Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về công nghệ nano Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đền năm 1959 khi nhà vật lý người Mỹ Richard Ferynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Nhưng đến năm 1980 nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiểm vi đâu dò có khả năng quan sát đến kích thước và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ.
Hiện nay, công nghệ nano đang là một lĩnh vực không thể thiếu của các nghiên cứu hiện đại được ứng dụng trong ngành điện tử, y học và công nghệ sinh học. Công nghệ nano có thể được định nghĩa là một nghiên cứu cho việc thiết kế, tổng hợp và vận dụng cấu trúc của các hạt có kích thước nhỏ. Công nghệ nano được xem là công nghệ cao. Công nghệ nano kết hợp với công nghệ sinh học và hoá học có thể tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ với độ chính xác cao.
Công nghệ nano 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. 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 (La Vũ Thùy Linh, 2010; vi. Phương pháp chế tạo hạt nano Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (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.
Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano (La Vũ Thùy Linh, 2010) - 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 huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào 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 là 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 ra các cấu trúc nano. - Phương pháp từ dưới lên: Nguyên lý: hình thành vật liệu nano 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. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế 4 tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai. 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 pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính. 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. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,.) và từ pha khí (nhiệt phân,. Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,. Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí.
Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,. Ứng dụng của công nghệ nano Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường (La Vũ Thùy Linh, 2010). Công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong lĩnh vực đặc biệt là y học, năng lượng, môi trường, nông nghiệp, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội.
Trong y sinh học: các hạt nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể giúp con người có thể can thiệp ở quy mô phân tử hay tế bào. Hiện nay, con người đã chế tạo hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chuẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư. Mô hình robot nano ứng dụng trong y học (La Vũ Thùy Linh, 2010) Năng lượng: nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài. Điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ - siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ… Môi trường: Chế tạo ra màng nano lọc được các phân tử gây ô nhiễm, các chất hấp phụ, xúc tác nano dùng dể xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn.
Các nano vàng tấn công bao bọc protein của virut để ngăn cản sự phát triển của virus (La Vũ Thùy Linh, 2010) 6 1. Ứng dụng công nghệ nano trong cây trồng Công nghệ nano có tiềm năng lớn trong việc cách mạng hóa nông nghiệp và hệ thống thực phẩm bằng sự thay đổi cách thức thực phẩm được sản xuất; chế biến, bảo quản, đóng gói, vận chuyển và tiêu thụ. Áp dụng những nguyên tắc cơ bản của công nghệ nano vào trong khoa học nông nghiệp nhằm mục đích phát triển những quy trình và sản phẩm, phân phối nguyên liệu đầu vào, thúc đẩy năng suất mùa vụ mà không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Công nghệ nano dùng trong cây trồng có tác dụng tăng cường hiệu quả sử dụng cho các yếu tố đầu vào (giống, phân bón, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu).
Cải thiện giống cây trồng: Công nghệ nano đã cho thấy khả năng của mình trong việc biến đổi cấu trúc di truyền của cây trồng thay vì sử dụng các hợp chất hóa học hay các phương pháp vật lí như tia X, tia Gamma qua đó giúp cải thiện giống cây trồng. Mở ra hướng nghiên cứu đột biến mới. Biến đổi gen tế bào thực vật: Sau khi sử dụng súng bắn gen, MSNs, mang theo các phân tử effector (- estradiol) cấu trúc bên trong và bên ngoài bọc bằng DNA plasmid, thâm nhập vào vách tế bào và vào trong tế bào chất thì DNA plasmid tách ra từ bề mặt MSN và đi vào hạt nhân (không hiển thị). Các MSNs được loại bỏ bằng cách ủ các tế bào thực vật với dithiothreitol.
Điều này giúp giải phóng các phân tử effector (hình lục giác màu cam) và kích hoạt biểu hiện của DNA plasmid trong nhân. Cải thiện khả năng nảy mầm và phát triển của cây: Công nghệ nano còn được ứng dụng trong việc cải thiện sự nảy mầm của hạt giống. Một vài báo cáo cho thấy Carbon nanotubes có thể xuyên thủng lớp vỏ cứng của hạt và hỗ trợ sự hấp thu nước bên trong hạt, qua đó kích thích tăng trưởng và thúc đẩy quá trình nảy mầm của hạt giống, đồng thời kích thích sự phát triển của hệ rễ cây. Sản xuất phân bón và thuốc trừ sâu: Phân bón nano thường chứa các chất hoạt hóa dinh dưỡng/tăng trưởng chứa trong các polyme, chelate hoặc nhũ tương có kích thước nano giúp giảm được sự tích tụ trong đất, ô nhiễm môi trường và kích thích sự tăng trưởng của cây.
Thuốc trừ sâu nano thường theo một mô hình tương tự như phân bón nano tiêu diệt hoạt động của côn trùng (thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm…) mà trong sản phẩm có thành phần liên quan hoặc có kích thước nano. Giới thiệu về nano kẽm oxide (nano ZnO) ZnO là một oxit kim loại trung tính và tính năng này của oxit kẽm làm cho nó dễ dàng để sử dụng. ZnO ở kích thước nano là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y học do có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm. Chúng được sử dụng trong công nghệ thực phẩm, sản xuất sơn, chế tạo các thiết bị điện tử, dùng trong chất chống ăn mòn, chất xúc tác, trong mỹ phẩm do khả năng chặn tia cực tím… Một trong những loại thành phẩm được biết đến rộng rãi hiện nay là oxid kẽm nano dạng bột có tên thương mại là Z – MITE TM, các phần tử của chế phẩm này có kích thước từ 10 đến 200 nm.
Nano oxit kẽm (ZnO) được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp do đó chi phí thấp và tính chất xúc tác, điện, điện tử, quang học và kháng khuẩn (Sato và cs, 2003; Yang và cs, 2004).