Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về công nghệ nano. Nguồn gốc và khái niệm công nghệ nano. Nguồn gốc công nghệ nano.
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra năm 1959 bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman (Viện kỹ thuật Massatchusets-MIT). Ông đề ra một thuyết táo bạo: “Thay vì phân chia vật chất, tại sao chúng ta không đi từ cái vô cùng nhỏ?”. Từ đó ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử và sâu hơn nữa. Mười năm sau, Eric Drexler lần đầu tiên đưa ra thuật ngữ “Nanotechnology” - công nghệ nano.
Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Năm 1985, hai nhà nghiên cứu Gerd Bining (Đức) và Heinrich Rohrer (Thụy Sỹ) tạo ra kính hiển vi, có khả năng nhìn những vật chỉ nhỏ bằng 1/25 kích thước phân tử. Năm 1990, một nhà nghiên cứu của hãng IBM Don Eigler đạt được những thành công từ kỹ thuật nano, là vẽ lại được biểu tượng của nhiều công ty bằng những dạng vật chất siêu nhỏ, từ kỹ thuật siêu nhỏ. Từ đó nano xem như được công chúng biết đến.
Khái niệm công nghệ nano. Theo định nghĩa của NASA ( Cơ Quan Hàng Không Vũ Trụ Mỹ), công nghệ nano là công nghệ liên quan đến việc tạo ra các vật liệu, thiết bị, hệ thống thiết thực thông qua việc kiểm soát vật chất ở kích thước nano từ 1-100nm và sự khám phá ra những hiện tượng và tính chất mới lạ (vật lý, hoá học, sinh học…) ở kích thước đó. Nghiên cứu và phát triển công nghệ nano là hướng tới sự hiểu biết và tạo ra các vật liệu, thiết bị và hệ thống cải tiến khai thác những đặc tính mới này. Phân loại vật liệu nano.
Phân loại theo hình dáng của vật liệu: đặt tên theo số chiều không có kích thước nano mét: (a) Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ hạt nano (nanoparticales) ; (b) Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều tự do, hai chiều có kích thước nano, ví dụ dây nano (nanowires), ống nano (nanotubes), nano que (nanorods) 1 ;(c) Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều tự do, một chiều có kích thước nano, ví dụ màng mỏng (nanofilms), nano lớp (nanolayers). Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau như Ag/silica. Phân loại theo tính chất vật liệu: thể hiện sự khác biệt ở tính chất nano: Vật liệu nano kim loại, vật liệu nano bán dẫn, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học. Cơ sở khoa học công nghệ nano Khi vật liệu chuyển từ kích thước lớn sang kích thước nano sẽ thể hiện được những tính chất ngoài mong đợi mà khác hẳn so với các vật liệu có kích thước lớn (A.
Tamilvanan và cộng sự, 2014). Vật liệu nano có diện tích bề mặt trên mỗi đơn vị thể tích rất lớn. Kích thuớc và bề mặt riêng là những yếu tố quyết định tính chất của vật liệu nano. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nano, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử.
Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối (The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, London,2004). Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu (Nguyễn Hoàng Hải, 2007) Đường Số Tỉ lệ số Năng Năng kính nguyên nguyên lượng bề lượng bề hạt tử tử trên mặt mặt trên nano bề mặt (erg/mol) năng (nm) (%) lượng tổng (%) 10 30000 20 4,8. Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi.
Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể gần với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ứng dụng vật liệu nano - ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Các ứng dụng công nghệ nano nhằm mục tiêu tạo sản phẩm hiệu quả, bền, nhẹ, rẻ và ít hao năng lượng. Một số vật liệu nano đã được sử dụng phổ biến trong sản xuất như hạt nano bạc được sử dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau từ các sản phẩm quang, điện tử, các máy đo sinh học, thuốc dùng cho người và cây trồng, và nhiều sản phẩm tiêu dùng hàng ngày như xà bông, kem đánh răng, khử mùi, son môi, dụng cụ trang điểm, lược…; vật liệu nano carbon nhẹ, bền, dẫn điện và nhiệt tốt được sử dụng trong sản xuất pin, dụng cụ thể thao, bộ phận xe…; các hạt nano từ oxit sắt dùng truyền dẫn thuốc; TiO2 và ZnO kích thước nano chống nắng trong mỹ phẩm hay nano vàng được sử dụng chữa lành vết thương ( Anh Tùng, STINFO số 8/2015) Vật liệu nano còn được ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm.
Một trong những tính chất đặc trưng của các vật liệu nano là khả năng kháng khuẩn, do đó trong ngành công nghiệp thực phẩm nó được kết hợp với các vật liệu polymer để tổng hợp các loại bao bỳ thực phẩm có hoạt tính kháng vi sinh vật (Tanja I. Radusin và cộng sự, 2016). Hiện nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc kết hợp các nano kim loại vào các loại vật liệu polymer khác nhau cho khả năng kháng khuẩn mà làm tiền đề cho sự phát triển các loại bao bỳ thực phẩm có hoạt tính sinh học (Tanja I. Radusin và cộng sự, 2016).
