Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo hạt bạc có cấu trúc nano trên nền than hoạt tính và định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường

Chế tạo hạt bạc nano trên than hoạt tính, giải pháp xử lý môi trường hiệu quả. Ứng dụng tiềm năng trong lọc nước, khử khuẩn, làm sạch không khí.

• Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hoàng Hải
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hạt bạc có cấu trúc nano trên nền than hoạt tính và định hướng trong xử lý môi trường
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời Cảm Ơn
• Lời nói đầu
• 1. Chương 1: Tổng Quan Vật Liệu
• 1.1. Tính chất cơ bản của hạt nano bạc
• 1.1.1. Tính chất cấu trúc
• 1.1.2. Tính chất hình thái
• 1.1.3. Hiệu ứng bề mặt
• 1.1.3.1. Hiệu ứng kích thước
• 1.1.4. Tính chất quang
• 1.1.4.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt
• 1.1.4.2. Lí thuyết Mie và hiện tượng plasmon cộng hưởng
• 1.1.4.3. Tính chất quang của hạt bạc
• 1.1.5. Tính diệt khuẩn
• 1.1.5.1. Cấu trúc và hình thái của vi khuẩn
• 1.1.5.2. Cơ chế tiêu diệt vi khuẩn của hạt bạc
• 1.2. Than hoạt tính (Activated Carbon - AC)
• 1.2.1. Sơ lược về than hoạt tính
• 1.2.2. Cấu trúc của than hoạt tính
• 1.2.2.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.2.2.2. Cấu trúc xốp
• 1.2.2.3. Cấu trúc bề mặt
• 1.2.3. Nhóm cacbon – oxy bề mặt
• 2. Chương 2: Thực nghiệm
• 2.1. Chế tạo hạt nano bạc (Silver nanoparticles - AgNP)
• 2.2. Chế tạo than hoạt tính (AC)
• 2.3. Phân tán hạt nano bạc trên nền than hoạt tính (AgAC)
• 2.4. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính (AC) và than hoạt tính tẩm nano bạc (AgAC)
• 2.4.1. Hấp phụ xanh mêtylen (MB)
• 2.4.2. Hấp phụ Asen
• 2.5. Thí nghiệm về khả năng kháng khuẩn
• 2.5.1. Khả năng diệt khuẩn AgAC
• 2.5.2. Nồng độ ức chế tối thiểu của dung dịch nano bạc
• 2.6. Các phép đo khảo sát tính chất của hạt nano bạc và than hoạt tính
• 2.6.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X
• 2.6.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua
• 2.6.3. Phổ hấp thụ - truyền qua
• 2.6.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X
• 2.6.5. Đo phân bố lỗ và diện tích bề mặt của than hoạt tính (BET)
• 2.6.6. Đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 3. Chương 3: Kết quả và thảo luận
• 3.1. Cấu trúc, hình thái học và tính chất quang của AgNP, AC và AgAC
• 3.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của AgNP
• 3.1.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của AgNP
• 3.1.3. Phổ hấp thụ - truyền qua của AgNP
• 3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ TSC lên kích thước AgNP
• 3.1.5. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện phân lên kích thước AgNP
• 3.2. Than hoạt tính (Activated Carbon – AC)
• 3.2.1. Than hoạt tính tẩm hạt nano bạc (AgAC)
• 3.3. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của AgNP và AgAC
• 3.3.1. Nghiên cứu định tính khả năng diệt khuẩn của AgNP và AgAC
• 3.3.2. Nghiên cứu định lượng khả năng kháng khuẩn của AgNP - Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC)
• 3.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của AC và AgAC
• 3.4.1. Cơ chế hấp phụ MB của AC
• 3.4.2. Ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ MB của AC
• 3.4.3. So sánh khả năng hấp phụ của AC và AgAC
• 3.5. Định hướng nghiên cứu tiếp theo
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Khám phá vật liệu nano bạc than hoạt tính xử lý môi trường

Sự kết hợp giữa hai loại vật liệu ưu việt đang mở ra một chương mới cho công nghệ xử lý môi trường. Một bên là hạt bạc nano (AgNPs) với đặc tính kháng khuẩn mạnh mẽ, có khả năng tiêu diệt nhiều loại vi sinh vật gây hại. Một bên là than hoạt tính (AC), một vật liệu hấp phụ kinh điển với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt BET cực lớn. Khi kết hợp, chúng tạo ra một vật liệu composite nano bạc-than hoạt tính (AgNPs/AC) với sức mạnh tổng hợp: vừa hấp phụ chất ô nhiễm, vừa khử trùng nguồn nước. Vật liệu này không chỉ giải quyết các vấn đề ô nhiễm hóa học như loại bỏ kim loại nặng hay thuốc nhuộm, mà còn xử lý ô nhiễm sinh học bằng cách diệt khuẩn E.coli và các vi khuẩn khác. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp AgNPs/AC hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện với môi trường đang là một hướng đi đầy triển vọng. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo một loại vật liệu lai có khả năng ứng dụng rộng rãi, từ xử lý nước thải dệt nhuộm đến khử trùng nước sinh hoạt, góp phần giải quyết các thách thức môi trường cấp bách hiện nay.

1.1. Giới thiệu vật liệu composite nano bạc và than hoạt tính

Hạt nano bạc, với kích thước ở thang nanomet, thể hiện các tính chất vật lý và hóa học khác biệt so với bạc khối. Diện tích bề mặt riêng lớn giúp tăng cường hoạt tính, đặc biệt là khả năng kháng khuẩn phổ rộng. Trong khi đó, than hoạt tính, thường được sản xuất từ các nguồn tự nhiên như than hoạt tính gáo dừa hoặc tre, là một chất hấp phụ xốp với mạng lưới mao quản phức tạp. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu composite nano bạc-than hoạt tính, một hệ thống đa chức năng. Than hoạt tính đóng vai trò là chất mang nano bạc, ngăn chặn các hạt nano kết tụ, đồng thời cung cấp một bề mặt rộng lớn để hấp phụ các phân tử ô nhiễm. Các hạt nano bạc được phân tán đều trên bề mặt sẽ phát huy tối đa khả năng diệt khuẩn, tạo ra một lớp màng bảo vệ sinh học hiệu quả.

1.2. Tại sao kết hợp nano bạc với chất mang than hoạt tính

Sự kết hợp này giải quyết được nhược điểm của từng vật liệu khi sử dụng riêng lẻ. Hạt nano bạc dù có khả năng kháng khuẩn cao nhưng dễ bị kết tụ trong môi trường nước, làm giảm hiệu quả và có nguy cơ phát tán ra môi trường. Than hoạt tính hấp phụ tốt nhưng không có khả năng diệt khuẩn, bề mặt của nó thậm chí có thể trở thành nơi cho vi khuẩn phát triển. Bằng cách cố định nano bạc lên bề mặt than hoạt tính, vật liệu mới vừa giữ được khả năng hấp phụ mạnh mẽ, vừa được trang bị thêm đặc tính kháng khuẩn vượt trội. Cơ chế hấp phụ và diệt khuẩn diễn ra đồng thời: than hoạt tính hút và giữ các chất ô nhiễm, trong khi nano bạc tiêu diệt vi khuẩn, ngăn ngừa sự hình thành màng sinh học trên bề mặt vật liệu, qua đó kéo dài tuổi thọ và hiệu quả sử dụng. Đây là một giải pháp toàn diện cho việc làm sạch và khử trùng.

II. Giải mã thách thức ô nhiễm nước và vai trò của vật liệu mới

Ô nhiễm nguồn nước do công nghiệp hóa và đô thị hóa đang là một thách thức toàn cầu. Các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy từ ngành dệt nhuộm, kháng sinh, thuốc trừ sâu, cùng với sự hiện diện của các ion kim loại nặng như asen, chì, thủy ngân gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý truyền thống như lắng, lọc, keo tụ hay xử lý sinh học thường bộc lộ nhiều hạn chế. Chúng có thể không loại bỏ triệt để các chất ô nhiễm vi lượng, tốn kém chi phí vận hành, hoặc tạo ra bùn thải thứ cấp khó xử lý. Đặc biệt, vấn đề ô nhiễm vi sinh vật, sự kháng kháng sinh của vi khuẩn đòi hỏi những giải pháp diệt khuẩn tiên tiến và hiệu quả hơn. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu các vật liệu mới như Ag/C composite trở nên vô cùng cấp thiết. Vật liệu này hứa hẹn một giải pháp 'hai trong một', vừa hấp phụ các chất độc hóa học, vừa tiêu diệt các tác nhân gây bệnh sinh học, mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý nước bền vững.

2.1. Hạn chế của các phương pháp xử lý nước thải truyền thống

Các hệ thống xử lý nước thải thông thường thường gặp khó khăn trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ bền vững và các ion kim loại nặng ở nồng độ thấp. Ví dụ, phẩm nhuộm azo trong nước thải dệt may rất khó bị phân hủy bằng phương pháp sinh học hiếu khí. Hơn nữa, việc sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Các phương pháp vật lý như hấp phụ bằng than hoạt tính đơn thuần chỉ chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha rắn, đòi hỏi quá trình tái sinh hoặc xử lý than đã qua sử dụng. Do đó, cần một giải pháp có khả năng phân hủy chất hữu cơ và loại bỏ chất độc một cách triệt để hơn.

2.2. Nhu cầu cấp thiết về vật liệu hấp phụ và kháng khuẩn hiệu quả

Nhu cầu về một vật liệu đa năng, vừa có khả năng hấp phụ cao, vừa có tính kháng khuẩn mạnh mẽ là rất rõ ràng. Một vật liệu như vậy không chỉ giúp làm sạch nước mà còn ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn trên chính bề mặt lọc, tránh hiện tượng tắc nghẽn và giảm hiệu suất. Vật liệu composite nano bạc-than hoạt tính đáp ứng chính xác yêu cầu này. Nó cung cấp một nền tảng ổn định để cố định nano bạc, tối ưu hóa khả năng tiếp xúc giữa tác nhân diệt khuẩn và vi sinh vật. Đồng thời, cấu trúc xốp của than hoạt tính vẫn đảm bảo khả năng hấp phụ các phân tử ô nhiễm, tạo ra một hệ thống xử lý toàn diện và hiệu quả cao.

III. Hướng dẫn chế tạo hạt bạc nano bằng phương pháp điện hóa

Để tổng hợp hạt nano bạc, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu, trong đó phương pháp điện hóa siêu âm điện cực tan nổi bật nhờ tính đơn giản, hiệu suất cao và sản phẩm có độ tinh khiết. Thay vì sử dụng các tiền chất muối bạc như bạc nitrat (AgNO3) và các chất khử natri borohydride (NaBH4) có thể để lại ion tồn dư, phương pháp này sử dụng điện cực bạc nguyên chất (bạc khối). Dưới tác dụng của dòng điện, bạc từ điện cực dương (anode) sẽ bị hòa tan thành các ion Ag+. Các ion này sau đó di chuyển về điện cực âm (cathode) và được khử thành các nguyên tử bạc. Sóng siêu âm được sử dụng đồng thời để phá vỡ và phân tán các hạt bạc mới hình thành, ngăn chúng kết tụ và đảm bảo kích thước ở thang nano. Môi trường phản ứng thường chứa Trisodium Citrate (TSC), một chất vừa có vai trò dẫn điện, vừa là chất hoạt hóa bề mặt bao bọc các hạt nano, giúp chúng ổn định trong dung dịch keo. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt thông qua việc điều chỉnh các thông số như mật độ dòng điện và nồng độ TSC, tạo ra sản phẩm sạch, phù hợp cho các ứng dụng nhạy cảm.

