Chương 1. CÁC ĐẶC TRUNG CHUNG VE HẠT NANO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DIEU CHE CHUNG 1. HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO Trong khoảng vài thập niên gần đây, trong khoa học xuất hiện một dãy các từ mới gắn liền với hậu tố “nano” như: cấu 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 v. Người ta đã công bố hàng loạt các bài báo, các công trình khoa học, các tạp chí và tổ chức nhiều hội nghị, hội thảo gắn liền với chủ đề công nghệ nano.
Xuất hiện nhiều trung tâm, viện nghiên cứu, tô bộ môn, khoa, chuyên ngành về công nghệ nano và vật liệu nano. Chữ “nano”, gốc Hy Lạp, được gan vào trước các don vị do dé tạo ra đơn vị ước giảm di 1 tỷ lần (10°). Ví dụ: nanogam = 1 phan tỷ gam; nanomet = I phần tỷ mét hay Inm= 10° m. Khoa học nghiên cứu về hạt nano đã và đang được quan tâm do chúng có tính chất vật lý, hoá học và nhiều ứng dụng khác đặc biệt hơn so với khi nghiên cứu về hạt micro.
Công nghệ nano là tô hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị may móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu trúc nano, tức là các đơn vị cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm. Công nghệ nano xuất hiện trên cầu nối của một số ngành khoa học (hoá học, vật lý, cơ học, khoa học vật liệu, sinh học và nhiều lĩnh vực khác của khoa học), ngày càng đi sâu vào nhiều lĩnh vực hiện đại của khoa học và kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào đời sống của chúng ta. Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí.
Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cau trúc của vật liệu và kích thước của chúng v. Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) ( hình 1 và 2). s* Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự đo nào cho điện tử) Vi du: dam nano, hạt nano v.
SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 5 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc s* Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện từ được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù). Ví dụ: day nano, ông nano v. s* Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiêu tự đo. Vi dụ: màng mong v.
(hình 1f) s* Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt nano tinh thé. Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phan của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lần nhau. 0 chiều 1 chiều @ “ <i> t mang mỏng : đọng he cấu trúc dị thể dây nanô hình kim «) 2chiéu (@® mang mỏng đa lớp hạt nand mọc trên cấu trúc cột Hình 1. Phân loại vật liệu nano theo sé chiều rv ry Hình 2.
Cau trúc vat liệu nano khong chiéu (0D). I chiéu (1D), 2 chiéu (2D), 3 chiêu (3D) SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 6 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thay Mai Văn Ngọc Ngoài ra. dé phan biệt các dang vật liệu nano người ta còn dua vao lĩnh vực ứng dụng khác nhau của chúng như: s* Vật liệu nano kim loại: 4* Vật liệu nano bán dan; “+ Vật liệu nano có từ tính; “+ Vật liệu nano sinh học. # hud hợtnsn2 > Ding nand 9 cay nan$ cắm nane + td xúc nạn & Ống na» $ th ấm ôn *atô h‹ bắc tra¬g card ‡ xuyếc end & nâng mông ond tao theo khoôn, Hình 3.
Phan loại vat liệu nano theo hình dang Quá trình tông hợp các cau trúc nano khác nhau như hạt, thanh, dây, ống (hình 3) hay các cau trúc nano ki dj với sự đồng đều vẻ kích thước, hình dang và đơn pha đang được tập trung nghiên cứu. Theo đó, nhiều hệ vật liệu nano mới với những mục đích ứng dụng khác nhau được tạo ra. Theo quan điểm của nhiều tác giả, “hgt nano” là một đối tượng nano không chiều (0D) mà kích thước tất cả các chiều đều có một bậc đại lượng, về nguyên tac, các hạt nano có dang hình cầu. Theo quan điểm về năng lượng, sự giảm kích thước hạt sẽ làm tăng vai trò năng lượng be mat cua hat cau trúc.
Các tinh chất đặc trưng của vật liệu như: hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thé bị thay đôi khi giám kích thước xuống thang nano, Ngoài ra còn nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính và diện tích bề mặt: các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học. cũng bị thay đổi khi giảm kích thước đến giá trị nanomet. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 7 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc 1. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP DIEU CHE BOT NANO OXIT Các vật liệu nano có thé thu được băng bên phương pháp phỏ biển, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau, một số phương pháp chỉ có thê được áp dụng dé tổng hợp một số vật liệu nhất định mà thôi.
Ví dụ: % Phương pháp hóa học ướt (wet chemical): bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry) như: phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dich chứa các ion khác nhau được trộn với nhau theo một ty phần thích hợp. dưới tác động của nhiệt độ. áp suất, giá trị pH của môi trường làm cho các tiểu phân kết dính hoặc kết tủa từ dung dịch của chúng.
Sau các quá trình lọc, say khô va nung thiêu kết ta thu được các vật liệu nano mong muốn. Ví dụ, trong tài liệu [5], tác giả đã chế tạo thành công các hạt nano YzO; và ZrO; với kích thước 5-15 nm bằng phương pháp hóa học ướt * Ưu điêm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thé chế tạo được rất đa đạng, chúng có thê là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Dac điểm của phương pháp này là rẻ tiền va có thê chế tạo được một khôi lượng lớn vật liệu. * Nhược điểm chính của phương pháp này là các hợp chất có liên kết bền với phân tử nước gây khó khăn trong việc nhiệt phân chúng.
% Phương pháp cơ học (mechanical): bao gdm các phương pháp tán, nghiền hợp kim cơ học. Theo phương pháp nảy, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tỉnh hay máy nghiền quay. Thật vậy, tác giả Nguyễn Hoang Hải [9] bằng phương pháp nghiền đã chế tạo thành công các hạt oxit sắt từ với kích thước khoáng từ 30-100 nm.
* Ưu điểm phương pháp cơ học: là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền va có thé chế tạo với một lượng lớn vật liệu. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo § Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Nhược điềm là các hạt bị kết tụ với nhau, dai phân bố kích thước hạt không đều, dé bị nhiễm ban từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thé đạt được hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này thường được dùng đề tạo vật liệu kim loại. “ Phương pháp bốc bay: gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí và hóa hoc.
Ví dụ, trong công trình [7]. tác gia đã chế tao thành công màng nitric coban với độ dày khoảng 90 nm. Y Ưu điềm: áp dụng hiệu qua dé chế tạo mang mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn thê hợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi đo đó màng tạo ra có hợp phức khá gần với thành phần của vật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim), người ta cũng có thê dùng nó dé chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu tir đẻ. Y Nhược điểm: phương pháp này kém hiệu quả dé có thé chế tạo ở quy mô thương mại.
Không thẻ chế tạo các màng quá mỏng, khó khống chế chiều day của vật liệu đo tốc độ bốc bay khó điều khiển. “+ Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase): gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nỗ điện (electro-explosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phương pháp có từ rat lâu, được dùng đề tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon [14].
Bằng phương pháp này người ta đã thu được carbon nano dang ông với đường kính ngoai trung bình từ 10-30 nm. Y Ưu điềm: phương pháp đốt laser có thé tạo được nhiều loại vật liệu. Nhược điêm: chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thẻ ding dé tạo rat nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp dé tạo vật liệu hữu cơ vi nhiệt độ của nó có thê lên đến 900°C.
MOT SO UNG DUNG CUA CÔNG NGHỆ NANO Ngày nay, các tập đoàn sản xuất điện tir đã bat dau đưa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh, từ chiếc máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh và hiệu quả. Trong y học, dé chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bao ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “xe tải kéo”, tránh được hiệu SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 9 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc ứng phụ gây ra cho các tế bảo lanh. Hiện nay, y tế nano trên thế giới đang nhằm vào những mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gen như: HIV/AIDS hay ung thư, tim mạch và các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiêu đường, liệt rung (Parkison), mat trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này.