CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu silicate rỗng 1.1 Giới thiệu vật liệu Trong những năm gần đây, vật liệu rỗng đã thu hút sự chú ý đáng kể từ các nhà khoa học làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vật liệu rỗng được tổng hợp với các hình dạng khác nhau bao gồm: Thanh, sợi và các hạt hình cầu [1, 2]. Trong số những hình dạng này, các hạt rỗng (hình cầu) được quan tâm nhiều nhất với các ứng dụng thú vị để sử dụng trong việc lưu trữ năng lượng của lớp phủ. Các hạt rỗng được tạo ra với các chất liệu khác nhau chẳng hạn như ZnO, Si, TiO2, C, SiO2 và SnO2 [3-6].
Trong đó hạt silicate rỗng (HSSN) được đánh giá cao vì vật liệu này có giá thành thấp và quy trình tổng hợp đơn giản, tính chất hóa học được hiểu rõ và ứng dụng rộng rãi, từ khả năng lưu trữ năng lượng của lớp vỏ silicate [5, 7, 8]. Cơ bản vật liệu silicate rỗng có thể được tạo ra từ các HSSN. Quá trình tổng hợp bắt đầu bằng việc tạo ra các HSSN có lõi rỗng và phần vỏ bên ngoài. Sau đó, các HSSN này có thể được sử dụng để tạo thành vật liệu silicate rỗng bằng cách kết hợp chúng lại thành mạng lưới hoặc sắp xếp chúng thành cấu trúc vật liệu rỗng.
Cấu trúc của HSSN bao gồm: Phần lõi rỗng bên trong có thể là hạt polymer, silicate, carbon, gốm sứ hoặc kim loại ở kích thước nano để định hình phần rỗng bên trong trước sau đó mới thực hiện các phương pháp hóa học hoặc vật lý để loại bỏ chúng. Kích thước và hình dạng của không gian trống được xác định bởi kích thước và hình dạng của khuôn mẫu, tuy nhiên độ dày vỏ chủ yếu được xác định bởi quá trình phủ. Phần vỏ bên ngoài bao quanh phần không gian trống đó. Lớp vỏ được tạo ra từ hai thành phần chính là tiền chất silane để cung cấp nguồn silicate tạo thành lớp vỏ silicate và chất hoạt động bề mặt để thay đổi tính chất bề mặt lớp vỏ và là yếu tố quan trọng để gắn kết phần vỏ và phần lõi.
Dưới đây là Hình 1. 1 ảnh minh họa về cấu trúc HSSN. 1 Cấu trúc mô phỏng quả cầu HSSN 1.2 Tính chất và ứng dụng 1.1 Tính chất Các hạt nano silicate cấu trúc rỗng có nhiều đặc điểm cấu trúc độc đáo, điều này mang lại nhiều ưu điểm về tính chất hơn so với những vật liệu truyền thống. Tính chất của vật liệu silicate rỗng cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm: Cấu trúc, hình dạng và kích thước của những lỗ trống trong vật liệu.
Dưới đây là một số tính chất chung của vật liệu silicate rỗng: Vật liệu silicate rỗng có diện tích bề mặt lớn hơn các vật liệu thông thường ngoài ra nó còn có dung tích lỗ trống bên trong, điều này làm cho nó có khả năng tương tác và hấp thụ chất hiệu quả. Tính chất cơ học của HSSN thường phụ thuộc vào cấu trúc và hình dạng của lỗ trống. Ngoài ra, nó cũng có khả năng cách nhiệt tốt vì vật liệu rỗng chứa không khí trong các lỗ trống, nên nó có khả năng cách nhiệt tự nhiên có thể ứng dụng cách nhiệt và làm giảm sự truyền nhiệt không mong muốn. Vật liệu HSSN có khả năng có thể tương tác với các chất hoá học khác nhờ vào cấu trúc và bề mặt của vật liệu có thể giữ hoặc phản ứng hóa học với các chất khác, mang lại tính chất hoạt tính và ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường, xử lý nước, hoặc làm chất xúc tác.2 Ứng dụng Vật liệu silicate rỗng nhờ tính chất rỗng đặc biệt so với các vật liệu truyền thống khác mà nó đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: 2 1.1 Vật liệu cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt được tìm thấy trong các ứng dụng như vách tường của các tòa nhà, tủ lạnh, lưu trữ khí đông lạnh và hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt [9, 10].
Thông thường vật liệu cách nhiệt bao gồm sợi thủy tinh, cellulose, bọt polyurethane và bọt PS ép đùn[11]. Tuy nhiên độ dẫn nhiệt (0.K) của những vật liệu này khá cao làm giảm khả năng cách nhiệt của chúng. Silicate earogel đang nổi lên là vật liệu dẫn nhiệt (từ 0.K) [12], tuy nhiên earogel rất dễ vỡ, đắt tiền và không cá khả năng mở rộng thị trường, cản trở việc ứng dụng rộng rãi chúng. Vì thế việc sử dụng vật liệu silicate rỗng trong việc phát triển vật liệu cách nhiệt là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị [13].
Sự hiện diện của các lỗ mao quản bên trong HSSN dẫn đến độ dẫn nhiệt rất thấp (0.K) tùy thuộc vào kích thước hạt và độ dày vỏ [14]. Khi khoang rỗng chứa đầy khí hoặc có thể là bất kỳ loại chất có độ dẫn điện thấp nào thì tổng lượng nhiệt truyền qua vật liệu silicate rỗng trở nên khá thấp so với vât liệu silicate thông thường. Nguyên tắc của điều này là sự dẫn điện tổng thể của vật liệu silicate rỗng là tối thiểu vì lượng silicate có trong vật liệu này rất nhỏ, các vật liệu như không khí hoặc khí bên trong khoang trống góp phần làm giảm độ dẫn nhiệt và cải thiện khả năng cách nhiệt. Để tối đa hóa lợi ích của tính chất này một loại vật liệu cách nhiệt đã được phát triển bằng cách sử dụng HSSN như chất độn cụ thể như người ta đã phát triển màng mỏng hoặc lớp phủ cách nhiệt bằng cách thêm HSSN vào polymer làm cho độ dẫn nhiệt của nó thấp hơn 50 - 70% so với các polymer ban đầu [15, 16].
Kích thước của các HSSN được thêm vào phụ thuộc vào mục đích ứng dụng của màng composite, ví dụ màng trong suốt cần các hạt có kích thước (<100 nm), trong khi các hạt có kích thước (>100 nm) lại cần trong các ứng dụng màng có độ đục cao hơn, điều này đang được phát triển mạnh vì nó ứng dụng rỗng rãi trong cửa sổ của các tòa nhà và xe cộ. Độ dẫn nhiệt của vật liệu silicate rỗng thường phụ thuộc vào bốn yếu tố: Độ dày vỏ, kích thước lỗ rỗng, chất lượng vỏ, độ tinh khiết của hạt. Nếu lớp vỏ dày dẫn đến silicate đặc hơn dẫn đến vật liệu dẫn nhiệt cao hơn từ đó làm giảm khả năng cách nhiệt của vật liệu do đó lớp vỏ càng mỏng thì càng được ưu tiên cho ứng dụng cách nhiệt. Kích thước khoang trống bên trong hạt là yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát tính cách nhiệt, nếu kích thước khoang càng nhỏ độ dẫn nhiệt càng thấp làm cho không khí bị mắt kẹt và dễ va chạm vào nhau hơn thêm vào đó nếu kích thước khoang càng nhỏ thì lượng silicate càng nhiều cho cùng một thể tích vật liệu dẫn đến việc cách nhiệt kém [17].2 Vận chuyển thuốc Đối với việc vận chuyển thuốc đến cơ quan (hoặc mô) trong cơ thể người cụ thể, các loại vận chuyển thuốc chính bao gồm micelles, liposome và hạt polymer.
Mặc dù giá rẻ, nhưng các loại vận chuyển này bị hạn chế về tính ổn định hóa học và thời gian tuần hoàn ngắn trong cơ thể, do đó trong một số trường hợp chúng bị loại bỏ khỏi cơ thể hoặc phá hủy ngay trong lúc dẫn truyền thuốc [18]. Hạt silicate rỗng, với tính chất hóa học rất ổn định và thời gian tuần hoàn lâu trong cơ thể rất thích hợp làm chất mang vận chuyển thuốc. Các tính chất đặc biệt bao gồm kích thước lỗ rỗng có thể điều chỉnh, mật độ thấp, diện tích bề mặt lớn, vi mô hoặc lớp vỏ xốp, bề mặt dễ chức năng hóa và ít hoặc không có độc tính so với các vật liệu nano khác chẳng hạn như ống nano carbon hoặc fullerene, làm cho HSSN trở thành chất mang lý tưởng để vận chuyển thuốc. Tất cả những các tính chất này khó tìm thấy trong bất kỳ vật liệu nào khác, điều này càng nâng cao tầm quan trọng của HSSN.
Khoang rỗng cung cấp nhiều không gian hơn để nạp các phân tử thuốc và dễ dàng khuếch tán thuốc qua lớp vỏ. Diện tích bề mặt lớn phù hợp để tải các phân tử thuốc trên bề mặt bằng cách hấp phụ vật lý hoặc hóa học vào bề mặt bên trong và bên ngoài của HSSN. Bề mặt lớp vỏ silicate vốn có các nhóm -OH có thể dễ dàng chức năng hóa với các phân tử hoặc thuốc khác, làm cho vật liệu này trở thành vật liệu được ưu tiên. Quan trọng nhất trong các điều kiện tiên quyết đối với bất kỳ vật liệu nào được sử dụng làm phương tiện vận chuyển thuốc là nó không gây độc cho người nhận và nó dễ dàng phân hủy theo thời gian sau khi cung cấp thuốc.
Silicate vô định hình dễ dàng phân hủy trong nước theo thời gian [19] và các hạt silicate dễ dàng được loại bỏ khỏi cơ thể qua thận [18]. HSSN có đã được chứng minh là chất mang để vận chuyển các loại thuốc như doxorubicin hydrochloride, cytochrome C, polymyxin B, camptothecin, và cytosine-phosphodiester-guanine oligodeoxynucleotide [20, 21].3 Lưu trữ năng lượng Các ứng dụng mới của HSSN như chất ổn định điện phân hoặc cực dương trong pin lithium ion [22, 23]. Trong một ví dụ, Zhang và cộng sự đã sử dụng màng dựa trên HSSN được điền bằng điện giải lỏng như chất điện giải rắn có khả năng dẫn lithium-ion xấp xỉ 1 mS, trong khi vẫn ổn định về mặt cơ học và ngăn chặn việc xâm nhập của dendrit [24]. Cao và cộng sự cũng đã chứng minh rằng các HSSN được nhúng trong carbon rỗng là anot đầy triển vọng cho pin lithium ion.
Các điện cực như vậy có thể 4 cung cấp dung lượng cụ thể lên tới 910 mA.g−1 với tốc độ 200 mA.g−1 sau 150 chu kỳ, đồng thời có khả năng hoạt động ở tỷ lệ hợp lý [22]. Những kết quả này rất khả thi, nhưng hiện tại việc sử dụng HSSN trong các ứng dụng pin không thu hút nhiều sự quan tâm vì tính dẫn điện và ion thấp của HSSN. Ngoài việc sử dụng làm vật liệu anot cho pin, vật liệu silicate rỗng cũng đã được khám phá như các chất phụ gia trong cấu trúc polymer để tạo ra điện giải có tính cơ học và điện hóa tốt hơn cũng như khả năng dẫn nhiệt tốt [25].4 Khả năng tạo lớp phủ HSSN đã được ứng dụng trong một số loại lớp phủ có chức năng trong suốt và mờ đục, chẳng hạn như lớp phủ chống phản xạ, siêu kỵ nước và siêu thấm nước. Chỉ số khúc xạ thấp của HSSN (1,28) so với các hạt silicate rắn (1.46) khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho lớp phủ với chức năng trong suốt, đặc biệt là trên bề mặt thủy tinh hoặc polyme [26].