CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Giới thiệu về công nghệ nano 1.Nguồn gốc công nghệ nano Công nghệ nano được biết đến lần đầu tiên với sự hiểu biết của kỹ thuật thu nhỏ qua câu chuyện được kể bởi Tiến sĩ Richard Feynman (1918-1988) từng đoạt giải Nobel Vật lý năm 1965. Mục đích bài nói chuyện của Feynman không phải chỉ dừng lại ở kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization) mà còn phác họa khả năng hình thành một nền công nghệ mới trong đó con người có thể di chuyển, chồng chất các loại nguyên tử, phân tử để thiết kế một dung cụ cực kỳ nhỏ ở thang vi mô (microscopic) hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trúc phân tử của nó. Phương pháp đó ở thế kỷ 21 được gọi là “ công nghệ nano” với cách thiết kế từng nguyên tử một “ từ dưới lên” (bottom-up-method). Đến 15 năm sau đó, giáo sư Norio Tanuguchi mới đưa ra định nghĩa rõ ràng hơn về công nghệ nano.
Ông định nghĩa như sau: “Công nghệ nano chủ yếu bao gồm việc xử lý, tách, hợp nhất và làm biến dạng vật liệu chỉ bằng một nguyên tử hoặc một phân tử”[1]. Nhờ những phát hiện và phát biểu to lớn ấy, các nhà khoa học đã ứng dụng nghiên cứu và đưa ra nhiều phát kiến như phát minh thiết bị kính hiển vi quét đường hầm có thể “nhìn” nguyên tử, việc tạo ống than nano với cấu trúc nano và chấm lượng tử silicon là những cấu trúc nano được phát minh cơ sở cho công nghệ nano để phát triển hơn nữa, phục vụ ứng dụng cho cuộc sống.Khái niệm công nghệ nano Công nghệ nano (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet(nm,1nm=10-9). Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: cơ sở khoa học nano, phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet, chế tạo vật liệu nano, ứng dụng vật liệu nano.Khái niệm vật liệu nano Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,.
có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nanomet đến 100 nanomet. Vật liệu nano là đối tượng nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ nano, có liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào cỡ nanomet, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thường.[3] Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu. Kích thước vật liệu nano nằm khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu.Phân loại vật liệu nano Phân loại theo trạng thái vật liệu, người ta chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng, khí.
Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đến chất lỏng, khí. Về hình dáng vật liệu người ta phân thành loại sau: Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều, 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,. Vật liệu nano không chiều: là vật liệu trong đó cả ba chiều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano,… Ngoài ra có vật liệu có cấu trúc nano hay nano composite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau ví dụ: sợi nano, ống nano, hạt nano,. Ngoài những cách phân loại trên, người ta còn có thể phân loại dựa trên tính chất của vật liệu nano bao gồm[7]: -Vật liệu nano kim loại.
-Vật liệu nano bán dẫn. -Vật liệu nano sinh học. -Vật liệu nano từ tính. Cơ sở khoa học của công nghệ nano Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano: -Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên.
Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.[7] -Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm(nanomet), các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.[7] -Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học của các 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 của các tính chất của vật liệu. Ví dụ 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 mà thường có giá trị từ 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.[7] Các tính chất khác nhau như tính chất điện, tính chất vật lý, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Tính chất điện Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung 1-100 Luan van 6 bình không đàn hồi Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Tính chất từ Độ dày vách đômen 10-100 Quãng đường ngầm 1-100 Tính chất quang Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Copper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tính chất cơ Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt 1-100 vỡ Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 1.Ýnghĩa khoa học của công nghệ nano Khoa học và công nghệ nano là lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, hiện đại và liên ngành. Khoa học và công nghệ nano hình thành trong quá trình tích lũy nhiều thành tựu khoa học công nghệ như kĩ thuật đầu dò quét nano mà điển hình là hiển vi lực nguyên tủ (AFM), hiển vi quét xuyên hầm (STM), hiển vi quang học trường gần (NOM), các kĩ thuật điện tử,… Tóm lại, Khoa học và công nghệ nano đem lại nhiều ứng dụng cho ngành công nghiệp nghiên cứu. Chế tạo vật liệu nano Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống Luan van 7 (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up).
Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn, phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.Phương pháp từ trên xuống Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh).
Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không làm phá hủy vật liệu, nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy theo từng trường hợp cụ thể, nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm).
Ngoài ra hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo các cấu trúc nano.Phương pháp từ dưới lên Nguyên lý: Vật liệu nano được hình thành từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Hiện nay, đa phần các vật liệu nano đều được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên bao gồm: phương pháp vật lí, phương pháp hóa học, phương pháp kết hợp, phương pháp vi sinh và phương pháp vi nhũ.
a) Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt ( đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình- tinh thể (kết tinh)(phương Luan van 8 pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.[7] b) Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion.
Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp.