2.2. Giới thiệu chung về nano bạc
2.2.3. Giới thiệu về hạt nano bạc
Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Do có diện tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn.
Các hạt nano bạc 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 hạt nano bạc với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano.
2.2.3.1. Tính chất lý học của hạt nano bạc 2.2.3.1.1. Tính chất quang
a. Phổ hấp thụ của hạt nano bạc
Phổ hấp thụ của hạt nano bạc nằm trong khoảng từ 400 - 460 nm [17].
Phổ hấp thụ của hạt nano bạc phụ thuộc vào kích thước của hạt nano bạc. Khi kích thước hạt tăng thì cường độ đỉnh tăng và dịch về phía bước sóng dài.
Kích thước hạt nano bạc phụ thuộc vào các yếu tố trong quá trình chế tạo hạt nano bạc.
Với cùng một điều kiện, phương pháp chế tạo khác nhau thì đỉnh hấp thụ của hạt nano bạc cũng khác nhau.
Với cùng một phương pháp, khi thay đổi điều kiện phản ứng như nồng độ chất tham gia phản ứng, tỉ lệ chất bao phủ, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng thì phổ hấp thụ cũng có sự thay đổi.
b. Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt
Tính chất quang học của hạt nano bạc trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) là hiện tượng khi hạt ở kích thước nano, các điện tử tự do trong hạt nano bạc tương tác với trường điện từ ngoài dẫn đến sự hình thành các dao động đồng pha với một tần số cộng hưởng nhất định. Các hạt nano bạc sẽ hấp thụ mạnh photon tới ở đúng tần số cộng hưởng này.
Hình 2.3: Hiện tượng cộng hưởng plasmon của hạt hình cầu
Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của hạt nano bạc nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano bạc có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano bạc làm cho hạt nano bạc bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano bạc và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất.
Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM_transmission electron microcope) để quan sát hình dạng và kích thước hạt nano bạc và sử dụng thiết bị đo phổ hấp thụ UV-VIS để quan sát hiệu ứng cộng hưởng plasmon của hạt nano bạc.
Ngoài ra, mật độ hạt nano bạc 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.
2.2.3.1.2. Tính chất điện
Bạc là một kim loại dẫn điện tốt nhất trong các kim loại. Bạc có mật độ điện tử tự do cao nên điện trở của bạc rất nhỏ.
Đối với vật liệu bạc ở dạng khối, các lý thuyết về độ dẫn được tính toán dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại do tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (photon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính.
Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano bạc là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I - U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C đối với U và e/RC đối với I. Trong đó e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực.
2.2.3.1.3. 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. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, khi kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm.
2.2.3.1.4. Hiệu ứng bề mặt
Khi hạt bạc có kích thước nanomet, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ phần đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu bạc ở dạng khối. Sự tăng cường khả năng diệt khuẩn bạc là một ví dụ của hiệu ứng bề mặt.
Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Vật liệu ở bất cứ kích thước nào cũng có hiệu ứng bề mặt, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua [3].
Bảng 2.3: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano bạc [15]
Đường kính hạt
nano (nm) 10 5 2 1
Số nguyên tử 30.000 4.000 250 30
Tỉ số nguyên tử
bề mặt (%) 20 40 80 90
Năng lượng bề
mặt (erg/mol) 4,08×1011 8,16×1011 2,04×1012 9,23×1012 Năng lượng bề
mặt/Năng lượng
tổng (%) 7.6 14,3
35,3
82,2 2.2.3.2. Các phương pháp phân tích hạt nano bạc
Sử dụng phương pháp phân tích phổ UV-VIS
UV-VIS (Ultraviolet–visible spectroscopy) là phương pháp phân tích sử dụng phổ hấp thụ hoặc phản xạ trong phạm vi vùng cực tím cho tới vùng ánh sáng nhìn thấy được.
Do các thuộc tính quang học của dung dịch chứa hạt nano phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và nồng độ của hạt, nên ta có thể sử dụng UV-VIS để xác định các thuộc tính trên.
Hình 2.4: Ảnh UV-VIS của các hạt nano bạc[10].
Do hạt nao bạc có kích thước nhỏ hơn 20 nm chỉ có một bề mặt plasmon duy nhất nên trong phổ UV-VIS của chúng chỉ xuất hiện 1 đỉnh duy nhất.
Người ta xử dụng tính chất này để xác định hình dạng của hạt nano bạc[12].
2.2.3.3. Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc
Nano bạc được nghiên cứu ứng dụng vào việc kháng khuẩn vì bạc là kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ. Nano bạc không gây phản ứng phụ, không gây độc cho người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc bằng nồng độ diệt khuẩn (khoảng nồng độ <100ppm) [20].
Các hạt nano bạc có kích thước từ 1 – 10nm thì thể hiện tác động rất mạnh đối với vi khuẩn. Do ở kích thước nhỏ thì khả năng tác động và thâm nhập của hạt nano bạc qua lớp màng của vi khuẩn là rất tốt. Vì thế, tác dụng diệt khuẩn ở bên trong cơ thể vi khuẩn là rất hiệu quả. Đồng thời, ở kích thước nano thì diện tích bề mặt của hạt nano là lớn hơn rất nhiều so với khối hạt của nó. Cho nên khả năng tương tác với vi khuẩn thông qua việc tiếp xúc bề mặt tăng lên. Nếu kích thước của hạt nano bạc càng nhỏ thì càng tốt, vì kích thước càng nhỏ thì đặc tính diệt khuẩn đã nêu trên là rất lớn [15]
Khi các hạt nano kim loại ở kích thước 5nm chúng sẽ có khả năng gây nên hiệu ứng điển tử tức là sự biến đổi cấu trúc điện tử của bề mặt. Do đó, khả năng hoạt động của bề mặt hạt nano được tăng cường mạnh mẽ. Kích thước hạt nano giảm thì phần trăm tiếp xúc của các phân tử tương tác tăng lên [15].
Các hạt nano bạc thường có hình khối, số lượng các mặt hình khối cho thấy khả năng tác dụng với vi khuẩn ở mức độ cao hay thấp. Số lượng mặt càng nhiều thì khả năng diệt khuẩn càng cao. Đồng thời, trong quá trình sử dụng hạt nano bạc thường ở trong dung dịch phân tán. Nơi mà một lượng nhỏ ion bạc đã được che dấu và đóng góp một phần cho khả năng diệt khuẩn của phân tử nano bạc [15].
2.2.3.4. Ảnh hưởng của hạt nano bạc đến sức khỏe con người
Nano bạc được đưa vào sử dụng với mục đích kháng khuẩn và ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn. Điều đó nói lên mối quan hệ của nano bạc và con người.
Một nghiên cứu của trường đại học y khoa ODENSE cho thấy nano bạc không có tương tác mạnh với cơ thể con người và cũng không là tác nhân gây độc. Chính vì vậy, nano bạc không gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người [15].
2.2.3.5. Ứng dụng của nano bạc trong đời sống 2.2.3.5.1. Ứng dụng của nano bạc trong xúc tác
Nano bạc có diện tích bề mặt lớn và năng lượng bề mặt cao rất hữu ích cho việc làm xúc tác. Khi xúc tác các hạt nano được phủ lên các chất mang như silica phẳng… chúng có tác dụng giữ cho các hạt nano bám trên các chất mang. Đồng thời, có thể làm tăng độ bền, tăng tính xúc tác, bảo vệ chất xúc tác khỏi quá nhiệt cũng như kết khối cục bộ giúp kéo dài thời gian hoạt động của chất xúc tác. Ngoài ra, hoạt tính xúc tác có thể điều khiển bằng kích thước của các hạt nano bạc dùng làm xúc tác [15].
2.2.3.5.2. Ứng dụng của hạt nano bạc trên PU trong xử lý nước thải
Thông thường, xử lý nguồn nước dùng các tác nhân hóa học như: Clo, các dẫn xuất của nó. Các tác nhân vật lý: tia UV, bức xạ hoặc các chất khác như các màng zeolit, polymer, ion kim loại… có khả năng diệt khuẩn. Bên cạnh đó, việc sử dụng các hạt nano kim loại trong lĩnh vực này cũng là hướng đi mới và hứa hẹn nhiều tiềm năng lớn.
Hạt nano bạc được biết đến với tính năng diệt khuẩn cao, không độc hại với con người. Hiện nay, người ta sử dụng PU có bao phủ bạc tạo ra loại màng lọc nước có tính năng diệt khuẩn cao.
2.2.3.5.3. Ứng dụng của nano bạc trong ngành dệt may
Trong thời gian dài, ngành dệt may sử dụng các hợp chất như: CuSO4, ZnSO4… đưa vào trong vải tạo ra các sản phẩm sạch có khả năng diệt khuẩn.
Tuy nhiên, các tác nhân trên không thể đáp ứng được yêu cầu cơ bản trong việc diệt khuẩn. Chính vì thế, việc làm ra các tác nhân mới đáp ứng nhu cầu thực tế là rất cần thiết.
Như đã được biết đến, hạt nano bạc có tính năng diệt khuẩn từ 98 – 99%. Nên khi đưa nano bạc vào xơ sợi thì các hạt nano bạc bám dính phân tán và cũng không gây tác hại cho da và có khả năng diệt khuẩn rất cao.
Hiện nay, nano bạc đã được đưa vào xơ sợi của ngành công nghiệp dệt may như: cotton, polyeste, polyester/cotton, PP/PE, Polyamid, len, Silk và Nylon…
Nano bạc ứng dụng trong các sản phẩm dệt may được sử dụng có tính sát khuẩn cao: quần áo, găng tay dùng trong y tế và các sản phẩm tránh mùi hôi.