Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo nano đồng trong môi trường nước với CTAB và PVP

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo nano đồng trong môi trường nước với hệ chất bảo vệ ctab và pvp, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Nguyễn Xuân Chương
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Phương Phong
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Nano Đồng Trong Nước Với Chất Bảo Vệ CTAB Và PVP
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về kim loại đồng
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của đồng
• 1.3. Tính chất vật lý của đồng
• 1.4. Tính chất điện tử của đồng
• 1.5. Tính chất hóa học của đồng
• 1.6. Vai trò sinh học của đồng
• 1.7. Tổng quan về hạt nano kim loại
• 1.8. Tính chất hạt nano kim loại
• 1.9. Phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại
• 1.10. Tổng quan về nano đồng
• 1.11. Các phương pháp chế tạo hạt nano đồng
• 1.12. Ứng dụng của nano đồng
• 1.13. Tổng quan về chất bảo vệ trong tổng hợp nano đồng
• 1.14. Chất bảo vệ Polyvinylpyrrolidone (PVP)
• 1.15. Chất hoạt động bề mặt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thiết bị và dụng cụ
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Quy trình chế tạo nano đồng
• 2.4. Thuyết minh quy trình
• 2.5. Các thiết bị phân tích
• 2.6. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.7. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chế tạo nano đồng
• 3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp dung dịch nano đồng
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử
• 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ axit ascorbic/Cu2+
• 3.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ Cetyl trimethylammonium bromide (CTAB)/Cu2+
• 3.2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ Cu2+/PVP khi có mặt CTAB
• 3.3. Kết quả XRD
• 3.4. Khảo sát độ ổn định của dung dịch nano đồng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nano đồng

Nghiên cứu chế tạo nano đồng trong nước với chất bảo vệ CTAB và PVP đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học. Nano đồng được biết đến với nhiều tính chất ưu việt như khả năng dẫn điện tốt, tính kháng khuẩn và khả năng kháng nấm. Những tính chất này làm cho nano đồng trở thành một lựa chọn hấp dẫn trong nhiều ứng dụng công nghiệp và y tế. Việc sử dụng CTAB và PVP như chất bảo vệ trong quá trình tổng hợp giúp tăng cường độ ổn định của nano đồng, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Tính chất của nano đồng

Hạt nano đồng có kích thước nhỏ, thường dưới 100 nm, cho phép chúng thể hiện những tính chất khác biệt so với đồng ở dạng khối. Các nghiên cứu cho thấy rằng nano đồng có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh mẽ, đặc biệt là trong vùng quang phổ nhìn thấy. Điều này là do hiện tượng plasmon bề mặt, nơi các electron tự do trong hạt nano đồng dao động dưới tác động của ánh sáng. Sự tương tác này không chỉ làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn tạo ra các hiệu ứng quang học độc đáo, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực quang học và cảm biến.

II. Phương pháp tổng hợp nano đồng

Phương pháp tổng hợp nano đồng trong nước với sự hiện diện của CTAB và PVP được thực hiện thông qua quá trình khử hóa học. Chất khử NaBH4 được sử dụng để tạo ra nano đồng từ ion Cu2+. CTAB và PVP đóng vai trò là chất bảo vệ, giúp ổn định hạt nano đồng trong dung dịch. Quy trình này không chỉ đơn giản mà còn hiệu quả, cho phép tạo ra hạt nano đồng với kích thước đồng đều và độ ổn định cao. Việc điều chỉnh các yếu tố như nồng độ chất khử, nhiệt độ và tỷ lệ các chất bảo vệ là rất quan trọng để đạt được sản phẩm mong muốn.

2.1. Quy trình chế tạo

Quy trình chế tạo nano đồng bao gồm các bước chính: chuẩn bị dung dịch, thêm chất khử, và cuối cùng là thêm chất bảo vệ. Trong quá trình này, nồng độ của CTAB và PVP được điều chỉnh để tối ưu hóa độ ổn định của hạt. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng CTAB giúp tăng cường tính ưa nước của hạt, trong khi PVP cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn trước sự oxy hóa. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tỷ lệ giữa các thành phần này có ảnh hưởng lớn đến kích thước và hình dạng của hạt nano đồng.

III. Ứng dụng của nano đồng

Hạt nano đồng có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như y tế, điện tử và môi trường. Trong y tế, nano đồng được sử dụng như một chất kháng khuẩn hiệu quả, giúp ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và nấm. Trong lĩnh vực điện tử, nano đồng có thể thay thế các vật liệu đắt tiền như bạc trong các ứng dụng in điện tử. Ngoài ra, nano đồng còn được nghiên cứu trong các ứng dụng cảm biến và vật liệu composite, nhờ vào tính chất quang học và điện của nó.

3.1. Ứng dụng trong y tế

Trong y tế, nano đồng đã được chứng minh là có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ. Nghiên cứu cho thấy rằng nano đồng có thể tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn và nấm, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong y tế như băng gạc kháng khuẩn và các thiết bị y tế. Hơn nữa, việc sử dụng nano đồng trong các sản phẩm chăm sóc sức khỏe có thể giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vật liệu nano kim loại đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh mẽ nhờ những tính chất ưu việt vượt trội so với vật liệu khối truyền thống, như tính chất quang học, điện tử, từ tính và hoạt tính xúc tác. Đặc biệt, nano đồng thu hút sự quan tâm lớn do giá thành thấp, khả năng dẫn điện cao và tính kháng khuẩn, kháng nấm hiệu quả. Theo báo cáo của ngành, nano đồng có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện tử in, xúc tác, nông nghiệp và y sinh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo nano đồng trong môi trường nước sử dụng hệ chất bảo vệ gồm Cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) và Polyvinylpyrrolidone (PVP), nhằm tạo ra dung dịch nano đồng ổn định, kích thước hạt đồng đều và khả năng ứng dụng cao. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn năm 2014-2015 tại phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc phát triển quy trình tổng hợp nano đồng thân thiện với môi trường, chi phí thấp, phù hợp với sản xuất quy mô lớn, góp phần thay thế các kim loại quý đắt tiền trong công nghiệp điện tử và các ứng dụng khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu nano kim loại, đặc biệt là nano đồng, bao gồm:

• Hiệu ứng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Đây là hiện tượng dao động tập thể của các electron tự do trên bề mặt hạt nano kim loại khi bị kích thích bởi ánh sáng, tạo ra phổ hấp thụ đặc trưng trong vùng bước sóng 550-600 nm đối với nano đồng. Hiệu ứng này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và môi trường xung quanh hạt nano, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang học và ứng dụng của vật liệu.

• Phương pháp khử hóa học trong tổng hợp nano: Sử dụng tác nhân khử NaBH4 để chuyển ion Cu2+ thành đồng kim loại Cu0 trong dung dịch nước. Hệ chất bảo vệ CTAB và PVP được áp dụng để ổn định hạt nano, ngăn ngừa sự kết tụ và oxy hóa, đồng thời kiểm soát kích thước và phân bố hạt.

• Khái niệm chất bảo vệ nano: PVP là polyme có khả năng tạo phức bền với đồng, bảo vệ bề mặt hạt nano khỏi oxy hóa và kết tụ nhờ nhóm chức nitrogen có điện tử tự do. CTAB là chất hoạt động bề mặt có đầu ưa nước và đuôi kị nước, tạo môi trường phân tán tốt, giúp hạt nano đồng phân bố đều và ổn định trong dung dịch.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu dung dịch nano đồng được tổng hợp trong phòng thí nghiệm theo quy trình khử hóa học trong môi trường nước. Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu với các điều kiện biến đổi như nồng độ chất khử NaBH4 (0,1M đến 0,5M), nhiệt độ phản ứng (30°C đến 80°C), tỷ lệ mol axit ascorbic/Cu2+ (0,5 đến 3,0), tỷ lệ CTAB/Cu2+ (0 đến 2,5) và tỷ lệ Cu2+/PVP (7% đến 11%). Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu đại diện có kích thước hạt nano nhỏ và ổn định nhất dựa trên kết quả phân tích sơ bộ.

Phân tích dữ liệu sử dụng các kỹ thuật hiện đại:

• Phổ UV-Vis: Đo phổ hấp thụ để xác định sự hình thành và kích thước hạt nano đồng qua đỉnh hấp thụ plasmon trong khoảng 550-600 nm.

• Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể, pha và kích thước hạt nano dựa trên các đỉnh đặc trưng của đồng kim loại.

• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát trực tiếp hình thái, kích thước và phân bố hạt nano với độ phân giải đến 0,2 nm.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn tổng hợp mẫu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4: Khi tăng nồng độ NaBH4 từ 0,1M đến 0,5M, kích thước hạt nano đồng giảm từ khoảng 50 nm xuống còn khoảng 10-15 nm, đồng thời cường độ đỉnh hấp thụ plasmon tăng lên 30%, cho thấy sự tạo thành hạt nano đồng đồng đều và ổn định hơn.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng: Nhiệt độ tăng từ 30°C đến 70°C làm kích thước hạt giảm trung bình từ 25 nm xuống 12 nm, với sự dịch chuyển nhẹ của đỉnh hấp thụ UV-Vis về phía bước sóng ngắn hơn (blue shift) khoảng 10 nm, biểu thị hạt nhỏ hơn và phân bố đồng đều hơn.

3. Tỷ lệ axit ascorbic/Cu2+: Tăng tỷ lệ từ 0,5 đến 2,0 làm tăng hiệu quả khử, kích thước hạt giảm từ 30 nm xuống 15 nm, tuy nhiên vượt quá tỷ lệ 2,5 kích thước hạt không giảm thêm mà có xu hướng tăng nhẹ do sự kết tụ.

4. Tỷ lệ CTAB/Cu2+: Sự hiện diện của CTAB với tỷ lệ 1,5 giúp hạt nano đồng phân bố đều, kích thước trung bình khoảng 12 nm, tăng độ ổn định dung dịch lên 40% so với mẫu không có CTAB.

5. Tỷ lệ Cu2+/PVP: Tỷ lệ 9% cho kích thước hạt nano nhỏ nhất khoảng 10 nm, với sự ổn định cao trong dung dịch kéo dài trên 3 tháng, được xác nhận qua phổ UV-Vis và ảnh TEM.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp khử hóa học trong môi trường nước với sự phối hợp của CTAB và PVP là hiệu quả trong việc tổng hợp nano đồng có kích thước nhỏ, phân bố đồng đều và ổn định lâu dài. Việc tăng nồng độ chất khử NaBH4 và nhiệt độ phản ứng thúc đẩy quá trình khử ion Cu2+ nhanh hơn, tạo hạt nhỏ hơn do nucleation mạnh. Tuy nhiên, quá trình này cần kiểm soát để tránh kết tụ hạt do quá trình tăng trưởng quá mức.

Sự phối hợp giữa CTAB và PVP tạo ra hiệu ứng bảo vệ kép: CTAB làm giảm sức căng bề mặt, ngăn ngừa kết tụ, còn PVP tạo phức bền với bề mặt hạt, bảo vệ khỏi oxy hóa. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của chất bảo vệ trong tổng hợp nano kim loại. Các biểu đồ phổ UV-Vis và ảnh TEM minh họa rõ sự thay đổi kích thước và phân bố hạt theo các điều kiện thí nghiệm, giúp trực quan hóa hiệu quả của từng yếu tố.

Kết quả cũng cho thấy dung dịch nano đồng có thể duy trì độ ổn định trên 3 tháng mà không bị kết tụ hay oxy hóa rõ rệt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp mực in điện tử và các lĩnh vực khác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng tỷ lệ chất khử NaBH4 khoảng 0,3-0,5M, nhiệt độ phản ứng 60-70°C, tỷ lệ axit ascorbic/Cu2+ từ 1,5 đến 2,0, tỷ lệ CTAB/Cu2+ khoảng 1,5 và tỷ lệ Cu2+/PVP 9% để đạt kích thước hạt nano đồng nhỏ nhất và ổn định nhất. Thời gian thực hiện quy trình nên duy trì trong khoảng 1-2 giờ để đảm bảo hiệu quả.

2. Mở rộng quy mô sản xuất: Đề xuất áp dụng quy trình trên trong sản xuất quy mô công nghiệp với thiết bị khuấy trộn và gia nhiệt tự động, nhằm đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của sản phẩm nano đồng.

3. Nghiên cứu ứng dụng thực tế: Khuyến nghị phối hợp với các đơn vị sản xuất mực in điện tử để thử nghiệm nano đồng tổng hợp trong mực in, đánh giá hiệu suất dẫn điện, độ bền và khả năng thay thế nano bạc.

4. Phát triển hệ chất bảo vệ mới: Đề xuất nghiên cứu thêm các loại polyme và chất hoạt động bề mặt khác nhằm nâng cao độ ổn định và tính năng đặc biệt của nano đồng, như khả năng kháng khuẩn, kháng nấm trong nông nghiệp.

5. Kiểm soát chất lượng và bảo quản: Xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng sản phẩm nano đồng dựa trên phổ UV-Vis, XRD và TEM định kỳ, đồng thời nghiên cứu các phương pháp bảo quản dung dịch nano đồng trong thời gian dài.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu nano: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc tính của nano đồng, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và mực in điện tử: Tham khảo quy trình tổng hợp nano đồng ổn định, chi phí thấp để ứng dụng trong sản xuất mực in và linh kiện điện tử.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao: Áp dụng nano đồng trong chế tạo thuốc bảo vệ thực vật và phân bón vi lượng, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu tác động môi trường.

4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ nano xanh, thúc đẩy sản xuất vật liệu thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano đồng là gì và có ưu điểm gì so với kim loại khác?
   Nano đồng là các hạt đồng có kích thước trong phạm vi nanomet, có tính chất quang học, điện tử và kháng khuẩn vượt trội. So với vàng hay bạc, đồng có giá thành thấp hơn nhiều, dẫn điện tốt và dễ tổng hợp quy mô lớn.

2. Tại sao sử dụng CTAB và PVP trong tổng hợp nano đồng?
   CTAB là chất hoạt động bề mặt giúp phân tán hạt nano đồng đều trong dung dịch, ngăn ngừa kết tụ. PVP tạo phức bền với bề mặt hạt, bảo vệ khỏi oxy hóa và duy trì kích thước hạt ổn định lâu dài.

3. Phương pháp khử hóa học có ưu điểm gì?
   Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, kiểm soát tốt kích thước hạt qua các thông số như nồng độ chất khử, nhiệt độ và chất bảo vệ. Thích hợp cho sản xuất quy mô lớn với chi phí thấp.

4. Làm thế nào để đánh giá kích thước và độ ổn định của nano đồng?
   Sử dụng phổ UV-Vis để xác định đỉnh hấp thụ plasmon đặc trưng, XRD để xác định cấu trúc tinh thể và TEM để quan sát trực tiếp kích thước, hình thái và phân bố hạt nano.

5. Nano đồng có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Nano đồng được ứng dụng trong mực in điện tử, xúc tác hóa học, thuốc bảo vệ thực vật, phân bón vi lượng và các sản phẩm kháng khuẩn trong y sinh và nông nghiệp.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp nano đồng trong môi trường nước sử dụng hệ chất bảo vệ CTAB và PVP, tạo ra hạt nano đồng kích thước nhỏ (khoảng 10-15 nm) và ổn định lâu dài.
• Các yếu tố như nồng độ chất khử NaBH4, nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ axit ascorbic/Cu2+, CTAB/Cu2+ và Cu2+/PVP ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước và độ ổn định của hạt nano.
• Phương pháp khử hóa học kết hợp chất bảo vệ kép giúp ngăn ngừa oxy hóa và kết tụ, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn với chi phí hợp lý.
• Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng nano đồng trong mực in điện tử, xúc tác và nông nghiệp công nghệ cao.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, phát triển hệ chất bảo vệ mới và ứng dụng thực tế trong các ngành công nghiệp liên quan.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm ứng dụng nano đồng trong mực in điện tử và xây dựng quy trình sản xuất công nghiệp. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để phát triển công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về kim loại đồng 1. Cấu trúc tinh thể  Đồng có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) [38].  Thông số mạng: a: 361,49 pm α: 90,000 b: 361,49 pm β: 90,000 c: 361,49 pm γ: 90,000 1.

Tính chất vật lý của đồng Một số hằng số vật lý của đồng [38]: Tính chất chung  Khối lượng riêng: 8920 kg/m3  Thể tích phân tử: 7,11 cm3/mol  Vận tốc âm thanh: 3570 m/s Tính chất nhiệt  Nhiệt độ nóng chảy: 1084,62oC  Nhiệt độ sôi: 2927oC Tính chất đàn hồi  Mô đun Young: 130 GPa  Mô đun độ cứng: 48 GPa  Mô đun khối: 140 GPa  Tỷ số Poisson: 0,34 Độ cứng  Độ cứng của khoáng: 3,0  Độ cứng Brinell: 874 MN/m2 z 3  Độ cứng Vicker: 369 MN/m2 Tính chất điện  Điện trở suất: 1,72 10-8 Ωm Tính chất quang  Hệ số phản xạ: 90% 1. Tính chất điện tử của đồng - Bán kính nguyên tử: 1,35 Å - Bán kính cộng hoá trị: 1,38 Å - Bán kính Van der Waals: 1,4 Å - Năng lượng ion hóa của kim loại phân nhóm 1B lớn hơn nhiều so với kim loại phân nhóm 1A do chịu ảnh hưởng của sự co d và sự tăng điện tích hạt nhân. Do đó chúng là kim loại kém hoạt động. Đồng trong nhóm 1B nên cũng là kim loại kém hoạt động [5].

- Đồng có 1 electron ở lớp ngoài cùng (4s1), ở lớp thứ hai kề từ ngoài vào có 18 electron. Lớp 18 electron này chưa hoàn toàn bền và ở cách xa nhân do sự xâm nhập của electron 4s, nên có khả năng cho đi số những electron đó. Vì thế, ngoài trạng thái oxy hóa dương +1, đồng còn có số oxy hóa + 2. Số oxy hóa +1 là bền nhất đối với đồng (do cấu hình 3d10) [5].

- Do đặc điểm cấu trúc electron của kim loại phân nhóm 1B có khả năng tạo thành các phần tử có 2 nguyên tử nên Cu2 (Ag2, Au2) có độ bền lớn hơn các phân tử K2, Rb2, Cs2 … Điều đó là do sự tạo thành kiên kết  giữa các cặp electron (n-1)d của nguyên tử này và obitan p trống của nguyên tử kia [5]. Tính chất hóa học của kim loại đồng  Đồng là kim loại kém hoạt động [5].  Ở nhiệt độ thường và trong không khí, đồng bị bao phủ một màng màu đỏ gồm đồng kim loại và đồng (I) oxít. Oxít này đã tạo nên bởi những phản ứng [5]: 2Cu + O2 + 2H2O → 2Cu(OH)2 (1.1) z 4 Cu(OH)2 + Cu → Cu2O + H2O (1.2)  Nếu trong không khí có mặt khí CO2, đồng bị bao phủ dần bởi một lớp màu lục gồm cacbonat bazơ Cu(OH)2CO3 (rỉ đồng này thường gọi là tanh đồng).

Khi đun nóng trong không khí ở nhiệt độ 130oC, đồng tạo nên ở trên bề mặt màng Cu2O, ở 200oC tạo nên lớp gồm hỗn hợp oxít Cu2O và CuO và ở nhiệt độ nóng đỏ, đồng cháy tạo nên CuO và cho ngọn lửa màu lục [5].  Ở nhiệt độ thường, đồng không tác dụng với flo bởi vì màng CuF2 tạo nên rất bền sẽ bảo vệ đồng.  Đồng tan trong các dung dịch xyanua kim loại kiềm khi có mặt oxy.  Đồng tan dễ dàng trong HNO3 và H2SO4 đặc nóng.

Không tan trong H2SO4 loãng. Ngày nay trong ngành chế tạo hạt nano kim loại, các nhà khoa học đang có xu hướng nghiên cứu hệ chất bảo vệ giúp cho hệ nano đồng tạo ra bền với môi trường và có tính ổn định, không bị oxy hóa. Vai trò sinh học của kim loại đồng Đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao. Đồng được tìm thấy trong một số loại enzym, bao gồm nhân đồng của cytochrom C oxidas, enzym chứa Cu-Zn superoxid dismutas và nó là kim loại trung tâm của chất chuyên chở oxy hemocyanin.

Máu của cua móng ngựa (cua vua) Limulus polyphemus sử dụng đồng thay vì sắt để chuyên chở oxy [29]. Theo tiêu chuẩn RDA của Mỹ về đồng đối với người lớn khỏe mạnh là 0,9 mg/ngày [28]. Đồng được vận chuyển chủ yếu trong máu bởi protein trong huyết tương gọi là ceruloplasmin. Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới gan bằng liên kết với albumin [30].

Một bệnh gọi là bệnh Wilson sinh ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà không tiết ra bởi gan vào trong mật. Căn bệnh này, nếu không được điều trị có thể dẫn tới các tổn thương não và gan [31]. z 5 Các nghiên cứu cũng cho thấy một số người mắc bệnh về thần kinh như bệnh schizophrenia có nồng độ đồng cao hơn trong cơ thể. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa rõ mối liên quan của đồng với bệnh này như thế nào (là do cơ thể cố gắng tích lũy đồng để chống lại bệnh hay nồng độ cao của đồng là do căn bệnh này gây ra) [30].

Tổng quan về hạt nano kim loại 1. Tính chất hạt nano kim loại Những tính chất của hạt nano xuất hiện là do hệ quả của hiệu ứng cầm tù lượng tử và sự cân xứng cao của bề mặt các nguyên tử - những điều này phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt nano. Sự điều chỉnh kích thước của hạt nano có thể dẫn tới những thay đổi về tính chất của các hạt, đây là nguyên nhân và chủ đề của nhiều nghiên cứu. Khác với vật liệu khối, hạt nano có khả năng thay đổi những tính chất như điện, từ và quang học theo đường kính hạt.

Sự xuất hiện những hiệu ứng này bởi những mức năng lượng không giống nhau của các hạt nhỏ trong vật liệu khối, nhưng riêng rẽ, bởi hiệu ứng giam cầm điện tử. Những tính chất vật lý của hạt nano vì thế được xác định bởi kích thước của các hạt [13]. Plasmon bề mặt Các hạt nano kim loại có thể có phổ hấp thụ với đỉnh hấp thụ giống với của các hạt nano bán dẫn. Tuy nhiên, sự hấp thụ này không bắt nguồn từ sự chuyển tiếp các trạng thái năng lượng điện tử, thay vào đó hạt ở nano kim loại là phương thức tập hợp của các di chuyển đám mây điện tử bị kích thích.

Dưới tác động của điện trường, có sự kích thích plasmon các electron tại bề mặt các hạt. Sự cộng hưởng này xảy ra tại tần số của ánh sáng tới và kết quả là sự hấp thụ quang học. Hiện tượng này gọi là bề mặt plasmon (surfae plasmon) hay hấp thụ cộng hưởng plasma (plasma resonance absorption), vùng bề mặt plasmon (localized surface plasmons). Khi kích thước hạt giảm, các electron tự do bắt đầu tương tác với ranh giới của các hạt.

Khi các hạt nano kim loại bị tác động bởi ánh sáng, điện trường của ánh sáng tới gây ra sự dao động mạnh của các điện tử tự do (các electron dẫn). Đối với các hạt nano có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng của ánh sáng, sự hấp thụ xảy ra trong phạm vị bước sóng hẹp, dải plasmon [13]. z 6 Độ rộng, vị trí, và cường độ của sự tương tác plasmon biểu lộ bởi hạt nano phụ thuộc: - Hằng số điện môi của kim loại và vật liệu nền. - Kích thước và hình dạng hạt.

- Sự tương tác giữa các hạt và chất nền. - Sự phân bố của các hạt trong chất nền. Sự dao động plasmon của các hạt hình cầu dưới tác động của điện trường ánh sáng [13] Do ảnh hưởng của các yếu tố trên, nên một số tính chất mong muốn của vật liệu có thể được điều khiển. Các kim loại khác nhau sẽ có sự tương tác tương ứng vì thế màu sắc sẽ khác nhau.

Sự triệt tiêu của ánh sáng bởi hạt nano kim loại xảy ra theo cả cơ chế phân tán và hấp thụ, nhưng cơ chế hấp thụ xảy ra rõ hơn nhiều với hạt có kích thước nhỏ hơn 20nm. Các hạt nano thường được biết đến với sự tạo hỗn hợp với thủy tinh hay cao su, thể hiện ra như màu đỏ của vàng hay màu vàng của bạc. Ngày nay, hầu hết việc nghiên cứu và sử dụng đều tập trung vào nano vàng và nano bạc. Bởi chúng thể hiện rõ ràng nhất hiệu ứng Plasmon và cả hai cùng có phổ hấp thụ trong vùng nhìn thấy.

Tăng kích thước hạt hay tăng hằng số điện môi của dung dịch, nguyên nhân của dịch chuyển đỏ (red shift) của sự hấp thụ plasmon [13]. Vị trí của đỉnh hấp thụ trong chấm lượng tử được dịch chuyển khá rõ khi chỉ thay đổi một thông số đường kính ở phạm vi nano. Đối với hạt nano kim loại sự dịch chuyển vị trí của các đỉnh là rất nhỏ với các hạt kích thước bé (<25nm trường hợp vàng). Đối với hạt lớn hơn (>25nm trường hợp vàng) sự dịch chuyển đỏ của vị trí cộng hưởng plasmon là đáng kể hơn [13].

Quang học và lượng tử Vật liệu nano tương tác với ánh sáng khác so với vật liệu khối. Những vật liệu với sự sắp xếp trong phạm vi kích cỡ nano thì giá trị đường kính sẽ tương đương hay nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Nếu vật liệu có đường kính gần với bước sóng ánh sáng, và được bao bọc bởi chất nền với chỉ số khúc xạ khác nhau, khi đó ánh sáng với bước sóng thích hợp sẽ bị phân tán (scatter). Nguyên nhân của hiệu ứng này là lớp dầu mỏng bị kéo căng qua bề mặt của nước hình thành các mầu sắc khác nhau.

Hiệu ứng này được sử dụng trong vật liệu quang học như tinh thể photon (photonic crystals), mà được thiết kế với các pha có các chỉ số khúc xạ khác nhau, đường kính đặc trưng, cấu trúc như mong đợi để tạo ra sản phẩm mong muốn tương tác với ánh sáng [13]. Trong trường hợp vật liệu có sự phân chia các pha nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng ánh sáng, hiệu ứng này không xảy ra. Thay vào đó hai pha thể hiện như một vật liệu riêng biệt có liên quan tới sự truyền ánh sáng. Vì thế, những vật liệu trong suốt được thêm vào những hạt nano vẫn có thể trong suốt với ánh sáng cho dù hạt nano được hình thành từ những vật liệu mờ đục hay phản chiếu.

Các compozit, vật liệu trong suốt, hạt vô cơ,… ở kích thước micro thường là mờ đục. Ánh sáng khuyếch tán là nguyên nhân gây mờ đục, bị triệt tiêu bởi những vật liệu với chỉ số khúc xạ phù hợp hay sự giảm đường kính của chất độn ở kích thước nhỏ hơn 50nm. Theo đó các nanocompozit khi được thêm vào các hạt nano có thể hoạt động như là vật liệu đồng nhất với các tính chất thay đổi. Thay vì phân tán ánh sáng, sự kết hợp các chỉ số khúc xạ của các hạt nano và vật liệu nền được tạo ra.