CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Công nghệ nano 1. Giới thiệu về công nghệ nano Vật liệu nano và các công nghệ về hạt nano hiện nay được đẩy mạnh trong các nghiên cứu khoa học và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Việc ứng dụng công nghệ nano vào công nghiệp đòi hỏi rất cao về tính hiệu quả mà các sản phẩm này đem lại cũng như đảm bảo về độc tính, độc tính sinh thái mà các sản phẩm có thể ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe của con người (Gaffet, 2011) 1.
Định nghĩa về hạt nano Có rất nhiều định nghĩa về nano được các tổ chức trên thế giới đưa ra nhằm phân biệt vật liệu nano và hạt nano: 1 do an Bảng 1. Định nghĩa của hạt nano và vật liệu nano của các tổ chức (Horikoshi & Serpone, 2013) Hạt nano Vật liệu nano ISO Là hạt có kích thước đường kính từ - 1–100nm ASTM Là hạt siêu bền có độ dài ở 2 hoặc 3 - chiều vào khoảng 1-100nm NIOSH Một hạt có kích thước nằm trong - khoảng 1-100nm, hoặc hình sợi có kích thước tương tự. SCCP Là hạt có kích thước ít nhất một phía Là vật liệu có ít nhất một mặt hoặc cấu trúc nằm trong khoảng nano mét bên trong nằm trong thang đo nano BSI Tất cả hình thái cũng như đường Là vật liệu có ít nhất một mặt hoặc cấu trúc kính của hạt nằm trong thang đo bên trong nằm trong thang đo nano nano BAuA Tất cả hình thái cũng như đường Là vật liệu bao gồm có cấu trúc nano hoặc kính của hạt nằm trong thang đo các thành phần nano nano ISO: International Orgarnization for Standardization; ASTM: American Society of Testing and Materials; NIOSH: National Institute of Occupational Safety and Health; SCCP: Scientific Commitee on Consumer Product; BSI: British Standards Institution; BAuA: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin Các hạt nano có thể được phân loại dựa trên các tiêu chuẩn sau (Strambeanu, Demetrovici, Dragos, & Lungu, 2015): - Nguồn gốc o Hơn 100 nm o Tự nhiên - Thành phần hóa học o Nhân tạo o Các thành phần vô cơ - Kích thước o Các thành phần hữu cơ o 1-10 nm o Các phần tử của cơ thể sinh vật o 10-100 nm 2 do an Để đưa ra định nghĩa khái quát nhất về hạt nano phải dựa trên đặc tính hóa lý của các hạt, vì tính chất của hạt nano phụ thuộc vào các thông số thang đo (khối lượng, thể tích, điện tích) và tính tự tổ chức dựa trên trên khả năng phản ứng cao của hạt (Strambeanu et al. Các hạt có xu hướng tạo thành một hệ thống bằng cách liên kết thành sợi, quy tụ thành cụm hoặc tập hợp lại với nhau (Aitken, KS, & Tran, 2004; Nalwa, 2000).
Bản chất, trạng thái của hạt nằm giữa hai cấu tạo là dạng hợp chất thô và phân tử hoặc cấu trúc nguyên tử của hợp chất. Ở các hợp chất thô có đặc tính vật lý và hóa học không thay đổi, tuy nhiên, ở kích thước nano thì các đặc tính này lại phụ thuộc vào độ kín của phân tử hoặc các hiện tượng mang tính nguyên tử (Strambeanu, Demetrovici, Dragos, & Lungu, 2015). Không đề cập đến các hạt nano có trong tự nhiên, các thuộc tính vật lý quan trọng nhất của các hạt nano bao gồm: (a) Diện tích bề mặt. Ở các hạt có kích thước nửa micromét, các lực chi phối nguyên tử hoặc phân tử gây tổn hại đến bề mặt các hướng, điều này có thể quan sát được ở các phân tử kích thước lớn (Strambeanu et al.
(b) Đặc tính quang học. Các hạt nano thường có đặc tính quang học đặc trưng, vì kích thước nhỏ giới hạn độ dày lớp electron của các kim loại; hiện tượng này dẫn đến phát sinh các hiệu ứng lượng tử (Strambeanu et al. Các hạt nano thường có xu hướng liên kết, kết tụ, tập hợp vào với nhau (Strambeanu et al. (d) Sự tạo thành chức năng.
Bất kì các hạt nano nào có thể liên kết đến các thực thể vi sinh một cách ngẫu nhiên thông qua bất kì môi trường tự nhiên nào. Các hạt nano có thể đi vào các tế bào bên trong và gây ra các biến đổi, vì khả năng này các hạt nano được ứng dụng trong y dược và công nghệ sinh học (Strambeanu et al. (e) Hạn chế lượng tử. Kích thước các hạt cũng ảnh hưởng đến khả năng hạn chế lượng tử, một hiện tượng gây ra các thuộc tính ảnh hưởng đến tính truyền dẫn, bán truyền dẫn hoặc cô lập electron của các hạt lân cận có đường kính nhỏ hơn 10nm (Nalwa, 2000).
Giới thiệu về ZnO NPs ZnO là một vật liệu vô cơ chức năng, đầy hứa hẹn và toàn diện với nhiều ứng dụng. ZnO được gọi là chất bán dẫn II-VI, vì Zn và O được phân loại tương ứng thành nhóm hai và sáu trong bảng tuần hoàn (Sirelkhatim et al. ZnO NPs đã được nghiên cứu về tác dụng kháng khuẩn chống lại nhiều mầm bệnh liên quan đến thực phẩm và các chất gây ô nhiễm thực 3 do an phẩm, ví dụ như Enterotoxigenic E. coli, Botrytis cinerea và Penicillium expansum.
Mặc dù tác dụng kháng khuẩn của ZnO NPs không được biết đến, nhưng theo quan sát, ZnO NPs gây biến dạng ở sợi nấm, ức chế sự phát triển của B. expansum, dẫn đến sự chết ở sợi nấm (Holban, Grumezescu, & Andronescu, 2016). ZnO NPs đã được chứng minh là có hiệu quả cao đối với một số mầm bệnh kháng đa thuốc và màng sinh học (biofilm), chẳng hạn như E. faecalis và Staphylococcus epidermis (Ranghar, Sirohi, Verma, & Agarwal, 2014).
ZnO sở hữu khả năng hấp thụ quang cao ở các vùng UVA (315 – 400nm) và UVB (280 – 315nm) có lợi trong phản ứng kháng khuẩn và được sử dụng làm chất chống tia UV trong mỹ phẩm (Song et al. Các ứng dụng của ZnO NPs được tóm tắt trong bảng 1. Ứng dụng của ZnO NPs. (Król, Pomastowski, Rafińska, Railean-Plugaru, & Buszewski, 2017) Lĩnh vực ứng dụng Ví dụ Sinh học và y học Bio-Imaging Vận chuyển thuốc và gen Hoạt tính chống ung thư và kháng khuẩn Công nghiệp mỹ phẩm Chống tia UV trong kem chống nắng Mỹ phẩm khoáng Sản xuất và vật liệu Bao bì thực phẩm kháng khuẩn Bảo vệ khỏi tiếp xúc với tia UV (lớp phủ công nghiệp) Vải dệt kháng khuẩn Năng lượng và điện tử Cảm biến hóa học dựa trên oxit kẽm Pin mặt trời chi phí thấp Cảm biến năng lượng nanogenerator dựa trên nanowire ZnO 1.
Một số phương pháp tổng hợp ZnO NPs Kẽm oxide là tâm điểm của sự chú ý trong một loạt các lĩnh vực nghiên cứu do đó rất nhiều phương pháp tổng hợp đã được phát triển. Do ứng dụng rộng lớn của nano ZnO, các phương pháp tổng hợp khác nhau đã được sử dụng để tạo ra nhiều loại cấu trúc nano được thể hiện ở hình 1.1 (Naveed Ul Haq et al. Trong nhiều năm qua, xuất hiện thêm nhiều phương pháp khác nữa, bao gồm phương pháp thủy nhiệt, vi nhũ tương, tổng hợp sol-gel hoặc phương 4 do an pháp xanh như chiết xuất từ thực vật/ chủng vi khuẩn. Tất cả các phương pháp có thể được chia thành ba nhóm chính: phương pháp vật lý, hóa học và sinh học.
(Król et al. Các cấu trúc khác nhau của ZnO: (a) nanosprings, (b) nanorings, (c) nanohelix, (d) nanocombs, (e) nanowires, (f) nanorods (g) nanosheets, (h) nanopellets, (i) nanoplates, (k) & (l) nanoflowers. (n) Nanourchins (Król et al. Phương pháp vật lý Các phương pháp vật lý tổng hợp hạt nano bao gồm nghiền bi động năng cao, trộn nóng chảy, lắng đọng hơi vật lý và hóa học.
Trong hầu hết các quy trình vật lý, năng suất ZnO NPs rất cao và chủ yếu được sử dụng cho các quy trình công nghiệp. Nghiền bi động năng cao là một phương pháp mà vật liệu dạng bột được đặt bên trong máy nghiền bi phải chịu lực va chạm năng lượng cao từ các quả bóng. Salah et al. (2011) đã dùng phương pháp này để tạo ZnO NPs có kích thước 30nm và áp dụng để kháng khuẩn.
ZnO NPs còn có thể được tổng hợp bằng cách 5 do an cắt bằng laser kim loại kẽm (vật liệu khối) trong dung dịch - phương pháp này được đưa ra để cung cấp một lựa chọn tổng hợp tiềm năng với kỹ thuật đơn giản và độ tinh khiết hóa học của sản phẩm. Ismail, Ali, Ismail & Hassoon (2011) đã sử dụng phương pháp cắt đốt bằng laser trong nước cất hai lần và tạo ra ZnO NPs hình cầu với đường kính trung bình 35nm. Phương pháp hóa học Phương pháp hóa học được phân loại theo trạng thái vật lý, tức là pha rắn, pha lỏng (còn gọi là phương pháp hóa ướt) hoặc pha hơi áp dụng cho quá trình tổng hợp nanocomposite kẽm. Phương pháp hóa học gốc nước mang lại nhiều lợi ích như thân thiện với môi trường, sử dụng thuốc thử chi phí thấp và dễ xử lý cũng như thiết bị không phức tạp, đồng thời chỉ cần năng lượng đầu vào thấp.
Hơn nữa, có thể điều chỉnh dễ dàng các thômg số tổng hợp trong toàn bộ quá trình, điều này rất hữu ích để kiểm soát thành phần, hình dạng và kích thước của vật liệu nano thu được. Trong số các phương pháp hóa ướt có thể liệt kê đến như vi nhũ tương, sol-gel và kết tủa (Król et al. a) Vi nhũ tương Vi nhũ tương được định nghĩa là sự phân tán ổn định nhiệt động của hai chất lỏng không hòa tan vào nhau - thường là nước và hydrocarbon, những loại chất lỏng này được ổn định nhờ sự có mặt của các chất hoạt động bề mặt. Có hai loại vi nhũ: trực tiếp (dầu phân tán trong nước, O/W) và đảo ngược (nước phân tán trong dầu, W/O) thường được sử dụng.
Để tổng hợp ZnO NPs, vi nhũ tương đảo ngược với nhiều loại tiền chất kẽm, chất hoạt động bề mặt và các thuốc thử khác thường được sử dụng (Król et al. Các loại chất hoạt động bề mặt được thêm vào (ví dụ: polyethylen glycol) được áp dụng để kiểm soát kích thước, hình dạng của vật liệu nano kẽm (Li, He, Xiao, Liu, & Wang, 2009). b) Phương pháp sol-gel Quá trình sol-gel bao gồm chuẩn bị dung dịch keo (sol) được chuyển đổi thành gel và vật liệu rắn. Quá trình này bao gồm các phản ứng thủy phân, ngưng tụ và trùng hợp.
Tiền chất điển hình là các alkoxide kim loại (M(OR)x, trong đó M là kim loại (ví dụ như Zn) hoặc clorua tương ứng, trong môi trường nước hoặc hữu cơ (thường là alcohol). Trong trường hợp vật liệu nano kẽm, tiền chất được sử dụng phổ biến nhất là kẽm acetate hydrate trong alcohol (Król et al. Có một số yếu tố quan trọng, như bản chất của nhóm alkyl và dung môi, nồng độ của từng chất trong dung môi, nhiệt độ hoặc tỷ lệ mol của nước với alkoxide được biết là ảnh hưởng đến ZnO NPs (Hench & West, 1990).