CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về công nghệ nano 1. Một số khái niệm [2, 3, 11] Công nghệ nano Nanomet là điểm kỳ 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 và phân tử của thế giới tự nhiên.
Hội chứng “công nghệ nano” đang tràn qua tất cả các lĩnh vực của khoa học và công nghệ, và sẽ thay đổi bản chất của hầu hết mọi đối tượng do con người tạo ra trong những thế kỷ tiếp theo. Trong công nghệ nano, thế giới nghiên cứu và sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin. Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là công nghệ bao hàm nghiên cứu cơ bản về cấu tử có độ lớn nằm giữa 1 nm và 100 nm. Để hiểu rõ hơn định nghĩa, ta có thể nêu ra một số ví dụ của thế giới nano.
Chẳng hạn những hạt muội than từ một thế kỷ nay là phụ gia không thể thiếu cho vật liệu cao su làm lốp xe vì nó tạo độ bền cần thiết cho vật liệu. Vậy từ lâu vật liệu nano đã đi vào cuộc sống thường nhật của chúng ta. Một số chất dùng trong tiêm chủng cũng thuộc “nano” bởi vì chúng chứa một hoặc một vài chủng protein, nghĩa là các phần tử vĩ mô kích thước nanomet. Nhưng ta không thể xếp chúng vào công nghệ nano được.
Vật liệu nano (nano materials) Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano. Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỷ XX là thời điểm mà các nhà vật lý, hoá học và vật liệu quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất và những sự chuyển hoá của các phần tử có kích thước nano. Đó là do các phần tử nano biểu hiện những tích chất điện, hoá, cơ, quang, từ. rất khác biệt so với vật liệu khối thông thường.
SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 8 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Khái niệm vật liệu nano tương đối rộng, chúng có thể là tập hợp các nguyên tử kim loại hay phi kim, oxit, sunfua, cacbua, nitrua. có kích thước trong khoảng 1-100 nm; chúng cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao quản dưới 100 nm (zeolit, photphat và cacboxilat kim loại). Như vậy, vật liệu nano có thể thuộc kiểu siêu phân tán hay hệ rắn với độ xốp cao.
Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: - 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 [1]. Ngoài ra để phân biệt được các dạng vật liệu nano người ta còn dựa vào sự khác nhau về kích thước của chúng như: - Vật liệu nano kim loại. - Vật liệu nano bán dẫn. - Vật liệu nano từ tính.
- Vật liệu nano sinh học. Phân loại vật liệu nano Hình 1. Phân loại vật liệu nano theo hình dạng theo số chiều SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 9 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Hoá học nano Hoá học nano là khoa học nghiên cứu các phương pháp tổng hợp và xác định tính chất của vật liệu nano.
Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương pháp tổng hợp hoá học truyền thống như ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha khí, kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thuỷ phân, điện kết tủa, oxi hoá, phản ứng vận chuyển, sol-gel. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử hay các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn (đóng vai trò như những bình phản ứng nano) vừa tạo ra không gian thích hợp, vừa có thể định hướng cho sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc giữa các các phân tử với nhau. Ngày nay, người ta đã dùng các khuôn là các ion kim loại, các mixen được tạo thành bởi các chất hoạt động bề mặt, các màng photpholipit. Ứng dụng của công nghệ nano Công nghệ nano hứa hẹn sẽ “thay đổi cuộc sống của con người” bởi có những tính chất nổi trội và mới lạ.
Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, kinh tế và xã hội. Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều như điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh rõ nhất ở số lượng các transistor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transistor trên một con chip tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích thước linh kiện, dẫn tới giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế lên nhiều lần. Ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano là tạo các lớp bán dẫn siêu mỏng mới.
Ngoài ra công nghệ nano mở ra cho công nghệ thông tin một triển vọng mới - chế tạo linh kiện mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn so với transistor, đó là các chấm lượng tử được chế tạo ở mức độ tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1 nm thì một linh kiện cỡ 1 cm3 sẽ lưu trữ được 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới này có thể lưu giữ trong đó. Quang điện tử cũng là một lĩnh vực chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ thông tin. Lĩnh vực này đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví dụ như một số SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 10 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các màn hình tinh thể lỏng đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet.
Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng trăm các dược liệu mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học mà phần di động chỉ có kích thước cỡ phân tử protein, tạo ra các chip sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như bộ não. Công nghệ nano sinh học còn có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra một phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kĩ thuật chuẩn đoán, liệu pháp và chiếu chụp ở cấp độ tế bào với độ phân giải cao hơn độ phân giải của chụp hình cộng hưởng từ. Một số công cụ đã được phát triển trong những năm gần đây như: kính hiển vi đầu dò quét (SPM), kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) cho phép quan sát trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự chuyển động của phân tử ở thời gian thực bên trong một động cơ cấp phân tử. Hy vọng rằng việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện pháp hữu hiệu để nâng cao sức khoẻ, tăng tuổi thọ con người.
Công nghệ nano với vấn đề môi trường Hoá học xanh và môi trường được quan tâm đặc biệt trong thời gian gần đây. Các kim loại dạng bột mịn như Fe, Zn thể hiện hoạt tính cao với các hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường nước. Điều này dẫn tới việc sử dụng thành công loại màng chứa cát và bột kim loại xốp để làm sạch nước ngầm. Các oxit kim loại nano với sự phân hủy của chất hấp phụ, do đó các vật liệu mới này được gọi là các “chất hấp thụ hay phân hủy”.
Chúng được sử dụng trong việc xử lí khí, phá hủy các chất độc hại. Công nghệ nano với vấn đề năng lượng Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn tại và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng truyền thống SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 11 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng khác thay thế là một nhiệm vụ cấp bách đặt ra.
Năng lượng mặt trời có thể chuyển hoá trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện. Nguồn nhiên liệu sạch là hidro có thể được tạo ra nhờ phản ứng quang hoá phân hủy nước. Các quá trình trên đạt hiệu quả cao khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu trữ hidro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano.
Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu Vật liệu nano composit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu composit làm tăng tính chất cơ lí, giảm khối lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hoá chất, thay đổi tương tác với ánh sáng và các bức xạ khác. Các vật liệu gốm composit được sử dụng làm lớp mạ trong điều kiện cơ, nhiệt khắc nghiệt. Các lớp mạ tạo bởi các hạt nano có các tính chất khác thường như thay đổi màu khi có dòng điện đi qua. Các loại sơn tường chứa các hạt nano làm tăng khả năng chống bám bụi.
Trên thị trường đã xuất hiện loại thuỷ tinh tự làm sạch do được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi. Vật liệu perovskite ABO3 1. Cấu trúc tinh thể của perovskite ABO3 [3] Các loại oxit perovskite có công thức chung ABO 3 với A là nguyên tố đất hiếm thuộc họ lantanoit (A = Y, La, Pr, Nd, Eu, Gd…) và B là các nguyên tố chuyển tiếp thuộc họ d (B = Mn, Fe, Co, Ni, Pt).
