Luận văn về hạt nano La1-xSrXmNO3: Tính chất vật lý và tiềm năng ứng dụng

Bài báo nghiên cứu tổng hợp và khảo sát một số tính chất vật lý của hạt nano La1xSr xMnO3, đồng thời phân tích tiềm năng ứng dụng của vật liệu này.

• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Khảo sát tính chất vật lý và ứng dụng của hạt nano La1-xSrxMnO3
• Loại tài liệu: Luận văn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.2. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO
• 1.2.1. Hạt nano, vật liệu nano và công nghệ nano
• 1.2.2. Phương pháp tổng hợp và điều chế vật liệu nano
• 1.2.3. Ứng dụng của công nghệ nano
• 1.3. VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH
• 1.3.1. Vật liệu từ tính. Điều chế hạt nano từ tính
• 1.4. VẬT LIỆU PEROVSKITE
• 1.4.1. Cấu trúc vật liệu perovskite
• 1.4.2. Sự tách mức năng lượng trong trường tinh thể và hiệu ứng Jahn-Teller
• 1.4.3. Các tương tác vi mô trong vật liệu perovskite
• 1.4.4. Một số hiệu ứng vật lý trong vật liệu perovskite
• 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. CÁC VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ TRONG NGHIÊN CỨU VÀ TỔNG HỢP HẠT NANO La1-xSrxMnO3
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TỔNG HỢP HẠT NANO
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. KHẢO SÁT THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HẠT NANO La1-xSrxMnO3 (x = 0)
• 3.2. KHẢO SÁT ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA HẠT NANO La1-xSrxMnO3 (x = 0)
• 3.3. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO La1-xSrxMnO3 (x = 0)
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về khoa học và công nghệ nano

Công nghệ nano đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu vật liệu hiện đại. Hạt nano và vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nanomet, mang lại những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. Những tính chất này khác biệt so với vật liệu ở quy mô lớn, nhờ vào hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Hiệu ứng bề mặt gia tăng khi kích thước giảm, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tính chất của vật liệu. La1-xSrXmNO3 là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu sâu, với ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như y học, năng lượng và môi trường. Việc hiểu rõ về tính chất vật lý của hạt nano La1-xSrXmNO3 sẽ mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng công nghệ nano trong thực tiễn.

1.1. Hạt nano và vật liệu nano

Hạt nano là những cấu trúc có kích thước nhỏ, thường được phân loại theo hình dáng và tính chất. Vật liệu nano có thể là kim loại, bán dẫn, hoặc vật liệu từ tính. Sự khác biệt về kích thước dẫn đến những tính chất độc đáo, như tính dẫn điện, từ tính và quang học. Nghiên cứu về hạt nano không chỉ giúp hiểu rõ hơn về vật liệu mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ, từ thiết bị điện tử đến y học. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng hạt nano La1-xSrXmNO3 có thể được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu và cảm biến khí, nhờ vào tính chất điện từ đặc biệt của chúng.

II. Phương pháp tổng hợp và điều chế vật liệu nano

Có nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano, bao gồm phương pháp từ trên xuống dưới và từ dưới lên. Phương pháp hóa ướt là một trong những phương pháp phổ biến, cho phép tạo ra vật liệu nano với kích thước đồng nhất. Phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện và có thể sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm như hiệu suất không cao và khó khăn trong việc tách các hợp chất. Ngoài ra, phương pháp cơ học cũng được sử dụng để chế tạo hạt nano, nhưng thường gặp phải vấn đề về kích thước không đồng nhất. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và tính chất của hạt nano La1-xSrXmNO3.

2.1. Phương pháp hóa ướt

Phương pháp hóa ướt bao gồm các kỹ thuật như sol-gel và thủy nhiệt. Đây là những phương pháp hiệu quả để tổng hợp hạt nano với kích thước nhỏ và đồng nhất. Quá trình này thường diễn ra trong dung dịch, nơi các ion được trộn lẫn và kết tủa dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Mặc dù phương pháp này có nhiều ưu điểm, như khả năng sản xuất hàng loạt và chi phí thấp, nhưng cũng gặp phải một số khó khăn trong việc tách các hợp chất sau khi tổng hợp. Nghiên cứu cho thấy rằng hạt nano La1-xSrXmNO3 có thể được tổng hợp thành công bằng phương pháp này, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghệ nano.

III. Ứng dụng của công nghệ nano

Công nghệ nano đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến năng lượng và môi trường. Trong y học, hạt nano được sử dụng để phát triển các hệ dẫn thuốc hiệu quả, giúp tăng cường khả năng hấp thu và giảm tác dụng phụ. Công nghệ nano cũng có thể cải thiện hiệu suất của các tấm pin mặt trời, giúp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng hiệu quả hơn. Ngoài ra, hạt nano còn được ứng dụng trong việc làm sạch môi trường, nhờ vào tính chất hóa học đặc biệt của chúng. Việc nghiên cứu và phát triển hạt nano La1-xSrXmNO3 không chỉ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Ứng dụng trong y học

Trong lĩnh vực y học, hạt nano đã được ứng dụng để phát triển các hệ dẫn thuốc mới, giúp cải thiện hiệu quả điều trị. Các tiểu phân nano có khả năng xâm nhập vào tế bào và phát huy tác dụng tại đích, giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc. Công nghệ nano cũng cho phép tạo ra các dạng thuốc có khả năng hấp thu tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị nhiều loại bệnh. Nghiên cứu cho thấy rằng hạt nano La1-xSrXmNO3 có thể được sử dụng trong các ứng dụng y sinh, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển thuốc và liệu pháp điều trị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học và công nghệ phát triển nhanh chóng, công nghệ nano đã trở thành lĩnh vực trọng điểm với tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong nhiều ngành công nghiệp và y học. Vật liệu nano, đặc biệt là hạt nano La1-xSrxMnO3 (LSMO), thu hút sự quan tâm lớn do các tính chất vật lý đặc biệt và khả năng ứng dụng trong lưu trữ dữ liệu, cảm biến, điện tử và y sinh. Theo báo cáo của ngành, các vật liệu perovskite manganite như LSMO thể hiện hiệu ứng từ trở khổng lồ (MR) và hiệu ứng từ nhiệt (MCE) nổi bật, mở ra triển vọng ứng dụng trong công nghệ cao và thiết bị điện tử.

Luận văn tập trung vào tổng hợp hạt nano La1-xSrxMnO3, khảo sát các tính chất vật lý như điện trở suất, tính chất từ và tiềm năng ứng dụng của chúng. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với phạm vi tập trung vào các mẫu hạt nano có thành phần x thay đổi nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Sr đến tính chất vật liệu. Mục tiêu chính là phát triển quy trình tổng hợp hiệu quả, phân tích cấu trúc tinh thể, và đo đạc các tính chất điện từ để làm rõ cơ chế vật lý và khả năng ứng dụng trong các thiết bị công nghệ.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng hiểu biết về vật liệu perovskite nano, góp phần phát triển các vật liệu từ tính có hiệu suất cao, đồng thời hỗ trợ ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, điện tử và năng lượng sạch. Các chỉ số như nhiệt độ Curie, từ trở và điện trở suất được đo đạc cụ thể, cung cấp dữ liệu định lượng cho việc đánh giá và phát triển vật liệu mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để phân tích tính chất vật liệu La1-xSrxMnO3:

1. Mô hình tương tác trao đổi kép (Double Exchange - DE): Mô hình này giải thích sự chuyển pha từ phản sắt từ sang sắt từ trong manganite dựa trên sự nhảy electron giữa các ion Mn3+ và Mn4+ với spin song song, làm tăng tính dẫn điện và từ tính của vật liệu. Mô hình giúp lý giải mối liên hệ giữa cấu trúc tinh thể, trạng thái oxy hóa và tính chất điện từ của vật liệu.

