Khoa học và công nghệ nano là một lĩnh vực mới, phát triển rất nhanh chóng và được ứng dụng trong nhiều ngành như điện tử, vật lý, hóa học, sinh học, y học, môi trường,… Nó đã tạo ra nhiều loại vật liệu chức năng mới có kích thước trong khoảng từ 0.1 đến 100 nanomet (nm) trên cơ sở hóa học nano. Bởi nhiều nguyên tố hóa học có được những tính chất hoàn toàn mới khi được đưa về trạng thái nanomet, trên cơ sở đó chế tạo được các vật liệu mới. Chẳng hạn, vàng kim loại thường được dùng làm đồ trang sức vì nó rất bền ở điều kiện thường. Nhưng khi giảm kích thước của hạt kim loại vàng xuống đến cỡ nanomet thì hoạt tính hóa học của nó tăng lên rất lớn. Khi đó, ta có thể sử dụng vàng làm chất xúc tác thân môi trường hay dùng để chế tạo pin nhiên liệu. Vả lại, giá thành chế tạo hạt vàng có kích thước nano rẻ hơn nhiều so với những vật liệu hiện có.
3.1. Vật liệu composite
3.1.1. Khái niệm
Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu.
3.1.2. Đặc điểm cấu tạo
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite có một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Trong đó, pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite, pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix) thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại với nhau, pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (renfot) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước,…
• Vật liệu nền trong vật liệu composite là chất kết dính, giúp chuyển ứng suất sang cho sợi gia cường khi có ngoại lực tác động vào vật liệu. Nó quyết định khả năng bền với môi trường, khả năng chịu nhiệt của vật liệu.
• Trong vật liệu composite, thành phần cốt thường được sử dụng hiện nay là các loại sợi như: sợi thủy tinh, sợi Aramid, sợi carbon, sợi amiang,…Độ cứng, tỷ
trọng, khả năng chịu nhiệt,…là các tính chất của thành phần cốt cần được quan tâm khi chọn loại sợi cho vật liệu composite.
• Ngoài hai thành phần cơ bản trên thì trong vật liệu composite còn có các phụ gia khác như chất xúc tác, chất tạo màu,…
3.1.3. Tính chất và ứng dụng
• Vật liệu composite có ưu điểm là nhẹ, bền, có tính cơ học cao, chịu nhiệt, chịu hóa chất tốt, giá thành phù hợp nên được sử dụng rất rộng rãi. Hiện nay, composite đã có mặt ở hầu hết các lĩnh vực như giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp, y tế, hàng không, vũ trụ,…
• Đặc biệt, vật liệu compsite cao cấp là loại composite đắt tiền, có khả năng chịu nhiệt cao, rất bền, chúng được sử dụng chủ yếu trong ngành hàng không dân dụng, quân sự, vũ trụ và dùng để làm một số vật dụng trong thể thao như goft, tennis,…
3.2. Vật liệu nanocomposite
Vật liệu nanocomposite là loại vật liệu có ứng dụng rộng rãi cả trong kỹ thuật và dân dụng. Nanocomposite bao gồm ba loại nền kim loại, nền gốm và nền polimer.Ở đây ta chỉ đề cập đến nanocomposite trên cơ sở chất nền là polimer.
Vật liệu nanocomposite polymer là loại vật liệu composite polymer với hàm lượng chất gia cường thấp (1-7%) và chất gia cường này phải ở kích thước nanomet.
Thông thường chất gia cường ở kích thước nano được sử dụng là hạt nano và ống carbon.
Vật liệu nanocomposite là hưóng đi khác của công nghệ nano. Nó được sản xuất bằng cách đưa vật liệu vô cơ cấu trúc lớp có kích thước nanomet như khoáng sét tự nhiên vào polymer để đạt độ phân tán đến mức nano. Những vật liệu mới dưới dạng các nanocomposite có thể dùng để chế tạo chất ức chế tia tử ngoại, vật liệu khử trùng, vật liệu chống cháy và các ứng dụng khác.
Hơn nữa, vật liệu nanocomposite còn là vật liệu thân thiện môi trường, có thể tái sử dụng mà vẫn duy trì được những đặc tính độc đáo của nó.
