CHƯƠNG I.1 Công nghệ nanô Hơn hai thập kỉ trở lại đây, khoa học và công nghệ nano được quan tâm và phát triển một cách mạnh mẽ. Công nghệ này nghiên cứu và chế tạo ra vật liệu có kích thước nhỏ cỡ nano mét (1 – 100nm). Ở dải kích thước này, vật liệu bộc lộ nhiều đặc tính mới lạ mà ở kích thước khối của chúng không có được [8]. Khi ở kích thước nano mét, số nguyên tử nằm trên bề mặt vật liệu chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử.
Do vậy, những hiệu ứng liên quan đến bề mặt trở nên quan trọng, làm cho tính chất của vật liệu có sự khác biệt so với vật liệu ở dạng khối [9]. Trong lĩnh vực công nghệ nano, nano bạc được đặc biệt quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng phục vụ đời sống của con người. Đặc tính của nano bạc Tính chất quang học Tính chất quang của nano bạc bắt nguồn từ điện tử tự do khi hấp thụ ánh sáng. Kim loại có mật độ điện tử tự do lớn, các điện tử này sẽ dao dộng duới tác dụng của điện từ truờng ngoài.
Bình thuờng, các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại, khi quãng đuờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước của chúng có thể dẫn đến các dao động bị dập tắt nhanh chóng. Khi quãng đường tự do trung bình lớn hơn kích thuớc của kim loại thì hiện tượng dập tắt không còn nữa, điện tử sẽ dao dộng cộng hưởng với ánh sáng kích thích [6,10]. Tính chất quang của hạt nano bạc có được do sự dao dộng tập thể của các điện tử, dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao dộng như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano, làm cho chúng bị phân cực điện, tạo thành một lưỡng cực điện.
Do vậy xuất hiện một tần số cộng huởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước của 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hạt và môi truờng xung quanh. Ngoài ra, nồng độ hạt nano cũng ảnh huởng đến thuộc tính chất quang học của chúng. Nếu nồng độ loãng thì có thể coi gần như hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh huởng của quá trình tương tác giữa các hạt. Tính chất điện Bạc có tính dẫn điện tốt do có mật độ điện tử tự do cao.
Ðối với vật liệu khối, các lý luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng luợng của chất rắn. Ðiện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Các điện tử chuyển động trong kim loại duới tác dụng của điện truờng có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng giam cầm điện tử làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng luợng.
Hệ quả của quá trình luợng tử hóa này đối với hạt nano bạc là tương quan I – U không còn tuyến tính nữa, mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade), làm cho đuờng I – U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một luợng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano bạc với điện cực. Tính kháng khuẩn Hiện nay, tính kháng khuẩn của nano Ag đã được khẳng định nhưng cơ chế kháng khuẩn của nó thì chưa thống nhất. Có ba quan điểm chính: - Quan điểm thứ nhất: Bạc tác dụng trực tiếp lên màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn. Màng này có cấu trúc gồm các glycoprotein được liên kết với nhau bằng cầu nối axit amin để tạo độ cứng.
Ion bạc vừa được giải phóng ra từ bề mặt hạt nano, chúng tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào, dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Các tế bào động vật – tế bào nhân chuẩn thuộc nhóm sinh vật bậc cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào nhân sơ - vi khuẩn. Tế bào nhân chuẩn có 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hai lớp lipoprotein với các liên kết đôi bền vững có khả năng cho điện tử. Do đó cản trở các ion bạc xâm nhập, vì vậy chúng ít bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion bạc.
Điều này có nghĩa nano bạc hầu như không gây hại đến con người và động vật nói chung.1: Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc (nguồn: Internet) - Quan điểm thứ hai: khi ion Ag+ tương tác với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh, nó sẽ phản ứng với nhóm Sunphohydril - SH của phân tử enzym vận chuyển oxy và vô hiệu hóa enzym này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn [11,63,64]. Các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxy nguyên tử siêu hoạt tính trên bề mặt của hạt nano bạc: 2Ag+ + O2- 2Ag0 + O0 - Quan điểm thứ ba: Tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang tích âm của tế bào vi khuẩn và ion 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn, tương tác và ức chế các bào quan và vật liệu di truyền, dẫn đến tế bào bị vô hiệu hóa [11].2: Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn bằng lực bám hút tĩnh điện và phá vỡ cấu trúc màng (nguồn: Internet) Trong ba quan điểm trên, thì quan điểm thứ hai về cơ chế tác động của nano bạc lên tế bào nhân sơ (đơn bào) được hầu hết các nhà khoa học thừa nhận. Khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc là kết quả của quá trình biến đổi (giải phóng liên tục) các nguyên tử bạc kim loại trên bề mặt hạt nano thành các ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vi khuẩn và diệt khuẩn theo những cơ chế đã nói ở trên. Ứng dụng của nano bạc Công nghệ nano và nano bạc đã được ứng dụng trong đời sống những năm gần đây, tạo nên những bước nhảy vọt đột phá trong ngành y tế, điện tử, tin học, thiết bị gia dụng, thực phẩm và hàng tiêu dùng… Dựa trên những công bố trên các tạp chí uy tín về nano bạc [12,13], có thể thấy chúng có nhiều lợi ích như: 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - (1) Có khả năng diệt hơn 650 loại vi khuẩn, vi rút và nấm thường gặp nên có thể thay thế một số kháng sinh truyền thống và thuốc.
- (2) Độc tính rất thấp đối với tế bào nhân chuẩn, an toàn cho người và động vật. - (3) Có thể ứng dụng để tạo ra các chế phẩm phòng bệnh sử dụng cả bên trong và ngoài cơ thể. - (4) Nguồn nhiên liệu dễ kiếm, chi phí có thể tiết kiệm. a) Hiệu ứng diệt khuẩn Nano bạc có kích thước từ 1 – 10 nm có hoạt tính rất mạnh đối với vi khuẩn.
Với kích thước nhỏ thì nano bạc có khả năng dễ dàng tác động và thâm nhập qua lớp màng của vi khuẩn. Ở kích thước nano thì diện tích bề mặt của vật liệu lớn hơn rất nhiều so với ở dạng khối, làm cho khả năng tương tác với vi khuẩn tăng lên [14,15]. Các nano kim loại ở kích thước 5nm chúng sẽ có khả năng gây nên các hiệu ứng lượng tử. Đó là sự biến đổi cấu trong trúc điện tử của bề mặt.
Khả năng hoạt động của bề mặt hạt nano phân tử được tăng cường mạnh mẽ. Kích thước hạt nano giảm thì phần trăm tiếp xúc của các phân tử tương tác tăng lên [16]. Các hạt nano bạc thường có dạng hình khối, số lượng các mặt hình khối cho thấy khả năng tác dụng với vi khuẩn ở mức độ cao hay thấp. Số lượng mặt càng nhiều thì khả năng diệt khuẩn càng cao.
Đồng thời, trong quá trình sử dụng hạt nano bạc thường ở trong dung dịch phân tán. Nơi mà một lượng nhỏ ion bạc đã được che dấu và đóng góp một phần cho khả năng diệt khuẩn của phân tử nano bạc [17]. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com b) Xử lý môi trường Làm chất xúc tác Trong xúc tác, với diện tích bề mặt lớn và năng lượng bề mặt cao là một lợi thế của nano bạc. Khi được làm xúc tác thì các hạt nano được phủ lên các chất mang như silica phẳng … chúng có tác dụng giữ cho các hạt nano bạc bám trên các chất mang.
Đồng thời, có thể làm tăng độ bền, tăng tính chất xúc tác, bảo vệ chất xúc tác khỏi quá nhiệt cũng như kết khối cục bộ giúp kéo dài thời gian hoạt động của chất xúc tác. Ngoài ra, hoạt tính xúc tác có thể điều khiển bằng kích thước của các hạt nano bạc dùng làm xúc tác [18,19]. Xúc tác nano bạc được ứng dụng trong việc oxi hóa các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa ethylen thành ethylen oxit dùng cho các phản ứng khử các hợp chất nitro, làm chất phụ gia cải tiến khả năng xử lý NO và khí CO của xúc tác FCC. Ngoài ra, xúc tác nano bạc còn dùng làm xúc tác trong phản ứng khử thuốc nhuộm bằng NaBH4,… [19] Xử lý nước thải Để xử lý nguồn nước, thông thường người ta hay dùng các tác nhân hóa học như: clo, các dẫn xuất của nó, idod.
Hoặc sử dụng các tác nhân vật lý: tia UV, bức xạ. Hay các chất khác như các màng zeolit, polyme, ion kim loại… có khả năng diệt khuẩn. Bên cạnh đó, việc sử dụng các hạt nano kim loại trong lĩnh vực này cũng là hướng đi mới và hứa hẹn nhiều tiềm năng lớn [20]. Hiện nay, người ta sử dụng PU có bao phủ bạc tạo ra loại màng lọc nước có tính năng diệt khuẩn cao [21,22].
c) Trong ngành dệt may Khi đưa nano bạc vào xơ sợi thì các hạt nano bạc có khả năng bám dính phân tán và phân tán vào trong vải sợi như cotton, pan, polyeste, polyeste/cotton, PP/PE, polyamid, len, silk và nylon… [23]. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Một ứng dụng của nano bạc trong may mặc (nguồn Internet) Ngoài ra nano bạc còn được ứng dụng trong các sản phẩm dệt may khác như: quần áo, găng tay dùng trong y tế và các sản phẩm tránh mùi hôi.