Đồ Án Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Tổng Hợp Sắt Nano Bằng Phương Pháp Hóa Học

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu tổng hợp sắt nano bằng phương pháp hóa học. Tìm hiểu quy trình, ứng dụng tiềm năng của vật liệu nano sắt trong các lĩnh vực.

• Tác giả: Đoàn Thị Mộng Tuyền
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Quyền
• Trường học: Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp sắt nano bằng phương pháp hóa học
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Bà Rịa - Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. KHÁI NIỆM VÀ NGUỒN GỐC CỦA CÔNG NGHỆ NANO
• 1.2. VẬT LIỆU NANO
• 1.2.1. Phân loại vật liệu nano
• 1.2.2. Đặc trưng của vật liệu nano
• 1.3. HẠT NANO KIM LOẠI
• 1.3.1. Tính chất của hạt nano kim loại
• 1.3.1.1. Tính chất quang học
• 1.3.1.2. Tính chất điện
• 1.3.1.3. Tính chất từ
• 1.3.1.4. Tính chất nhiệt
• 1.3.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại
• 1.3.2.1. Phương pháp từ trên xuống
• 1.3.2.2. Phương pháp từ dưới lên
• 1.3.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano hiện nay
• 1.4. HẠT SẮT NANO
• 1.4.1. Sự khác nhau cơ bản giữa sắt và sắt nano
• 1.4.2. Các phương pháp chế tạo sắt nano hiện nay
• 1.4.3. Các ứng dụng của sắt nano
• 1.4.3.1. Trong xử lý môi trường
• 1.4.3.2. Trong công nghệ điện tử
• 1.4.3.3. Trong một số ngành khác
• 1.4.4. Phương pháp xác định tính chất và kích thước hạt sắt nano
• 1.4.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X(XRD)
• 1.4.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 1.5. SƠ LƯỢC VỀ HÓA CHẤT SỬ DỤNG
• 2. CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ MÁY MÓC
• 2.1.1. Dụng cụ và máy móc
• 2.1.2. Cách pha chế hóa chất
• 2.1.2.1. Pha chế dung dịch NaBH4
• 2.1.2.2. Pha chế dung dịch FeCl3
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp 1: Không tiến hành rửa mẫu
• 2.2.2. Phương pháp 2: Rửa mẫu một lần bằng nước cất deion
• 2.2.3. Phương pháp 3: Rửa mẫu thật kỹ với nước cất deion và ethanol
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
• 3.1. PHÂN TÍCH GIẢN ĐỒ NHIỄU XẠ TIA X (XRD) CỦA SẮT NANO
• 3.1.1. Phương pháp 1
• 3.1.2. Phương pháp 2
• 3.1.3. Phương pháp 3
• 3.2. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA NANO SẮT BẰNG KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tổng Hợp Sắt Nano Bằng Phương Pháp Hóa Học

Công nghệ nano đang ngày càng phát triển, mở ra những ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực. Vật liệu nano, với kích thước nhỏ bé, sở hữu những tính chất độc đáo so với vật liệu truyền thống. Trong số đó, hạt nano sắt nổi lên như một vật liệu đầy tiềm năng, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý môi trường. Sắt, một kim loại dồi dào và rẻ tiền, khi được chế tạo ở kích thước nano, thể hiện những tính năng ưu việt không kém gì các hạt nano kim loại quý khác. Bài viết này sẽ đi sâu vào tổng hợp hạt nano sắt bằng phương pháp hóa học, một quy trình hiệu quả để tạo ra vật liệu này. Tổng hợp hạt nano sắt mang lại cơ hội để giải quyết nhiều vấn đề môi trường và công nghiệp. Sự ra đời của vật liệu này mở ra một chương mới trong công nghệ vật liệu. Hiểu rõ các phương pháp tổng hợp nano, đặc biệt là phương pháp hóa học, là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của nano sắt. Tài liệu gốc cho thấy rõ nhu cầu cấp thiết của nghiên cứu và ứng dụng nano sắt trong thực tế: "Từ nhu cầu thực tế đó, em quyết định chọn đề tài: 'Nghiên cứu tổng hợp sắt nano bằng phương pháp hóa học'".

