Chương 1 Lý thuyết tổng quan 1. Lý thuyết chung về nano 1. Giới thiệu về hóa học nano Nanomet là điểm kì diệu trong kích thước chiều dài, là điểm mà tại đó những vật sáng chế nhỏ nhất do con người tạo ra ở cấp độ nguyên tử hay phân tử của thế giới tự nhiên [12]. Công nghệ nano có ý nghĩa là kĩ thuật sử dụng kích thước từ 0.1 nm đến 100 nm để tạo ra sự biến đổi hoàn toàn lý tính một cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tử.
Trong công nghệ nano, có phương thức từ trên xuống dưới (top – down, hình 1.) nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ dưới lên (bottom - up) nghĩa là lắp những hạt cỡ phân tử hay nguyên tử lại để thu kích thước nano. Đặc biệt gần đây, việc thực hiện công nghệ nano theo phương thức bottom - up trở thành kĩ thuật có thể tạo ra các hình thái vật liệu mà con người hằng mong ước, nên thu hút nhiều sự quan tâm. Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano: Top- down và Bottom- up[9] Hóa học nghiên cứu về nguyên tử và phân tử - có kích thước nói chung < 1 nm, trong khi vật lý chất rắn lại đề cập về cơ bản đến mạng vô hạn các nguyên tử hay phân tử có kích thước lớn hơn 100 nm. Một khoảng trống đáng kể tồn tại giữa phạm vi này, SV thực hiện: Trương Thị Minh Nghĩa Luan van Trang 5 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tiến bao gồm các hạt từ 1-100 nm hay 10-10-6 nguyên tử hay phân tử trên mỗi hạt, đó là hóa học nano. Để hiểu hơn về nano, ta cần tìm hiểu một số khái niệm cơ bản sau: - Chất keo: là pha lỏng ổn định chứa các hạt có kích thước 1-1000 nm được gọi là hạt keo (micell). - Hạt nano: là hạt rắn trong phạm vi 1-100 nm có thể là không tinh thể, là khối kết tụ của các vi tinh thể hoặc vi đơn tinh thể. - Tinh thể nano (nanocrytal): là hạt rắn nghĩa là đơn tinh thể có kích thước cỡ nanomet.
- Vật liệu cấu trúc nano hay vật liệu kích thước nano: là vật liệu rắn nào có kích thước nanomet (hình 1.), bao gồm vật liệu ba chiều → hạt, hai chiều → màng mỏng, một chiều → dây mỏng. - Nanocomposite: vật liệu lai hỗn tính vô cơ/hữu cơ. Biểu đồ so sánh độ lớn của một số vật thể 1. Vật liệu nguồn nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nm (< 100 nm).
Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: SV thực hiện: Trương Thị Minh Nghĩa Luan van Trang 6 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến - Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano,.
- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano,… - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.[5] Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó, chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Các tính chất vật lý, hóa học của mỗi loại vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn.
Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu, ví dụ như điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó, điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.
Các tính chất khác như 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 (bảng 1. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu. [2] Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Bước sóng điện tử 1-100 Tính chất điện Quãng đường tự do trung 1-10 bình không đàn hồi SV thực hiện: Trương Thị Minh Nghĩa Luan van Trang 7 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tiến Hiệu ứng đường hầm 10-100 Độ dài vách Đômen 1-100 Tính chất từ Quãng đường tán xạ spin 1-100 Hố lượng tử 1-100 Tính chất quang Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết Cooper 0.1-100 Tính siêu dẫn Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt 1-100 Tính chất cơ vỡ Sai hỏng mầm 0.1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 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 SV thực hiện: Trương Thị Minh Nghĩa Luan van Trang 8 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến 1. Ứng dụng của vật liệu nano[9] - Y học: làm thuốc chữa bệnh, mô nhân tạo,… có khả năng tạo ra phân tử sinh học mà “chuyển dược phẩm trong tế bào, điều này có thể giải phóng các hạt nano hoặc hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh” (hình 1. Ảnh mô hình chữa bệnh của cơ vi nano[9] - Lưu trữ thông tin: các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng mực cao hơn về màu sắc, độ bao phủ, tính bền màu.
Trên thực tế, các hạt nano đã được ứng dụng trong audio, băng video và đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và từ của các hạt mịn. - Làm lạnh: ở kích thước nhỏ, người ta đã chứng minh được rằng, lợi ích entropy có thể nhận được nhờ sự đảo chiều của từ tính các hạt nano mang từ. Nếu các hạt nano có momen từ lớn và độ kháng từ thích hợp, thì hiệu ứng từ nhiệt có thể cho phép làm lạnh ở quy mô thực tế. Triển vọng về tủ lạnh hạt nano từ mà không cần đến các chất lỏng làm lạnh (freon, HFC,.) đã cuốn hút rất nhiều nghiên cứu, và nếu thành công sẽ mang lại lợi ích to lớn cho xã hội và môi trường.
- Máy tính hóa học/quang học: các mạng hai chiều, hay ba chiều có trật tự của kim loại hoặc nano bán dẫn có các tính chất từ và quang đặc biệt. Các vật liệu này hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bao gồm cả máy tính quang học. - Gốm và chất cách điện cải tiến: việc nén các hạt gốm kích thước nano tạo ra các vật rắn mềm dẻo hơn, dường như là do vô số ranh giới hạt tồn tại. Những vật liệu mới này có thể được sử dụng như là chất thay thế cho kim loại trong nhiều ứng dụng.
SV thực hiện: Trương Thị Minh Nghĩa Luan van Trang 9 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến - Kim loại cứng hơn: kim loại hạt nano khi nén vào trong vật rắn sẽ có độ cứng bề mặt đáng chú ý, đôi khi độ cứng này cao gấp 5 lần so với độ cứng mẩu kim loại vi tinh thể thông thường. - Tiền chất lớp màng: được sử dụng như tiền chất để chế tạo lớp màng kim loại mỏng được sử dụng sơn phun. Đặc biệt là việc mạ vàng đồ dùng bằng bạc đã được thực hiện bằng chất keo vàng - axeton.
- Hóa học bảo vệ môi trường: bao gồm nhiều ứng dụng thiết thực như pin mặt trời, lọc nước, chất hấp phụ phân ly, chất xúc tác (hình 1. Sơ đồ nguyên lý phản ứng xúc tác của hạt nano bạc. - Chất lỏng từ thông minh: chất lỏng sắt là dung dịch chất keo chứa các hạt từ nhỏ làm ổn định bằng phối tử hoạt tính bề mặt, có tầm quan trọng như đệm kín chân không, bộ giảm xóc nhớt, đệm kín loại trừ chất bẩn. - Ắc quy bền: vật liệu cấu trúc nano trong ắc quy ion đã được chứng minh là rất hữu ích.
Ví dụ, gắn tinh thể nano thiếc vào trong chất nền tạo thủy tinh có thể duy trì tính dẫn điện, ngăn cản sự tạo thành pha của những hợp kim có hại cho ắc quy. - Sensor: khối kết tụ xốp của hạt nano bán dẫn có thể được nghiên cứu bằng nén tải trọng thấp. Những vật liệu này giữ vững diện tích bề mặt lớn của chúng, khi hấp thụ các loại khí khác nhau, tính dẫn điện của chúng thay đổi. Do nhiều khí được phát hiện ra được hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng so sánh với bột nén thông thường, sự thay đổi điện xảy ra nhiều lần hơn.
Vì vậy, việc sử dụng các hạt nano tạo ra ưu điểm đáng kể trong công nghệ cảm biến. SV thực hiện: Trương Thị Minh Nghĩa Luan van Trang 10 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến - Nâng cao an ninh quốc gia: hiện nay và trong tương lai, công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo trang thiết bị quân sự cho công cuộc phòng thủ đất nước. Hơn nữa, việc sử dụng hạt chức năng diện tích bề mặt lớn như là chất hấp thụ phá hủy các tác nhân chiến tranh sinh học và hóa học, đã được chứng minh là khá hiệu quả và cho phép đối phó nhanh với một số vấn đề hậu cần.
Ngoài ra, còn nhiều lĩnh vực mà ở đó an ninh quốc gia có thể được cải thiện nhờ các tiến bộ về công nghệ điện tử, quang học, chất xúc tác và chất hấp thụ. Sản phẩm của công nghệ nano đã được ứng dụng rộng rãi tại các nước phát triển.