CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về công nghệ nano và vật liệu nano 1. Công nghệ nano Nano là một loại vật liệu có cấu trúc ở dạng hạt các hạt, các sợi, dạng ống hoặc các tấm mỏng với kích thước nhỏ chỉ khoảng từ 1 – 100 nanomet. Công nghệ nano 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 và kích thước trên quy mô nanomet.
Công nghệ Nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng tính chất nổi trội, đặc biệt của vật liệu khi ở kích thước nano. Đây là một trong những ngành công nghệ được quan tâm do những tiềm năng ứng dụng, thúc đẩy sự phát triển trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là y học, sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, thực phẩm…[1] Theo nghiên cứu cho thấy, các hạt nano có thể can thiệp vào các phân tử và tế bào cơ thể con người. Mang đến bước đột phá mới trong y học, hạt nano có tính sinh học giúp hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc và giúp tiêu diệt các tế bào ung thư tốt hơn. Nền công nghệ nano góp phần nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra vật siêu dẫn điện.
Công nghệ nano cũng sẽ giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng cách tạo ra những vật liệu bảo quản thực phẩm có khả năng diệt khuẩn. Về mặt kỹ thuật, công nghệ này giúp chế tạo các linh kiện điện tử nano với tốc độ xử lý cực nhanh. Vật liệu nano Vật liệu nano: là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,.có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nm đến 100 nm. 1: Phân loại vật liệu nano [2] ❖ Phân loại vật liệu nano: Vật liệu nano không chiều (0-D): cả ba chiều đều trong phạm vi kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử.
Ví dụ: đám nano, hạt nano, chấm lượng tử, fullerenes… Vật liệu nano một chiều (1-D): là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều. Ví dụ: dây nano, ống nano, thanh nano… [3] Trong số đó, sợi nano đã thu hút nhiều sự chú ý trong nghiên cứu công nghệ nano, đây là cấu trúc nano cứng với chiều dài cỡ micromet và đường kính cỡ nanomet, có thể là kim loại, bán dẫn. Có rất nhiều sự lựa chọn về vật liệu để chế tạo sợi nano bao gồm kim loại, hợp kim kim loại, cacbon và polymer. Vật liệu 1D có cấu trúc độc đáo nên có những tính chất nổi bật về cơ học, điện, điện tử [4].
2 Vật liệu nano hai chiều (2-D): là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Vật liệu nano 2-D bao gồm những màng mỏng, màng nano… Các vật liệu này có diện tích ở cấp độ micro nhưng độ dày ở cấp nano. Chính vì cấu trúc có diện tích bề mặt lớn nên chúng được nghiên cứu trong ngành điện tử, năng lượng và cảm biến [3], [5]. Vật liệu nano ba chiều (3-D): là vật liệu không có chiều nào ở kích thước nano và tất cả các kích thước đều ở cấp độ macro, ba chiều đều lớn hơn 100nm [3].
Vật liệu 3-D có thể được tạo ra từ các vật liệu 0-D, 1-D, 2-D. Mặt dù kích thước lớn nhưng cấu trúc của vật liệu 3D vẫn là cấu trúc tinh thể nano, vẫn thể hiện một số đặc điểm và tính chất như vật liệu ở kích thước nano [4]. Tính chất của vật liệu nano Khi giảm kích thước vật liệu đến kích thước nano thì tính chất của vật liệu nano và vật liệu khối có sự khác biệt mặc dù có cùng thành phần hóa học [6]. Hai yếu tố chính tạo ra sự khác biệt đáng kể giữa chúng là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng giam hãm lượng tử [7].
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 tạo ra tính chất khác biệt của vật liệu có kích thước nano so với vật liệu ở dạng khối. Khi kích thước của vật liệu càng giảm thì hiệu ứng bề mặt càng tăng [4]. Hiệu ứng giam hãm lượng tử: trong các tinh thể nano, các mức năng lượng điện tử không liên tục như ở dạng khối mà rời rạc, do sự giới hạn của sóng điện tử đối với kích thước vật lý của các hạt.
Hiện tượng này được gọi là giam hãm lượng tử, hiệu ứng này làm cho tính chất của vật liệu nano so và vật liệu khối có sự khác nhau. Ở vật liệu khối, số nguyên tử trong tinh thể lớn hơn nhiều số nguyên tử trên bề mặt nên tính chất phụ thuộc vào nguyên tử bên trong. Đối với vật liệu nano, tính chất do nguyên tử bên trong quyết định [4]. Tính chất cơ học: Các tính chất cơ học của vật liệu nano bao gồm độ đàn hồi, độ bền kéo, độ cứng.
Khi giảm kích thước vật liệu nano thì độ bền cơ học càng tăng vì cấu trúc nano được hoàn thiện, ít khuyết tật và ít tạp chất [8]. 3 Tính chất điện – điện tử và từ tính: kích thước, diện tích bề mặt, thành phần hóa học đóng vai trò quan trọng quyết định tính chất điện – điện tử của vật liệu. Tính chất này được thể hiện qua các giá trị của độ dẫn điện và điện trở suất, khả năng bán dẫn. Nhờ các đặc tính đó mà vật liệu nano có thể ứng dụng để tạo ra các thiết bị điện tử [2], [9].
Tính chất quang học: tính chất quang học của vật liệu nano được thể hiện thông qua màu sắc, độ truyền quang, khả năng phản xạ và hấp thụ ánh sáng. Các tính chất của vật liệu ảnh hưởng bởi hình dạng và kích thước hạt. Nhờ các tính chất quang nổi bật hơn vật liệu khối mà vật liệu nano có thể ứng dụng làm chất xúc tác quang [2], [9]. Hiệu ứng giam hãm lượng tử và cộng hưởng plasmon bề mặt là hai yếu tố làm thay đổi tính chất quang học của vật liệu nano khi giảm kích thước.
Sự giam giữ các mức năng lượng là nguyên nhân làm màu sắc của vật liệu thay đổi. Kích thước của vật liệu nano càng giảm càng dễ quan sát thấy sự thay đổi rõ rệt màu sắc [8]. Tính chất nhiệt: độ dẫn nhiệt của vật liệu dựa vào diện tích bề mặt, khối lượng, nồng độ [2]. Hạt nano truyền nhiệt tốt hơn ở dạng huyền phù nano vì diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn, vật liệu truyền nhiệt trực tiếp trên bề mặt nên hiệu suất dẫn nhiệt tốt hơn.
Vật liệu nano được bổ sung vào vật liệu polyme để tăng tính chất nhiệt do nano có độ dẫn nhiệt cao [10]. Điện tích bề mặt và độ ổn định: vật liệu nano trong dung dịch sẽ tồn tại một thế tĩnh điện được tạo ra bởi các điện tích bề mặt cân bằng với lớp ion trái dấu, thế tĩnh điện này gọi là thế zeta. Giá trị thế zeta đặc trưng cho lực đẩy tĩnh điện của các hạt có cùng điện tích và liền kề nhau phân tán trong dung dịch. Độ lớn của điện thế zeta càng cao thì hệ keo càng bền, ít kết tụ [4].
Tính chất hóa học: bao gồm tính ổn định, tính ăn mòn, khả năng phản ứng, hoạt tính kháng nấm, ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Các vật liệu nano có số lượng nguyên tử trên bề mặt lớn nên có năng lượng bề mặt cao hơn vật liệu khối, dẫn đến hoạt động bề mặt cao làm tăng khả năng phản ứng. Do đó, chúng được sử dụng nhiều làm chất xúc tác nhờ hoạt tính xúc tác cao hơn vật liệu khối. Tuy nhiên, sự ổn định của vật liệu lại kém vì khả năng phản ứng cao, dễ bị oxi hóa khi ở điều kiện thường [4], [9].
Độc tính: tính độc hại phụ thuộc vào khối lượng, kích thước, diện tích bề mặt, thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể của vật liệu. Có thể nhiễm độc thông qua hô hấp, hệ 4 tuần hoàn, tiếp xúc với tế bào. Nguyên nhân gây ra độc tính là vì vật liệu có khả năng kiểm soát các liên kết với protein [2]. Khả năng bị khối u phổi khi nhiễm nano TiO2 có kích thước nhỏ với liều lượng thấp cao hơn khi nhiễm nano TiO2 có kích thước lớn với liệu lượng cao [11].
Vật liệu nano bạc có độc tính cao hơn TiO2, amiang, Al2O3, oxit sắt [12]. Nguyên nhân gây ra độc tính là vì vật liệu có khả năng kiểm soát các liên kết với protein. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano Có hai phương pháp để điều chế vật liệu nano là bottom-up method ( từ dưới lên) và top-down method (từ trên xuống). 2: Quy trình chế tạo vật liệu nano [13] 1.
Phương pháp từ dưới lên (bottom-up) Là phương pháp chế tạo vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này. Các phân tử, nguyên tử được lắp ghép hình thành nên cấu trúc tinh thể từ đó tạo ra hạt có kích thước nano bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD), lắng đọng hơi hóa học (CVD), sol-gel, khử hóa học, thủy nhiệt,… [14] 1.
Phương pháp từ trên xuống (top-down) Là phương pháp dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu khối có kích thước hạt thô thành cỡ hạt có kích thước nano. Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn. Chế tạo vật liệu có kích thước nano từ vật liệu khối bằng cách giảm kích thước của vật liệu thông qua phương pháp nghiền, phay cơ học, cắt bằng tia laser,… [14] Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp sinh học là hướng phát triển gần đây, phương pháp này có ưu điểm so với các phương pháp khác như thân thiện với môi trường, giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng. Việc tổng hợp nano ứng dụng trong thực phẩm và 5 y học nên yêu cầu các hóa chất sử dụng phải đảm bảo không độc hại, an toàn với con người.
Các vi sinh vật, enzyme, dịch chiết và sản phẩm từ thực vật cũng như các hóa chất không độc hại được sử dụng để điều chế hạt nano bằng phương pháp sinh học [14], [15].