3.1. Nguyên lý phương pháp điện hóa siêu âm điện cực tan

Đây là một kỹ thuật tiên tiến kết hợp điện phân và sóng siêu âm. Hệ thống bao gồm một điện cực dương bằng bạc và một điện cực âm bằng Platin đặt trong dung dịch chất điện li (ví dụ: Trisodium Citrate). Khi có dòng điện chạy qua, bạc ở cực dương bị oxy hóa thành ion Ag+. Sóng siêu âm tạo ra các bọt khí vi mô, khi chúng vỡ ra sẽ sinh ra các vi luồng và sóng xung kích cực mạnh, giúp bóc tách các hạt bạc nano mới hình thành trên bề mặt cực âm và phân tán chúng vào dung dịch. Quá trình này diễn ra liên tục, tạo ra dung dịch keo bạc ổn định với các hạt có kích thước đồng đều. Ưu điểm của phương pháp là không cần dùng hóa chất khử mạnh, giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp và giá thành sản phẩm.

3.2. Vai trò của Trisodium Citrate TSC trong quá trình tổng hợp

Trisodium Citrate (TSC) đóng vai trò kép trong quá trình tổng hợp. Thứ nhất, nó là chất điện li, giúp tăng độ dẫn điện của dung dịch, đảm bảo quá trình điện phân diễn ra hiệu quả. Thứ hai, và quan trọng hơn, các ion citrate (C₆H₅O₇³⁻) hoạt động như một chất ổn định. Các ion này sẽ hấp phụ lên bề mặt của hạt nano bạc mới hình thành, tạo ra một lớp điện tích âm. Lớp điện tích này gây ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt, ngăn cản chúng tiến lại gần và kết tụ thành các đám lớn hơn. Nhờ vậy, dung dịch nano bạc thu được có độ bền cao, các hạt được phân tán tốt, duy trì được kích thước nano và hoạt tính bề mặt mạnh mẽ, sẵn sàng cho bước tiếp theo là tẩm lên than hoạt tính.

IV. Quy trình tối ưu phân tán nano bạc trên than hoạt tính gáo dừa

Việc chế tạo thành công vật liệu composite nano bạc-than hoạt tính phụ thuộc rất nhiều vào quy trình phân tán. Mục tiêu là làm cho các hạt nano bạc bám đều và chắc chắn trên toàn bộ bề mặt, cả bên ngoài lẫn bên trong cấu trúc xốp của than hoạt tính. Quy trình bắt đầu bằng việc chuẩn bị than hoạt tính. Than hoạt tính gáo dừa được ưu tiên sử dụng do có độ cứng cao, ít tro và cấu trúc vi xốp phát triển. Than nguyên liệu được hoạt hóa bằng hơi nước ở nhiệt độ cao (khoảng 750-950°C) để tạo ra hệ thống lỗ xốp và tăng diện tích bề mặt. Sau đó, than hoạt tính đã hoạt hóa được cho vào dung dịch keo bạc nano đã chế tạo ở bước trước. Hỗn hợp được khuấy đều bằng máy khuấy từ kết hợp với rung siêu âm trong khoảng 1 giờ. Sóng siêu âm giúp các hạt nano bạc thâm nhập sâu vào các mao quản của than. Cuối cùng, sản phẩm được lọc, rửa sạch và sấy khô ở nhiệt độ thích hợp (ví dụ 75°C) để loại bỏ dung môi, thu được vật liệu Ag/C composite dạng bột hoặc hạt sẵn sàng cho các ứng dụng xử lý môi trường.

4.1. Chuẩn bị và hoạt hóa vật liệu carbon chức năng hóa

Vật liệu carbon chức năng hóa được chuẩn bị từ nguồn sinh khối dồi dào như gáo dừa. Quá trình bao gồm hai giai đoạn chính: than hóa và hoạt hóa. Than hóa là quá trình nung yếm khí nguyên liệu ở nhiệt độ 350-500°C để loại bỏ các chất bay hơi và tạo ra khung carbon cơ bản. Giai đoạn hoạt hóa là quan trọng nhất, sử dụng tác nhân như hơi nước hoặc CO2 ở nhiệt độ cao để 'ăn mòn' một phần carbon, qua đó tạo ra một mạng lưới vi mao quản chằng chịt, làm tăng đáng kể diện tích bề mặt BET. Bề mặt than sau hoạt hóa cũng chứa các nhóm chức oxy, giúp tăng khả năng tương tác và gắn kết với các hạt nano bạc sau này.

4.2. Kỹ thuật tẩm và sấy vật liệu composite AgNPs AC

Sau khi có dung dịch keo bạc và than hoạt tính đã được hoạt hóa, quá trình tẩm được thực hiện. Than hoạt tính được ngâm trong dung dịch nano bạc. Lực hút Van der Waals và tương tác hóa học giữa bề mặt than và các hạt nano bạc giúp chúng bám dính. Việc sử dụng khuấy từ và siêu âm là tối quan trọng để đảm bảo sự phân tán đồng đều, tránh tình trạng nano bạc chỉ tập trung ở bề mặt ngoài. Sau khi tẩm, vật liệu được sấy ở nhiệt độ vừa phải để không làm biến đổi cấu trúc của than hay làm kết tụ các hạt nano bạc. Kết quả thu được là một vật liệu lai với nano bạc được phân bố rộng khắp trên chất mang nano bạc là than hoạt tính.

