Hóa Học Nano - Công nghệ nền và vật liệu nguồn 5

184 Nguyễn Đức Nghĩa Tuy nhiên trong dung dịch nước ở nồng độ micell tới han critical micelle concentration: CMC của chúng, các chất hoạt động bề mặt có thé được hấp phụ lên bề mặt tắm p

Chương 4 Công nghệ tự lắp ghep phan ty 177

cơ chế: dùng bức xạ tử ngoại hoặc nhiệt hóa các alken thành những radical, khi các alken tiếp xúc trên bề mặt silicon nó phản ứng với nguyên tử hydro phủ trên mặt và hình thành SAM-alkyl ta có thể hoạt hóa bể mat silicon tạo ra bề mặt chức năng, ví dụ như gắn nhóm DNA, polypeptit, nhóm hoạt tính sinh học để chế tạo các sensor sinh học (hình

4.8)

wa Lif

%* ADN, Pretein, cacbonhydrat và phối tử sinh học

Hình 4.8 Sự hình thành SAM-alkyl trên bẻ mặt Si-H

11.3.2 SAM- dihydroxyphenylethylamine (Dopamine)

Hợp chất dopamine có khả năng tạo liên kết tốt trên bể mặt của các chất oxit sắt, titan, thép Vi vậy nó được sử dụng nhiều trong tạo màng mỏng SAM trên bề mặt của các chất này đồng thời hoạt hóa bề mặt của

nó Nếu nhóm cuối của gốc alkyl có chức năng là chất khơi mào cho phản ứng trùng hợp polyme thì người ta có thể chế tạo được vật liệu composit có khả năng tương hợp cao do liên kết hóa học giữa các phân

tử polyme với kim loại Quá trình hình thành SAM dopamine được trình bày trong hình 4.9

Hình 4.8 Cơ chế hình thành SAM dopamine SAM dopamine là phương pháp tạo hạt nano rất hiệu quả như tạo hạt nano từ tính, tao hat ligand sinh hoc Qua trinh tạo màng hữu cơ bọc ngoài các hạt nano kim loại xảy ra theo cơ chế trùng hợp ghép bề mặt (living radical surface graft polymerization) (Hinh 4.10)

Nhu ta da biét titan va titan hợp kim cùng những kim loại khác như thiếc, sắt, nhôm, đồng rất dễ bị oxi hóa, vì vậy dé bao vệ bề mặt của các vật thể kim loại này người ta tạo một lớp màng mỏng theo phương pháp SAM bằng hợp chất alkanephosphoric axit (gọi tắt là SAM-AP) Quá trình tạo SAM-AP rất đơn giản thông qua xử lý bề mặt kim loại trong dung dịch alkanephosphoric axit với sự gia nhiệt nhẹ SAM-AP hình thành như hình 4.11

Hình 4.11 Hình thành SAM- AP

Chương A Công nghệ tự lớp ghep phân từ 179

1L4 Điầu chính tính chất bê mặt theo công nghệ SAIM

1.41 Điều chính nhóm chức năng

Một ứng dụng của SAM là bảo vệ bề mặt kim loại chống oxy hóa và làm mêm hóa vật liệu Trong kỹ thuật cao người ta lợi dụng quá trình tạo SAM để tạo các nhóm chức hoạt tính trên bề mặt của vật liệu Nhờ những nhóm chức này để chế tạo các vật liệu cảm biến, vật liệu kỹ thuật mẫu dưỡng (patterning) Vì vậy, việc nghiên cứu điều chỉnh nhóm chức của các phân tử hữu cơ tạo SAM đóng vai trò quan trọng Với việc thay đổi nhóm chức ta có thể điều chỉnh câu trúc và đặc tính bề mặt của vật liệu Ví dụ như nhóm chức cuối của phân tử hữu cơ là -CH; bề mặt vật liệu có tính chất ky nước, nhưng nếu nhóm chức là -OH hoặc -COOH thì vật liệu có tính ưa nước Bằng việc điều chỉnh nhóm chức ta có thể phủ trên bể mặt lớp hạt nano từ dung dịch có chứa nano Gần đây việc ứng dụng hoạt tính sinh học trên bề mặt đã đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo hạt mang thuốc kích thước nano, Hình 4.12 là so đỗ thiết kế tạo

bề mặt có tính năng kết hợp chọn lọc với các tế bào của nhóm ethylenglycol

Hình 4.12 Mô hình màng mỏng tính năng kết hợp chọn lọc tế bào

1Ị4.2 Điều khiển hoạt tỉnh bề mặt động dựa vào khả năng nhạy cảm điểu kiện

114.2.1 Điều khiến tính ưa nude (Wettability Switching)

Như ta đã biết hợp chất azobenzen khi có tác dụng của ánh sáng thì cấu trúc phân tử của nó thay đổi theo trạng thái đồng hình cis-trans Cụ

180 Nguyễn Đức Nghia

thể khi ta bức xạ ánh sáng tử ngoại UV có bước sóng À = ~ 365nm thi phân tử azobenzen có câu tạo cis Nhưng khi bức xạ ánh sáng xanh ở bước sóng À = 365nm thì phân tử này chuyển sang cấu tạo trans bền vững Với sự biến đổi cấu trúc như vậy, khi được phủ trên bề mặt của SAM, phân từ làm thay đổi tính ưa nước của nó Nhóm các nhà khoa học Ichimura đã nghiên cứu quá trình thay đổi này và đưa ra sơ đồ cấu trúc

và tính ưa nước như hình 4.13

Hình 4.13 Đặc tính ưa nước thay đổi của màng SAM có nhóm

azobenzen dưới tác dụng của ánh sáng Ngoài tác dụng bức xạ ánh sáng, khi ta thay đổi điện tích hoặc từ tính

bể mặt SAM ta cũng nhận được hiệu ứng điều khiển tính ưa nước của bề mặt có vật liệu SAM nhự nhóm Langer đã tiễn hành thí nghiệm thay đổi điện tích bề mặt của SAM Trong trường hợp nhóm chức mang điện tích

âm, khi điều khiển điện ap bé mat mang điện tích âm, do tác dụng điện tích trái đấu nên nhóm chức bi day lên cao Trên bề mặt SAM hình thành các nhóm ưa nước, vì vậy SAM có tính ưa nước cao Ngược lại khí thay đổi điện tích kim loại là điện tích dương, lúc này do tác dụng lực điện trường các nhóm chức điện âm bị hút xuống, đồng thời mạch eacbon trung gian nổi lên trên bề mặt, vì vậy SAM có đặc tính ky nước Lợi dụng hiệu ứng thay đổi này người ta có thể chế tạo sensor màng đơn phân tử

114.2.2 Hiệu ứng hoạt tính sinh học

Hiệu ứng thay đổi tính chất bề mặt SAM theo tính chất điện đã được nghiên cửu ứng dụng chế tạo vật liệu có bề mặt hoạt tính sinh học Nhóm nghiên cứu của MrKsich đã tiến hành chế tạo SAM trên bề mặt vàng với phân tử hữu cơ có nhóm chức là hydro anion Thông qua phản ứng oxy

Chương 4 Công nghệ tự lắp ghep phân tử 181

hóa điện nhóm quinon biến đổi dễ dàng tiến hành phản ứng với nhóm cyclopentadiene (cp) có ligand hoạt tính sinh học theo cơ chế Diels- Aldes Như vậy, nếu ligand gắn vào cyclopentadiene (cp-†ag) có đặc tính sinh học gì thì ta sẽ nhận được bề mặt SAM-cp-tag có đặc tính sinh học

đó Ví dụ như biotin- cp ta sẽ có SAM trên bề mặt đặc tính liên kết streptanidine hoặc ta có thé tạo bề mặt có liên kết tế bào RGD- cp hoặc cacbonhydrachope hoặc oligopeptit- cp Hai ví dụ như hình 4.14a va 4.14b

Π(a)

Hình 4.14 Quá trình điều khiển hoạt tính bề mặt bằng

phản ứng oxy hóa điện hóa Trường hợp azobenzen như đã thấy ở trên, khi bức xạ ánh sáng cậu tric thay đổi cis- trans theo bước sóng ảnh sáng, Lợi dụng đặc tính này ta

có thể kết hợp tính ưa nước trên bề mặt tế bào với liên kết RGD peptit, Khi két hop bề mặt tế bào RGD peptit với nhóm azobenzen ta có thể điều khiển phối trí bề mặt tế bao RGD peptit theo các hình thù với kha

năng liên kết của bề mặt với các tế bào một cách sinh động Hình 4.15 là

sơ để cơ chế điều khiển đặc tính bề mặt của SAM gắn phân tử

azobenzen

182 Nguyễn Đức Nghĩa

UV (366 nm)

Anh sang xanf#50 nm)

Hinh.4.15 Co’ ché diéu khién dac tinh bề mặt của SAM

có nhóm azobenzen 1H Màng nhị phân tử (self-assembled bilayers) và màng cao phân tir tw lap ghép (self-assembled polymeric monolayers) nhờ hấp phu vat ly

TILI Màng nhị phân tir (self-assembled bilayers)

