Bài thảo luận vật liệu nano

ví dụ, đám nano, hạt nano,… Vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều hai chiều cầm tù, ví dụ, dây nano, ống nano,… Vật liệu trong đó một chiều c

I Khái niệm:

 Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy

mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn

 Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ

thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét

 Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét Vật liệu nano là đối tượng của

hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm

II Phân loại:

Khí Lỏng

Rắn

Theo trạng thái vật

liệu

Theo hình dáng vật liệu

composite

Cả ba chiều đều có kích

thước nano, không còn

chiều tự do nào cho điện tử.

ví dụ, đám nano, hạt nano,…

Vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,…

Vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,…

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.

III Tính chất của vật liệu nano

 Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu.

 Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanomét, các điện tử không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ lượng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng lượng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới, chẳng hạn như:

 Hiệu ứng đường hầm: điện tử có thể tức thời chuyển động xuyên qua một lớp cách điện.

 Sự thay đổi những tính chất của vật chất chẳng hạn như tính chất điện và tính chất quang phi tuyến (non-linear optical).

 Bằng cách điều chỉnh kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật chất ở dạng nguyên thể

 Mối liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thước là chúng tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law) Những tính chất căn bản của vật chất,

chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của môt chất, và band gap của chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới hạn của kích thước nanômét

IV Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Bảng độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.

V Chế tạo vật liệu nano

Hóa ướt (wet chemical)

Cơ học (mechanical)

Bốc bay

Hình thành từ pha khí (gas-phase)

Phương pháp

1 Phương pháp hóa ướt (wet chemical)

Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và kết tủa Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano

Ưu điểm:các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại

Rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu

Nhược điểm: các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là một khó khăn, phương pháp sol-gel thì không có hiệu suất cao

2 Phương pháp cơ học (mechanical)

Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy

nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay

Ưu điểm: đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu

Nhược điểm: các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại

3 Phương pháp bốc bay

 Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không

(vacuum deposition) vật lí, hóa học.

 Ưu điểm: áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế.

 Nhược điểm: phương pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại.

4 Phương pháp hình thành từ pha khí

Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon (fullerene) hoặc ống carbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này để chế tạo mang tính thương mại.

VI Những ứng dụng của vật liệu nano

Loại sản phẩm Số lượng Thị trường Phần trăm

Cách mạng nano trong ứng dụng y sinh học

Vật liệu nano được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

Phân tách tế bào: Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ

được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính Các hạt từ tính được

bao phủ bởi các chất hoạt hóa, tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch,

có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư, vi

khuẩn Một từ trường bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang

các tế bào được đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bào không được

đánh dấu sẽ thoát ra ngoài

Cách mạng nano trong ứng dụng y sinh học

Ứng dụng hạt nano để dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào đó trên cơ thể Thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn

Ống nano carbon

 Ống nanocarbon làm vật liệu nhẹ hơn, được sử dụng trên các phương tiện

cần giảm trọng lượng như máy bay…

 Hiện nay, sợi carbon và các bó ống carbon đa lớp được dùng gia cường

cho polymer để điều khiển và nâng cao tính dẫn, dùng làm bao bì chống tĩnh

điện hay làm vật liệu cấy vào cơ thể vì carbon dễ tương hợp với xương, mô…,

làm các màng lọc cũng như linh kiện quang phi tuyến.

 Một hướng mới hiện nay là dùng ống nano carbon để gia cường cho

polymer nhưng không phải để tạo ra cấu trúc nanocomposite mà để thay đổi

tính chất quang điện của polymer

Năng lượng xanh, môi trường sạch

Vật liệu nano đã bắt đầu được sử dụng để làm sạch rác thải, thay thế các nguồn năng lượng không tái tạo bằng năng lượng tái tạo, giảm ô nhiễm, tăng hiệu suất của pin mặt trời Vật liệu nano còn được sử dụng để chế tạo các loại bao bì từ rác thải Trong lĩnh vực năng lượng, màng mỏng nano và công nghệ quang điện đang góp phần nâng cao hiệu quả của điện mặt trời, tăng khả năng hấp thu ánh sáng của pin mặt trời màng mỏng

