Đặt vấn đề Silica, với công thức hóa học là SiO2, đây được cho là một hợp chất phổ biến có mặt trên Trái đất. Trong tự nhiên, silica có thể tồn tại ở nhiều trạng thái tinh thể hay dạng vô định hình khác nhau. Tùy theo nguồn gốc hình thành mà silica (ở dạng đơn chất) có dải phân bố kích thước khá rộng, trải dài từ milimeter đến nanometer. Ở hình dáng dạng hạt dưới kích thước nanometer, hạt nanosilica đem đến những ưu điểm vượt trội hơn so với nhiều dạng hạt ở kích thước lớn hơn, mang lại hiệu quả cao trong quá trình dẫn truyền thuốc, được sử dụng làm chất hấp phụ hay vật liệu y sinh.
Hiện nay, quy trình tổng hợp hạt nanosilica được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó, tổng hợp nanosilica theo phương pháp kết tủa được xem như là một trong những phương pháp đơn giản, thông dụng và phù hợp với quy mô nghiên cứu phòng thí nghiệm. Nguồn phế phẩm nông nghiệp như vỏ trấu có nhiều tiềm năng, phạm vi ứng dụng rộng rãi với nhu cầu đời sống thực tiễn hiện nay, như sử dụng làm chất đốt hay vật liệu xử lý nước thải. Bên cạnh đó thì vỏ trấu cũng được xem như là một nguồn nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp ra hạt silica mang kích thước nanometer, vì hàm lượng silica có trong vỏ trấu tương đối cao.
Hơn nữa, Việt Nam là một quốc gia gắn liền với nền văn minh lúa nước, là đất nước có sản lượng xuất khẩu lúa gạo lớn trên Thế Giới, việc tái sử dụng vỏ trấu không chỉ làm giảm chi phí xử lý nguồn phế phẩm nông nghiệp nói trên, mà còn giúp giảm tải gánh nặng và bảo vệ môi trường, đồng thời thì đây cũng là một nguồn cung cấp nguyên liệu dồi dào, mang lại hiệu quả và tính kinh tế trong nghiên cứu. Bên cạnh nguồn phế phẩm nông nghiệp là vỏ trấu mang tính ứng dụng cao trong quá trình tổng hợp hạt silica mang kích thước nanometer, thì song song đó lõi ngô cũng là một nguồn nguyên liệu dồi dào để đáp ứng cho công việc nghiên cứu được đề cập trên. Việt Nam là một quốc gia có nền phát triển nông nghiệp, đạt sản lượng nông sản cao hằng năm, việc tận dụng lõi ngô để phục vụ trong việc nghiên cứu tổng hợp hạt nano không chỉ làm giảm tải nguồn phế phẩm thải ra gây ô nhiễm môi trường, mà còn góp phần làm giảm thiểu lượng khí CO2 khi mà hiện nay chúng ta thường sử dụng phương pháp đốt hoặc vứt bỏ để xử lý nguồn phế phẩm nông nghiệp nói trên.2 Tình hình thực tế 1.1 Tình hình quốc tế Trên thế giới, nhiều quy trình nghiên cứu tổng hợp hạt silica mang kích thước nanometer đã đạt được những thành tựu nhất định. 3 Với nhiều tính chất và đặc điểm vượt trội mà bản thân chúng mang lại, hạt có tiềm năng lớn nhằm ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, tuy nhiên thì gần đây nhất, các nghiên cứu về việc tổng hợp hạt nanosilica, lại chủ yếu tập trung vào các ứng dụng như cảm biến sinh học và chất vận chuyển thuốc [3].
Việc tổng hợp hạt nanosilica bằng phương pháp kết tủa ngày càng phổ biến và dễ dàng hơn với quy mô phòng thí nghiệm. Nghiên cứu của Majid Monshizadeh, Masoud Rajabi, Mohammad Hossein Ahmadi và Vahid Mohammadi đã nghiên cứu và tổng hợp thành công hạt nanosilica từ vỏ trấu đạt kích thước từ 10 (nm) – 30 (nm) bằng phương pháp kết tủa [4]. Tương tự với nghiên cứu của Nittaya Thuadaij và Apinon Nuntiya, cũng đã nghiên cứu và tổng hợp thành công bột nanosilica bằng vỏ trấu với phương pháp kết tủa, đạt kích thước hạt dao động trong khoảng từ 5 (nm) – 10 (nm) [5]. Đối với tình hình nghiên cứu sử dụng lõi ngô để tổng hợp hạt nanosilica, cho đến nay, đã có một vài nghiên cứu thành công trong lĩnh vực này.
Có thể kể đến là nghiên cứu của tác giả K. Sivakumar đã tổng hợp thành công hạt nanosilica từ lõi ngô với phương pháp kết tủa, bài nghiên cứu cũng đề cập đến sự ảnh hưởng của nồng độ dung dịch và hóa chất đến chất lượng sản phẩm cuối cùng [6]. Ngoài ra, còn có nghiên cứu của Elvis A. Okoronkwo, Patrick Ehi Imoisili, Smart A.
Olubayode và Samuel O. Olusunle thông qua phương pháp sol – gel tổng hợp thành công hạt nanosilica từ lõi ngô đạt kích thước từ 44 (nm) – 98 (nm), với kích thước trung bình đạt 55 (nm) [7]. Qua đó, ta thấy việc tổng hợp hạt nanosilica từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả trên Thế giới, đặc biệt là sự tổng hợp hạt nanosilica từ nguồn phế phẩm nông nghiệp như vỏ trấu hoặc lõi ngô.2 Tình hình trong nước Hiện nay, ở Việt Nam, tác giả Nguyễn Thị Ngọc Thơ thuộc Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu cũng đã nghiên cứu tổng hợp thành công hạt nanosilica từ nguồn tro trấu thông qua phương pháp kết tủa, đạt giá trị kích thước hạt dao động trong khoảng từ 8 (nm) – 15 (nm) [8]. Tương tự với nghiên cứu của tác giả Nguyễn Trí Tuấn cùng với các cộng sự của mình, đã tổng hợp thành công hạt nano SiO2 từ tro vỏ trấu bằng phương pháp kết tủa, đạt kích thước hạt trung bình xấp xỉ 15 (nm) [9].
Riêng đối với việc nghiên cứu tổng hợp nanosilica từ lõi ngô, cho đến nay vẫn chưa tìm thấy bài viết nào được công bố. Qua đó cho thấy việc nghiên cứu và tổng hợp hạt nanosilica đã đạt được những thành quả nhất định với quy mô phòng thí nghiệm cũng như từng bước làm tiền đề ứng dụng những kết quả nghiên cứu này vào thực tiễn.3 Mục tiêu - Tổng hợp hạt nanosilica từ nguồn nguyên liệu là vỏ trấu. - Tổng hợp hạt nanosilica từ nguồn nguyên liệu là lõi ngô.4 Nhiệm vụ - Xử lý nhiệt vỏ trấu và lõi ngô để thu được sản phẩm là tro. - Hòa tan tro trong môi trường kiềm (NaOH) - Trung hòa trong dung dịch acid (HCl) - Thực hiện các quá trình ly tâm, lọc rửa, đông sâu và đông khô nhằm thu được sản phẩm là nanosilica dạng bột mịn.
- Đánh giá kết quả thông qua các phương pháp SEM, FTIR và XRD.5 Vật liệu nano 1.1 Khái niệm về vật liệu nano Vật liệu nano được xem là nền tảng của khoa học nano và công nghệ nano. Là loại vật liệu có cấu trúc dưới dạng các hạt, các sợi, các ống hoặc các tấm mỏng với kích thước rất đặc trưng, dao động trong khoảng từ 1 (nm) – 100 (nm) so sánh được với kích thước của tế bào (10 nm – 100 nm) [10]. Đây là dạng vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn, dẫn đến khả năng tiếp xúc tốt, giúp gia tăng hiệu quả trong tương tác [11].2 Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là loại vật liệu mà trong đó có ít nhất một chiều nằm ở kích thước nanometer. Ta có thể phân loại vật liệu nano dựa trên hai hình thức bao gồm: trạng thái của vật liệu và hình dáng của vật liệu.
Về trạng thái của vật liệu, bao gồm 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Trong đó, vật liệu nano được tập trung nghiên cứu chủ yếu ở hiện nay là vật liệu nano rắn, sau đó đến vật liệu nano lỏng và cuối cùng là vật liệu nano khí. Ngoài ra, ta còn có thể phân loại vật liệu nano dựa trên hình dáng của chúng, bao gồm: vật liệu nano không chiều, vật liệu nano một chiều và vật liệu nano hai chiều. Ngoài ra còn có vật liệu mang cấu trúc nano hay nanocomposite.
Trong đó, vật liệu nano không chiều, tức cả ba chiều đều có kích thước nano, ví dụ đám nano và hạt nano. Với vật liệu nano một chiều, đây là loại vật liệu mà trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ dây nano và ống nano. Còn đối với vật liệu nano hai chiều, là loại vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ màng mỏng [12]. Ngoài ra, còn có vật liệu mang cấu trúc nano hay nanocomposite, với một phần của vật liệu có kích thước nanometer, hoặc cấu trúc của vật liệu có nano không chiều, nano một chiều hay nano hai chiều đan xen lẫn nhau [8].3 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano ❖ Phương pháp từ trên xuống Tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo ra sản phẩm nano từ các hạt có kích thước lớn hơn.
Phương pháp này có thể được tiến hành thông qua nhiều hình thức khác nhau, ví dụ như với phương pháp cơ học (bằng cách nghiền, cán, đùn hoặc mài), hoặc theo phương pháp vật lý (bằng các kỹ thuật quang khắc hoặc có thể sử dụng chùm tia X, chùm điện tử, chùm ion) hay với phương thức hóa học (bằng cách ăn mòn) để tạo ra sản phẩm có cấu trúc nano. Với các phương pháp được trình bày như trên thì phương pháp cơ học được xem như là một trong những phương pháp ít tốn kém nhất, không chỉ đơn giản mà lại còn rất hiệu quả trong việc tạo ra các vật liệu có kích thước nano. Với phương pháp này thì thiết bị nghiền dạng bi được xem là một công cụ mang lại hiệu quả cao và được ứng dụng với quy mô công nghiệp [13]. ❖ Phương pháp từ dưới lên Vật liệu nano tổng hợp theo phương pháp từ dưới lên được hình thành dựa trên các nguyên tử hoặc phân tử thông thường thành các cấu trúc vật chất mới với kích thước nano [13].
Phương pháp này có thể phân loại theo nhiều hình thức khác nhau, điển hình là hai phương pháp kết tủa và phương pháp sol – gel, phương pháp này được phát triển mạnh mẽ bởi tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.4 Ứng dụng của vật liệu nano Vật liệu nano với đặc tính tồn tại dưới dạng kích thước nanometer, không những mang kích thước nhỏ mà diện tích bề mặt còn lớn, tạo ra những đặc tính ưu việt, đây được cho là loại vật liệu có tiềm năng lớn và hiện đã được ứng dụng rộng rãi trong khắp nhiều lĩnh vực khác nhau như trong xây dựng, y tế, năng lượng hoặc về mặt nông nghiệp. Về xây dựng, nhờ có kích thước nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, giúp gia tăng các tính chất cơ học như độ cứng, độ bền, độ dẻo vượt trội, ngoài ra còn có khả năng tự làm sạch, kháng khuẩn và khử khuẩn bề mặt vật liệu. Với nghành công nghiệp ô tô, thì có khả năng tạo ra các lớp phủ chống ăn mòn và mài mòn, giảm sự tác động từ các yếu tố bên ngoài môi trường để từ đó giúp gia tăng tuổi thọ sản phẩm. Sử dụng vật liệu nano hoặc công nghệ nano, giúp tạo ra các vật liệu siêu nhẹ, phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác hiện nay.