Tiểu luận Vật liệu NaNo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM ---o0o---MÔN: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU Tiểu luận VẬT LIỆU NANO Sinh viên thực hiện: Phạm Trí Nhựt Võ Hoàng Y

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

-o0o -MÔN: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

Tiểu luận

VẬT LIỆU NANO

Sinh viên thực hiện: Phạm Trí Nhựt

Võ Hoàng Yến Huỳnh Như Ý

Lê Hoàng Phương Thy

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Triệu Tuấn Anh

MỤC LỤC Chương I: Tổng quan về vật liệu nano

1.1 Khái niệm của vật liệu nano

1.2 Nguồn gốc của vật liệu nano

1.3 Tính chất của vật liệu nano

1.4 Phân loại vật liệu nano

Chương II: Chế tạo vật liệu nano

2.1 Phương pháp từ trên xuống (Top-Down)

2.2 Phương pháp từ dưới lên (Bottom-Up)

2.3 Phương pháp Vật lý

2.4 Phương pháp Hóa học

2.5 Phương pháp kết hợp

Chương III: Tiềm năng và ứng dụng

3.1 Nguy cơ tiềm ẩn

3.2 Ứng dụng tiêu biểu trong đời sống

3.2.1 Trong y học

3.2.2 Trong công nghiệp sản xuất chất phủ

3.2.3 Trong công nghiệp điện tử

Kết Luận

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO

1.1 Khái niệm

Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ - kích thước nanomet (nm) Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm)

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí

1 nano = 10-9m = một phần tỷ m = 10-6mm = một phần triệu mm

1 nano = 10 Ȧ ~ kích thước 10 nguyên tử

Micromet µm= 103nm nm

ʎ ánh sáng nhìn thấy

được 400-750

Bảng so sánh kích thước của một số vật

Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010

1.2 Nguồn gốc

Khái niệm về nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử

Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong lĩnh vực nano là kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm STM (Scaning Tunneling Microscope) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử Ngoài ra còn một thiết bị khác là kính hiển vi dò đầu quét SPM

Nó chủ yếu bao gồm một đầu dò cực nhỏ có thể quét trên bề mặt Khi đầu dò được quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vượt qua khoảng không gian giữa về mặt của vật liệu và đầu dò Kỹ thuật này làm cho con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano

Hình 1: Sơ đồ của kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM)

Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010

1.3 Tính chất của vật liệu nano

Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1-100nm có những tính chất thú

vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt

ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật liệu nano

Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn

so với tổng thể tích hạt Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao

Kích thước tới hạn: các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, tính chất từ và quang… ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với vật liệu vĩ mô thường gặp Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó (1 -100nm) cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang… của vật liệu

1.4 Phân loại vật liệu nano

Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

- Vật liệu nano không chiều (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 nano một chiều là 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 nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay 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

CHƯƠNG II : CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO

2.1 Phương pháp từ trên xuống (Top-down)

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

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)

Trong thực tế pin mặt trời hay những thiết bị quang điện cũng như các thiết bị vi điện tử do con người tạo ra đều đi theo “con đường” phương pháp từ trên xuống (top-down) đó là “con đường” đi từ vật liệu cấu trúc lớn đến vật liệu có cấu trúc nano

2.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

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

Đỉnh cao của quá trình tiến hóa là quá trình thiết kế "từ dưới lên" (bottom-up) Dùng những thành phần đơn giản nhất, để cuối cùng hoàn thành một cấu trúc phức tạp nhất, trong điều kiện bình thường nhất (nhiệt độ 0 – 40̊ C, áp suất 1 atm)

2.3 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, phóng 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

2.4 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,

2.5 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,

Trong thực tế ở các hệ thống sinh học sinh vật sử dụng con đường từ dưới lên (bottom-up) đó là con đường tự lắp ráp những phân tử thành các cấu trúc nano rồi thành cấu trúc lớn

Hiện nay, phương pháp nano kết hợp cho chúng ta lắp rắp được những thiết bị quang điện, điện tử rẻ tiền lại có hiệu quả cao

CHƯƠNG III: TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG

3.1 Ứng dụng tiêu biểu trong đời sống

3.1.1 Trong y học

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 Các hạt nano 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

Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nano-robot vô cùng đặc biệt Với những chú robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong

cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết Việc cung cấp thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng cũng như hiệu quả điều trị

Hình 2.1: Mô hình robot nano ứng dụng trong y học Các hạt nano có đặc tính sinh học được xem như một nano-robot giúp truyền thuốc, tiêu hủy các tế bào

ung thư.

Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010

Hình 2.2: Tiêu diệt tế bào ung thư bằng phương pháp sử dụng vật liệu nano-bio Các hạt nano TiO2 được gắn kết thêm các kháng thể rồi được đưa vào tế bào ung thư Các hạt nano – bio khi gặp năng lượng ánh sáng TiO2 sẽ giải phóng các gốc oxi tự do và các gốc này sẽ tiêu diệt tế bào ung thư.

Nguồn : ThS La Vũ Thùy Linh, 2010

Ngoài ra các hạt nano bạc khi gặp vi khuẩn, virus thì tương tác với lớp protein trên

bề mặt của chúng, từ đó phá hủy màng tế bào Ion bạc rất có uy lực đối với các nhóm chức mang điện tích âm trong tế bào vi khuẩn (làm thay đổi cấu trúc của tế bào), dẫn đến khả năng diệt khuẩn của nano bạc Đặc biệt có thể tiêu diệt các loại vi khuẩn đường ruột như khuẩn E coli (tiêu chảy)

Hình 2.3: Cơ chế diệt virus của phân tử nano bạc.

Nguồn: Google hình ảnh, 2016

3.1.2 Trong công nghiệp sản xuất chất phủ:

Ứng dụng công nghệ Nano vào sơn mang lại những đặc tính vượt trội như: hàm lượng VOC thấp, không độc, chống cháy, chống ăn mòn, khả năng siêu chịu nhiệt

và chống chịu thời tiết, tự làm sạch (hiệu ứng lá sen), lớp sơn cứng với khả năng chịu mài mòn cao.Có thể dùng làm lớp sơn ngoài cùng cho chất nền vô cơ và hữu

cơ Những tính năng vượt trội đó có được là nhờ Cấu trúc “vỏ - lõi” đặc biệt của sơn Nano

Hình 3.1: Sản phẩm kết hợp của SiO 2 và latex.

Nguồn: Google hình ảnh, 2016 Các hạt SiO2 liên kết hoá học với hạt latex, vì thế chúng hoàn toàn được cố định với hạt latex Các hạt silicat có kích thước (≈ 20-30 nm) nhỏ hơn các hạt latex và bao phủ chủ yếu trên bề mặt của hạt latex (nhờ vào các liên kết chéo chặt chẽ) Nhờ lớp vỏ silicat có kích thước rất nhỏ này mà những yếu tố bên ngoài không thể xâm nhập vào trong gây ảnh hưởng đến màng sơn

3.1.3 Trong công nghiệp điện tử

Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công

nanowhiskers Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn Trong khi kích thước của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại

Hình 3.2: Hình dạng của pin nano

Nguồn: nld.com.vn

3.2 Nguy cơ tiềm ẩn

Những hạt nano rất nhỏ, được gọi là quantum dot, có thể xâm nhập qua da của lợn Những nghiên cứu khác gợi ý rằng, từ da chúng có thể di chuyển qua hệ thống ống lympho để đi đến các hạch bạch cầu (lymph nodes) và cuối cùng là đến các cơ quan như gan, thận và lá lách

Và khi hít vào thì những hạt nano sẽ đi sâu vào phổi hơn so với những hạt có kích thước lớn hơn và đến được những bộ phận nhạy cảm hơn Vì lẽ đó, các nhà khoa học đặc biệt lo ngại về việc sử dụng hạt nano trong những sản phẩm phun

Các nhà nghiên cứu không chỉ lo lắng vì sức khỏe con người, mà còn lo lắng về những hiệu ứng mà hạt nano có thể gây nên cho môi trường, đặc biệt là những hạt nano bạc Ngoài ra, đặc tính kháng khuẩn của hạt nano bạc rất nguy hiểm với những

vi sinh vật cần thiết cho hệ sinh thái, đối với thực vật trong môi trường nước và động vật không xương sống như trai, hàu và ốc (nhuyễn thể) Bạc còn độc cho thực vật phù du (phytoplankton)- một mắt xích chính trong nhiều chuỗi thức ăn

KẾT LUẬN

Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc của công nghệ, nó tạo ra những ứng dụng vô cùng kỳ diệu tạo ra nhiều cơ hội hơn và đem công nghệ vật chất lên một tầm cao mới

Nhưng bên cạnh đó cũng có những thách thức đặt ra về vấn đề sức khỏe và môi trường Tuy nhiên, bằng sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học công nghệ Tin rằng, công nghệ nano sẽ là một công cụ hỗ trợ tuyệt vời để giúp cho con người

có được cuộc sống tiện nghị, hạnh phúc

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÔNG NGHỆ NANO– CUỘC CÁCH MẠNG TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21 CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH MẠNG

TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21 ThS La Vũ Thùy Linh, 2010.

http://www.cynosura.org/index.php/khoahoc-congnghe-80/132-safety-nanomaterials

http://www.moitruongdothidaklak.com.vn/t.aspx?id=578

https://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87_nano