Chat hoat động bề mặt tiêu biểu cho phân tử lưỡng cực tính, có

thể chia ra hai phần đầu và đuôi, theo tính chất ion của phần đầu

có thê chia thành chât hoạt động bê mặt ion dương, ion âm hay không ion

| Bién tướng đa dạng của chất hoạt động bề mặt như vậy, như đã

đê cập ở phân mở đâu, có thê ứng dụng rộng rãi làm khuôn nano để chê tạo vật liệu dạng MCM có câu tạo nano rất đa dang

Hình 4.16 là sơ đồ hấp thụ đẳng nhiệt chất hoạt động bề mặt

điển hình từ dung dịch nước lên oxit khoáng và đồ thị hình thành giai đoạn MCM

Hình 4.17 là ảnh AFM của chất hoạt động bề mặt đã được hấp

thụ vào rang giới giữa silica và nước

Chương A Công nghệ tự lắp ghep phan ti 183

Hình 4.16 Sơ đồ hấp thụ đẳng nhiệt chất hoạt động bề mặt điển hình

từ dung dịch nước lên oxit khoáng

200

Nó

Hình 4.17 Ảnh AFM của chát hoạt độngbề mặt đã được háp phụ vào

ranh giới giữa silica và nước

184 Nguyễn Đức Nghĩa

Tuy nhiên trong dung dịch nước ở nồng độ micell tới han (critical micelle concentration: CMC) của chúng, các chất hoạt động bề mặt có thé được hấp phụ lên bề mặt tắm phẳng, hình thành màng nhị phân tử có tính quy luật tương tự mảng Langmuir- Blodgette (LB) hoặc micelle bề mặt Vì vậy ta có thể chế tạo được các vật liệu nano rất đa đạng nhờ dùng các màng nhị phân tử này làm môi trường phản ứng, trong đó tộc

độ và sự chuyên hóa vật chất được điều khiển, được hạn chế khác hẳn với môi trường phản ứng bậc hai thông thường

Theo điện tích bề mặt màng mong và tính chất bên trong của màng nhị phân tử ta có thể hòa tan nhiều chất hữu cơ hay ion hoạt tính vào đó Sau khi hòa tan, đơn phân có khả năng trùng hợp vào màng nhị phân tử hay bề mặt, thì khi tiến hành phản ứng trùng hợp ta có thể dễ dàng thu được trên bề mặt mica một lớp polyme có độ dày từ vải nm đến hàng trăm nm, với tính chất rất khác so với polyme trùng hợp trong dung môi, như sơ đỗ hình 4 L8

Chương 4 Công nghệ tự lắp ghep phân tử 185

Có thẻ điều khiển được thành phần hóa học bên trong và điện tích bề mặt của màng nhị phân tử tự lắp ghép dé thu được trên bề mặt tam phẳng dạng màng mỏng nano cao phân tử Hơn nữa cũng dùng chính nguyên lý này, sau khi hình thành lên tâm phẳng loại màng mỏng cao phân tử dạng oligome, nếu trong đó hòa tan vào màng cao phân tử các chất gốc ceramic c6 d6 day nano (so đồ hình 4 19)

Self-assembled

Polymeric Monolayer Add ceramic recursors

Substrate | Substrate Chelation

Ceramic thin films

Hirde) With nano-thickness

Hình 4.19 Sơ đồ cơ chế hình thành màng ceramic Chúng ra cũng có thể chế tạo các vật liệu nano như polypyrol, zeolit TS-

1, các siêu màng mỏng vàng (Au) và SiC được băng cách dùng màng nhị phân và màng cao phân tử tự tập hợp như vậy làm môi trường phản ứng

IL2 Tự lắp ghép của các hạt huyền phù dùng màng tự lắp ghép

Sau khi hình thành màng nhị phân tử tự lắp ghép trên bề mặt các hạt

huyền phù dưới đơn vị micromet và biến đổi thành lớp điện kép, có thể gây ra lực hút giữa các hạt làm kết tụ các hạt keo thành màng mỏng Lúc này màng nhị phân tử tự lắp ghép trên bề mặt các hạt keo có thể dùng lực hút tĩnh điện, sức căng mặt ngoài, lực Van der Waals, lực hút tập thể và lực mao quản làm phát sinh lực hút giữa các hạt keo và các hạt tự động điều chỉnh, sắp xếp một cách có quy tắc các hạt có kích thước nm trên bề mặt tấm phẳng định kết tủa (sơ đồ hình 4.20)

