TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BÁO CÁO
THÍ NGHIỆM CHUYÊN ĐỀ VẬT LIỆU VÔ CƠ
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Ánh Nga
Sinh viên thực hiện - MSSV:
1. Đinh Hoàng Kim Cương - 61900723
2. Tơ Hồng Thùy Dung - 61900727
3. Phạm Thị Như Ngọc - 61900143
4. Lưu Khánh Vy - 61900810
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM HỌC 2022
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................................. 4
Phần 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG ................................................................................. 6
1. Giới thiệu vật liệu nano .......................................................................................................... 6
1.1. Các khái niệm liên quan đến nano ............................................................................... 7
1.1.1. Khoa học nano ................................................................................................... 7
1.1.2. Cơ sở khoa học .................................................................................................. 7
1.1.3. Công nghệ nano ............................................................................................... 10
1.1.4. Hóa học nano ................................................................................................... 10
1.1.5. Hạt nano kim loại .............................................................................................11
2. Phân loại ............................................................................................................................... 11
3. Tổng hợp vật liệu nano .........................................................................................................12
3.1. Phương pháp hóa ướt ................................................................................................. 12
3.2. Phương pháp cơ khí nano ...........................................................................................12
3.3. Phương pháp từ trên xuống (top - down) ................................................................... 12
3.4. Phương pháp từ dưới lên (bottom - up) ......................................................................13
3.5. Phương pháp bay hơi nhiệt ........................................................................................ 14
3.6. Phương pháp pha khí ..................................................................................................15
3.7. Phương pháp hóa học ................................................................................................. 15
4. Các phương pháp phân tích mẫu .......................................................................................... 15
4.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ......................................................................15
4.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................................17
4.3. Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS) ........................................................................17
4.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ..........................................................................................18
4.5. Quang phổ hồng ngoại (FT-IR) ..................................................................................18
4.6. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ............................................................................ 18
5. Ứng dụng công nghệ nano ....................................................................................................19
a. Trong công nghệ thông tin ..................................................................................... 19
b. Trong nông nghiệp .................................................................................................19
c. Trong gốm sứ ......................................................................................................... 19
d. Trong sức khỏe và y tế ...........................................................................................19
e. Trong xây dựng ...................................................................................................... 20
f. Năng lượng và môi trường ..................................................................................... 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 22
Phần 2: CHUYÊN ĐỀ TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÔ CƠ ................................................... 24
Bài 1: Tổng hợp nano Đồng ...................................................................................................24
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................................... 24
1.1. Đồng kim loại .............................................................................................................24
1.2. Nano đồng .................................................................................................................. 25
1.2.1. Tính kháng khuẩn ............................................................................................ 25
1.2.2. Cơ chế kháng khuẩn .........................................................................................26
1.3. Phương pháp tổng hợp ............................................................................................... 28
1.3.1. Phương pháp hóa ướt ....................................................................................... 28
1.3.2. Phương pháp phân hủy nhiệt ........................................................................... 28
1.3.3. Phương pháp vi nhũ ......................................................................................... 28
1.3.4. Phương pháp có hỗ trợ nhiệt vi sóng ............................................................... 29
1.4. Ứng dụng ....................................................................................................................29
1.4.1. Trong nông nghiệp ...........................................................................................29
1.4.2. Trong y học ...................................................................................................... 29
1.4.3. Trong công nghiệp ........................................................................................... 29
2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................................ 30
2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp ............................................................................................30
2.2. Hóa chất, dụng cụ .......................................................................................................31
1
2.3. Tiến hành thí nghiệm ................................................................................................. 31
2.4. Kết quả và tính tốn ................................................................................................... 32
3. KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 32
4. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 33
Bài 2: Tổng hợp nano Fe3O4 .................................................................................................. 34
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................................... 34
1.1. Fe3O4 .......................................................................................................................... 34
1.2. Hạt nano oxide sắt ......................................................................................................35
1.2.1. Khái niệm .........................................................................................................35
1.2.2. Tính chất .......................................................................................................... 36
1.2.3. Các phương pháp tổng hợp .............................................................................. 38
1.2.4. Ứng dụng ......................................................................................................... 42
2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................................ 45
2.1. Mục tiêu bài thí nghiệm ............................................................................................. 45
2.2. Sơ đồ quy trình tổng hợp ............................................................................................45
2.3. Hóa chất, dụng cụ .......................................................................................................46
2.4. Tiến hành thí nghiệm ................................................................................................. 47
2.5. Kết quả và tính tốn ................................................................................................... 49
2.6. Cơ chế phản ứng ........................................................................................................ 50
3. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 51
Bài 3: Điều chế Mg(OH)2 bằng phương pháp sữa vôi .........................................................52
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................................... 52
1.1. Magnesium Hydroxide ...............................................................................................52
1.1.1. Khái niệm .........................................................................................................52
1.1.2. Đặc điểm và tính chất ...................................................................................... 52
1.1.3. Cấu trúc tinh thể ...............................................................................................55
1.1.4. Ứng dụng ......................................................................................................... 57
1.1.5. Quá trình phân hủy Mg(OH)2 thành MgO .......................................................58
1.2. Đá vơi, vơi sống và vôi sữa ........................................................................................ 59
1.2.1. Đá vôi ...............................................................................................................59
1.2.2. Vôi sống ........................................................................................................... 60
1.3. Phương pháp tạo tủa hydroxide bằng sữa vơi ............................................................ 64
1.3.1. Phương trình, các thơng số vật lý .................................................................... 64
1.3.2. Cơ chế phản ứng .............................................................................................. 65
2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................................ 67
2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp ............................................................................................67
2.2. Thuyết minh quy trình tổng hợp ................................................................................ 68
2.2.1. Chế tạo tủa ....................................................................................................... 68
2.2.2. Lọc - rửa kết tủa ...............................................................................................68
2.2.3. Sấy kết tủa ........................................................................................................68
2.2.4. Đánh giá chất lượng sản phẩm thu được ..........................................................68
2.3. Hóa chất, dụng cụ .......................................................................................................68
2.4. Tiến hành thí nghiệm ................................................................................................. 69
2.4.1. Điều chế Mg(OH)2 ...........................................................................................69
2.4.2. Xác định thành phần cấu trúc của Mg(OH)2 ....................................................71
2.5. Kết quả và tính tốn ................................................................................................... 74
2.5.1. Xác định thành phần cấu trúc của Mg(OH)2 ....................................................74
3. KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 75
3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ tinh khiết của Mg(OH)2 ............................................... 75
3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ...................................................................................75
3.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn ....................................................................76
