Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu Nano: 1.1 Khái niệm về công nghệ, khoa học và vật liệu Nano: Khoa học Nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự tương tác vào vật liệu tại các 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 thông thường. Công nghệ Nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô Nano mét. Vật liệu Nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học Nano và công nghệ Nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau.
Kích thước của vật liệu Nano nằm trong khoảng từ 0,1nm đến 100nm. So sánh các kích thước khác nhau 2 z 1.2 Tính chất của vật liệu Nano: Vật liệu Nano có những tính chất đặc biệt khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên cứu trước đó. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu Nano so với vật liệu khối bằt nguồn từ hai hiện tượng sau đây [3]: Hiệu ứng bề mặt : Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ: xét vật liệu tạo thành từ các vật liệu Nano hình cầu.
Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = ns/n = 4n2/3 = 4r0/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 tỷ số f tăng lên. 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 tỷ số f tăng.
Khi kích thước của vật liệu giảm đến kích thước 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 và f tỷ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bỏ qua.
Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu Nano tương đối dễ dàng. Các giá trị điển hình của hạt Nano hình cầu Đường kính Số nguyên tử Tỷ số nguyên Năng lượng bề Năng lượng bề hạt Nano (nm) tử trên bề mặt mặt (erg/mol) mặt/năng lượng (%) tổng(%) 10 30.23x1012 82,2 3 z Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt Nano hình cầu. Với một hạt Nano có đường kính 5nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4.000 nguyên tử, tỷ số f là 40% năng lượng bề mặt là 8,6x1011 và tỷ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 14,3%. Tuy nhiên, các giá trị vật lý giảm đi một nửa khi kích thước của hạt Nano tăng gấp hai lần lên 10nm.
Khi kích thước nhỏ đi, thì diện tích bề mặt tăng lên rất nhiều lần 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 nhiều hơn so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Chính điều này đã làm nên cái tên “Vật liệu Nano” mà ta thường nghe đến ngày nay.
Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lý 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.
Ví dụ: đối với kim loại, quãng 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 tỷ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. ây giờ kích thước của sợi dây được thu nhỏ cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì tỷ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỷ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn e2/ħ, trong đó e là điện tích 4 z 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 hoá 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).3 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 được dùng.1 Phân loại theo hình dáng của vật liệu: Người ta đặt tên theo số chiều không bị giới hạn ở kích thước Nano của loại vật liệu Vật liệu Nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước Nano), ví dụ đám Nano, hạt Nano.
Vật liệu Nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước Nano, ví dụ dây Nano, ống Nano. Vật liệu Nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước Nano, ví dụ màng mỏng. Ngoài ra còn có vật 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 kích thước Nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.2 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 Vật liệu Nano từ tính Vật liệu Nano sinh học Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để 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 .2 Hạt Nano kim loại Hạt Nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước Nano được tạo thành từ kim loại.
Người ta biết rằng hạt Nano kim loại như hạt Nano vàng, Nano bạc được sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước công nguyên và hiện nay được trưng bày ở bảo tàng Anh. Chiếc cốc đó đổi màu tùy thuộc vào cách người ta nhìn nó. Nó có màu xanh lục khi nhìn ánh sáng phản xạ trên cốc và có màu đỏ khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc và xuyên qua thành cốc.
Các phép phân tích ngày nay cho thấy trong chiếc cốc đó có các hạt Nano vàng và bạc có kích thước 70 nm và với tỉ phần mol là 14:1. Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt Nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt Nano kim loại mới thực sự được bắt đầu. Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu được các tính chất thú vị của hạt Nano. Một trong những tính chất đó là màu sắc của hạt Nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng.
Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt Nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới có hấp phụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học thú vị như trên.1 Tính chất của hạt Nano kim loại Hạt Nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước.
Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt Nano có tính kim loại, nghĩa là có mật độ điện tử tự do lớn. Do vậy tính chất của vật liệu còn có những đặc trưng riêng khác với vật liệu đơn thuần chỉ có hai tính chất trên, hay các vật liệu không có mật độ điện tử tự do hoặc có nhưng thấp trong thành phần cấu trúc của vật liệu.1 Tính chất quang Tính chất quang của các hạt Nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt do điện tử tự do trong hạt Nano hấp phụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng.