Nghiên cứu xây dựng hệ phát plasma để chế tạo vật liệu nano

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích hay nghiên cứu xây dựng một hệ phát plasma để chế tạo vật liệu nano, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Vũ Thị Thủy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hảo
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Phát Plasma Chế Tạo Vật Liệu Nano
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan về vật lý plasma
• 0.2. Các ứng dụng cơ bản của plasma
• 0.3. Tổng hợp các vật liệu nano bằng phương pháp thông thường
• 0.4. Tổng hợp vật liệu nano bằng plasma
• 0.5. Tổng hợp vật liệu nano bằng microplasma
• 0.6. Các hệ microplasma cho việc tổng hợp vật liệu nano
• 0.6.1. Phóng điện micro điện cực rỗng
• 0.6.2. Microplasma jet với điện cực ngoài
• 0.6.3. Microplasma jet với các điện cực tiêu thụ
• 0.6.4. Hệ microplasma – chất lỏng
• 0.7. Tổng quan về hạt nano bạc
• 0.8. Tổng quan về hạt nano carbon
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Chế tạo nguồn cao áp cho phát microplasma
• 2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 2.3. Hệ microplasma cho việc chế tạo các hạt nano
• 2.4. Quy trình chế tạo mẫu
• 2.5. Các dụng cụ và hóa chất sử dụng
• 2.6. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.7. Chế tạo nano bạc (AgNPs) bằng microplasma
• 2.8. Chế tạo nano carbon (C-dots) bằng microplasma
• 2.9. Phương pháp xác định các đặc trưng điện và quang của hệ microplasma
• 2.9.1. Xác định các đặc trưng điện
• 2.9.2. Xác định các đặc trưng quang
• 2.10. Phương pháp khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất quang của vật liệu nano chế tạo được
• 2.10.1. Quang phổ hấp thụ UV-Vis
• 2.10.2. Phương pháp phổ huỳnh quang
• 2.10.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.10.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả xây dựng hệ microplasma cho chế tạo vật liệu nano
• 3.2. Đặc trưng điện thế của hệ microplasma
• 3.3. Các đặc trưng quang phổ của hệ microplasma
• 3.4. Kết quả chế tạo hạt nano bạc bằng hệ microplasma
• 3.4.1. Phổ nhiễu xạ tia X
• 3.4.2. Quang phổ hấp thụ UV-Vis
• 3.4.3. Hình thái học của vật liệu AgNPs
• 3.5. Kết quả chế tạo hạt nano carbon bằng hệ microplasma
• 3.5.1. Quang phổ hấp thụ UV-Vis
• 3.5.2. Phổ huỳnh quang của C-dot
• 3.5.3. Hình thái học của vật liệu C-dots
• 3.6. Kết quả chế tạo nanocomposit giữa C-dots và nano bạc
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ phát plasma chế tạo vật liệu nano

Nghiên cứu về hệ phát plasma để chế tạo vật liệu nano đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Plasma, được coi là trạng thái thứ tư của vật chất, có khả năng tạo ra các hạt nano với kích thước và tính chất độc đáo. Việc ứng dụng công nghệ plasma trong chế tạo vật liệu nano không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano.

1.1. Plasma và vai trò trong chế tạo vật liệu nano

Plasma là một hỗn hợp khí ion hóa, có khả năng tạo ra các hạt nano với tính chất đặc biệt. Các nghiên cứu cho thấy plasma có thể được sử dụng để tổng hợp các loại vật liệu nano khác nhau như bạc, carbon và oxit kim loại.

1.2. Lịch sử và phát triển của công nghệ plasma

Công nghệ plasma đã được phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20 và đã có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, điện tử và vật liệu. Sự phát triển của công nghệ này đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong chế tạo vật liệu nano.

