CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN HẠT NANO VÀNG VA NANO BẠC 1. Tính chất và ứng dụng các hạt nano Au và nano Ag 1. Tính chất của hạt nano Au và nano Ag a.
Tính chất của hạt nano Au + Tính chất điện Tính dẫn điện của kim loại phụ thuộc vào điện trở của nó, điện trở của nó nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong vùng dẫn. Mật độ electron tự do trong vàng kim loại là 5,90 1022 cm-3. Vàng có tính dẫn điện rất tốt chỉ kém bạc và đồng, và được dùng làm dây dẫn điện trong một số thiết bị tiêu thụ nhiều điện năng. Đối với vật liệu vàng khối, các lí giải vật lý về độ dẫn điện dựa trên cấu trúc vùng năng lượng.
Điện trở của vàng cũng chính là nguyên nhân chủ yếu gây nên sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon) [7]. + Tính chất từ Kim loại quý như vàng có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Các kim loại có tính sắt từ ở trạng thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, niken,…thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không. + Tính chất nhiệt Kim loại vàng ở dạng khối có nhiệt độ nóng chảy rất cao 1063,4 0C.
Vì nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên 9 bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của các hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm.
Ví dụ: hạt vàng 2 nm có Tnc=5000C, kích thước 6 nm có Tnc=9500C. Tính chất của hạt nano Ag Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn, có những tính chất độc đáo như sau [9]: - Không có độc hại đối với sức khỏe con người với liều lượng cao, không có phụ gia hóa chất. - Nano Ag Có khả năng phân tán ổn định định trong các dung môi khác nhau. - Tính chống nấm, khử mùi,khử khuẩn, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh.
- Nano Ag không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường, độ bền hóa học cao. - Chi phí sản xuất thấp và ổn định ở nhiệt độ cao. Vật liệu nano có những tính chất khác hẳn so với vật liệu khối đã nghiên cứu trước. Sự khác biệt về tính chất này được giải thích từ hai hiện tượng sau: Hiệu ứng bề mặt: Khi vật có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử (gọi là tỉ số ) của vật liệu gia tăng.
Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở trong lòng vật liệu, nên khi kích thước vật liệu giảm dần thì hiệu ứng có liên quan đến các các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng do tỉ số tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nano thì tỉ số này tăng lên đáng kể. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị kích thước,hạt có kích thước 10 càng bé thì hiệu ứng bề mặt càng lớn và ngược lại [10]. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của nano hình cầu [10] Số Tỉ số nguyên Năng lượng bề Đường kính Năng lượng bề nguyên tử trên bề mặt mặt/Năng lượng hạt nano mặt (erg/mol) tử (%) tổng (%) (nm) 10 30.000 40 8,16×1011 14,3 2 250 80 2,04×1012 35,3 1 30 90 9,23×1012 82,2 Hiệu ứng kích thước: Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống.
Các tính chất của vật liệu đều có một độ dài đặc trưng.Độ dài đặc trưng của các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm (Bảng 1. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết.Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó.
Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng 11 đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn.
Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng số Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi.
Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử).2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [10]. Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu nano Ag Độ dài đặc Tính chất Thông số trưng (nm) Bước sóng của điện tử 10-100 Điện Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1-100 Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Vách đô men, tương tác trao đổi 10-100 Từ Quãng đường tán xạ spin 1-100 Giới hạn siêu thuận từ 5-100 12 Hố lượng tử (bán kính Bohr) 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Quang Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Hấp thụ Plasmon bề mặt 10-500 Độ dài liên kết cặp Cooper 0.1-100 Siêu dẫn Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Cơ Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0.1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Độ dài Kuhn 1-100 Siêu phân Cấu trúc nhị cấp 1-10 tử Cấu trúc tam cấp 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 1. Ứng dụng của hạt nano Au và nano Ag a. Ứng dụng của hạt nano Au + Ứng dụng kháng khuẩn của vàng nano Thường thì người ta sử dụng kháng sinh để diệt vi khuẩn nhưng nhược điểm của kháng sinh là sử dụng thường xuyên sẽ gây ra hiện tượng kháng thuốc, gây rối loạn hệ tiêu hóa của người và động vật.
Để giải quyết vấn đề đó người ta tăng cường sử dụng các hạt nano kim loại đặc biệt là nano vàng bởi nó có diện tích bề mặt lớn và có khả năng chống oxi hóa bề mặt. Khả năng kháng kháng khuẩn của nano vàng phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng. [11] 13 Năm 2011, Zawrah và cộng sự [12] đã thử nghiệm thành công về khả năng ức chế được sự phát triển của vi khuẩn với đường kính vòng vô khuẩn khoảng 13 mm của vàng nano dạng cầu. + Nano vàng được sử dụng để xác định hàm lượng melamin trong sữa Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định hàm lượng melamin trong thực phẩm như xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzym sắc, ký khí ghép nối khối phổ…Nhược điểm của những phương pháp này tốn thời gian, phức tạp, thiết bị đắt tiền.
Để khắc phục những nhược điểm này, các nhà khoa học đã sử dụng các hạt nano vàng để xác định melamin trong sữa và các sản phẩm từ sữa [13], [14], khi thêm melamin vào vàng nano có thể dùng mắt thường để nhận biết sự thay đổi màu của dung dịch từ đỏ tía sang màu tím (hay xanh tối) + Nano vàng được ứng dụng trong lĩnh vực y học. Trong lĩnh vực y học nano vàng nhờ vào khả năng tương thích sinh học cao và nhờ vào kích thướt gần giống như tế bào mà các hạt nano vàng được dùng để dẫn truyền thuốc, phát quang tạo ảnh sinh học, dùng để cảm biến và lắp vào ADN [15]. Đặc biệt nano vàng còn có một tính chất rất đặc biệt đó là hiệu ứng plasmon bề mặt. Nhờ tính chất này mà nano vàng được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư [16], [17].
Nano vàng còn được ứng dụng trong lĩnh vực làm đẹp như ngăn ngừa quá trình lão hóa, tăng độ hấp thu các chất dinh dưỡng cho da và nhờ có tính kháng khuẩn cao mà nano vàng được ứng dụng để giải độc cho da, làm sạch da [9]. + Một vài ứng dụng khác. Bên cạnh những ứng dụng trên các hạt nano vàng còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác [18], [19], điện hóa [20] … b. Ứng dụng của hạt nano Ag 14 Ứng dụng các hạt nano bạc để khử khuẩn trong đồ dùng gia đình đang được nhiều hãng sản xuất lựa chọn do đảm bảo được sự an toàn về sức khoẻ.
Hiện nay, tính năng khử khuẩn bằng hạt nano bạc đã được ứng dụng vào nhiều loại thiết bị gia dụng như điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, máy giặt, .