CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu Silica cấu trúc rỗng ( Hollow Silica) 1.1 Giới thiệu vật liệu Hollow Silica Ngày nay, vật liệu rỗng đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng nhà khoa học do các tính chất độc đáo và tiềm năng ứng dụng của vật liệu này. Trong số các vật liệu rỗng này, silica rỗng đang được coi là một ứng cử viên tiềm năng nhờ vào giá thành thấp, quá trình tổng hợp dễ dàng và khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cách điện, xúc tác và phân phối thuốc, …[1], [2] Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu tiêu biểu về khảo sát quá trình tổng hợp của vật liệu silica rỗng cũng như ứng dụng vật liệu này vào phục vụ đời sống chẳng hạn như: Vào năm 2017 nghiên cứu của Naoki Toyama tổng hợp thành công hợp chất silica – nhôm rỗng sử dụng polystyrene làm khuôn mẫu đồng thời ứng dụng để để tách hydro từ amoniac borane. [3] Tiếp theo vào năm 2020 nghiên cứu của Vinicius Bueno đã tổng hợp thành công hạt nano silica rỗng, xốp sử dụng cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) và Pluronic P123 làm tác nhân định hướng cấu trúc. [4] Bên cạnh đó tình hình nghiên cứu trong nước về lĩnh vực silica rỗng cũng có nghiên cứu nổi bật chẳng hạn như: nghiên cứu của Nguyên Ngọc Hội năm 2022 đã chế tạo thành công hạt nano silica rỗng đồng thời sử dụng polyethylene glycol (PEG) làm tác nhân phủ để kiểm soát độ dày vỏ mesoporous của các hạt nano silica.
[5] Vật liệu silica rỗng có nhiều hình dạng khác nhau bao gồm: Thanh, sợi và hạt hình cầu, trong số đó các hạt rỗng hình cầu được quan tâm nhiều nhất vì giá thành vật liệu thấp, quy trình tổng hợp dễ dàng, tính chất hóa học cũng như ứng dụng rộng rãi của các hạt hình cầu, từ lưu trữ năng lượng đến lớp phủ chức năng .2 Cấu trúc Hollow Silica, là một loại vật liệu đặc biệt có cấu trúc khoang, rỗng, được tạo thành từ các thành phần khác nhau. Phần lõi bên trong của vật liệu có thể được tổng hợp từ các hạt nano polymer, nano cacbon, nano kim loại và các thành phần khác, nhằm tạo ra một khuôn mẫu định hình phần rỗng. Sau đó, phần lõi này sẽ được loại bỏ bằng cách nung ở nhiệt độ cao hoặc hòa tan trong dung môi để phân hủy hoàn toàn phần lõi. Phần vỏ bên ngoài của vật liệu được tạo thành từ hai thành phần chính.
Thành phần đầu tiên là tiền chất silane, có chức năng cung cấp nguồn silicate để tạo thành lớp vỏ. Thành 4 phần thứ hai là chất hoạt động bề mặt, có chức năng tăng cường sự tương tác và là chất liên kết giữa bề mặt lớp khuôn và silica. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tổng hợp và cải thiện tốc độ phủ của vật liệu. Trong số các tiền chất silane được sử dụng phổ biến, Tetraethyl orthosilicate (TEOS) là tiền chất được ưa chuộng nhất.
Các phân tử TEOS sẽ trải qua quá trình thủy phân để tạo ra acid orthosilicic (Si(OH)4), acid này sẽ ngưng tụ để tạo thành liên kết Si – O – Si trên bề mặt của khuôn. Ngoài TEOS ra còn có tetramethyl orthosilicate (TMOS) [7], [8]. Chất hoạt động bề mặt được sử dụng phổ biến nhất là cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) vì sau quá trình tổng hợp có thể loại bỏ dễ dàng. [9] Dưới đây là Hình 1.1 Ảnh về cấu trúc của hạt silica rỗng (HSSN).1 Cấu trúc của HSSN [10] 1.3 Tính chất Các hạt silica rỗng có đặc điểm cấu trúc độc đáo nên thường có rất nhiều ưu điểm so với các vật liệu truyền thống.
Tuy nhiên tính chất của vật liệu silica rỗng cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: cấu trúc, hình dạng và kích thước lỗ trống, chất hoạt động bề mặt, môi trường sử dụng, … Dưới đây là các tính chất chung của vật liệu silica rỗng: • Diện tích bề mặt lớn: do có khoảng trống bên trong lớp vỏ silica nên vật liệu silica rỗng có trọng lượng thấp cũng như là có khả năng hấp phụ và giữ chặt rất tốt các phân tử hoặc các chất và bên trong cấu trúc rỗng. • Có khả năng tương tác với các chất hóa học khác: cấu trúc rỗng cho phép việc phân tán và tiếp xúc hiệu quả với các chất phản ứng, tăng tốc độ phản ứng và cải thiện hiệu suất.4 Ứng dụng Nhờ vào các tính chất độc đáo của mình nên hạt silica cấu trúc rỗng có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của hạt silica cấu trúc rỗng: 1.1 Làm vật liệu hấp phụ Hạt silica cấu trúc rỗng được sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong các quá trình hấp phụ khí, chất lỏng, các ion kim loại nặng và các chất gây ô nhiễm khác bởi vì có diện tích bề mặt lớn và dung lượng hấp phụ cao, làm cho HSSN hữu ích trong việc loại bỏ các chất độc hại trong môi trường. Các ion kim loại thải ra từ các ngành công nghiệp với tính chất độc hại và khả năng không phân hủy sinh học đang là mối nguy hại rất lớn đối với hệ sinh thái tự nhiên.
Loại bỏ các ion kim loại ô nhiễm này có ý nghĩa rất quan trọng đối với môi trường. Vật liệu nano silica là một trong những vật liệu hấp dẫn nhất trong lĩnh vực hấp phụ ion kim loại nặng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm với độ xốp tốt, kích thước lỗ rỗng được xác định rõ, quá trình tổng hợp đơn giản, và quan trọng hơn là bề mặt có chức năng có thể được sửa đổi. [14] Silica rỗng có thể được chức năng hóa với nhóm chức năng như nhóm amine (-NH2) giúp cho HSSN có thể hấp phụ các ion kim loại như Cd2+, Pb2+, Ni2+, … trong dung dịch thông qua các quá trình như tạo phức hoặc trao đổi ion. [15] Carbon dioxide, đang là nguyên nhân chính gây nên hiệu ứng nhà kính và hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Nồng độ carbon dioxide trung bình trong không khí theo thống kê đã tăng từ 280 ppm trong thời kỳ tiền công nghiệp lên 400 ppm trong ngày nay [16] vì vậy việc thu giữ khí CO2 đang đóng vai trò quan trọng nhằm giảm thiểu áp lực môi trường. Các nghiên cứu đã chứng minh được HSSN có diện tích bề mặt lớn với tính chất điện tích bề mặt có thể được chức năng hóa với các nhóm chức năng như amine (NH2) hoặc amide (CONH2) để tăng khả năng hấp phụ CO2. Các nhóm này sẽ thực hiện phản ứng trung hòa với CO2 được hấp phụ để tạo thành alkyd amoni cacbonat từ đó tăng khả năng hấp phụ CO2 cho HSSN.3 Vật liệu cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt là loại vật liệu được thiết kế để giảm hoặc ngăn chặn sự truyền nhiệt giữa hai môi trường có nhiệt độ khác nhau giữ cho nhiệt độ ổn định bên trong một không gian, ngăn chặn sự thoát nhiệt hoặc truyền nhiệt không mong muốn qua vật liệu thường 6 được sử dụng nhiều trong vách tường của các tòa nhà, kho lạnh, các tháp chưng cất, … Vật liệu cách nhiệt gồm sợi thủy tinh, sợi cellulose, thủy tinh xốp, kiện rơm, polyurethane (PU), polystyrene ép đùn (XPS), … Tuy nhiên vật liệu cách nhiệt vẫn còn các hạn chế chẳng hạn như gây nên tác động tiêu cực với môi trường đối với các vật liệu cách nhiệt có nguồn gốc thiên nhiên vì CO2 có trong gỗ và rơm rạ thải ra góp phần gây nên hiệu ứng nhà kính, đối với các vật liệu tổng hợp vô cơ trong quá trình sản xuất cần một nguồn năng lượng lớn và giải phóng rất nhiều khí thải trong khi nấu chảy vật liệu khoáng. [18] Bên cạnh đó khả năng dẫn nhiệt trung bình của các vật liệu cách nhiệt vô cơ như len khoáng là từ 0.04 W/(mK), của bông thủy tinh là 0.046 W/(mK) và len đá là từ 0.
Những vật liệu này có giá trị dẫn nhiệt thấp, khả năng chống ẩm tốt, không bắt lửa nhưng lại có thể gây ảnh hưởng tới sức khỏe chẳng hạn như kích ứng da và phổi [19]. Các loại vật liệu cách nhiệt tiên tiến aerogel với giá trị dẫn nhiệt thấp nhất chỉ từ 0.014 W/(mK), tuổi thọ cao và mật độ cho các tòa nhà thường là 70–150 kg/m3 [20] tuy nhiên tính khả dụng thương mại của vật liệu này rất hạn chế do chi phí sản xuất cao. Vì vậy việc sử dụng silica rỗng trong việc phát triển vật liệu cách nhiệt đang là một lĩnh vực tiềm năng đầy hứa hẹn. [21] Hạt silica rỗng có giá trị dẫn nhiệt trung bình thấp chỉ khoảng 0.04 W/(mK) tùy thuộc vào độ dày vỏ và kích thước của hạt [22] đối với những hạt có kích thước lớn thì độ dẫn nhiệt sẽ thấp ngược lại với các hạt có kích thước nhỏ thì độ dẫn nhiệt sẽ cao hơn bởi vì chuyển động nhiệt của các phân tử không khí bị hạn chế làm giảm khả năng va chạm giữa các phân tử và do đó làm giảm khả năng truyền nhiệt.
[1] Độ dày của vỏ cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn tới khả năng cách nhiệt của hạt silica rỗng nếu mật độ của lớp vỏ thấp thì sẽ cho khả năng cách nhiệt tốt hơn điều này có thể là do sự tán xạ của các hạt phonon trên các liên kết siloxane.3 Lưu trữ và phân phối thuốc Các loại thuốc thông thường có rất nhiều đặc tính không lý tưởng chẳng hạn như độ hòa tan kém, dễ bị phân hủy, sự phân bố sinh học không đồng đều, … làm ảnh hưởng tới hiệu quả của thuốc trong quá trình trị liệu. [24] Vì lí do này gần đây một lượng lớn các chất hữu cơ đã được nghiên cứu như là một ứng cử viên sáng giá để lưu trữ và giải phóng thuốc chẳng hạn như các mixen, lipsome và polymer, …[25] tuy nhiên những chất này vẫn còn gặp nhiều hạn chế chẳng hạn độ ổn định hóa học, ổn định nhiệt, thời gian tuần 7 hoàn trong cơ thể ngắn nên bị đào thải nhanh chóng. Vì vậy cơ chế lưu trữ và phân phối thuốc sử dụng hạt nano silica rỗng đang là một lĩnh vực nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực dược phẩm thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Các hạt nano silica rỗng có đặc tính không độc hại và khả năng tương thích sinh học tốt, cấu trúc bên trong rỗng và diện tích bề mặt lớn, điều này cho phép vật liệu này hấp phụ một lượng lớn các phân tử thuốc bằng cách hấp phụ vật lý hoặc hóa học sau đó lưu trữ và bảo quản thuốc.