Nghiên cứu tổng hợp nano đồng từ dung dịch cuso4 với tác nhân khử dịch chiết nước lá chanh

Việc nghiên cứu chế tạo hạt nano bằng phương pháp sử dụng dịch chiết thực vật làm tác nhân khử là một phương pháp khá hiệu quả, an toàn, thân thiện với môi trường, chi phí thực hiện thấp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LỜI CẢM ƠN

Được sự đồng ý của giảng viên hướng dẫn PGS.TS Lê Tự Hải, tôi đã thực hiện

đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp nano đồng từ dung dịch CuSO 4 với tác nhân khử dịch chiết nước lá chanh” để thực hiện khóa luận tốt nghiệp của tôi

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo nhà trường, quý thầy cô Khoa Hóa Học - Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Tự Hải – người trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành Khóa luận Tốt nghiệp Cảm ơn 2 bạn: Nguyễn Lê Trường Linh và Nguyễn Thị Kiều đã giúp đỡ tôi trong các buổi nghiên cứu

Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn bài tiểu luận khó có thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý Thầy Cô xem xét và góp ý để bài tiểu luận của tôi được hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 03 năm 2022

Sinh viên

Đồng Vũ Tiến Đạt

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình dưới sự hướng dẫn giúp đỡ của PGS.TS Lê Tự Hải – giảng viên hướng dẫn của tôi

Các số liệu, kết quả trong báo cáo là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 03 năm 2022

Sinh viên

Đồng Vũ Tiến Đạt

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 3

1.1 Giới thiệu về công nghệ nano 3

1.1.1 Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano 3

1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano 4

1.1.3 Vật liệu nano 5

1.1.4 Chế tạo vật liệu nano 7

1.1.5 Ý nghĩa và ứng dụng của công nghệ nano 8

1.2 Khái quát về hạt nano đồng 11

1.2.1 Giới thiệu sơ lược về kim loại đồng 11

1.2.2 Khả năng diệt khuẩn của nano đồng 14

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp nano đồng 16

1.2.4 Ứng dụng của nano đồng 18

1.3 Tổng quan về cây chanh 20

1.3.1 Giới thiệu 20

1.3.2 Mô tả cây chanh 20

1.3.3 Ứng dụng cây chanh 21

1.3.4 Thành phần chính của cây chanh 21

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 23

2.1 Nguyên liệu 23

2.1.1 Nguyên liệu 23

2.1.2 Xử lí nguyên liệu 23

2.2 Hóa chất và dụng cụ 23

2.2.1 Hóa chất 23

2.3 Phương pháp nghiên cứu hạt nano đồng 24

2.3.1 Phương pháp chưng ninh 24

2.3.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 24

2.3.3 Phương pháp đo: đo TEM, EDX 25

2.4 Quy trình thực nghiệm 27

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 28

3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết lá chanh 28

3.1.1 Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng 28

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiết 29

3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo nano đồng 31

3.2.1 Khảo sát tỉ lệ thể tích dịch chiết lá chanh/dung dịch CuSO4 31

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo nano đồng 32

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của PVA 33

3.3 Kết quả khảo sát đặc tính của hạt nano đồng 35

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37

KẾT LUẬN 37

KIẾN NGHỊ 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua EDX Energy-dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc năng lượng tia X

UV – VIS Ultraviolet – Visible spectroscopy Phổ hấp thụ phân tử

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu 4

Bảng 1.2 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu 5

Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng 23

Bảng 2.2 Hệ thống thiết bị và dụng cụ sử dụng 23

Bảng 3.1 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ rắn/lỏng 29

Bảng 3.2 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo thời gian chiết 30

Bảng 3.3 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch chiết tại dung dịch CuSO4 5mM 32

Bảng 3.4 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo nhiệt độ tạo nano đồng 33

Bảng 3.5 giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu có và không có ảnh hưởng của PVA đến quá trình tạo nano đồng 34

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vật liệu nano 6

Hình 1.2 Ứng dụng của công nghệ nano trong y tế 9

Hình 1.3 Ứng dụng của công nghệ nano trong lĩnh vực điện tử 9

Hình 1.4 Ứng dụng của công nghệ nano trong ngành công nghiệp thời trang 10

Hình 1.5 Màng lọc nano 10

Hình 1.6 Máy lọc nano 11

Hình 1.7 Kim loại đồng 12

Hình 1.8 Đồng ở nhiệt độ nóng chảy 13

Hình 1.9 Hình ảnh chụp các hạt nano đồng tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng 14

Hình 1.10 Nano đồng oxyclorua sinh ra gốc tự do làm suy giảm sức sống của nấm khuẩn 15

Hình 1.11 Cây chanh 20

Hình 2.1 Sơ đồ máy UV – VIS 24

Hình 2.2 Máy UV-VIS LAMBDA 25 của hãng PerkinElmer 25

Hình 2.3 Kỹ thuật phân tích EDX hay EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 25

Hình 2.4 Thiết bị sử dụng kĩ thuật EDX tại Viện khoa học Việt Nam 26

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/ lỏng đến quá trình tạo nano đồng 28

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian chiết đến quá trình tạo nano đồng 30

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết đến quá trình tạo nano đồng 31

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo nano đồng 33

Hình 3.5 Ảnh hưởng của PVA đến quá trình tạo nano đồng 34

Hình 3.6 Ảnh TEM của mẫu nano đồng tổng hợp 35

Hình 3.7 Phổ EDX của mẫu nano đồng tổng hợp 36

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Hiện nay ngành khoa học công nghệ đang trên đà phát triển không chỉ ở trên thế giới nói chung mà còn cả Việt Nam nói riêng Trong đó, Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật Đồng thời công nghệ nano luôn là ngành khoa học mũi nhọn, đang phát triển với tốc độ chóng mặt

và làm thay đổi diện mạo của các ngành khoa học Công nghệ nano đã có những ứng dụng to lớn và hữu ích trong các ngành điện tử, năng lượng, y học, mỹ phẩm và còn đi

xa hơn nữa trong nhiều lĩnh vực Việc nghiên cứu chế tạo hạt nano bằng phương pháp

sử dụng dịch chiết thực vật làm tác nhân khử là một phương pháp khá hiệu quả, an toàn, thân thiện với môi trường, chi phí thực hiện thấp, đặc biệt tạo ra được các hạt nano sạch, không lẫn các hóa chất độc hại nên hạt nano có thể phát huy được tối đa các đặc tính của nó Chính vì vậy, để tăng cường mối quan tâm đến vấn đề môi trường, giảm chi phí tổng hợp và đặc biệt là tạo ra được những hạt nano sạch để ứng dụng vào lĩnh vực y sinh học [8] Trong đề tài này tôi hướng đến phương pháp tổng hợp các hạt nano đồng sử dụng chiết xuất thực vật để thay thế cho các phương pháp hóa học và vật lý tốn kém

khác Với những lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu với nội dung “Nghiên

cứu tổng hợp nano đồng từ dung dịch CuSO 4 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá chanh”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng quy trình điều chế hạt nano đồng từ dịch chiết lá chanh

- Đóng góp thêm những thông tin, tư liệu khoa học về lá chanh và phương pháp điều chế nano đồng từ dịch chiết lá chanh tạo cơ sở khoa học cho các nghiên cứu sâu hơn về điều chế và ứng dụng của nano đồng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Lá chanh thu hái trên địa bàn thành phố Đà Nẵng

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

- Thu thập, tổng hợp tài liệu, tư liệu về nguồn nguyên liệu, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng của lá chanh

- Tìm hiểu thông tin tư liệu về nano đồng, công nghệ nano đồng và các vấn đề liên quan đến đề tài

- Xử lý thông tin tư liệu, đề ra các bước, xây dựng quy trình thực hiện trong quá trình thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Phương pháp chiết tách: phương pháp chưng ninh với dung môi là nước

- Các phương pháp phân tích công cụ: phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

UV - VIS

- Dùng phương pháp đo TEM, EDX để nghiên cứu hạt nano đồng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Giới thiệu về công nghệ nano

1.1.1 Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano

Ngày 29 tháng 12 năm 1959, tại Viện Công nghệ California, người đạt giải Nobel Vật lý – Richard P Feynman đã nói chuyện tại cuộc họp hàng năm của Hiệp hội Vật lý

Mỹ và đã trở thành một trong những bài giảng khoa học cổ điển thế kỷ hai mươi, có tựa

đề “There’s Plenty of Room at the Bottom” Ông đã nói về vấn đề thao tác và kiểm soát mọi thứ trên một quy mô nhỏ Feynman đã hình dung ra một công nghệ bằng cách sử dụng hộp công cụ cuối cùng của tự nhiên, xây dựng công trình nano nguyên tử của nguyên tử hay phân tử của phân tử Đến 15 năm sau đó, giáo sư Norio Tanuguchi mới đưa ra định nghĩa rõ ràng hơn về công nghệ nano Ông định nghĩa như sau: “Công nghệ nano chủ yếu bao gồm việc xử lý, tách hợp chất và làm biến dạng vật liệu chỉ bằng một nguyên tử hoặc một phân tử” Kể từ những năm 1980, nhiều phát minh và khám phá trong chế tạo các công trình nano đã trở thành một minh chứng cho tầm nhìn của ông Trong một bài phát biểu năm 2000, cựu tổng thống William J Clinton đã nói chuyện về những hứa hẹn thú vị của công nghệ nano và tầm quan trọng của việc mở rộng nghiên cứu trong khoa học và công nghệ cấp độ nano, đồng thời quyết định rằng đây là chính sách khoa học công nghệ phải được ưu tiên hàng đầu [5]

Công nghệ nano (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành khoa học về nghiên cứu,

chế tạo, điều khiển và ứng dụng các vật liệu và linh kiện có kích thước siêu nhỏ từ 0,1

nm đến 100 nm Kích thước và cấu trúc siêu nhỏ dẫn đến các thay đổi lớn về bản chất

và tính chất vật lí, hóa học cũng như tính chất quang, từ, … của vật liệu và linh kiện Những thay đổi và tính chất mới này khi được khai thác và sử dụng thích hợp thường mang lại những ứng dụng mới với khả năng ưu việt mà vật liệu và linh kiện truyền thống không có được

Nghiên cứu khoa học và công nghệ trong công nghệ nano hứa hẹn đột phá trong các lĩnh vực như vật liệu và sản xuất, điện tử nano, y học và y tế, năng lượng, công nghệ sinh học, công nghệ thông tin và an ninh quốc gia Điều đó cho thấy rằng công nghệ nano sẽ là cuộc cách mạng công nghiệp tiếp theo [5]

1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Công nghệ nano chủ yếu dựa trên những cơ sở khoa học sau:

- Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử:

Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn [1]

- Hiệu ứng bề mặt:

Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng

kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt

là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối [1]

Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu

Đường

kính hạt

nano (nm)

Số nguyên

tử

Tỉ số nguyên

tử trên bề mặt (%)

Năng lượng

bề mặt (erg/mol)

Năng lượng bề mặt/Năng lượng tổng (%)

Bảng 1.2 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu [1]

Điện Bước sóng điện tử

Quãng đường tự do trung bình

Hiêu ứng đường ngầm

10-100 1-100

Độ dài suy giảm

Độ sâu bề mặt kim loại

1-100 10-100

10-100 Siêu dẫn Đồ dài liên kết cặp Cooper

Độ nhăn bề mặt

1-1000 1-10 1-100 0,1-10

1-10

Siêu phân tử Độ dài Kuhn

Cấu trúc nhị cấp Cấu trúc tam cấp

1-100 1-10

Hình 1.1 Vật liệu nano

Tính chất của vật liệu nano

Kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này Ở kích thước nano, các hạt kim loại thể hiện tính chất đặc biệt so với trạng thái vật liệu khối như: tính kháng khuẩn, cảm biến sinh học, tính dẫn nhiệt, dẫn điện… Chính vì vậy, việc tổng hợp được hạt nano kim loại đem lại nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: y sinh, phân tích, điện tử, hóa học, môi trường

và công nghệ sinh học [1]

Phân loại vật liệu nano

Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano dựa trên các tiêu chí khác nhau Sau đây

là một vài cách phân loại thường dùng:

- Phân loại theo trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành 3 trạng thái: rắn, lỏng và khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó đến chất lỏng và khí

- Phân loại theo hình dáng vật liệu, người ta đặt tên theo số chiều không bị giới hạn ở kích thước nano: Vật liệu nano không chiều, vật liệu nano một chiều, vật liệu nano hai chiều

- Phân loại theo tính chất của vật liệu: Vật liệu nano kim loại, Vật liệu nano bán dẫn, Vật liệu nano từ tính, Vật liệu nano sinh học

Nhiều khi người ta phối hợp các cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới Ví dụ: “hạt nano kim loại” trong đó “hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại” được phân loại theo tính chất, hoặc “vật liệu nano

từ tính sinh học” trong đó cả “từ tính” và “sinh học” đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay 15 nanocomposite trong

đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau [1]

1.1.4 Chế tạo vật liệu nano

Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sử dụng với các

kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano [1]

Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai [1]

- Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển

pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính

- Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion Phương pháp

hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,

- Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc

vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, [1]

1.1.5 Ý nghĩa và ứng dụng của công nghệ nano

Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào Một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư Các hạt này sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt

độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u Ngoài ra, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot vô cùng đặc biệt Với những con robot có kích thước siêu nhỏ có thể đi vào bên trong cơ thể con người để đưa thuốc đến những bộ phận cần thiết [2]

Hình 1.2 Ứng dụng của công nghệ nano trong y tế

Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công nghệ năng lượng Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp lưu trữ được nhiều điện năng hơn Trong khi kích thước của pin sẽ ngày càng được thu hẹp Trong lĩnh vực điện tử - cơ khí, công nghệ nano giúp chế tạo các linh kiện điện tử nano với tốc độ xử lý cực nhanh Chế tạo các thế hệ máy tính nano, chế tạo màn hình máy tính, điện thoại và tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ - siêu bền [2]

Hình 1.3 Ứng dụng của công nghệ nano trong lĩnh vực điện tử

Kể từ đầu những năm 2000, ngành công nghiệp thời trang đã bước sang một trang mới với việc áp dụng công nghệ nano trong một số loại vải đặc biệt Một loại quần áo

có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc áp dụng nano bạc Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn và tiêu diệt các

tế bào của chúng Một ứng dụng khác của công nghệ nano là tận dụng các nguồn năng lượng như gió, năng lượng mặt trời và công nghệ nano có thể biến chiếc áo trở nên sạc điện cho chiếc điện thoại thông minh, đây thực sự là ý tưởng đang trong quá trình thử

Hình 1.4 Ứng dụng của công nghệ nano trong ngành công nghiệp thời trang

Công nghệ nano cũng sẽ giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng cách tạo ra những vật liệu đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn Chúng ta có thể thấy nhiều loại tủ lạnh và một số loại hộp thực phẩm cao cấp hiện nay được phủ một lớp nano bạc bên trong để tiêu diệt vi khuẩn Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm thay đổi các loại thực phẩm ở cấp độ nguyên tử và phân tử khiến các loại thực phẩm này thay đổi hương vị cũng như giàu dinh dưỡng hơn nhờ công nghệ nano thực phẩm [2]

Hình 1.5 Màng lọc nano

Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản suất truyền thống gây ô nhiễm môi trường bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường Cụ thể là đã chế tạo thành công các màng lọc nano góp phần lọc được các phân tử gây ô nhiễm, các chất hấp phụ và xúc tác nano dùng để xử lý

Trong đó, nổi bật là Máy lọc nước Nano Đây là loại máy sử dụng công nghệ Nano với các màng lọc có cấu tạo lỗ rỗng và kích thước siêu nhỏ Nhằm loại bỏ sạch các tạp chất, vi khuẩn và bụi bẩn trong nguồn nước đầu vào Bên cạnh đó, các màng lọc

sẽ giúp giữ lại các khoáng chất tự nhiên có trong nước và có lợi cho cơ thể người dùng

Vì thế, máy lọc nước sử dụng công nghệ Nano là một sử lựa chọn thông minh để mang đến nguồn nước sạch, đảm bảo an toàn phục vụ nhu cầu cho cả gia đình

Hình 1.6 Máy lọc nước nano 1.2 Khái quát về hạt nano đồng

1.2.1 Giới thiệu sơ lược về kim loại đồng

Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu là Cu và số nguyên tử bằng 64 Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn, bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau

Đồng là một trong số ít các kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác từ quặng Do đó, nó được con người sử dụng từ rất sớm khoảng 8000 năm trước công nguyên Kim loại và các hợp kim của đồng đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm Trong thời kỳ La Mã, đồng chủ yếu được khai thác ở Síp, vì thế tên gọi ban đầu của kim loại này là сyprium, sau đó được gọi tắt là сuprum Các hợp chất của nó thường tồn tại ở dạng muối đồng (II), chúng thường có màu xanh lam hoặc xanh lục và trong lịch sử đã được sử dụng rộng rãi làm chất nhuộm Các công trình kiến trúc được xây dựng có đồng bị ăn mòn tạo ra màu xanh lục verdigris (hoặc patina) [3]

Hình 1.7 Kim loại đồng

Các ion đồng (II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vi chất dinh dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn Nơi tập trung đồng chủ yếu trong cơ thể động vật là gan, cơ và xương Cơ thể người trưởng thành chứa khoảng 1,4 đến 2,1 mg đồng trên mỗi kg cân nặng

1.2.1.1 Tính chất vật lí

Đồng nằm trong nhóm IB của bảng tuần hoàn nên chúng có 1 electron trong phân lớp s1 được đặc trưng bởi tính dẻo và dẫn điện cao Các orbital được lấp đầy các electron trong các nguyên tố này không đóng góp nhiều vào các tương tác nội nguyên tử, chủ yếu ảnh hưởng bởi các electron phân lớp s thông qua các liên kết kim loại Trái ngược với các kim loại mà phân lớp d không được lấp đầy bởi các electron, các liên kết kim loại trong đồng thiếu các đặc điểm của liên kết cộng hóa trị và chúng tương đối yếu Điều này giải thích tại sao các tinh thể đồng riêng biệt có độ dẻo cao và độ cứng thấp

Độ cứng thấp của đồng giúp giải thích một phần tính dẫn điện cũng như tính dẫn nhiệt cao, các tính chất này được xếp hạng thứ 2 trong số những kim loại nguyên chất có tính chất tương tự ở nhiệt độ phòng Đặc điểm này là do điện trở suất đối với sự vận chuyển electron trong các kim loại ở nhiệt độ phòng chủ yếu bắt nguồn từ sự tán xạ của electron đối với dao động nhiệt của mạng tinh thể, mà điện trở xuất này tương đối yếu đối với

Hình 1.8 Đồng ở nhiệt độ nóng chảy 1.2.1.2 Tính chất hóa học

Đồng tạo nhiều hợp chất khác nhau với các trạng thái oxi hóa +1 và +2, mà thường được gọi theo thứ tự là cuprous và cupric

Đồng là loại kim loại có tính khử yếu hơn so với các kim loại khác Đồng có thể tác dụng được với phi kim, tác dụng với các axit và tác dụng với các dung dịch muối

Tác dụng với phi kim

– Khi (Cu) phản ứng với Oxi đun nóng sẽ tạo thành CuO bảo vệ do đó (Cu) sẽ không bị oxi hoá

2Cu + O2 → 2CuO (đen) – Khi ta đun nóng đến nhiệt độ từ (800-1000oC)

CuO + Cu → Cu2O (đỏ) – Khi tác dụng trực tiếp với khí Cl2, Br2, S…

Cu + Cl2 → CuCl2

Cu + S → CuS

Tác dụng với các axit

– (Cu) không thể tác dụng với dung dịch HCl và H2SO4 loãng

– Khi có oxi, (Cu) có thể tác dụng với dung dịch HCl, có tiếp xúc giữa axit và không khí

2Cu + 4HCl + O2 → 2CuCl2 + 2 H2O – Đối với HNO3, H2SO4 đặc thì:

Cu + 2H2SO4 đ → CuSO4 + SO2 + H2O

Cu + 4HNO3(đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O Tác dụng với các dung dịch muối

– Đồng có thể khử được các ion kim loại đứng sau nó trong dung dịch muối

Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag

1.2.1.3 Đồng vị

Đồng có 29 đồng vị, trong đó 63Cu and 65Cu là đồng vị bền, với 63Cu chiếm khoảng 69% đồng có mặt trong tự nhiên; cả hai đều có spin 3/2 Các đồng vị còn lại có tính phóng xạ, trong đó đồng bị phóng xạ bền nhất là 67Cu với chu kỳ bán rã 61,83 giờ 62Cu

và 64Cu có những ứng dụng đáng chú ý 64Cu là chất được sử dụng trong chụp hình

tia-X, và dạng tạo phức với chelate có thể được dùng trong điều trị ung thư [3]

1.2.2 Khả năng diệt khuẩn của nano đồng

Đặc tính kháng khuẩn của nano đồng

Theo nghiên cứu, dung dịch diệt khuẩn nano đồng là dung dịch chứa các ion đồng (Cu2+) được nghiên cứu và sản xuất bằng công nghệ nano, một trong các công nghệ tiên tiến nhất hiện nay mang nguyên lý kháng khuẩn, tiệt trùng siêu mạnh Dưới tác dụng của các hạt nano (kích thước 10-9 nm), các tế bào của hơn 650 loại vi khuẩn bị phá hủy

và tiêu diệt, ngoài ra dung dịch diệt khuẩn nano đồng còn có tính năng ngăn mùi hôi Dung dịch diệt khuẩn nano đồng có đặc tính kháng khuẩn và ngăn ngừa vi khuẩn phát sinh tới 99%, có lợi hơn gấp nhiều lần so với các sản phẩm kháng khuẩn khác Khi cho tiếp xúc với dung dịch diệt khuẩn nano đồng trong 3 – 24 giờ thì hầu hết những vi khuẩn sống, nấm đều bị tiêu diệt [4]

Hình 1.9 Hình ảnh chụp các hạt nano đồng tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá vỡ

cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng

Cơ chế kháng khuẩn của nano đồng

Các hạt nano đồng giải phóng liên tục các ion đồng, chính các ion đồng này tác động trực tiếp lên tế bào vi khuẩn theo các cơ chế đặc thù Hoạt động giải phóng các ion đồng này được tăng cường hơn khi các hạt nano Cu ở kích thước nhỏ và diện tích bề mặt lớn cho phép nó tương tác gần với các màng tế bào vi khuẩn Hoạt động kháng khuẩn của nano đồng là do xu hướng của nó thay thế giữa dạng Cu[I] và dạng Cu[II]

Sự khác nhau giữa Cu với các kim loại dạng vết khác, tạo nên các gốc hydroxyl liên kết với các phân tử DNA và tạo thành sự mất trật tự của cấu trúc xoắn ốc nhờ các liên kết ngang trong và giữa các axit nucleic và làm hỏng các proteins quan trọng nhờ liên kết với các nhóm carboxyl và amino sulfhydryl của các axit amin Điều này làm cho protein tạo enzymes không hiệu quả Nó làm cho các proteins bề mặt tế bào không hoạt động, các protein này cần cho việc chuyển các vật chất đi qua màng tế bào, do đó ảnh hưởng lên sự bền vững của màng tế bào và các lipids màng tế bào Các ion đồng bên trong tế bào vi khuẩn cũng ảnh hưởng đến các quá trình sinh học Dựa trên tất cả những nghiên cứu này, có thể thấy ion Cu có ảnh hưởng lên proteins và các enzymes trong các vi khuẩn và tạo cho Cu đặc tính kháng khuẩn (sản sinh gốc tự do, tiêu diệt vi khuẩn trong thời gian ngắn hoặc làm suy yếu chúng) [4]

Hình 1.10 Nano đồng oxyclorua sinh ra gốc tự do làm suy giảm sức sống của nấm