II. Thách thức trong nghiên cứu hệ phát plasma chế tạo vật liệu nano

Mặc dù công nghệ plasma mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc nghiên cứu và phát triển hệ phát plasma. Các vấn đề như chi phí thiết bị, độ ổn định của plasma và khả năng kiểm soát quy trình chế tạo là những yếu tố cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả của công nghệ này.

2.1. Chi phí và thiết bị trong nghiên cứu plasma

Việc chế tạo và duy trì các thiết bị phát plasma đòi hỏi chi phí đầu tư lớn. Điều này có thể hạn chế khả năng tiếp cận công nghệ cho nhiều nhóm nghiên cứu, đặc biệt là ở các nước đang phát triển.

2.2. Độ ổn định và kiểm soát quy trình plasma

Độ ổn định của plasma trong quá trình chế tạo vật liệu nano là một thách thức lớn. Cần có các phương pháp kiểm soát quy trình để đảm bảo chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm cuối cùng.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu nano bằng hệ phát plasma

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu nano bằng hệ phát plasma. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra các hạt nano với kích thước và hình dạng mong muốn mà còn cải thiện tính chất của vật liệu. Một số phương pháp phổ biến bao gồm phóng điện microplasma và tương tác plasma-dung dịch.

3.1. Phương pháp phóng điện microplasma

Phương pháp phóng điện microplasma cho phép tạo ra các hạt nano với kích thước nhỏ và tính chất đồng nhất. Quá trình này diễn ra trong môi trường khí trơ, giúp giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn.

3.2. Tương tác plasma dung dịch

Tương tác giữa plasma và dung dịch là một phương pháp hiệu quả để chế tạo các hạt nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện phản ứng và cải thiện tính chất của vật liệu nano.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano chế tạo từ plasma

Các vật liệu nano chế tạo từ hệ phát plasma đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ y tế đến công nghệ thông tin, vật liệu nano mang lại nhiều lợi ích vượt trội nhờ vào tính chất độc đáo của chúng.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Vật liệu nano được sử dụng trong y tế để phát triển các phương pháp điều trị mới, bao gồm việc sử dụng hạt nano trong liệu pháp hóa trị và kháng khuẩn. Chúng có khả năng cải thiện hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ thông tin

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, vật liệu nano được sử dụng để phát triển các linh kiện điện tử nhỏ gọn và hiệu quả hơn. Chúng giúp cải thiện hiệu suất và giảm kích thước của các thiết bị điện tử.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hệ phát plasma

Nghiên cứu về hệ phát plasma để chế tạo vật liệu nano đang mở ra nhiều cơ hội mới trong khoa học và công nghệ. Với những tiến bộ trong công nghệ và nghiên cứu, tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tiềm năng phát triển của công nghệ plasma

Công nghệ plasma có tiềm năng lớn trong việc phát triển các vật liệu nano mới với tính chất vượt trội. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục được đẩy mạnh trong tương lai.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện hiệu quả của hệ phát plasma và mở rộng ứng dụng của vật liệu nano trong các lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến công nghệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vật liệu nano, việc ứng dụng plasma để tổng hợp các hạt nano đã trở thành một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng. Theo ước tính, tổng số tiền tài trợ cho nghiên cứu công nghệ nano đã vượt quá 100 tỷ đô la vào năm 2015 và dự kiến sẽ tiếp tục tăng mạnh trong những năm tới. Vật liệu nano, với kích thước nhỏ bé và diện tích bề mặt lớn, thể hiện các tính chất điện, quang và xúc tác độc đáo, mở ra nhiều ứng dụng trong cảm biến, y sinh, lưu trữ năng lượng và điện tử. Tuy nhiên, các phương pháp tổng hợp truyền thống như vật lý, hóa học hay sinh học đều có những hạn chế về chi phí, độ tinh khiết và khả năng kiểm soát kích thước hạt.

Luận văn này tập trung nghiên cứu xây dựng một hệ phát microplasma hoạt động ở áp suất khí quyển sử dụng khí Argon/không khí nhằm chế tạo vật liệu nano, đặc biệt là hạt nano bạc (AgNPs) và nano carbon (C-dots). Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2019, với mục tiêu phát triển thiết bị plasma có khả năng tạo ra các hạt nano chất lượng cao, kích thước nhỏ và phân bố đồng đều. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển công nghệ chế tạo vật liệu nano mới mà còn góp phần thúc đẩy ứng dụng plasma trong công nghiệp và y học, đồng thời giảm thiểu chi phí và tác động môi trường so với các phương pháp truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết vật lý plasma và công nghệ microplasma, trong đó plasma được xem là trạng thái thứ tư của vật chất, bao gồm các hạt tích điện như electron, ion và các phân tử kích thích. Hai lý thuyết nền tảng là:

• Lý thuyết plasma phi nhiệt: Mô tả plasma có electron năng lượng cao nhưng nhiệt độ khí nền thấp, cho phép các phản ứng hóa học diễn ra hiệu quả mà không làm hỏng các tiền chất nhạy nhiệt.
• Lý thuyết microplasma: Đề cập đến plasma bị giới hạn trong kích thước dưới 1 mm, với đặc tính phân bố điện trường và mật độ gốc tự do cao, giúp tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ và phân bố hẹp.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR): Hiện tượng dao động đồng pha của electron tự do trên bề mặt hạt nano kim loại, ảnh hưởng đến tính chất quang học của hạt.
• Phương pháp plasma-chất lỏng: Tổng hợp vật liệu nano thông qua tương tác plasma với dung dịch tiền chất, bao gồm hai loại tiếp xúc gián tiếp và trực tiếp.
• Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang: Các kỹ thuật quang phổ dùng để xác định đặc trưng quang học và kích thước hạt nano.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Dùng để khảo sát cấu trúc tinh thể và hình thái học của vật liệu nano.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả thực nghiệm được thu thập tại phòng thí nghiệm Vật lý & Công nghệ, Đại học Thái Nguyên. Cỡ mẫu gồm các dung dịch tiền chất AgNO3 1 mM và dung dịch chứa các hợp chất carbon để tổng hợp AgNPs và C-dots. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các nồng độ và thời gian xử lý phù hợp để tối ưu hóa kích thước và chất lượng hạt nano.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Đo đặc trưng điện thế và dòng điện của hệ microplasma bằng đầu dò điện áp cao và dao động ký số.
• Phân tích phổ phát xạ plasma bằng máy quang phổ sợi quang AvaSpec với độ phân giải dưới 1 nm.
• Xác định đặc trưng quang học của vật liệu nano bằng phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang.
• Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).
• Quan sát hình thái và kích thước hạt nano bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm giai đoạn thiết kế và chế tạo hệ phát microplasma, thực hiện các thí nghiệm tổng hợp hạt nano, và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công hệ microplasma với nguồn cao áp một chiều đạt điện áp khoảng 4,8 kV và dòng điện ~18 mA, tạo ra plasma ổn định ở khoảng cách điện cực 2 mm. Chu kỳ hoạt động tương ứng với tần số nguồn điện 50 Hz.

2. Phổ phát xạ plasma được đo trong vùng bước sóng từ 200 đến 1000 nm, bao phủ vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại. Các vạch phát xạ đặc trưng của khí Argon được xác định rõ ràng, chứng tỏ plasma có mật độ gốc tự do cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp vật liệu nano.

3. Chế tạo hạt nano bạc (AgNPs) từ dung dịch AgNO3 1 mM trong 10 phút cho thấy phổ hấp thụ UV-Vis có đỉnh đặc trưng ở vùng 400-450 nm, phù hợp với hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Hình ảnh TEM cho thấy hạt nano có kích thước trung bình khoảng 10-20 nm, phân bố đồng đều.

4. Chế tạo hạt nano carbon (C-dots) từ dung dịch chứa C12H22O11 và NaOH trong 25 phút, phổ huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích thích, đặc trưng cho các chấm carbon. Kích thước hạt nano carbon quan sát bằng TEM dao động trong khoảng 2-5 nm, nhỏ hơn so với hạt bạc.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy hệ microplasma phát triển có khả năng tạo ra plasma ổn định với đặc trưng điện và quang phù hợp để tổng hợp vật liệu nano. Việc sử dụng khí Argon giúp duy trì plasma ở áp suất khí quyển với mật độ gốc tự do cao, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng khử tiền chất trong dung dịch.

So với các nghiên cứu trước đây, kích thước hạt nano bạc và carbon thu được có phân bố hẹp hơn, nhờ vào thời gian lưu trú ngắn và mật độ gốc tự do cao trong microplasma. Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang xác nhận tính chất quang học đặc trưng của các hạt nano, đồng thời hình ảnh TEM minh họa rõ ràng kích thước và hình thái học.

Các biểu đồ điện áp-dòng điện và phổ phát xạ có thể được trình bày dưới dạng đồ thị đường cong và phổ phổ để minh họa sự ổn định và đặc trưng của plasma. Bảng so sánh kích thước hạt nano và thời gian tổng hợp cũng giúp làm rõ hiệu quả của hệ microplasma.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thông số vận hành như điện áp, dòng điện và khoảng cách điện cực để nâng cao hiệu suất tạo hạt nano, giảm kích thước và phân bố kích thước hạt đồng đều hơn. Thời gian thực hiện đề xuất trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên đảm nhiệm.

2. Mở rộng nghiên cứu tổng hợp các loại vật liệu nano khác như oxit kim loại, hợp kim và vật liệu composite bằng hệ microplasma hiện có, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và ứng dụng. Thời gian thực hiện dự kiến 1 năm.

3. Phát triển hệ thống thu nhận và xử lý sản phẩm tự động để tăng khả năng sản xuất liên tục và quy mô công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm kim loại từ điện cực. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu và doanh nghiệp công nghệ cao.

4. Nghiên cứu sâu về cơ chế tương tác plasma-chất lỏng để hiểu rõ hơn quá trình tạo hạt nano, từ đó cải tiến thiết kế hệ thống và điều chỉnh các tham số phản ứng. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu chuyên sâu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý và Công nghệ vật liệu: Nắm bắt kiến thức về plasma và ứng dụng trong tổng hợp vật liệu nano, áp dụng vào các đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Doanh nghiệp công nghệ cao và sản xuất vật liệu nano: Áp dụng công nghệ microplasma để phát triển sản phẩm mới, nâng cao chất lượng và giảm chi phí sản xuất.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực y sinh và cảm biến sinh học: Khai thác các hạt nano bạc và carbon có tính chất quang học đặc biệt để phát triển thiết bị chẩn đoán và điều trị.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Đánh giá tiềm năng và định hướng đầu tư phát triển công nghệ plasma trong nghiên cứu và sản xuất vật liệu nano tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Microplasma là gì và tại sao nó được ưu tiên trong tổng hợp vật liệu nano?
   Microplasma là plasma bị giới hạn trong kích thước dưới 1 mm, hoạt động ở áp suất khí quyển với mật độ gốc tự do cao. Nó cho phép tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ, phân bố hẹp và quy trình đơn giản, tiết kiệm năng lượng so với plasma truyền thống.

2. Hệ microplasma trong nghiên cứu này sử dụng nguồn điện như thế nào?
   Hệ sử dụng nguồn cao áp một chiều với điện áp khoảng 4,8 kV và dòng điện ~18 mA, tạo plasma ổn định ở khoảng cách điện cực 2 mm, phù hợp cho tổng hợp hạt nano bạc và carbon.

3. Làm thế nào để xác định kích thước và tính chất của hạt nano được tạo ra?
   Kích thước và hình thái học được xác định bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), trong khi tính chất quang học được khảo sát qua phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) giúp xác định cấu trúc tinh thể.

4. Ưu điểm của phương pháp plasma-chất lỏng so với các phương pháp truyền thống là gì?
   Phương pháp plasma-chất lỏng cho phép tổng hợp vật liệu nano trong điều kiện nhiệt độ thấp, không cần chất ổn định hay chất khử hóa học, tạo ra sản phẩm tinh khiết, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm và chi phí thiết bị.

5. Có thể ứng dụng các hạt nano bạc và carbon này trong lĩnh vực nào?
   Hạt nano bạc có ứng dụng trong y học, cảm biến sinh học, xúc tác và tăng cường tán xạ Raman bề mặt. Hạt nano carbon (C-dots) được dùng trong chuyển đổi năng lượng, phân phối thuốc, hiện ảnh sinh học và thiết bị chẩn đoán.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công hệ phát microplasma hoạt động ổn định ở áp suất khí quyển với điện áp ~4,8 kV và dòng điện ~18 mA.
• Chế tạo thành công hạt nano bạc và nano carbon với kích thước nhỏ, phân bố đồng đều, được xác nhận qua phổ UV-Vis, phổ huỳnh quang và hình ảnh TEM.
• Hệ microplasma cho thấy ưu điểm vượt trội về hiệu quả, chi phí và khả năng kiểm soát kích thước hạt so với các phương pháp truyền thống.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ microplasma trong tổng hợp các vật liệu nano đa dạng hơn và phát triển quy mô công nghiệp.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm, đầu tư phát triển công nghệ plasma để thúc đẩy ngành vật liệu nano tại Việt Nam.

Tiếp tục tối ưu hóa hệ thống, mở rộng nghiên cứu ứng dụng và hợp tác với các đối tác công nghiệp để thương mại hóa công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 3 CHƢƠNG 1. Tổng quan về vật lý plasma 1. Plasma là gì? Cơ sở của ngành vật lý plasma có công đóng góp rất lớn của hai nhà vật lý Stark và Langmuir. Năm 1902, nhà Vật lý học người Đức Jonhannes Stark đã cho ra đời cuốn sách lý thuyết vật lý đầu tiên đầy đủ nhất về khí tích điện (Die Elektrizitaet in Gasen) và nhờ đó ông được nhận giải Nobel vật lý năm 1919 [10].

Sau đó đến năm 1923, nhà bác học Irving Langmuir (1881-1957) khám phá ra “dao động Plasma” trong chất khí bị ion hóa và đến năm 1928 ông là người đầu tiên chính thức đưa ra thuật ngữ “Plasma” cho ngành Vật lý [11]. Jonhannes Stark Hình 1. Irving Langmuir Trong trạng thái plasma đa số phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân. Các electron không còn liên kết chặt chẽ với hạt nhân nữa nên chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân.

Plasma không phải là vật chất phổ biến trên Trái đất nhưng các nghiên cứu cho thấy 99% vật chất đã phát hiện trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma. Plasma được coi là trạng thái đầu tiên của vật chất trong vũ trụ [11]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất Khi cung cấp năng lượng cho một chất rắn, sự chuyển động của những nguyên tử hoặc phân tử tăng lên làm vật chất chuyển sang trạng thái lỏng, sau đó thành trạng thái khí.

Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cao hơn nữa thì quá trình va chạm giữa các hạt trong vật chất trở nên đủ mạnh khiến các hạt vỡ thành từng phần tạo thành các hạt mang điện tích là các electron và ion. Trạng thái này được gọi là plasma hay “trạng thái thứ tư” của vật chất, ba trạng thái trước đó lần lượt là rắn, lỏng và khí. Plasma xét trên toàn thể là hệ trung tính về điện tích vì trong tổng thể khối plasma có số lượng cân bằng nhau giữa điện tích âm và điện tích dương. Một đặc trưng đáng kể đến đầu tiên của plasma là các hạt tích điện và có năng lượng cao.

Do đó môi trường plasma có thể phát ra ánh sáng từ bức xạ hồng ngoại với bước sóng vài trăm micromet tới bước sóng ngắn nằm trong vùng tử ngoại. Plasma ở nhiệt độ cao thậm chí còn có thể bức xạ một số bức xạ bước sóng ngắn hơn cả tia tử ngoại [11]. Các ứng dụng cơ bản của plasma Plasma sinh ra một cách tự nhiên nhưng cũng có thể tạo ra được trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp nhờ hệ thống thiết bị máy móc hiện đại, tạo cơ hội cho việc ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tổng hợp nhiệt hạch, điện tử, laser, đèn huỳnh quang, chữa bệnh hoặc trong phẫu thuật cắt mô bệnh và nhiều ứng dụng khác. Rất nhiều các bộ phận của thiết bị điện tử hiện đại ngày nay được sản xuất dựa trên công nghệ plasma.

Nói chung, plasma có ba đặc tính quan trọng để đưa vào ứng dụng: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 (i) Nhiệt độ và mật độ năng lượng của một vài thành phần hạt trong plasma có thể vượt quá khả năng của công nghệ tạo nhiệt thông thường. Nhiệt độ của plasma có thể dễ dàng vượt qua mức 10.000 K nên trong một số lĩnh vực sản xuất công nghiệp đòi hỏi môi trường nhiệt độ cao duy trì liên tục thì plasma là lựa chọn có thể nghĩ đến đầu tiên [11]. Ví dụ, làm gốm tan chảy cần cung cấp cho lớp bề mặt gốm nhiệt độ trên 3000 K, không có lựa chọn nào hợp lý hơn sử dụng nhiệt tạo ra từ plasma. Trong lĩnh vực y học, plasma với nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn có thể dễ dàng đốt cháy và cắt các mô bệnh mà không làm chảy máu.

Trong thực tế hiện nay ứng dụng đặc tính nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn là phổ biến trong công nghệ, nghiên cứu khoa học và y học. (ii) Bên trong plasma có các phần tử hoạt chất (electron, các ion dương và âm, các nguyên tử và gốc tự do, các nguyên tử và phân tử bị kích thích, cũng như các photon có dải quang phổ rộng) với mật độ lớn và nồng độ cao. Mật độ lớn và nồng độ cao các hoạt chất là vô cùng cần thiết cho các ứng dụng plasma đóng vai trò nguồn để sinh ra tia lửa điện và đốt cháy, sinh ra ozon để làm chất ô xi hóa [11]. Trong y tế, việc tạo ra nồng độ cao các chất có thể hữu ích cho việc khử trùng các bề mặt mô sống, không khí và nước [3].

(iii) Trạng thái của môi trường plasma có thể khác xa so với trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Do đó, nó có thể cho phép một nồng độ rất cao các thành phần hoạt chất có trong plasma mà vẫn duy trì nhiệt độ cỡ nhiệt độ phòng. Đặc tính này là riêng biệt của plasma. Đặc tính này được sử dụng trong các ngành công nghiệp vi điện tử và bán dẫn.

Đa số các linh kiện của máy tính, điện thoại di động, tivi, đèn ánh sáng lạnh được sản xuất dựa trên công nghệ plasma lạnh. Đặc tính này của plasma cũng được ứng dụng trong việc xử lý bề mặt polyme. Trong y học, plasma tạo ra môi trường hoạt chất hóa học nồng độ rất cao khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng có thể hữu ích cho việc điều trị đông máu không nhiệt, điều trị những thành phần và tính chất của máu; khử khuẩn da và LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 các mô sống khác; chữa lành vết thương; điều trị những bệnh mà trước đây điều trị không có hiệu quả bằng các phương pháp thông thường [11-13]. Ba đặc tính trên đã mở rộng phạm vi và số lượng các lĩnh vực, các ngành có thể ứng dụng plasma.

Trong thực tế hiện nay ứng dụng của plasma vẫn đang tiếp tục được phát triển sang các ngành sản xuất khác và tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y học. Tổng hợp các vật liệu nano bằng phƣơng pháp thông thƣờng Vật liệu nano (nano-materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số nhân. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 và tăng lên hơn 100 tỷ đô la vào năm 2015 (Hình 1.4) và theo dự đoán sẽ vượt lên 125 tỷ đô la vào năm 2025 [14].

Vậy thì tại sao vật liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Hình 1. Tổng số tiền tài trợ cho nghiên cứu công nghệ nano tính tới năm 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu.

Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này. Do kích thước thấp và diện tích bề mặt lớn, vật liệu nano thể hiện các tính chất độc đáo so với vật liệu khối, khiến chúng trở nên linh hoạt và hấp dẫn cho các ứng dụng bao gồm xúc tác cảm biến, phân phối thuốc, hiện ảnh sinh học, lưu trữ dữ liệu hay năng lượng và y sinh [15, 16]. Trong vài thập kỷ qua, đã có nhiều nỗ lực cho việc chế tạo vật liệu nano với kích thước, hình dạng và cấu trúc có thể điều khiển được, nhằm mục đích để tìm hiểu làm thế nào các tham số đó ảnh hưởng đến tính chất của hạt nano, và cuối cùng, để điều chỉnh chúng cho các ứng dụng cụ thể. Mặt khác, các nghiên cứu sâu rộng như vậy cũng dẫn đến một loạt các phương pháp mới hoặc đã được thiết lập tốt để tổng hợp vật liệu nano.

Nhìn chung, chúng có thể được chia thành ba loại: + Loại thứ nhất, bao gồm các phương pháp vật lý như bay hơi /ngưng tụ, phún xạ, tán nghiền và ăn mòn laser. + Loại thứ hai, bao gồm các phương pháp hóa học như keo tụ, sol-gel, vi nhũ tương và thủy nhiệt. + Loại thứ ba, là tổng hợp vật liệu nano nhờ phương pháp khử sinh học, giống như khử nhờ vi sinh vật, phương pháp tổng hợp xanh nhờ dịch chiết từ cây cối. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận vật lý luôn thực hiện các quy trình tiêu tốn thời gian /năng lượng và phản ứng cần thực hiện trong môi trường khí trơ, đòi hỏi thiết bị và chi phí vận hành đáng kể.

Ngược lại, phương pháp hóa học tương đối đơn giản, hoạt động ở nhiệt độ thấp và dễ dàng được kiểm soát. Sản phẩm chất lượng tốt có thể thu được khi nguyên liệu ban đầu được chọn đúng và quy trình được kiểm soát tốt. Một vấn đề không thể tránh khỏi là việc đưa vào hoặc tạo ra các sản phẩm phụ (ví dụ: chất hoạt động bề mặt, chất khử và chất ổn định) đòi hỏi các bước tinh chế tiếp theo sau quá trình tổng hợp. Trong một số trường hợp, các phương pháp xử lý sau như nung hoặc ủ được yêu cầu để cải thiện sản phẩm tinh thể.

Hơn nữa, phần lớn các kỹ thuật hóa học hiện nay là các quy trình xử lý theo quy mô phòng thí nghiệm, trong khi việc nâng cao sản xuất công nghiệp với chất lượng sản phẩm giữ lại thể hiện nhiệm vụ rất khó khăn [17]. Về tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp khử sinh học, do quá trình phức tạp và thời gian phản ứng dài khó kiểm soát và điều chỉnh các thuộc tính của sản phẩm. Trong khi đó, các sản phẩm thu được có độ đồng đều thấp, vì nguồn gốc của thực vật / vi sinh vật là độc lập và có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của hạt nano.