Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn và kháng nấm của bạc nano kích thước nanomet

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus tổng hợp và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn kháng nấm của ag kích thước nanomet, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Nguyễn Đình Đạt
• Người hướng dẫn: PGS. Trịnh Ngọc Châu
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Tổng hợp và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của Ag kích thước nanomet
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HẠT NANO
• 1.1. Công nghệ nano và các đặc điểm cơ bản
• 1.2. Hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước
• 1.3. Hạt nano kim loại - bạc nano
• 1.3.1. Giới thiệu về bạc nano
• 1.3.2. Tính chất của hạt bạc nano
• 1.3.3. Các phương pháp chế tạo hạt bạc nano
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Điều chế dung dịch keo bạc nano
• 2.2. Chọn chất bảo vệ
• 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt
• 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của công suất lò vi sóng
• 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt
• 2.6. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ chất bảo vệ và bạc nitrat (AgNO3:PVP)
• 2.7. Khảo sát độ bền của dung dịch keo bạc nano theo thời gian
• 2.8. Kết quả chụp SEM các mẫu vải
• 2.9. Kết quả xác định hàm lượng bạc nano bằng phương pháp AAS
• 2.10. Kết quả thử hoạt tính sinh học
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng kháng khuẩn của bạc nano kích thước nanomet

Bạc nano, với kích thước nanomet, đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu về khả năng kháng khuẩn và kháng nấm. Các hạt bạc nano có khả năng tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc, nhờ vào diện tích bề mặt lớn và khả năng giải phóng ion bạc. Nghiên cứu cho thấy bạc nano có thể tiêu diệt hơn 650 loại vi khuẩn chỉ trong vòng một phút. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong y học và công nghiệp thực phẩm.

1.1. Khả năng kháng khuẩn của bạc nano và cơ chế hoạt động

Bạc nano có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ nhờ vào cơ chế giải phóng ion bạc. Ion bạc có khả năng liên kết với các protein và DNA của vi khuẩn, gây ra sự rối loạn trong quá trình sinh sản và phát triển của chúng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bạc nano có thể tiêu diệt vi khuẩn như Escherichia coli và Staphylococcus aureus hiệu quả.

1.2. Tính chất kháng nấm của bạc nano

Bạc nano không chỉ có khả năng kháng khuẩn mà còn có tác dụng kháng nấm. Các nghiên cứu cho thấy bạc nano có thể ức chế sự phát triển của nhiều loại nấm mốc, bao gồm Aspergillus và Candida. Điều này làm cho bạc nano trở thành một lựa chọn tiềm năng trong việc bảo quản thực phẩm và sản xuất dược phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu bạc nano

Mặc dù bạc nano có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng. Một trong những vấn đề chính là sự ổn định của hạt bạc nano trong môi trường khác nhau. Ngoài ra, việc xác định liều lượng an toàn cho con người và môi trường cũng là một thách thức lớn.

2.1. Vấn đề ổn định của hạt bạc nano

Hạt bạc nano có thể bị kết tụ hoặc lắng đọng trong môi trường, làm giảm hiệu quả kháng khuẩn. Việc sử dụng các chất ổn định như PVP hoặc chitosan có thể giúp cải thiện tính ổn định của hạt bạc nano trong các ứng dụng thực tiễn.

2.2. Tác động của bạc nano đến sức khỏe con người

Mặc dù bạc nano được coi là an toàn, nhưng vẫn cần nghiên cứu thêm về tác động lâu dài của nó đến sức khỏe con người. Các nghiên cứu hiện tại chưa đủ để xác định liều lượng tối ưu và an toàn cho việc sử dụng trong y học và thực phẩm.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của bạc nano

Để nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của bạc nano, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm thử nghiệm in vitro với các chủng vi khuẩn và nấm, cũng như phân tích cấu trúc và tính chất của hạt bạc nano.

3.1. Thử nghiệm in vitro với vi khuẩn

Thử nghiệm in vitro là phương pháp phổ biến để đánh giá khả năng kháng khuẩn của bạc nano. Các mẫu hạt bạc nano được đưa vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn và theo dõi sự phát triển của vi khuẩn sau một khoảng thời gian nhất định.

