5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3.1. Hạt nano kim loại
Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ kim loại.
Hạt nano kim loại cũng mang những tính chất đặc trưng như:
Tính chất quang: có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến quá
trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Dẫn đến xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh gây ảnh hưởng nhiều nhất. Bên cạnh đó, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. 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. Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sang truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi. Hiện tượng thay đỏi màu sắc như vây là do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới có hấp thụ ở vùng ánh sáng nhìn thấy làm cho chúng có hiện tượng quang học như trên.
Hình 1.6: Cốc Lycurgus (Roman, thế kỷ IV TCN). (a) Ảnh chụp cốc dưới ánh sáng phản xạ. (b) Ảnh chụp cốc dưới ánh sáng truyền qua. (c) Hạt nano kim loại có vật liệu làm cốc thủy tinh với kích thước khoảng 75nm.
Tính chất điện: Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam
hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng gây hiệu ứng chắn Coulomb.
Tính chất từ: Vật liệu khi thu nhỏ kích thước có từ tính tương đối mạnh. Các
kim loại có tính chất sắc từ khi ở kích thước nano sẽ chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Khi đó, có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàng bằng không.
Tính chất nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Khi kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, vàng 2nm có Tm = 5000C, kích thước 6 nm có Tm = 9500C.
Các phương pháp điều chế hạt nano kim loại:
Phương pháp từ trên xuống (top – down): là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật
liệu khối ban đầu.
Nguyên lý: Trong phương pháp này sử dụng kỹ thuật nghiền hoặc biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn về kích thước nano.
Ưu điểm: Đơn giản, khá hiệu quả, có thể tạo ra một lượng lớn vật liệu nano với hạt nano có kích thước tương đối nhỏ 10 – 100 nm.
Khuyết điểm: Tính đồng nhất của các hạt nano không cao, có thể tạo nên khuyết tật ở cấu trúc, bề mặt hạt nano. Phải tốn nhiều năng lượng và trang thiết bị phức tạp.
Phương pháp từ dưới lên (bottom – up): tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử
kết hơp lại với nhau. Đây là phương pháp khá phổ biến hiện nay để chế tạo hạt nano kim loại.
Nguyên lý: Phương pháp này dựa trên việc hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên tử hoặc ion, các nguyên tử hay ion khi được xử lí bởi các tác nhân vật lý hay hóa học sẽ kết hợp với nhau tạo thành hạt kim loại có kích thước nanomet.
Ưu điểm: Tạo ra các hạt nano có tính đồng nhất cao, có kích thước tương đối nhỏ và đồng đều. Tạo ra ít các khuyết tật trên cấu trúc bề mặt hạt nano và trang thiết bị phục vụ cho phương pháp khá đơn giản.
Khuyết điểm: Chỉ tạo ra được một lượng nhỏ vật liệu nano.