phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn gồm 3 chƣơng nhƣ sau: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO 1. Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano a. Khái niệm:[1] Thuật ngữ “công nghệ nano” đƣợc biết đến từ những năm 70 của thế kỉ XX.
Chữ nano đƣợc gắn vào trƣớc các đơn vị đo để tạo ra các đơn vị ƣớc giảm đi 1 tỷ lần (10-9). Ví dụ: nano gam = 10-9 g; nano mét = 10-9 m. Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nano mét.1: So sánh kích thƣớc của một số vật Micromet µm = 10-3m Nanomet nm = 10-9m Độ dài sợi tóc 80 – 200 80.000 Ánh sáng thấy đƣợc 400 – 750 Virus đậu mùa 0,2-0,3 200 – 300 Đƣờng kính AND 2 1 nguyên tử 0,1 Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: Cơ sở khoa học nano Phƣơng pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet Chế tạo vật liệu nano Ứng dụng vật liệu nano b. Nguồn gốc:[2] Cha đẻ của công nghệ nano chính là Richard Feynman.
Năm 1959, Feynman có bài phát biểu nổi tiếng “ There is a plenty room at the bottom” (còn những khoảng trống ở cấp vĩ mô). Trong đó, ông cho biết quan điểm về khả năng nghiên cứu và thao tác ở cấp 3 độ nguyên tử. Với tầm nhìn tƣơng lai rằng chúng ta có thể chế tạo, sắp xếp cấu trúc nguyên tử để tạo nên những vật liệu mới và những cấu trúc siêu nhỏ. Mặc dù là ngƣời đề xƣớng ra lý thuyết công nghệ nano, nhƣng vào lúc đó Feynman vẫn chƣa thể tiến hành nghiên cứu và ứng dụng nó vào thực tế.
Đến năm 1974, thuật ngữ “công nghệ nano” đƣợc giáo sƣ Norio Taniguchi của Đại học Khoa học Tokyo định nghĩa và sử dụng để đề cập đến khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử, mặc dù nó vẫn chƣa đƣợc biết đến rộng rãi. Từ đó, dựa trên tiền đề về công nghệ nano của Feynman, định nghĩa về công nghệ nano đƣợc tiến sĩ K. Eric Drexler khai thác sâu hơn trong cuốn sách “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” (1986) và cuốn “Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacring, and Computation”. Từ đây, thuật ngữ công nghê nano bắt đầu trở nên phổ biển, hàng loạt phát minh đã ra đời, phục vụ đắc lực cho cuộc sống.
Cơ sở khoa học của công nghệ nano[2][11] Công nghệ nano chủ yếu dựa trên ba cơ sở khoa học sau: Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lƣợng tử đƣợc trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhƣng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lƣợng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lƣợng tử có thể đƣợc coi nhƣ một đại nguyên tử, nó có các mức năng lƣợng giống nhƣ một nguyên tử. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thƣớc nm (nanomet), các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử.
Chính vì vậy, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thƣớc nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thƣớc. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thƣớc này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Ngƣời ta 4 gọi đó là kích thƣớc tới hạn của các tính chất của vật liệu.
Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thƣớc vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thƣớc của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại mà thƣờng có giá trị từ vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thƣớc nano sẽ tuân theo các quy tắc lƣợng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thƣớc nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó đƣợc nghiên cứu.
Các tính chất khác nhau nhƣ tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà ngƣời ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.2: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu Lĩnh vực Tính chất Độ dài giới hạn (nm) Bƣớc sóng điện từ 10-100 Quãng đƣờng tự do trung bình không đàn 1-100 Tính chất điện hồi Hiệu ứng đƣờng ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Tính chất từ Quãng đƣờng ngầm 1-100 Hố lƣợng tử 1-100 Tính chất quang Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Copper 0,1-100 Tính siêu dẫn Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tƣơng tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Tính chất cơ Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 5 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Độ dài Kuhn 1-100 Siêu phân tử Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 1. Ứng dụng của vật liệu nano[2] Trong ngành công nghiệp điện tử hiện nay, những bộ vi xử lý đƣợc làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên trị thƣờng, một số sản phẩm nhƣ chuột, bàn phím cũng đƣợc phủ một lớp nano kháng khuẩn. Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công nghệ năng lƣợng nhƣ việc chế tạo pin nano trong tƣơng lai có thể có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều lần và lƣu trữ đƣợc nhiều điện năng hơn.
Bên cạnh đó, công nghệ nano còn ứng dụng trong may mặc với ý tƣởng quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi nhờ áp dụng nano bạc. Một ứng dụng khác của công nghệ nano có thể biến các nguồn năng lƣợng nhƣ gió, năng lƣợng mặt trời và với công nghệ nano có thể biến chiếc áo có thể sạc điện cho chiếc điện thoại thông minh, đây thực sự là ý tƣởng đang trong quá trình thử nghiệm này chắc hẳn sẽ là bƣớc đánh dấu bƣớc phát triển to lớn của công nghệ nano. Công nghệ nano còn giúp lƣu trữ, bảo quản thức ăn tốt hơn nhờ việc tạo các vật liệu thực phẩm có khả năng diệt khuẩn. Không chỉ dừng ở những ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano hiện nay, cho thấy việc phát triển ứng dụng nano trong tƣơng lai đem lại nhiều lợi ích trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, đồng thời nhận định ứng dụng công nghệ nano là vô hạn.
Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano[2][11] Phƣơng pháp từ trên xuống Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thƣớc nano. Đây là các phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền nhƣng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá lớn (ứng dụng làm 6 vật liệu kết cấu). Trong phƣơng pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh).
Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu đƣợc là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phƣơng pháp biến dạng đƣợc sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không làm phá hủy vật liệu, nhiệt độ có thể đƣợc điều chỉnh tùy theo từng trƣờng hợp cụ thể, nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì đƣợc gọi là biến dạng nóng, còn ngƣợc lại thì đƣợc gọi biến dạng nguội. Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm).
Ngoài ra, hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp quang khắc để tạo các cấu trúc nano.[17] Phƣơng pháp từ dƣới lên Nguyên lý: vật liệu nano đƣợc hình thành từ các nguyên tử hoặc ion. Phƣơng pháp từ dƣới lên đƣợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của sản phẩm cuối cùng. Hiện nay, đa phần các vật liệu nano đều đƣợc chế tạo từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên bao gồm: phƣơng pháp vật lí, phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp kết hợp, phƣơng pháp vi sinh và phƣơng pháp vi nhũ.[16] Phƣơng pháp vật lý: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha.
Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng pháp vật lý: bốc bay nhiệt ( đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phƣơng pháp chuyển pha: vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình- tinh thể (kết tinh) ( phƣơng pháp nguội nhanh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính. Phƣơng pháp hóa học: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion.
Phƣơng pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà ngƣời ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol-gel,…) và từ pha khí (nhiệt phân,…). Phƣơng pháp này có thể 7 tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,… Phƣơng pháp kết hợp: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí,… Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano,bột nano,… Phƣơng pháp sinh học: là phƣơng pháp sử dụng các vi sinh vật nhƣ nấm, vi khuẩn, vi rút có khả năng khử để khử ion về dạng kim loại. Dƣới tác dụng của những tác nhân này, ion sẽ chuyển thành hạt nano.
HẠT NANO VÀNG 1. Giới thiệu về kim loại vàng[5] a.