Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano bạc 1.1 Công nghệ nano 1.1 Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc chế tạo, thiết kế, phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. 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.
Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người mới có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó, công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau: - Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nm, 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. Ví dụ như Au là vật liệu rất trơ về mặt hóa học nhưng Au ở cấp độ nano lại là chất có hoạt tính xúc tác, ferit sắt từ nano là chất hấp phụ tốt đối với một số ion độc như As, Cr…điều này mở ra những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực xúc tác, công nghệ sinh học và môi trường. - Kích thước tới hạn: Vật liệu thông thường thường được đặc trưng bởi một số tính chất vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính từ… tuy nhiên các tính chất này đều có một giới hạn nhất định về kích thước. Nếu kích thước của vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi.
Kích thước đó gọi là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của chúng có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất vật liệu [2].2 Vật liệu nano Vật liệu nano là những tập hợp của nguyên tử kim loại hay phi kim hay phân tử của những oxit, sunfua, nitrua, clorua…có kích thước hạt trung bình trong khoảng từ 1 – 100nm. Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao quản nằm trong giới hạn tương tự (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại…) [2]. Về hình dáng, người ta chia vật liệu nano thành các loại: - Vật liệu một chiều là vật liệu trong đó chỉ có một chiều là kích thước nano.
Ví dụ như dây nano, ống nano… - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu có hai chiều là kích thước nano ví dụ như màng mỏng. - Vật liệu nano ba chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano) như đám nano, dung dịch keo nano, hạt nano… 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Vật liệu nanocomposit là vật liệu trong đó chỉ có một phần của vật liệu có cấu trúc nano hoặc gồm các cấu trúc nano ba chiều, một chiều, hai chiều đan xen như Ag/silica… 1.3 Bạc và nano bạc 1.1 Giới thiệu về bạc kim loại Nguyên tố bạc có kí hiệu hóa học là Ag, nằm ở ô 47, chu kì 5, nhóm IB, trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu hình electron các phân lớp ngoài cùng là 4d105s1. Ag kết tinh ở dạng lập phương tâm diện, có bán kính nguyên tử là 0 1,44 .
Ag là kim loại nặng, mềm, có ánh kim, màu trắng, có hai đồng vị bền là 107 Ag (51,9%) và 109Ag (48,1%) [6]. Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa của bạc cao hơn nhiều so với hầu hết các kim loại khác. Về độ dẫn điện và dẫn nhiệt, bạc đứng đầu trong số tất cả các kim loại. Bạc cũng vượt xa các kim loại khác về tính dẻo, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi.
Về mặt hóa học, bạc là kim loại rất kém hoạt động. Bạc không tác dụng với oxi không khí kể cả khi đun nóng nên bạc được xem là kim loại quý điển hình.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [11] Kích thước của hạt nano Ag (nm) Số nguyên tử chứa trong đó 1 31 5 3900 20 250000 1.2 Đặc tính kháng khuẩn của bạc Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh. Người cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm. Trong thế kỷ 20, 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa.
Bạc và các hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng. Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi sinh vật, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người. Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa.
Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.3 Cơ chế kháng khuẩn của bạc Hình 1.1: Tác động của ion bạc lên vi sinh vật Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu giải thích hoạt tính kháng khuẩn của bạc. Tuy nhiên cơ chế chính xác của bạc và ion bạc tấn công vào vi sinh vật như thế nào vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu. Hiện nay tồn tại một số quan điểm giải thích cơ chế diệt khuẩn của bạc. Các quan điểm này chủ yếu dựa trên sự vô hiệu hóa nhóm thiol trong men vận chuyển oxi hoặc sự tương tác với DNA dẫn đến sự đime hóa pyriđin và cản trở quá trình sao chép DNA của tế bào vi sinh vật.
Các nhà khoa học thuộc hãng Inovation Hàn Quốc cho rằng bạc tác dụng lên màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật. Màng này là một cấu trúc gồm protein được liên kết với nhau bằng cầu nối amioaxit để tạo độ cứng cho màng: các protein được gọi là peptidoglican. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các ion bạc tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi sinh vật. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó thì khả năng hoạt động của vi sinh vật có thể lại được phục hồi.
Các tế bào động vật cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật với hai lớp lipoprotein giàu liên kết đôi có khả năng cho điện tử, do đó không cho phép các ion bạc xâm nhập. Vì vậy chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này. Do đó, hạt bạc không có khả năng tấn công đến các tế bào của động vật bậc cao, đặc biệt là con người. Đây là lí do khiến hạt bạc được sử dụng làm tác nhân diệt khuẩn [16, 17].
Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxi hoạt tính trên bề mặt của hạt bạc: 2Ag+ + O2- 2Ago + Oo Theo các nhà khoa học Nga, hiện nay đã có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi sinh vật của nano bạc được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi sinh vật bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào và ion Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi sinh vật và vô hiệu hóa chúng [20]. Ngoài ra, có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi sinh vật đáng chú ý được mô tả như sau: Sau khi Ag+ tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật gây bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi sinh vật [11]. Bên cạnh đó, các ion bạc còn có khả năng liên kết với các bazơ của DNA và trung hòa điện tích của gốc photphat do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA.2: Ion bạc liên kết với các bazơ của DNA Cho đến nay mới chỉ có một quan điểm liên quan đến cơ chế tác động của nano bạc lên tế bào vi sinh vật là được đa số các nhà khoa học thừa nhận.
Đó là khả năng diệt vi sinh vật của hạt nano bạc nhờ quá trình chuyển đổi các nguyên tử bạc kim loại thành dạng ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vị trí mang điện tích âm trên vi sinh vật.