1.2. Công nghệ nano và vật liệu nano
1.2.2. Các tính chất của hạt nano
Các nanoparticle có chứa khoảng 106 nguyên tử (hay ít hơn), do đó, nó có những tính chất đặc biệt, khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta đã nghiên cứu trước đó. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối nguyên nhân là do hai hiện tượng sau đây [11, 18, 24]
:
Hiệu ứng bề mặt: khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu. Và khi kích thước của vật liệu giảm đến kích thước nm thì tổng số nguyên tử trên bề mặt tăng lên đáng kể, do đó, hiệu ứng này cũng tăng lên đáng kể. Hơn nữa, 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. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng.
Hiệu ứng kích thước: khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano là nguyên nhân chính làm cho vật liệu này trở nên khác lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với từng vật liệu, mỗi một tính chất vật lý, hóa học của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều tính chất như điện, từ, quang và hóa học của vật liệu đều có độ dài tới hạn cỡ kích thước nm.
Chẳng hạn như ở tính chất điện của vật liệu, bước sóng của điện tử có độ dài đặc trưng khoảng 10 – 100 nm; hoặc độ dài đặc trưng của quãng đường tự do trung bình không đàn hồi khoảng 1 – 100 nm. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này, trong khi đó, kích thước của vật liệu nano có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó, do đó, các tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với các tính chất đã biết trước đó. Ở đây, các tính chất này không có sự chuyển tiếp một cách liên tục khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối; mặc khác, cũng có thể xem xét ở tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả.
Bên cạnh đó, vật liêu nano có một đặc điểm nữa là mật độ điện tử tự do lớn, do đó, các tính chất thể hiện của vật liệu mang tính kim loại cũng có những đặc trưng riêng khác với các các vật liệu không có mật độ điện tử tự do cao [20, 24]:
Tính chất quang: tính chất quang học của hạt nano làm cho các sản phẩm có các màu sắc đặc trưng khác nhau khác nhau, ví dụ như, màu sắc mà chúng ta thường thấy ở các dụng cụ làm bằng thủy tinh do có sự hiện diện của các hạt oxit kim loại rất nhỏ. Các hiện tượng có được là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance); các điện tử tự do trong vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng chiếu
vào. Khi đó, các điện tử tự do này sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích do kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình. Vì vậy, tính chất quang của hạt nano có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Tóm lại, tính chất quang của vật liệu nano phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các yếu tố về hình dáng, độ lớn cũng như là mật độ của hạt nano và môi trường xung quanh.
Tính chất điện: tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu nano, khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử xuất hiện làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là đường I – U (với I cường độ dòng điện, U hiệu điện thế) ở định luật Ohm không còn tuyến tính như ở vật liệu khối nữa mà xuất hiện một hiệu ứng khác gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I – U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực.
Tính chất từ: các kim loại quý như vàng, bạc,... có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa, do đó, vật liệu nano sẽ có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trạng thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, coban, nickel thì khi kích thước hạt nhỏ sẽ phá vỡ trạng thái sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Khi kích thước hạt lớn, hệ sẽ ở trạng thái đa đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ). Khi kích thước hạt giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen, có nghĩa là mỗi hạt sẽ là một đômen. Khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng bề mặt sẽ cung cấp đầy đủ năng lượng phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ, và khi đó mômen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn loạn như
trong khoảng 1 – 10 nm), tính chất thuận từ sẽ có một số điểm khác so với hạt thông thường nên tính chất này được gọi là siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là lực từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không.
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu: phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 500°C, ở kích thước 6 nm có Tm = 950°C.