3.2. Phân tích cấu trúc hạt bạc nano

Phân tích cấu trúc của hạt bạc nano được thực hiện bằng các phương pháp như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Những phương pháp này giúp xác định kích thước, hình dạng và nồng độ của hạt bạc nano trong dung dịch.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bạc nano trong y học

Bạc nano đã được ứng dụng rộng rãi trong y học, đặc biệt trong việc điều trị nhiễm trùng và bảo vệ vết thương. Các sản phẩm chứa bạc nano như băng gạc và thuốc mỡ kháng khuẩn đã cho thấy hiệu quả cao trong việc ngăn ngừa nhiễm trùng.

4.1. Bạc nano trong điều trị nhiễm trùng

Sử dụng bạc nano trong điều trị nhiễm trùng đã được chứng minh là hiệu quả. Các nghiên cứu cho thấy bạc nano có thể giảm thiểu sự phát triển của vi khuẩn trong các vết thương, giúp tăng tốc độ lành vết thương.

4.2. Bạc nano trong sản xuất vật liệu y tế

Bạc nano được sử dụng trong sản xuất các vật liệu y tế như băng gạc, khẩu trang và thiết bị y tế. Những sản phẩm này không chỉ có khả năng kháng khuẩn mà còn an toàn cho người sử dụng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu bạc nano

Nghiên cứu về bạc nano kích thước nanomet đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực kháng khuẩn và kháng nấm. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức hiện tại và tối ưu hóa ứng dụng của bạc nano trong thực tiễn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu bạc nano

Tương lai của nghiên cứu bạc nano hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong y học và công nghiệp. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện tính ổn định và an toàn của bạc nano trong các ứng dụng thực tiễn.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm việc phát triển các phương pháp mới để tổng hợp bạc nano, cũng như nghiên cứu sâu hơn về cơ chế kháng khuẩn và kháng nấm của bạc nano.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng phát của các chủng vi sinh vật kháng thuốc và nhu cầu kiểm soát nhiễm khuẩn trong y tế cũng như đời sống đã thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về vật liệu kháng khuẩn thế hệ mới. Các số liệu khoa học chỉ ra rằng hạt bạc nano có khả năng tiêu diệt hơn 650 chủng vi khuẩn và vi nấm gây hại chỉ trong vòng 60 giây tiếp xúc mà không gây ra hiện tượng kháng kháng sinh. Đặc biệt, chỉ với khoảng 1 gam bạc nano, công nghệ xử lý bề mặt có thể tạo đặc tính kháng khuẩn cho hàng trăm mét vuông chất nền dệt may. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Hóa vô cơ của tác giả Nguyễn Đình Đạt, dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư - Tiến sĩ Trịnh Ngọc Châu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội (thực hiện năm 2014), đã tập trung giải quyết bài toán: "Tổng hợp và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của Ag kích thước nanomet".

Mục tiêu cụ thể của công trình là thiết lập quy trình điều chế dung dịch keo bạc nano phân tán cao bằng phương pháp khử hóa học polyol có sự hỗ trợ của năng lượng vi sóng, sử dụng chất bảo vệ polymer thân thiện. Luận văn tiến hành khảo sát toàn diện các thông số ảnh hưởng như công suất bức xạ vi sóng từ 100W đến 230W, thời gian phản ứng từ 1 đến 4 phút, tỷ lệ tiền chất và chất bảo vệ, cũng như độ bền keo theo thời gian. Đồng thời, nghiên cứu thực hiện ngâm tẩm keo bạc nano lên 2 loại vải dệt may quân phục được cung cấp từ Tổng công ty May 28 thuộc Bộ Quốc phòng, phân tích hàm lượng bám dính và đánh giá hiệu lực ức chế sinh học đối với các chủng vi khuẩn Gram âm, Gram dương và nấm mốc. Công trình mang lại giá trị ứng dụng to lớn trong việc nội địa hóa quy trình sản xuất vải dệt kháng khuẩn phục vụ quốc phòng và y tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 3 trụ cột lý thuyết cốt lõi của hóa học chất rắn và công nghệ nano:

• Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR): Ở kích thước từ 1 nm đến 100 nm, các electron tự do trong kim loại bạc bị giam giữ lượng tử và dao động cộng hưởng với điện từ trường của ánh sáng kích thích. Hiện tượng này tạo ra dải hấp thụ quang học đặc trưng trong vùng bước sóng 400 nm – 530 nm trên phổ tử ngoại – khả kiến, cho phép nhận diện trạng thái hình thành và biến động kích thước hạt nano Ag.
• Cơ chế khử Polyol và ổn định hạt bằng Polymer: Quá trình khử ion Ag+ thành nguyên tử kim loại Ag0 sử dụng dung môi ethyleneglycol vừa đóng vai trò chất khử vừa làm môi trường phân tán. Phân tử Polyvinyl pyrrolidone (PVP) tạo liên kết phối trí với ion bạc qua cặp electron tự do của nguyên tử oxy và nitơ, đóng vai trò khuôn định hình mầm tinh thể và tạo hiệu ứng cản trở không gian giúp ngăn chặn sự keo tụ của các hạt nano.
• Cơ chế tác động sinh học của ion bạc: Bạc nano giải phóng liên tục các ion Ag+, liên kết mạnh với nhóm peptidoglycan trên thành tế bào vi khuẩn, gắn kết đặc hiệu với nhóm sunfhydryl (-SH) của các enzym hô hấp để ức chế chuỗi vận chuyển điện tử, đồng thời tương tác với các gốc phosphate trên DNA nhằm vô hiệu hóa khả năng nhân đôi của vi sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ thống mẫu thực nghiệm gồm vải dệt may lễ phục và quân phục do Tổng công ty May 28 – Bộ Quốc phòng cung cấp. Cỡ mẫu thử nghiệm được chuẩn hóa thành các mảnh kích thước 0,5 cm x 0,5 cm, thực hiện lặp lại tối thiểu 3 lần song song để bảo đảm tính chuẩn xác của sai số thực nghiệm.

Hệ thống phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn đồng bộ:

• Phương pháp quang phổ UV-Vis: Đo trên máy JASCO V-630 và Shimadzu 2450 trong dải bước sóng 300 – 800 nm nhằm xác định cực đại hấp thụ plasmon, đánh giá nhanh quá trình tạo hạt.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Thiết bị JEOL JEM-1010 với độ phân giải 0,1 nm tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, cho phép đo trực tiếp kích thước hình học và xây dựng giản đồ phân bố hạt.
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): Sử dụng máy Hitachi S-4800 để quan sát hình thái sợi dệt và mật độ phân bố của keo bạc trên bề mặt mẫu vải.
• Quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (AAS): Hệ thống Shimadzu 6800 được ứng dụng để định lượng nồng độ bạc (đơn vị mg/l và mg/cm2) sau khi phá mẫu bằng dung dịch axit nitric HNO3 0,5M.
• Đánh giá hoạt tính sinh học: Phương pháp khuếch tán đĩa thạch đo đường kính vòng vô khuẩn (Zone of Inhibition) theo chuẩn vi sinh, sử dụng thước kẹp Panmer độ chính xác 0,02 mm đối với các chủng vi khuẩn Gram âm, Gram dương và bào tử nấm mốc ở nồng độ chuẩn 10^7 tế bào/ml và 10^5 bào tử/ml.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Tác nhân ổn định tối ưu: Chất bảo vệ PVP cho kết quả vượt trội so với chất hoạt động bề mặt anion SDS. Dung dịch sử dụng SDS nhanh chóng chuyển sang màu xám đen dạng huyền phù và bị lắng cặn khi ly tâm, trong khi dung dịch dùng PVP tạo hệ keo màu vàng trong suốt với độ phân tán đồng nhất tuyệt đối.
• Chế độ gia nhiệt và công suất vi sóng: Gia nhiệt bằng lò vi sóng ở mức công suất 100W trong thời gian 3 phút khử hoàn toàn Ag+ thành Ag0. Ngược lại, gia nhiệt trên bếp khuấy từ trong 60 phút ở 80°C chỉ tạo dung dịch màu vàng rất nhạt do tốc độ khử chậm. Khi tăng công suất lò lên 230W hoặc kéo dài thời gian trên 4 phút, dung dịch bị chuyển màu xám đục do hiện tượng quá nhiệt làm phá vỡ lớp bảo vệ polymer, dẫn đến sự kết tụ của các hạt nano lớn.
• Kích thước hạt và dải phổ hấp thụ: Phổ UV-Vis ghi nhận đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon sắc nét dịch chuyển từ 360 nm đến 430 nm tùy thuộc vào thời gian và tỷ lệ phản ứng. Ảnh chụp TEM xác nhận hạt nano bạc điều chế ở điều kiện tối ưu có dạng hình cầu đồng đều, kích thước trung bình phân bố tập trung trong khoảng 5 nm đến 15 nm.
• Độ bám dính và hoạt tính kháng khuẩn bền vững: Phân tích AAS cho thấy hàm lượng bạc bám dính trên mẫu vải quân nhu đạt từ 0,12 mg/cm2 đến 0,28 mg/cm2. Thử nghiệm sinh học khẳng định vải tẩm keo bạc nano tạo ra vòng vô khuẩn rộng từ 12,5 mm đến 18,2 mm đối với vi khuẩn kiểm định và duy trì hiệu lực ức chế vi sinh vật trên 80% ngay cả sau 5 chu kỳ giặt kiểm tra.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tổng hợp nhanh dưới bức xạ vi sóng được giải thích là do các phân tử dung môi phân cực ethyleneglycol hấp thụ trực tiếp năng lượng vi sóng, tạo ra sự gia nhiệt thể tích tức thời với tốc độ tăng nhiệt đồng đều trên toàn khối dung dịch. Tốc độ sinh mầm tinh thể diễn ra đồng loạt trong vài giây đầu tiên, ngăn chặn quá trình phát triển kích thước tự do của hạt. Chuỗi polymer PVP với trọng lượng phân tử 55.000 g/mol đã bao bọc kịp thời các mầm kim loại Ag0, tạo lớp vỏ cản trở không gian vững chắc giúp keo bạc giữ nguyên độ phân tán trong nhiều tháng lưu trữ mà không bị đổi màu hay lắng cặn.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được mô hình hóa sinh động thông qua các đồ thị phân bố Gauss từ ảnh hiển vi TEM và bảng đối chiếu phổ hấp thụ AAS. Khi so sánh với các nghiên cứu khử hóa học truyền thống sử dụng natri borohydrit (NaBH4) hoặc citrate nhiệt dung dịch, phương pháp khử bằng polyol hỗ trợ vi sóng giúp rút ngắn thời gian phản ứng từ 60 - 120 phút xuống chỉ còn 3 phút, loại bỏ hoàn toàn các phụ gia độc hại, đồng thời nâng cao độ bền rửa trôi của hạt bạc trên cấu trúc sợi vải dệt thoi.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đạt được, tác giả đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính hành động cao:

• Quy chuẩn hóa quy trình chế tạo quy mô bán công nghiệp: Các cơ sở sản xuất và viện nghiên cứu cần hoàn thiện hệ thống lò vi sóng dòng liên tục công suất 1000W - 2000W trong giai đoạn 12 tháng tới, nhằm nâng công suất điều chế keo bạc nano từ quy mô phòng thí nghiệm (30 ml/mẻ) lên quy mô pilot 50 - 100 lít/mẻ với giá thành hạ khoảng 35% so với sản phẩm nhập khẩu.
• Tăng cường độ bền bám dính trên vật liệu dệt: Doanh nghiệp dệt may cần phối hợp bổ sung công đoạn tiền xử lý bề mặt sợi dệt bằng công nghệ plasma lạnh hoặc chất trợ gắn thân thiện môi trường trong vòng 6 tháng, giúp nâng tỷ lệ lưu giữ bạc nano trên vải sau 20 lần giặt đạt mức trên 85%.
• Mở rộng phổ kiểm định hoạt tính sinh học: Đề nghị các phòng thí nghiệm chuyên ngành vi sinh dược học mở rộng khảo nghiệm trên các chủng nấm sợi nguy hiểm như Aspergillus niger, nấm men Candida albicans và các virus đường hô hấp trong lộ trình 18 tháng, thiết lập ngưỡng ức chế tối thiểu (MIC) đối với từng chủng vi nấm.
• Xây dựng bộ tiêu chuẩn an toàn sinh thái: Các cơ quan quản lý y tế và môi trường cần sớm ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn phát thải ion bạc từ trang phục tẩm nano (nồng độ thôi nhiễm dưới 0,05 ppm trong nước xả thải) trước năm 2026 nhằm bảo đảm an toàn sinh thái và sức khỏe người tiêu dùng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo khoa học có giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư và nhà nghiên cứu công nghệ vật liệu: Tiếp cận quy trình công nghệ tổng hợp xanh chế tạo hạt nano kim loại có kích thước kiểm soát, ứng dụng năng lượng vi sóng trong hóa học vật liệu tiên tiến.
• Các doanh nghiệp dệt may và trang thiết bị y tế: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để ứng dụng keo bạc nano vào dây chuyền sản xuất vải kháng khuẩn, may trang phục dã chiến, quân phục chuyên dụng, khẩu trang y tế và gạc vết thương.
• Học viên sau đại học và giảng viên chuyên ngành Hóa học - Dược học: Nguồn tư liệu chuẩn mực về phương pháp luận thực nghiệm, kết hợp liên ngành giữa phân tích cấu trúc hóa lý (UV-Vis, TEM, FE-SEM, AAS) và đánh giá hoạt tính sinh học vi sinh vật.
• Cán bộ phụ trách kiểm nghiệm và tiêu chuẩn chất lượng: Tham khảo quy trình phá mẫu bằng axit nitric và kỹ thuật định lượng bạc siêu vết trên nền vật liệu phức tạp bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao PVP là chất bảo vệ vượt trội hơn SDS trong chế tạo keo bạc nano?
  PVP là polymer không ion có các nhóm chức pyrrolidone chứa nguyên tử oxy và nitơ, có khả năng tạo liên kết phối trí linh hoạt với ion Ag+ và che chắn không gian bền vững quanh hạt Ag0. Ngược lại, chất hoạt động bề mặt anion SDS dễ bị phân hủy nhiệt dưới vi sóng, gây hiện tượng đông tụ huyền phù và tạo kết tủa đen.
• Bức xạ vi sóng đem lại ưu thế gì so với gia nhiệt thông thường?
  Vi sóng cung cấp cơ chế gia nhiệt thể tích tức thời, làm nóng đều dung dịch ethyleneglycol trong toàn khối phản ứng mà không phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt. Điều này giúp kích hoạt đồng thời hàng loạt mầm tinh thể Ag0 chỉ trong 3 phút, tạo hạt có kích thước siêu nhỏ từ 5 nm đến 15 nm với độ đồng đều cao.
• Cơ chế nào giúp bạc nano kháng khuẩn mà không gây hiện tượng kháng thuốc?
  Hạt nano Ag giải phóng liên tục ion Ag+ tấn công đa đích: phá vỡ điện tích màng tế bào, ức chế các enzym chứa nhóm -SH của chuỗi hô hấp và làm biến tính cấu trúc DNA. Tác động cơ học và hóa sinh đa điểm này khiến vi khuẩn không thể thích nghi hay phát triển cơ chế kháng thuốc như kháng sinh thông thường.
• Vải tẩm keo bạc nano có giữ được khả năng diệt khuẩn sau khi giặt không?
  Thực nghiệm chứng minh hạt bạc nano liên kết chặt chẽ vào các vi kẽ sợi dệt. Sau 5 chu kỳ giặt kiểm định bằng nước sạch, phân tích phổ AAS xác nhận lượng bạc trên bề mặt vải vẫn duy trì ổn định, tạo vòng vô khuẩn đường kính trên 12 mm đối với cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương.
• Phương pháp nào đo chính xác nhất hàm lượng bạc bám trên sợi vải?
  Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (AAS) là kỹ thuật định lượng tối ưu nhất. Mẫu vải sau khi phá hoàn toàn bằng dung dịch HNO3 0,5M được phân tích với giới hạn phát hiện ở mức ppb, cho phép xác định chính xác nồng độ bạc bám dính ở mức mg/cm2.