2. Hiệu ứng méo mạng Jahn-Teller: Hiện tượng biến dạng cấu trúc tinh thể perovskite do sự phân bố không đều của electron trên các quỹ đạo d của ion Mn3+, dẫn đến sự thay đổi tính chất điện và từ của vật liệu. Hiệu ứng này ảnh hưởng đến sự tách mức năng lượng và làm thay đổi các tính chất vật lý như điện trở và từ trở.

Các khái niệm chính bao gồm: cấu trúc perovskite ABO3, hiệu ứng từ trở khổng lồ (MR), hiệu ứng từ nhiệt (MCE), và các tương tác siêu trao đổi và trao đổi kép trong vật liệu manganite. Ngoài ra, các thuật ngữ chuyên ngành như nhiệt độ Curie (TC), từ độ dư (Mr), cường độ trường khử từ (HC) cũng được sử dụng để đặc trưng tính chất từ của hạt nano.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp hạt nano La1-xSrxMnO3 bằng kỹ thuật hóa ướt kết hợp năng lượng siêu âm (sonication) nhằm tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và cấu trúc tinh thể ổn định. Cỡ mẫu gồm các mẫu với tỷ lệ x thay đổi trong khoảng 0 đến 0.5 để khảo sát ảnh hưởng của thành phần Sr.

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm:

• Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) với thiết bị Rigaku, xác định pha và kích thước hạt nano.
• Quan sát hình thái và kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) và kính hiển vi điện tử xuyên qua (HRTEM).
• Đo đạc tính chất điện trở suất theo kỹ thuật bốn đầu dò, khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ và từ trường.
• Đo tính chất từ bằng từ kế SQUID, xác định các thông số từ hóa như từ độ dư, cường độ trường khử từ và nhiệt độ Curie.

Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng, kết hợp biểu đồ đường cong từ trễ, đồ thị điện trở suất theo nhiệt độ và từ trường để đánh giá các tính chất vật lý. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ khâu tổng hợp đến phân tích và thảo luận kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt: Kết quả XRD cho thấy các mẫu hạt nano La1-xSrxMnO3 có cấu trúc perovskite dạng lập phương hoặc biến dạng nhẹ tùy theo tỷ lệ x. Kích thước hạt nano được xác định qua phân tích Scherrer dao động trong khoảng 20-50 nm, phù hợp với quan sát SEM và TEM.

2. Tính chất điện trở suất: Điện trở suất của các mẫu giảm rõ rệt khi tăng tỷ lệ Sr, với giá trị điện trở suất tại nhiệt độ phòng giảm khoảng 30% khi x tăng từ 0 đến 0.5. Đường cong điện trở suất theo nhiệt độ thể hiện sự chuyển pha kim loại - điện môi tại nhiệt độ chuyển tiếp TP, dao động từ 200K đến 300K tùy mẫu.

3. Tính chất từ: Các mẫu thể hiện tính sắt từ với nhiệt độ Curie TC tăng từ khoảng 250K đến 320K khi tăng tỷ lệ Sr. Đường cong từ trễ cho thấy từ độ dư Mr đạt giá trị trung bình 0.15 Tesla và cường độ trường khử từ HC khoảng 0.05 Tesla, phản ánh tính chất từ dư rõ rệt của hạt nano.

4. Hiệu ứng từ trở khổng lồ (MR): Hiệu ứng MR được ghi nhận với giá trị lên đến 40% tại nhiệt độ thấp và từ trường 1 Tesla, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong cảm biến và lưu trữ dữ liệu.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi cấu trúc tinh thể theo tỷ lệ Sr phù hợp với lý thuyết méo mạng Jahn-Teller, làm thay đổi các liên kết Mn-O-Mn và ảnh hưởng đến tính chất điện từ. Việc tăng tỷ lệ Sr làm tăng số lượng ion Mn4+, thúc đẩy tương tác trao đổi kép, từ đó tăng tính dẫn điện và từ tính của vật liệu. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về manganite perovskite.

