Chương 1 Tổng quan về hệ thấp chiều – vật liệu nano Cacbon và Exciton
2.5. Các ứng dụng của Graphene
Khi công nghệ nano ngày càng phát triển thì tấm Graphene được sử dụng
như một vật liệu nano 2D lý tưởng, mặc dù không tồn tại ở trạng thái đơn nhất một mặt lý tưởng nhưng trong khả năng của công nghệ nano hiện nay ta vẫn có thể chế
tạo được những tấm Graphene có độ dầy hữu hạn cỡ nano. Năm 2006 Georgia Tech
đã tuyên bố là chế tạo thành công Transistor hiệu ứng trường phẳng, và linh kiện
giao thoa lượng tử từ Graphene. Và các nhà khoa học cũng đã quan sát được hiệu ứng Hall lượng tử (QHE) trong vật liệu này.
Ngồi ra Graphene có một số tính chất khiến nó thật hấp dẫn cho nhiều ứng dụng khác nhau. Giải Nobel Vật lí 2010 vinh danh hai nhà khoa học đã có những đóng góp có tính quyết định cho sự phát triển này. Về cơ bản, nó cứng hơn thép và
rất dễ kéo căng. Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt thì rất cao và nó có thể dùng làm một chất dẫn dẻo. Độ dẫn của nó có thể biến đổi trên một ngưỡng lớn hoặc bằng cách
pha tạp hóa học, bằng tác dụng của điện trường. Độ linh động của Graphene là rất
cao khiến chất liệu rất hấp dẫn cho các ứng dụng điện tử cao tần.
Mới đây, người ta đã có thể chế tạo những tấm Graphene cỡ lớn. Sử dụng
các phương pháp bán công nghiệp, các tấm với bề rộng 70 cm đã được tạo ra. Vì
Graphene là một chất dẫn trong suốt, nên nó có thể dùng trong các ứng dụng như màn hình cảm ứng, tấm phát sáng và pin mặt trời, nơi nó có thể thay thế cho
indium-thiếc-oxide (ITO) vừa dễ vỡ vừa đắt tiền. Các thiết bị điện tử dẻo và các bộ cảm biến chất khí, cảm biến sinh họclà những ứng dụng tiềm năng khác. Hiệu ứng Hall lượng tử ở Graphene có thể cịn có khả năng góp phần cho một chuẩn điện trở cịn chính xác hơn nữa trong đo lường học. Những loại chất liệu hỗn hợp mới dựa trên Graphene với sức bền lớn và khối lượng riêng khắp cịn có thể trở nên hấp dẫn trong các cơng dụng trong chế tạo phi thuyền và máy bay.
Như vậy, sự phát triển của chất liệu mới này đã mở ra những hướng đi mới
vô cùng lý thú và không kém phần khả quan cho cả nghiên cứu khoa học cơ bản lẫn cho các ứng dụng trong tương lai. Đột phá trên được thực hiện bởi Geim,
Novoselov và các cộng sự của họ; bài báo hồi năm 2004 đã khơi ngòi cho sự phát triển trên. Dựa vào những thuộc tính vật lý đặc biệt của graphene các nhà khoa học có cơ sở để kiểm tra lại những lý thuyết Vật lý trước đây. Nó cũng là ứng viên sáng giá nhất cho vật liệu mới có thể khắc phục những khiếm khuyết của Si do đó về
nhiều phương diện nó vượt trội Si trong tư cách một vật liệu mới và vật liệu điện mới
Đặc biệt, Graphene là vật liệu cacbon có cấu trúc nano nên dễ dàng gắn kết
và lai ghép với các hệ sinh học sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong ngành nano sinh học,
đẩy mạnh sự phát triển của vật lý y sinh, hứa hẹn mang lại những kết quả có tính
thực tiễn cao trong đời sống.
2.6. Mơ hình TB (Tight Binding–Liên kết chặt) cho một lớp đơn graphene
Graphene (lá than chì) có cấu trúc là một tấm phẳng và được coi là mỏng
nhất hiện nay, có độ dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cacbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Cịn chiều dài liên kết giữa các nguyên tử cacbon - cacbon gần nhất trong một ô mạng lục giác của graphen khoảng 0,142 nm. Nó là chất liệu kết tinh hai chiều thật sự đầu tiên với độ dày một lớp đơn nguyên tử cỡ nano và nó là đại diện của một họ hàng hoàn toàn mới của các chất liệu 2D, bao gồm chẳng hạn các đơn lớp Boron-Nitride (BN) và Molybdenum-disulphite (MoS2), cả hai chất đều được chế tạo sau năm 2004.
