CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về vật liệu nano 1. Giới thiệu về vật liệu nano Vật liệu nano là những vật liệu được đặc trưng bởi ít nhất một kích thước trong phạm vi nano met (1 nm = 10-9 m). Các vật liệu nano rất được quan tâm trong vài thập kỉ qua vì ở kích thước nano met, các đặc tính quang học, từ tính, điện và các tính chất đặc biệt khác mà vật liệu truyền thống không có được bắt đầu xuất hiện.
Là đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano và khoa học nano, sự tìm ra, sử dụng và phát triển vật liệu nano có vai trò như một cuộc cách mạng trong ngành khoa học và kĩ thuật vật liệu, có tiềm năng gây ra những tác động lớn trong điện tử, y học và các lĩnh vực khác. Tính chất của vật liệu nano 1. Hiệu ứng bề mặt Mặc dù cấu trúc nguyên tử và điện tử bề mặt tham gia xác định cách vật liệu tương tác với môi trường xung quanh, ảnh hưởng của hóa học bề mặt đối với phần lớn vật liệu nhìn chung không đáng kể. Tuy nhiên, trong trường hợp vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn như chất rắn nano, tính chất bề mặt có thể bắt đầu chiếm ưu thế trong hoạt động của vật liệu [2].
Nguyên nhân do bởi khi vật liệu có kích thước nano met, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ 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 nano met khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Kích thước tới hạn Mỗi một tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của nhiều tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nano met.
Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lý, hóa học đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so 4 sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó.
Phân loại vật liệu nano 1.1 Phân loại theo hình dáng của vật liệu Phân loại vật liệu nano theo hình dáng của vật liệu được trình bày ở hình 1. - Vật liệu nano không chiều (OD) là vật liệu trong đó cả ba chiều đều có kích thước nano, ví dụ: đám nano, hạt nano.1a) - Vật liệu nano một chiều (1D) là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ: dây nano, ống nano.1b) - Vật liệu nano hai chiều (2D) là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ: màng mỏng nano.1c) - Vật liệu nano ba chiều (3D) là vật liệu trong đó không có chiều nào có kích thước nano nhưng thể hiện những tính năng ở cấp độ nano, vì nó chứa đựng sự phân tán các hạt nano, bó các dây nano hoặc các ống nano cũng như các lớp nano chồng lên nhau.1: Phân loại vật liệu nano: (a) vật liệu nano không chiều (OD) hạt nano; (b) vật liệu nano một chiều (1D) dây nano và ống nano; (c) vật liệu nano hai chiều (2D) màng mỏng nano, lưới nano; (d) vật liệu nano ba chiều (3D) [2]. - Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano met, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Phân loại dựa theo bản chất và tính chất của vật liệu Dựa vào bản chất và tính chất của vật liệu nano, có thể phân loại: vật liệu nano kim loại, vật liệu nano bán dẫn, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học.
5 Trong nhiều trường hợp có thể phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" được phân loại theo hình dáng, "kim loại" được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả "từ tính" và "sinh học" đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất. Nano oxit sắt từ (Fe3O4NPs) 1. Cấu trúc tinh thể Fe3O4 thuộc nhóm vật liệu ferit – là nhóm vật liệu từ có công thức tổng quát AB2O4, trong đó A và B là những ion kim loại, mà trong trường hợp này A là các ion Fe2+ và B là các ion Fe3+ (Fe2+𝐹𝑒23+ O42-).
Cấu trúc chi tiết của tinh thể Fe3O4 được xác lập vào năm 1915 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Cụ thể, ở điều kiện thường, các tinh thể Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo, trong đó các nguyên tử oxi tạo thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt xếp chặt với các ion Fe2+ và Fe3+ chiếm các nút ngoài. Một nửa số ion Fe3+ nằm tại các lỗ hổng tứ diện được giới hạn bởi 4 ion O2- (phân mạng A), một nửa số ion Fe3+ còn lại và toàn bộ ion Fe2+ nằm tại các lỗ hỗng bát diện được giới hạn bởi 6 ion O2- (phân mạng B). Mỗi tế bào mạng chứa 8 phân tử Fe3O4, tức là chứa 32 anion O2-, 8 cation Fe2+ và 16 cation Fe3+ (tỉ lệ Fe2+ : Fe3+ = 1 : 2) [17].
Các giá trị hằng số mạng a = b = c = 0,8396 nm. Cấu trúc spinel của Fe3O4 được minh hoạ ở hình 1. Trong tinh thể của Fe3O4, ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng A và B với số lượng như nhau nên triệt tiêu từ tính lẫn nhau. Vì vậy, từ độ của phân tử Fe3O4 được đặc trưng bởi momen từ của các spin trong các ion Fe2+ ở vị trí lỗ hổng bát diện, với tổng độ lớn là 4 μB (Bohr magneton).2: Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 1.
Tính chất của hạt nano Fe3O4NPs 1. Bề mặt riêng lớn Kích thước hạt càng nhỏ thì bề mặt riêng của các hạt càng lớn. Ví dụ, với cùng một khối lượng vật liệu, nếu nghiền vật liệu đó thành các hạt hình cầu có đường kính 10 nm thì bề mặt riêng thu được sẽ gấp 106 lần trường hợp các hạt có đường kính 1 cm. Bề mặt riêng càng lớn, các hiệu ứng liên quan đến bề mặt như khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt,… của hạt nano sẽ lớn hơn nhiều so với vật liệu dạng khối.
Hiện tượng siêu thuận từ Hiện tượng siêu thuận từ xảy ra đối với vật liệu từ ở kích thước nano met, khi đó vật liệu biểu hiện các tính chất giống như chất thuận từ, ngay dưới nhiệt độ Curie. Có thể nói đây là một trạng thái trung gian giữa paramagnetic và ferromagnetic, nghĩa là vật liệu có từ độ lớn và dễ bị từ hóa khi đặt trong từ trường, triệt tiêu hoàn toàn từ tính khi từ trường bị loại bỏ. Đây là một hiệu ứng kích thước, khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ, và khi đó mômen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ. Khi vật 7 liệu đạt trạng thái siêu thuận từ, đường cong từ hóa là một đường thuận nghịch, có từ dư bằng 0 và giá trị của lực kháng từ bằng 0.3: Đường cong từ hóa của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước 1.
Độ tương thích sinh học Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs thích hợp cho những ứng dụng sinh học vì những lí do sau: tính siêu thuận từ cho phép các hạt không bị thu hút bởi nhau, do đó giảm nguy cơ tích tụ trong cơ thể; sắt là một kim loại tự nhiên xuất hiện trong cơ thể người (ví dụ: ferritin-1 protein tế bào máu có chứa sắt), vì vậy các hạt nano Fe3O4NPs có khả năng tương thích sinh học khi cơ thể có thể thích nghi và chuyển hóa các hạt thành những phần tử của cơ thể sử dụng cho quá trình trao đổi chất [9]. Trong lĩnh vực y sinh a. Dẫn truyền thuốc Hệ các hạt nano từ tính dưới dạng chất lỏng từ được gắn kết với thuốc điều trị có thể được sử dụng như chất mang thuốc đến vị trí xác định trong cơ thể nhờ sự điều khiển của từ trường ngoài (hình 1. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là: thu hẹp phạm vi phân bố thuốc trong cơ thể giảm tác dụng phụ của thuốc, giảm lượng thuốc cần dùng trong điều trị.
Khi hệ chất mang-thuốc tập trung vào vị trí đích, quá trình nhả thuốc có thể xảy ra phụ thuộc vào cơ chế phân phối, các điều kiện sinh lí (pH, nhiệt độ) hay quá trình khuếch tán… Phương pháp dẫn truyền thuốc bằng hạt nano từ tính trong điều trị bệnh (ung thư) được thử nghiệm rất thành 8 công trên động vật. Việc ứng dụng phương pháp này trên người bước đầu mang lại những kết quả rất khả quan [31].4: Nguyên lý dẫn truyền thuốc bằng các hạt mang từ tính b. Phân tách và chọn lọc tế bào Công nghệ sinh học ngày càng phát triển đặt ra nhu cầu thiết yếu về những quy trình đơn giản và nhanh chóng trong việc cách li và thanh lọc các phân tử sinh học khác nhau như protein, DNA, kháng thể, axit nucleic và kháng nguyên ở dạng tinh khiết [16]. Phương pháp phân tách sinh học sử dụng hạt nano từ tính đơn giản, nhanh chóng và linh hoạt nên nhận được sự quan tâm to lớn trong lĩnh vực y sinh.
Một ví dụ minh họa về quá trình phân tách sinh học sử dụng hạt nano Fe3O4NPs được mô tả trong hình 1. Ở giai đoạn chọn lọc, hạt nano từ tính có khả năng liên kết với một số phần tử sinh học nhất định trong một hệ nhiều phần tử giống như cơ chế kháng thể-kháng nguyên. Sau đó, quá trình phân tách được thực hiện bằng từ trường ngoài, giữ lại các phần tử được đánh dấu trong khi các phần tử khác thoát ra ngoài. Bề mặt của hạt nano Fe3O4NPs thường được biến tính không những để tạo khả năng liên hợp đặc hiệu với phần tử sinh học mong muốn mà còn giúp các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của hạt.