Chương 2 vật liệu nano sự phát triển và tiềm năng

 Các nước công nghiệp phát triển đã thực hiện chiến lược phát triển công nghệ nano như là ngành công nghiệp mũi nhọn.Các nhà khoa học Anh và Canada khẳng định sự ứng dụng rộng rãi của c

Chương 2 VẬT LIỆU NANO

2

3

 Công nghệ nano đang thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ mới và dự báo công nghệ này sẽ đem lại 1.000 tỷ USD cho nhân loại vào cuối

thập kỷ này.

 Các dự án công nghệ nano hiện nay ở Mỹ đã thu hút vốn đầu tư hơn

800 triệu USD Trên toàn cầu, hơn 3.000 bằng phát minh về công nghệ nano đã được bảo hộ bản quyền hàng năm

 Các nước công nghiệp phát triển đã thực hiện chiến lược phát triển công nghệ nano như là ngành công nghiệp mũi nhọn.Các nhà khoa học Anh và Canada khẳng định sự ứng dụng rộng rãi của công nghệ nano trong tất cả các lĩnh vực như công nghiệp, điện tử, hóa học, sinh học, mỹ phẩm, y tế, môi trường…

 Các sản phẩm của công nghệ nano hiện đã xuất hiện tại các siêu thị, trong các thiết bị điện tử, các vi mạch silicon… và sẽ trở thành các mặt hàng thực phẩm hoặc dược phẩm trong tương lai gần Công nghệ nano sẽ góp phần giải quyết hàng loạt các vấn đề trong đời sống con người

 Các nhà khoa học kêu gọi cộng đồng quốc tế khẩn cấp xây dựng luật pháp và quy chế về phát triển và ứng dụng công nghệ nano phục vụ đời sống con người và ngăn chặn sử dụng công nghệ này vào các mục đích nguy hiểm đối với con người và môi trường

29/5/2009

4

Theo TTXVN ( http://thegioinano.com) 10/2008

 Tại Mỹ, toàn bộ hoạt động nano đã có sự phê chuẩn của Tổng thống Đầu tháng 12 năm 2003, Tổng thống Mỹ - Bush đã ký sắc lệnh Nghiên cứu và Phát triển công nghệ nano thế kỷ 21 Sắc lệnh này phê chuẩn một ngân sách 3,7

tỉ USD cho các chương trình nghiên cứu và phát triển trong bốn năm được phối hợp giữa một số cơ quan liên bang trong lĩnh vực công nghệ nano

(thegioinano.com)

29/5/2009

5

 Giáo sư Pugno vừa giới thiệu công nghệ này trên Tạp chí Vật

lý của Viện Vật lý Ông nói, một mặt phẳng có những ống nano carbon thì có sức kết dính lớn hơn chân con nhện hoặc con tắc kè đến 200 lần Ông cho rằng sẽ sớm chứng kiến cảnh người ta leo trèo bên ngoài tòa nhà chọc trời Empire State Building ở New York (Mỹ) chỉ nhờ đôi giày và găng tay có dán

“keo dính” Ông dự đoán, bộ trang phục này sẽ được sản xuất

từ năm 2017 Hiện nhóm nghiên cứu của ông đang thử thiết kế kiểu trang phục này, vừa có thể giúp người ta leo trèo như nhện, vừa có thể giặt sạch được mà không bị mất độ kết dính (thegioinano.com)

29/5/2009

6

7

8

Intel vừa hoàn thiện công nghệ xử lý 90 nanomet (nm - 1 phần tỷ mét) Hãng cũng có

kế hoạch thu nhỏ cổng transistor xuống còn

10 nm vào năm 2011 Tuy nhiên, vào năm

2013, Intel cũng như tất cả các hãng sản xuất chip khác sẽ cần những chất liệu mới để có thể duy trì định luật Moore - tăng gấp đôi số lượng transitor gắn trên cùng một thể tích silicon theo từng chu kỳ 2 năm

Hãng sản xuất chip lớn nhất thế giới vừa công bố định hướng phát triển tới năm 2020, với trọng tâm đặt vào những chất liệu mới như ống carbon nano và dây dẫn nano cùng các kỹ thuật mang tính cách tân để đưa transistor xuống tầm nguyên tử

Nanoelectronic devices

29/5/2009 9

IBM chip

 Chỉ 10 năm nữa, người ta sẽ “đu” được trên tường những tòa nhà chọc trời, hoặc

“nằm” trên trần nhà mà không bị té uỵch xuống sàn Đó là nhờ những bộ trang phục kiểu “người nhện”, ứng dụng công nghệ nano Giáo sư Pugno giải thích, các ống nano carbon sẽ kết hợp 3 thể kết dính: sức ma sát của các ống, sự kết dính

“van der Waals” (theo nguyên tắc các vật nhỏ dính vào những vật lớn hơn, làm cho những sợi lông li ti dưới chân con nhện hoặc con tắc kè bám dính vào tường thủy tinh hay trần nhà bê tông) và sự kết dính mao dẫn (thường thấy ở một ly nước, khi mép nước cao hơn một chút so với mặt nước).

29/5/2009

10

11

Các nhà khoa học của Đại học California (Mỹ) chỉ dùng một ống carbon ở cấp độ nano Sợi đốt của

họ có độ dài 1,4 mm (ngắn hơn bóng sợi đốt truyền thống 10.000 lần) và

có đường kính 13 nanomet (tương đương 100 nguyên tử và nhỏ hơn sợi đốt truyền thống 100.000 lần)

Ống hình trụ có chứa một màng tổng hợp, có độ dày khoảng 100 nanomét Hình phóng to cho thấy hình ảnh phóng lớn của màng tổng hợp chứa các phân tử liên kết hữu cơ và các lỗ nhỏ Chỉ có các phân tử nước mới thoát ra khỏi màng lọc từ phía bên trái của màng lọc

12

13

Thấm ướt Không thấm ướt

17

18

Tùy thuộc vào góc chiral θ mà các dạng khác nhau của CNTs được xác định:

•Nếu θ = 0o (n = 0 hoặc m = 0), ống “zig - zag”,

•Nếu θ = 30o (n = m), ống “armchair”,

•Nếu θ = 0o – 30o (n ≠ m), ống “chiral”

19

Carbon nanotube

KIM LOẠI BÁN DẪN

20

Carbon nanotube

21

Ứng suất Young (GPa)

Độ cứng (Gpa)

Tỷ trọng (g/cm3)

Độ dẫn nhiệt của ống nano đa vách khoảng từ 1.800 đến 6.000 W/m.K, và hơn 3.000 W/m.K đối với ống nano đơn vách Còn độ bền nhiệt của các ống than nano lên tới 2.800oC ở chân không và khoảng 750oC trong không khí

 CNTs have High Electrical Conductivity

 CNTs have Very High Tensile Strength

 CNTs are

Highly Flexible- can be bent considerably without damage

 CNTs are Very Elastic ~18% elongation to failure

 CNTs have High Thermal Conductivity

 CNTs have a Low Thermal Expansion Coefficient

 CNTs are Good Electron Field Emitters

29/5/2009

22

Properties of CNTs  

Thermal Conductivity of CNTs

Field Emission of CNTs

Conductive Plastics with CNTs

Energy Storage using CNTs

Conductive Adhesives and Connectors with CNTs

Molecular Electronics based on CNTs

Thermal Materials with CNTs

Structural Composites with CNTs

Fibers and Fabrics with CNTs

Catalyst Supports using CNTs

Biomedical Applications of CNTs

Air and Water Filtration using CNTs

Ceramic Applications with CNTs Other Applications

  

29/5/2009

23

Applications of CNTs

24

Vật liệu composite

Chỉ cần thêm 1% ống than nano thì độ cứng đàn hồi của CNT/polystyrene tăng 25% so với polystyrene thông thường Còn ống nano đơn vách khi phân tán tốt

trong màng composite PVA (polyvinyl acetate) có phủ PVP (polyvinyl pyrrolidone) và SDS sẽ giúp tăng cường

sức căng cơ học và ứng suất đàn hồi Còn trong sợi PAN/SWNT, với 10% SWNTs sẽ tăng 100% ứng suất đàn hồi ở nhiệt độ phòng

25

Carbon nanotube for nanocomposite

26

Carbon nanotube for nanocomposite

S (Sự phân cực bằng nguồn

một chiều trên các cực G, D,

S của MOSFET)

(Hình chụp mô tả cấu trúc bên trong của một MOSFET; chúng ta thấy rõ sự hình

thành kênh dẫn điện bởi chất bán dẫn Si)

28

29

30

(Hình ảnh mô tả khi các electron và các lổ trống di chuyển ngược chiều và gặp nhau Sự va chạm làm phát ra tia hồng ngoại IBM)

31

Tiến sỹ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim đến từ trường Vật lý và Vũ trụ tại Đại học Manchester đã tiến hành nghiên cứu về khả năng ứng dụng của Graphene trong các thiết bị điện tử và là những người đầu tiên tách rời các chất khác ra khỏi Graphite Tiến sỹ Novoselov

cho biết graphene là một chất dẫn tuyệt vời, khiến cho nó trở thành một

nguyên liệu tuyệt vời để ứng dụng vào

sản xuất chip “Grapeme tỏ ra vượt trội hơn so với silicon về cường độ hoạt động

và có thể so sánh với nguyên liệu tốt nhất hiện nay Chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể khiển cho việc truyền điện nhanh hơn gấp 10 lần.”

Không giống như Silicon, bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt hơn

32

TỒN TRỮ KHÍ HYDROGEN

33

THANH AFM

, Volume 1, Number 1, March 2005 , pp 3-17(15)

36

Carbon nanotube

37

Click to edit Master title style

Tương tác đế-xúc tác yếu

Fe

CxHy CxHy

CƠ CHẾ MỌC ỐNG THAN NANO

39

PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG THAN NANO

- Phóng điện hồ quang

Phương pháp hồ quang sẽ

tổng hợp ra một hỗn hợp gồm ống than nano, các lớp graphite, các fullerene, bụi than và một số các hạt xúc tác kim loại tại điện cực than chì

Do tỷ lệ tạp chất khá lớn nên phương pháp này đòi hỏi quá

trình làm sạch ống than nano phức tạp và mất nhiều thời gian.

40

Quantum dot (Ch m lư ng t ) ấ ợ ử

(Nanocrystals)

41

*Chu kỳ kích thích

và phát xạ cao hơn các màu hữu cơ

(200lần)

*Hiệu suất lượng tử 85% sáng hơn các màu hữu cơ 10-20 lần.

*Tính bền quang học gấp vài ngàn lần so với các chất nhuộm hữu cơ

42

*Có khả năng liên kết với các phân tử sinh học như peptid, protein, acid nucleic

*Có khả năng tạo các loại thuốc truyền dân đến đích điều trị như thuốc truyền dẫn gen, truyền dẫn protein,…

43

ĐÁNH DẤU TẾ BÀO

Có khả năng liên kết với các kháng thể định hướng protein

Bề mặt của QD có thể liên kết với nhiều phân

tử sinh học Đánh dấu được nhiều loại protein và tế bào

44

45

46

Phương pháp khắc chùm địên tử (EBL)

Phương pháp này chế tạo các QD từ Quantum-Wells (QWs) Các bước chính của quá trình khắc chùm điện tử :

• Phủ một lớp cảm điện tử lên bề mặt của một bán dẫn có một lớp QW ở

trong

• Một chùm điện tử quét lên một vùng của bề mặt lớp cảm điện tử

• Vùng bị chùm điện tử quét sẽ được rửa trôi,

• Phủ một lớp kim loại lên bề mặt mẫu vừa tạo,

• Dùng dung môi làm hoà tan lớp cảm điện tử, khi đó, kim loại trên các lớp

cảm điện tử cũng bị rửa theo,

• Tác dụng vào bề mặt mẫu một chùm tia ion kim loại, các vùng bán dẫn

không được lớp kim loại che chắn sẽ bị phá huỷ, còn vùng được kim loại bảo vệ không bị phá huỷ,

• Cuối cùng, thu được một QD từ QW ban đầu

47

48

A

B

Sơ đồ biểu diễn 2 phương pháp giúp QDs có thể hoà tan trong nước (A)

Phương pháp trao đổi ligand, các ligand ưa nước được sử dụng: Mercapto

silane (trái) và Mercaptoacetic acid (phải) (B) Phương pháp phủ polymer, các

polymer dùng để phủ QDs: amphiphilic polymer (trái), Lipid polyethylene glycol

Chế tạo QD dạng keo (Colloidal Synthesis)

Quá trình phản ứng xảy ra khi sử dụng thioacetamide làm chất quang huỷ:

CH3CSNH2 + hυ → CH3CN + H2S (1)

Cd2+ + H2S → CdS + 2H+ (2)

Để thu được hạt CdSe, ta sử dụng selenourea làm chất quang huỷ.

50

TiO2 SiO2 Fe3O4

Ag, Au, Cu, Pt, Zn Ag-Au, Ag-Cu, Pt-Ag ,…

TiO2-Ag; TiO2-Au, TiO2, SiO2–Ag, SiO2-Au; SiO2-Fe3O4

SiO2-CNT-Ag, CNT-Au, CNT-Pt,…

29/5/2009 51

Titanium Dioxide

VẬT LiỆU NANO VÔ CƠ

52

53

Thế oxy hoá-khử của chất nhận phải thấp hơn mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt động Trong khi đó, thế oxy hoá-khử của chất cho phải cao hơn mức năng lượng cao nhất của vùng hoá trị.

Re

Ox ne + ƒ d

GÓC DÍNH ƯỚT

GÓC DÍNH ƯỚT

57

58

Click to edit Master title style

59

Titanium dioxide

60

Titanium dioxide

61

Seft-cleaning materials

62

Titanium dioxide

63

Theo giáo sư Seeger (Đại học Zuerich), vải mới phát minh này có khả năng chống bám nước cao nhất thế giới Qua thí nghiệm kiểm tra, lọai vải này được ngâm trong nước 2 tháng dài và vẫn không bị thấm nước, tức là vẫn hòan tòan khô ráo

Ứng dụng rộng lớn là chế tạo các lọai quần áo bơi không dính nước, các lọai vải ứng dụng trong công nghiệp, các lọai bạt phủ mái nhà, và dùng tẩm gỗ cũng như tường nhà

 Titanium is the most successful

65

Titanium dioxide

66

Nano Oxid kim lo i (Nano SiO2 ) ạ

67

NANO OXID KIM LOẠI

Chất COUPLING

29/5/2009 68

Supepararmagnetic nanoparticles

69

Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là:

– Đường cong từ hoá không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

– Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng

từ HC bằng 0.

DSP: kích thước hạt siêu thuận từ; DC: kích thước hạt đơn đômen

71

Supepararmagnetic nanoparticles

72

Supepararmagnetic nanoparticles

73

Supepararmagnetic nanoparticles

74

Supepararmagnetic nanoparticles

75

Khi chưa có chất SP Khi có chất SP

Supepararmagnetic nanoparticles

76

Supepararmagnetic nanoparticles

Modulate field to release drug from particles

Inject NMPs IV, NMP will circulate through the blood stream

Other options for targeting:

1 - Direct injection into tumor site

2 - Coating NMP with antibodies to target tumor

78

79

Silver Nanoparticles

80

Nano silver

81

Nano silver

82

83

Marietta Vision Specialty Contact Lenses distributes a contact lens case that has incorporated

nanosilver The lens case is designed so that these particles, which carry positive charges, collide with the cells of

microorganisms, which carry negative charges

84

Gold nanoparticles

Gold – 13 clusterHutchinson, U Oregon

Transmission electron micrograph of a 1%

Au/C catalyst (Hughes et al , Nature 437,

1132 (2005)

Metal Nanoparticles

Chemistry changes with Size!

CO CO2

COXCO2 See, for example:

Valden et al., Science 1998,281, 1647.

Scott et al., J Phys Chem B 2005, 109, 692

Gold nanoparticles

86

Gold nanoparticles

87

88

89

Gold Nanoparticles

90

Các bước thiết lập các lớp hạt vàng nano tự lắp ghép.

91

Dung dịch chứa các hạt vàng nano có bọc protein cytochrome

c thay đổi màu theo pH.

• Nhận biết sự thay đổi hình dạng protein

Tế bào thần kinh bình thường và tế bào thần kinh bệnh

• Trị bệnh Alzheimer bằng hạt vàng nano

92

Hình X – ray chụp 2 chân sau của chuột Với (a) trước khi tiêm, (b) 2 phút sau khi tiêm vào tĩnh mạch những hạt nano vàng, (c) 2 phút sau khi tiêm tác nhân tạo

độ tương phản iod với một lượng tương đương.

chống khuẩn cho bàn chải đánh răng

Image of a cancer cell illuminated by gold nanorods

95

<2O

32,5 O

Dioxid titanium

NANOPARTICLES

IN BIOTECHNOLOG

GREEN SYNTHESIS OF SILVER NANOPARTICLES

BIOSYNTHESIS

CHEMICAL SYNTHESIS

THERMAL DECOMPOSITION

Furasium oxysporum

B.licheformic

B.subyilis

MICROWAVE-ASSISTED POLYOL METHOD

VERY PURE

AgNO 3

AgNO3

Ag2C2

O4

Mechanism of nano silver nanoparticles biosynthesis

EXTRACELLULAR BIOSYNTHESIS OF SILVER NANOPARTICLES USING

BIOMASS OF BACTERIA Bacillus Subtilis

Figure 2: UV-Vis spectra of silver nanoparticles with different concentrations of AgNO3

The wet biomass of Bacillus subtilis :10g

Control

Nano

Ag

The silver hydrosol biosynthesized by B.Subtilis

440nm (silver nanoparticles)

Processding of IWNA 2009, Vung Tau, Vietnam

The suitable time of biosynthesis reaction: 4 days

The suitable conc.of AgNO3 : 2mM

Figure 4: UV-Vis spectra of silver nanoparicles

with different times

EXTRACELLULAR BIOSYNTHESIS OF SILVER NANOPARTICLES USING

BIOMASS OF BACTERIA Bacillus Subtilis

Figure 5: UV-Vis spectra of silver nanoparticles with different concentrations of AgNO3

Processding of IWNA 2009, Vung Tau, Vietnam

Image and particles size histogram of synthesized silver nanoparticles

EXTRACELLULAR BIOSYNTHESIS OF SILVER NANOPARTICLES USING

BIOMASS OF BACTERIA Bacillus Subtilis

Processding of IWNA 2009, Vung Tau, Vietnam

Silver nanoparticles chemical

synthesis

406

Precusor: Silver Nitrate

Reductant : Ethylen Glycol / Glycerine

Stabilizer : Polypyrolidone PVP 55.000

PVP 1000000

Microwave-assisted polyol method: fast, facile

Stable in over 1 year

Processding of IWNA 2009, Vung Tau, Vietnam

*Concentration of AgNO3 increased

*Time increased

*Power of MW increased

Red-shiffDiameter is increased

Stable in over 1 year

synthesis