CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.10. Chất ổn định bề mặt bề mặt
1.10.1. Khái niệm và đặc điểm
Chất ổn định bề mặt (tiếng Anh: Surfactant, Surface active agent) đó là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. Là chất mà phân tử của nó phân cực: một đầu ưa nước và một đi kị nước [46].
Chất ổn định bề mặt được dùng giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc (interface) của hai chất lỏng. Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng khơng hịa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó. Khi hịa chất ổn định bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất ổn định bề mặt có xu hướng tạo đám (micelle, được dịch là mixen), nồng độ mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo đám được gọi là nồng độ tạo đám tới hạn. Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽ chụm đuôi kị nước lại với nhau và quay đầu ưa nước ra tạo nên những hình dạng khác nhau như hình cầu (0 chiều), hình trụ (1 chiều), màng (2 chiều). Tính ưa, kị nước của một chất hoạt hóa bề mặt được đặc trưng bởi một thông số là độ cân bằng ưa kị nước (tiếng Anh: Hydrophilic Lipophilic Balance-HLB), giá trị này có thể từ 0 đến 40. HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hịa tan trong nước, HLB càng thấp thì hóa chất càng dễ hịa tan trong các dung mơi khơng phân cực như dầu.
Hình 1.11: Cấu trúc hình thái đơn giản của chất hoạt động bề mặt
1.10.2. Tác dụng của chất ổn định bề mặt
Chất ổn định bề mặt giúp cho các hạt chấm lượng tử phát quang phân tán tốt trong nước sau khi tổng hợp. Ngoài ra, chất ổn định bề mặt có chức năng như một phần tử điều chỉnh tốc độ phản ứng và tốc độ phát triển tinh thể (liên quan đến khả năng điều chỉnh kích thước của hạt vật liệu) và ngăn cản không cho các hạt vi thể tụ
58
đám với nhau. Do liên kết của chất ổn định bề mặt với các tinh thể khác nhau là khác nhau, nên chất ổn định bề mặt cịn có ý nghĩa điều chỉnh sự phát triển tinh thể theo hướng khác nhau là khác nhau, cuối cùng là có thể tạo hình dáng tinh thể nano khác nhau. Tính tốn lượng chất ổn định bề mặt phù hợp cho phép có được sản phẩm có độ đồng nhất kích thước tốt, với thời gian phát triển tinh thể ngắn và các vi tinh thể khơng bị tụ đám. Ngồi ra, với liên kết phân tử với các liên kết hở trên bề mặt hạt vật liệu, các phân tử chất ổn định bề mặt cịn có tác dụng thụ động hóa, làm tăng cường độ huỳnh quang của các tinh thể nano.
1.10.3. Một số chất ổn định bề mặt
1.10.3.1. 3 - Mercaptopropionic acid (MPA)
Cơng thức hóa học: C3H6O2S
Hình 1.12: Cơng thức cấu tạo của 3 – MPA (nguồn: Namboodiri, H.V., Karpusas, M., Bukhtiyarova, M., Springman, E.B).
Cơ chế: Với cấu trúc là một đầu acid (-COOH) và một đầu base (-HS) đã giúp MPA liên kết dễ dàng với các hạt QDs. Liên kết sử dụng là liên kết cộng hóa trị. MPA được sử dụng để giúp phản ứng xảy ra thuận lợi trong mơi trường nước. Đặc biệt nó giúp cho các hạt QDs tạo thành được phân tán đồng đều trong môi trường nước, dễ dàng tương thích với các tế bào sinh học khi ứng dụng.
1.10.3.2. Starch (tinh bột)
Công thức: (C6H10O5)n
Tinh bột là một loại polysacarit carbohydrate chứa hỗn hợp amylose và amylopectin, tỷ lệ phần trăm giữa amylose và amylopetin thay đổi tùy thuộc vào từng loại bột. Tỷ lệ thường gặp là từ 20:80 đến 30:70. Amylose có dạng mạch thẳng, có thể tạo gel. Amylopetin dạng mạch phân nhánh, khơng có khả năng tạo gel.
Hình 1.13: Cơng thức cấu tạo Amylose (nguồn: Nguyễn Văn Khôi, Polysacarit và ứng dụng các dẫn xuất tan của chúng trong thực phẩm, NXB KH và kỹ thuật, 2006).
59
Hình 1.14: Cơng thức cấu tạo của Amylopectin (nguồn: Nguyễn Văn Khôi, Polysacarit và ứng dụng các dẫn xuất tan của chúng trong thực phẩm, NXB Khoa học
và kỹ thuật, 2006).
1.10.3.3. Polyvinyl alcohol (PVA)
Hình 1.15: Cấu trúc của PVA thủy phân một phần (a) và hoàn toàn (b)[47]
Tất cả các loại PVA, thủy phân một phần hoặc thủy phân hồn tồn đều có giá trị ứng dụng cho các ngành cơng nghiệp khác nhau. Các tính chất quan trọng nhất của PVA là khả năng tan trong nước, dễ tạo màng, chịu dầu mỡ và dung môi, khả năng ổn định như một chất ổn định – phân tán và hơn nữa là không độc với cơ thể sống [48].
Khả năng tan của PVA trong nước phụ thuộc vào độ thủy phân, độ trùng hợp, nhiệt độ và nhiệt độ xử lý. Tiến trình hịa tan của PVA cũng giống như các loại polymer khác trong nước. Dung dịch PVA chịu được đáng kể các rượu đơn chức như methanol, etanol và isopropanol [48].
1.10.3.4. Polyethylene glycol (PEG)
60
PolyEthylene Glycol là một polyete được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y học, sinh học, hóa học… PEG cũng được biết đến như polyethyleneoxide (PEO) hay polyoxyethylene (POE), tùy thuộc vào khối lượng phân tử của chúng. Cấu trúc của PEG có dạng như trong hình 1.16.
PEG tan trong nước, methanol, ethanol, acetonitrile, benzen và dung dịch dicloromethan, và khơng hịa tan trong dietyl ete và hexane.
PEG có độc tính thấp và được sử dụng trong một loạt các sản phẩm. Các polymer được sử dụng như một lớp phủ bôi trơn cho các bề mặt khác nhau trong môi trường dung dịch nước hoặc khơng nước; đồng thời cịn là một chất trợ phân tán dung môi [49].
1.10.3.5. Mercaptoundecanoic acid (11 – MUA)
Cơng thức cấu tạo:
Hình 1.17: Cấu trúc của MUA [50]
Cơ chế:
Hình 1.18: Cơ chế tạo liên kết giữa 11-MUA với các hạt nano phát quang
Cơ chế: Nhờ vào cấu trúc của mình với một đầu Axit (-COOH) và một đầu Bazơ (-HS), (theo thuyết Axit – Bazơ Lewis) giúp cho 11 - MUA có thể liên kết dễ dàng với các hạt nano phát quang bằng liên kết cộng hóa trị. Mecaptoundecanoic acid (11 – MUA) đuợc sử dụng để tạo điều kiện phản ứng đuợc xảy ra trong môi truờng nuớc, giúp cho các hạt nano pháp quang tạo thành đuợc phân tán đồng đều làm tăng cuờng độ phát quang của hạt.
61