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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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.