Bài Giảng Nano nhóm 12

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 x

Huế 2013

Nhóm 12:

Nguyễn Tất Đô Bùi Đặng Thống Nhất

Lê Như Cả.

I Khái niệm NaNo

 Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên

cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng

chế , số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia

tăng theo cấp số mũ Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực

này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004, ngoài ra nó còn là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau ( Bảng 1)

 Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và

sự can thiệp (manipulation) 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

Bảng 1: Số liệu mình họa qua từng năm vật liệu

nano thu hút được nguồn đầu tư về tài chính và nhân lực.

II Phân loại

Vật liệu nano được phân thành:

1.Trạng thái

Rắn

Lỏng

Khí

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

2 Hình dáng vật liệu

Không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ, đám nano, hạt nano

một chiều là vật liệu trong đó một chiều

có kích thước nano, ví dụ, dây nano, ống nano,

hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều

có kích thước nano, 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

 Một số hình ảnh về nano.

Vật liệu nano

không chiều

Vật liệu nano một chiều

Vật liệu nano hai chiều

nanocomposite

III. Tính chất của vật liệu nano

 Như ta đã biết, vật liệu nano chỉ có tính chất thú vị khi kích

thước của nó so sánh được với các độ dài tới hạn của tính chất và đối tượng ta nghiên cứu Nó có tính chất như sau:

• Tính chất điện

• Tính chất từ

• Tính chất quang

• Tính siêu dẫn

• Tính chất cơ

• Xúc tác

• Siêu phân tử

• Miễn dịch

IV Cơ sở khoa học của công nghệ

nano:

Cơ Sở Khoa Học

Kích thước tới hạn

Hiệu ứng bề mặt

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

Bảng độ dài tới hạn của một số tính chất của

vật liệu.

V Chế tạo vật liệu nano như thế nào?

biến, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp chỉ có thể được áp dụng với một số vật liệu nhất định.

Phương pháp

 Hóa ướt (wet chemical)

 Cơ học (mechanical)

 Bốc bay

 Hình thành từ pha khí

(gas-1) Phương pháp hóa ướt (wet chemical):

 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, phương pháp này

là 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 so-gel hiệu không có hiệu suất.

2) Phương pháp cơ học (mechanical)

 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

 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

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: 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 lớn

4) Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase):

 Các phương pháp nhiệt phân

(flame pyrolysis), nổ điện

(electro-explosion), đốt laser (laser

ablation), bốc bay nhiệt độ cao,

plasma Nguyên tắc của các

phương pháp này là hình thành vật

liệu nano từ pha khí Phương pháp

nhiệt phân dùng để tạo các vật liệu

đơn giản như carbon, silicon

Phương pháp hình thành từ pha khí

dùng chủ yếu để tạo lồng carbon

Ưu điểm: phương pháp nhiệt phân được biết đến từ lâu, và nó tạo được nhiều sản phẩm đơn giản

Nhược điểm: Phương

pháp đốt laser có hiệu suất quy mô thấp và phương pháp plasma không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ

VI Ứng dụng của vật liệu nano:

 Ta có thể hình dung nền công nghệ nano như một người đang đi vào

cái tuổi trung niên có cái đầu bách khoa rất to nhưng tứ chi chậm phát triển, có mầm bệnh lại thêm cái tính gàn dở muốn làm nhiều việc cùng một lúc! Nói như thế xem chừng quá ngôn nhưng sự đa dạng của vật liệu nano với nhiều ứng dụng đa ngành từ vật lý đến sinh y học, từ điện

tử học đến hóa học đã làm chậm tiến trình thương phẩm hóa Nền công nghệ nano trở thành người tù trong sự thông thái của mình

 Ta hãy xem vài tiềm năng ứng dụng của ống than nano: Ống than

nano có cơ tính tuyệt vời, cứng hơn thép 5 lần, bền hơn thép 160 lần nhưng lại nhẹ hơn thép gần 6 lần Có thể nói ống than nano có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay Cần phải nhấn mạnh rằng đây là cơ tính của một ống than riêng lẻ Gia cường các loại polymer/epoxy là một đề tài nghiên cứu quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp từ nhiều thập niên

 Việc triển khai composite giữa polymer/epoxy và ống than nano là một

hướng đi tất nhiên trong lĩnh vực gia cường Trải nghiệm hằng ngày cho ta biết những đồ gia dụng polymer (plastic) rất tiện lợi vì giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ nhưng giòn, dễ gãy nứt Poly(methylmethacrylate) (PMMA), một loại plastic gia dụng trong suốt như kính, chỉ cần 1 % ống than nano cũng đủ làm tăng cơ tính của polymer nhiều hơn 5 lần.

 Một ứng dụng lớn khác của ống than nano là công nghiệp điện tử, Ống

than mang đặc tính dẫn điện đạn đạo, nghĩa là nhờ vào hình dạng ống

electron có thể di chuyển tự do mà không bị va chạm vào thành ống, nhờ vậy việc phát nhiệt được giảm thiểu tối đa Độ dẫn điện của ống có thể

điều chỉnh từ mức bán dẫn đến kim loại Người ta đã tận dụng những đặc tính này để chế tạo transistor ống nano Vật liệu chính của transistor hiện tại là chất bán dẫn silicon Cột sống của các dụng cụ điện tử, máy tính và công nghệ tin học là transistor silicon

Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor làm dụng cụ càng

linh hoạt, chức năng càng cao, ứng đáp càng nhanh chóng, kích thước càng mỏng, nhỏ và gọn gàng.

 Ứng dụng trong gia cường và transistor của ống than nano là hai ứng dụng có tiềm năng tạo nên một cuộc cách mạng công nghệ trong thế kỷ

21 Tuy nhiên, viễn ảnh thành công vẫn còn mờ mịt.

Loại sản phẩm Số lượng Thị trường Phần

trăm

Ống nano 55 Hóa chất và vật liệu cao cấp 29

Vật liệu xốp nano 22 CN Thông tin, viễn thông 21

Vật liệu cấu trúc

Hạt chứa hạt nano

(capsule)

Bảng phân bố vật liệu nano trên thị trường: