CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Công nghệ nano 1. Định nghĩa Công nghệ nano là ngành công nghiệp liên quan đến việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng cách kiểm soát hình dạng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1nm = 10-9 m) (Lindquist, Mosher‐Howe, & Liu, 2010).
Định nghĩa về hạt nano và vật liệu nano của một số Tổ chức và Quốc gia được trình bày dưới bảng sau: 1 Luan van Bảng 1. Định nghĩa về hạt nano và vật liệu nano của một số Tổ chức và Quốc gia (Darweesh, 2018; Lövestam et al., 2010) Tổ chức/ Hạt nano Vật liệu nano Quốc gia Là hạt có chiều kích thước nằm Một vật liệu có thể có ba chiều kích trong giới hạn nano. Bao gồm cả thước lớn hơn 100 nm nhưng vẫn được ISO-CEN chất lỏng như giọt hoặc micelle coi là vật liệu nano nếu nó có các đặc trong nhũ tương điểm cấu trúc trong giới hạn nano Một vật thể có ba chiều kích thước Bất kỳ hình thái của vật liệu bao gồm EU nằm trong giới hạn nano các bộ phận chức năng riêng biệt, và SCENIHR trong số chúng có nhiều chiều kích thước nằm trong giới hạn nano Hạt có một, hai hoặc ba chiều Đối với những hạt nano có kích thước kích thước nằm trong giới hạn nằm ngoài phạm vi 1-100 nm (trong ACC nano khoảng 50-500 nm), khi có nhiều hơn 10% hạt nằm trong giới hạn nano thì chúng vẫn được coi là vật liệu nano Là hạt có ít nhất một chiều kích Vật liệu có ít nhất một chiều hoặc cấu SCCP thước nằm trong giới hạn nano trúc bên trong nằm trong giới hạn nano, có thể hiện những tính chất nano Hạt có ít nhất một chiều kích Vật liệu có ít nhất một chiều nằm trong thước nằm trong giới hạn nano. giới hạn nano, hoặc có thể lớn hơn ở cả Canada Có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn giới ba chiều nhưng phải thể hiện một hoặc hạn nano nhưng thể hiện tính chất nhiều tính chất nano nano ISO-CEN: International Organisation for Standardisation và The European Standardisation Committee; EU SCENNIHR: European Union Scientifc Committee on Emerging and Newly Identifed Health Risks; ACC: Ametican Chemistry Council; SCCP: EU Scientific Committee on Comsumer Products; 1.
Nguồn gốc Thuật ngữ công nghệ nano lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1959 bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard P. Feynman, điều này đã truyền cảm hứng cho các nhà khoa học thời bấy giờ trong việc khám phá ra nguyên tử cũng như vũ trụ. Theo ý tưởng của Feynman, công 2 Luan van nghệ của tương lai sẽ được xây dựng trên cơ sở các nguyên tử có kích thước rất nhỏ. Cho tới năm 1982, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích như kính hiển vi đầu dò quét (SPM: Scanning Probe Microscope hay STM: Scanning Tunneling Microscope), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM: Atomic Force Microscope) cho phép quan sát mẫu vật ở kích thước vài nguyên tử hay phân tử.
Từ đó, các nhà khoa học mới được tiếp cận và hiểu một cách rõ ràng hơn về lĩnh vực nano (Ramsden, 2016). Năm 1983, khái niệm công nghệ nano đã được quan tâm nhiều và đã được chọn làm hướng nghiên cứu triển khai tại phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh NPL (UK). Ba năm sau, cơ quan quốc gia đầu tiên về công nghệ nano được chính thức ra đời. Cho tới nay, công nghệ nano ngày càng thu hút được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà khoa học và kỹ sư trên toàn thế giới.
Và trong tương lai, việc hiểu biết sâu rộng về các tính chất đặc biệt của công nghệ nano sẽ góp phần đem lại tiềm năng cải thiện chất lượng cuộc sống (Sudha, Sangeetha, Vijayalakshmi, & Barhoum, 2018). Phân loại Vật liệu nano có kích thước cực kỳ nhỏ, có thể được phân loại theo cấu trúc, nguồn gốc,…Theo cấu trúc, vật liệu nano được chia thành vật liệu nano có kích thước không chiều như các chấm lượng tử hay các tinh thể nano bán dẫn có kích thước bé hơn 10nm; một chiều như ống nano, sợi nano, dây nano,…; hai chiều như các màng mỏng; ba chiều như kết tủa, hạt keo. Chúng có thể tồn tại ở dạng đơn, tổng hợp hoặc kết tụ ở dạng hình cầu hoặc hình ống không đồng đều (Darweesh, 2018; Dolez, 2015). Theo nguồn gốc, vật liệu nano được chia thành hai loại là tự nhiên và nhân tạo.
Các hạt nano tự nhiên bao gồm một số dạng đất sét được cấu thành từ các hạt nano xếp chồng có độ dày từ 70 đến 150nm, các hạt bụi tạo ra từ các vụ phun trào núi lửa,… Các hạt nano nhân tạo là các hạt được tổng hợp bằng cách sử dụng đa dạng các chất hóa học như kim loại, chất bán dẫn, oxide kim loại, polymer,… (Dolez, 2015). Tính chất vật liệu Khi kích thước của vật liệu giảm tới kích thước nano thì sự khác biệt về vật lý và hóa học giữa vật liệu nano và vật liệu khối trở nên rõ rệt mặc dù có sự giống nhau về thành phần nguyên tố (Sudha et al. Hai yếu tố chính để tạo nên sự khác biệt giữa chúng là hiệu ứng tăng diện tích bề mặt tương đối và hiệu ứng lượng tử (Darweesh, 2018). Hiệu ứng diện tích bề mặt Hiệu ứng diện tích bề mặt: khi vật liệu ở kích thước nanomet thì chúng có diện tích bề mặt rất lớn và lớn hơn rất nhiều so với vật liệu khối.
Đối với các hạt nano hình cầu, diện tích bề mặt cụ thể tăng tỷ lệ nghịch với đường kính của hạt. Ví dụ như 10g bạc dưới dạng các hạt nano hình cầu có đường kính 10nm thì tổng diện tích bề mặt của chúng là khoảng 600m2, so với quả cầu bạc rắn cùng khối lượng thì diện tích bề mặt của nó chỉ khoảng 5cm2. Từ đó, có thể thấy tổng diện tích bề mặt của vật liệu nano tăng với một hệ số khoảng 1200000 (Lövestam et al. Bên cạnh đó, đối với vật liệu khối, hầu hết các nguyên tử phân bố bên trong khối vật liệu, còn đối với vật liệu nano thì các nguyên tử phân bố trên bề mặt vật liệu, nên chúng thể hiện các tính chất đặc biệt khác (Ghosh, 2015).
Vì các phản ứng sinh học và hóa học thường xảy ra trên bề mặt vật liệu nên các nhà khoa học hy vọng vật liệu nano sẽ phản ứng mạnh hơn nhiều so với vật liệu khối (Lövestam et al. Đặc biệt, nhờ có kích thước rất nhỏ mà nano đồng dễ dàng xâm nhập qua màng tế bào và tương tác với cấu trúc nội bào của vi khuẩn. Đồng thời, chúng tác động trực tiếp lên màng tế bào và phá vỡ cấu trúc di truyền của tế bào vi khuẩn. Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hạt nano đồng có kích thước càng bé thì hoạt tính kháng khuẩn của chúng càng cao (Godymchuk et al.
Hiệu ứng lượng tử Hiệu ứng lượng tử là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu nano giúp phân biệt chúng với vật liệu khối. Khi các cấu trúc nano bán dẫn có kích thước ở cấp độ nguyên tử thì các hiệu ứng cơ học lượng tử ảnh hưởng quan trọng vào các tính chất quang học, điện và từ tính của hệ. Điều này được biết đến là do khi kích thước của một hạt nhỏ cỡ bán kính của Bohr thì sẽ xuất hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử, trong đó các trạng thái điện tử cũng như trạng thái dao động trong hạt bị lượng tử hóa. Hiệu ứng giam giữ lượng tử làm cho hạt vật liệu có tính chất giống như một nguyên tử nhân tạo và làm thay đổi cấu trúc vùng năng lượng, từ đó làm thay đổi các tính chất vật lý khác (Nguyễn Thành Tiên, 2016).
Trong đó có tính dẫn điện, từ tính, điểm nóng chảy,… Thông thường, cơ chế kháng khuẩn của hạt nano là quá trình gắn các hạt nano vào màng tế bào vi khuẩn bằng cách tương tác tĩnh điện và phá vỡ cấu trúc nội bào của vi khuẩn (Hajipour, M. Phương pháp tổng hợp Có hai phương thức cơ bản để chế tạo vật liệu nano là “top-down” từ trên xuống và “bottom-up” từ dưới lên. Phương pháp Top-down “Top-down” nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để tạo ra được đơn vị kích thước nano như phương pháp nghiền, làm biến dạng, phay cơ (mechanical milling), cắt đốt bằng tia laser (laser ablation),…(Bhushan, 2017). Phương pháp này được hình thành và phát triển từ những năm 1960, dùng để chế tạo các linh kiện rời rạc, mạch tổ hợp có kích thước nanomet theo nguyên lý: từ vật liệu khối hay phiến bán dẫn lớn ban đầu, rồi trải qua nhiều quá trình công nghệ để tạo ra các chip, mỗi chip có hàng triệu linh kiện điện tử có kích thước micromet hoặc nanomet.
Ở giai đoạn đầu, phương pháp này chiếm ưu thế hơn. Tuy nhiên, khi kích thước giảm nhỏ hơn 45nm thì sẽ gây khó khăn trong việc chế tạo, đặc biệt là công nghệ khắc ở kích thước nano vẫn chưa hoàn thiện dẫn đến giá thành sản phẩm cao (An, 2009). Phương pháp Bottom-up Ngược lại, “bottom-up” là phương pháp lắp ghép các nguyên tử, phân tử để thu được các hạt có kích thước nano bao gồm các phương pháp hóa học như tổng hợp sol-gel, lắng đọng hơi hóa học, phương pháp tự lắp ghép (self-assembly), thủy nhiệt, kỹ thuật nhũ tương vi mô, điện hóa,…(Bhushan, 2017; Tamilvanan, Balamurugan, Ponappa, & Kumar, 2014). Phương pháp hóa học được cho là một cách dễ dàng để tổng hợp nên các hạt nano vì kích thước, hình thái, sự phân bố,… của các hạt có thể được kiểm soát bằng cách tối ưu hóa các điều kiện phản ứng như thời gian phản ứng, pH, chất bao,…(Tamilvanan et al.
Hạt nano tạo ra từ phương pháp bottom-up chủ yếu xây dựng dựa trên cơ sở hóa học, việc tối ưu các điều kiện phản ứng giúp làm giảm kích thước hạt nano, từ đó, chất lượng cũng như khả năng ứng dụng của các hạt nano cao hơn. Hiện nay con người đang có xu hướng đi theo con đường tổng hợp xanh trong mọi lĩnh vực, bao gồm cả ngành kỹ thuật hóa học. Việc tổng hợp nano ứng dụng trong ngành thực phẩm yêu cầu các hóa chất sử dụng cần phải thân thiện. Do đó, có rất nhiều phương pháp sử dụng carbohydrate, dịch trích từ một số loại cây,… để làm chất khử thay cho một số chất độc hại như hydrazine (N2H4),… (Gültekin, Güngör, Önem, Babagil, & Nadaroğlu, 2016) 5 Luan van Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp tiếp cận bottom-up, cụ thể là phương pháp hóa học.
Nguyên lý của phương pháp này dựa trên cơ sở các phản ứng hóa học dưới các điều kiện đặc biệt để tổng hợp nên Cu2O NP từ muối đồng nhờ các tác nhân khử như hydrazine hydrate (N2H4.