Phương pháp chế tạo vật liệu NANO

Phương pháp top-downNguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến các vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt có kích thước nano.. Ưu nhược điểm: Đơn giản, rẻ tiển n

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT

BỘ MÔN HÓA

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

 Công nghệ nano là nghành 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 điều khiển hình dáng, kích thước trên qui mô nm.

Lọc nước

 Cơ sở khoa học của CNNN.

1 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử.

2 Hiệu ứng bề mặt.

3 Kích thước tới hạn.

Công nghệ nano là gì? Nó có vai trò như thế nào trong đời sống và khkt?

Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều

- Hình dáng vật liệu: Cách phân loại phổ biến nhất

1.Vật liệu nano 3 chiều: các hạt nano…

2 Vật liệu nano 2 chiều: ống cacbon, dây nano

3 Vật liệu nano 1 chiều: màng nano mỏng…

4 Ngoài ra còn có cấu trúc nano hay nanocomposite

trong đó chỉ có 1 phần vật liệu có kích thước nano,

hoặc cấu trúc của nó có nano 1, 2, 3 chiều đan xen

lẫn nhau

Hạt nano vàng

Ống nano Sợi nano

Màng nano đa lớp

Vật liệu nano là gì?

Ứng dụng của vật liệu nano

Ư

Phương pháp chế tạo vật liệu nano

 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 top-down

Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến các vật liệu thể khối

với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt có kích thước nano.

Phân loại

Phương pháp nghiền.

Phương pháp biến dạng.

Phương pháp quang khắc.

Ưu nhược điểm: Đơn giản, rẻ tiển 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) và chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao, và tạo ra một lượng phế thải khá lớn.

Phương pháp bottom-up

Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.

Phân loại.

1 Phương pháp sol-gel

2 Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học

3 Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý

4 Phương pháp lắng đọng nhiệt phân phun phủ

5 Phương pháp tự lắp ghép phân tử

6 Phương pháp hạt micelle ngược

7 Phương pháp hồ quang plasma

8 Phương pháp mạ điện

9 Phương pháp khử sinh học

Ưu nhược điểm: 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 Vật liệu thu được

có tính đồng đều cao.

Phương pháp sol-gel

Phương pháp sol-gel dựa trên cơ sở các phản ứng thủy phân và ngưng tụ của alkoxide tiền chất ban đầu

Tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel xảy ra theo các bước sau

1. Giai đoạn tạo gel.

2. Giai đoạn sấy khô gel.

3. Giai đoạn nung.

Ưu nhược điểm của phương pháp sol-gel.

Ưu điểm: Sản phẩm thu được nguyên chất, đồng nhất, đòi hỏi thiết bị không quá

phức tạp, giá thành hợp lý

Nhược điểm: Các chất tiền tố bị thủy phân mạnh trong khí quyển vì vậy đòi hỏi

phải kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng; giá thành của các chất này thường cao nên đã hạn chế ý nghĩa thương mại của chúng Phương pháp không dùng alkoxide sử dụng các muối vô cơ (như nitrat, clorua, acetat, cacbonat, acetyacetat…) đòi hỏi ở giai đoạn cuối là phải loại bỏ các anion vô cơ thêm vào

Ứng dụng: Dùng để điều chế các vật liệu vô cơ phi kim loại như kính, gốm sứ,

thủy tinh, thủy tinh-gốm, các lớp mỏng phủ lên các bề mặt, hạt hay các màng xốp, sợi

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

 Lắng đọng pha hơi hóa học là một phương pháp mà các vật liệu rắn được lắng đọng từ pha hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt đế được đun nóng

Một số phương pháp CVD: CVD nhiệt, CVD nâng plasma (PECVD), CVP (lắng đọng pha

hơi hóa học polymer), ALCVD(Lắng đọng pha hơi hóa học lớp nguyên tử)…

Ưu và nhược điểm của phương pháp CVD

Ưu điểm: hệ thống thiết bị đợn giản, tốc độ lắng đọng cao, có khả năng lắng đọng hợp kim

nhiều thành phần, có thể chế tạo màng cấu trúc hoàn thiện và độ sạch cao Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình phức tạp.

Nhược điểm: cơ chế phản ứng phức tạp, đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn trong các phương pháp

khác Đế và các dụng cụ thiết bị có thể bị ăn mòn bởi các dòng hơi.

Ứng dụng: Chế tạo lớp phủ màng mỏng trên bề mặt (màng cách điện chống gỉ, chống oxy

hóa) Chế tạo sợi quang chịu nhiệt, pin mặt trời, ngoài ra còn được sử dụng để sản xuất bột và vật liệu có độ tinh khiết cao, cũng như chế tạo vật liệu composite thông qua phương pháp thấm Phương pháp này được sử dụng để lắng đọng nhiều loại vật liệu.

Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (Physical vapouor depostion – PVD)

PVD là một lớp khác của kỹ thuật lắng đọng điều chế màng mỏng Các màng tạo thành từ pha khí, nhưng ở đây không có sự biến đổi hóa học nào

từ tiền chất cho đến sản phẩm Vì vậy, nó chỉ có thể thực hiện được với các chất bền trong pha khí

Ứng dụng chủ yếu của kỹ thuật PVD là bốc bay nhiệt, trong đó một chất được bay hơi từ một nồi nấu kim loại và ngưng tụ trên một chất nền

Phương pháp lắng đọng nhiệt phân phun phủ

(Spray pyrolysis deposition – SPD)

SPD là một kỹ thuật lắng đọng aerosol cho các màng mỏng và bột liên quan tới CVD

Các điểm khác nhau chủ yếu là trong phương pháp nhiệt phân phun phủ:

1 Một aerosol (một màn của các giọt nhỏ) được tạo thành từ dung dịch ban đầu thay thế cho một màn hơi trong CVD

2 Aerosol hội tụ trực tiếp trên mẫu trong hầu hết các trường hợp, trong khi sự khuyếch tán là một quá trình trội trong CVD

3 Các chất nền được gia nhiệt ở áp suất môi trường, trong CVD hệ thường được đặt dưới điều kịên giảm áp

So với các phương pháp lắng đọng tạo màng mỏng khác, SPD có nhiều ưu điểm như đơn giản, giá thành thấp, tái sản xuất được, và có khả năng lắng đọng bao phủ một diện tích rộng trong một thời gian ngắn, trong khi các màng tạo ra thể hiện tính chất điện học và các tính chất tiêu biểu khác tốt Sự đồng nhất trong đa số các trường hợp là một vấn đề, như là sự bằng phẳng của các lớp màng

Phương pháp tự lắp ghép phân tử

Tự lắp ráp là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều thành phần thành một khối lớn thông qua các liên kết đồng hoặc phi đồng hóa trị Tự lắp ráp phân tử (MSA) là một cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các cấu trúc siêu phân tử

MSA đuợc tạo thành bởi các liên kết phi đồng hóa trị yếu, đáng chú ý là liên kết H, liên kết ion, tương tác kỵ nước, vander Waals và liên kết H qua nước

ADN, peptide và protein là các khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu

Ví dụ Chế tạo ống cacbon: Phospholipid dễ dàng tự lắp ráp trong dung dịch nuớc,

tạo thành các cấu trúc khác nhau bao gồm micell, túi và ống Schnur và cộng sự đi tiên phong trong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo ra các vật liệu dùng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các khối cấu trúc đơn giản

Phương pháp hạt micelle ngược

 Micelle ngược là quá trình tạo thành hạt micelle (hình cầu đường kính từ 10 đến 100nm) trong môi trường dầu bởi chất hoạt động bề mặt có nhân là pha nước chứa các hạt vô cơ, hạt lai

 Tâm hạt nano bao gồm hạt kim loại, hạt lai Phía ngoài lớp phủ là chất hoạt động bề mặt có phần đầu hấp thụ trên bề mặt kim loại theo lực hút tĩnh điện, phần đuôi khuếch tán ra ngoài tạo thành hình cầu (lớp phủ này là lớp stern) với nước choán đầy trong không gian vỏ

 Khi nồng độ các chất hoạt động bề mặt đạt tới mức tới hạn (CMC), do lực Vander waal, các chất hữu cơ kết hợp với phần đuôi ưa dầu của chất hoạt động bề mặt tạo thành lớp màng khuếch tán bảo vệ hạt micelle ngược.

Khi đó chúng ta hoàn toàn có thể điều khiển được kích thước của micelle ngược vì kích thước của nó phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ của lượng nước trên lượng chất hoạt động bề mặt Có thể thực hiện hầu hết các phản ứng trong nước cũng như trong nước chứa bên trong micelle Do đó có thể kết tủa các hạt nano bên trong micelle Kích thước hạt nano bị giới hạn bởi kích thước của micelle ngược.

Các hạt nano mới sinh ra có khả năng kết tụ lại với nhau Do đó có thể cho phân tử mũ (chất gắn cộng hóa trị với bề mặt vật liệu) vào dung dich để ngăn cản quá trình kết tụ của các hạt nano mới tạo thành.

Phương pháp hồ quang plasma

Nguyên lý: Tạo ra điện hồ quang nhờ sự

phóng điện giữa 2 điện cực graphit trong

buồng chứa khí trơ He hoặc Ar với các điều

kiện: cường độ dòng điện 100A, khoảng cách

giữa 2 điện cực là 1mm dưới áp suất

500mmHg của He

tạo ra được các lớp bột mịn, hạt nhỏ trên

catot, và chế tạo ống cacbon.

Nhược điểm của phương pháp này là

mẫu chứa thu được còn lẫn tạp chất, vì

vậy cần tiến hành làm sạch sau khi thu

mẫu Ngoài ra phương pháp hồ quang

plazma còn không tạo ra được vật liệu

dạng khối.

Phương pháp mạ điện

Phương pháp mạ điện thường được sử dụng phổ biến để chế tạo các lớp kim loại mỏng trên bề mặt vật liệu điện Ngoài ra phương pháp mạ điện còn được dùng để lấp lỗ nano trong màng polymer để tạo ra các điện cực nano nhằm điều khiển ion chuyển động Đó là màng nhân tạo có các ion điều khiển được như nanocomposit kim loại - chất dẻo.

Phương pháp khử sinh học

Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại

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

Vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 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 Ví dụ như một chấm lượng tử có thể được coi như một đại lượng nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử

Hiệu ứng bề mặt

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

đáng kể so với tổng số nguyên tử Vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến các nguyên

tử bề mặt (hiệu ứng bề mặt) tăng lên

 Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng

bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại Chính vì vậy các hiệu ứng liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho các tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu tới hạn ở dạng khối

 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 Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được 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 là đùn thủy lực, tuốt, cán, ép 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 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