: 0,23 nm
Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn, có những đặc tính
độc đáo sau[13]:
- Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh.
- Không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao, không có phụ gia hóa chất.
- Có khả năng phân tán ổn định trong các loại 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 cho quá trình sản xuất thấp. - Ổn định ở nhiệt độ cao.
Bảng 1.2: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích[13]
Kích thước của hạt nano Ag (nm) Số nguyên tử chứa trong đó Tỉ số nguyên tử trên bề mặt (%) Năng lượng bề mặt (erg/mol) Năng lượng bề mặt năng lượng tổng (%) 1 31 90 9,23.10 82,2 2 250 80 2,04.10 35,3 5 3900 40 8,16.10 14,3 10 30.000 20 4,08.10 7,6 20 250.000 1.3.2.Đặc tính kháng khuẩn của bạc Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người.
Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh. Người cổđại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm. Trong thế
kỷ 20, người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và các hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX
Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả
năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.
1.3.3.Cơ chế kháng khuẩn của bạc
Hình 1.6: Tác động của ion bạc lên vi khuẩn
Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các ion Ag . Ion này có khả năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên thành tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế
bào ngay sau đó, khả năng hoạt động của vi khuẩn lại có thể được phục hồi. Do động vật không có thành tế bào, vì vậy chúng ta không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này.
Có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn đáng chú ý được mô tả như sau: Sau khi Ag tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin –
SH của phân tử enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn[13][6].
Hình 1.7: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn
Ngoài ra các ion bạc còn có khả năng liên kết với các base của DNA và trung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA[15][20].
Hình 1.8: Ion bạc liên kết với các base của DNA
Do kích thước cơ Nano (1/50.000 sợi tóc), bề mặt lớn sau khi chuyển sang các nano bạc có khả năng tấn công vào tế bào sinh vật.
Các hạt nano bạc khi gặp vi khuẩn, virus thì tương tác với lớp protein trên bề mặt của chúng, từ đó phá hủy màng tế bào. Ion bạc rất có uy lực đối với các nhóm chức mang điện tích âm trong tế bào vi khuẩn (làm thay đổi cấu trúc của tế bào), dẫn đến khả năng diệt khuẩn của nano bạc. Đặc biệt có thể
Hình 1.9: Kích thước nano bạc và một số chủng virut
Hình 1.10: Hạt nano Ag tấn công vào tế bào vi khuẩn
1.3.4.Giới thiệu về hạt nano bạc
Nano bạc sẽ kết hợp với các bức tường tế bào của vi khuẩn gây bệnh, sau
đó sẽ trực tiếp nhận được bên trong vi khuẩn và nhanh chóng kết hợp với sulphydryl (SH) của enzyme chuyển hóa oxy để diệt chúng, để chặn đường hô hấp và quá trình trao đổi chất và làm nghẹt thở vi khuẩn.
Ngày nay, công nghệ Nano bạc được sử dụng trong lớp phủ bề mặt của
điện tử, nguyên tử carbon hoặc các khối carbon, dệt may, kim loại, gỗ, gốm sứ, thủy tinh, giấy, pha trộn với nhựa, bằng cách sử dụng chất xơ và nhiều
ứng dụng khác.
Công nghệ cốt lõi của Nano Silver là khả năng sản xuất hạt càng nhỏ
bề mặt của vật liệu bất kỳ, diện tích bề mặt được tăng lên hàng triệu lần so với lá bạc bình thường.
Bề mặt tối đa cho phép tác dụng kháng khuẩn mạnh mẽ với số lượng nhỏ
bằng bạc. Điều quan trọng nhất trong Nano bạc là để kiểm soát độ tinh khiết của hạt bạc. Trong trường hợp 0,01% tạp chất Nickel được thêm vào hạt Silver Nano, nó là rất có hại cho cơ thể con người. Nhiều nhà nghiên cứu
đang tập trung vào khả năng được sử dụng trong chinh phục “SIÊU VI KHUẨN” đang đe dọa đời sống con người trong tương lai.
Ngoài ra, Nano bạc sẽ không hết hạn. Nhiệt, ánh sáng và bức xạ sẽ ảnh hưởng đến chất lượng chữa bệnh của nó.
1.3.5.Các phương pháp chế tạo hạt nano bạc
a. Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại
Phương pháp ăn mòn laze: Phương pháp này sử dụng chùm tia laze với bước sóng ngắn bắn lên vật liệu khối đặt trong dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt. Các hạt nano được tạo thành với kích thước khoảng 10 nm và
được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt.
Phương pháp khử hóa học: Phương pháp này sử dụng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện
để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc bằng chất hoạt hóa bề mặt. Các hạt nano tạo thành bằng phương pháp này có kích thước từ 10 nm đến 100 nm.