V. Đánh giá hiệu quả xử lý môi trường của vật liệu AgNPs AC

Hiệu quả của vật liệu composite nano bạc-than hoạt tính được đánh giá qua hàng loạt các thí nghiệm đặc trưng. Các kỹ thuật phân tích hiện đại được sử dụng để xác nhận sự thành công của quá trình chế tạo và kiểm chứng khả năng ứng dụng. Nhiễu xạ tia X (XRD) được dùng để xác định cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc, khẳng định chúng tồn tại ở dạng lập phương tâm mặt. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh trực quan về hình thái, kích thước hạt nano (thường trong khoảng 10-35 nm) và sự phân bố của chúng trên bề mặt than. Phân tích diện tích bề mặt BET cho thấy than hoạt tính có diện tích bề mặt rất lớn, là cơ sở cho khả năng hấp phụ cao. Về ứng dụng, các thử nghiệm cho thấy vật liệu có khả năng diệt khuẩn E.coli hiệu quả, tạo ra vùng ức chế rõ rệt trên đĩa thạch. Đồng thời, nó cũng thể hiện khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm điển hình như phẩm nhuộm Methylene Blue và các ion kim loại nặng như Asen, chứng minh tiềm năng to lớn trong việc xử lý đồng thời cả ô nhiễm hóa học và sinh học trong nước.

5.1. Phân tích đặc tính kháng khuẩn vượt trội với E.coli

Khả năng kháng khuẩn của vật liệu được kiểm tra định tính và định lượng. Thí nghiệm trên đĩa thạch cho thấy, môi trường có chứa AgNPs/AC hoàn toàn ức chế sự phát triển của vi khuẩn E.coli, trong khi đĩa đối chứng (chỉ có than hoạt tính) vi khuẩn vẫn phát triển. Điều này chứng tỏ đặc tính kháng khuẩn chủ yếu đến từ nano bạc. Cơ chế diệt khuẩn của hạt bạc được cho là do ion bạc Ag+ giải phóng ra, tương tác với các nhóm chứa lưu huỳnh trong protein của màng tế bào vi khuẩn, làm rối loạn chức năng và dẫn đến cái chết của tế bào. Sự phân tán nano bạc trên diện tích bề mặt lớn của than giúp tối đa hóa sự tiếp xúc này.

5.2. Khả năng hấp phụ kim loại nặng và phẩm nhuộm công nghiệp

Hiệu quả hấp phụ được kiểm tra bằng cách cho vật liệu tiếp xúc với dung dịch chứa chất ô nhiễm và đo nồng độ còn lại theo thời gian. Đối với Methylene Blue, một loại thuốc nhuộm phổ biến trong xử lý nước thải dệt nhuộm, màu xanh của dung dịch biến mất nhanh chóng, cho thấy khả năng hấp phụ mạnh mẽ. Phổ UV-Vis được sử dụng để định lượng sự thay đổi nồng độ. Tương tự, các thí nghiệm với Asen, một kim loại nặng cực độc, cũng cho thấy khả năng loại bỏ kim loại nặng hiệu quả của vật liệu, được xác nhận bằng phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Điều này khẳng định vai trò kép của vật liệu trong các ứng dụng môi trường.

VI. Triển vọng ứng dụng chế tạo vật liệu xử lý môi trường bền vững

Nghiên cứu về chế tạo hạt bạc nano trên than hoạt tính đã chứng minh được tiềm năng to lớn trong việc tạo ra một thế hệ vật liệu xử lý môi trường mới: hiệu quả, đa năng và bền vững. Việc sử dụng nguyên liệu đầu vào rẻ tiền, phổ biến như bạc khối và sinh khối (gáo dừa, tre) cùng với quy trình chế tạo tương đối đơn giản mở ra khả năng sản xuất ở quy mô lớn. Tương lai của vật liệu này nằm ở việc tối ưu hóa hơn nữa quy trình để giảm chi phí, tăng độ bền và khả năng tái sử dụng. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào tổng hợp xanh nano bạc sử dụng chiết xuất thực vật để thay thế các hóa chất, hoặc biến tính bề mặt than để tăng cường khả năng hấp phụ chọn lọc đối với một số chất ô nhiễm cụ thể. Hơn nữa, việc phát triển các ứng dụng thực tế như lõi lọc nước gia đình, hệ thống lọc tại điểm sử dụng, hoặc các module xử lý nước thải quy mô nhỏ cho các làng nghề, khu công nghiệp là những định hướng đầy hứa hẹn, góp phần mang lại giải pháp nước sạch cho cộng đồng.

6.1. Tổng kết những kết quả nghiên cứu chính đạt được

Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu Ag/C composite bằng phương pháp điện hóa siêu âm điện cực tan kết hợp tẩm ướt. Kết quả phân tích khẳng định sự hình thành của các hạt nano bạc có cấu trúc tinh thể tốt, kích thước đồng đều, phân tán hiệu quả trên nền than hoạt tính diện tích bề mặt lớn. Vật liệu thể hiện đồng thời cả hai chức năng quan trọng: đặc tính kháng khuẩn mạnh mẽ chống lại E.coli và khả năng hấp phụ cao đối với cả chất ô nhiễm hữu cơ (Methylene Blue) và vô cơ (Asen). Những kết quả này là cơ sở khoa học vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu trong thực tiễn.

6.2. Hướng phát triển và tiềm năng thương mại hóa sản phẩm

Tiềm năng thương mại hóa của sản phẩm là rất lớn. Các ứng dụng có thể bao gồm: sản xuất lõi lọc nước gia dụng có khả năng tự khử trùng, vật liệu lọc cho các bể cá cảnh, hệ thống xử lý nước cấp cho các trang trại chăn nuôi, hoặc vật liệu xử lý cuối cùng trong các hệ thống nước thải công nghiệp. Để tiến tới thương mại hóa, cần có các nghiên cứu sâu hơn về độ bền cơ học, khả năng tái sinh vật liệu sau khi bão hòa, và đánh giá an toàn môi trường liên quan đến khả năng rò rỉ nano bạc trong quá trình sử dụng lâu dài. Việc xây dựng một quy trình sản xuất tối ưu, tiết kiệm năng lượng và chi phí sẽ là chìa khóa để đưa sản phẩm này ra thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và ứng dụng hạt nano bạc (AgNP) trên nền than hoạt tính (AC) trong xử lý môi trường. Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước và không khí, đang là vấn đề cấp bách tại Việt Nam do quá trình công nghiệp hóa nhanh chóng. Các nhà máy, khu công nghiệp và làng nghề xả thải ra môi trường nhiều chất độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Trong bối cảnh đó, việc tìm kiếm các giải pháp xử lý môi trường hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường là vô cùng cần thiết.

Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 11/2011 đến năm 2012, tập trung vào quá trình chế tạo AgNP trên nền AC và đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý môi trường, cụ thể là khả năng diệt khuẩn và hấp phụ các chất ô nhiễm. Mục tiêu chính của luận văn là tạo ra một vật liệu composite kết hợp tính kháng khuẩn của AgNP và khả năng hấp phụ của AC, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý môi trường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp một giải pháp tiềm năng cho việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là tại các khu vực nông thôn và các cơ sở sản xuất nhỏ, nơi mà các công nghệ xử lý hiện đại còn hạn chế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu này dựa trên sự kết hợp của các lý thuyết và mô hình sau:

1. Lý thuyết về tính chất của vật liệu nano: Tập trung vào các tính chất đặc biệt của AgNP ở kích thước nanomet, bao gồm hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). Các tính chất này chi phối khả năng diệt khuẩn và tương tác của AgNP với môi trường xung quanh.

2. Lý thuyết hấp phụ: Áp dụng để giải thích cơ chế hấp phụ của AC đối với các chất ô nhiễm trong môi trường. Nghiên cứu xem xét cấu trúc xốp của AC, các loại lỗ xốp (lỗ nhỏ, lỗ trung bình và lỗ lớn) và vai trò của chúng trong quá trình hấp phụ. Lực Van der Waals đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ các chất lên bề mặt AC.

3. Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc: Tìm hiểu các giả thuyết về cơ chế diệt khuẩn của AgNP, bao gồm tác động lên màng tế bào vi khuẩn, ức chế enzyme và gây biến đổi môi trường sống của vi khuẩn.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: hạt nano bạc, than hoạt tính, hấp phụ, diệt khuẩn, cấu trúc nano và hiệu ứng bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

1. Phương pháp chế tạo: AgNP được chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm điện cực tan. AC được chế tạo từ than tre hoặc gáo dừa thông qua quá trình than hóa và hoạt hóa. AgNP được phân tán trên nền AC bằng phương pháp khuấy và rung siêu âm.

2. Phương pháp phân tích:

   • Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể của AgNP và AC.
   • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình dạng và kích thước của AgNP.
   • Phổ hấp thụ UV-Vis: Nghiên cứu tính chất quang của AgNP và xác định sự hình thành của AgNP thông qua đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt.
   • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS): Xác định thành phần nguyên tố của vật liệu composite Ag/AC.
   • Đo BET: Xác định diện tích bề mặt và phân bố lỗ xốp của AC.
   • Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Xác định nồng độ Asen sau quá trình hấp phụ.
   • Đo thế Zeta: Xác định độ bền của hệ keo AgNP.

3. Thí nghiệm diệt khuẩn: Đánh giá khả năng diệt khuẩn của AgNP và Ag/AC đối với vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) bằng phương pháp định tính và định lượng.

4. Thí nghiệm hấp phụ: Đánh giá khả năng hấp phụ xanh metylen (MB) và Asen của AC và Ag/AC.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu:

• Mẫu AgNP: Các mẫu AgNP được tạo ra với các điều kiện chế tạo khác nhau (nồng độ TSC, mật độ dòng điện phân) để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố này đến kích thước và tính chất của AgNP.
• Mẫu AC: Sử dụng AC được chế tạo từ than tre hoặc gáo dừa, sau đó hoạt hóa bằng hơi nước ở nhiệt độ 750°C.
• Mẫu Ag/AC: Phân tán AgNP lên nền AC với tỷ lệ khối lượng Ag/AC là 1%.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích:

• XRD, TEM, UV-Vis: Các phương pháp này cung cấp thông tin toàn diện về cấu trúc, hình thái và tính chất quang của AgNP, giúp xác định sự thành công của quá trình chế tạo.
• BET: Đánh giá khả năng hấp phụ của AC, một yếu tố quan trọng trong ứng dụng xử lý môi trường.
• AAS: Định lượng khả năng loại bỏ Asen, một chất ô nhiễm phổ biến trong nước.
• Thí nghiệm diệt khuẩn: Xác định hiệu quả của AgNP và Ag/AC trong việc tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh.

Timeline nghiên cứu:

• Tháng 11/2011 - 12/2011: Nghiên cứu tổng quan tài liệu, xây dựng cơ sở lý thuyết.
• Tháng 01/2012 - 04/2012: Chế tạo và phân tích AgNP, AC và Ag/AC.
• Tháng 05/2012 - 07/2012: Thực hiện thí nghiệm diệt khuẩn và hấp phụ.
• Tháng 08/2012 - 10/2012: Phân tích kết quả, viết luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công AgNP bằng phương pháp điện hóa siêu âm điện cực tan: Các kết quả XRD, TEM và UV-Vis cho thấy AgNP được tạo ra có cấu trúc lập phương tâm mặt, kích thước trung bình khoảng 24 nm. Phân bố kích thước hạt hẹp và độ tinh khiết cao. Phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt ở khoảng 410 nm.

2. Chế tạo thành công AC từ than tre và gáo dừa: AC có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn (theo ước tính trên 500 m2/g).

3. Vật liệu composite Ag/AC có khả năng diệt khuẩn hiệu quả: Thí nghiệm định tính cho thấy Ag/AC ức chế sự phát triển của vi khuẩn E. coli trên môi trường thạch. Nghiên cứu định lượng cho thấy nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của dung dịch nano bạc đối với E. coli là khoảng 2 - 200 μg/ml.

4. Vật liệu composite Ag/AC có khả năng hấp phụ MB và Asen: Ag/AC có khả năng hấp phụ MB tốt hơn so với AC thông thường. Khả năng hấp phụ Asen của Ag/AC cũng được ghi nhận, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm Asen.

Thảo luận kết quả

Phương pháp điện hóa siêu âm điện cực tan đã chứng minh tính hiệu quả trong việc tạo ra AgNP có kích thước nhỏ, phân bố đồng đều và độ tinh khiết cao. Việc sử dụng Trisodium citrate (TSC) làm chất hoạt động bề mặt giúp ổn định AgNP trong dung dịch và ngăn ngừa sự kết tụ.

Sự kết hợp giữa AgNP và AC tạo ra một vật liệu composite với nhiều ưu điểm. AgNP cung cấp khả năng diệt khuẩn, trong khi AC cung cấp khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm. Sự tương tác giữa hai thành phần này có thể nâng cao hiệu quả xử lý môi trường. Kết quả nghiên cứu này tương đồng với một nghiên cứu gần đây về khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả về khả năng diệt khuẩn của AgNP đối với E. coli tương đương với một số nghiên cứu trước đây, nhưng thấp hơn so với một số nghiên cứu sử dụng AgNP có kích thước nhỏ hơn hoặc được phủ các chất hoạt động bề mặt khác. Điều này cho thấy kích thước AgNP và loại chất hoạt động bề mặt có ảnh hưởng đến khả năng diệt khuẩn.

Về khả năng hấp phụ MB, Ag/AC cho thấy hiệu quả cao hơn so với AC thông thường, có thể do AgNP tạo ra các vị trí hấp phụ mới trên bề mặt AC.

Dữ liệu từ thí nghiệm hấp phụ MB có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ thể hiện sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian, hoặc bảng so sánh khả năng hấp phụ MB của AC và Ag/AC ở các nồng độ MB khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

Để nâng cao hiệu quả ứng dụng của vật liệu Ag/AC trong xử lý môi trường, nghiên cứu đề xuất các giải pháp sau:

1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo AgNP: Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ TSC, mật độ dòng điện phân, thời gian siêu âm và khoảng cách điện cực đến kích thước, hình dạng và tính chất của AgNP. Mục tiêu là tạo ra AgNP có kích thước nhỏ hơn (dưới 10 nm) và phân bố kích thước đồng đều hơn, từ đó nâng cao khả năng diệt khuẩn và hấp phụ. Chủ thể thực hiện: Các nhà nghiên cứu vật liệu nano, thời gian: 6-12 tháng.

2. Nghiên cứu các phương pháp hoạt hóa AC khác nhau: So sánh hiệu quả của các phương pháp hoạt hóa AC khác nhau (ví dụ: hoạt hóa hóa học, hoạt hóa bằng CO2) để tìm ra phương pháp tạo ra AC có diện tích bề mặt lớn hơn và phân bố lỗ xốp tối ưu hơn. Chủ thể thực hiện: Các nhà nghiên cứu vật liệu, thời gian: 6 tháng.

3. Khảo sát khả năng xử lý các chất ô nhiễm khác nhau: Mở rộng phạm vi nghiên cứu để đánh giá khả năng của Ag/AC trong việc xử lý các chất ô nhiễm khác nhau trong nước và không khí, bao gồm các kim loại nặng, thuốc trừ sâu, phẩm màu công nghiệp và các hợp chất hữu cơ độc hại. Chủ thể thực hiện: Các nhà nghiên cứu môi trường, thời gian: 12 tháng.

4. Nghiên cứu độc tính và độ an toàn của vật liệu: Đánh giá kỹ lưỡng độc tính của Ag/AC đối với con người và môi trường, đảm bảo rằng vật liệu này an toàn khi sử dụng trong thực tế. Chủ thể thực hiện: Các nhà độc chất học và chuyên gia an toàn môi trường, thời gian: 6 tháng.

5. Phát triển các hệ thống xử lý môi trường dựa trên Ag/AC: Thiết kế và thử nghiệm các hệ thống xử lý nước và không khí sử dụng Ag/AC, ví dụ như các bộ lọc nước gia đình, hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ và các thiết bị lọc không khí. Mục tiêu là tạo ra các giải pháp xử lý môi trường hiệu quả, kinh tế và dễ sử dụng. Chủ thể thực hiện: Các kỹ sư môi trường và các doanh nghiệp sản xuất thiết bị xử lý môi trường, thời gian: 12-24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn này mang lại nhiều giá trị cho các đối tượng sau:

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành vật lý, hóa học, môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức cơ bản và chuyên sâu về vật liệu nano, than hoạt tính, xử lý môi trường và các phương pháp nghiên cứu liên quan. Sinh viên có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các khóa học, bài tập và đồ án tốt nghiệp.

2. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu nano và xử lý môi trường: Luận văn cung cấp thông tin về quy trình chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu composite Ag/AC. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng luận văn làm cơ sở để phát triển các vật liệu và công nghệ xử lý môi trường mới.

3. Các kỹ sư môi trường và các doanh nghiệp sản xuất thiết bị xử lý môi trường: Luận văn cung cấp thông tin về tiềm năng ứng dụng của vật liệu Ag/AC trong xử lý nước và không khí. Các kỹ sư và doanh nghiệp có thể sử dụng luận văn để thiết kế và sản xuất các hệ thống xử lý môi trường hiệu quả và kinh tế.

4. Các nhà quản lý môi trường và các cơ quan chính phủ: Luận văn cung cấp thông tin về một giải pháp tiềm năng cho việc xử lý ô nhiễm môi trường. Các nhà quản lý và cơ quan chính phủ có thể sử dụng luận văn để xây dựng các chính sách và chương trình hỗ trợ phát triển và ứng dụng các công nghệ xử lý môi trường thân thiện.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano bạc có độc hại không?

   Ở nồng độ thấp, AgNP thường được coi là an toàn cho con người và môi trường. Tuy nhiên, ở nồng độ cao, AgNP có thể gây độc tính cho một số loại tế bào và sinh vật. Nghiên cứu cần đánh giá kỹ lưỡng độc tính của Ag/AC trước khi ứng dụng trong thực tế để đảm bảo an toàn. Theo một báo cáo của ngành, nồng độ bạc trong nước uống nên được giữ dưới 0.1 mg/L.

2. Than hoạt tính có thể hấp phụ được những chất ô nhiễm nào?

   AC có khả năng hấp phụ nhiều loại chất ô nhiễm, bao gồm các chất hữu cơ, kim loại nặng, thuốc trừ sâu, phẩm màu công nghiệp và các chất khí độc hại. Khả năng hấp phụ của AC phụ thuộc vào cấu trúc xốp, diện tích bề mặt và tính chất hóa học của bề mặt AC.

3. Vật liệu composite Ag/AC có thể tái sử dụng được không?

   AC có thể được tái sinh bằng cách loại bỏ các chất ô nhiễm đã hấp phụ thông qua quá trình nhiệt, hóa học hoặc sinh học. Tuy nhiên, AgNP có thể bị mất mát trong quá trình tái sinh. Nghiên cứu cần đánh giá khả năng tái sử dụng và độ bền của Ag/AC trong các điều kiện khác nhau.

4. Chi phí sản xuất vật liệu composite Ag/AC là bao nhiêu?

   Chi phí sản xuất Ag/AC phụ thuộc vào giá thành của các nguyên liệu (bạc, than tre/gáo dừa, hóa chất), chi phí năng lượng và chi phí nhân công. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền có thể giảm chi phí sản xuất.

5. Vật liệu composite Ag/AC có thể được ứng dụng trong lĩnh vực nào khác ngoài xử lý môi trường?

   Ngoài xử lý môi trường, Ag/AC còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm y tế (vật liệu kháng khuẩn, băng vết thương), thực phẩm (bao bì thực phẩm kháng khuẩn), và công nghiệp (chất xúc tác, cảm biến).

Kết luận

• Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu composite Ag/AC có khả năng diệt khuẩn và hấp phụ các chất ô nhiễm.
• Kết quả nghiên cứu cho thấy Ag/AC có tiềm năng ứng dụng trong xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước và không khí ô nhiễm.
• Nghiên cứu sâu hơn về tối ưu hóa quy trình chế tạo, đánh giá độc tính và phát triển các hệ thống ứng dụng là cần thiết để đưa Ag/AC vào sử dụng rộng rãi trong thực tế.
• Trong 12 tháng tới, cần tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước AgNP đến khả năng diệt khuẩn.
• Hãy liên hệ với chúng tôi để được tư vấn về các giải pháp xử lý môi trường sử dụng vật liệu nano.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Vật Liệu I.Tính chất cơ bản của hạt nano bạc I. Tính chất cấu trúc Hạt bạc kim loại thường có cấu trúc tinh thể kiểu mạng lập phương tâm mặt (hình 1.1), với thông số của ô cơ sở là: a = 4. Các nguyên tử được bố trí tại 8 đỉnh của hình lập phương tương ứng với tọa độ (000), (100), (110), (010), (001), (101), (111), (011) và 6 nguyên tử bố trí ở tâm của 6 mặt của ô cơ sở tương ứng có tọa độ (1/2 0 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2 1 1/2), (0 1/2 1/2), (1/2 1/2 0), (1/2 1/2 1). Từ đó ta có số nguyên tử trong 1 ô cơ sở là: Hình 1.

Cấu trúc lập phương 6*1/2+8*1/8=4. Ngoài ra, hạt bạc còn tồn tại cả cấu tâm mặt. trúc lục giác [7, 17, 18]. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt bạc có cấu trúc lập phương tâm mặt (hình 1.2) xuất hiện các đỉnh đặc trưng ở vị trí 38.470 tương ứng với các mặt (111), (200), (220), (311) trong phổ chuẩn nhiễu xạ tia X của hạt bạc.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt bạc có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt [19]. Luận văn tốt nghiệp cao học 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Nhóm không gian của hạt bạc có cấu trúc lập phương tâm mặt và lục giác lần lượt là P63/mmc(nhóm 194) và Fm -3m (nhóm 225). Nhiều công trình thực nghiệm đã công bố về phổ tán xạ Raman của hạt bạc, tuỳ điều kiện chế tạo mà trên phổ xuất hiện các đỉnh tán xạ ở số sóng khác nhau. Đặc biệt đáng chú ý là hiện tượng tăng cường tán xạ có nguồn gốc từ hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt.

Tính chất hình thái Để thỏa mãn nguyên lí năng lượng cực tiểu, tùy điều kiện chế tạo mà hạt bạc có thể sắp xếp với nhau theo các kiểu khác nhau (hình 1.3) và hình thành nên nhiều hình dạng của hạt bạc như: hình cầu (sphere), que (rod), đĩa phẳng (plate), tam giác (triangle), dây (wire), lập phương (cubic), dạng hoa (flower), hạt gạo (rice). Các kiểu sắp xếp khác nhau của hạt bạc [8]. Hình dạng hay gặp nhất của hạt bạc là hình cầu với đường kính từ vài tới vài chục nanômét.4 trình bày ảnh TEM của hạt bạc chế tạo bằng phương pháp hóa khử [6]. Gốc bạc xuất phát từ muối bạc nitrat, được khử bằng chất khử thông dụng là NaBH4.

Quá trình khử hạt bạc diễn ra trên nền micells gồm (18-3(OH)- 18/n-heptane + 1-butanol/H2O) và hạt bạc sinh ra được phân tán trên nền này. Với môi trường phân tán có hoạt tính bề mặt tốt như vậy, hạt bạc hình thành dưới dạng hình cầu có đường kính trung bình 7nm và có sự phân tách rõ ràng. Ảnh TEM của hạt bạc khử từ muối bạc nitơrát bằng NaBH4 phân bố trong micell của germini. Kích thước trung bình của các hạt là 7nm [6].

Luận văn tốt nghiệp cao học 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Dây nano bạc được chế tạo bằng cách khử muối bạc nitrat với ethylenglycol (EG) trong môi trường có chứa polyvinylpyrolidone (PVP) [8]. PVP đóng vai trò lưới bắt giữ các tác nhân để điều khiển tốc độ phát triển của các mặt phẳng mạng khác nhau, do đó tinh thể được phát triển một cách dị hướng trong một môi trường có tính đẳng hướng cao, tạo điều kiện để dây nano phát triển (hình 1. Ảnh TEM của dây nano bạc chế tạo trên nền PVP[8]. Ảnh TEM của đĩa bạc có kích thước 283nm chế tạo với CTAB (a) và mô hình xếp các phân tử CTAB lên bề mặt hạt bạc (b) [8].

Đĩa nano với chiều dày 20 – 30nm và cạnh 40 – 300nm cũng đã chế tạo thành công bằng cách khử bạc trong môi trường hoạt hóa bề mặt là CTAB [8]. Do sự hấp thụ các phân tử CTAB ở mặt phẳng mạng (111) là tốt hơn so với các mặt khác nên những phân tử CTAB bao bọc hạt bạc theo mặt phẳng này và tạo thành đĩa (hình 1. Hạt bạc có dạng hình lập phương đã được chế tạo bằng cách khử bạc nitrat trong môi trường có chứa PVP (hình 1. Các khối hộp có cạnh cỡ 175nm và có thể thay đổi theo nồng độ muối bạc hay tỉ số mol PVP so với muối bạc.

Luận văn tốt nghiệp cao học 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Hạt bạc với hình dáng của bông hoa được chế tạo bằng cách khử bạc nitrat với axít acôbic (hình 1. Ảnh TEM của hạt bạc có dạng hình lập phương [8] và hình bông hoa [9]. Hiệu ứng bề mặt Hạt bạc cũng như những vật liệu khác, khi chúng có kích thước nano thì các hiệu ứng liên quan đến bề mặt sẽ trở nên quan trọng, làm cho tính chất của vật liệu khác biệt so với khi chúng ở dạng khối. 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.

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 do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm 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 bán kính hạt (r) theo một hàm liên tục. 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 cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua [44]. Luận văn tốt nghiệp cao học 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Bảng 1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [44]. Đường kính Số Tỉ số nguyên tử Năng lượng bề Năng lượng bề hạt nano nguyên trên bề mặt mặt/Năng lượng mặt (erg/mol) (nm) tử (%) tổng (%) 10 30 000 20 4. 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 các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có 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 [44]. Luận văn tốt nghiệp cao học 12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Bảng 2: Sự liên hệ giữa đường kính hạt, mật độ khối lượng và mật độ hạt nano bạc trong dung dịch [50]. Đường kính hạt Mật độ khối lượng Mật độ hạt (nm) (mg/mL) (số hạt/mL) 10 nm 0.

Tính chất quang Các hạt nano bạc có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng đặc biệt rõ rệt. Khác với nhiều loại chất nhuộm hay sắc tố, nano bạc có màu sắc phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của hạt. Nhờ cộng hưởng plasmon bề mặt mà hạt nano bạc có những tính chất tán xạ và hấp thụ mạnh một cách khác thường. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là hiện tượng các hạt nano kim loại hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích khi tần số của ánh sáng kích thích cộng hưởng với tần số dao động plasma của các điện tử dẫn trên bề mặt hạt kim loại (surface plasmon resonance, SPR).

Quá trình dao động tập thể của các điện tử trên bề mặt hạt kim loại, tương đương với một lưỡng cực điện dao động [51]. Luận văn tốt nghiệp cao học 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng chiếu tới, các điện tử trên bề mặt hạt kim loại sẽ phân bố lại làm cho chúng bị phân cực điện tạo thành lưỡng cực điện (hình 1. Tương tác của các lưỡng cực điện này với điện trường của sóng ánh sáng đã gây ra hiện tượng cộng hưởng trên [10, 20]. Lí thuyết Mie và hiện tượng plasmon cộng hưởng Lí thuyết Mie được đưa ra vào năm 1908, xem xét tương tác của các hạt dẫn điện hình cầu trong một môi trường đồng nhất với véctơ cường độ điện trường [10].

Lí thuyết Mie đã giải một trong số các phương trình của Maxwell để mô tả tương tác này. Ngày nay, lí thuyết này vẫn giữ vai trò quan trọng trong nghiên cứu các hạt nano kim loại vì tính đơn giản, và có lời giải chính xác cho phương trình Maxwell. Trong tính toán của Mie, hàm đặc trưng cho tương tác - hàm điện môi - được coi là hàm của hai đối số: bán kính R của các quả cầu và tần số góc . Các kết quả tính toán phù hợp với các hiệu ứng liên quan tới kích thước [10, 20].

Sự xuất hiện các bức xạ tương ứng với các dao động bậc cao trong tương tác với ánh sáng khi kích thước hạt kim loại tăng. a) Tương tác của hạt kim loại với ánh sáng (hạt có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng). b) Bức xạ lưỡng cực. c) Bức xạ tứ cực của hạt có kích thước lớn [10].

Khi coi các hạt kim loại có tính đối xứng cầu, chúng ta có thể xem xét điện trường là một trường đa cực [10, 20] và tìm dao động đa cực (hình 1.9) của các hạt Luận văn tốt nghiệp cao học 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn này trong tương tác với véctơ cường độ điện trường của sóng ánh sáng (lưỡng cực, tứ cực…).