1.1. Định Nghĩa và Đặc Điểm Vật Liệu Nano Sắt

Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều kích thước nanomet (nm). Kích thước nano mang lại cho vật liệu những tính chất khác biệt, do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lượng tử. Nano sắt, hay hạt nano sắt, là vật liệu nano được tạo thành từ sắt, với kích thước từ 1-100 nm. Kích thước nhỏ bé này cho phép nano sắt xâm nhập vào các cấu trúc nhỏ, tương tác mạnh mẽ với môi trường xung quanh. Đặc tính của nano sắt khác biệt so với sắt thông thường, mở ra những ứng dụng độc đáo. Tài liệu gốc nhấn mạnh: "Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài."

1.2. Lịch Sử Phát Triển Nghiên Cứu Tổng Hợp Nano Sắt

Ý tưởng về công nghệ nano bắt đầu từ những năm 1950, nhưng việc tổng hợp nano sắt chỉ thực sự phát triển trong những thập kỷ gần đây. Các nhà khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp chế tạo nano sắt khác nhau, từ phương pháp vật lý đến phương pháp hóa học. Phương pháp hóa học tổng hợp nano sắt ngày càng được ưa chuộng do tính linh hoạt và khả năng kiểm soát kích thước hạt. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào điều chế nano sắt cho các ứng dụng từ tính, nhưng sau đó, ứng dụng của nano sắt trong xử lý môi trường đã thu hút sự chú ý lớn. Tài liệu gốc cho thấy: "Chúng ta đã trải qua thời đại đồ đá, đồ đồng, đồ sắt…và giờ đây chúng ta đang đứng trước thềm của một thời đại mới đó là thời đại công nghệ, vật liệu nano."

II. Thách Thức Trong Tổng Hợp Nano Sắt Kiểm Soát và Ổn Định

Mặc dù tổng hợp nano sắt bằng phương pháp hóa học mang lại nhiều ưu điểm, vẫn còn những thách thức cần vượt qua. Việc kiểm soát kích thước và hình dạng hạt nano sắt là một vấn đề quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật liệu. Độ ổn định của nano sắt cũng là một yếu tố cần được xem xét, vì nano sắt dễ bị oxy hóa trong môi trường không khí. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm kiếm các giải pháp để cải thiện quy trình tổng hợp nano sắt, tăng cường độ ổn định của nano sắt và mở rộng phạm vi ứng dụng. Việc hiểu rõ cơ chế tổng hợp nano sắt là yếu tố then chốt để giải quyết những thách thức này. Tài liệu gốc nhấn mạnh: "Nghiên cứu cách bảo quản sản phẩm khỏi sự oxy hóa trong quá trình tổng hợp, bảo quản."

2.1. Kiểm Soát Kích Thước Hạt Nano Sắt Trong Quá Trình Tổng Hợp

Kích thước hạt nano sắt ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ tính, khả năng xúc tác và khả năng hấp phụ của vật liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt bao gồm nồng độ tiền chất, nhiệt độ phản ứng, tốc độ khuấy và loại chất ổn định. Việc điều chỉnh các yếu tố này một cách chính xác là rất quan trọng để thu được nano sắt với kích thước mong muốn. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt để kiểm soát sự phát triển của hạt nano sắt. Việc kiểm soát kích thước là yếu tố quyết định đến hiệu quả ứng dụng của nano sắt.

2.2. Giải Quyết Vấn Đề Oxy Hóa Nano Sắt Phương Pháp Bảo Vệ

Nano sắt rất dễ bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí, dẫn đến mất hoạt tính và giảm hiệu quả ứng dụng. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp bảo vệ nano sắt, bao gồm phủ lớp bảo vệ bằng vật liệu trơ, sử dụng môi trường khí trơ trong quá trình tổng hợp và bảo quản, và biến đổi bề mặt nano sắt. Việc lựa chọn phương pháp bảo vệ phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của nano sắt. Một số tài liệu gợi ý về việc sử dụng ethanol để bảo vệ bề mặt nano sắt khỏi oxy hóa. Tài liệu gốc chỉ ra: "Nghiên cứu cách bảo quản sản phẩm khỏi sự oxy hóa trong quá trình tổng hợp, bảo quản."

III. Các Phương Pháp Hóa Học Hiệu Quả Tổng Hợp Nano Sắt

Có nhiều phương pháp hóa học tổng hợp nano sắt khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm tổng hợp nano sắt khử oxy hóa, tổng hợp nano sắt từ các tiền chất, tổng hợp nano sắt trong dung dịch, và tổng hợp xanh nano sắt. Việc lựa chọn phương pháp hóa học phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về kích thước hạt, hình dạng, độ tinh khiết và chi phí sản xuất. Các nhà nghiên cứu không ngừng cải tiến các phương pháp tổng hợp nano để tạo ra vật liệu nano sắt với chất lượng cao và giá thành hợp lý.

3.1. Tổng Hợp Nano Sắt Khử Oxy Hóa Chi Tiết Quy Trình

Tổng hợp nano sắt khử oxy hóa là một trong những phương pháp phổ biến nhất để điều chế nano sắt. Phương pháp này dựa trên việc khử các ion sắt bằng các chất khử mạnh, như borohydride natri (NaBH4). Quá trình khử diễn ra trong dung dịch nước hoặc dung môi hữu cơ, tạo ra các hạt nano sắt ổn định. Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình tổng hợp nano sắt bao gồm nồng độ tiền chất, nhiệt độ phản ứng, tốc độ khuấy và loại chất ổn định. Phương trình phản ứng thường được sử dụng là: 4Fe³⁺ + 3BH₄⁻ + 9H₂O → 4Fe⁰ + 3H₂BO₃ + 12H⁺ + 6H₂.

3.2. Tổng Hợp Nano Sắt Bằng Phương Pháp Đồng Kết Tủa Ưu Nhược Điểm

Tổng hợp nano sắt bằng phương pháp đồng kết tủa là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để tạo ra nano sắt. Phương pháp này dựa trên việc kết tủa đồng thời các ion sắt (II) và sắt (III) trong dung dịch kiềm. Kích thước hạt và độ tinh khiết của nano sắt có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh pH, nhiệt độ và tỷ lệ các ion sắt. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp và dễ thực hiện, nhưng nhược điểm là khó kiểm soát kích thước hạt và độ đồng nhất. Tài liệu gốc có đề cập đến việc ứng dụng phương pháp khử hóa học, khử ion kim loại thành kim loại, một phương pháp quan trọng trong tổng hợp nano.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Của Nano Sắt Trong Xử Lý Môi Trường

Nano sắt đã chứng minh được hiệu quả vượt trội trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong xử lý nước thải và nước ngầm. Ứng dụng của nano sắt bao gồm loại bỏ kim loại nặng, phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại và khử các chất ô nhiễm khác. Nano sắt có khả năng phản ứng cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng di chuyển linh hoạt, giúp nó trở thành một giải pháp tiềm năng cho các vấn đề ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu sâu hơn về độ ổn định của nano sắt và tác động của nó đến môi trường để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong ứng dụng thực tế.

4.1. Nano Sắt Loại Bỏ Kim Loại Nặng Trong Nước Cơ Chế và Hiệu Quả

Nano sắt có khả năng loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng như chì (Pb), thủy ngân (Hg), arsenic (As) và cadmium (Cd) khỏi nước ô nhiễm. Cơ chế loại bỏ bao gồm hấp phụ, kết tủa và khử. Nano sắt có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện cho quá trình hấp phụ kim loại nặng. Ngoài ra, nano sắt có thể khử các ion kim loại nặng về dạng kim loại không tan, giúp loại bỏ chúng khỏi nước. Tài liệu gốc cho thấy rõ hiệu quả của nano sắt trong xử lý các chất độc hại: "Sử dụng các hạt sắt nano giúp loại bỏ một lượng lớn các chất độc hại như Pb, As, Pt…trong nguồn nước ngầm, nước thải với chi phí không quá cao."

4.2. Phân Hủy Hợp Chất Hữu Cơ Độc Hại Bằng Nano Sắt Nghiên Cứu Điển Hình

Nano sắt có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và các chất ô nhiễm công nghiệp. Quá trình phân hủy có thể diễn ra thông qua phản ứng khử hoặc oxy hóa. Nano sắt có thể kích hoạt các gốc tự do, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm ít độc hại hơn. Một số nghiên cứu điển hình đã chứng minh hiệu quả của nano sắt trong việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và đất. Wei- Xian Zhang là một trong những nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp nano sắt và ứng dụng để xử lý các hợp chất clo hữu cơ.

V. Phân Tích Đặc Tính Nano Sắt XRD và TEM Cho Kết Quả

Để đánh giá chất lượng của nano sắt tổng hợp, cần thực hiện các phân tích nano sắt để xác định kích thước hạt, hình dạng, cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học. Các phương pháp phân tích phổ biến bao gồm phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). XRD cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và kích thước hạt, trong khi TEM cho phép quan sát trực tiếp hình dạng và sự phân bố của hạt nano sắt. Kết hợp kết quả từ cả hai phương pháp giúp có được cái nhìn toàn diện về đặc tính của nano sắt.

5.1. Phương Pháp Nhiễu Xạ Tia X XRD Xác Định Cấu Trúc Tinh Thể

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của nano sắt. Dựa trên mẫu nhiễu xạ tia X, có thể xác định được các pha tinh thể có mặt trong mẫu, kích thước tinh thể và độ tinh khiết của nano sắt. XRD cũng có thể được sử dụng để theo dõi sự thay đổi cấu trúc tinh thể của nano sắt trong quá trình xử lý hoặc ứng dụng. Kết quả phân tích XRD cần được so sánh với dữ liệu chuẩn để xác định chính xác các pha tinh thể.

5.2. Phương Pháp Kính Hiển Vi Điện Tử Truyền Qua TEM Quan Sát Hình Dạng

Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho phép quan sát trực tiếp hình dạng và kích thước của hạt nano sắt. TEM cũng có thể cung cấp thông tin về sự phân bố của hạt nano sắt trong mẫu, cũng như các khuyết tật cấu trúc có mặt. Để có được hình ảnh TEM rõ nét, mẫu cần được chuẩn bị cẩn thận để đảm bảo độ mỏng và độ đồng nhất. Phân tích TEM thường được kết hợp với phân tích XRD để có được cái nhìn toàn diện về đặc tính của nano sắt. Tài liệu gốc thể hiện: "Kết quả nghiên cứu ảnh TEM cho thấy hạt nano sắt thu được có kích thước khoảng 10nm."

VI. Triển Vọng và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Nano Sắt

Nano sắt là một vật liệu đầy tiềm năng với nhiều ứng dụng hứa hẹn trong tương lai. Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm cải thiện phương pháp tổng hợp nano, tăng cường độ ổn định của nano sắt, mở rộng phạm vi ứng dụng trong xử lý môi trường, y học và năng lượng. Việc phát triển các phương pháp sản xuất nano sắt thân thiện với môi trường và có chi phí thấp cũng là một mục tiêu quan trọng. Nghiên cứu tổng hợp nano sắt cần tiếp tục được đầu tư để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu này.

6.1. Nghiên Cứu Chuyên Sâu Tổng Hợp Xanh Nano Sắt Bền Vững

Tổng hợp xanh nano sắt là một hướng nghiên cứu quan trọng nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Tổng hợp xanh sử dụng các vật liệu và quy trình thân thiện với môi trường, như sử dụng các chất khử tự nhiên và giảm thiểu lượng chất thải. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc sử dụng chiết xuất thực vật, vi sinh vật và các vật liệu tái chế để tổng hợp nano sắt. Tổng hợp xanh không chỉ bảo vệ môi trường mà còn có thể tạo ra nano sắt với tính chất độc đáo.

6.2. Phát Triển Nano Sắt Biến Tính Ứng Dụng Đa Dạng

Biến tính nano sắt bằng cách phủ lớp bảo vệ, gắn các phân tử chức năng hoặc tạo cấu trúc phức tạp có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu. Nano sắt biến tính có thể được sử dụng trong các ứng dụng y học, như điều trị ung thư, chẩn đoán bệnh và vận chuyển thuốc. Ngoài ra, nano sắt biến tính cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng, như pin mặt trời, pin nhiên liệu và lưu trữ năng lượng. Việc phát triển nano sắt biến tính đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về hóa học bề mặt và công nghệ nano.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. KHÁI NIỆM VÀ NGUỒN GỐC CỦA CÔNG NGHỆ NANO Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa.

Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. VẬT LIỆU NANO Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất 1 chiều có kích thước nanomet (nm). Một hạt cỡ 1 micromet bằng kích thước của mấy trăm triệu nguyên tử hay phân tử cộng lại. Nếu gia công một hạt đến kích thước nano thì nguyên tử hay phân tử trong hạt cực nhỏ này sẽ giảm đi hàng nghìn lần.

Vật liệu nhỏ đến cỡ hạt này gọi là vật liệu nanomet. Phạm vi kích thước được các nhà khoa học quan tâm nhiều nhất là từ 100 nm trở xuống tới mức nguyên tử (xấp xỉ khoảng 0,2 nm), bởi vì trong phạm vi kích thước này (đặc biệt là ở những kích thước nhỏ nhất), vật liệu có thể có những tính chất khác biệt, hoặc những tính chất mạnh hơn so với chính tính chất của chúng ở kích cỡ lớn hơn. Phân loại vật liệu nano Theo trạng thái, người ta chia vật liệu nano thành trạng thái rắn, lỏng và khí. Theo hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành: Công nghệ kỹ thuật hóa học 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT  Vật liệu nano không chiều: là vật liệu cả ba chiều đều có kích thước nanomet.

Ví dụ: đám nano, hạt nano.  Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nanomet. Ví dụ: ống nano, dây nano.  Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nanomet.

Ví dụ: màng nano. Ngoài ra còn có vật liệu nanocomposit trong đó chỉ một phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, và hai chiều đan xen nhau. Ví dụ: nanocomposit bạc/ silica, bạc/uretan…. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano:  Vật liệu nano kim loại.

 Vật liệu nano bán dẫn.  Vật liệu nano từ tính.  Vật liệu nano sinh học. Đặc trưng của vật liệu nano Do kích thước hạt vô cùng nhỏ bé, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tử 1 hoặc 2 bậc.

Do vậy, tỉ số giữa số nguyên tử nằm ở bề mặt trên số nguyên tử tổng cộng của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với tỉ số này đối với các vật liệu có kích thước lớn hơn. Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều được "phơi" ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở các vật liệu có kích thước nanomet, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ, ….

Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano ba hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước.  Hiệu ứng lượng tử Công nghệ kỹ thuật hóa học 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Đối với các vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1m3 vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử), các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét các giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với cấu trúc nano, do kích thước của vật liệu rất nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiện tượng lượng tử kỳ thú như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang phi tuyến của vật liệu, hiệu ứng đường ngầm.

 Hiệu ứng bề mặt Ở vật liệu nano, đa số các nguyên tử đều nằm trên bề mặt, nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với các nguyên tử bên trong. Vì thế, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt.của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối. Điều này đã mở ra những ứng dụng kỳ diệu cho lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu. Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng.

Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên, 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. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống củng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bỏ qua. Vì vậy việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu.

Với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4000 nguyên tử, tỉ số f (tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu) là 40%, năng lượng bề mặt là 8,16.1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2%. Tuy nhiên, các giá trị vật lý giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10 nm. Công nghệ kỹ thuật hóa học 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Bảng 1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu.

Đường kính Số nguyên Tỉ số nguyên tử Năng lượng Năng lượng bề hạt nano tử trên bề mặt (%) bề mặt mặt/Năng lượng (nm) (erg/mol) tổng (%) 10 30.000 40 11 14,3 2 250 80 11 14,3 1 30 90 12 82,2  Hiệu ứng kích thước Các vật liệu truyền thống được đặc trưng bởi một số đại lượng vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit. Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ là bất biến nếu kích thước của vật liệu đủ lớn (thường là lớn hơn 100 nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hơn 100 nm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước.

Kích thước mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi tính chất được gọi là kích thước tới hạn. Ví dụ: Điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của kim loại xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường là từ vài nanomet đến vài trăm nanomet) thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử.

Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm nên các tính chất này đều có biểu hiện khác thường thú vị ở vật liệu nano so với các vật liệu khối truyền thống. HẠT NANO KIM LOẠI Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại. Một trong những tính chất thú vị của hạt nano là màu sắc của hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng. Ví dụ, ánh sáng Công nghệ kỹ thuật hóa học 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng.

Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới có hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học thú vị. Tính chất của hạt nano kim loại Hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước.

Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao. Tính chất quang học Tính chất quang học của một số hạt nano trộn trong thủy tinh như nano vàng, bạc làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào.