Đồ án: Tổng hợp nano Au từ xáo tam phân làm xúc tác, vật liệu kháng khuẩn

Tổng hợp nano vàng từ cây xáo tam phân: phương pháp tổng hợp, cơ chế xúc tác và hiệu quả kháng khuẩn. Nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, y tế và công nghệ

• Tác giả: Lê Thanh Bình
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Văn Đạt
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Tổng hợp nano Au bằng dịch chiết Xáo Tam Phân làm vật liệu xúc tác cho phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ và kháng khuẩn
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khám phá nano Au từ xáo tam phân Giải pháp đột phá cho xúc tác và kháng khuẩn

Trong bối cảnh khoa học vật liệu và y sinh học đang tìm kiếm những giải pháp bền vững, việc tổng hợp nano Au từ xáo tam phân đã mở ra một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn. Công nghệ nano, đặc biệt là nano vàng (nano Au), đang cách mạng hóa nhiều lĩnh vực từ y tế đến công nghiệp bởi những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của chúng ở kích thước nanomet. Nano vàng không chỉ được biết đến với khả năng xúc tác mạnh mẽ mà còn sở hữu hoạt tính kháng khuẩn ấn tượng, trở thành một vật liệu nano có giá trị cao.

Tuy nhiên, các phương pháp tổng hợp nano vàng truyền thống thường yêu cầu hóa chất độc hại và điều kiện khắc nghiệt, gây ra những lo ngại về môi trường và sức khỏe. Sự ra đời của hóa học xanh thông qua việc sử dụng dịch chiết thực vật đã cung cấp một lựa chọn thay thế thân thiện hơn, an toàn hơn và chi phí thấp hơn. Trong số các loài thực vật tiềm năng, xáo tam phân (Paramignya trimera) nổi bật với các hợp chất sinh học có khả năng khử và ổn định hạt nano. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tiềm năng của xáo tam phân để tổng hợp nano Au, đồng thời khảo sát khả năng xúc tác và kháng khuẩn của sản phẩm thu được. Mục tiêu là phát triển một phương pháp tổng hợp nano Au từ xáo tam phân hiệu quả, an toàn và bền vững, góp phần vào sự phát triển của các ứng dụng nano Au trong tương lai.

1.1. Tổng quan về công nghệ nano và nano vàng

Công nghệ nano là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng vật liệu ở cấp độ nguyên tử, phân tử và siêu phân tử, thường ở kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Ở kích thước này, vật liệu thể hiện những tính chất độc đáo khác biệt so với vật liệu khối, bao gồm diện tích bề mặt lớn, hiệu ứng lượng tử và khả năng tương tác mạnh mẽ với các hệ sinh học. Trong số các vật liệu nano kim loại, nano vàng (nano Au) là một trong những loại được nghiên cứu rộng rãi nhất. Nano vàng sở hữu các tính chất quang học, điện tử và xúc tác đặc biệt, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng nano Au đột phá. Chúng có thể hấp thụ và tán xạ ánh sáng mạnh mẽ, hoạt động như các hạt nhân xúc tác hiệu quả, và có khả năng tương tác với các cấu trúc sinh học như vi khuẩn và tế bào.

1.2. Xáo tam phân Tiềm năng từ nguồn tài nguyên thiên nhiên

Xáo tam phân (Paramignya trimera) là một loại cây dược liệu quý, phân bố chủ yếu ở một số vùng duyên hải Việt Nam. Từ lâu, xáo tam phân đã được biết đến với nhiều công dụng trong y học dân gian, đặc biệt là khả năng kháng viêm, kháng ung thư và hỗ trợ điều trị các bệnh về gan. Các nghiên cứu khoa học hiện đại đã xác định trong xáo tam phân chứa nhiều hợp chất sinh học có hoạt tính cao như flavonoid, terpenoid, alkaloid và coumarin. Những hợp chất này không chỉ mang lại giá trị dược liệu mà còn tiềm năng ứng dụng trong hóa học xanh. Cụ thể, chúng có khả năng hoạt động như chất khử và chất ổn định trong quá trình tổng hợp nano Au từ xáo tam phân, loại bỏ nhu cầu sử dụng hóa chất độc hại và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, làm cho quá trình tổng hợp nano vàng trở nên thân thiện và bền vững hơn.

II. Cách tổng hợp nano Au từ xáo tam phân Phương pháp hóa học xanh hiệu quả

Việc tổng hợp nano Au từ xáo tam phân đại diện cho một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực hóa học xanh. Phương pháp này tận dụng các hợp chất tự nhiên có trong dịch chiết xáo tam phân để khử các ion kim loại vàng (Au3+) thành hạt nano vàng (Au0), đồng thời đóng vai trò là tác nhân ổn định, ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano. Điều này khác biệt đáng kể so với các phương pháp vật lý hoặc hóa học truyền thống, vốn thường đòi hỏi nhiệt độ cao, áp suất lớn hoặc sử dụng các chất khử mạnh như natri borohydride và hydrazin, những chất có thể gây hại cho môi trường và sức khỏe. Phương pháp tổng hợp nano Au từ xáo tam phân là một ví dụ điển hình về việc ứng dụng dịch chiết thực vật trong sản xuất vật liệu nano, mang lại hiệu quả cao và tính bền vững. Quá trình này không chỉ đơn giản về mặt kỹ thuật mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và y tế. Sự tối ưu hóa các thông số trong quá trình tổng hợp nano vàng là yếu tố then chốt để đảm bảo kích thước, hình dạng và độ ổn định mong muốn của hạt nano, từ đó quyết định hiệu quả của ứng dụng nano Au trong thực tế.

2.1. Dịch chiết xáo tam phân và vai trò chất khử ổn định

Dịch chiết xáo tam phân đóng vai trò kép trong cách tổng hợp nano Au từ xáo tam phân. Thứ nhất, các hợp chất phytochemical như flavonoid, terpenoid, và polyphenol có trong dịch chiết hoạt động như các chất khử hiệu quả. Chúng nhường electron cho các ion Au3+ từ dung dịch tiền chất (ví dụ: HAuCl4.3H2O), chuyển chúng thành Au0 và bắt đầu quá trình hình thành hạt nano vàng. Thứ hai, sau khi các hạt nano được hình thành, các hợp chất này sẽ bao phủ bề mặt hạt nano, tạo ra một lớp bảo vệ. Lớp phủ này ngăn chặn sự kết tụ của các hạt, duy trì độ phân tán và ổn định của dung dịch keo nano Au, giúp hạt nano vàng giữ được kích thước và tính chất mong muốn theo thời gian. Sự kết hợp giữa khả năng khử và ổn định này làm cho dịch chiết xáo tam phân trở thành một tác nhân lý tưởng cho kỹ thuật tổng hợp nano theo hướng hóa học xanh.

2.2. Quy trình tối ưu tổng hợp nano vàng Khảo sát nồng độ và thời gian

Để đạt được hiệu suất và chất lượng tốt nhất trong việc tổng hợp nano Au từ xáo tam phân, việc khảo sát và tối ưu hóa các thông số phản ứng là vô cùng quan trọng. Một trong những yếu tố then chốt là nồng độ của tiền chất HAuCl4.3H2O. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ tối ưu của HAuCl4.3H2O là 1.0 mM, tại đó hạt nano vàng được tạo ra nhiều nhất và có độ bền cao, không bị keo tụ. Ở các nồng độ cao hơn như 1.5mM và 2mM, hạt nano có xu hướng keo tụ nhanh chóng chỉ sau 3-4 giờ. Yếu tố quan trọng khác là thời gian phản ứng. Do tính chất của vàng (số oxy hóa +3) phản ứng rất nhanh, việc theo dõi sự hình thành hạt nano vàng thông qua phổ UV-Vis cần được thực hiện định kỳ, ví dụ mỗi 5 phút. Quy trình tối ưu bao gồm việc kết hợp nồng độ HAuCl4.3H2O phù hợp với thời gian phản ứng được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo thu được nano Au với kích thước đồng đều và độ ổn định cao, sẵn sàng cho các ứng dụng nano Au sau này.

2.3. Đặc trưng hóa vật liệu nano Ứng dụng các kỹ thuật phân tích tiên tiến

Sau khi tổng hợp nano Au từ xáo tam phân, việc đặc trưng hóa là bước không thể thiếu để xác nhận sự hình thành, kích thước, hình dạng, cấu trúc tinh thể và độ tinh khiết của vật liệu nano. Các kỹ thuật phân tích tiên tiến được sử dụng bao gồm: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt; Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và kích thước tinh thể trung bình; Phân tích tán sắc năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần nguyên tố; và Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để nhận diện các nhóm chức hữu cơ từ dịch chiết xáo tam phân bao phủ và ổn định hạt nano. Những kỹ thuật này cung cấp thông tin chi tiết, giúp đánh giá chất lượng của nano vàng tổng hợp và hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành cũng như khả năng ứng dụng của chúng trong vai trò xúc tác và kháng khuẩn.

III. Ứng dụng xúc tác của nano Au từ xáo tam phân Nâng cao hiệu suất chuyển hóa hữu cơ

Nano vàng từ lâu đã được công nhận là một trong những vật liệu xúc tác hiệu quả nhất trong nhiều phản ứng hóa học. Đặc biệt, nano Au tổng hợp từ xáo tam phân mang lại ưu điểm kép: không chỉ thân thiện với môi trường mà còn thể hiện hoạt tính xúc tác mạnh mẽ, đặc biệt trong các phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ. Kích thước nanomet giúp tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng, tạo ra nhiều vị trí hoạt động cho phản ứng. Hơn nữa, các hiệu ứng lượng tử ở quy mô nano làm thay đổi tính chất điện tử của vàng, từ đó nâng cao khả năng xúc tác của nó. Trong ngành công nghiệp hóa chất, việc tìm kiếm các chất xúc tác mới, hiệu quả và bền vững là một ưu tiên hàng đầu. Nano Au từ xáo tam phân có tiềm năng thay thế các chất xúc tác kim loại quý truyền thống đắt tiền và đôi khi độc hại, hoặc các chất xúc tác không tái sử dụng. Khả năng xúc tác của nano vàng không chỉ giới hạn ở các phản ứng oxy hóa-khử mà còn mở rộng sang các phản ứng ghép nối, hydro hóa và chuyển vị, đóng góp vào việc phát triển các quy trình tổng hợp hóa học hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng và ít chất thải hơn. Việc sử dụng nano Au từ xáo tam phân làm vật liệu xúc tác hứa hẹn sẽ tối ưu hóa các quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao tính bền vững trong hóa học công nghiệp.

3.1. Khả năng xúc tác của nano vàng trong phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ

Nano vàng thể hiện khả năng xúc tác vượt trội trong nhiều phản ứng hóa học hữu cơ phức tạp. Chúng là vật liệu xúc tác hiệu quả cho các phản ứng như oxy hóa CO ở nhiệt độ thấp, hydro hóa chọn lọc các hợp chất không no, phản ứng ghép nối C-C và C-N (ví dụ: phản ứng Sonogashira, Heck), cũng như các phản ứng khử nitro. Trong trường hợp nano Au từ xáo tam phân, sự có mặt của các hợp chất hữu cơ từ dịch chiết không chỉ ổn định hạt nano mà còn có thể tạo ra các tương tác bề mặt có lợi, làm tăng hoạt tính xúc tác. Diện tích bề mặt lớn và tỷ lệ nguyên tử bề mặt cao của nano vàng cho phép chúng hấp phụ tốt các chất phản ứng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển hóa. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc tổng hợp các hợp chất dược phẩm, hóa chất tinh khiết và polyme chức năng, nơi mà hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng là tối quan trọng. Việc ứng dụng nano Au trong các phản ứng này giúp giảm lượng chất thải, tăng hiệu quả sử dụng nguyên liệu và giảm tiêu thụ năng lượng.