Xử lý ô nhiễm không khí bằng vật liệu TiO2

Vật liệu nano trong công nghệ chế tạo lốp, động cơ xe

hơi

đem đi ép Sản phẩm sau khi gia công có độ mài mòn thấp và sức bền lớn Khi bổ

sung vào lốp, các hạt “PureNano” làm giảm 50% độ mài mòn, nghĩa là tuổi thọ của

lốp sẽ tăng lên gấp đôi Các nhà sản xuất khác đang tìm cách kết hợp sợi carbon

dạng ống vào trong lốp và dự đoán chúng sẽ có tuổi thọ còn lâu hơn cả xe

Vật liệu nano có thể được sử dụng để giảm tỷ lệ hao mòn động cơ, tăng

hiệu suất sử dụng pin và nhiên liệu Ôxít xeri, có thể dùng chế tạo chất phụ gia làm

tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu của động cơ diesel

Vật liệu nano làm giảm kích thước, tăng dung lượng thiết bị điện

tử

Vật liêu nano giúp nâng cao chất lượng màn hình và khả năng dẫn điện Màn hình ứng dụng các lớp polymer siêu mỏng không cần đèn nền và kính lọc như màn hình LCD truyền thống, cho hình ảnh tươi sáng và rõ nét hơn Công nghệ này được ứng dụng để chế tạo loại màn hình chất dẻo có thể uốn cong hoàn toàn Máy tính và các thiết

bị điện tử có thể sử dụng vật liệu nano để tăng khả năng lưu trữ dữ liệu cũng như kéo dài thời gian sử dụng của pin

Graphene: Vật liệu mới có thể làm biến đổi thế giới

loại vật liệu mới graphene Graphene được tạo thành từ một nguyên tử cácbon Các nhà

khoa học dự báo graphene sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong thông tin không dây Người ta

có thể tải về điện thoại thông minh một băng hình có độ phân giải cao chỉ trong thời gian

tính bằng nano giây

Trong y tế, nhờ grephene, các bác sĩ có thể sử dụng các loại dược phẩm mới với

liều lượng cao để tiêu diệt tế bào ung thư nhưng không gây hại những tế bào lành

Graphene có thể sử dụng chế tạo máu nhân tạo sử dụng làm thuốc chữa bách bệnh cho

người già

Graphene: Vật liệu mới có thể làm biến đổi thế giới

Các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện khả năng sử dụng graphene để kích thích

sự phát triển của các mô trong cơ thể người Ứng dụng này của raphene mở ra khả

năng chữa khỏi các khuyết tật bẩm sinh về tim

Trong lĩnh vực máy tính, các nhà khoa học Viện Rensselaer ở bang New York

đã biến một tấm graphene siêu mỏng thành các bóng bán dẫn siêu nhỏ, mở ra khả

năng chế tạo máy vi tính siêu nhỏ cũng như những vi mạch cứng siêu nhỏ trong

tương lai.Các nhà khoa học trên dự báo vào cuối thập kỷ này, thế giới có thể có máy

tính kích thước đặt trong lòng bàn tay nhưng có sức mạnh tính toán bằng 10.000 máy

tính hiện nay

Vật liệu ứng dụng hiệu quả trong ngành điện tử

cácbon liên kết với nhau theo hình tổ ong.Nó thường được lấy từ bề măăt chì có đôă

dẫn điêăn gấp 100 lần so với đồng, có độ dẻo dai gấp 200 lần so với thép và rất mềm

dẻo Vì thế graphene được chú ý là vật liệu có thể sử dụng để tạo ra các máy tính

dạng đồng hồ đeo tay hay các màn hình mỏng như tờ giấy

Trong quân sự, các nhà khoa học Đại học Texas ở thành phố Dallas đã sử

dụng graphene để làm biến mất các vật thể khỏi tầm mắt của con người Những tấm

áo choàng vô hình này sẽ giúp tàng hình các phương tiện quân sự như xe tăng,

pháo… thậm chí cả con người trước mắt đối phương

Thank You !