CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1. GIỚI THIỆU VE NANO 1. Một số khái niệm về khoa học nano 1. Phân loại các vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất | chiều có kích thước nm.
Căn cứ vao các tiêu chí khác nhau mà có thé chia vật liệu nano thành các nhóm khác nhau. — Căn cứ vào trạng thái vật liệu: người ta chia thành 3 loại ran, long, khí. Trong đó vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yêu là vật liệu ran sau đó mới đến chat long va khí. — Căn cứ vào tính chat vật liệu: người ta chia vật liệu nano thành vật liệu nano bán dẫn, vật liệu nano kim loại, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học.
— Căn cứ vảo hình dang vật liệu: day là cách phân loại phổ biến nhất [9]. a) Vật liệu nano 3 chiều: ca 3 chiều đều có kích thước nano, không chiều nao cho electron tự đo. — Các hạt nano: Các hạt nano thường có kích thước nhỏ hơn 100nm thường có 2 loại: hat nano do tự nhiên tao ra và hạt nano nhân tao. Các hạt nano đo tự nhiên tạo ra hiện điện trong rất nhiều môi trường: kết quả của hoạt động quang hóa, hoặc do núi lửa, do các loại thực vật và tảo tạo ra, kết quả của việc đốt lửa hoặc nau nướng thực phâm va gan đây hơn là từ khí thai của các phương tiện giao thông.
Các hạt nano nhân tạo chỉ chiếm thiểu số và rất đơiợc các nhà khoa học quan tâm bởi những tinh chất mới (vi dụ như phản ứng hóa học và hoạt động quang học) ma chúng có so với các hat lớn hơn của cùng vật liệu. Vi dụ, các hạt titanium dioxide va zinc oxide trở nên trong suốt ở cỡ nano, tuy vậy lại có khả năng hấp thụ và phản chiếu tia UV nên có thê ứng dụng làm các chat chong nang. Các hạt nano này có đặc thù không phải là các sản phâm thành phẩm, ma thông thường giữ vai trò là nguyên liệu thô, thành phần hoặc chất phụ gia cho các sản phâm hoàn chỉnh. Mặc dù việc sản xuất ra chúng hiện thời còn ít 6i so với các vật liệu nano khác, nhưng chúng đã có mặt trong một số lượng nhỏ các sản pham tiêu dùng, ví dụ như mỹ phẩm.
Bên cạnh đó, những tính chất mới và được nâng cao của chúng đang gây tranh cãi về độ độc hại của chúng. Trong hau hết các ứng dụng, các hạt nano được làm có định (ví dụ, gắn vào một bề mặt hoặc ở bên trong một hợp chất) hoặc chúng có thé ở dang tự do hoặc lơ lừng trong chat lỏng. — Các dendrimer: Các dendrimer là các phân tử polyme hình cau, đơjợc hình thành thông qua quá trình tự lắp rap phân tử cấp cỡ nano. Có rất nhiều loại dendrimer, loại nhỏ nhất kích cỡ chỉ vai nm.
Dendrimer được sử dụng trong các ứng dụng thông thường như các lớp vỏ bọc và mực, và sẽ còn nhiều ứng dụng hữu ích khác dựa vào tính chất thú vị của chúng. — Các chấm lượng tử: các chấm lượng tử chính là các hạt nano của chất bán dẫn. Khi các hạt chất bán dẫn được chế tạo đủ nhỏ thì bắt đầu xuất hiện các hiệu ứng lượng tử. Hiệu ứng này hạn định năng lượng tại các eletron va các lỗ trong (lỗ trong đo mắt một electron, một lỗ trông hoạt động như một điện tích dương) có trong các hạt.
Vì năng lượng liên quan tới bước sóng, nên điều nay là có thé điều chỉnh các tính chất quang học của các hạt dựa trên kích thước. Vì vậy có thê tạo ra các hạt có thê phát ra hoặc hấp thụ các bước sóng đặc trưng (các màu) của sánh sáng, chỉ đơn 5 thuần bằng cách điều chỉnh kích thước của chúng. Những cham này có thé được sử dụng va xử lí một số phản ứng hóa học đặc thù. b) Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó có 2 chiều có kích thước nano, electron được tự đo trên 1 chiều.
Loại vật liệu này tạo ra các tính chất cơ học và điện học rất mới lạ và đặc biệt nên trong thời gian gần đây đã được tập trung nghiên cứu tương đối nhiều. Các ông nano carbon: Các ông nano carbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật lí người Nhật Bản, Sumio lijima, quan sát vào năm 1991. Có hai dang CNT: ống don vách (một éng) hoac da vach (cac ống đồng tâm). Đặc thù của hai loại đó là có đường kính vai nm va dai tới vải cm.
CNT giữ vai tro quan trọng trong công nghệ nano do các tính chất vật lí và hóa học mới lạ của chúng. Chúng rất cứng về mat cơ học (các module theo tiêu chuan Young của chúng lớn hon | tetrepascal, khiến cho chúng cứng hơn kim cương), lại mềm đẻo (thể hiện ở trục của chúng) và có thê dẫn điện rat tốt (số đường xoắn ốc của các dai graphene quyết định tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT). Tất cả các tính chất đó làm cho CNT có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các hợp chất được gia cố, các thiết bị cảm biến, các linh kiện điện tử nano va man hình. — Các ông nano vô cơ: Các ông nano vô cơ và những vật liệu dang fullerene vô cơ có cau tao từ các hợp chất có lớp.
ví dụ như molybdenum disulfide (MoS2) được phát hiện ngay sau CNT. Chúng có những tính chất trơn tuyệt vời, chịu được tác động sóng va chạm, có phản ứng xúc tác và có khả năng chứa hidrogen và lithium cao, điều nảy hứa hẹn mang lại rất nhiều ứng dụng. — Các dây nano: Các day nano là các đây cực mảnh hoặc day các cham tuyến tinh được hình thành qua quá trình tự lắp rap, chúng được lam từ nhiều loại vật liệu. Các đây nano có những ứng dụng tiềm năng trong việc lưu giữ dữ liệu mật độ cao dưới dạng đầu đọc từ tính hoặc phương tiện lưu trữ theo mẫu, các thiết bị nano điện tử, quang học,.
Việc phát triên những dây nano này dựa trên kỹ thuật phát trién phức tạp, trong đó có quá trình tự lắp ráp, đây là quá trình các phân tử tự sắp xếp một cách tự nhiên trên các chất nên theo bậc, quá trình lắng đọng ở thê hơi bằng phương pháp hóa học (VCD) lên trên các chất nén theo mẫu và quá trình mạ điện hay cay ghép phan tử. — Các polyme sinh học: Các polyme sinh học, vi dụ như các phân tử ADN, gop phân giúp các cầu trúc nano đây tự tô chức thành các mô hình phức tạp hơn. Ví dụ có thê bọc xương sông của ADN bang kim loại nhờ đó có thê tích hợp công nghệ sinh học nano và các thiết bị cảm biến tương thích sinh học và các động cơ nhỏ, đơn giản. Những kiêu tự lắp ráp của các cấu trúc nano có trục hữu cơ như vậy thường được điều khiển bang lực tương tác yếu, ví dụ như các liên kết hidrogen, các tương tác ki nước hoặc các tương tác Van Der Waals.
c) Vat liệu nano một chiêu: Là vật liệu trong đó có một chiều kích thước nano, hai chiêu tự do. Các vật liệu nay đã được phat trién và sử dụng nhiều năm trong các lĩnh vực như chế tạo các linh kiện điện tir, hóa chất và kỹ thuật. Rất nhiều ứng dụng thực tế của vật liệu nano chỉ phù hợp khi được sủ dụng ở dạng màng mỏng. Các nhả khoa học không những chỉ nắm rõ sự hình thành và những tính chất của những lớp mảng từ cap độ phân tử trở lên, kê cả các lớp phức hợp hoàn toàn, ma còn tạo ra được các màng một lớp (các lớp có độ day một nguyên tử hoặc một phân tử).
Việc điều khién thành phan cau tao, độ phang của các bề mặt và phát triển các mảng cũng đã đạt được nhiều tiến bộ. Các ưu thé đặc trưng của màng nano như diện tích bẻ mặt lớn hơn hoặc độ phản ứng đặc trưng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng như pin, nhiên liệu và chất xúc tác. đ) Ngoài ra còn có cầu trúc nano hay nanocompositte trong đó chỉ có một phan của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Phương pháp điều chế vật liệu nano Các vật liệu nano có thé được chế tạo bằng bén phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp déu có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp có thé được áp dụng với một số vật liệu tùy thuộc vào yêu câu vật liệu, điều kiện trang bị phòng thí nghiệm.
a) Phương pháp hóa ướt (Wet Chemical Methods) Phương pháp hóa ướt gôm có phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và đồng kết tủa. Theo phương pháp nảy, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một ty phần thích hợp, đưới tác động của nhiệt độ, áp suất, điều kiện pH. mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, say khô.
ta thu được các vật liệu có kích thước nano. Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thé chế tạo được rất da dang, chúng có the là vật liệu vô cơ, hữu co, kim loại. Đặc điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có thé chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thê là một khó khăn, phương pháp sol-gel thì không có hiệu suất cao, sản pham không đồng nhất [9]. b) Phương pháp cơ học (Nano-Mechanical Methods) Bao gém các phương pháp tán, nghiên, hợp kim cơ học.
Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiên kiều hành tinh hay máy nghiền quay. Phương pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không dat tiền và có thê chế tạo với một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên, nó lại có nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bô kích thước hạt không đồng nhất, dé bị nhiễm ban từ các dung cụ chế tạo va thường khó có thê đạt được hạt có kích thước nhỏ.
Phương pháp này thường được dùng dé tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại. c) Phương pháp bốc bay nhiệt (Thermal Evaporation Methods) Gém các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả trong chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bé mặt, người ta cũng có thé dùng nó đề chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tắm chắn.