Tất cả được thể hiện tóm tắt ở bảng 1. Bảng tóm tắt các nghiên cứu kết hợp nano kim loại với các vật liệu polymer cho khả năng kháng các loại vi sinh vật làm tiền đề cho sự nghiên cứu bao bỳ thực phẩm có hoạt tính. Vi sinh vật được kiểm Hạt nano Loại polymer chứng Ag/ Staphylococus Areus, PLA ( polylactic acid) Chitosan Escherichia Coli Bột chuối agar (Agar Ag Escherichia Coli Banana Powder ) PVC ( Lysteria monocytogenes ZnO/Ag/Cu Salmonella typhimurium Polyvinylchloride) Lysteria monocytogenes Ag/ Cu Guar Gum Salmonella typhimurium Ag PE ( Polyethylen ) Escherichia Coli LDPE (Low density Bacillus subtilis; ZnO polyethylene ) Enterobacter 1. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano Có hai phương pháp tổng hợp vật liệu nano chính đó là phương pháp Top-down (từ trên xuống) và Bottom-up (từ dưới lên): 1.
Phương pháp từ trên xuống (Top-down) Phương pháp top-down là quá trình chia nhỏ vật liệu khối thành kích cỡ nano từ các quá trình như là nghiền cơ học ( mechanical milling), phóng điện( pulsed wire discharge),.Phương pháp này thuận lợi bởi đơn giản và tránh được quá trình bay hơi các độc tố thường có trong công nghệ bottom-up. Những hạt nano được tạo ra từ phươnng pháp top-down hay các phương pháp vật lý khác thì ít sự biến đổi nhưng chất lượng sản phẩm thì không tốt khi so với các phương pháp bottom-up và nó cũng yêu cầu các thiết bị đặc biệt và hệ thống chân không để tạo hạt nano (A. Tamilvanan và cộng sự, 2014). Mặt hạn chế chính của công nghệ này là vấn đề nhiễm tạp chất từ thiết bị nghiền, diện tích bề mặt hạt thấp, sự phân bố về hình dạng và kích thước không đều, và tốn nhiều năng lượng.
Hull và cộng sự, 2005). Phương pháp từ dưới lên (Bottom-up) 4 Phương pháp từ dưới lên (bottom-up) là phương pháp sử dụng các nguyên tử hay ion kết hợp lại với với nhau tạo thành các hạt nano. Một vài phương pháp tổng hợp nano như là: khử hoá học, điện hoá,… là những kỹ thuật chủ yếu tạo nano trong phương pháp bottom-up. Trong phương pháp khử hoá học, kích thước, hình thái và sự phân bố các hạt nano có thể được kiểm soát bằng việc tối ưu các điều kiện phản ứng như thời gian phản ứng, pH, chất khử, chất bảo vệ hạt nano…Do đó phương pháp này dễ kiểm soát hơn phương pháp top-down.
Hạt nano được tạo ra từ phương pháp bottom-up chủ yếu xây dựa trên cơ sở hóa học, việc tối ưu hoá các điều kiện phản ứng phản ứng hóa học trên sẽ tạo ra các hạt có kích thướt nhỏ từ đó dẫn đến chất lượng cũng như khả năng ứng dụng tốt hơn (A. Tamilvanan và cộng sự, 2014). Giới thiệu về nano đồng Các hạt nano đồng đã nhận được sự quan tâm đáng kể do các tính chất hóa lý của chúng chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy cao, từ tính, dẫn điện và dẫn nhiệt, hấp thụ ánh sáng và khả năng truyền nhiệt cao. Các hạt nano đồng có hoạt tính hoá học cao so với các hạt nano kim loại khác.
Do những tính chất đặc biệt và kích thước nhỏ này, các hạt nano đồng dùng trong các hệ thống truyền nhiệt, cảm biến, vật liệu có độ bền cao, chất xúc tác, các chất chống vi khuẩn… 1. Đặc tính kháng khuẩn của đồng kim loại và nano đồng Tác dụng chống vi khuẩn của hạt nano kim loại nhận được sự quan tâm đáng kể từ cả quan điểm y học và công nghệ. Các hạt kim loại đồng được sử dụng làm chất chống nhiễm trùng để thay thế bạc và các hợp chất của các kim loại quý khác và có các ứng dụng khác như xử lý nước, chế biến thực phẩm và bảo vệ dụng cụ y tế (A. Tamilvanan và cộng sự, 2014).
Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã chấp thuận đăng ký đồng như là một chất kháng khuẩn, có khả năng làm giảm các vi khuẩn có hại đặc biệt liên quan đến các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn gây chết người. Ngoài ra, chưa có nghiên cứu nào phát hiện ra bất cứ loại vi khuẩn nào có thể phát triển miễn dịch đối với đồng như chúng thường làm với chất kháng sinh. Sự xuất hiện của khoa học nano và công nghệ nano trong thập kỷ qua đã tạo cơ hội để khám phá tác dụng diệt khuẩn của các hạt nano kim loại.