3.2. Cơ chế hoạt động của nano Au xúc tác Từ lý thuyết đến thực tiễn

Cơ chế hoạt động của nano Au xúc tác phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt, hình dạng, cấu trúc tinh thể, trạng thái oxy hóa bề mặt và chất mang. Ở kích thước nano, vàng không còn là kim loại trơ mà trở nên rất hoạt động. Một trong những cơ chế chính là sự tương tác giữa bề mặt hạt nano vàng với các phân tử chất phản ứng, tạo thành các trạng thái chuyển tiếp năng lượng thấp, từ đó đẩy nhanh tốc độ phản ứng. Đối với các phản ứng oxy hóa, nano Au có khả năng hoạt hóa oxy phân tử, tạo ra các gốc oxy hoạt động mạnh. Trong trường hợp phản ứng khử, chúng có thể cung cấp electron hoặc vị trí hấp phụ cho hydro. Các electron trên bề mặt nano Au có thể tham gia vào việc hình thành liên kết mới hoặc phá vỡ liên kết cũ. Các hợp chất hữu cơ từ dịch chiết xáo tam phân bao phủ nano Au cũng có thể ảnh hưởng đến điện tích bề mặt và phân bố electron, từ đó tinh chỉnh khả năng xúc tác của nano vàng. Hiểu rõ cơ chế này là chìa khóa để thiết kế các vật liệu xúc tác nano Au có hiệu suất cao hơn và tính chọn lọc tốt hơn cho các ứng dụng nano Au cụ thể.

IV. Hiệu quả kháng khuẩn của nano Au từ xáo tam phân Tiềm năng y sinh học vượt trội

Sự gia tăng tình trạng kháng kháng sinh là một thách thức y tế toàn cầu nghiêm trọng, thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các tác nhân kháng khuẩn mới. Trong bối cảnh này, nano vàng đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ khả năng tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả mà ít gây ra sự phát triển đề kháng. Đặc biệt, nano Au từ xáo tam phân không chỉ kế thừa các đặc tính kháng khuẩn của nano vàng mà còn hưởng lợi từ tính sinh học và độ an toàn của nguồn gốc thực vật. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng nano Au có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn, bao gồm cả vi khuẩn Gram dương và vi khuẩn Gram âm, những tác nhân gây bệnh phổ biến. Tính chất này mở ra cánh cửa cho nhiều ứng dụng nano Au trong lĩnh vực y sinh học, từ việc chế tạo vật liệu y tế kháng khuẩn đến phát triển các loại thuốc kháng sinh mới. Hơn nữa, việc tổng hợp nano Au từ xáo tam phân bằng phương pháp hóa học xanh giúp giảm thiểu độc tính, làm cho chúng trở nên phù hợp hơn cho các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp với cơ thể sống. Tiềm năng này biến nano Au từ xáo tam phân thành một vật liệu nano hứa hẹn cho các giải pháp kháng khuẩn bền vững và an toàn hơn.

4.1. Đánh giá khả năng kháng khuẩn của nano vàng Phổ rộng và hiệu quả

Nano vàng đã được chứng minh có khả năng kháng khuẩn đối với một phổ rộng các vi sinh vật gây bệnh. Các nghiên cứu đánh giá thường sử dụng phương pháp đĩa khuếch tán hoặc đo nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC). Kết quả cho thấy nano Au từ xáo tam phân có thể ức chế hiệu quả sự phát triển của cả vi khuẩn Gram dương như Staphylococcus aureus và Bacillus subtilis, cũng như vi khuẩn Gram âm như Escherichia coli và Pseudomonas aeruginosa. Hiệu quả này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và nồng độ của hạt nano vàng. Các hạt nano có kích thước nhỏ hơn thường có diện tích bề mặt lớn hơn, dẫn đến khả năng tương tác và diệt khuẩn mạnh hơn. Sự có mặt của các hợp chất từ dịch chiết xáo tam phân trên bề mặt hạt nano cũng có thể tăng cường hiệu quả kháng khuẩn của nano Au, có thể thông qua cơ chế hiệp đồng hoặc tăng cường sự bám dính vào màng tế bào vi khuẩn. Điều này cho thấy tiềm năng to lớn của nano Au từ xáo tam phân trong việc phát triển các chất kháng khuẩn thế hệ mới, đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng y tế và vệ sinh.

4.2. Cơ chế diệt khuẩn của nano Au Tương tác với vi khuẩn Gram dương và Gram âm

Cơ chế diệt khuẩn của nano Au là đa diện và phức tạp, chủ yếu liên quan đến sự tương tác vật lý và hóa học với tế bào vi khuẩn. Một trong những cơ chế chính là sự phá vỡ tính toàn vẹn của màng tế bào vi khuẩn. Các hạt nano vàng có thể bám dính vào bề mặt tế bào, đặc biệt là thông qua các nhóm chức tích điện trên màng, gây ra sự mất cân bằng ion và rối loạn chức năng màng. Điều này dẫn đến rò rỉ các thành phần nội bào và cuối cùng là cái chết của tế bào. Đối với vi khuẩn Gram âm, có lớp màng ngoài, nano Au có thể vượt qua lớp này và tương tác trực tiếp với màng sinh chất. Ngoài ra, nano Au có khả năng tạo ra các gốc tự do (Reactive Oxygen Species - ROS), như superoxide và hydroxyl radical, gây tổn thương oxy hóa lên DNA, protein và lipid của tế bào vi khuẩn. Các gốc ROS này can thiệp vào quá trình hô hấp tế bào và tổng hợp ATP, làm suy yếu chức năng sống của vi khuẩn. Cuối cùng, nano vàng cũng có thể làm gián đoạn quá trình sao chép DNA và tổng hợp protein của vi khuẩn, ngăn chặn sự phát triển và sinh sản của chúng, đây là một trong những điểm khác biệt của khả năng kháng khuẩn của nano vàng so với kháng sinh truyền thống.

V. Nano Au từ xáo tam phân Hướng đi mới và triển vọng phát triển bền vững

Nghiên cứu về tổng hợp nano Au từ xáo tam phân đã mở ra một hướng đi đầy triển vọng trong việc phát triển vật liệu nano sinh học an toàn và hiệu quả. Việc tận dụng dịch chiết xáo tam phân không chỉ là một phương pháp tổng hợp nano vàng thân thiện với môi trường, mà còn khai thác tối đa tiềm năng của một nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá. Nano Au từ xáo tam phân đã chứng minh được khả năng xúc tác của nano vàng trong việc thúc đẩy các phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ và hiệu quả kháng khuẩn của nano Au chống lại cả vi khuẩn Gram dương và vi khuẩn Gram âm. Những ứng dụng nano Au này có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp hóa chất đến y tế và dược phẩm. Phương pháp hóa học xanh này không chỉ giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại và tiêu thụ năng lượng mà còn hứa hẹn tạo ra các sản phẩm nano vàng có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, vẫn cần nhiều nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quy trình sản xuất, kiểm soát chính xác kích thước và hình dạng của hạt nano, cũng như đánh giá toàn diện độc tính và tính tương thích sinh học của chúng. Việc phát triển nano Au từ xáo tam phân là một bước tiến quan trọng hướng tới một tương lai bền vững, nơi công nghệ tiên tiến hài hòa với bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

5.1. Những ưu điểm nổi bật của nano vàng tổng hợp từ thực vật

Nano vàng tổng hợp từ thực vật, đặc biệt là từ xáo tam phân, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Đầu tiên, đây là một phương pháp hóa học xanh, sử dụng các nguyên liệu tự nhiên, không độc hại và tái tạo được, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thứ hai, quá trình này thường đơn giản hơn, ít tốn kém hơn và không đòi hỏi điều kiện phản ứng khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất lớn). Thứ ba, các hợp chất sinh học trong dịch chiết thực vật không chỉ hoạt động như chất khử mà còn đóng vai trò là chất ổn định, giúp duy trì kích thước và độ phân tán của hạt nano, tăng cường tính bền của sản phẩm. Cuối cùng, các đặc tính sinh học vốn có của thực vật có thể truyền sang nano vàng, làm tăng cường hiệu quả kháng khuẩn của nano Au hoặc các tính chất dược lý khác, mở rộng tiềm năng ứng dụng nano Au trong lĩnh vực y sinh học. Những ưu điểm nổi bật của nano vàng này làm cho chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng công nghệ nano trong tương lai.

5.2. Tiềm năng và định hướng nghiên cứu tương lai cho nano Au sinh học

Tiềm năng của nano Au từ xáo tam phân là vô cùng lớn, mở ra nhiều định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cần có thêm các nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế chính xác mà các hợp chất trong xáo tam phân tương tác với ion vàng và ảnh hưởng đến hình thái hạt nano. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp để kiểm soát chặt chẽ kích thước và hình dạng nano vàng là một mục tiêu quan trọng. Hơn nữa, cần đánh giá chi tiết tính tương thích sinh học và độc tính in vitro/in vivo của nano Au sinh học này trước khi đưa vào các ứng dụng y tế. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm: phát triển vật liệu băng bó vết thương kháng khuẩn, hệ thống vận chuyển thuốc đích trong điều trị ung thư, cảm biến sinh học nhạy bén, và các chất xúc tác thân thiện với môi trường cho công nghiệp. Ngoài ra, việc kết hợp nano Au từ xáo tam phân với các vật liệu nano khác hoặc polyme sinh học cũng là một hướng đi hứa hẹn để tạo ra các vật liệu nano đa chức năng với hiệu suất cao hơn. Sự phát triển liên tục trong lĩnh vực này sẽ góp phần vào việc hiện thực hóa các ứng dụng nano Au bền vững và mang lại lợi ích cho xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT 1. Giới thiệu về công nghệ nano 1. Khái niệm Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanometer (1nm = 10-9m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có được những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích bề mặt ngoài [13].

Công nghệ nano chỉ mới thực sự phát triển và phổ biến rộng rãi từ khi cách mạng 4. Tính đến hiện tại, nó đã góp một phần không nhỏ đến cuộc sống của con người, chẳng hạn như kem chống nắng, mỹ phẩm, dệt may và thiết bị. Công nghệ nano cũng đang được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực phân phối thuốc, cảm biến sinh học và các ứng dụng y sinh khác [14]. Chính vì vậy, công nghệ nano đại diện cho một con đường cách mạng để phát triển công nghệ liên quan đến vật liệu ở quy mô nanometer.

Công nghệ nano theo nghĩa đen bao gồm các hệ thống hóa học, vật lý và y học ở quy mô khác nhau và tạo ra nhiều ứng dụng mới mẻ, chính điều này đã thay đổi quan điểm và kỳ vọng của những người nghiên cứu, và từ đó giúp giải quyết các vấn đề toàn cầu. Kích thước vật liệu nano – thành phần sinh học 1. Nguồn gốc hình thành Richard Feynman, một nhà vật lý người Mỹ, là người đầu tiên đề xuất về các lý thuyết và khái niệm về công nghệ nano vào năm 1959. Như ông đã từng viết “There’s plenty of room at the bottom”.

Nói cách khác, khi một trong những kích thước của vật thể được làm thành rất nhỏ thì sẽ xuất hiện các tính chất mới mà vật thể kích thước lớn không có. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi, một nhà nghiên cứu Nhật tại trường Tokyo sử dụng để đề cập đến khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của vi mạch điện tử. Đầu thế kỉ XXI, lĩnh vực này đã thu hút được sự chú ý về mặt khoa học, chính trị và thương mại [15,16]. 2 Năm 2000, công nghệ nano ngày nay đã ngày càng thu hút đối với các nhà nghiên cứu và các nhà đầu tư, bởi lẽ đó, việc thúc đẩy phát triển khoa học và công nghệ vẫn luôn là việc ưu tiền hàng đầu.

Sự thu hút và tiến bộ nhanh chóng của ngành công nghệ nano đã dẫn đến các cuộc tranh luận sôi nổi xoay quanh về thuật ngữ về công nghệ nano. Vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanometer (nm). Vật liệu nano có thể tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng, khí, trong đó vật liệu nano rắn đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất [17,18]. Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại dựa trên hình dạng: Vật liệu nano ba chiều: là vật liệu cả ba chiều đều có kích thước nanometer, ví dụ như là đám nano, keo nano và hạt nano… Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó chỉ có hai chiều kích thước nanometer, ví dụ như là màng nano… Vật liệu nanocomposite: là vật liệu trong đó chỉ một phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó có cả ba chiều, hai chiều và một chiều đan xen nhau.

Ví dụ: nanocomposite bạc/vàng…). Giới thiệu hạt nano 1. Khái niệm Khái niệm “hạt nano” được nhắc đến vì kích thước siêu nhỏ (1 – 100 nm) và tính năng vượt trội mà nó mang lại. Các hạt nano được phân loại theo đường kính, chẳng hạn như các hạt nano hay các hạt siêu mịn có kích thước từ 1 – 100 nm, hạt mịn thì có kích thước 100 – 2.500 nm, và các hạt thô với đường kính có thể lên đến 10.

Tính chất của hạt nano 1. Tính chất quang học Nhờ việc tích hợp các hạt nano như vàng, bạc và các kim loại khác trong vật liệu thủy tinh, người La Mã đã thành công sản xuất các mặt hàng thủy tinh với nhiều màu sắc khác nhau nhờ vào tính chất quang học của vật liệu. Đây là kết quả của hiện tượng cộng hưởng plasma trên bề mặt vật liệu mang lại nhờ có các điện tử tự do trong các hạt nano. Các hạt electron tự do trong kim loại sẽ dao động khi tác dụng với một điện trường, từ đó dẫn đến sự bức xạ điện tử, nhờ vậy mà các hạt nano có tính chất quang học.

Tính chất điện Bởi vì kim loại chứa một số lượng lớn các điện tử tự do, chúng có tính dẫn điện vượt trội hoặc điện trở thấp. Cấu trúc dải năng lượng của vật rắn đóng vai trò là tiền đề cho các luận cứ về độ dẫn điện của vật liệu dạng khối. Điện trở của kim loại là do dao động nhiệt của mạng tinh thể và bức xạ của các electron bị tán xạ bởi các hạn chế của mạng tinh thể (phonon). Theo định luật Ohm: 𝑈 = 𝐼 × 𝑅, nhóm các electron chuyển động trong dòng điện (I), chịu tác dụng của điện trường (U), hai đại lượng này có mối tương quan mật thiết với nhau.

Theo định luật Ohm, cho thấy đường I – U là một đường tuyến tính. Cấu trúc dải năng 3 lượng trở nên rời rạc do hiệu ứng lượng tử khi vật liệu nhỏ đi. Bên cạnh đó, I – U sẽ không còn khả năng tuyến tính do kết quả của quy trình lượng tử hóa này đối với các hạt nano, nhưng lúc này sẽ xuất hiện một hiện ứng được gọi là hiệu ứng chắn (Coulomb blockade). Tính chất từ Do hiệu ứng bù trừ của các cặp electron, các kim loại quý như vàng, bạc và những kim loại khác có tính nghịch từ ở trạng thái khối lượng lớn.

Vì vật liệu có từ tính khá mạnh, nên việc điều chỉnh nói trên sẽ không còn hoàn thiện khi chất nhỏ dần. Do kích thước siêu nhỏ, các kim loại sắt từ ở trạng thái khối lượng lớn, chẳng hạn như Coban và Niken, sẽ phá vỡ trật tự sắt từ và chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Khi không có từ trường, nghĩa là lực cưỡng bức bằng 0 – các vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ hoàn toàn không có từ tính mạnh cũng như không có từ tính. Tính chất nhiệt Độ bền của liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể được xác định thông qua điểm nóng chảy của vật liệu.

Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối trí thấp hơn so với các nguyên tử bên trong, làm cho việc tổ chức chúng thành một trạng thái khác rất đơn giản. Như vậy, nếu kích thước của các hạt nano giảm thì nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Các phương pháp tổng hợp nano 1. Phương pháp tổng hợp từ trên xuống (Top – Down) Hai kỹ thuật công nghệ nano điển hình là nghiền cơ học và phân tán chất lỏng.

Những viên bi được tạo thành từ các vật liệu siêu cứng, sau đó được trộn với vật liệu dạng khối và quy trình này được thực hiện trong một cái cối. Vật liệu khối bị phá vỡ thành kích thước nano do va chạm qua lại giữa vật liệu và các viên bi, từ đó, ta thu được các hạt nano không chiều. Phương pháp tổng hợp từ dưới lên (Bottom– Up) Các nguyên tử và thường là các phân tử được ghép nối để tạo ra vật chất có cấu trúc kích thước mới, nhằm tạo ra vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Khả năng thích ứng và sự xuất sắc trong việc hình thành sản phẩm ảnh hưởng đáng kể đến phương pháp từ dưới lên.

Phương pháp cơ khí nano 1. Từ dịch chiết thực vật – hóa học xanh Việc ứng dụng nguyên tắc hóa học xanh vào kỹ thuật nano đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi cho đến ngày nay. Do đó, việc hiểu và vận dụng các phương pháp có tính thân thiện với môi trường trong việc tổng hợp nano vẫn đang được các nhà nghiên cứu khai thác. Phương pháp sử dụng các hóa chất và dung môi sạch, không có chất gây ô nhiễm và hơn hết là tận dụng được khả năng tái tạo vật liệu, vì vậy hạn chế được những rủi ro gây ô nhiễm môi trường.

Bên cạnh đó, giảm thiểu được vấn đề về kinh tế và tổng hợp nano bằng việc sử dụng dịch chiết thực vật – thủy nhiệt trong môi trường nước ở nhiệt độ phòng trở nên rất dễ dàng đạt được năng suất cao. Nhờ chứa nhiều thành phần, bao gồm acid ascorbic, acid sorbic, euphol, polyhydroxy limonoid, peptide…Các nhà khoa học cho rằng có thể tạo ra các hạt nano kim loại, bao gồm cả bạc và vàng bằng việc sử dụng tảo, nấm và nhiều loại thực vật khác mà không cần bổ sung thêm bất kì tác nhân khử nào. Ngoài ra, các chất hoạt tính như protein, acid amin, enzyme, polysaccharide, saponin,… góp phần tạo ra nano bạc với cấu trúc cực kì bền. Hai tác giả là Saraschandra Naraginti và Yi Li đã nghiên cứu về công trình “Khảo sát sơ bộ về chất xúc tác, chất chống oxy hóa, chất chống ung thư và hoạt động diệt khuẩn của nano bạc và vàng từ dịch chiết nước quả Actinidia deliciosa”.

Ở đây, tác giả đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt, một phương pháp tốn chi phí thấp, nhanh chóng bằng cách sử dụng Actinidia deliciosa chiết xuất từ trái cây thêm vào một lượng HAuCl4r và AgNO3 để tổng hợp các hạt nano vàng, bạc. Trong bài nghiên cứu, tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại và nhiệt độ phản ứng đến tốc độ hình thành, cũng như hình dạng, kích thước các hạt nano vàng, bạc [20]. Bên cạnh đó, ở Việt Nam, tác giả Phùng Minh Tân với sự hướng dẫn của TS. Đoàn Văn Đạt và TS.

Nguyễn Thành Danh đã thực hiện nghiên cứu công trình “Tổng hợp nano vàng, bạc bằng dịch chiết vỏ quả dừa nước, ứng dụng làm vật liệu xúc tác và kháng khuẩn”. Công trình nghiên cứu đã được hoàn thành và xuất bản tại trường Đại học Công nghiệp TP.HCM – khoa Công nghệ Hóa học. Tác giả đã tổng hợp các hạt nano Ag bằng dịch chiết của vỏ quả dừa nước kết hợp với Ag+ (AgNO3) bằng phương pháp hóa học xanh (phương 5 pháp thủy nhiệt). Trong bài nghiên cứu, tác giả đã khảo sát các thông số tối ưu như là nồng độ, thời gian, nhiệt độ, tỉ lệ dịch chiết để ứng dụng vào khả năng phân hủy của các hợp chất hữu cơ và khả năng kháng khuẩn [21].

Tổng hợp dung dịch keo Vào giữa thế kỉ XIX, Michael Faraday đã tiến hành thực nghiệm tổng hợp nano dung dịch keo.