Luận văn thạc sĩ vnu uet nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica dùng làm chất kháng khuẩn bằng phương pháp chiếu xạ gamma co 60

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica, ứng dụng làm chất kháng khuẩn qua phương pháp chiếu xạ gamma Co-60.

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Khoa Học Và Công Nghệ Nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Bạc Nano Gắn Trên Silica Làm Chất Kháng Khuẩn Bằng Chiếu Xạ Gamma Co-60
• Loại tài liệu: luận văn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ KHOA HỌC
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu vật liệu nano
• 1.2. Tính chất chung của vật liệu nano
• 1.3. Phân loại vật liệu nano
• 1.4. Hạt nano kim loại
• 1.5. Tính chất của hạt nano kim loại
• 1.6. Chế tạo hạt nano kim loại
• 1.7. Phương pháp ăn mòn laser
• 1.8. Phương pháp khử hóa học
• 1.9. Phương pháp khử hóa lý
• 1.10. Phương pháp khử vật lý
• 1.11. Ứng dụng của vật liệu nano
• 1.11.1. Ứng dụng của vật liệu nano nói chung
• 1.11.2. Ứng dụng của bạc nano và tính chất kháng khuẩn
• 1.11.3. Ứng dụng của bạc nano
• 1.11.4. Tính chất kháng khuẩn
• 1.12. Giới thiệu sơ lược về công nghệ bức xạ
• 1.12.1. Một số khái niệm và định nghĩa
• 1.12.2. Công nghệ bức xạ và các lĩnh vực bức xạ
• 1.12.3. Nguồn bức xạ
• 1.12.4. Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình biến tính bức xạ
• 1.12.5. Thuyết tự do về sự phân ly bức xạ nước
• 1.12.6. Các sản phẩm phân ly bức xạ nước và tính chất của chúng
• 1.13. Giới thiệu chung về SiO2
• 1.13.1. Cấu trúc tinh thể SiO2
• 1.13.2. Tính chất của SiO2
• 1.13.3. Ứng dụng SiO2
• 2. NGHIÊN CỨU - THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất, thiết bị và dụng cụ
• 2.1.1. Nguyên vật liệu, hóa chất
• 2.1.2. Thiết bị, dụng cụ
• 2.2. Phương pháp
• 2.2.1. Chế tạo Ag nano/SiO2 bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60
• 2.2.2. Xác định các đặc trưng tính chất của Ag nano/SiO2
• 2.2.2.1. Đo phổ UV-Vis
• 2.2.2.2. Tạo mẫu Ag nano/SiO2 dạng bột. Chụp ảnh TEM
• 2.2.2.3. Xác định hàm lượng bạc trong mẫu
• 2.2.3. Khảo sát độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn
• 2.2.4. Khảo sát hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2
• 2.2.5. Đánh giá khả năng kháng nấm Aspergillus niger var Tieghn của sơn đã được pha trộn với Ag nano/SiO2
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc trưng phổ hấp thụ UV-Vis của Ag nano/SiO2 sau chiếu xạ
• 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ Ag+ đến kích thước hạt Ag nano
• 3.3. Khảo sát kích thước hạt và cấu trúc đặc trưng của Ag nano. Hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2
• 3.4. Độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn
• 3.5. Hoạt tính kháng nấm Aspergillus niger var Tieghn của sơn đã được pha trộn với Ag nano/SiO2
• 3.6. Khảo sát ở điều kiện nhiệt độ thường nhiều hơi ẩm
• 3.7. Khảo sát trong điều kiện phòng thí nghiệm
• 4. MỘT SỐ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BÀI BÁO, BÁO CÁO KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN VĂN

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica

Nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong khoa học và công nghệ. Bạc nano có tính kháng khuẩn cao, giúp ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, thực phẩm và bảo vệ môi trường. Việc gắn bạc nano lên silica không chỉ tăng cường tính ổn định mà còn cải thiện khả năng kháng khuẩn của vật liệu. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 để chế tạo, mang lại nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn.

1.1. Giới thiệu về bạc nano và silica

Bạc nano là các hạt bạc có kích thước từ 1 đến 100 nm, nổi bật với tính kháng khuẩn mạnh mẽ. Silica (SiO2) là một vật liệu phổ biến trong công nghệ nano, được sử dụng để gắn bạc nano nhằm tăng cường tính ổn định và khả năng kháng khuẩn.

1.2. Tính chất kháng khuẩn của bạc nano

Bạc nano có khả năng tiêu diệt vi khuẩn và nấm mốc hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng bạc nano có thể ức chế sự phát triển của các vi khuẩn gram dương và gram âm, nhờ vào khả năng tương tác với màng tế bào vi khuẩn.

II. Thách thức trong nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc chế tạo bạc nano gắn trên silica cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là kiểm soát kích thước và hình dạng của bạc nano trong quá trình chế tạo. Kích thước không đồng nhất có thể ảnh hưởng đến tính chất kháng khuẩn của sản phẩm cuối cùng. Ngoài ra, việc lựa chọn chất ổn định phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng để ngăn chặn sự kết tụ của bạc nano.

2.1. Kiểm soát kích thước hạt bạc nano

Kích thước hạt bạc nano ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất kháng khuẩn. Việc kiểm soát kích thước hạt trong quá trình chế tạo là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả kháng khuẩn tối ưu.

2.2. Lựa chọn chất ổn định cho bạc nano

Chất ổn định giúp duy trì kích thước và hình dạng của bạc nano. Việc lựa chọn chất ổn định phù hợp như polyvinyl alcohol (PVA) hay chitosan có thể ảnh hưởng đến tính chất kháng khuẩn của sản phẩm.

III. Phương pháp chiếu xạ gamma Co 60 trong chế tạo bạc nano

Phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 là một trong những kỹ thuật hiệu quả để chế tạo bạc nano. Bức xạ gamma tạo ra các electron solvat và gốc tự do, giúp khử bạc ion thành bạc nguyên tử. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt bạc nano. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng liều xạ thích hợp có thể tạo ra bạc nano với kích thước đồng nhất và tính chất kháng khuẩn cao.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp chiếu xạ

Phương pháp chiếu xạ gamma hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra các gốc tự do từ nước, giúp khử bạc ion thành bạc nguyên tử. Điều này tạo ra các hạt bạc nano với kích thước nhỏ và đồng nhất.

3.2. Lợi ích của phương pháp chiếu xạ gamma

Phương pháp chiếu xạ gamma có nhiều lợi ích như khả năng kiểm soát kích thước hạt, giảm thiểu ô nhiễm hóa học và tạo ra sản phẩm an toàn cho sức khỏe con người.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bạc nano gắn trên silica

Bạc nano gắn trên silica có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y tế, thực phẩm và bảo vệ môi trường. Sản phẩm này có thể được sử dụng trong các loại sơn kháng khuẩn, giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc trong các môi trường như bệnh viện, trường học và nơi công cộng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sơn chứa bạc nano có khả năng kháng khuẩn vượt trội so với các loại sơn thông thường.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Bạc nano gắn trên silica có thể được sử dụng trong các sản phẩm y tế như băng gạc kháng khuẩn, giúp ngăn ngừa nhiễm trùng trong quá trình điều trị.

4.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Sản phẩm này có thể được sử dụng để bảo quản thực phẩm, giúp kéo dài thời gian bảo quản và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn gây hại.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu bạc nano gắn trên silica

Nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các sản phẩm kháng khuẩn hiệu quả. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến bảo vệ môi trường. Việc tiếp tục nghiên cứu và cải tiến quy trình chế tạo sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của bạc nano trong thực tiễn.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của bạc nano gắn trên silica trong các lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tác động đến sức khỏe và môi trường

Việc sử dụng bạc nano trong các sản phẩm tiêu dùng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khoa học và công nghệ nano đang tạo ra những bước tiến đột phá trong việc cải thiện tính năng của vật liệu truyền thống, đặc biệt là các hệ vật liệu có kích thước từ 0,1 đến 100 nm với diện tích bề mặt riêng gia tăng vượt trội. Bạc kim loại ở thang đo nanomet được chứng minh có khả năng ức chế và tiêu diệt hơn 650 loài vi khuẩn, vi rút và vi nấm gây hại. Tuy nhiên, trong thực tế, các mảng sơn phủ tường tại các khu vực công cộng có mật độ tiếp xúc cao như bệnh viện, trường học và nhà ga thường xuyên bị tấn công bởi nấm mốc và vi sinh vật, tiêu biểu là các chủng vi nấm Aspergillus niger và Penicillium citrinum. Tình trạng này không chỉ làm giảm tuổi thọ công trình mà còn tiềm ẩn nguy cơ lây nhiễm chéo các bệnh truyền nhiễm qua đường hô hấp và tiếp xúc bề mặt.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề trên, nghiên cứu này tập trung vào mục tiêu chế tạo vật liệu nanocomposite gồm các hạt bạc nano gắn trên giá mang silica vô cơ bằng phương pháp chiếu xạ gamma Cobalt-60 (Co-60), từ đó ứng dụng làm hoạt chất kháng khuẩn và chống nấm mốc hiệu năng cao cho sơn nước. Toàn bộ quá trình thực nghiệm, khảo sát cấu trúc hóa lý và đánh giá hoạt tính sinh học được triển khai tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ cùng các phòng thí nghiệm chuyên sâu tại Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp một quy trình công nghệ xanh, không sử dụng hóa chất khử độc hại, giúp màng sơn nước đạt hiệu suất kháng khuẩn vượt mức 99,9% và duy trì độ ổn định quang hóa bền vững trong suốt chu kỳ theo dõi liên tục hơn 6 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phân ly bức xạ nước của Weiss và Tabata, giải thích sự tương tác của bức xạ ion hóa gamma từ nguồn Co-60 với dung môi nước và dung dịch cồn. Quá trình xạ ly nước trong khoảng thời gian siêu ngắn từ $10^{-16}$ đến $10^{-5}$ giây tạo ra các tác nhân khử cực mạnh là electron hydrat hóa và gốc hydro tự do với thế điện cực khử chuẩn đạt mức âm 2,87 V, nhanh chóng khử các ion bạc $Ag^+$ thành nguyên tử bạc $Ag^0$. Đồng thời, ethanol đóng vai trò là chất bắt gốc tự do hydroxyl nhằm ngăn chặn quá trình oxy hóa ngược nguyên tử bạc trở lại dạng ion, đồng thời tạo ra gốc thứ cấp hỗ trợ phản ứng phát triển cụm nguyên tử.

Bên cạnh đó, đề tài vận dụng lý thuyết hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước lượng tử của vật liệu nano. Khi kích thước hạt bạc giảm xuống thang dưới 20 nm, tỷ số giữa số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử gia tăng nhanh chóng, thúc đẩy hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt với đỉnh hấp thụ quang học đặc trưng trong vùng bước sóng 400 đến 420 nm. Cơ chế kháng khuẩn được giải thích qua tương tác đa đích: hạt nano bạc bám dính và phá vỡ cấu trúc màng tế bào, giải phóng ion bạc phản ứng với nhóm thiol của protein màng, làm gián đoạn chuỗi truyền điện tử và kích thích tạo ra các gốc oxy hóa phản ứng (ROS) phá hủy cấu trúc DNA của vi sinh vật. Khung nghiên cứu cũng kết hợp đặc tính cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều của silica vô cơ với diện tích bề mặt lớn, đóng vai trò bẫy phân tử và giá mang ngăn chặn hiện tượng keo tụ hạt bạc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tổng hợp mẫu bạc nano trên silica với nồng độ silica tối ưu 9% khối lượng trên thể tích trong dung dịch ethanol 80%, kết hợp cùng các nồng độ ion bạc $AgNO_3$ ban đầu gồm 5 mM, 10 mM và 20 mM. Quá trình chiếu xạ sử dụng nguồn gamma Co-60 với suất liều cố định 1,3 kGy/h, khảo sát dải liều hấp thụ từ 4 kGy đến 12 kGy nhằm xác định chính xác liều chuyển hóa bão hòa.

Quy mô chọn mẫu và các phương pháp phân tích bao gồm:

• Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) trên máy quang phổ Shimadzu nhằm theo dõi mật độ quang và bước sóng hấp thụ cực đại.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) với cỡ mẫu đếm từ 50 đến 100 hạt trên phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng để xác định kích thước hạt trung bình và độ phân bố hình thái.
• Nhiễu xạ tia X (XRD) kết hợp phương trình Debye-Scherrer để tính toán kích thước tinh thể bạc nano.
• Quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) nhằm định lượng tổng hàm lượng bạc trong sản phẩm bột sau khi sấy ở 60 độ C.
• Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) nhằm đánh giá độ phân tán và độ ổn định kích thước hạt trong màng sơn nước theo các mốc thời gian: vừa pha, sau 3 tháng và sau 6 tháng.
• Phương pháp đếm khuẩn lạc (CFU/ml) trên môi trường Sabouraud với kỹ thuật pha loãng thập phân từ 1/10 đến 1/1000, thực hiện lặp lại tối thiểu 2 đĩa petri cho mỗi độ pha loãng và chọn lọc các đĩa có mật độ từ 15 đến 300 khuẩn lạc để tính toán hoạt tính diệt nấm Aspergillus niger.

Việc lựa chọn phương pháp chiếu xạ bức xạ ion hóa thay thế cho phương pháp khử hóa học truyền thống xuất phát từ ưu thế phản ứng diễn ra ngay ở nhiệt độ phòng, tiết kiệm năng lượng, kiểm soát chính xác kích thước hạt qua liều chiếu và loại bỏ hoàn toàn các chất khử hóa học độc hại gây ảnh hưởng tới môi trường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy quá trình khử ion bạc thành bạc kim loại diễn ra hoàn toàn khi hệ mẫu đạt liều xạ bão hòa trong khoảng từ 8 kGy đến 12 kGy. Mật độ quang đạt giá trị cao nhất tại bước sóng hấp thụ cực đại trong khoảng 410 đến 418 nm, minh chứng cho sự hình thành đồng đều của các hạt nano bạc nhờ hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Khi nồng độ ion bạc ban đầu tăng từ 5 mM lên 20 mM, cường độ hấp thụ quang tăng tỷ lệ thuận nhưng không làm dịch chuyển đáng kể đỉnh hấp thụ, khẳng định tính ổn định của hệ hạt.

Ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác nhận các hạt bạc nano có dạng hình cầu đồng đều, phân tán bám dính chắc chắn trên bề mặt các hạt silica kích thước 0,2 đến 0,3 micromet. Kích thước hạt bạc nano trung bình ghi nhận được nằm trong khoảng từ 5 đến 15 nm, với độ lệch chuẩn hẹp khoảng 2 nm. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) theo phương trình Debye-Scherrer đối với mẫu chứa 10 mM bạc cho kết quả kích thước tinh thể đạt xấp xỉ 8,5 nm, hoàn toàn tương thích với dữ liệu hình ảnh TEM. Phân tích quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) xác định hàm lượng bạc tổng số trong chế phẩm bột nanocomposite đạt mức xấp xỉ 1,2% về khối lượng.

Khảo sát hoạt tính diệt nấm trên chủng Aspergillus niger cho thấy hệ vật liệu có hiệu lực ức chế sinh trưởng mạnh mẽ. Mẫu sơn nước được phối trộn 100 ppm Ag nano/SiO2 đạt hiệu suất tiêu diệt nấm mốc vượt mức 99% sau 24 đến 48 giờ tiếp xúc. Đánh giá độ ổn định qua ảnh FE-SEM sau 3 tháng và 6 tháng lưu trữ trong màng sơn cho thấy các cụm hạt vẫn giữ nguyên hình thái phân tán mịn, kích thước hạt nano không có hiện tượng kết tụ tăng kích thước hay lắng đọng cơ học.

Các kết quả thực nghiệm trên được tổng hợp và trình bày trực quan thông qua đồ thị đường cong mật độ quang UV-Vis theo liều chiếu xạ, biểu đồ cột phân bố tần suất kích thước hạt nano từ dữ liệu đếm TEM, và bảng thống kê số lượng khuẩn lạc sống (CFU/ml) tương ứng với từng nồng độ pha loãng của hoạt chất trong sơn.

Thảo luận kết quả

Kích thước hạt bạc nano nhỏ mịn trong khoảng 5 đến 15 nm giữ vai trò then chốt trong việc gia tăng hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm. Hạt nano bạc có kích thước càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc riêng càng lớn, giúp tăng cường khả năng bám dính vào màng tế bào vi nấm, gây rối loạn tính thấm chọn lọc và thẩm thấu vào nội bào để ức chế hệ enzyme hô hấp. Phát hiện này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế trước đây, điển hình như nghiên cứu của Lee và cộng sự khi chỉ ra rằng hạt bạc kích thước 2 đến 3 nm đạt hiệu suất diệt khuẩn đến 99,99%, vượt trội hoàn toàn so với các hạt kích thước 30 nm chỉ đạt hiệu suất từ 31,25% đến 47,65%.

Đặc biệt, sự hiện diện của giá mang silica đóng vai trò quyết định trong việc duy trì độ bền và hoạt tính của vật liệu khi đưa vào hệ sơn nước. Nhờ diện tích bề mặt riêng lớn đạt khoảng 200 $m^2/g$ và cấu trúc mạng chuỗi ba chiều, silica vừa là giá đỡ cơ học giúp các hạt nano bạc phân tán biệt lập, vừa ngăn chặn sự keo tụ tự nhiên do năng lượng bề mặt cao của kim loại quý. Khi phối trộn vào sơn nước ở nồng độ 100 ppm, hệ composite không gây hiện tượng đổi màu sơn, không làm ảnh hưởng đến độ bám dính của màng phủ và duy trì khả năng phóng thích ion bạc chậm, đem lại tác dụng bảo vệ kháng nấm lâu dài cho công trình xây dựng trong điều kiện khí hậu nóng ẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo bức xạ quy mô bán công nghiệp: Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ cùng các viện chuyên ngành cần tiến hành nâng cấp quy trình chiếu xạ Co-60 từ quy mô phòng thí nghiệm lên hệ thống thùng chiếu liên tục với công suất 500 đến 1.000 lít/mẻ, duy trì suất liều 1,3 kGy/h và liều tổng 8 đến 12 kGy, nhằm mục tiêu cắt giảm chi phí sản xuất hoạt chất từ 15% đến 20% trong lộ trình 12 tháng tới.
2. Thương mại hóa dòng sơn phủ kháng khuẩn công nghệ nano: Các doanh nghiệp sản xuất sơn nước cần chủ động phối hợp với nhóm nghiên cứu để đưa quy trình phối trộn bột Ag nano/SiO2 ở tỷ lệ 100 ppm vào dây chuyền sản xuất công nghiệp, hướng tới mục tiêu đạt tỷ lệ chống nấm mốc bề mặt trên 95% sau 12 tháng thử nghiệm thực địa tại các bệnh viện và công trình công cộng.
3. Mở rộng phổ kháng khuẩn trên các chủng vi khuẩn đa kháng thuốc: Các đơn vị nghiên cứu y sinh và vật liệu cần phối hợp triển khai thử nghiệm hoạt tính diệt khuẩn của màng sơn trên các chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương nguy hiểm như Staphylococcus aureus và Pseudomonas aeruginosa trong khung thời gian 6 đến 9 tháng, làm cơ sở khoa học để cấp chứng nhận vật liệu y tế an toàn.
4. Xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về phụ gia sơn nano: Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Bộ Xây dựng cần sớm nghiên cứu, ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quy định rõ ngưỡng nồng độ kim loại nano an toàn, độ bền phát tán ion trong môi trường trong nhà và phương pháp kiểm nghiệm hoạt tính kháng nấm chuẩn hóa trong thời hạn 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Bức xạ và Khoa học Vật liệu: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp sử dụng chùm tia gamma Co-60 để tổng hợp nanocomposite kim loại - chất mang vô cơ, nắm vững cơ chế phân ly bức xạ và các kỹ thuật phân tích cấu trúc hạt nano chuyên sâu.
• Kỹ sư R&D và chuyên gia công nghệ tại các nhà máy sản xuất sơn, chất phủ: Ứng dụng trực tiếp thông số nồng độ, quy trình nghiền bột và kỹ thuật phân tán hạt nano bạc trên nền silica để phát triển các dòng sản phẩm sơn kháng khuẩn, sơn chống rêu mốc thế hệ mới đạt chuẩn quốc tế.
• Ban quản lý dự án xây dựng bệnh viện, trường học và công trình công cộng: Có thêm cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để lựa chọn các giải pháp vật liệu hoàn thiện bề mặt có khả năng tự kháng khuẩn, giảm thiểu nguy cơ nhiễm khuẩn bệnh viện và nâng cao chất lượng môi trường sống.
• Doanh nghiệp kinh doanh và chuyển giao công nghệ vật liệu mới: Khai thác tiềm năng thương mại hóa các chế phẩm nano bạc dạng bột gắn trên silica, ứng dụng đa dạng trong sản xuất màng lọc không khí, bao bì kháng khuẩn và các thiết bị gia dụng cao cấp.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp khử hóa học khi chế tạo nano bạc?
Phương pháp chiếu xạ Co-60 tận dụng trực tiếp các electron hydrat hóa sinh ra từ quá trình phân ly nước để khử ion bạc với thế điện cực âm 2,87 V mà không cần dùng đến các hóa chất khử độc hại như $NaBH_4$ hay hydrazine. Phản ứng xảy ra đồng đều ở nhiệt độ phòng, dễ dàng kiểm soát kích thước hạt bạc trong khoảng 5 đến 15 nm và đảm bảo độ tinh khiết cao cho sản phẩm.

Vai trò chính của chất mang silica trong hệ vật liệu Ag nano/SiO2 là gì?
Silica đóng vai trò làm giá đỡ vô cơ bền vững với diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 200 $m^2/g$, giúp cố định và phân tán biệt lập các mầm tinh thể bạc nano. Cấu trúc mạng chuỗi của silica loại trừ hiện tượng các hạt bạc va chạm kết tụ thành khối lớn, đồng thời hỗ trợ tăng cường độ nhớt và độ ổn định cơ lý cho hệ sơn nước.

Nồng độ phối trộn Ag nano/SiO2 trong sơn nước là bao nhiêu để đạt hiệu quả kháng khuẩn tối ưu?
Nồng độ phối trộn tối ưu được xác định là 100 ppm hoạt chất bạc nano tính theo khối lượng sơn. Ở nồng độ này, màng sơn đạt hiệu suất ức chế vi nấm Aspergillus niger trên 99% trong các thử nghiệm nuôi cấy và phun sinh khối, đồng thời không gây biến đổi màu sắc nguyên bản của màng sơn.

Bột bạc nano gắn trên silica có nguy cơ phát tán gây độc hại cho môi trường sống không?
Các hạt nano bạc được liên kết chặt chẽ trên bề mặt giá mang silica kích thước micromet thông qua tương tác bề mặt bền vững, hạn chế tối đa nguy cơ giải phóng các hạt nano tự do vào không khí. Lượng ion bạc phóng thích được kiểm soát ở mức vết an toàn sinh học nhưng vẫn duy trì độc tính chọn lọc tiêu diệt vi sinh vật.

Tại sao phương pháp đếm khuẩn lạc CFU/ml lại được ưu tiên sử dụng để đánh giá hoạt tính kháng nấm?
Phương pháp đếm khuẩn lạc cho phép định lượng trực tiếp và chính xác số lượng tế bào vi sinh vật còn sống có khả năng phân chia sau khi xử lý với vật liệu kháng khuẩn. Bằng cách pha loãng mẫu theo dãy thập phân và đếm trên các đĩa thạch đạt từ 15 đến 300 khuẩn lạc, kết quả thực nghiệm đạt độ nhạy cao và giảm thiểu tối đa sai số định lượng.

Kết luận

• Đề tài đã chế tạo thành công vật liệu nanocomposite Ag nano/SiO2 bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 hiện đại, thân thiện với môi trường và không sử dụng hóa chất khử độc hại.
• Xác lập được điều kiện công nghệ tối ưu với hệ phân tán silica 9% w/v, dung môi ethanol 80%, nồng độ ion bạc 10 mM và liều xạ bão hòa từ 8 đến 12 kGy với suất liều 1,3 kGy/h.
• Hạt nano bạc hình thành có dạng hình cầu đồng đều, kích thước trung bình 5 đến 15 nm, phân tán bám chắc trên nền silica 0,2 đến 0,3 micromet với hàm lượng bạc đạt khoảng 1,2% khối lượng.
• Hoạt chất khi phối trộn vào sơn nước ở nồng độ 100 ppm thể hiện hoạt tính kháng nấm Aspergillus niger vượt trội trên 99% và duy trì độ bền phân tán ổn định suốt 6 tháng theo dõi.
• Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững trong việc ứng dụng công nghệ bức xạ hạt nhân để sản xuất các vật liệu phủ chức năng cao cấp, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể tiếp tục phối hợp triển khai thử nghiệm thực địa quy mô lớn trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới để sớm đưa sản phẩm thương mại ra thị trường. Hãy kết nối với nhóm nghiên cứu để cùng thúc đẩy các giải pháp vật liệu nano xanh vào đời sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Khoa học và công nghệ nano là lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng hiện nay. Những thành tựu trong nghiên cứu và công nghệ nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, lý, hóa, sinh học, y dược, môi trường,. Ý tưởng đầu tiên về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử. Tuy nhiên, 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 khi đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của vi mạch điện tử [35].

Vật liệu ở thang đo nano bao gồm lá nano, sợi, ống nano và hạt nano có những tính chất đặc biệt do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích bề mặt. Một trong số đó, bạc kim loại kích thước nano thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Bạc nano có vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất thủy tinh, gốm sứ, xúc tác và xử lý các vấn đề nhiễm khuẩn do bạc nano có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm cao [30, 47]. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bạc nano được thực hiện.

Một số phương pháp được áp dụng để chế tạo bạc nano như khử hóa học, khử quang học, sol-gel, chiếu xạ,. Phương pháp chiếu xạ được sử dụng khá phổ biến do sản phẩm của quá trình phân ly bức xạ nước như electron solvat (e-  aq) và gốc tự do hydro ( H) là tác nhân khử mạnh, khử bạc ion thành bạc nguyên tử [39]. Trong quá trình chế tạo cần sử dụng các chất ổn định để bạc tạo thành ở kích thước nano và hạn chế quá trình kết tụ. Nhiều nghiên cứu sử dụng polyme polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl pyrrolidon (PVP), chitosan (CTS), alginat, polyacrylate,.

[6, 13, 32, 39] làm chất ổn định hạt bạc nano. Sản phẩm tạo thành là LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 dung dịch keo bạc nano ứng dụng làm nước rửa vết thương, khẩu trang y tế, dung dịch khử mùi cơ thể [35]. Mặt khác, một số công trình nghiên cứu sử dụng vật liệu vô cơ như silica (SiO2), zeolit, titannia (TiO2), alumina (Al2O3),. Trong đó SiO2 được sử dụng phổ biến để gắn bạc nano do SiO2 có tính bền nhiệt, bền hóa học, tạo hệ phân tán trong suốt, kháng kết khối [31, 15, 50].

Nghiên cứu chế tạo bạc nano kim loại gắn trên hạt SiO2 hầu như vẫn còn là mới ở Việt nam. Xuất phát từ những vấn đề như đã trình bày ở trên, cùng với mong muốn tạo sản phẩm Ag nano gắn trên SiO2 có thể pha vào sơn nước ứng dụng trong các môi trường có nhiều vi khuẩn, vi nấm gây bệnh như bệnh viện, trường học, trạm xe công cộng,. chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “ Nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica dùng làm chất kháng khuẩn bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60”. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 3 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 1.

Mục tiêu: Ứng dụng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 để chế tạo bạc nano gắn trên SiO2 (Ag nano/SiO2) để làm hoạt chất kháng nấm và vi khuẩn dùng trong sơn nước. Nội dung nghiên cứu: - Chế tạo mẫu Ag nano/SiO2. - Khảo sát liều xạ chuyển hóa bão hòa Ag+ → Ag0 và cấu trúc đặc trưng của Ag nano bằng phương pháp phổ UV-Vis, TEM và XRD - Đánh giá hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2. - Khảo sát độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn nước bằng chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) theo thời gian.