** Một số vật liệu nanocomposite
Vật liệu nanocomposite nền polymer: là vật liệu thông dụng trong kĩ thuật và dân dụng bởi chúng có những ưu điểm nổi bật như nhẹ, dễ gia công chế tạo, có độ bền hóa học cao. Khi kết hợp với các hạt hoặc sợi nano tinh thể sẽ tạo thành tổ hợp vật liệu có nhiều tính chất quí giá nhưng giá thành lại rẻ và dễ chế tạo.
Vai trò của nền polymer trong nanocomposite là nền che chắn cốt, tạo nên hình dáng xác định của vật liệu và nó còn được xem như là chất keo phân tán các phân tử cốt nano tinh thể tránh sự keo tụ. Khi đưa các phân tử cốt có kích thước nanomet vào các nền polymer khác nhau sẽ tạo được một hỗn hợp các tính chất kết hợp của nền polymer như mềm dẻo, dễ gia công,…và các tính chất đặc biệt của cốt nano như tính bán dẫn, dẫn điện, chịu nhiệt, dẫn quang, có từ tính, làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học,…
Vật liệu nanocomposite nền kim loại: chế tạo chủ yếu theo công nghệ in situ hoặc ủ nhiệt sau khi phun băng nguội nhanh vô định hình, vô định hình khi hợp kim hóa bằng nghiền năng lượng cao, vô định hình khi chế tạo lớp kết tủa hóa học và điện hóa.
Vật liệu nanocomposite nền gốm: quan trọng nhất là hệ SiC-Si3N4 được chế tạo theo công nghệ in situ.
3.3.Tình hình nghiên cứu tổng hợp nanocomposite
3.3.1. Nghiên cứu trên thế giới
Ngày 28-12-1990, Kan-Sen Chou, Chiang-Yuh Ren: Tổng hợp hạt nano bạc bằng phương pháp khử hóa học dùng formaldehyde trong dung dịch lỏng.
Ngày 15-09-2002, Qunqiang Feng, Zhimin Dang, Na Li, Xiaolong Cao: Tính chất của bột nano dựa vào những hiệu ứng Coulomb Blockade.
Ngày 03-09-2003, Hengbo Yin, Tetsushi Yamamoto, Yuji Wada, Shozo Yanagida:
Tổng hợp trên qui mô lớn hạt nano bạc dưới sự chiếu xạ sóng cực ngắn.
Ngày 06-08-2004, Ki Young Kim, Young Tai Choi, Dae Jong Seo, Seung Bin Park: Tổng hợp keo bạc và nâng cao tính ổn định phân tán trong dung môi hữu cơ.
Ngày 11-01-2005, P.K.Khana, R.Gokhale, V.V.V.S. Subbarao, A. Kasi Vishwanath, B.K Das, C.V.V. Satyanarayana: Polyvinyl alcohol(PVA) ổn định hạt
nano vàng được thực hiện trong dung môi chất lỏng dùng hai chất khử khác nhau là hidrazine hydrate, một chất khử mạnh và sodium formaldehyde sulfoxylate(SFS) là chất khử yếu hơn.
Ngày 24-02-2005, P.K.Khanna, Narendra Singh, Shobhit Charan, V.V.V.S.
Subbarao, R.Gokhale, U.P.Mulik: Nanocomposite bạc trên polyvinyl alcohol được tạo thành bằng phương pháp khử in situ của muối bạc với hai chất khử khác nhau là hydrazine hydrate và sodium formaldehyde sulfoxylate(SFS). Dung dịch và màng phim được kiểm chứng bằng UV-Vis, photoluminescence(PL), phổ FTIR, XRD, SEM, TEM và phân tích nhiệt. Mẫu XRD thì phù hợp với bạc hình lập phương. SEM của màng phim nanocomposite cho thấy sự phân bố đồng nhất của các hạt trong màng phim. Cỡ hạt nhỏ hơn 10nm đối với phổ TEM. TGA cho rằng composite có nhiệt độ thoái biến cao hơn khi chỉ có một mình PVA.
Ngày 12-04-2006, A. Gautam, P. Tripathy, S. Ram: Polymer composite kim loại bạc tăng cường PVA được tổng hợp ở dạng tấm mỏng của độ đặc 200-300 micromet. Tiến trình bao gồm hóa chất Ag+ phân tán trong PVA và phản ứng khử in situ Ag+ Ag với phân tử hoạt động PVA trong điều kiện đun nóng và khuấy trong nước tại nhiệt độ 60-70˚C. Sản phẩm thu được là kim loại Ag/polymer phức chất phân tán trong dung dịch.