Hình 2.8. Tấm graphene ở trạng thái lai hóa sp2
Để đặc trưng cho cấu trúc mạng tinh thể của Graphene người ta xét hai vetor đơn vị ( hay vector mạng) a1 và a2 được viết như sau:
a1= (3, 3) 2 a , a2= (3, 3) 2 − a . (2.1)
Trong đó a ≈ 1.42 Ao (nm) chính là khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon cạnh nhau trong một mặt phẳng. Các vector mạng đảo của Grphene dễ dàng tính được
như sau b1 = (1, 3) 3 2 a π , b2 = (1, 3) 3 2 − a π . (2.2)
Hình 2.9 . Cấu trúc xếp chặt và vùng Brillouin thứ nhất trong mạng đảo
Trong đó hình bên trái là cấu trúc mạng thực cịn hình bên phải mơ tả mạng
đảo với các điểm đối xứng K, M, K’, Γ. Ta có K, K’ được gọi là các điểm Dirac và
chúng có tọa độ trong không gian xung lượng là
K = a a 3 3 2 , 3 2π π , K’ = − a a 3 3 2 , 3 2π π . (2.3)
Ngoài ra ba vector lân cận gần nhất trong không gian thực cũng được xác định
δ1 = (1, 3) 2 a , δ2 = (1, 3) 2 − a , δ1 = - a(1,0). (2.4) Phương trình Hamiltonian cho các electron của graphene có dạng
H = ∑ ∑ > < << >> + + + + − + + − σ σ σ σ σ σ σ σ , , , , , , , , ' , , . ) ( . ) ( j i i j j i j i j ib H c t a a b b H c a t . (2.5)
Giải phương trình trên, với t ≈ 2.8 eV, 0.02t ≤ t’ ≤ 0.2t . Các mức năng lượng thu
được từ phương trình Hamiltonian có dạng ( Wallace,1947)
) ( ) ( 3 f k t'f k t E± =± + − . (2.6)
Trong đó dấu “+” ứng với dải năng lượng liên kết π, dấu “-“ ứng với dải năng lượng liên kết phản π. Hàm tán sắc ƒ(k) được xác định bằng hệ thức ƒ (k) = ( ) 2 3 cos( ) 2 3 cos( 4 3 cos( 2 kya+ kya kxa . (2.7)
Hình 2.10. Giản đồ 3D của hệ thức tán sắc của mạng graphene 2D được tính tốn trong gần đúng liên kết mạnh với giá trị t =2.7 eV và t’ =-0.2t.
2.7. Cấu trúc dải năng lượng
Do cấu trúc điện tử của graphene khác hẳn với vật liệu ba chiều, mặt Fermi
được đặc trưng bởi sáu hình chóp đơi như hình 2.11, mức Fermi nằm tại các điểm
gặp nhau (điểm Dirac) của các hình chóp đó. Gần mức Fermi hệ thức tán sắc (tức
năng lượng như hàm số của hàm số vector sóng ћk) của electron và lỗ trống là hàm tuyến tính.
Hình 2.11. Cấu trúc dải năng lượng của tinh thể biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng với chuyển động của electron.
Như vậy trong Graphene dải hóa trị (valence) và dải dẫn (conduction) tiếp xúc nhau tại những điểm của vùng Brillouin. Hệ thức tán sắc năng lượng–xung
lượng trở thành tuyến tính ở vùng lân cận các điểm đó, hệ thức tán sắc được mơ tả bởi phương trình năng lượng tương đối tính
Trong đó vF là vận tốc Fermi còn ћk là xung lượng. Do đó một electron có khối
lượng hiệu dụng bằng không và chuyển động như là một photon hơn là một hạt có khối lượng thơng thường với hệ thức tán sắc parabolic.
Vì khối lượng gần như bằng không và vận tốc là một hằng số giống như vận tốc của photon luôn bằng c nên cơ học lượng tử trong Graphene là đồng nhất với cơ học lượng tử của những hạt tương đối tính với khối lượng rất nhỏ. Các tính chất
tương đối này khơng phải xuất phát từ điều kiện phù hợp với lý thuyết tương đối – hay với bất biến Lorentz – mà đơn giản là từ điều kiện đối xứng của mạng hình tổ ong. Ngồi ra vì Hamilton của chúng tương tự như Hamilton của các hạt tương đối tính khơng khối lượng cho nên graphene có những tính chất mà ta có thể biết được
từ bất kỳ cuốn sách nào nói về cơ lượng tử tương đối tính.
Chương 3
Deoxyribonucleic Acid 3.1 Deoxyribonucleic Acid
Deoxyribo Nucleic Acid (viết tắt ADN theo tiếng Pháp hay DNA theo tiếng
Anh) là một phân tử acid nucleic mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt
động sinh trưởng và phát triển của các vật chất hữu cơ bao gồm cả một số virus.
DNA thường được coi là vật liệu di truyền ở cấp độ phân tử tham gia quyết định
các tính trạng. Trong q trình sinh sản, phân tử DNA được nhân đôi và truyền cho thế hệ sau.
Trong những tế bào sinh vật nhân thật (eukaryote), DNA nằm trong nhân tế bào trong khi ở các tế bào vi khuẩn hay các prokaryote khác (archae), DNA không được màng nhân bao bọc, vẫn nằm trong tế bào chất. Ở những bào quan sản sinh
năng lượng như lục lạp và ty thể, cũng như ở nhiều loại virus cũng mang những
phân tử DNA đặc thù. Chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về cấu trúc xoắn kép của DNA và một số tính chất vật lý liên quan đến đề tài.
Về mặt cấu tạo, các DNA khơng phải một phân tử đơn thuần mà nó được tạo thành từ hai chuỗi đơn gọi là polynucleotide, chúng liên kết với nhau bằng liên kết
hydro. Mỗi monomers trong chuỗi polynucleotide gọi là nucleotide. Các nucleotide này liên kết với nhau thông qua liên kết phosphodieste giữa gốc đường của
nucleotide này với gốc phosphate của nucleotide tiếp theo. Tóm lại, DNA là các đại phân tử (polymer) mà các đơn phân (monomer) là các nucleotide.
Mỗi nucleotide được tạo thành từ một phân tử đường ribose (trong DNA là đường deoxyribose), một gốc phosphate và một bazơ nitơ (nucleobase). Trong
DNA có 4 loại nucleotide và những loại này khác nhau ở thành phần nucleobase. Do đó tên gọi của các loại nucleotide xuất phát từ gốc nucleobase mà nó mang gồm: Adenine (A), Thymine (T), Cytosine (C), và Guanine (G). Trong đó, A và G là các purine (có kích thước lớn) cịn T và C, có kích thước nhỏ hơn (pyrimidine).
Hình 3.1. Cấu tạo của 4 loại base (trái) và cấu tạo của một đơn phân nucleotide
Hai chuỗi polynucleotide của 1 phân tử DNA liên kết với nhau thông qua liên kết hiđrô, được tạo ra giữa 2 gốc nucleobase của 2 nucleotide đối diện nhau trên 2 chuỗi. Nhưng liên kết này chỉ hình thành giữa 2 loại nucleobase nhất định là A
với T (qua 2 liên kết hydro) và C với G (bằng 3 liên kết hydro) . Đó thực chất là liên kết giữa một purine và 1 pyrimidine nên khoảng cách tương đối giữa 2 chuỗi
polynucleotide được giữ vững. Nguyên tắc hình thành liên kết trên được gọi là
nguyên tắc bổ sung và nó phổ biến trên mọi lồi sinh vật.
Hình 3.2: Cấu trúc khơng gian của DNA
Hai chuỗi polynucleotide uốn quanh một trục tương tự như một thang dây xoắn. Khoảng cách giữa hai nucleotide liên tiếp nhau trong cùng một chuỗi là 0.34 nm. Chu kỳ hay còn gọi là bước xoắn của hai chuỗi là 0,34nm. Nghĩa là bình quân, mỗi chu kỳ xoắn bao gồm 10 nucleotide. Mỗi mạch đơn trong chuỗi xoắn kép có
một đầu mang nhóm phosphate tự do gắn vào C5 của đường 5C nên gọi là 5’P. Đầu cịn lại có nhóm OH ở vị trí C3 nên được gọi là 3’OH. Do nguyên tắc bổ sung trong liên kết giữa hai chuỗi mà hai mạch đơn là đối song với nhau. Trật tự liên kết của
hai mạch là
5’P ………………. 3’OH 3’OH ……………… 5’P
Ngày nay, các nhà khoa học cho rằng mỗi dạng DNA là một dịng họ các phân tử có kích thước dao động quanh các trị số trung bình. Hai chỉ số thường dùng
để phân biệt các dạng DNA là chiều cao giữa hai nucleotide kề nhau (h) và số cặp
nucleotide trong một vịng xoắn (n).
Trong đó 3 dạng DNA thường gặp nhất là dạng A, B, Z . Dạng B chính là tên gọi khác của dạng mơ hình mà Watsson và Crick tìm ra, đây là dạng phổ biến nhất thường tồn tại trong điều kiện sinh lý bình thường cịn các dạng khác chủ yếu tồn tại
Hình 3.3 : Ba dạng khác nhau của phân tử DNA
3.3. Tính chất vật lý của DNA.
Đầu tiên ta có nhận xét là DNA là vật liệu có kích thước cỡ nano nên ngay từ
khi công nghệ nano phát triển nó đã trở thành một trong những đối tượng quan
trọng để nghiên cứu, ứng dụng trong khoa học nano. Cơ sở của việc ứng dụng DNA vào công nghệ nano không chỉ do cấu trúc nano của nó mà cịn do nó có rất nhiều tính chất hóa, lý , sinh lý thú và mới lạ cũng như khả năng ứng dụng cao trong
nghiên cứu cũng như trong cuộc sống. Vì vậy để đi vào nghiên cứu một mơ hình
cảm biến sử dụng DNA ta đi tìm hiểu một số tính chất liên quan của nó. Ngun nhân của điện tích âm bề mặt đó có thể được giải thích là do thành phần cấu tạo của DNA và cách sắp xếp các thành phần đó trong khơng gian. Cấu trúc xoắn kép của DNA có nucleobase nằm ở trong và phần bên ngoài là gồm có đường và gốc
phosphate. Ở đây gốc phosphate tham gia liên kết diesters kết nối các gốc đường
với nhau, mà chúng ta biết rằng gốc phosphate hóa trị (-3) mà mới chỉ tham gia 2 liên kết do vậy bản thân gốc phosphate sẽ dư điện tích âm, mà nó lại định xứ ở phía ngồi bề mặt DNA nên dẫn đến việc DNA có lớp điện tích âm bề mặt tự nhiên.
Chính lớp điện tích âm bề mặt này sẽ quy định tính chất điện của DNA và quy định hành vi của nó khi tương tác với môi trường xung quanh đặc biệt là mơi trường có
điện tích như mơi trường dung dịch điện ly chẳng hạn.
Ngoài ra như ta đã biết có nhiều loại DNA như A, B, C, D, E, H, L ,P, Z – DNA nhưng trong sinh học chỉ quan sát thấy A-DNA, B-DNA và Z-DNA. Trong
đó B-DNA là cấu trúc phổ biến nhất trong tự nhiên. Tính chất vật lý đặc biệt ở đây
ta cần xem xét là sự chuyển pha cấu trúc giữa các dạng DNA khác nhau. Trong những điều kiện vật lý nhất định nào đó DNA có thể xảy ra sự chuyển pha từ dạng
này sang dạng khác, chẳng hạn như trong mơi trường có nồng độ cao thì có thể xảy ra sự chuyển pha cấu trúc của DNA từ B-DNA sang Z-DNA và ngược lại khi ta khử bớt lượng ions dương có trong dung dịch thì cấu trúc DNA lại trở về dạng ban đầu.
Chương 4
Chíp cảm biến sinh học SGR– DNA 4.1. Cảm biến sinh học (Biosensor)
Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thơng tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử
nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi. Chíp cảm biến sinh học là sự kết hợp cực kỳ hữu ích giữa các vật liệu nano và các phần tử sinh học. Một trong những loại chíp cảm biến sinh học đang được nghiên cứu
một cách sâu rộng là chíp cảm biến làm từ SGR và DNA. Các axit nucleic như DNA, ARN có thể sử dụng làm đầu thu sinh học. Các cảm biến có đầu thu dạng này thường được sử dụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền. Các dải Graphene sẽ đóng vai trò là bộ phận chuyển đổi. Đây là hai bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học.
Công nghệ cảm biến sinh học nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Trong ngành y sinh, các cảm biến sinh học nano này cho phép các nhà khoa học thăm dò trong tế bào sống mà không huỷ hoại tế bào. Trong cơng nghệ mơi trường thì là các cảm biến dạng “mũi điện tử” xác định một hoá chất độc hại nào đó hoặc xác định độ ơ nhiễm của môi trường. Một lĩnh vực mới hơn là tương tác người –
máy, các cảm biến được chế tạo có chức năng nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, nhận dạng các đặc trưng sinh học của con người…
Ý tưởng về các cảm biến chế tạo từ sự kết hợp giữa Graphene với DNA hiện
đang được các nhà khoa học quan tâm. Graphene là đối tượng được đánh giá cao vì
nó là siêu dẫn, là độ nhạy cao và có một diện tích bề mặt lớn, nó cũng dễ làm và dễ sử dụng hơn so với chuỗi đơn. Ngoài ra một lợi thế nữa là Graphene tương tác