- Đánh giá hoạt tính kháng nấm của sơn đã được pha trộn với Ag nano/SiO2 bằng phương pháp gây độc môi trường nuôi cấy và phun dịch sinh khối nấm lên màng sơn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu vật liệu nano: 1. Tính chất chung của vật liệu nano Thuật ngữ nano (có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, nano nghĩa là bé nhỏ) dùng để chỉ 1 phần tỷ của vật nào đó.

Chẳng hạn một nanomét là một phần tỷ của mét, nó xấp xỉ kích cỡ của 10 nguyên tử hydro [8]. Công nghệ nano (nano technology) là kỹ thuật và khoa học thao tác, phân bố lại từng nguyên tử, phân tử để tạo nên vật liệu, thiết bị, hệ thống hữu ích [9]. Khoa học nano (nano science) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn [9].

Vật liệu nano: là đối tượng nghiên cứu của hai lĩnh vực khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau [9]. Ngày nay, khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi do đối tượng nghiên cứu là vật liệu có kích thước trong khoảng 0,1- 100 nm và những tính chất mới khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối đã được nghiên cứu trước đó. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối do hai hiệu ứng sau đây: 1. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nanomet thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng đáng kể, nghĩa là các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm một tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử.

Chính vì điều này mà LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 các hiệu ứng liên quan đến bề mặt của vật liệu trở nên quan trọng, làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ta xét ví dụ sau đây : Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt của vật liệu được tạo thành từ các hạt nano hình cầu, n là tổng số nguyên tử thì ta có mối liên hệ như sau ns=4n(2/3). Gọi f là tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử khi đó f = ns/n =4n(2/3)/n = 4n-1/3 = 4 r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. Như vậy nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số bề mặt sẽ tăng lên (f 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 r theo một hàm liên tục. Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu.

Với hạt nano hình cầu có đường kính 5 nm thì số nguyên tử tương ứng là 4.000 nguyên tử, tỉ số f là 40%, năng lượng bề mặt là 8,16 x1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng tổng là 14,3%, tuy nhiên các giá trị vật lý sẽ giảm đi một nửa nếu đường kính của hạt nano tăng gấp hai lần, nghĩa là đường kính hạt nano bằng 10 nm [9]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 : Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [9]. Đường kính Số Tỷ số nguyên tử Năng lượng bề Năng lượng bề hạt nano nguyên trên bề mặt (%) mặt (erg/mol) mặt/ Năng lượng (nm) tử tổng (%) 10 30. Hiệu ứng kích thƣớc Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu nano có những tính chất đặc biệt hơn nhiều so với vật liệu truyền thống.

Đối với mỗi vật liệu đều có một độ dài đặc trưng, tính chất của rất nhiều vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Chính điều này đã làm nên từ “vật liệu nano” mà chúng ta thường nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước của vật liệu lớn hơn rất nhiều lần độ dài đặc trưng của vật liệu, điều này đã qui định những tính chất vật lý của vật liệu như chúng ta đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng của vật liệu thì tính chất vật lý của vật liệu có những thay đổi đột ngột và chúng khác hẳn so với những tính chất mà chúng ta đã biết trước đó.

Trong trường hợp này không có sự chuyển tiếp từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Ví dụ, vật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men, trong lòng một đô men, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên tử ở một đô men khác. Giữa hai đô LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đô men. Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm.

Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác. Theo nhiều nhà khoa học, thuật ngữ nano chỉ áp dụng cho những vật có kích thước trong khoảng từ 0,1 (kích thước nguyên tử hydro) đến 100 nm (kích thước của virus). Bảng 2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng và một số tính chất của vật liệu [9, 3].2: Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [9] Tính chất Thông số Thông số Điện Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Từ Giới hạn siêu thuận từ 5-100 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 1. 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: Người ta đặt tên số chiều không bị giới hạn ở kích thước nano  Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ đám nano, hạt nano.