Ngày 08-10-2007, Shuxia Liu, Junhui He, Jianfeng Xue, Wenjun Ding: Dùng phương pháp in situ tổng hợp hạt nano bạc trong màng phim PVA để tăng ứng dụng của nó trong thực tiễn. Hai bước tổng hợp gồm ion sát nhập vào trong chất nền và sau đó là nhiệt độ khử.
3.3.2. Nghiên cứu trong nước
Năm 2007, Phạm Quang Hiển, Đỗ Thành Thanh Sơn, Nguyễn Hữu Niếu, Clay/NR Nanocomposite: chế tạo và tính năng, trích Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ X tháng 10/2007.
Bùi Duy Du, Đặng Văn Phú, Nguyễn Triệu, Nguyễn Quốc Hiến, Nghiên cứu chế tạo bạc nano bằng phương pháp chiếu xạ, trích Hóa học và ứng dụng, số 3 (63)/2007, trang 40.
3.4. Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite
Nanocomposite kim loại-polymer có thể được tổng hợp theo hai kĩ thuật khác nhau là in situ và ex situ.
• Theo phương pháp in situ, hạt kim loại được tổng hợp trong chất nền polymer bằng sự phân ly (như sự quang phân, sự phân giải do chiếu xạ, sự nhiệt phân,
…) hay khử hóa học dung dịch ion kim loại trong chất nền polymer.
• Còn với kĩ thuật ex situ, hạt nano được sản xuất bằng phương pháp hóa học rồi sau đó được cho vào trong chất nền polymer. Thông thường, ta phải chuẩn bị được hạt nano kim loại mà bề mặt đã được oxi hóa chống gỉ bằng lớp mono của phân tử n-alkanethiol. Sự oxi hóa chống gỉ bề mặt có vai trò chủ yếu vì nó tránh được sự kết tụ và hiện tượng oxi hóa, sự nhiễm bẩn. Ngoài ra, hạt kim loại đã được oxi hóa chống gỉ thì không ưa nước nen nó dễ dàng trộn vào polymer.
Kỹ thuật ex situ cho tổng hợp nanocomposite kim loại – polymer thì tốt hơn so với in situ vì tính quang học cao có thể thu được từ sản phẩm cuối cùng.
3.5. Ứng dụng của vật liệu nanocomposite
Vật liệu nanocomposite có nhiều tính chất kỳ lạ và quí giá như: Nanocomposite nền gốm SiC với 5% các hạt Si3N4 có kích thước nanomet làm cho gốm có độ bền rất cao ở 1400-1600˚C nhưng lại siêu dẻo ở 1600˚C. Gốm nanocomposite loại này được dùng làm động cơ gốm độ bền cao, chịu nhiệt cao, làm cánh và đũa tuabin khí. Những vật liệu nanocomposite nền gốm hoặc polymer có nhiều tính chất kì lạ như hấp thụ sóng điện từ, dẫn điện,…làm cơ sở cho các hệ vật liệu hấp thụ sóng radar, hồng ngoại, lade và quang học. Còn những vật liệu nanocomposite nền kim loại có độ bền nóng cao, chịu nhiệt độ cao được sử dụng trong kĩ thuật hàng không, vũ trụ và kỹ thuật hạt nhân. Vì vậy, vật liệu nanocomposite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y học, môi trường,…
Trong công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh cao từ chiếc máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh,
…
Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano là chất mang thuốc, tránh được hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành.
Các hạt nano còn được sử dụng trong sơn có thể cải thiện các tính chất như làm cho lớp sơn mỏng hơn, nhẹ hơn, sử dụng trong máy bay nhằm giảm trong lượng máy bay.
Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng.
Trong lĩnh vực phẫu thuật thẩm mỹ, nhiều loại mỹ phẩm có chứa các hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da.
Tóm lại, vật liệu nanocomposite có tính chất tốt hơn so với composite thông thường nên có nhiều ứng dụng đặc biệt và có hiệu quả hơn. Đây sẽ là vật liệu mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới và hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng cao.
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN