Mở đầu và các khái niệm cơ bản*U3!!” Trong khoảng hai 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 vi đo dé tao ra don vị ước giảm di | tỷ lần ( 10°).
Vi du: nanogam = | phan ty gam; nanomet = 1 phần tỷ mét hay lnm = 10° m. Khoa hoc nghiên cứu về hat nano đã va dang được quan tam do chúng có tinh chat vật lý, hoá học và nhiều ứng dụng khác đặc biệt hơn so với khi nghiên cứu về hạt micro. Công nghệ nano! Ì là tổ hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị máy móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu trúc nano, tức là các đơn vị cau 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.
Khoa học nano" 1a ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chât của vật liệu khác hăn với tính chât của chúng tại các quy mô lớn hơn. Ngành khoa học này liên quan đến nhiều ngành khoa học khác như vật lý học, hóa học, sinh học. 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 răn, sau đó mới đên chât lỏng và khí. Phân loại vật liệu nano Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại thường dùng.
Phân loại theo hình dáng của vật liệu: theo cách phân loại này người ta đặt tên số chiều không bị giới hạn ở kích thước nano: + Vật liệu nano không chiêu (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví du:dam nano, hạt nano vàng và bac. + Vật liệu nano một chiêu là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều kia dài hơn ví dụ: ống nano cacbon, sợi kẽm oxit. + Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, chiều thứ ba đài hơn ví dụ:màng mỏng. + Ngoài ra còn có vat liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
- Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một sé người đặt tên số chiều bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thé thì hạt nano là vật liệu nano 3 chiều, dây nano là vật liệu nano 2 chiều va màng mỏng là vật liệu nano 1 chiều. Cách này ít phố biến hon cách ban đầu. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano: + Vật liệu nano kim loại; + Vật liệu nano bán dẫn; + Vat liệu nano từ tính; + Vat liệu nano sinh hoc; +.
Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ dé tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng chính của chúng ta sau đây là “hạt nano kim loại” trong đó “hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại” được phân loại theo tính chất hoặc “vật liệu nano từ tính sinh học” trong đó cả “từ tính” và “sinh học” đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất. Phương pháp điều chế vật liệu nano Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp chính: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử, phân tử hay ion.
Sau đây ta xét đặc điểm của từng phương pháp. - Phương pháp từ trên xuống Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiên và biên dạng đê biên vật liệu thê khối với tô chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thê tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). + Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối.
Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). + Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn mà không làm phá huỷ vật liệu.
Nhiệt độ có thê được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều day nm). + Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
- Phương pháp từ dưới lên Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triểnmạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp nay. Phương pháp từ dưới lên có thé là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
+ Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyên pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyền pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trang thái vô định hình, xử lý nhiệt dé xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thé (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: vật liệu được dùng sản xuất ô cứng máy tính.
+ Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thê phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,.) và từ pha khí (nhiệt phân. Phương pháp này có thé tạo các hạt nano, dây nano, ông nano, màng nano, bột nano,.
+ Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,. Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, mang nano, bột nano,. Ứng dụng của vật liệu nano[6] Vật liệu nano bao gồm bột nano và tinh thể nano có rất nhiều ứng dụng do chúng có nhiều tính chất cơ, lý, hoá rất đặc biệt. Sau đây là một SỐ ứng dụng: - Vật liệu ngăn cách: loại cửa số thông minh, tắm kính trong tức là ánh sáng nhìn thấy lot qua dé dàng, tia tử ngoại và hồng ngoại không lọt qua được.
Đó là nhờ phủ lên một lớp hạt nano tinh thể, thí dụ hạt oxit ăngtimon thiếc (ATO) hay oxit indi thiếc (ITO). - Ứng dụng trong chế tạo máy: công nghệ nano có thé tạo ra những vật liệu rat cứng dùng dé cắt gọt trong chế tạo máy. Gốm tinh thé nano có thể nén và liên kết thành nhiều hình dạng khác nhau ở nhiệt độ khá thấp. - Ung dụng dé làm màn hình: màn hình tivi, máy tinh thông thường hiện nay luôn có một lớp mỏng gồm các hạt phôtpho (có pha tạp), khi điện tử đập vào thì loé sáng lên.
Năng suất phân giải của màn hình phụ thuộc vào kích thước của điểm ảnh tức là phụ thuộc vào kích thước của các hạt phôtpho.Óng nano cacbon cũng được dùng làm màn hình có năng suất phân giai cực cao. - Ung dung làm pm: các loại pin niken — hidro kim loại Ni - MH (nickel metal hydride) được lam từ các hat nano niken va hidro kim loại chứa được rat nhiêu điện năng kéo dài thời gian làm việc. - Nam châm cực mạnh: nam châm cảng mạnh khi càng tăng tỉ lệ diện tích bề mặt hạt từ trong một đơn vị thể tích của vật liệu từ. Loại nam châm đất hiém hat nano này được dùng trong các động cơ tàu biển, máy phát điện cho ôtô, các dụng cụ phân tích cực nhạy.
- Ung dụng trong động cơ ôtô máy bay: dé ít tổn hao nhiệt người ta phủ một lớp nano tinh thể ở xylanh, thường là gốm oxit silic, lớp gốm này giữ nhiệt rất tốt. - Vật liệu thích nghi sinh học dé cay vao co thé: vat liéu photphat canxi, vật liệu của xương tự nhiên. Vi vậy, dung vật liệu nano này có tinh chất như là vật liệu nhân tạo bắt chước xương tự nhiên. Cacbua silic nano tinh thé (SiC) là vật liệu có kha năng làm van tim nhân tạo.
Vật liệu perovskite dạng ABO3[9] 1. Cau trúc lí tưởng của perovskite Kiểu cấu trúc này đặc trưng cho các hợp chat có công thức ABO; trong đó: A là các nguyên tố nhóm kiềm thổ hoặc nhóm đất hiếm; B là các nguyên tố thuộc nhóm chuyên tiếp; O là oxi.