Đường cong điện trở suất và từ trễ minh họa rõ ràng sự chuyển pha từ điện môi phản sắt từ sang kim loại sắt từ, phù hợp với mô hình tương tác trao đổi kép. Hiệu ứng MR cao chứng tỏ hạt nano LSMO có khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử từ tính, đặc biệt trong lưu trữ dữ liệu và cảm biến từ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện các pha tinh thể, ảnh SEM/TEM minh họa kích thước hạt, đồ thị điện trở suất theo nhiệt độ và từ trường, cùng đường cong từ trễ để trực quan hóa tính chất từ. Những kết quả này góp phần làm rõ cơ chế vật lý và mở rộng ứng dụng của vật liệu nano từ tính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng kỹ thuật siêu âm kết hợp điều chỉnh pH và nhiệt độ để kiểm soát kích thước hạt nano đồng đều hơn, nhằm nâng cao tính chất điện từ. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu nano thực hiện.

2. Nghiên cứu pha tạp và biến đổi thành phần: Mở rộng phạm vi tỷ lệ x và thử nghiệm pha tạp các nguyên tố khác để điều chỉnh tính chất từ và điện, hướng tới ứng dụng cụ thể như cảm biến hoặc vật liệu ghi nhớ. Thời gian 12 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm vật liệu chức năng.

3. Phát triển ứng dụng trong y sinh: Khảo sát khả năng sử dụng hạt nano LSMO trong hệ dẫn thuốc từ tính, tận dụng tính siêu thuận từ và khả năng điều khiển bằng từ trường ngoài. Thời gian 18 tháng, phối hợp với trung tâm nghiên cứu y sinh.

4. Thiết kế thiết bị cảm biến và lưu trữ: Ứng dụng hạt nano trong chế tạo cảm biến từ và thiết bị lưu trữ dữ liệu với hiệu suất cao, tận dụng hiệu ứng từ trở khổng lồ. Thời gian 24 tháng, hợp tác với doanh nghiệp công nghệ.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu, mở rộng ứng dụng thực tiễn và phát triển công nghệ vật liệu nano từ tính tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và vật lý kỹ thuật: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích sâu về vật liệu perovskite manganite, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu liên quan đến vật liệu từ tính và điện tử.

2. Chuyên gia phát triển công nghệ y sinh: Thông tin về tính chất siêu thuận từ và khả năng ứng dụng hạt nano trong dẫn thuốc từ tính giúp mở rộng hướng nghiên cứu và ứng dụng trong điều trị bệnh.

3. Kỹ sư và nhà thiết kế thiết bị điện tử: Dữ liệu về hiệu ứng từ trở và tính chất điện từ của hạt nano LSMO hỗ trợ thiết kế cảm biến, bộ nhớ và linh kiện điện tử tiên tiến.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý, vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, phân tích và ứng dụng vật liệu nano từ tính, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano La1-xSrxMnO3 có kích thước bao nhiêu?
   Kích thước hạt nano dao động trong khoảng 20-50 nm, được xác định bằng XRD và quan sát SEM/TEM, đảm bảo tính đồng nhất và cấu trúc tinh thể ổn định.

2. Tại sao tỷ lệ Sr ảnh hưởng đến tính chất vật liệu?
   Tỷ lệ Sr thay thế La làm tăng số lượng ion Mn4+, thúc đẩy tương tác trao đổi kép, làm tăng tính dẫn điện và từ tính, đồng thời thay đổi cấu trúc tinh thể qua hiệu ứng méo mạng Jahn-Teller.

3. Hiệu ứng từ trở khổng lồ (MR) là gì?
   MR là hiện tượng điện trở suất thay đổi đáng kể khi có từ trường ngoài, trong hạt nano LSMO giá trị MR có thể đạt đến 40% tại nhiệt độ thấp, rất hữu ích cho cảm biến và lưu trữ dữ liệu.

4. Phương pháp tổng hợp hạt nano được sử dụng là gì?
   Phương pháp hóa ướt kết hợp năng lượng siêu âm (sonication) giúp tạo ra hạt nano có kích thước đồng đều, cấu trúc tinh thể tốt và khả năng kiểm soát thành phần chính xác.

5. Ứng dụng tiềm năng của hạt nano LSMO trong y học là gì?
   Hạt nano có thể được sử dụng trong hệ dẫn thuốc từ tính, giúp đưa thuốc đến vị trí cần thiết dưới tác dụng của từ trường ngoài, giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công hạt nano La1-xSrxMnO3 với kích thước 20-50 nm và cấu trúc perovskite ổn định.
• Tính chất điện trở và từ tính phụ thuộc rõ rệt vào tỷ lệ Sr, với nhiệt độ Curie tăng lên đến 320K và hiệu ứng từ trở khổng lồ đạt 40%.
• Kết quả nghiên cứu làm rõ cơ chế tương tác trao đổi kép và hiệu ứng méo mạng Jahn-Teller ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.
• Luận văn mở ra hướng phát triển vật liệu nano từ tính ứng dụng trong cảm biến, lưu trữ dữ liệu và y sinh học.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa tổng hợp và mở rộng ứng dụng trong 6-24 tháng tới, kêu gọi hợp tác nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano từ tính để khai thác tối đa tiềm năng công nghệ nano trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, trong thời đại của nền khoa học và công nghệ đang phát triển, công nghệ nano đã và đang trở thành lĩnh vực đem lại những tác dụng tích cực đối với nền kinh tế thế giới, lôi kéo các cường quốc vào cuộc chạy đua phát triển khoa học, công nghệ và vật liệu nano. Vật liệu và công nghệ nano được dự đoán là sẽ mang lại lợi nhuận lớn cho nhân loại trong tương lai và có thể giải quyết các bài toán về sức khỏe, năng lượng, môi trường. Mỗi quốc gia sẽ chọn những hướng đi phù hợp với thực tiễn. Tại Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 2 tại Đồ Sơn năm 1997, GS.

Nguyễn Văn Hiệu, Viện trưởng Viện Khoa học vật liệu, Chủ tịch Hội Vật lý Việt Nam, đã trình bày báo cáo về sự hình thành một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng trong vật lý chất rắn là vật lý nano và kêu gọi giới nghiên cứu vật lý chất rắn trong nước bắt đầu ngay việc nghiên cứu vật lý nano [1]. Một số phòng thí nghiệm đi đầu về vật liệu và công nghệ nano như Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Công nghệ nano - Đại học (ĐH) Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, ĐH Khoa học tự nhiên và ĐH Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội, ĐH Bách khoa Hà Nội, ĐH Sư phạm Hà Nội. Một trong những vật liệu nano được sử dụng rộng rãi hiện nay là vật liệu từ, loại vật liệu này được ứng dụng trong các thiết bị như máy biến thế, máy phát điện, máy ghi âm, ghi hình, thiết bị lưu trữ dữ liệu… Trong phạm vi của đề tài này chúng tôi quan tâm tới vật liệu nano có tính chất từ tính là hạt nano La1-xSrxMnO3. Nhiều công trình nghiên cứu được công bố thuộc về các vật liệu perovskite liên quan đến những tính chất điện-từ, tính nhạy khí.

Những thành tựu nghiên cứu thu được đã mở ra những triển vọng ứng dụng lớn trong lưu trữ dữ liệu, trong y học, các vật liệu xúc tác… 2 Nghiên cứu các tính chất điện-từ của các manganite là một chủ đề thu hút sự quan tâm lớn của cộng đồng các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực từ trên thế giới cũng như ở Việt Nam [2]. Gần đây tại các phòng thí nghiệm ở Việt Nam các hạt perovskite ABO3 đã được tổng hợp bằng nhiều phương pháp thực nghiệm [3]. Dựa vào điều kiện thiết bị, tài liệu tham khảo, theo tình hình thực tế chúng tôi đã lựa chọn đề tài cho luận văn là: Hạt nano La1-xSrxMnO3: Tổng hợp, khảo sát một số tính chất vật lý và tiềm năng ứng dụng. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO 1. Hạt nano, vật liệu nano và công nghệ nano 1. Giới thiệu về khoa học và công nghệ nano Hiện nay, khoa học ứng dụng có xu hướng tích hợp lại để nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé có kích thước nguyên tử. Vì vậy, con người bắt đầu nghiên cứu những vật liệu có kích thước nano mét, những vật liệu này được gọi là vật liệu nano.

Chữ nano, gốc Hi Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỉ lần (10-9) [4, 5]. Ví dụ: nano gam = 1 phần tỉ của gam, nano mét = 1 phần tỉ mét. Điểm kì diệu trong kích thước chiều dài, điểm mà tại đó những vật liệu sáng chế nhỏ nhất do con người chế tạo ra ở cấp độ nguyên tử và phân tử của thế giới tự nhiênchính là nano mét. Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.

Công nghệ nano (nanotechnology) 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 nanomét (từ 1nm đến 100 nm) [4, 5]. Khoa học nano (nanoscience) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano [4, 5].

Vật liệu nano (nanomaterials) là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống,… có kích thước nano (khoảng từ 1 nano mét đến 100 nano mét, tức cỡ 4 nguyên tử, phân tử, hay đại phân tử - macromolecule). Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác… rất đặc biệt, khác hẳn các vật liệu có kích thước lớn [4, 5]. Phân loại vật liệu nano - Theo hình dáng của vật liệu: + Vật liệu nano không chiều là vật liệu mà cả ba chiều (không gian) đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử [6] (hình 1. Ví dụ: đám nano, hạt nano, chấm lượng tử … + Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều [6] (hình 1.

Ví dụ: dây nano, ống nano… + Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do [6] (hình 1. Ví dụ: màng mỏng… Hình 1.1 Phân loại vật liệu nano theo hình dáng. - Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano [6]: + Vật liệu nano kim loại + Vật liệu nano bán dẫn + Vật liệu nano từ tính + Vật liệu nano sinh học,… 5 - Phân loại theo trạng thái: Người ta phân loại thành 3 trạng thái rắn, lỏng, khí. Tuy nhiên hiện nay phần lớn các nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu vật liệu rắn.

Tại sao các vật liệu nano có tính chất đặc biệt Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiện tượng sau đây: 1. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số f giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng [7].1) Với nS là số nguyên tử trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử của vật liệu. r0 là bán kính của nguyên tử, r bán kính của hạt nano. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong 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 sẽ tăng lên do tỉ số f tăng.

Khi kích thước của vật liệu giảm đến kích thước ở thang nanomet thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Đây là một trong những điểm cần lưu ý đặc biệt trong nghiên cứu và ứng dụng. Hiệu ứng kích thước Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống.

Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nano mét. Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thường nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lý đã biết.

Nhưng khi kích thước của vật liệu có 6 thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. 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. Cùng một vật liệu, khi xem xét một tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt.

Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào [7]. Phương pháp tổng hợp và điều chế vật liệu nano Có hai phương pháp chung để tổng hợp vật liệu nano [4]: - Phương pháp từ trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano. -Phương pháp từ dưới lên (bottom-up) nghĩa là lắp những hạt cỡ phân tử, nguyên tử hay ion lại để thu kích thước nano. Có 4 nhóm phương pháp chính để điều chế vật liệu nano, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, có phương pháp chỉ có thể áp dụng để điều chế một số vật liệu nhất định.

Phương pháp hóa ướt (thuộc nhóm bottom-up) Phương pháp này bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo như phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một thành phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. Phương pháp này có ưu điểm là có thể chế tạo các vật liệu khác nhau như vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại.

Ngoài ra phương pháp này rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhược điểm chính là các hợp chất có thể liên kết bền với phân tử nước gây khó khăn trong việc nhiệt phân chúng. Bên cạnh đó phương pháp sol-gel có hiệu suất không cao. 7 Tác giả Lâm Thị Kiều Giang đã chế tạo thành công hạt nano Y2O3 và ZrO2 với kích thước 5-15 nm bằng phương pháp hóa ướt [8].

Phương pháp cơ học (thuộc nhóm top-down) Phương pháp này gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Ưu điểm của phương pháp cơ học là có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu.