CHƯƠNG I.TỎNG QUAN VE VAN ĐÈ NGHIÊN CỨU 1. HẠT NANO, VAT LIEU NANO VA CÔNG NGHỆ NANOfðI46N1I 1. Các khái niệm liên quan Trong khoảng vài thập niên gần đây, trong khoa học xuất hiện một dãy các từ mới gắn liền với hậu tô “nano” như: cau trúc nano, công nghệ nano, vật liệu nano, hoá học nano, vật lý nano, cơ học nano, công nghệ sinh học nano, hiệu ứng kích thước nano,. Người ta đã công bỏ hàng loạt các bài báo.
các công trình khoa học. các tạp chí và tổ chức nhiều hội nghị, hội thao gắn liền với chủ đề công nghệ nano. Chữ “nano”, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo dé tạo ra đơn vị ước giảm đi | ty lần (10°). Ví dụ: nanogam = | phan tỷ gam; nanomet = | phan tỷ mét hay Inm = 10" m.
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. kich thước trên quy mô nanomet (từ | đến 100 nm). Khoa học nano (nanoscience) là ngảnh khoa học nghiên cửu về các hiện tượng va sự can thiệp (manipulation) vao vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử va đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hăn với tính chất của chúng tại các quy mé lớn hơn.
Ranh giới giữa công nghệ nano vả khoa học nano đôi khi không rõ rang, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng nghiên cứu là vật liệu nano. Vật liệu nano (nanomaterials) là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ théng,. có kích thước nano (khoáng từ đến vai tram nanomet, tức cỡ nguyên tứ, 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.
rat đặc biệt, khác han các vật liệu có kích thước lớn. Vật liệu nano từ tính và phân loại Các vật liệu khi hưởng ứng với từ trường thì nó sẽ có tính chất từ.Vật liệu từ là loại vật liệu mà dưới tác dụng của tử trường ngoài có thể bị từ hóa, tức là có những tính chất từ đặc biệt. Đặc trưng tính chất từ của các vật liệu là độ từ hóa và độ từ cảm: GVHD: TS. NguyễnAnh Tiên SVTH: Nguyễn Thị Thủy Pape9 Khóa luận tat nghiệp D6 từ hóa là môt đai lượng sử dung trong từ học được xác định băng tổng momen tửnguyên tử trên một đơn vithé tích của vật từ Đôi khi, từ đô con được định nghĩa lả tổng mômen từ trên một đơn vị khỏi lượng.
Từ đô lả mot dai lượng véctơ Độ từ cảm là tỷ số của từ độ và từ trường, biểu hiện sự hưởng ứng của vật liệu với từ trường ngoải Đô từ cảm có thể âm hoặc dương Trong tự nhiên có hai loại vật liệu từ chủ yếu: vật liệu thuận tử va vật liêu nghịch tử Sự phân loại nảy dựa theo dấu và độ lớn của độ từ cảm: Vật liệu thuận từ là những vật liệu mà khi không có từ trường ngoài tác dụng thi các moment từ nguyên tứ định hướng hỗn loạn, điều nay dẫn đến dé từ hóa bằng 0. Khi có từ trường ngoài tác dụng thi các moment từ nguyên tử sẽ định hướng theo từ trường ngoài và xuất hiện độ từ hóa cùng chiều với từ trường ngoài. Tính thuận từ thường thé hiện khá yêu va phụ thuộc vào nhiệt độ Vật liệu nghịch từ là vật liệu bị tử hóa ngược chiêu với từ trường ngoài. Tinh nghịch từ có liên quan với xu hướng của các điện tích muốn chin phan trong của vật liệu khỏi từ trưởng ngoai (tuân theo định luật Lentz của hiện tượng cam ứng điện tir).
Các thông số xác định tính chất của vật liệu từ, ngoài độ từ cảm còn có độ từ hóa bão hỏa, độ từ dư và lực kháng từ. Một số ứng dụng của vật liệu nano từ tính Dược hoc, thuốc chữa bệnh: Có kha năng chế tạo các phan tử sinh học ma chuyển dược phẩm trong tê bao (hình 1) Điều nay có thé giải phóng các hạt nano hoặc hóa chat chồng ung thư đáp lại tin hiệu nguy hiểm tir tế bảo bệnh Gắn DNA và chip DNA : Xét nghiệm kim loại xác - Hit 1. Mo hình ứng dung vật liệu nano trong việc diéu tri bénh định DNA có thể thực hiện bằng lớp phú hạt nano vang với chuỗi soi DNA. Khi các hat nảy được ghép vào DNA sé xảy ra liên kết (sự lai tạo) Quả trình nảy sẽ lam cho keo vàng kết tu, va kết qua la điển ra sự thay đổi mau trên thân chịp.
NguyễnAnh Tiến SVTH: Nguyễn Thi Thủy Page10 Khóa luận tốt nghiệp Lưu trữ thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng cao hơn về mau sắc. độ bao phú va chất bén mau. Trên thực tế, các hạt nano thường được ứng dung trong audio, băng video vả đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và tính chất từ của hạt mịn. Với các tiên bộ kĩ thuật, càng ngày con người cảng chế tạo các loại vật liệu lưu trữ thông tin có dung lượng lớn nhưng kích thước ngảy càng nhỏ gọn.
Máy tính hóa học/quang học: Các mạng hai hay ba chiều có trật tự của kim loại hoặc nano bán dẫn có tinh chất từ và quang riêng biệt Các vật liệu này hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bao gồm cả máy tính quang học. Gém và các chất cách điện cải tính: Việc nén các hạt gốm kích thước nano tạo ra các vật rắn mém đẻo, dường như là do vô số ranh giới hạt tôn tại. Sau khi phát triển thêm các phương pháp nén, các vật không xốp, độ đặc cao sẽ được điều chế. Những vật liệu mới này có thẻ được sử dụng như chất thay thể cho kim loại trong rất nhiều ứng dụng.
Kim loại cứng hơn: Kim loại nano khi nén vao trong vật rắn sẽ có bề mặt đáng chú ý, có độ cứng của kim loại vi tinh thé thông thường. Pin mặt trời: Hạt nano bán dan, có kích thước điều chính được, có tiềm năng đối với pin mặt trời với hiệu suất cao hơn. Chất xúc tác: Tầm quan trọng của vật liệu cấu trúc nano là sự xúc tác không đồng nhất phụ thuộc vào các hạt nano của kim loại va nghiên cứu về tắc động của kich thước hạt. Đây là lĩnh vực đã vả đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.
Công nghệ sản xuất sơn: Người ta đã chứng minh được rằng sơn được thêm chất phụ gia bằng các hat nano hap phụ ánh sáng, ví dụ như TiO, thì sơn sẽ tự lau sạch. Cơ chế khiến điều này xảy ra liên quan đến oxy hóa quang chất gây bin bằng TiO, trong nước. Vật liệu hữu cơ béo mà bám chặt vao bề mặt sơn có thé bị oxy hóa bằng cặp lỗ điện tử tạo thành khi nano TiO, hap thụ ánh sáng mặt trời. Vi vậy, vật liệu hữu co bj loại khỏi lớp mang son.
Các chất xúc tác bảo vệ môi trưởng: Việc sử dụng vật liệu nano với thành phan là các kim loại đất hiểm cho phép điều chế các lớp xúc tác hoạt tính mỏng hơn, nhờ đó tiết kiệm được kim loại quý. Các vật liệu nano nảy cũng giúp ích trong việc điều chế các GVHD: TS. NguyễnAnh Tiến SVTH: Nguyễn Thị Thủy Page11 Khóa luận tốt nghiệp huyền phủ có độ đặc cao, rit bén, nhờ đó giảm số bước phủ và giảm mắt mát nguyên liệu do sự phân tán kết bông khi sản xuất các lớp xúc tác. Nang cao an ninh quốc phỏng: Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo trang thiết bị quân sự cho quốc phòng.
Các loại vật liệu hap phụ, phá hủy các tác nhân sinh học và hóa học đã được chứng minh là khá hiệu quả và cho phép đỗi phó nhanh với một số van đẻ hậu cản. Ngoài ra, các nhà khoa học đã tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn dé mang tính toàn cầu như thực trạng 6 nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. CÁC PHƯƠNG PHAP TONG HỢP VAT LIEU PEROVSKITE ABO," 1. Phương pháp tổng hợp gồm Quy trình tổng hợpvật liệu ABO;bằảng phương pháp gốm(hình 2): Bước 1: Nguyên liệu ban dau (thường là các oxit hoặc muỗi cacbonat) được cân theo tính toán từ công thức hợp thức của gốm.
Bước 2: Nghién trộn phối liệu có tác dụng tạo ra hỗn hợp bột đồng déu. Bước 3: Sau khi được nghiên trộn trong một khoảng thời gian thích hợp, hỗn hợp được ép thành viên nhỏ vả tiến hành nung sơ bộ ở nhiệt độ cao dé thực hiện phan ứng pha rắn tạo ra những hợp chất mong muốn. Với các mẫu sản phẩm perovskite nhiệt độ nung sơ bộ trong nhiều giờ. Bước 4: Sau khi nung sơ bộ.
mẫu được nghiên lần hai dé tạo vật liệu dang bột có kích thước hạt mong muốn. Bước 5: Vật liệu đã nghiền lần hai, được trộn đều với chất kết dính để giúp định dang dé dàng hơn. Chat kết dính thường là dung dịch keo PVA. Bước 6: Mẫu bột sau đó được ép thanh mẫu sản phẩm và đưa vào nung thiêu kết trong điều kiện thích hợp.
Quá trinh nung thiêu kết giúp hoàn thành phan ứng tạo hợp chất cần chế tạo và tạo ra sản phẩm cuối cùng có tính chất cơ, điện, tir,. NguyénAnh Tien SVTH: Nguyễn Thị Thủy Pagel2 Khóa luận tốt nghiệp Cân nguyên liệu theo thành phan hợp thức Nghiền trộn nguyên Làm khô và ép viên liệu Nung sơ bộ Nghiên mạnh Làm khô và ép viên Hình 2: Sơ đô miêu tả quy trình tổng hợp vật liệu ABO, theo phương pháp gốm Nhược điểm: tương đôi phức tap, phải trải qua nhiếu giai đoạn, trang thiết bị hiện đại (máy nghiền năng lượng cao, lò nung trên 1250°C ), thời gian của các công đoạn kéo dài vả khốilượng nguyên liệu tương đối lớn nên không thích hợp cho việc sinh viên tiền hành trong phòng thí nghiệm của trường. Phương pháp đồng kết tủa Phương pháp đồng kết tủa là phương pháp đơn giản đẻ điều chế hat ferrite có kích thước nhỏ. Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muỗi vỏ cơ tan trong nướcđược hỏa tan trong dung môilà nước, sau đó cho phản ứng với dung dịch bazơ hydroxit như KOH, NaOH, NH,OH,.
dé tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa được lọc rửa sạch bằng nước cat và được làm khô ở nhiệt độ 60°C trong chân không Các hạt được tổng hợp có kích thước từ vài nanomet đến vai chục nanomet. Kích thước hạt có thé GVHD: TS.