IV. ỨNG DỤNG CỦA MÀNG NANO
1. TỔNG QUÁT
Từ khi màng nano ra đời, nó được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghệ cũng như trong đời sống.
Trong số các tính chất của màng nano, tỉ lệ giữa bề dày với tổng thể tích bề mặt là điều đáng quan tâm. Ở hình IV.1, cho thấy cùng một thể tích như nhau, nhưng sự hấp phụ trên màng nano tỏ ra vượt trội hơn so với màng thông thường. Do khi cùng thể tích, nhưng khi ở kích thước nhỏ về bề dày thì diện tích bề mặt trên màng nano tăng lên đáng kể, làm gia tăng tỉ lệ diện tích bề mặt so với thể tích, từ đó là tăng khả năng hấp phụ. Điều này khá quan
trọng cho ứng dụng vào các quá trình xúc tác, giúp gia tăng hiệu suất chuyển hóa, đồng thời tiết kiệm được một lượng đáng kể các kim loại quý-đắt tiền như platinum, palladium… trong các hệ thống xúc tác như microreactor, microconvertor…
Hình IV.1: So sánh khả năng hấp phụ giữa màng thông thường (a) và màng nano (b) khi cùng thể tích.
Những thiết bị sử dụng đặc tính xúc tác của màng nano còn là các hệ thống pin micro, hệ thống làm sạch-chuyển hóa nhiên liệu… đặc biệt, màng nano còn có thể xem là vật liệu thay thế màng Nafion truyền thống trong pin nhiên liệu trao đổi proton PEM nhằm nâng cao hiệu năng của pin. Màng Nafion là loại màng Sulfonate tetrafluoroehtylene trên nền fluoropolymer-copolymer được ra đời từ những năm 1960, do công ty hóa chất DuPont (Mỹ).
Ứng dụng khá rộng lớn khác của màng nano là cho các quá trình phân riêng, đóng vai trò như rây phân tử hay lọc các tiểu phân – từ phân tách chất lỏng, khí cho đến làm sạch nước khỏi các chất ô nhiễm hay vi khuẩn, virus, hay khử muối từ nước biển. Bởi vì, trong màng nano thì tỉ lệ giữa kích thước lỗ xốp (thường là kích thước meso hay micro) với bề dày thì nhỏ hơn nhiều so với màng thông thường, và dày hơn khoảng 1000-10000 lần so với các tiểu phân cần phân tách. Do tỉ lệ nhỏ hơn này, các tiểu phân khi đi qua màng nano sẽ chỉ phải đi qua lỗ xốp có độ dài kênh ngắn hơn nhiều và kết quả là tốc độ truyền vận qua
màng sẽ lớn hơn. Và với tỉ lệ nhỏ hơn như thế, việc lọc bằng màng nano dễ dàng kiễm soát hơn và tránh được sự lãng phí trong quá trình lọc. Với màng nano, còn có thể dễ dàng kiểm soát sự phân bố điện tích trong các lỗ, tăng khả năng chọn lọc các tiểu phân khi đi qua màng, đặc biệt là các tiểu phân có độ phân cực.
Hình IV.2: Các loại màng nano cho quá trình lọc: (a) màng có lỗ xốp, (b) màng đặc, (c) màng trao đổi ion, (d) màng với những kênh chứa ion.
Ngoài ra, với tính chất quang học lượng tử chỉ có khi bề dày ở kích thước nano, màng nano còn được ứng dụng trong các hệ thống cơ quang điện như: các tấm hấp thu ánh sáng trong pin mặt trời, các sensor hay các thiết bị bán dẫn…Hoặc trong các lĩnh vực trang trí, xây dựng…
Sau đây là tóm tắt các lĩnh vực ứng dụng của mang nano hiện nay:
• Sản xuất và chuyển hóa năng lượng: các loại pin nhiên liệu, pin mặt trời, hệ thống pin micro và nguồn năng lượng micro, phân tách hydro, khử lưu huỳnh, tổng hợp hydrocarbon trong hóa dầu, sản xuất nhiên liệu sinh học, tách và làm sạch nhiên liệu…
• Y học: dẫn truyền thuốc, lọc máu, các sensor cho y học, các thiết bị nuôi cấy mô, dụng cụ chẩn đoán, nghiên cứu các hệ thống miễn dịch và chăn soc sức khỏe…
• Công nghệ sinh học: phân tách-phân tích và nghiên cứu các hệ gen, DNA, tế bào, protein, nghiên cứu phân tích virus và phương pháp ức chế, chế tạo các cấu trúc nano phỏng sinh học, hay những chất nhạy sinh-hóa…
• Kỹ thuật hóa học: các quá trình cho thực phẩm, hay các quá trình lọc như: lọc nano, lọc thẩm thấu ngược, siêu lọc, lọc micro, nhằm sản suất hóa chất có độ tinh khiết cao, khử muối từ nước biển, phân tách các khí đa cấu tử, loại nước…
• Bảo vệ môi trường: thu hồi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ không khí hay các chất có giá trị, xử lý nước thải, kiểm soát ô nhiễm không khí, tái sinh và làm tinh khiết nước uống, chế tạo các sensor sinh-hóa…
• Bán dẫn, điện từ và quang học: chế tạo các detector về nhiệt, plasmon, nhận biết các tiểu phân hay gốc tự do, các cấu trúc nanophoton, các vật liệu quang học-điện từ, màn hình điện tử, các siêu tụ điện hay những ứng dụng cho thiết bị UV hay X-ray…
• Đời sống: những tấm màng thay đổi màu sắc, phản quang, chống chói- chống nắng cho lĩnh vực trang trí, hay những chiếc gương một chiều thường dùng trong nghiên cứu, điều tra…