Attractive force Dispersed nanoparticles

Hình 4.20 Sơ đồ quá trình tự lắp ghép có điều chỉnh

màng mỏng nano trên bề mặt

186 Nguyễn Đức Nghĩa

Các tỉnh thể keo được kết tụ một cách đơn giản với chỉ phí thấp như

vậy có khả năng được sử dụng làm vật liệu quang học, xúc tác trong các công đoạn hóa học và công nghệ sinh học, chế tạo sensor và tỉnh thể photonic Có thể dễ dàng tạo được màng mỏng zeolit TS- 1 có độ dày

103 nm, có độ tập trung cao không khuyết tật từ dung dịch phân tán nano Zeolit TS-I (100nm), dùng kĩ thuật như mô tả trong sơ đồ hình 4.20 Lúc này tính tỉnh thể của màng mỏng tạo được hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích XRD va cac hat nano zeolit TS-1

DT hata Hình 4.21 Ảnh các màng mỏng SiC (A) va Au (B) trong suốt trên

miếng thủy tinh và các số liệu XRD của màng mỏng SiC

Sau khi phân tán cdc hat nano SiC (30nm) và vàng (4~5 nm) vào

dung dịch và kết tụ bằng kĩ thuật như sơ đồ hình 4.20, ta có thể thấy

màng mỏng nano SiC và vàng kết tụ trong suốt Kết quả phân tich XRD

Chương 4 Công nghệ tự lắp ghep phên tử 187 của màng SiC cho thấy khác với các hạt nano có cường độ pic ở đỉnh (111) giảm đi | dang ké thi pic (200) manh hon han (hình 4.21C) Đồng thời có thể thấy màng mỏng Au phân tán đơn, do ảnh hưởng của màng nhị phân tử tự lắp ghép hình thành trên bề mặt gồm các hạt nano vàng được kết tụ theo một trật tự nhất định (hình 4.21B)

HIL3 Chế tạo các hạt nano dạng nhân — vỏ (core-shell) dùng màng tự lắp ghép làm môi trường

Như đã đề cập, nếu màng nhị phân tử tự lắp ghép hòa tan đơn phân tử vào trong màng, do nồng độ cục bộ của phân tử hữu cơ trong màng đặc biệt lớn, có khả năng khơi mào phản ứng trùng hợp thì phản ứng trùng hợp trong màng nhị phân tử tự lắp ghép xảy ra nhanh hơn Trong quá trình thực hiện phản ứng trùng hợp, việc chuyển vị của các đơn vị phân

tử hữu cơ từ dung dịch vào màng xảy ra và nhờ đó có thể kết tụ trên bề mặt phiến màng cao phân tử có độ dày từ vài nm đến vài trăm nm Lúc

đó nếu sử dụng các đơn phân tử hữu cơ trùng hợp là pyrol và dùng phiến

là các hạt nano thì có thê dễ dàng chế tạo ceramic dùng màng nhị phân tử

tự lắp ghép hoặc các hạt nano dạng nhân — vỏ pyrol kim loại — cao phan

tử (PPy) phân tán tốt Hình 4.22 biếu diễn công đoạn chế tạo

Hình 4.22 Sơ đồ công đoạn chế tạo hạt nano dạng nhân vỏ

pyrol kim loại ~ cao phân tử Những hạt nano dạng nhân — vỏ, theo công, nghệ trên có thể ứng dụng

để chế tạo nhiều loại vật liệu nano từ ceramic cho đến cao phân tử và kim loại Hình 4.23 đã mô tả kết quả điều chế các hạt nano phân tán tốt dạng nhân — vỏ dùng zeolit TS-1, silica, hat nano vang làm nhân

188 Nguyễn Đức Nghĩa

Bare SiO) nanoparticle SiO, nanoparticle with 40nm of PPy sheath

Hình 4.23 Ảnh TEM mô tả kết quả điều chế các hạt nano phân tán

tốt dạng nhân - vỏ dùng zeolit TS-1, silica, hạt vàng làm nhân

tự lắp ghép (a), hệ polypyrol không có nhị phân tử tự lắp ghép (b), polypyrol loại bằng ly tâm từ hệ có nhị phân tử tự lắp ghép (c)

Chương 4 Công nghệ tự lắp ghep phên tử 189

Polypyrol (PPy) được chế tạo như sơ đồ hình 4.22 đã hình thành trong màng tự lắp ghép được sắp xếp có trật tự với độ dày 10~ 40nm Vì PPy có

độ trật tự đơn vị phân tử cao nên có độ dẫn điện cao gấp 10 — 100 lần so với PPy.hình thành không có màng tự lắp ghép Nếu xem xét kết quả phổ FTIR thì thấy ở các pic 1560 và 1480 cm › trong trường hợp độ trật tự cao tỉ lệ của hai vạch này thấp, nó biểu thị một cách gián tiếp mức độ quy luật của PPy được chế tạo (I lình 4-24)

HIL4 Ché tạo màng mỏng nano zeolit có tính định hướng cao trong môi trường màng cao phân tử tự lắp ghép

Nếu muốn ding mang zeolit lam sensor và màng chức năng phản ứng một cách có hiệu quả thì phải chế tạo thành màng có độ dày nm và tính đẳng hướng cao, thuần nhất và không có khiếm khuyết Song với các phương pháp CVD, MBE và phương pháp sol- gel hiện tại rất khó để có thê chế tạo được màng zeolit có tính đẳng hướng cao, không khuyết tật Tuy nhiên nêu khống chế được năng lượng bề mặt của môi trường xung quanh để chất gốc zeolit sau khi được phân hóa chỉ phát triển về một hướng xác định thì có thể làm cho màng Zeolit có tính đẳng hướng cao phát triển với bề đày nm

Hình 4.25 Sơ đồ chế tạo màng mồng nano zeolit có tính định hướng

cao trong môi trường màng cao phân tự tự lắp ghép

Phương pháp đơn giản khống chế năng lượng bề mặt của chất gốc Zzeolit sau khi nhân hóa là tạo ra môi trường dùng màng cao phân tử tự lấp ghép có tính năng đa dạng để zeolit có thể lớn lên theo một hướng nhất đỉnh Thực tế có thể thấy màng ceramic sinh học trong tự nhiên phát triển theo hướng tự do tạo ra protein và màng mỏng thấp Như vậy ta có thể hoàn toàn bắt chước công đoạn khoáng hóa sinh học của tự nhiên (natural biomineralization), sau khi tạo nhân bằng cách đưa chất gốc Zeolit vào phía trong màng cao phân tử, sau đó có thể cho màng cao

HHL5 Pafterning vỉ cẫu trúc với màng tự lắp ghép

Patterning vi cấu trúc dùng màng mong don phân tử tự lắp ghép là kỹ thuật sử dụng phương pháp in vi tiếp xúc (micro-contact printing), sau khi patterning mang don phan tir tu lap ghép cé don vi micro lên một

Chương 4 Công nghệ tự lắp ghep phân tử 191 tam phang Tiếp theo các polyme, ceramic, protein va DNA phat trién thành vi cau trúc Trong các phương pháp patterning hiện nay được sử nhiêu nhất là phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

10um Hình 4.27 Ảnh SEM của tắm polystyrene latex có nông độ khác nhau

Thí dụ tiêu biểu là sau khi patterning màng đơn phân tử tự tập hợp trên tắm phẳng bằng phương pháp in vi tiếp xúc, màng này chỉ hap phy các ion polyme vào màng đơn phân tử đã được patterning Tiép theo các hạt keo mang điện tích bề mặt trái dấu với các ion polyme trên, nhờ lực hút giữa các hạt keo, kết quả hình thành màng polyme hay ceramic theo mẫu dưỡng patterning (hinh 4.27}, Hơn nữa nếu kết hợp về mặt hóa học màng polyme tự lắp ghép với các protein hay DNA, ta có thể chế tạo Sensor Tuy nhiên, vỉ patterning dùng phương pháp vi tiếp xúc cần thiết phải có khuôn mẫu Polydimetyl siloxan (PDMS) được ứng dụng làm siéu vi patterning Theo đó trên thế giới có nhiều nghiên cứu đang triển khai nhằm phát triển kỹ thuật có thể có patterning bằng một phương pháp đơn giản và dễ dàng từ vi cấu trúc (um) đến siêu vi cấu trúc (nm) Phần sau giới thiệu kỹ thuật cho phép patterning từ vi cấu trúc đến siêu

vi cấu trúc sử dụng phân ly tướng của màng tự lắp ghép được nghiên cứu thời gian gần đây với màng hỗn hợp cao phân tử và vi phân ly tướng của chất đồng trùng hợp khối

Nếu phủ lên tắm phẳng màng hỗn hợp polyme có những tính chất khác nhau, ta có thể thu được phân ly tướng Lúc này bằng thao tác hóa học đơn giản, nếu bề mặt polyme tích các ion và khi cho thêm chất hoạt động bề mặt có các ion ngược dấu với các ion trên bề mặt một cách chọn lọc theo khu vực thì có thể hình thành màng nhị phân tử tự lắp ghép trên

bề mặt màng polyme và màng đơn phân tử chất hoạt động bề mặt nhờ

lực hút ưa nước ở mặt bên kia Tiếp theo nếu sử dụng màng nhị phân tử

và đơn phân tử của chất hoạt động bề mặt này làm môi trường thì ta có thể chế tạo polyme hay ceramic có điều khiển được cấu trúc ba chiều của

nó từ vi cấu tạo đến câu tạo nano một cách đơn giản

192 Nguyễn Đức Nghĩa

Add surfactant i ‘Add endioni,

Phase separated block ñ m

copolymer of polymer blend

Hình 4.29 Ảnh AFM 3D của hỗn hợp polyme Thực tế đã có thể dùng kỹ thuật trên thực hiện vi patterning đến siêu

vi patterning đối với polypyrol (Hình 4.29) Hình 4.28 mô tả đơn giản kỹ

thuật này Nếu so sánh hình 4.29a với hình 4.29b có thể thấy các vi cầu

tạo hình kim (hình a) bị lấp một cách chọn lọc theo khu vực bởi

polypyrol hình thành từ bề mặt phiến có cấu tạo không phải hình kim

(hình b) Sử dụng nguyên lý như vậy, sau khi hình thành màng nhị phân

Chương 4 Công nghệ tự lắp ghep phan ty 193

tử tự lắp ghép vào chỉ một phía của “chat đồng trùng hợp khối đã phân ly tướng, kết quả sau khi tạo thành polypyrol như hình 4.29 là có thể thụ được polypyrol được patterning nano với độ day 10 nm

Lúc này mang tự lắp ghép của chất hoạt động bẻ mặt ion âm được sử dụng đóng vai trò của một mặt lạ phân tử (mask) ngăn polypyrol bị nhân hóa Thực tế đã có những báo cáo từ trước đây, là sau khi tự tắp ghép chất hoạt động bề mặt trên ion âm trên tắm có điện tích bề mặt ion dương riễư trùng hợp theo phương pháp ở sơ đồ hình 4.28 thì polypyrol không thể ngưng tụ trên bề mặt phiến được

IV Kết luận

Việc chế tạo màng nano thông qua điều khiển cấu tạo nano ba chiều dùng màng tự lắp ghép xét trên quy mô toàn cầu hiện nay là một kỹ thuật phát triển Kỹ thuật này có thể điều khiển tự do bề mặt, sự khác nhau trong truyền tải vật chất Nên trong kỹ thuật chế tạo các vật liệu nano,

hy vọng nó sẽ được nghiên cứu nhiều như là một kỹ thuật có nhiều tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong tương lai

Phần III VẬT LIỆU NANO KIM LOẠI VÀ VẬT LIỆU LAI

Chương 1 VẬT LIỆU SOL- GEL NANO

Các hạt đồng nhiệt

Hình1-1 Sơ đồ công nghệ Sol.Gel

I Vật liệu lai hỗn tính hữu cơ- vô cơ nano

Vật liệu lai hỗn tính hữu cơ - vô cơ gọi là thẻ hỗn tính hữu Cơ - VÔ cơ,

bằng cách kết hợp thành phần hữu cơ (phân tử hữu cơ, oligomer hoặc polyme phân tử lượng phân tử thấp) với các thành phan vô cơ, có thể nhận vật liệu lai có độ cứng, tính ổn định và tính chất nhiệt và điện của chất vô cơ, các đặc tính công đoạn nhiệt độ thấp, tính dẻo và tính đàn hồi của chất cao phân tử hữu cơ Nói chung có thể định nghĩa là vật liệu mà thành phần hữu cơ có chứa trong thành phần vô cơ tạo nên cấu trúc 3 chiều do tướng phân ly ở quy mô nanomet hay supermicro Thành phần

196 Nguyễn Đức Nghĩa

hữu cơ được đưa vào không chỉ làm thay đổi đáng kể tính chất cơ khí của vật liệu vô cơ mà còn có thể dễ dàng làm thành dạng màng mỏng hay sợi Ngoài ra, do phân ly tướng ở quy mô nano nên có khả năng và

cũng có thể điều chỉnh được tỷ lệ lỗ khí để có vật liệu không màu, trong

suốt, đồng nhất một cách tùy ý, mở ra khả năng chế tạo vật chất có tính chất quang điện mới Đặc biệt, như chất ORMCER (ORganically Modified CERamic: silicate biến tính hữu cơ) hoặc CERAMER (CERAmic polymer: polymer gốm) là silicate biến tính bằng hợp chất hữu cơ giải quyết được nhược điểm của màng silicate, c6 thé tạo thành màng dày ở nhiệt độ thấp (~120° C) như ở hình 1.2 mà không tạo thành vết, nên đang được ứng dụng rộng rãi Vật liệu lai hỗn tính tùy theo mức

độ kết hợp giữa hai thành phần có thể phân thành hai loại với các

phương pháp chế tạo như sau

8 Aleogel

Solvent exchange to MMA/ Drying step

Composite

Hình1 2 Công nghệ chế tạo vật liệu lai nano lai MMA/ silicat

Phản III- Chương 1 Vật liệu Sol - Gel- NANO 197

1.1 Vật liệu lai hỗn tính sử dụng lực liên kết vật lý

Vật liệu loại này được chế tạo sử dụng phân ly tướng của thành phần hữu cơ - vô cơ nhờ lực hút vật lý như dực liên kết hydro hay lực hút Van- -de- ‘Waals va tiy theo hình thái có thể chia thành oe liệu lai hỗn tính

có cầu tạo không quy tắc và có quy tắc

Vật liệu lai hỗn tính có cấu tạo không quy tắc có thể chế tạo bằng phương pháp sau đây:

Hình 1 3 Vật liệu lai hỗn tính cao phân tử hữu cơ / vô cơ

(Polyvinylpirolidol)/ Silicate

198 Nguyễn Đức Nghĩa

Phương pháp thứ nhất là tạo ra một thể hỗn tính gồm có cao phân tử hữu cơ bên trong matrix vô cơ nhờ lực hút giữa gốc hydroxyl của sol- gel vô cơ và các nhóm amid hoặc carbonyl tồn tại bên trong cao phân tử,

và ngược lại cũng có khả năng tạo được thể lai hỗn tính các hạt vô cơ

bên trong gel cao phân tử hữu cơ (hình 1 3)

Phương pháp thứ hai như ở hình 1.4 tạo ra vật liệu lai hỗn tính có cấu tạo mạng không gian 3 chiều đan chéo lẫn nhau bằng cách gel hóa đồng thời hợp chất hữu cơ và hợp chất vô cơ Phương pháp này nói chung trong trường hợp trùng hợp xảy ra trong dung môi chung là nước và alcohol, vì tướng hữu cơ kết tủa tốt nên can phải lựa chọn chất có đơn vị hữu cơ phù hợp và biến đổi Silicon alcoxide bằng đơn vị hữu cơ đã lựa chọn Thí dụ, nhờ đồng trùng ngưng giữa TEOS và PDMS (polydimethylsiloxan) có silanol gắn ở cuối chuỗi, có thể tạo được cấu trúc gel có cấu tạo đông tụ lẫn của polypyrol (PPy), PAN¡ (polyanilin) hay của cặp phân tử có tính dẫn điện như poly(phenylenvinylen)

Mạng Silicagel

Mạng gel hữucơ ————3®>

Hình1 4 Silicat đông tụ lẫn polyme

(Vật liệu lai hỗn tính có cấu trúc mạng của gel hitu ca)

Phương pháp thứ ba là phương pháp tạo gel trong trường hợp không

có dung môi chung, đầu tiên tạo ra gel vô cơ có các lỗ xốp đồng đều, sau khi làm kết tủa lẫn bằng chất hữu cơ, có thẻ chế tạo được vật liệu hỗn tính PMMA - Silicate, cũng có thể chế tạo được vật liệu lai hỗn tính MMA- silicat- phenylen tiêu biểu như ORMOCER hoặc CERAMER Mặt khác, khi sử dụng vật liệu vô cơ có cấu tạo trật tự (Đất sét, oxit kim loại dạng lớp, các halogenua, hoặc calcocanide) đưa hợp chất hữu cơ vào ken trong các lớp, có thể chế tạo được các vật liệu lai hỗn tính có cấu tạo trật tự Thí dụ như ở hình 1.5 khi hợp chất hữu cơ được đưa vào ken giữa các lớp của oxit vanadi (V2Os) tly theo độ dài của của hợp chất hữu

cơ có thể điều chỉnh hướng song song hoặc vuông góc với các lớp

Phản IIl- Chương 1 Vệt liệu Sol - Gel- NANO 199 CnHạn¿JNH;

2 Vật liệu lai hỗn tính sử dụng lực liên kết hóa học

Để có được liên kết hóa học mạnh giữa các thành phan hữu cơ - vô

cơ, có thể gắn gốc hoạt tính vào chất đơn phân hữu cỡ lớn hay nhóm cơ kim, hoặc sử dụng chất đơn phân hữu cơ - vô cơ có gốc hoạt tính để tạo vật liệu lai hỗn tính có cấu trúc mạng

NI

OG;Hr-Si-OGN, OCH;

Hình1 6 Đơn phân hữu cơ lớp ghép gốc chức năng được sử dụng

trong vật liệu hỗn tính PI-Silicat

200 Nguyễn Đức Nghĩa

Thí dụ, các polyimide nói chung do phân ly tướng giữa các thành phần hữu cơ- vô cơ ở mức micro dễ xây ra Nên để có được lý tính cơ học mong muốn việc khống chế diện tích tiếp xúc giữa hai tướng rất quan trọng Thí dụ, bằng cách phản ứng từ trước Ti(OEt); hay Si(OEĐ¿ ở

vị trí carboxyl của polyacitamit khi phân ly tướng có thể không chế độ

lớn của hạt Silicate ở mức nanomet Nếu phản ứng đơn phân lớn polyimide đa chức năng hóa bằng gốc ethoxyeillin với TEOS trong dung dịch như ở hình 1-6, có thể tạo được chất lai hỗn tính có tới khoảng 70% silicate

Trường hợp của cluster co kim có độ lớn tương, đối , nó ôn định hơn ở môi trường thủy phân Còn trường hợp có ligand hữu cơ trên bề mặt thì càng

ổn định Như trong hinh 1 7, do cac hat TiO, bién tinh bằng MMA có thê phân tán một cách ô én định trong dung dịch tạo micelle, nên nhờ trùng hợp nhữ tương có thể thu được vật ligu lai hon tinh dang core-shell

Hinh1 7 Vat tiệu lai hỗn tính đạng Core-shell

Tl Hat Nano mao quan

ILI, Hat nano maa quan [4 gi?

TỊL.1 Định nghĩa hại nano mạo quản

Người ta gọi vật chất xốp có nhiều lễ với độ lớn cỡ nanomet la vat chất nano mao quan Trong mấy năm qua do khả năng tiếp nhận (host)

và tính hấp phụ cao của các hạt nano mao quan, nên nó được ứng dụng

Phân IIl- Chương 1 Vật liệu Sol - Gel- NANO 201

để chế tạo các chất xúc tác có tính chọn lọc, là vật liệu hấp phụ trong sắc

ký khí, là vật liệu nguồn chế tạo vật liệu nanocomposit hữu cơ / vô cơ Cho nên có nhiều nghiên cứu về hạt nano mao quan đã được tiến hành, Nếu theo định nghĩa của Hiệp hội Hóa học quốc té (IUPAC) thi tiy theo đường kính của lỗ mao quản (đ) được phân loại thành microporous với đường kính dưới 2 nm, mesoporous với 2- 50 nm và macroporous với đường kính trên S0nm, những vật liệu nanoporous với đường kính lỗ xốp trong khoảng I nm 'đến 100 nm bao gồm tất cả microporous, mesoporous trong đó vật liệu mesoporous là vật liệu điển hình

Phân loại theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry):

Zeolite là từ kết hợp gốc từ Hy lạp “Zein” và “Lithos” có nghĩa là “đá sôi” do nếu gia nhiệt bằng bình cỗ cong cho sôi nó sẽ nở ra và to lên cho nên mang tên đó

Năm 1756 nhà khoáng vật học Thụy điển là F A F Cronstedt đã phát hiện đầu tiên và gọi gộp như vậy với tất cả các khoáng chất tạo bởi chất ngậm nước Alumiliumsilicat của kim loại kiềm và kiểm thổ Trong số những hóa thạch núi lửa tính kiềm như đá basan, bao gồm có chừng 40 loại Ở Zeolite tính thể thì liên kết giữa các nguyên tử lỏng lẻo nhưng ở nhiệt độ cao thì các phân tử nước chứa bên trong thoát ra ngoài nhưng khung xương vẫn tổn tại và thể hiện đặc tính hấp thụ các vật chất vi hạt khác Zeolite nhờ có tính chất đó mà được dùng làm chất xúc tác hay hấp phụ và đặc biệt, chính nó được dùng làm sàng phân tử là loại vật liệu microporous với kích thước lỗ xốp 0,3 ~ 0,8 nm để tách các chất vì hạt

có độ lớn khác nhau ở quy mô phân từ Hiện tại, khoáng chất tự nhiên đang được sử dụng nhiều, nhưng để ứng dụng trong công nghệ kỹ thuật cao, do có nhiều ưu việt, cho nên có trên 150 loại zeolite tông hợp đã được phát triển và đang được sử dụng với tên gọi là zeolite A, zeolite X, Zeolite Y, Zeolite L, ZSM-5 tùy vào tý lệ cấu thành của Nhôm silicate nhóm I và thành phần kim loại của nhóm IIA của bảng tuần hoàn