Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều chếTiểu luận môn học

MỞ ĐẦU Trong nhứng năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm được quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod nano… “Công nghệ nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý của người tiêu dung. Vậy thực chất của công nghệ nano là gì, nó được ứng dụng như thế nào trong đời sống và khoa học kỹ thuật hiện nay. Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mĩ 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. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó công nghệ nano bắt đầu được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano là sự ra đời của hàng loạt các vật liệu nano mới như nanocomposittes gốm, polymer clay, sợi nano, xúc tác nano… Các vật liệu nano có vai trò hết sức quan trọng trong đời sống và khoa học kỹ thuật của nhân loại. Do đó tôi đã chọn đề tài “Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều chế” để làm bài khóa luận này. Mục đích: Tìm hiểu và nghiên cứu về khái niệm vật liệu nano và các phương pháp điều chế vật liệu nano. Nhiệm vụ: Nghiên cứu tài liệu có liên quan đến vật liệu nano và các phương pháp điều chế , sau đó tổng hợp vàviết tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế. Với sự cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu để hoàn thành bài khóa luận này, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để bài khóa luận được hoàn thiện hơn.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ NANO 2

1 1 Khái niệm cơ bản về công nghệ nano 2

1.2 Phân loại vật liệu nano 3

1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ nano 6

1.4 Ứng dụng của vật liệu nano 8

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 11

2.1 Phương pháp top-down 11

2.1.1 Nguyên lý 11

2.1.2 Phân loại 11

2.2 Phương pháp bottom-up 12

2.2.1 Nguyên lý 12

2.2.2 Phân loại 12

2.2.2.1 Phương pháp sol-gel 13

2.2.2.2 Phương pháp nghệ lắng đọng pha hơi hóa học (chemical Vapour Deposition-CVD) 17

2.2.2.3 Công nghệ lắng đọng pha hơi vật lý (Physical vapouor depostion – PVD) 19

2.2.2.4 Công nghệ lắng đọng nhiệt phân phun phủ (Spray pyrolysis deposition – SPD) 20

2.2.2.5 Phương pháp tự lắp ghép phân tử 20

2.2.2.6 Phương pháp hạt micelle ngược 21

2.2.2.7 Phương pháp hồ quang plasma 22

2.2.2.8 Phương pháp mạ điện 23

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

MỞ ĐẦU

Trong nhứng năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩmđược quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nướcnano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipodnano… “Công nghệ nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm màcòn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ýcủa người tiêu dung Vậy thực chất của công nghệ nano là gì, nó được ứng dụngnhư thế nào trong đời sống và khoa học kỹ thuật hiện nay

Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người MĩRichard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từquá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàngloạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) cókhả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thểquan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano Từ đó công nghệ nano bắt đầu đượcnghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Cùng với sự phát triển của công nghệ nano là

sự ra đời của hàng loạt các vật liệu nano mới như nanocomposittes gốm, polymer

clay, sợi nano, xúc tác nano… Các vật liệu nano có vai trò hết sức quan trọng trong

đời sống và khoa học kỹ thuật của nhân loại

Do đó tôi đã chọn đề tài “Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều

chế” để làm bài khóa luận này

Mục đích: Tìm hiểu và nghiên cứu về khái niệm vật liệu nano và các phương

pháp điều chế vật liệu nano

Nhiệm vụ: Nghiên cứu tài liệu có liên quan đến vật liệu nano và các phương

pháp điều chế , sau đó tổng hợp vàviết tổng quan về vật liệu nano và các phươngpháp điều chế

Với sự cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu để hoàn thành bài khóa luận này,nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô

và các bạn để bài khóa luận được hoàn thiện hơn

Chương 1 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ NANO

1 1 Khái niệm cơ bản về công nghệ nano

Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết

kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điềukhiển hình dáng, kích thước trên qui mô nanomet Nói cách khác, công nghệ nano

có nghĩa là kỹ thuật sử dụng kích thước từ 0,1- 100 nm để tạo ra sự biến đổi hoàn

toàn về lý tính 1 cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size

effect)

Công nghệ nanno bao gồm các vấn đề chính sau đây:

 Cơ sở khoa học nano

 Phương pháp quan sát can thiệp ở qui mô nm

 Chế tạo vật liệu nano

 ứng dụng vật liệu nano

1.2 Phân loại vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều có kích thước nm Căn cứvào các tiêu chí khác nhau mà có thể chia vật liệu nano thành các nhóm khác nhau

- Căn cứ vào trạng thái vật liệu: người ta chia thành 3 loại rắn, lỏng, khí Trong

đó vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đómới đến chất lỏng và khí

- Căn cứ vào tính chất của vật liệu: người ta chia vật liệu nano thành vật liệunano bán dẫn, vật liệu nano kim loại, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinhhọc…

- Căn cứ vào hình dáng vật liệu: đây là cách phân loại phổ biến nhất

a) Vật liệu nano ba chiều: cả ba chiều đều có kích thước nano, không chiều nào

cho electron tự do

- Các hạt nano: Các hạt nano thường có đường kính nhỏ hơn 100 nm gồm hai

loại: hạt nano do tự nhiên tạo ra và hạt nano nhân tạo

Các hạt nano do tự nhiên tạo ra hiện diện rất nhiều trong môi trường: kết quảcủa hoạt động quang hóa, hoặc của núi lửa, do các loại thực vật và tảo tạo ra, kếtquả của việc đốt lửa hoặc nấu nướng thực phẩm và gần đây hơn là từ khí thải củaphương tiện giao thông.

Các hạt nano nhân tạo chỉ chiếm thiểu số và rất được các nhà khoa học quantâm bởi những tính chất mới (ví dụ như phản ứng hóa học và hoạt động quang học)

mà chúng có so với các hạt lớn hơn của cùng vật liệu Ví dụ, các hạt titan đioxit vàkẽm oxit trở nên trong suốt ở cỡ nano, tuy vậy lại có khả năng hấp thụ và phảnchiếu tia UV nên có thể ứng dụng làm các chất chống nắng Các hạt nano này cóđặc thù không phải là các sản phẩm thành phẩm, mà thông thường giữ vai trò lànguyên liệu thô, thành phần hoặc chất phụ gia cho các sản phẩm hoàn chỉnh Mặc

dù việc sản xuất ra chúng hiện thời còn ít ỏi so với các vật liệu nano khác, nhưngchúng đã có mặt trong một số lượng nhỏ các sản phẩm tiêu dùng, ví dụ như mỹphẩm Bên cạnh đó, những tính chất mới và được nâng cao của chúng đang gâynhiều tranh cãi về độ độc hại của chúng Trong hầu hết các ứng dụng, các hạt nanođược làm cố định (ví dụ, gắn vào một bề mặt hoặc ở bên trong một hợp chất) hoặcchúng có thể ở dạng tự do hoặc lơ lửng trong chất lỏng

- Các dendrimer: Các dendrimer là các phân tử polyme hình cầu, được hình

thành thông qua quá trình tự lắp ráp phân tử cấp cỡ nano Có rất nhiều loạidendrimer, loại nhỏ nhất có kích thước chỉ vài nm Dendrimer được sử dụng trongcác ứng dụng thông thường như các lớp vỏ bọc và mực, và sẽ còn nhiều ứng dụnghữu ích khác dựa vào các tính chất thú vị của chúng

- Các chấm lượng tử: Các chấm lượng tử chính là các hạt nano của các chất bán

dẫn Khi các hạt chất bán dẫn được chế tạo đủ nhỏ thì bắt đầu xuất hiện các hiệuứng lượng tử Hiệu ứng này hạn định năng lượng tại các electron và các hố (lỗtrống do mất một electron, một lỗ trống hoạt động như một điện tích dương) cótrong các hạt Vì năng lượng liên quan tới bước sóng, nên điều này là có thể điều

chỉnh các tính chất quang học của các hạt dựa trên kích thước Vì vậy có thể tạo racác hạt có thể phát ra hoặc hấp thụ các bước sóng đặc trưng (các màu) của ánhsáng, chỉ đơn thuần bắng cách điều chỉnh kích thước của chúng Những chấm này

có thể được sử dụng và xử lý một số phản ứng hóa học đặc thù

b) Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó có 2 chiều có kích thước nano,

electron được tự do trên 1 chiều (2 chiều cầm tù ) Loại vật liệu này tạo ra các tínhchất cơ học và điện học rất mới lạ và đăc biệt nên trong thời gian gần đây đã đượctập trung nghiên cứu tương đối nhiều

- Các ống nano cácbon: Các ống nano cácbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật

lý người Nhật Bản, Sumio Iijima, quan sát vào năm 1991 Có hai dạng CNT: ốngđơn vách (một ống) hoặc đa vách (các ống đồng tâm) Đặc thù của hai loại đó là cóđường kính vài nm và dài từ vài m tới vài cm CNT giữ vai trò quan trọng trongcông nghệ nano do các tính chất vật lý và hóa học mới lạ của chúng Chúng rấtcứng về mặt cơ học (các môđun theo tiêu chuẩn Young của chúng lớn hơn 1tetrepascal, khiến cho chúng cứng như kim cương), lại mềm dẻo (thể hiện ở trụccủa chúng) và có thể dẫn điện rất tốt (số đường xoắn ốc của các dải graphene quyếtđịnh tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT) Tất cả các tính chất đó làm choCNT có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các hợp chất được gia cố, các thiết bịcảm biến, các linh kiện điện tử nano và màn hình

- Các ống nano vô cơ: Các ống nano vô cơ và những vât liệu dạng fullerene vô

cơ có cấu tạo từ các hợp chất có lớp, ví dụ như molypden đisulfua (MoS2) đượcphát hiện ngay sau CNT Chúng có những tính chất trơn tuyệt vời, chịu được tácđộng sóng va chạm, có phản ứng xúc tác và co khả năng chứa hydrô và lithi cao,điều này hứa hẹn mang lại rất nhiều ứng dụng

- Các dây nano: Các dây nano là các dây cực mảnh hoặc dãy các chấm tuyến

tính được hình thành qua quá trình tự lắp ráp Chúng được làm từ nhiều loại vật

liệu Các dây nano có những ứng dụng tiềm năng trong việc lưu giữ dữ liệu mật độcao dưới dạng các đầu đọc từ tính hoặc phương tiện lưu trữ theo mẫu, các thiết bịnano điện tử, quang học…Việc phát triển những dây nano này dựa trên những kỹthuật phát triển phức tạp, trong đó có quá trình tự lắp ráp, đây là quá trình các phân

tử tự sắp xếp một cách tự nhiên trên các chất nền theo bậc, quá trình lắng đọng ởthể hơi bằng phương pháp hóa học (CVD) lên trên các chất nền theo mẫu và quátrình mạ điện hay cấy ghép phân tử

- Các polyme sinh học: Các polyme sinh học, ví dụ như các phân tử AND, góp

phần giúp các cấu trúc nano dây tự tổ chức thành các mô hình phức tạp hơn Ví dụ

có thể bọc các sương sống của AND bằng kim loại nhờ đó có thể tích hợp côngnghệ sinh học nano và các thiết bị cảm biến tương thích sinh học và các động cơnhỏ, đơn giản Những kiểu tự lắp ráp của các cấu trúc nano có trục hữu cơ như vậythường được điều khiển bằng các lực tương tác yếu, ví dụ như các liên kết hyđrô,các tương tác kỵ nước hoặc các tương tác Van der Waals

c) Vật liệu nano một chiều: Là vật liệu trong đó có 1 chiều kích thước nano, 2

chiều tự do Các vật liệu này đã được phát triển và sử dụng nhiều năm trong cáclĩnh vực như chế tạo các linh kiện điện tử, hóa chất và kỹ thuật Rất nhiều ứngdụng thực tế của vật liệu nano chỉ thực sự phù hợp khi được sử dụng ở dạng màngmỏng Các nhà khoa học đã không những chỉ nắm rõ sự hình thành và các tính chấtcủa những lớp màng từ cấp độ phân tử trở lên, kể cả các lớp phức hợp hoàn toàn,

mà còn tạo ra được các màng một lớp (các lớp có độ dày một nguyên tử hoặc mộtphân tử) Việc điều khiển thành phần cấu tạo, độ phẳng của các bề mặt và pháttriển các màng cũng đã đạt được nhiều tiến bộ Các ưu thế đặc trưng của màngnano như diện tích bề mặt lớn hơn hoặc độ phản ứng đăc trưng thường được sửdụng trong nhiều ứng dụng như pin nhiên liệu và chất xúc tác

d) Ngoài ra còn 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, mộtchiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

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

thú vị khác biệt hẳn với các vật liệu thường thấy Sự thay đổi tính chất một cáchđặc biệt ở kích thước nano được cho là do các yếu tố sau:

a) 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 đượctrung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1m3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể

bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơnthì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn Ví dụ như một chấm lượng tử cóthể được coi như một đại lượng nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống nhưmột nguyên tử

b) Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệđáng kể so với tổng số nguyên tử Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chấtkhác biệt so với các nguyên tử bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệugiảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt (hiệu ứng bề mặt) tănglên Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạtcàng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại Ngay cả vật liệu khối truyền thốngcũng có hiệu ứng bề mặt, nhưng do hiệu ứng này nhỏ nên thường bị bỏ qua.Chính

vì vậy các hiệu ứng liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nênquan trọng làm cho các tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vậtliệu tới hạn ở dạng khối

Bảng 1.1 Một số giá trị của hạt nano hình cầu.

Năng lượng

bề mặt(erg/mol)

Năng lượng bề mặt/tổng số năng lượng

c) Kích thước tới hạn

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có 1 giới hạn về kích thước.Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi

Người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do

kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất vật liệu Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Omh ở kích thước vĩ mô

mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng

đường tự do trung bình của electron trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến

vài trăm nm thì định luật Omh không còn đúng nữa Lúc đó điện trở của vật có

kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Không phải bất cứ vật liệu nào

có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nóđược nghiên cứu Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chấtquang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm Chính

vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và

công nghệ nano.

Bảng 1.2 Kích thước tới hạn của một số tính chất.

hạn (nm)Tính chất

1.4 Ứng dụng của vật liệu nano

Vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Ví dụ như:

- Trong dược học, thuốc chữa bệnh: có khả năng chế tạo chế tạo các phân tử sinh học mà chuyển “dược phẩm trong tế bào, điều này có thể giải phóng các hạt nano hoặc hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh”

- Gắn (tagging) AND và chip AND: Xét nghiệm kim loại xác định AND có thể thực hiện được bằng lớp phủ hạt nano vàng với chuỗi sợi AND Khi các hạt này ghép vào AND sẽ xảy ra liên kết (sự lai tạo) Quá trình này làm cho các hạt keo vàng kết tụ lại, và kết quả là diễn ra sự thay đổi màu Khi dãy AND chưa biết mà gắn với mảng chip AND bất kì nào sẽ xảy ra liên kết và dãy chưa biết được nhận dạng bằng vị trí của nó trên mảng

- Lưu trử thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng mực cao hơn về màu sắc, độ bao phủ, tính bền màu Cũng như vậy, “bút nano” (các mũi kính hiển vi lực nguyên tử) có thể viết các bức thư có kích cỡ nhỏ 5nm Trên thực

tế các hạt nano đã được ứng dụng trong audio, băng video, đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và từ của các hạt siêu mịn

- Làm lạnh: Ở kích thước nhỏ, người ta chứng minh được rằng lợi ích entropy

có thể nhận được nhờ sự đảo chiều của từ tính các hạt nano từ Nếu các hạt nano cómoment từ lớn và độ kháng từ thích hợp thì hiệu ứng từ nhiệt có thể cho phép làm lạnh ở quy mô thực tế

- Máy tính hóa học/quang học: Các mạng 2 chiều hay 3 chiều có trật tự của các kim loại hoặc hạt nano bán dẫn có các tính chất từ và quang đặc biệt Các vật liệu này hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bao gồm cả máy tính quang học

- Gốm và chất cách nhiệt cải tiến: Việc nén các hạt gốm kích thước nano tạo ra các vạt rắn mềm dẻo hơn Sau khi phát triển thêm các phương pháp nén, các vật

liệu không xốp, độ đặc cao sẽ được điều chế Những vật liệu mới này có thể sử dụng thay thế cho kim loại trong nhiều ứng dụng.

- Kim loại cứng hơn: kim loại hạt nano khi nén vào trong vật rắn có bề mặt đáng chú ý hơn, đôi khi độ cứng này cao hơn gấp 5 lần so với độ cứng của kim loạitinh thể thông thường

- Tiền chất lớp màng: Dung dịch keo kim loại nanoquoes có thể sử dụng như tiền chất để chế tạo thành lớp màng kim loại mỏng được sử dụng như sơn phun Đặc biệt

là việc mạ vàng đồ dùng bằng bạc đã được thực hiện bằng chất keo vàng - axetone

- Pin mặt trời: Hạt nano chất bán dẫn, có các bandgap kích thước điều chỉnh được, có tiềm năng đối với pin mặt trời hiệu suất cao hơn (sản xuất điện) và tách nước (sản xuất hydro)

- Lọc nước: Các bột mịn kim loại phản ứng (Fe, Zn) có khả năng phản ứng cao đối với chlorocarbon trong môi trường nước Các kết quả này dẫn đến việc thực hiện thành công màng chắn bột – cát kim loại xốp cho làm sạch nước ngầm

- Chất hấp thụ phân ly: Các oxide kim loại hạt nano có độ hoạt động bề mặt chọn lọc cao và diện tích bề mặt lớn Do sự hấp thụ hóa học phân ly thường xảy ra,nên những vật liệu mới này được gắn cho cái tên “chất hấp thụ phân ly” và được sửdụng trong chiến tranh chống hóa/sinh học, trong lọc khí, và để thiêu hủy chất độc

- Làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học và sinh học

- Sensors: Khối kết tụ xốp của các hạt nano bán dẫn có thể được nghiên cứu bằng nén tải trọng thấp Những vật liệu này giữ vững bề mặt lớn của chúng, và khi hấp thụ khí khác nhau, tính dẫn điện của chúng thay đổi Do nhiều khí được phát hiện ra được hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng so sánh với bột nén thông thường,

sự thay đổi điện xảy ra nhiều lần hơn, vì vậy việc sử dụng các hạt nano tạo ra ưu điểm đáng kể trong công nghiệp cảm biến

- Điện cực cấu trúc nano: Các vi tinh thể (crystallite) kim loại kích thước nano

có thể lớn lên bằng kết tủa điện phân nhanh nhờ vào tốc độ tạo nhân cao và vì vậy giảm sự lớn lên của vi tinh thể (hạt) Kim loại từ như sắt, sau đó có thể tạo nên chấtrắn từ đậm đặc có tính chất từ mềm (độ kháng từ thấp và độ từ bão hòa cao) Các vật liệu này rất hữu ích cho máy biến thế

- Cấu trúc nano và nanocomposite: Có một số tác động kì diệu sinh ra khi bột nano được cho vào chất nền polymer Bột nano có thể dưới dạng hạt mịn, cấu trúc giống hình kim loại hoặc platelet Tác động này được tăng cường thêm độ bền của hỗn hợp rất nhiều Các vật liệu nhẹ hơn, bền hơn, lớp phủ chống mòn, vật thay thế cho kim loại, và có thể hình dung ra nhiều loại hơn nữa

- Sơn tự lau sạch và có màu đẹp: Người ta chứng minh rằng khi thêm vào sơn các chất phụ gia bằng các hạt nano hấp thụ ánh sáng như TiO2, sơn sẽ tự lau sạch.

- Chất lỏng từ thông minh: Chất lỏng sắt (ferrofuid) là dung dịch chất keo chứa các hạt từ nhỏ được làm ổn định bằng phối tử hoạt tính bề mặt Chúng được sử dụng vào trong đệm kín chân không, bộ giảm xóc nhớt, đệm kín lọa trừ chất bẩn Đồng thời còn được sử dụng làm chất lỏng làm mát, ổ trục kích thước nano, dây dẫn nhiệt điều chỉnh bằng từ, và axit từ trong chia tách quặng trong khai thác mỏ

và tách kim loại phế liệu

- Ắc quy bền hơn: Với ví dụ điển hình là vật liệu cấu trúc nano trong ắc quy ionlithium

- Nâng cao an ninh quốc gia: hiện nay và trong tương lai, công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp chế tạo trang thiết bị cho quân sự trong công cuộc phòng thủ đất nước Ngoài ra, việc sử dụng các hạt nano chức năng, diện tích

bề mặt lớn, như là chất hấp phụ, phá hủy các tác nhân hóa/sinh học đã được chứng minh là có hiệu quả và cho phép đối phó nhanh với 1 số vấn đề về hậu cần

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO

Có 2 phương pháp để chế tạo vật liệu nano đó là top-down và bottom-up.

- Top-down: phương thức từ trên xuống dưới tức là chia nhỏ 1 hệ thống lớn để

cuối cùng tạo ra 1 đơn vị có kích thước nano

- Bottom-up: phương thức từ dưới lên trên nghĩa là lắp ghép các hạt cở phân

tử hay nguyên tử lại để thu được kích thước nano

Phương pháp nghiền: vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với nhưng viên bi

được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể lànghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Cácviên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thuđược 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 hủy vật liệu Như làđùn thủy lực, tuốt, cán, ép Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từngtrường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì 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 hoặc 2 chiều

Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để

tạo ra các cấu trúc nano phức tạp

 Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiển nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành chonhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn ( ứng dụng làm vật liệu kết cấu ) và chếtạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao, vàtạo ra một lượng phế thải khá lớn

2.2 Phương pháp bottom-up

Nếu như các nhà vật lý chế tạo vật liệu nano bằng phương pháp down”, “gọt” nhỏ dần các cấu trúc micro Thì các nhà hóa học lại đi theo một con

“top-đường hoàn toàn ngược lại với phương pháp “bottom-up”, ghép các nguyên tử và

phân tử thông thường thành các cấu trúc vật chất mới với kích thước nano Nếu

phương pháp “top-down” đòi hỏi phải sử dụng công nghệ vi điện tử ở trình độ hiện

đại nhất và chỉ có ở các trung tâm nghiên cứu với vốn đầu tư rất lớn mới làm được,

thì với phương pháp “bottom-up” chúng ta vẫn có thể tạo được cấu trúc nano trong

phòng thí nghiệm với vốn đầu tư không lớn, chỉ yêu cầu có trình độ khoa học cao.

Đồng thời với phương pháp “bottom-up” con người có thể chế tạo được các hình

thái vật liệu mà loài người hằng mong ước Chính vì vậy hiện nay, phương pháp

“bottom-up” đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi và phần lớn các vật liệu

nano được chế tạo từ phương pháp này

2.2.1 Nguyên lý

Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion

2.2.2 Phân loại

Trong phương pháp này có một số công nghệ và kĩ thuật để chế tạo vật liệu cấu

trúc nano đóng vai trò công nghệ nền, cơ bản Tiêu biểu như phương pháp sol-gel,

phương pháp hạt nano micell ngược, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học và vật lý, phương pháp tự lắp ghép phân tử.

2.2.2.1 Phương pháp sol-gel

Đây là công điển hình nhất chế tạo vật liệu nano Có hai dạng được biết đến đólà: cách không dùng alkoxide và cách có dùng alkoxide Tùy thuộc vào cách thứcđiều chế sử dụng mà oxit tạo thành có các tính chất lý, hóa khác nhau

- Sol chính là trạng thái tồn tại ổn định của các hạt rắn tướng colloide bên trong

chất lỏng

- Colloide là các hạt thấy được và không đi qua màng bán thẩm có kích thước từ

0,2 nm đến 2 mm, và trong mỗi hạt có từ 103 đến 109 phân tử

- Gel là chất rắn lỗ xốp có cấu tạo mạng ba chiều trong môi trường phân tán chất lỏng Quá trình sol-gel liên quan đến sự phát triển của các mạng vô cơ thông qua

huyền phù dạng keo (sol) và sự tạo gel của sol để tạo thành 1 pha chất lỏng liên tục(gel) Các tiền chất để tổng hợp chất keo là các phối tử (gốc kết hợp) khác nhaucủa các nguyên tố kim loại hoặc á kim Các nguyên liệu ban đầu được xử lý, tạothành dạng oxit hay sol có thể phân tán trong nước hay axit loãng Loại bỏ chất