CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nano: 1. Một vài nét về vật liệu nano: Ngày nay vật liệu nano không còn là một khái niệm mới mà đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu sâu và rộng trên toàn thế giới nhằm chế tạo và nghiên cứu các vật liệu có kích thức nano mét. Vật liệu này đã thu hút các nhà khoa học trên toàn thế giới bởi ứng dụng vượt trội từ những tính chất khác biệt của nó so với vật liệu khối dựa vào 2 hiệu ứng đặt biệt sau: Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước giảm thì tỉ số giữa các nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử tăng dẫn tới hiệu ứng trên bề mặt tăng [9]. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu.
Gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì ta có: ns = 4n2/3 (1.1) Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử là: ns 4 4r0 𝑓= = 1 = (1.2) 𝑛 𝑟 n3 Trong đó: r0 là bán kính nguyên tử và r là bán kính hạt nano. Như vậy, từ (1.2) ta thấy nếu kích thước của vật liệu giảm thì tỉ số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong long vật liệu nên khi kích thước của vật liệu đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử trên bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nano mét thì giá trị f này tăng đáng kể.
Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Khác với hiệu ứng thứ 2 ta đề cập dưới đây thì hiệu ứng này luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở các vật liệu khối thì hiệu ứng bề mặt nhỏ và thường được bỏ qua, còn ở các vật liệu nano thì hiệu ứng này khá quan trọng. Vì vật, việc ứng dụng hiệu 7 ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng [9].
Các giá trị về số nguyên tử và năng lượng hạt nano hình cầu được đưa ra trên bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng hạt nano hình cầu [9]. Đường kính Số Tỉ số nguyên Năng lượng bề Năng lượng bề hạt nguyên tử tử trên bề mặt (arg/mol) mặt/năng lượng nano(nm) mặt(%) tổng (%) 10 30 000 20 4.2 Hiệu ứng kích thước: Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này đặt biệt thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học nhiều hơn so với các vật liệu khối khác. Đối với một vật liệu, mỗi mốt tính chất của nó đều có một độ dài đặt trưng, độ dài đặc trưng, độ dài đặc trưng của vật liệu thì đều ở kích thước nano mét, tỏng bảng 1.2 đưa ra một số độ dài đặc trưng của tính chất của vật liệu. Ở vật liệu khối, kích thước lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng, nhưng ở vật liệu nano thì kích thước của nó có thể so sánh với độ dài đặc trưng làm cho tính chất của vật liệu đó ở dạng khối [9].
Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục khi chuyển từ vật liệu khối sang vật liệu nano như ở hiệu ứng bề mặt. Vì vậy, việc chế tạo và nghiên cứu vật liệu ngày càng được các nhà khoa học quan tâm sâu sắc hơn [9].2: Bảng độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [9]. Độ dài đặc trưng Tính chất Thông số (nm) Điện Bước sống của điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung bình 1-100 Hiệu ứng đường hầm 1-10 Từ Vách đô men, tương tác trao đổi 10-100 8 Độ dài đặc trưng Tính chất Thông số (nm) Quãng đường tán xạ spin 1-100 Giới hạn siêu thuận từ 5-100 Quang Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Hấp thụ Plasmon bề mặt 10-500 Siêu dẫn Độ dài liên kết cặp cooper 0.1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Cơ Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0.1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo về mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-100 1. Phân loại vật liệu nano: Có nhiều cách để phân loại vật liệu nano, dưới đây là một vài cách để phân loại thường dùng [10]: Phân loại theo hình dáng - Vật liệu nano không chiều: cả 3 chiều đều có kích thước nano (ví dụ: đám nano, hạt nano, …) - Vật liệu nano một chiều: trong đó có 1 chiều tự do, 2 chiều có kích thước nano (ví dụ: dây nano, ống nano, thanh nano, .) - Vật liệu nano hai chiều: trong đó có 2 chiều tự do, 1 chiều có kích thước nano (ví dụ: màng mỏng dày kích thước nano) Ngoài ra, các vật có thể coi là vật liệu có cấu trúc nano dù trong đó chỉ có một 9 phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó có kích thước nano không chiều, một chiều hoặc hai chiều đan xen nhau.
Phân loại theo tính chất vật liệu: - Vật liệu nano kim loại. - Vật liệu nano bán dẫn. - Vật liệu nano từ tính. - Vật liệu nano sinh học.
Như vậy, nghiên cứu vật liệu nano trở thành một xu hướng nghiên cứu rất nhiều ngành khoa học công nghệ và chúng được ứng dụng rất rộng rãi. Ứng dụng vật liệu nano Do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ nano mà vật liệu nano có nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành y học, sinh học, xúc tác, quang học, mỹ phẩm, dệt may… Y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, nó chiếm khoảng 30% lượng tiêu thụ vật liệu nano hàng năm. Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính là một phương pháp tiên tiến.
Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa, tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư, vi khuẩn… Một từ trường bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bào không được đánh dấu sẽ thoát ra ngoài. Hạt nano được ứng dụng để dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào đó trên cơ thể là ứng dụng nổi bật nhất. Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ (thường sử dụng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite γ - Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, silica), bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn, giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm 10 lượng thuốc điều trị [11].
Phương pháp này rất thuận lợi trong điều trị u não vì việc dẫn truyền thuốc vào u não rất khó khăn. Nhờ sự trợ giúp của hạt nano, việc dẫn truyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều [12]. Ngoài ra, những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú tập trung tại các vùng bệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con người có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời. Ứng dụng trong sinh học: Nano-bio đang hình thành, sẽ tạo ra những vật liệu mới tạo mô xương, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con người như da, băng thông minh, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement), phân tách tế bào (magnetic cell separation)…[13].
Ngành phỏng sinh học nano hướng đến việc chế tạo những vật liệu mô phỏng các khả năng đặc biệt của các loài động thực vật trong tự nhiên. Ví dụ hiện tượng lá sen luôn sạch sẽ và không bao giờ ướt là do cấu trúc bề mặt có các cột nhỏ cỡ nanomet, cách nhau khoảng vài micromet tạo nên bề mặt không thấm nước. Từ đó, các nhà khoa học đã sản xuất ra vật liệu polyme mô phỏng cấu trúc của lá sen, có khả năng không thấm nước, mang lại nhiều ứng dụng trong y tế và đời sống. Trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là năng lượng tái tạo [14], ứng dụng của các vật liệu cấu trúc nano ngày càng trở nên quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng đó như: + Trong thiết bị quang điện: các pin mặt trời được tối ưu hóa bằng vật liệu và cấu trúc nano (polymer, chất nhuộm, chấm lượng tử, màng mỏng, cấu trúc đa chuyển tiếp, các lớp chống phản xạ).
+ Năng lượng gió: các vật liệu nanocomposite và các lớp phủ nano chống ăn mòn ứng dụng vào các cánh quạt của turbine gió nhằm giảm khối lượng và nâng cao độ bền của chúng. + Địa nhiệt: các lớp phủ nano và nanocomposite ứng dụng cho các thiết bị khoan sâu. + Năng lượng sinh khối: cung cấp sự tối ưu hóa bằng nông nghiệp chính xác sử dụng công nghệ nano (sử dụng các nanosensor nhằm kiểm soát chặt chẽ việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón). 11 + Nhiên liệu hóa thạch: các lớp chống ăn mòn cho các thiết bị thăm dò dầu khí.
Sử dụng hạt nano nhằm tăng lượng dầu khai thác được. + Năng lượng hạt nhân: các vật liệu nanocomposite sử dụng cho việc che chắn phóng xạ (các thiết bị cá nhân, thùng chứa, …), là phương án dài hạn cho các lò phản ứng nhiệt hạch… Đối với lĩnh vực lưu trữ thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng cao hơn về màu sắc, độ bao phủ và chất bền màu. Trên thực tế, các hạt nano thường được ứng dụng trong audio, băng video và đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và tính chất từ của hạt mịn. Với các tiến bộ kĩ thuật, càng ngày con người càng chế tạo các loại vật liệu lưu trữ thông tin có dung lượng lớn nhưng kích thước ngày càng nhỏ gọn.