NGUYÊN tử – PHÂN tử VÀ cấu TRÚC

• Thomson đưa ra mô hình nguyên tư: Đó là một hình cầu rất nhỏ, mang điện tích dương dàn đều, trong đó có các hạt điện tư, mang điện tích âm, phân bố để cân bằng điện tích.• Mô hình n

NGUYÊN TỬ – PHÂN TỬ

VÀ CẤU TRÚC NANO

CẤU TRÚC ĐỀ TÀI

Chương I: Nguyên tư

Chương II: Phân tư và máy nano

Chương III: Cấu trúc nanô

CHƯƠNG I: NGUYÊN TỬ

Khái niệm nguyên tư được Democritus đưa ra

từ khoảng 450 TCN.

1.1 Nguyên tử và thuyết lượng tử về nguyên tử

 Vào năm 1808, John Dalton đã đưa ra lý thuyết

nguyên tư của mình để giải thích định luật bảo toàn khối lượng và định luật tỉ lệ các chất:

Tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tư.

Các nguyên tư của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất.

Các nguyên tư không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi.

các nguyên tư của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất.

Trong các phản ứng hoá học, các nguyên tư có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại.

 Năm 1897, nhà vật lý người Anh J.J Thomson nghiên cứu các tia âm cực:

• Thomson đưa ra mô hình nguyên tư: Đó là một hình cầu rất nhỏ, mang điện tích dương dàn đều, trong đó có các hạt điện tư, mang điện tích âm, phân bố để cân bằng điện tích.

• Mô hình này không đúng

vì điện tích dương cũng mang bởi các hạt, như đã phát hiện ra hạt phóng xạ �

 Vào khoảng 1910 E Rutherford, nhà vật lý Anh, chiếu

các tia phóng xạ vào các lá vàng và nghiên cứu sự tán

xạ của chúng

Rutherford đưa ra mô hình nguyên tư gồm hạt nhân cực nhỏ mang điện tích dương, còn các điện tư mang điện tích âm chuyển động trên các quỹ đạo quanh hạt nhân như các hành tinh nên được gọi là mẫu hành tinh Mô hình cổ điển này không giải thích được sự bền vững của nguyên tư và quang phổ phát xạ của các nguyên tư khi chúng bị kích thích.

Niels Bohr năm 1913 áp dụng thuyết lượng tư về sự gián đoạn các mức năng lượng vào mẫu nguyên tư có hạt nhân, đưa ra mô hình nguyên tư như sau: ở trung tâm là hạt nhân mang điện dương, xung quanh có các quỹ đạo điện tư (mang điện âm) ứng với các mức năng lượng xác định.

Mô hình nguyên tư Bohr đã khắc phục được

nhiều khó khăn của mô hình nguyên tư hành tinh, nhưng mới chỉ là bán lượng tư, chưa phản ánh được đầy đủ các đặc thù của các hạt vi mô

Đến những năm 20 và 30 của thế kỷ XX,

thuyết lượng tư hiện đại được xây dựng:

•Nguyên tư được tạo thành từ một hạt nhân

mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tư và các điện tư mang điện tích âm chuyển động xung quanh sao cho nguyên tư trung hòa về điện.

•Hạt nhân được tạo thành từ các

hạt proton mang điện tích dương và các

hạt neutron không mang điện Năng lượng hạt

nhân là khổng lồ.

• Vỏ điện tư của nguyên tư có nhiều lớp, lớp ngoài

cùng có đường kính cỡ 10ˉ¹ᴼm (cũng là đường kính của nguyên tư) Mỗi lớp vỏ có một số điện tư, nhưng tổng số điện tư của tất cả các lớp bằng tổng số proton của hạt

nhân để trung hòa về điện Trong mỗi lớp, các điện tư

chuyển động theo “ mây điện tư” ứng với một mức năng lượng xác định

Ngoài khối lượng, điện tích, các hạt vi mô nói chung đều có một tính chất đặc trưng diễn tả bằng một đại lượng gọi là spin.

1.2 Bảng tuần hoàn các nguyên tố

Mỗi nguyên tố hóa học ứng với một loại nguyên

tư, bởi vậy người ta thường dùng ký hiệu của nguyên

tư để chỉ một nguyên tố hóa học

Trong tự nhiên một

nguyên tố có thể có vài dạng

khác nhau chỉ về số khối, ta

gọi chúng là đồng vị của nhau.

Ngoài đồng vị tự nhiên,

khi bị bắn phá bằng hạt nơtron,

còn có thể xuất hiện đồng vị

phóng xạ.

Khi phân rã và phát ra các tia phóng xạ, thường có ba loại hạt được phóng ra.

Các nguyên tư khi bị kích thích thì các điện tư lớp vỏ

có thể hấp thụ năng lượng kích thích để dời từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao Sau đó chúng lại tự phát dời ngược trở lại từ cao xuống thấp và phát xạ ra bức

xạ điện từ có bước sóng xác định �

1.3 Kích thước nguyên tử và lực tương tác giữa các nguyên tử.

Trong một chu kỳ theo bảng tuần hoàn (theo chiều ngang) thì bán kính nguyên tư giảm từ đầu chu kỳ xuống cuối chu kỳ; trong một nhóm thì bán kính nguyên tư tăng

từ đầu nhóm xuống cuối nhóm (đi từ trên xuống)

Nguyên tư có kích thước rất nhỏ , bởi vậy để “ chụp hình” các nguyên tư phải dùng các chùm bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 0,01Å Nếu dùng kính hiển vi điện tư thì phải có điện thế gia tốc chùm hạt điện tư khoảng trên 100kV.

1.3.2 Lực tương tác giữa các nguyên tử

Kích thước nguyên tư có ảnh hưởng quan trọng đến tương tác các nguyên tư

Bài toán về lực tương tác giữa một nguyên tư với các nguyên tư xung quanh thuộc về bài toán N – vật là loại bài toán không thể giải được trong trường hợp chung mà chỉ có thể giải gần đúng trong một số trường hợp riêng

Trong trường hợp các chất rắn thì có thể xét gần đúng quá trình tương tác giữa các nguyên tư Tùy theo nhiệt độ của vật, tần số dao động ω của các nguyên tư có thể thay đổi và thuộc vào một dải tần số xác định Từ đây có thể

tính được lực kéo về vị trí cân bằng khi nguyên tư dời khỏi

nó nghĩa là đủ để sư dụng vào thao tác trên từng nguyên tư của công nghệ nanô

Chương II: PHÂN TỬ VÀ MÁY NANÔ

2.1 Liên kết phân tử và tương tác giữa các phân tử

2.1.1 Liên kết phân tử

a)Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hóa trị xảy ra khi hai nguyên tư liên kết với nhau bằng cách hai nguyên tư trao đổi điện tư để tạo ra một mây điện tư chung làm vỏ chung cho cả hai hạt nhân

b) Liên kết ion

Liên kết ion xảy ra giữa hai nguyên tư A và B khi nguyên tư A mất đi một điện tư lớp vỏ ngoài để chuyển sang cho lớp vỏ ngoài của B Như vậy A trở thành ion (+) còn B trở thành ion (-) Hai ion này

trái dấu điện ích nên liên kết bằng lực hút tĩnh điện.

* Xét sự tạo thành phân tư NaCl :

tạo nên liên kết ion

=> hình thành phân tử NaCl

một liên kết mới (mặc dầu yếu hơn) và gọi nó là liên kết

hydro

Hình: Các liên kết 1 được gọi là liên kết hydro

d) Liên kết kim loại

Trong các tinh thể kim loại, những nguyên tư

của cả mạng liên kết với nhau bằng cách tập thể

hóa các điện tư lớp vỏ ngoài tạo thành các dải mức năng lượng chung thường gọi là các vùng năng

lượng của cả tinh thể Đó là liên kết kim loại, dạng liên kết điển hình của các nguyên tư kim loại.

Trong liên kết kim loại xuất hiện các điện tư tự

do có thể di chuyển khắp khối kim loại và tạo ra tính dẫn điện rất tốt của kim loại Trong công nghệ nanô liên kết kim loại thường dược dùng để tạo ra các kênh dẫn ở linh kiện nanô.

2.1.2 Sự tương tác giữa các phân tử

Giữa các phân tư trong thể khí, thể lỏng và thể rắn chủ yếu có lực tương tác Van der Waals Nếu xét hai phân tư nhỏ, coi như hai quả cầu, thì giữa chúng có lực tương tác van der Waals là lực hút

nhau khi còn xa nhau và đẩy nhau khi đến gần quá một khoảng cách gọi là khoảng cách cân bằng r0

Tương tác Van der Waals giữa các phân tư có bản chất là tương tác điện từ giữa các momen điện xuất hiện trong các phân tư dưới nhiều dạng khác nhau.

Đây là dạng tương tác yếu, có năng lượng khoảng vài kilocalo/mol cho các loại phân tư nhỏ.

Tương tác giữa các phân tư, tuy yếu, có ảnh hưởng nhiều khi quyết định đến cấu trúc các chất và sự biến đổi các pha của chúng.

2.2 Cấu trúc các chất, pha và chuyển pha

2.2.1 Cấu trúc các chất

a)Thể rắn

Thể rắn gồm 2 loại: tinh thể và vô định hình

 Trong các tinh thể nguyên tư, phân tư, ion dao động xung quanh các vị trí cố định, các vị trí này tạo thành

mạng lưới có tính tuần hoàn và đối xứng xác định

Cấu trúc tinh thể của Silic

Trong các chất rắn vô định hình (như thủy tinh) các nguyên tư, phân tư, ion tuy cũng dao

động quanh các vị trí xác định, nhưng không có

tính tuần hoàn như tinh thể, tức là có trật tự gần

nhưng không có trật tự xa Các vật liệu kim loại vô định hình v.v…đều là các vật liệu dùng trong

những ngành công nghệ cao hiện đại, kể cả công nghệ nanô.

quyết định công nghệ nanô ướt.

Trong điều kiện thông thường các chất ở dạng

lỏng thì rất nhiều, nhưng các nguyên tố ở dạng lỏng chỉ có thủy ngân và brom.

c) Thể khí

Trong thể khí các phân tư có nhiều chuyển động hỗn loạn và càng mạnh nếu nhiệt độ càng cao Chuyển động nhiệt

của các phân tư gây nên áp suất tác động lên thành bình

Không khí là một hỗn hợp khí đảm bảo cho sự sống và phát triển công nghệ Khí đốt là nguồn năng lượng rất quan trọng hiện nay Pin nhiên liệu dùng khí H2 có triển vọng rất lớn để giải quyết vấn đề giao thông không gây ô nhiễm

d) Thể Plasma

Thể plasma giống như thể khí, nhưng được tạo

thành không phải các phân tư trung hòa, mà là các ion và điện tư.

Tầng điện ly của khí quyển Trái đất, lớp nhật hoa của Mặt trời đều thuộc thể plasma Tương lai có thể giải quyết vấn đề năng lượng sạch và rẻ tiền bằng phản ứng nhiệt hạch trong plasma nóng của các ion

từ nguyên tư đơtơri (12H) và (13H).

e) Bôzơ – Anhxtanh (BEC)

Đó là một tập hợp các nguyên tư (Na, Rb…) ở nhiệt độ gần với 0 độ tuyệt đối.

Chúng có nhiều tính chất kỳ lạ: cả hệ có hành vi như một nguyên tư, có tính năng như một hốc đen của vũ trụ Chất BEC đang hứa hẹn rất nhiều ứng dụng kỳ lạ mới.

2.2.2 Pha và chuyển pha

Các chất có thể tồn tại ở thể rắn, lỏng và hơi tùy theo

nhiệt độ Một chất xác định tồn tại ở thể rắn trong khoảng nhiệt độ thấp nhất, ở thể lỏng trong khoảng nhiệt độ cao hơn và ở thể khí trong khoảng nhiệt độ cao nhất mà quá khoảng đó chúng sẽ bị phá hủy

Sự chuyển từ thể này sang thể khác, tức thay đổi đột

ngột trạng thái cấu trúc, thường được gọi là chuyển pha

Các quá trình chuyển pha này thường kèm theo ẩm nhiệt và gọi là chuyển pha loại Ι, còn các loại chuyển pha không kèm theo ẩm nhiệt nhưng có sự thay đổi đột ngột một số tính chất thì gọi là quá trình chuyển pha loại II

Những quy luật chuyển pha liên quan với các dạng

tương tác giữa các phân tư và có ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo các hạt nanô, linh kiện nonô và cấu trúc nanô

Những phân tư sinh học đều là các đại phân tư

mà phần lớn đều thuộc loại polime như protein, axit

nhân, polisaccarit, lipit; các chất dẻo dùng trong công nghiệp cũng là đại phân tư, các ống nanôcacbon cũng là đại phân tư…nhưng chúng không phải là đại phân tư sinh học

Đại phân tư có trọng lượng phân tư >100.000

Dalton

Sự phân loại các cấp cấu trúc của phân tư protein để tạo ra các phân tư chức năng.

Các đại phân tư sinh học thực sự là những

chiếc máy biết tự lắp ráp, theo thông tin từ bộ gen AND, và tự nhân bản Chúng được xem như những chiếc máy, máy nanô.

Máy nanô không phải chỉ có trong lĩnh vực

sinh học, trong công nghiệp người ta cũng có thể lắp ráp từ các phân tư polime thành các cấu trúc

nanô có thể thực hiện được nhiều chức năng kỳ

diệu.

Chương III: CẤU TRÚC NANO

Cấu trúc nanô là các hệ thống có kích cỡ thuộc thang nanô (khoảng từ 1 đến 100

nanomet) gồm các nguyên tư, phân tư được sắp đặt vị trí sao cho cả hệ thống thực hiện

được các chức năng định trước.

3.1 Phân loại

Về phân loại hình học của các cấu trúc nanô ta có hạt nanô, sợi hoặc dây nanô hoặc ống nanô (một chiều thuộc thang nanô), lớp nanô hoặc màng mỏng nanô

(hai chiều thuộc thang nanô).

Về chức năng có thể phân các cấu trúc nanô

thành:

1.Vật liệu nanô, có thể là các hạt nanô như chấm

lượng tư hoặc vật liệu nền có nanôtinh thể hoặc

compodit có cốt sợi, ống nanôv.v…

2.Linh kiện nanô như các cảm biến nanô, các linh kiện đơn điện tư, các linh kiện của kỹ thuật spin v.v…

3.Các máy nanô như các MEMS, NEMS, các máy nanô phân tư như các phân tư protein…

3.2 Đặc điểm của cấu trúc nano

Vì số nguyên tư, phân tư ở trong cấu trúc thường

không quá lớn như trong các vật khối, nếu tính trong thang nanô (1 – 100nm) thì vào khoảng từ vài trăm đến hàng triệu nguyên tư

 Trong các cấu trúc nanô, các tính chất điện tư và

từ bị khống chế bởi các quy luật lượng tư.

 Các cấu trúc nanô, nhờ kích thước nhỏ, có tính

chất xếp chặt cao, do đó tạo ra tốc độ xư lý thông tin, vận chuyển thông tin lớn (có thể gấp hàng 106 lần hiện nay).

Trong hai thập kỷ qua hầu hết các ngành khoa học đều kết hợp nghiên cứu các cấu trúc nanô, từ đó hình thành khoa học nanô hướng tới các chân trời mà khoa học hiện nay còn chưa biết tới Những tri thức đạt

được khi nghiên cứu khoa học nanô không chỉ làm

phong phú thêm hiểu biết về tự nhiên mà còn trở thành

cơ sở cho một sự phát triển mạnh mẽ các công nghệ

mới có tính đột phá.

3.3 Ứng dụng của công nghệ nano

Máy nghe nhạc Ipod nano Điều trị ung thư và một số bệnh

trong y học

Công nghệ nano trong thẩm mỹ Công nghệ nano để xư lý nước

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh Công nghệ nano

điều khiển đến từng phân tử, nguyên tử NXB – Khoa học

và kỹ thuật, 2004

[2] Nguyễn Ngọc Long Vật lý chất rắn – Cấu trúc và tính

chất của vật rắn NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2007.

[3]http://baigiang.violet.vn/present/show?entry_id=203097[4] http://timtailieu.vn/tai-lieu/bai-giang-nguyen-tu-9594/

CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN

ĐÃ QUAN TÂM THEO DÕI