Phương pháp khử vật lý: Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại.
Phương pháp khử hóa lý: Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để
tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch.
Phương pháp khử sinh học: Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại. Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để
thu được hạt nano bạc. Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn[6].
1.3.6.Ứng dụng của nano bạc
Bạn đã bao giờ băn khoăn tại sao các đồ dùng để ăn của các quý tộc xưa
đều bằng Bạc? Tại sao chúng ta lại đeo vòng Bạc để tránh gió? Vì sao đa số
những đồ ăn nhanh ngày nay đều được bọc một tấm giấy Bạc bên ngoài? Câu trả lời chính là vì con người đã hiểu được những công dụng đặc biệt của Bạc và ứng dụng nó vào cuộc sống.
Các phân tử bạc có tác dụng như một lớp màng bảo vệ ngăn không cho vi khuẩn có hại thâm nhập, đồng thời các phân tử Bạc chiếm lấy oxy của các vi khuẩn, làm cho vi khuẩn có hại không có oxy và dần bị cô lập và tiêu diệt.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, công nghệ Nano Bạc (Nano Silver) ra đời và trở thành một trong những công nghệ tiên tiến hàng
đầu trên thế giới được sử dụng tại nhiều quốc gia, trong việc vảo vệ sức khỏe con người bởi khả năng làm sạch khuẩn, ngăn các vi khuẩn gây hại phát triển.
Nano Silver (Nano Bạc) có đặc tính ưu việt hơn nhiều lần so với các sản phẩm kháng khuẩn khác trong việc làm sạch khuẩn và ngăn vi khuẩn phát triển tới 99,9%. Công nghệ Nano Bạc giúp chia nhỏ các phân tử bạc, dàn
mỏng thành một lớp tráng siêu mỏng trên đồ dùng, làm tăng tính năng làm sạch khuẩn của bạc. Đồng thời, Nano Bạc có khả năng hạn chế sự phát triển của vi khuẩn, tấn công và phá vỡ màng tế bào của gần 650 loại vi khuẩn đơn bào gây hại, đặc biệt là 2 chủng Staphylococcus (gây ung thư) và Ecoli (gây tiêu chảy) và đặc biệt hơn còn có tính năng khử mùi khi sử dụng.
Ngoài ra, do Bạc được xuất hiện một cách tự nhiên, không độc, không dị ứng, không tích tụ và vô hại đối với cả động vật hoang dã và môi trường nên sản phẩm ứng dụng công nghệ Nano Bạc rất an toàn cho người sử dụng. Tính năng làm sạch khuẩn bằng công nghệ Nano Silver được các chuyên gia
đầu ngành tại Viện nghiên cứu Khoa học Vật lý và Viện Dinh dưỡng khẳng
định là an toàn tuyệt đối, hoàn toàn không ảnh hướng tới thực phẩm, sức khỏe không ảnh hưởng đối với da hay hệ hô hấp của con người.
Theo GS.TS Phan Hồng Khôi, Chủ tịch Hội Vật lý Việt Nam, Viện Khoa học Vật liệu, Nano Silver là công nghệ của thế kỷ 21, giúp bảo vệ và nâng cao chất lượng cuộc sống. Đó là một ứng dụng hoàn thiện của khoa học và công nghệ Nano đối với Bạc để tăng tính năng làm sạch khuẩn và khử mùi.
Công nghệ Nano Bạc đang được ứng dụng rất rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới trong nhiều sản phẩm như các dụng cụ bảo quản thực phẩm, các vật liệu may mặc, các đồ dùng có tính năng kháng khuẩn, bảo vệ sức khỏe,
đặc biệt đối với sản phẩm dành cho trẻ em (như bình sữa, núm vú, đồ chơi, khăn ướt…).
Do thể hiện tính kháng khuẩn tốt nên nano bạc thường được sử dụng để
làm chất khử trùng, kháng khuẩn, khử mùi… Có thể kể một vài sản phẩm chứa hạt nano bạc như:
Các dụng cụ chứa thực phẩm: Những đồ dùng bằng nhựa có pha thêm hạt nano bạc có tác dụng khử trùng. Qua kiểm tra cho thấy chúng có khả năng diệt 99.9% vi khuẩn.
Hình 1.11: Bình sữa làm bằng nhựa có pha thêm nano bạc
Đồ may mặc: hạt nano bạc được tẩm vào các loại sợi để diệt khuẩn và khử mùi.
Hình 1.12: Tất làm bằng sợi nilon có pha nano bạc
Các thiết bị điện tử: Điều hòa, tủ lạnh, máy giặt
Hình 1.13: Điều hòa sử dụng bộ lọc nano bạc
Y tế:
+ Khẩu trang nano bạc: Được thiết kế với 3-4 lớp gồm 2 lớp vải, một lớp