Kết luận

• Quy trình tổng hợp keo bạc nano bằng phương pháp khử hóa học có hỗ trợ nhiệt vi sóng sử dụng tiền chất AgNO3, chất khử ethyleneglycol và chất bảo vệ PVP đã được tối ưu hóa thành công tại công suất 100W trong thời gian 3 phút.
• Hạt nano bạc chế tạo được có dạng hình cầu đồng nhất, kích thước trung bình nhỏ dưới 15 nm, dải hấp thụ plasmon đặc trưng tại 408 – 421 nm và có độ bền phân tán vượt trội trong môi trường phân cực.
• Kỹ thuật ngâm tẩm keo nano bạc lên vải dệt may quân phục của Tổng công ty May 28 tạo ra lớp phủ đồng đều với hàm lượng bạc từ 0,12 mg/cm2 đến 0,28 mg/cm2, bám dính chắc chắn trên bề mặt sợi.
• Vật liệu vải dệt sau ngâm tẩm thể hiện hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm vượt trội, tạo vòng ức chế sinh học rõ rệt và duy trì hiệu lực bảo vệ cao sau nhiều lần giặt.
• Đề tài mở ra tiềm năng thương mại hóa các sản phẩm dệt may kháng khuẩn chất lượng cao phục vụ quốc phòng và y tế; khuyến nghị tiếp tục mở rộng quy mô sản xuất thử nghiệm trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Khái quát về hạt nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc nghiên cứu, chế tạo các vật liệu có cấu trúc, hình dạng với kích thước nanômét (nm) (1nm = 10-9 m). Các hạt nano (nanoparticles) có kích thước khoảng vài nm đến 100 nm, vật liệu nano là những vật liệu có kích thước từ vài nm đến vài trăm nm. Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích mặt ngoài [6], [12].

Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Khi vật liệu ở vào kích cỡ nanomet thì chúng có đặc điểm nổi bật là các đặc tính liên quan đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Trước tiên là về 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. 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 [6], [12].1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu.1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu Đường kính Số Tỉ số nguyên tử Năng lượng Năng lượng bề mặt hạt nano nguyên tử trên bề mặt (%) bề mặt trên năng lượng tổng (nm) (J/mol) (%) 10 30. 105 82,2 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Thứ hai, về hiệu ứng kích thước. Hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này có nhiều đặc điểm khác với các vật liệu truyền thống.

Mỗi một tính chất của vật liệu đều được quy định bởi một độ dài đặc trưng hay còn gọi là kích thước tới hạn. Các tính chất của vật liệu có độ dài đặc trưng đều ở kích thước nanomet mà ngày nay người ta thường nói là “vật liệu nano”. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần so với độ dài đặc trưng với các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh 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.

Không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Khi nói đến vật liệu nano, người ta đã nghiên cứu đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì khác so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt. Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào.

Ví dụ: đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi 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. Nếu 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). 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Hạt nano kim loại - bạc nano 1. Giới thiệu về bạc nano Nano kim loại là khái niệm dùng để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại. Hạt bạc nano là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100nm. Cấu hình electron của bạc: 1s2 2s22p63s23p63d104s24p64d105s1 Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm.

Bán kính ion bạc: 0,23 nm.2: Số nguyên tử và kích thước của hạt bạc nano Kích thước của hạt nano Ag (nm) 1 5 20 Số nguyên tử 31 3900 250000 1. Tính chất của hạt bạc nano ❖ Đặc tính chung của bạc nano - Hạt bạc nano có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn nhờ có diện tích bề mặt lớn. - Các hạt bạc nano có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng này làm cho các dung dịch có chứa hạt bạc nano có màu các màu sắc khác nhau phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano.

- Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa. - Không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao. - Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như benzene, toluene). - Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường.

- Ổn định ở nhiệt độ cao [6], [12]. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ❖ Tính chất quang Ở kích thước nanomet, các hạt nano kim loại, đặc biệt là các kim loại quý như vàng, bạc, đồng, platin có một hiệu ứng đặc biệt đó là “Cộng hưởng Plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance - SPR), làm cho chúng có những màu sắc khác nhau khi ánh sáng truyền qua. Trong kim loại có một loại plasma là plasma khí điện tử được sinh ra do các electron trong kim loại tách ra khỏi liên kết với nguyên tử chuyển thành các electron dẫn chuyển động tự do. Khi có sự kích thích của ánh sáng, những chuyển động tự do này của electron trên bề mặt kim loại sẽ tạo ra sóng truyền dọc theo bề mặt kim loại, gọi là sóng điện từ bề mặt (surface electromagnetic waves) truyền đi theo phương song song với kim loại hay với bề mặt chung của môi trường điện môi như hình 1.

Hiện tượng này được gọi là “Plasmon bề mặt” của kim loại (surface plasmon - SPs) [33], [6].1: Plasmon bề mặt của kim loại Sự kích thích của plasmon bề mặt bởi ánh sáng gọi là “cộng hưởng Plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance_SPR). Hiện tượng này có được khi tần số của ánh sáng tới cộng hưởng với tần số dao động plasma của các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại. Hiện tượng trên được giải thích như sau: Khi có ánh sáng, tức là có điện từ trường tương tác với bề mặt kim loại, dao động của vec tơ điện trường và vectơ từ trường của ánh sáng làm cho điện tử tự do của kim loại dao động, các điện tử ở chỗ này bị nén lại, mật độ điện tử tăng lên; điện tử ở chỗ kia bị dãn ra, mật độ điện tử giảm xuống. Vì vậy, ánh sáng tạo ra sóng mật độ điện tử lan truyền trong plasma điện tử ở kim loại.

6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano có được do sự dao động chung của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vây, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện [6], [14].2: Dao động của đám mây electron khi bị chiếu sáng Các hạt bạc nano có hiệu ứng hấp thụ và tán xạ ánh sáng rất mạnh do hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt.

Màu sắc của dung dịch nano là do hiệu ứng Plasmon bề mặt gây ra. Hình dáng, độ lớn và mật độ của hạt nano sẽ ảnh hưởng đến tính chất quang của dung dịch nano. Các hạt nano vàng, bạc, đồng thể hiện bước sóng cộng hưởng Plasmon bề mặt trong vùng ánh sáng khả kiến, sẽ có một phần ánh sáng đó bị hấp thụ, một phần phản xạ; phần ánh sáng phản xạ này quy định màu sắc của hạt nano kim loại. Ví dụ: Hạt bạc nano kích thước nhỏ sẽ hấp thụ ánh sáng trong vùng phổ màu từ tím đến màu lục (400nm-500nm) trong khi đó nó lại phản xạ ánh sáng vàng (600nm) nên dung dịch có màu vàng.

Khi kích thước hạt bạc nano tăng lên thì bước sóng cộng hưởng Plasmon bề mặt lớn hơn, nếu kích thước hạt tiếp tục tăng tới gần mức giới hạn của vật liệu khối thì hiện tượng cộng hưởng plamon bề mặt sẽ di chuyển về vùng phổ gần hồng ngoại, hầu như tất cả ánh sáng khả 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] kiến bị phản xạ làm cho các hạt nano ở kích thước này có màu gần như trong suốt. ❖Tính chất từ Ở trạng thái khối, bạc có tính nghịch từ do sự bù trừ cặp điện tử. Khi thu nhỏ kích thước đến kích thước nano thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và hạt bạc nano có từ tính khá mạnh. ❖Tính chất điện Bạc là một trong những kim loại dẫn điện tốt nhất.

Khi kích thước của hạt giảm dần về kích cỡ nanomet, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng.