Chương I Lý thuyết tổng quan 1. Ly thuyết chung về nano 1. Giới thiệu về hóa học nano Nanomet là điểm kì điệu trong kích thước chiều dai, 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 thé giới tự nhiên !*, Công nghệ nano có ý nghĩa là kĩ thuật sử dung kích thước từ 0.1 nm đến 100 nm dé tạo ra sự biến đôi hoàn toàn lý tính một cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tr. Trong công nghệ nano,.
Top Ooen Top Down có phương thức từ trên xuông dưới — Me<hsse eal (top — down, hình 1.) nghĩa là chia ulx ormang = - : Erocion nhỏ một hệ thông lớn dé cuôi cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và jp phương thức từ đưới lên (bottom - up) Sa SẼ - ¬ ØO(T(Dwssexese nghĩa là lắp những hạt cỡ phân tử hay (0Ø Bottom Up nguyên tử lại dé thu kích thước nano. † —_ Ba Đặc biệt gần đây, việc thực hiện công FEE cnn Chemical nghệ nano theo phương thức bottom - — up trở thành kĩ thuật có thé tạo ra các ° oom Set Accomtty hình thái vật liệu mà con người hang ie = mong ước, nên thu hút nhiều sự quan tâm. Hai nguyén lý cơ bản của công nghệ nano: Top- down và Bottom- up ”! 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 am. Một khoảng trồng đáng kẻ tồn tại giữa phạm vi này, ——— oo BH) SV thực hién: Trương Thi Minh Nghĩa Trang Š Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tiến bao gồm các hat từ 1-100 nm hay 10-10” nguyên tử hay phân tử trên mỗi hạt, đó là hóa học nano. Dé hiéu hơn về nano, ta cân tìm hiéu một sô khái niệm co bản sau: - _ Chất keo: là pha lỏng 6n định chứa các hạt có kích thước 1-1000 nm được gọi là hạt keo (micel]). - Hạt nano: là hạt ran trong phạm vi 1-100 nm có thé là không tinh thé, là khối kết tụ của các vi tinh thé hoặc vi đơn tinh thé. - Tinh thé nano (nanocrytal): là hạt rắn nghĩa là đơn tinh thé có kích thước cỡ nanomet.
- Vét liệu câu trúc nano hay vật liệu kích thước nano: là vật liệu ran nào có kích thước Na» A 102 bà : Head of a pin nanomet (hinh Hin A 12mm .), bao gôm Š [men Micro a (hmm 10-100 pm wide LA ok 2 vat liéu ba chiéu i. oh A 100 um — hạt, hai chiêu > 2 = ,|_ 00mm — mang mỏng, 3 1° [Ƒ 10ụm ^ ok A = Pollen Red blood cells một chiêu —> dây =. lu > = visible mong. | Ñ spectrum R 10° 01pm - Nanocomposite: | 100mm ^ oA * x nh Cellulose nanofibrils vật liệu lai hon = qpa |— 00lem 20-100nnwäde DHA 8 101m A ^ ~ ~2-1/2 nm 5 tinh vô cơ/hữu z Stacks of clay mineral 2 platelets, each platelet co [9] | tí a with ~ nm thickness > ` 5 Atoms of silicon 1000 081mm ngnniuhne Hình 1.
Biéu đồ so sánh +nm | =2 nm dlametar độ lớn của một số vật thể 1. Vật liệu nguôn 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 ran, 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 Trang 6 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiên - Vat liệu nano không chiều (ca ba chiêu đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nao cho điện tử), ví dụ: đám nano, hat nano. - Vat liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự đo trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: đây nano, ông nano,. - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng moéng.!*! Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó.
chi có một phân của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một. x chiêu, hai chiều dan xen lẫn nhau. Các tính chat vật lý, hóa học của mỗi loại vật liệu đều có một giới han 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 thê 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 thể 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 vat liệu. (2 Linh vực Tinh chat Độ dài tới han (nm) > Bước song điện tử 1-100 'TẠNR GHẦU aga Quang đường tự do trung | 1-10 bình không đàn hồi summa SV thực lượn: Trương Thị Minh Nghĩa Trang 7 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tien Độ dai vách Domen Tinh chat tir Quang đường tắn xạ spin Tính chất quang Độ dài suy giảm Độ sâu bè mặt kim loại Độ dài liên kết Cooper — | 0.1-100 Tính siêu dẫn Độ thầm thấu Meisner 1-100 Tương tác bat định xứ Biên hạt Bán kính khởi động đứt Tính chất cơ. Hình học topo bề mặt Độ dài Kuhn Siêu phân tử Cấu trúc nhị cấp ———m— SV thực lượn: Trương Thị Minh Nghĩa Trang 8 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tiên ¡.3: Ứng dụng cua vật liệu nano {9} - Y học: làm thuốc chữa bệnh, mô nhân tạo. có khả năng tạo ra phân tử sinh học mà "chuyên được phẩm trong tế bảo, điều này có thê giải phóng các hạt nano hoặc hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh” (hình 1. - Lưu trữ thông tin: các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng mực cao hơn về mau sắc, độ bao phủ, tính bên mau. Trên thực tế, các hạt nano đã được ứng dụng trong audio, băng video va đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và từ của các hạt mịn.
- Làm lạnh: & kích thước nhỏ, người ta đã chứng minh được rằng, lợi ích cntropy có thê nhận được nhờ sự đảo chiều của từ tính các hạt nano mang từ. Nếu các hat nano có momen từ lớn và độ kháng từ thích hợp, thì hiệu ứng từ nhiệt có thê cho phép làm lạnh ở quy mô thực tế. Triên vọng về tủ lạnh hạt nano từ mà không cần đến các chất lỏng làm lạnh (freon, HEC.) đã cuốn hút rat nhiều nghiên cứu, và nếu thành công sẽ mang lại lợi ích to lớn cho xã hội và môi trường. - May tinh hóa hoc/quang học: các mạng hai chiêu, 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. - Góm và chất cách điện cải tiến: việc nén các hạt gốm kích thước nano tạo ra các vật rắn mềm déo hơn, đường như là do vô số ranh giới hạt tồn tai. Những vật liệu mới này có thé được sử dụng như là chat thay thế cho kim loại trong nhiều ứng dụng. mmm SV thực lượn: Trương Thị Minh Nghĩa Trang 9 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tiến - Kim loại cứng hon: kim loại hat nano khi nén vào trong vật ran sẽ có độ cứng bề mặt đáng chú ý, đôi khi độ cửng này cao gấp 5 lần so với độ cứng mau kim loại vi tinh thé thông thường. - Tiển chất lớp màng: được sử dụng như tiền chat để chế tạo lớp màng kim loại mỏng được sử dụng sơn phun. Đặc biệt là việc mạ vàng đỗ dùng bằng bạc đã được thực hiện bằng chất keo vàng - axeton. - Hóa hoc bảo vệ môi trưởng: bao gồm nhiều ứng dụng thiết thực như pin mặt trời, lọc nước, chất hấp phụ phân ly, chất xúc tác (hình 1.
etched Ag NW = As-Ao nn wi Au-Ag sheaith porous Au-Ag NT MPs _`- _®) (E› = v¬ “us 8 *acr AuCl, + 3e Hình 1. Sơ đồ nguyên lý phản ứng xúc tác của hạt nano bạc. - Chất lỏng từ thông mình: chất lòng sắt là dung dịch chất keo chứa các hạt từ nhỏ làm én định bằng phối tử hoạt tính bề mặt, có tam quan trọng như đệm kín chân không, bộ giảm xóc nhớt, đệm kín loại trừ chất bản. - Ae quy bên: vật liệu cau trúc nano trong ắc quy ion đã được chứng minh là rat hữu ích.
Ví dụ, gắn tinh thé nano thiếc vào trong chất nền tạo thủy tinh có thé 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 thé được nghiên cứu bằng nén tải trọng thấp. Những vật liệu này giữ vững diện tích bề mặt lớn của chúng, khi hap thụ các loại khí khác nhau, tinh dẫn điện của chúng thay đồi. 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 lan hơn.
Vì vậy, việc sử dụng các hạt nano tạo ra ưu điểm đáng kề trong công nghệ cảm ‘ biên. xã SV thực lượn: Trương Thi Minh Nghĩa Trang !0 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.