LỜI MỞ ĐẦU Từ xƣa đến nay, bạc đã đƣợc biết đến nhƣ một chất có khả năng kháng độc, diệt khuẩn. Ngày nay, cùng với sự ra đời và phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ nano, bạc đã và đang trở thành đề tài đáng quan tâm, chú ý của các nhà nghiên cứu khoa học. Chức năng và đặc trƣng chính của nano bạc [15]: Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh. Không có hại cho sức khỏe con ngƣời với liều lƣợng tƣơng đối cao, không có phụ gia hóa chất.
Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực nhƣ nƣớc và trong các dung môi không phân cực nhƣ benzene, toluene). Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dƣới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thƣờng. Ổn định ở nhiệt độ cao. Chính nhờ các chức năng và đặc trƣng trên mà nano bạc đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống nhƣ ứng dụng cho vật liệu kháng khuẩn, vật liệu chống tĩnh điện, vật liệu cảm biến sinh học,… Có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau để tổng hợp nano bạc nhƣ: Phƣơng pháp hóa học [28]: chủ yếu sử dụng các hóa chất có khả năng khử ion bạc thành nguyên tử bạc, sau đó các nguyên tử này sẽ kết hợp lại với nhau để tạo ra các hạt nano bạc.
Điển hình điều chế các hạt nano bạc từ chất khử ascorbic axit, Citric axit, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol, Ethylene Glycol… Phƣơng pháp vật lý: phƣơng pháp này thƣờng sử dụng các tác nhân vật lý nhƣ điện tử [17], sóng điện từ năng lƣợng cao nhƣ tia gamma [41], tia tử ngoại [26], tia laser [16],… để khử ion bạc thành các hạt nano bạc. Một thí dụ sử dụng phƣơng pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc là dùng các tia laser xung có bƣớc sóng 500nm, độ rộng xung 8sn, tần số 10Hz, công suất 12-17mJ [16]. Phƣơng pháp khử hóa lí: đây là phƣơng pháp trung gian giữa phƣơng pháp hóa học và phƣơng pháp vật lý. Để tạo hạt nano bạc, ta sẽ sử dụng phƣơng pháp điện phân kết hợp với siêu âm [46].
Phƣơng pháp sinh học: đối với phƣơng pháp này ta sẽ dùng vi khuẩn, virus (vi khuẩn Fusarium oxysporum PTCC 5115, vi khuẩn MKY3,…) làm tác nhân để khử ion kim loại [44]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -x Mỗi phƣơng pháp đều có các ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Chẳng hạn, đối với phƣơng pháp hóa học để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau. Phƣơng pháp này đơn giản nhƣng bị giới hạn bởi một số chất khử.
Còn đối với phƣơng pháp sinh học thì đơn giản, thân thiện với môi trƣờng và có thể tạo hạt với số lƣợng lớn. Nhƣng nhìn chung, phần lớn các phƣơng pháp ấy không cho kết quả hạt nano đồng nhất về kích thƣớc và hình dạng. Gần đây, phƣơng pháp vi nhũ tƣơng đƣợc sử dụng nhiều trên thế giới để chế tạo hạt nano bạc do khả năng điều khiển kích thƣớc hạt dễ dàng của nó nhƣng ở Việt Nam lại có rất ít nhóm nghiên cứu theo hƣớng này. Mục tiêu của luận văn này là tổng hợp nano bạc bằng phƣơng pháp vi nhũ tƣơng và ứng dụng để kháng khuẩn, thứ nhất nhằm khắc phục nhƣợc điểm của các phƣơng pháp trên - đạt đƣợc các hạt nano bạc có kích thƣớc nhỏ cỡ vài nanomet và đồng đều, thứ hai để làm bƣớc đệm cho những nghiên cứu tiếp theo về phƣơng pháp vi nhũ tƣơng.
Đồng thời, bƣớc đầu chúng tôi còn khảo sát thêm tính năng pha tạp của nano bạc trong chất nền TiO2. Đây là một đề tài nghiên cứu mới và vô cùng hấp dẫn, chứng tỏ vai trò quan trọng của nano bạc trong việc tăng cƣờng khả năng tự làm sạch và diệt khuẩn của TiO2 mà không cần đòi hỏi đến sự chiếu xạ UV. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về vật liệu nano 1.
Các khái niệm cơ bản Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano và công nghệ nano. Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc: Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tƣợng và sự can thiệp vào vật liệu theo các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Với quy mô này, tính chất của vật liệu khác hẳn so với tính chất của chúng ở các quy mô lớn hơn. Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trƣng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thƣớc trên quy mô nanomét.
Vật liệu nano là đối tƣợng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thƣớc của vật liệu nano từ 0,1 nm đến 100 nm. Tính chất vật liệu nano [8][34] Vật liệu nano có những tính chất rất đặc biệt khác hẳn với tính chất của các nguyên tố cùng loại ở kích thƣớc khối. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiệu ứng sau đây: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là nS = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = nS/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano.
Nhƣ vậy, nếu kích thƣớc của vật liệu giảm (r 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 lòng vật liệu nên khi kích thƣớc vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thƣớc của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên 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 thƣớc vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục.
Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thƣớc, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngƣợc lại.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu.1: Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu. Đƣờng kính Tỉ số nguyên tử Năng lƣợng Năng lƣợng bề Số hạt nano trên bề mặt bề mặt mặt trên năng nguyên tử (nm) (%) (erg/mol) lƣợng tổng (%) 10 30. Hiệu ứng kích thƣớc [8] Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trƣng.
Độ dài đặc trƣng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thƣớc nm. Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thƣờng nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trƣng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu có thể so sánh đƣợc với độ dài đặc trƣng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trƣng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trƣớc đó.
Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thƣớc, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhƣng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thƣớc nào.
Ví dụ, đối với kim loại, quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thƣớc của dây rất lớn so với quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thƣớc của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đƣờng tự do trung mình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lƣợng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng đó Planck.
Lúc này hiệu ứng lƣợng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống nhƣ độ dẫn, tức là bị lƣợng tử hóa do kích thƣớc giảm đi. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lƣợng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lƣợng tử).2 cho thấy giá trị độ dài đặc trƣng của một số tính chất của vật liệu. Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomét.
Về trạng thái của vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân ra thành các loại sau: Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thƣớc nano), ví dụ đám nano, hạt nano. Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano, cụ thể là dây nano, ống nano ,.