GiỚI THIỆU VỀ KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LiỆU NANO

Các vật liệu nano tạo thành được tạo thành và sử dụng rộng rãi như: graphene các hạt vàng, bạc kích thước nano, fullerene, nanodiamond,… bằng các phương pháp khác nhau... Định nghĩa của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU MỚI

GVHD: TRẦN VĂN KHẢI

NHÓM SINH VIÊN THỰC HiỆN:

1. NGUYỄN MINH QUÂN

2. NGUYỄN HÙNG NHÂN

3. NGUYỄN LONG

4. NGUYỄN GIA LAI

GVHD: TRẦN VĂN KHẢI

NHÓM SINH VIÊN THỰC HiỆN:

1. NGUYỄN MINH QUÂN

2. NGUYỄN HÙNG NHÂN

3. NGUYỄN LONG

4. NGUYỄN GIA LAI

GiỚI THIỆU VỀ KHOA HỌC

VÀ KỸ THUẬT VẬT LiỆU NANO

GiỚI THIỆU VỀ KHOA HỌC

VÀ KỸ THUẬT VẬT LiỆU NANO

I LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA VẬT LIỆU NANO

I LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA VẬT LIỆU NANO

II SỰ HÌNH THÀNH VẬT LiỆU NANO

III CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LiỆU NANO

IV ỨNG DỤNG ĐiỂN HÌNH CỦA VẬT LiỆU NANO

IV ỨNG DỤNG ĐiỂN HÌNH CỦA VẬT LiỆU NANO

I Lịch sử hình thành của vật liệu nano:

1.Lịch sử của vật liệu nano:

Kể từ khi tổ tiên của chúng ta lần đầu tiên biết học các đốt lửa (khoảng

17000 năm trước) Con người đã sản xuất được vật liệu Nano, từ khói

và bụi của lửa đã tạo ra các hạt nano

Sau đó hàng ngàn năm ở một vài nơi, tổ tiên chúng ta đã biết sử dụng những vật liệu Nano mà họ vô tình tạo ra này.Xuất hiện đầu tiên ở Trung Quốc (Châu á) và Maya (Bắc mỹ và trung mỹ) trong vật liệu y học cổ truyền Và ở Italia ( Châu âu)trong sơn

1.Lịch sử của vật liệu nano:

Đến thế kỷ thứ 4, ở La Mã, người ta đã biết ứng dụng vật liệu nanotrong nghệ thuật làm ly từ các hạt vàng và bạc có kích thước nanovới màu sắc rực rỡ

I Lịch sử hình thành của vật liệu nano:

1.Lịch sử của vật liệu nano: Cốc Lycurgus xuất hiện vào thế kỉ thứ 4 sau công nguyên

tại La Mã Bằng phương pháp phân tích hiện đại cho biết vật liệu làm cốc này bao gồm các hạt nano bạc và vàng với

tỷ lệ 7:3 với kích thước hạt bột 70nm Với màu sắc độc đáo do sự hiện diện của các hạt nano kim loại Nó có màu xanh lá cây khi quan sát trong ánh sáng phản chiếu, và xuất hiện màu đỏ khi có ánh sáng truyền qua

1.Lịch sử của vật liệu nano:

Tiếp đó, vào thế kỷ 11 đến 13,

Những chiến binh thập tự quân

đã biết ứng dụng vật liệu nano

vào chế tạo các thanh kiếm

I Lịch sử hình thành của vật liệu nano:

1.Lịch sử của vật liệu nano:

Từ năm 1985 Richard Smalley, một giáo sư hóa học và vật lý của

đại học Rice đã phát hiện ra một cụm 60 nguyên tử carbon khi ông bán một tia laser vào một tấm graphite (ruột bút chì) Có hình dạng như những quả bóng đá hoặc hình mái vòm và đặt tên là fullerene và buckyball

Lịch sử nano diễn ra sôi nổi trong thế kỷ 20, mở đầu bằng sự phát hiện của vật liệu bán dẫn, mở đường cho sự thu nhỏ và tích hợp trong các chip đầu tiên Richard Feyman đã trình bày bài giảng nổi tiếng về khả năng lưu trử thông tin rất lớn của vật liệu khi nó ở cấp độ nguyên tử

1.1.1.Lịch sử hình thành của vật liệu nano:

Hạt nano Cr kim lọai được sản xuất bởi

1.1 Lịch sử và định nghĩa của vật liệu nano:

1.1.1.Lịch sử hình thành của vật liệu nano:

1.1.1.Lịch sử hình thành của vật liệu nano:

Hiện nay, nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt, nhưng nhu cầu của con người ngày càng tăng Do đó, vật liệu nano ngày càng được con người quan tâm và chú trọng phát triển Các vật

liệu nano tạo thành được tạo thành và sử dụng rộng rãi như: graphene các hạt vàng, bạc kích thước nano, fullerene, nanodiamond,… bằng các phương pháp khác nhau.

1.1.2 Định nghĩa của nano và vật liệu nano:

1.1 Lịch sử và định nghĩa của vật liệu nano:

Định nghĩa nano: Từ nano xuất phát từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “lùn”.Nano là một đơn vị kích thước chiều dài của cấu trúc Theo đơn vị SI

1 nanomet = 10 angstrom Ký hiệu: nm

Định nghĩa vật liệu nano: là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng, có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nm đến

100 nm

Vậy vật liệu Nano khác gì so với vật liệu khối?

1.1.2 Định nghĩa của nano và vật liệu nano:

 Trong phạm vi kích thước dưới 1 nm chúng ta có thể tìm thấy các phân tử, nguyên tử, các hạt cơ bản, vv, khác với vật liệu dạng khối.

 Vật liệu nano bắt đầu có sư khác nhau với vật liệu khối ở kích thước dưới 100 nm, do sự thay đổi bề mặt tiếp xúc giữa các nguyên tử làm thay đổi về tính chất điện, nhiệt điện, và tính quang học trở nên quan trọng tại kích thước này.

 Ngoài ra, Các hiệu ứng tích hợp của các lực trên mỗi bề mặt nguyên tử làm thay đổi sức căng bề mặt nguyên tử => thay đổi độ dài liên kết trong tinh thể => thay đổi tính chất cơ học, điện, và nhiệt

1.1 Lịch sử và định nghĩa của vật liệu nano:

Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up).

1.2 Sự hình thành của vật liệu nano:

•Chúng bắt đầu từ các vật liệu khối để chế tạo các cấu trúc hay các hạt ở cấp độ nano

•Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây

là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền 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). 

Phương pháp từ trên xuống:

•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) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano

không chiều (các hạt nano). 

Phương pháp từ trên xuống:

 Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc (photolithography ) để tạo ra các cấu trúc nano <20 nm

1.2 Sự hình thành của vật liệu 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 huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. 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 được 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 (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm)

Phương pháp từ trên xuống:

 Kích thước hạt được quan sát bằng kính hiển vi nguyên tử (AFM) và kính hiển vi quét ngầm (STM)

Phương pháp từ trên xuống:

Ví dụ: Các phương pháp chế tạo cấu trúc nano từ trên xuống

a) Các chữ cái được làm bằng SiO2 trên nền xốp Silicon (AFM)

b) Cấu trúc sau khi loại bỏ các oxit (AFM)

c) Những thanh silicon tạo bởi mô hình bằng cách cấy Ga-ion trong chùm ion hội tụ (FIB)

Phương pháp từ dưới lên:

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

1.2 Sự hình thành của vật liệu nano:

Chúng bắt đầu từ các nguyên tử hoặc ion để chế tạo cấu trúc hay các hạt ở cấp độ nano

Phương pháp từ dưới lên:

Ở phương pháp này tạo mầm và phát triển mầm là những yếu tố quan trọng trong sự hình thành của các hạt

 Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition CVD)

Các yếu tố như lực ép hoặc độ lệch tự nhiên của khí vận chuyển trong quá trình tổng hợp của các hạt nano bằng phương pháp lắng động khí trơ đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định kích thước hạt và độ đồng đều thành phần

Hình :Các dạng liên kết của các hạt nano

theo phương pháp từ dưới lên

a) Quan sát bằng AFM bề mặt mẫu

AuPd được bao phủ bởi các hạt nanob) Hình ảnh của một hạt nano AuPd riêng lẽ

(HRTEM)

c) Mô phỏng hạt nano AuPdtheo HRTEMd) Mô phỏng nguyên tử nano AuPd

•Trong phương pháp này, sẽ kết hợp những ưu điểm của từng phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên.

•Bằng cách tăng độ phân giải của quang khắc (photolithography ) quá giới hạn vật lý, sử dụng trực tiếp quá trình tự liên kết

và định hướng của khối copolymer

Ảnh SEM của một mảng poly(Sturene-blck-ferrocenyl dimethylsilane) và khắc bằng chùm ion Ne.

Ảnh TEM của dây nano vàng được tạo thành từ một mẫu nhôm

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

1.3.1 Hình thái học của vật liệu nano

 Ngoài kích thước tổng thể thì hình dạng của vật liệu nano là một yếu tố quan trọng chi phối các tính chất của vật liệu như:

Tỉ lệ hạt, độ xốp và độ nhám bề mặt thay đổi làm thay đổi tỷ lệ bề mặt và khối lượng và tính chất khác

 Hình dạng là một tính chất quan trọng trong việc phân loại vật liệu nano, có thể dựa trên chiều dài hoặc tỉ lệ

1.3.1 Hình thái học của vật liệu nano

Sơ đồ mô phỏng các vật liệu nano 3-D, 2-D, 1-D, 0-D

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

1.3.1 Hình thái học của vật liệu nano

Cấu trúc 0-D: Hình ảnh TEM của hạt nano oxit

sắt với đường kính 6,7,8,9,10,11,12,13nm

Cấu trúc 1-D: Hình ảnh SEM của dây nano GaAs

và ảnh TEM phóng to của một dây nano riêng lẻ

Cấu trúc 2-D: Các lớp nguyên tử BCN

1.3.1 Hình thái học của vật liệu nano

Biểu đồ phân loại các cấu trúc 3-D khác nhau các vật liệu

cấu trúc nano

Cấu trúc 3-D: Một hạt vi mô được xây dựng lên từ các hạt nano azobenzene thiol- functionalized

1.3.2 Liên kết và các cấu trúc

 Các hạt nano ở cấp độ thấp nhất của cấu trúc nano, thông thường từ 1-5nm (khoảng 50-5000 nguyên tử)

 Tầm quan trọng của các tác động làm tăng chiều dài liên kết giữa các bề mặt nguyên tử theo tỷ lệ khối lượng

nguyên tử và phù hợp về kích thước hạt

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

 Ứng suất chịu nén trong vật liệu khối là tương đối nhỏ, còn với vật liệu nano chịu được ứng suất tác dụng cao Do các lực tác động lên bề mặt nguyên tử trong vật liệu thay đổi độ dài liên kết, ít nhất là theo tỷ lệ mà chúng ta có thể đạt được

b) Tăng mật độ năng lượng liên kết và giảm kích thước

hạt Do đó độ dài liên kết ngắn hơn

1.3.3 Tính chất cơ học của vật liệu nano:

 Vật liệu nano và vật liệu cấu trúc nano có tính chất cơ học riêng biệt do chiều dài liên kết ngắn hơn làm vật liệu bền hơn và cứng hơn

 Các kích thước giới hạn của các đơn vị của vật liệu làm giảm xác suất của các khuyết tật nhất định.

 Liên kết carbon-carbon trong mạng tinh thể hình lục giác của graphite là những liên kết mạnh nhất và chỉ sau liên kết chung N-O

 Vai trò của các khiếm khuyết điểm trong vật liệu nano, theo quan điểm của độ bền cơ học nó không quan trọng so với vật liệu khối

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

1.3.3 Tính chất cơ học của vật liệu nano:

Hình a,b cho thấy sự phụ thuộc kích thước hạt và độ cứng của kim loại và hợp kim

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

Tính chất điện:

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

 Lực tĩnh điện đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành các hạt nano và cũng có ảnh hưởng quan trọng về tính vật liệu nano Hầu hết các cấu trúc lớn hơn được xây dựng lên từ các vật liệu nano được tổ chức với nhau bởi lực

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

Tính chất điện:

 Khi các nguyên tử carbon bị ràng buộc vào ống nano bằng các liên kết hóa trị, các hạt mang điện và khi ở nhiệt độ cao các hạt có thể không dễ dàng di chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó Trạng thái độ dẫn điện của sợi ống nano carbon vượt trội so với các dây dẫn thông thường như kim loại (Cu, Al, Au,…)

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

Tính chất điện:

độ trạng thái theo năng lượngb) Biểu đồ cho thấy điện trở của một ống

carbon tăng lên khi nó mất đi lớp carbon từ vách của nó

c) Biểu đồ độ dẫn điện của một bó ống

nano được đo ở 1,2,3,4 ống nano

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

Tính chất từ:

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

 Vật liệu siêu thuận từ là một hiện tượng, một trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó chất biểu hiện các tính chất giống như các chất thuận từ Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ

Hiện tượng siêu thuận từ xảy ra đối với các chất sắt từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ Bằng việc đưa các khuyết tật vào lươi carbon

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

Tính chất quang:

 Kích thước nano được định nghĩa là 1 -100 nm trong khi bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được dao động trong khoảng từ

400 đến 800 nm Điều này có nghĩa là chúng ta không thể nhìn thấy hình dạng các hạt photon Nhưng vẫn có thể nhìn thấy các hạt vật liệu nano bằng mắt thường

 Trong thực tế, có rất nhiều sự tương tác giữa các nguyên tử, phân tử, và các vật liệu nano với ánh sáng, và một số trong

những tương tác này được áp dụng để phát hiện kích thước và hình thái của vật liệu nano

 Phát huỳnh quang và phát sáng quang cũng là tính chất đặc trưng của vật liệu nano

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

Tính chất quang:

 Tính chất quang cũng giống nhu tính chất được bị chi phối bởi số lượng tử cấu trúc

 Sự thay đổi màu sắc của vật liệu nano khi có ánh sáng truyền qua là do tương tác này với các hạt photon có thể được giải thích bằng cách giới thiệu một giả hạt gọi là bề mặt plasmon (SPR) đại diện cho các dao động hạn chế trong không gian Phổ hấp thụ tối đa khi có sự tương tác giữa SPR và photon là mạnh nhất, tại bước sống cộng hưởng SPR

 Phát sáng quang cũng là tính chất đặc trưng của vật liệu nano

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

Dãy quang phổ cộng hưởng của các hạt nano vàng và bạc có hình thái, kích thước và cấu trúc khác nhau Tính chất quang:

1.3.4 Tính chất điện, từ, và quang học:

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

Hình ảnh TEM của nanoprisms bạc và phổ tắt dần của nanoprisms chuẩn bị được chiếu sáng bởi tia laser với bước sóng khác nhau.

Tính chất quang:

1.3.5 Tính chất nhiệt:

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

a) Nhiệt độ nóng chảy của các hạt nano vàng theo một hàm của kích thước

b) Điểm nóng chảy của indium trong nên nhôm phụ thuộc phương pháp pha chế

1.3.6 Tính chất hóa học, phản ứng, và chức năng hóa:

 Phương pháp hóa học được sử dụng trong hầu hết tất cả các quá trình chuẩn bị vật liệu nano Khi chuẩn bị vật liệu nano, tùy vào ứng dụng mà chọn phương pháp xử lý hóa học cho phù hơp

 Chúng ta chỉ xem xét sửa đổi các liên kết mạnh như: liên kết cộng hóa trị, ion, và kim loại của vật liệu; trong định

nghĩa rộng hơn, các tương tác yếu như liên kết hydro và tương tác van der Waals, giữa các phần của vật liệu nano mới

cũng đang được xem xét.

 Một lĩnh vực quan trọng của hóa học nanocarbon là quá trình oxy hóa, cắt giảm và chức năng hóa graphene.

1.3.6 Tính chất hóa học, phản ứng, và chức năng hóa:

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

a) phân tử graphene thể hiện kích thước

và hình dạng khác nhau, chủ yếu ở dạng 2-D Tuy nhiên có thể chuyển sang cấu trúc 3-D

b) Biến thể của các phân tử B80 bằng cách hình thành phức với kiềm

1.3.7 Hiện tượng của các vật liệu nano trong môi trường ăn mòn:

 Một số các ứng dụng cổ xưa và trung cổ của vật liệu nano là hướng tới phòng chống ăn mòn Các gương đồng Trung Quốc

là gương đồng màu đen với một lớp phủ bề mặt được làm bằng các hạt nano SnO2

 Màu sơn xanh của người Maya không chỉ là một màu hiếm và đẹp ở thời điểm đó, mà còn có khả năng chống ăn mòn và giữ lại tính chất hàng thế kỷ khi bị chôn vùi trong đất

 Trong một số trường hợp, vật liệu nano thể hiện các tính chống ăn mòn tương tự hoặc tệ hơn là vật liệu dạng khối Hiệu ứng này chủ yếu là do tập trung cao của các khuyết tật trong các hạt nano và dây nano

1.3.7 Hiện tượng của các vật liệu nano trong môi trường ăn mòn:

1.3 Các tính chất của vật liệu nano:

Hình SEM và TEM cho thấy một lớp phủ vật liệu nano có tác dụng chống ăn mòn của siêu hợp kim Ni (K52) đã kết tủa bằng cách thổi một lớp cấu trúc nano của cùng 1 hợp kim lên bề mặt của mẫu vật