CHƯƠNG 1. Tổng quan về vật liệu 1. Sơ lược về nguyên tố bạc (silver) Bạc (silver) là một trong bảy kim loại được biết đến trong thế giới cổ đại và là một trong năm kim loại đầu tiên được nhân loại phát hiện, nhưng phát hiện đầu tiên về nó đã bị thất lạc vào thời cổ đại. Không có lịch sử ghi chính xác chép về thời gian bạc được phát hiện.
Tuy nhiên không ít người cho rằng bạc được phát hiện khi khai thác đồng và thứ kim loại trắng quý giá đã được nền văn minh Hy Lạp và Ai Cập sử dụng vào khoảng năm 5000 trước Công nguyên. Việc khai thác bạc chính thức đầu tiên được xác nhận có thể bắt nguồn từ Anatolia (Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay) vào khoảng năm 3000 trước Công nguyên. Việc khai thác rộng rãi hơn qua các khu vực Địa Trung Hải đến Tây Ban Nha và sau đó là các khu vực khác của châu Âu hiện đại đã mở rộng việc sử dụng nó như một mặt hàng thương mại cho đến ngày nay. Các nhà khoa học tin rằng hầu hết Bạc được hình thành từ các hợp chất lưu huỳnh trong lớp vỏ Trái Đất, nhưng trong hành trình tìm kiếm nguồn gốc vũ trụ của các nguyên tố nặng (heavy elements), nhà khoa học Heidelberg, Tiến sĩ Camilla Hansen đã chứng minh rằng giống như hầu hết các nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn, bạc được tạo ra từ các ngôi sao và vụ nổ siêu tân tinh đánh dấu sự kết thúc của sao [12].
Vậy nên bạc là nguồn tài nguyên hữu hạn và không thể tự tái tạo. Các nhà khoa học ước tính rằng đến khoảng 2027 – 2038 thì Trái Đất sẽ cạn kiệt nguồn dự trữ bạc có thể khai thác được về mặt kinh tế. Ký hiệu của bạc trong bảng tuần hoàn là Ag, bắt nguồn từ chữ “argentum” trong tiếng Latin có nghĩa là bạc, và chữ “agr” trong hệ ngữ Ấn-Âu có nghĩa “trắng” hoặc “tỏa sáng” [27]. Bạc có số hiệu nguyên tử là 47 và khối lượng mol là khoảng 107,868 (g/mol), cấu hình electron của bạc là [Kr] 4d105s1.
Trong bảng tuần hoàn hóa học, bạc nằm ở ô số 47, chu kỳ 5 và thuộc nhóm IB [28]. Bạc là kim loại có màu trắng, sáng bóng, rất dễ uốn dẻo và kéo sợi, nó là nguyên tố có độ dẫn điện cao nhất (1,59 μΩ cm ở 20ºC), độ dẫn điện (429W m−1 K−1) và khả năng phản quang cao hơn các kim loại khác. Tuy nhiên bạc lại có điện trở tiếp xúc thấp nhất và nhiệt dung riêng là khoảng 0,23 J kg−1 K−1 ở 25ºC. Nhiệt độ nóng chảy và sôi của bạc lần lượt là 961,9 và 2212ºC; nhiệt lượng nóng chảy của bạc là 11,28 kJ mol-1 và độ cứng của nó là 2,7 trên thang Mohs [24].
5 Hầu hết, bạc trong tự nhiên có thể tồn tại trong hỗn hợp các đồng vị bền là 107Ag và 109Ag với tỷ lệ xấp xỉ với nhau. Trạng thái oxy hóa phổ biến nhất của bạc là 0 và +1, mặc dù một số trạng thái oxy hóa khác (+2 và +3) cũng được biết nhưng ít gặp hơn. Trong số các muối/phức hợp Ag(II) này kém ổn định hơn so với các muối/phức hợp Ag(I) và Ag(III) [10]. Khi có mặt lưu huỳnh và các hợp chất của nó, bạc sẽ phản ứng tạo ra bạc sulfide sẫm màu, chất này sẽ bị xỉn màu trong không khí.
Trong những năm trước, bạc đã được sử dụng như một mặt hàng quý giá trong tiền tệ, đồ trang trí, trang sức, trang trí thực phẩm, pin mặt trời và nhiếp ảnh. Bạc đã giúp thúc đẩy nền văn minh toàn cầu bằng cách kết nối Đông và Tây thông qua thương mại. Những tài liệu sớm nhất về bạc có thể bắt nguồn từ 3000 năm trước Công nguyên ở Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay, nơi việc khai thác bạc đã thúc đẩy hoạt động buôn bán ở vùng biển Aegean và Địa Trung Hải cổ đại. Các thương nhân sẽ sử dụng “hacksilver” – những miếng bạc được cắt thô – làm phương tiện trao đổi hàng hóa và dịch vụ.
Khoảng năm 1200 trước Công nguyên, người Hy Lạp cổ đại bắt đầu tinh chế và đúc tiền từ trữ lượng bạc dồi dào được tìm thấy ở các mỏ Laurion ngay bên ngoài Athens. Đến năm 100 trước Công nguyên, Tây Ban Nha ngày nay đã trở thành trung tâm khai thác bạc của Đế chế La Mã trong khi bạc thỏi được vận chuyển dọc theo các tuyến đường buôn bán gia vị ở châu Á. Vào cuối những năm 1400, Tây Ban Nha đã mang niềm đam mê bạc của mình đến Tân Thế giới, nơi họ phát hiện ra trữ lượng bạc lớn nhất trong lịch sử trên những ngọn đồi bụi bặm ở Bolivia. Bên cạnh những công dụng của bạc trong thương mại, người ta còn ghi nhận khả năng chống vi khuẩn của bạc.
Bác sĩ Hy Lạp cổ đại Hippocrates, đôi khi được gọi là “cha đẻ của y học”, đã viết về đặc tính chữa bệnh của bạc, và những ghi chép ban đầu cho thấy người Phoenicia đã sử dụng những chiếc bình bạc để giữ nước, rượu và giấm nguyên chất trong những chuyến hành trình dài trên biển. Không ít người từng nghe câu “sinh ra đã ngậm thìa bạc trong miệng”, câu nói này không phải chỉ nói về mỗi sự giàu có mà còn có ý nghĩa khác. Vào thế kỷ 18, những đứa trẻ được cho ăn bằng thìa bạc được cho là khỏe mạnh hơn những đứa trẻ được cho ăn bằng thìa làm từ gỗ hoặc các vật liệu khác [24]. Ngoài ra, trong thời kỳ bùng phát của bệnh dịch hạch ở châu Âu thời trung cổ và phục hưng, người ta ăn uống bằng đồ dùng bằng bạc để bảo vệ bản thân khỏi bệnh tật.
Công dụng chữa bệnh mới của bạc được đưa ra ánh sáng vào thế kỷ 19 và 20. 6 Các bác sĩ phẫu thuật khâu vết thương sau phẫu thuật bằng chỉ bạc để giảm viêm. Đầu những năm 1900, các bác sĩ đã kê đơn thuốc nhỏ mắt bạc nitrat để ngăn ngừa viêm kết mạc ở trẻ sơ sinh. Hơn nữa, vào những năm 1960, NASA đã phát triển một máy lọc nước có khả năng phân phối các ion bạc để tiêu diệt vi khuẩn và làm sạch nước trên tàu vũ trụ của họ [6].
Bạc và các hợp chất của nó có ứng dụng rộng rãi trong thế kỷ 20 bao gồm chất dẫn điện, tiếp điểm điện, xúc tác, điện tử, gương, lắp ráp thiết bị hóa học và hợp kim hàn, hệ thống lọc nước uống, hệ thống lọc bể bơi, sản phẩm chăm sóc sức khỏe và dụng cụ y tế. Những sợi bạc được dệt vào đầu ngón tay của găng tay để có thể sử dụng được với điện thoại màn hình cảm ứng [24]. Các hạt nano bạc từ lâu đã được sử dụng như một chất kháng khuẩn hiệu quả chống lại phổ rộng các vi khuẩn Gram âm (Acinetobacter, Escherichia, Pseudomonas, Salmonella và Vibrio) và gram dương (Bacillus, Clostridium, Enterococcus, Listeria, Staphylococcus và vi khuẩn Streptococcus) [24]. Phương pháp tổng hợp nano bạc rất đa dạng, trong đó tổng hợp xanh nano bạc bằng cách sử dụng các dịch chiết từ thực vật hiện đang được các nhà khoa học lựa chọn nghiên cứu bởi vì những lợi ích chúng mang lại.
Thực vật là nguồn cung cấp của nhiều thành phần và hợp chất sinh học có thể hoạt động như các chất ổn định và chất khử để tổng hợp các hạt nano xanh. Các phương pháp tổng hợp xanh này là thân thiện với môi trường, không độc hại, tiết kiệm chi phí và cũng ổn định hơn khi so sánh với các phương pháp sinh học, vật lý và hóa học khác. Quá trình tổng hợp xanh của các hạt nano được phân thành ba nhóm là ngoại bào, nội bào và hóa thực vật. Quá trình tổng hợp hạt nano từ dịch chiết thực vật là một quá trình giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí và đặc biệt mang lại năng suất cao hơn do số lượng lớn các thành phần hóa học thực vật trong chiết xuất thực vật đóng vai trò là chất khử và ổn định chuyển đổi các ion kim loại thành hạt nano kim loại.
Các nghiên cứu trước đây báo cáo rằng đặc tính xúc tác của một số hạt nano có thể làm giảm độc tính của các chất ô nhiễm môi trường [26], [3]. Sơ lược về Fe3O4 Fe3O4 (Magnetite hoặc oxide sắt từ) là khoáng vật từ tính lâu đời nhất được biết đến, đóng vai trò quan trọng trong đời sống tự nhiên và phát triển các ứng dụng công nghệ. Bắt đầu từ việc sử dụng trong la bàn cổ đại để điều hướng khoảng ba nghìn năm trước, và cho đến hiện nay Fe3O4 được sử dụng trong việc phát triển các công nghệ nano 7 tiên tiến cho các ứng dụng trong thiết bị điện tử, chẩn đoán và điều trị y tế, hình ảnh và sản xuất vật liệu nanocomposite từ trường. Tính chất từ của Fe3O4 được xác định bởi cấu trúc tinh thể của nó.
Việc sắp xếp các moment từ của các cation sắt trong mạng tinh thể diễn ra thông qua sự tương tác đặc biệt giữa các electron của lớp 3d của các cation kề cận. Sự sắp xếp các moment từ dẫn đến thứ tự từ tính tổng thể trong Fe3O4. Fe3O4 có tính dị hướng từ tinh thể một trường hợp đặc biệt của dị hướng từ có liên quan đến sự kết hợp quỹ đạo quay. Tính dị hướng tinh thể từ phụ thuộc vào cấu trúc, hình dạng và thành phần hóa học của tinh thể Fe3O4 và đóng một vai trò quan trọng trong trật tự tính từ của Fe3O4.
Tóm lại, quá trình chuyển giao electron 3d xảy ra trong cặp cation bát diện Fe2+ – Fe3+ có thể được mô tả ngắn gọn là Fe2+ (3d6) ↔ Fe3+ (3d5) [9]. Một số thuộc tính đặc trưng của Fe3O4 [29] Thuộc tính Công thức phân tử FeO.Fe2O3 hoặc Fe3O4 Khối lượng mol 231,5386 g/mol Bề ngoài Bột màu đen Khối lượng riêng 5,17 g/cm3 Điểm nóng chảy 1597ºC (1870K; 2907ºF) Điểm sôi 2623ºC (2896K; 4753ºF) Chiết suất (nD) 2,42 Đã có rất nhiều cuộc nghiên cứu về Fe3O4 với các tính chất khác nhau, nhưng oxide sắt vẫn luôn là nguồn cảm hứng cho những ý tưởng nghiên cứu mới của nhà khoa học. Điều này đến từ các đặc điểm của nó cũng như các ứng dụng có ý nghĩa lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt là khi vật liệu này có kích thước nano.