3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ - tỷ lệ tác chất ........................................................... 76
4. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 77
2
DANH MỤC BẢNG
Phần 1: Cơ sở lý thuyết chung
Bảng 1.1. Giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [3] .......8
Bảng 1.2. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [3] ..10
Bài 1: Tổng hợp nano đồng
Bảng 2.1. Hóa chất sử dụng trong tổng hợp nano đồng .............................. 31
Bài 2: Tổng hợp nano Fe3O4
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng ........................................................ 46
Bảng 2.2. Danh mục dụng cụ và thiết bị sử dụng ........................................47
Bài 3: Điều chế Mg(OH)2 bằng phương pháp sữa vôi
Bảng 1.1. Các thông số vật lý của Mg(OH)2 ............................................... 54
Bảng 2.1. Hóa chất, dụng cụ dùng trong điều chế Mg(OH)2 ...................... 69
Bảng 2.2. Thể tích EDTA dùng trong chuẩn độ .......................................... 74
Bảng 2.3. Thể tích EDTA dùng trong chuẩn độ và hàm lượng Ca2+ .......... 75
3
DANH MỤC HÌNH
Phần 1: Cơ sở lý thuyết chung
Hình 1.1. Các loại vật liệu nano. ....................................................................6
Hình 2.1. Phân loại vật liệu nano. ................................................................ 11
Hình 3.1. Phương pháp (a) từ dưới lên và (b) từ trên xuống. ......................13
Hình 3.2. Phương pháp quang khắc. ............................................................ 15
Hình 4.1. Cấu tạo khác nhau giữa TEM và SEM. ....................................... 16
Hình 4.2. Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động DLS. ........................................... 18
Hình 5.1. Pin mặt trời chất màu nhạy quang có sử dụng vật liệu nano
composite trên cơ sở graphene làm điện cực cathode và anode. .........21
Bài 1: Tổng hợp nano đồng
Hình 1.1. Một khối đồng trong quặng tự nhiên. .......................................... 24
Hình 1.2. Tượng nữ thần tự do trước (bên trái) và sau khi bị oxi hóa (bên
phải). ..................................................................................................... 25
Hình 1.3. Hình chụp các hạt nano đồng tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá
vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng. ........ 27
Hình 1.4. Cơ chế kháng khuẩn của nano đồng. ........................................... 27
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano đồng. .......................................... 30
Hình 2.1. Khuấy hỗn hợp PVP và Glycerine trên bếp khuấy từ. ................ 31
Hình 2.2. Dung dịch keo nano đồng. ........................................................... 32
Hình 3.1. Kết quả chụp UV-Vis nano đồng .................................................32
Bài 2: Tổng hợp nano Fe3O4
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể ferrite thường gặp. ............................................34
Hình 1.2. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử Fe3O4. ............................ 35
Hình 1.3. Ảnh chụp TEM của nano Fe3O4. ..................................................35
Hình 1.4. Minh họa bản chất siêu thuận từ, (trái) khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt
độ hãm Tb và (phải) khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hãm Tb. ................37
Hình 1.5. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản. ................................................. 43
Hình 1.6. Ngun lý dẫn thuốc bằng hạt nano từ tính. ................................44
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano Fe3O4. .........................................46
Hình 2.2. Cân nguyên liệu. ...........................................................................47
4
Hình 2.3. Hỗn hợp được bọc bằng màng bọc và khuấy từ. ......................... 48
Hình 2.4. Dung dịch sau khi để nguội và được lọc chân khơng. .................48
Hình 2.5. Sản phẩm sau khi sấy. .................................................................. 49
Hình 2.6. Mẫu thu được. .............................................................................. 49
Hình 2.7. Cơ chế hình thành hạt nano Fe3O4. ..............................................50
Bài 3: Điều chế Mg(OH)2 bằng phương pháp sữa vơi
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của Mg(OH)2. ...................................................52
Hình 1.2. Mg(OH)2 là chất rắn màu trắng. .................................................. 53
Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể Mg(OH)2. ......................................................... 55
Hình 1.4. Cấu trúc brucite của Mg(OH)2. ....................................................56
Hình 1.5. Nhiệt độ khống vật brucite. ........................................................58
Hình 1.6. Nhiệt độ calcite. ............................................................................60
Hình 1.7. Cấu trúc tinh thể của CaO. ...........................................................61
Hình 1.8. Dây chuyền trong sản xuất đá vơi. ...............................................62
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp Mg(OH)2 .............................................67
Hình 2.2. Cân MgCl2.6H2O. .........................................................................70
Hình 2.3. Cân CaO. ...................................................................................... 70
Hình 2.4. Hệ thống lọc chân khơng. ............................................................ 71
Hình 2.5. Lọc và rửa sản phẩm trên phễu lọc. ............................................. 71
Hình 2.6. Khối lượng thực tế Mg(OH)2. ......................................................72
Hình 2.7. Dung dịch trước chuẩn độ có màu tím ........................................ 73
Hình 2.8. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu Mg(OH)2. .............................................. 73
Hình 2.9. Phổ nhiễu xạ Rưntgen mẫu vôi sau khi nung. ............................. 74
5
Phần 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG
1. Giới thiệu vật liệu nano
Vật liệu nano được hiểu là vật liệu có kích thước nanomet với phân tử
hay ngun tử có kích thước từ 0,1 - 100 nanomet (10-9 m). Vật liệu nano khác
biệt hoàn toàn so với các vật liệu khác về tính chất vật lý do kích thước ở dạng
nanomet của nó.
Vật liệu nano kim loại là các hạt được tổng hợp từ kim loại. Các hạt
nano kim loại có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Nếu ánh sáng phản xạ
lên bề mặt vàng ở dạng hình khối sẽ có cùng màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng
truyền qua đó có màu xanh hoặc có thể chuyển sang màu cam khi kích thước
của hạt nano kim loại thay đổi. Các điện tử tự do hấp thụ ánh sáng ở vùng ánh
sáng khả kiến làm cho các hạt nano kim loại có hiện tượng quang học như trên.
Hình 1.1. Các loại vật liệu nano.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực khoa học nano và cơng nghệ
nano, nó liên kết hai lĩnh vực này với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải
dài một khoảng khá rộng từ vài nm đến vài trăm nm. Vật liệu nano tồn tại ở các
6
dạng trạng thái rắn, lỏng và khí. Hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu
trạng thái vật liệu rắn.
1.1. Các khái niệm liên quan đến nano
1.1.1. Khoa học nano
Khoa học nano là ngành nghiên cứu cấu trúc và vật liệu ở quy mô siêu
nhỏ. Quy mô này tương ứng với kích thước vào cỡ vài nanomet đến vài trăm
nanomet [1].
Công nghệ nano là sự điều khiển vật chất ở cấp độ phân tử hoặc nguyên
tử để tạo ra các vật liệu và thiết bị mới có các đặc tính đặc biệt mới và có liên
kết chặt chẽ với khoa học nano (1 nm = 10-9 m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ
có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống khơng có được đó là do
sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngồi [2].
1.1.2. Cơ sở khoa học
Cơng nghệ nano được nghiên cứu dựa trên ba cơ sở khoa học chính:
Chuyển tiếp từ tính chất cố điển đến tính chất lượng tử, hiệu ứng bề mặt và
kích thước tới hạn.
a. Chuyển tiếp từ tính chất cố điển đến tính chất lượng tử:
Đối với vật liệu gồm nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung
bình hóa với rất nhiều ngun tử và có thể bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên. Đối
với cấu trúc nano có ít ngun tử hơn, tính chất lượng tử sẽ thể hiện rõ hơn.
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm
cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối
với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng.
Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước
nm. Chính điều này đã làm nên cái tên "vật liệu nano" mà ta thường nghe đến
ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc
trưng này dẫn đến các tính chất vật lý đã biết. Nhưng khi kích thước của vật
liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến
độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó.
Ở đây khơng có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu
khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải
7
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 nhưng
cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại khơng có gì khác biệt cả. Tuy nhiên,
hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với
kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi
chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây
rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì
chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến
tính của dịng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ, ta thu nhỏ kích thước của
sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử
trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dịng và thế khơng cịn nữa mà tỉ lệ gián
đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là
hằng số Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị
thay đổi như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng
này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển - lượng tử trong các vật liệu nano
do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm
lượng tử). [3]
Bảng 1.1. Giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [3]
Tính chất
Điện
Từ
Quang
Thơng số
Độ dài đặc
trưng (nm)
Bước sóng của điện tử
10 - 100
Qng đường tự do trung bình khơng đàn hồi
1 - 100
Hiệu ứng đường ngầm
1 - 10
Vách đô men, tương tác trao đổi
10 - 100
Quãng đường tán xạ spin
1 - 100
Giới hạn siêu thuận từ
5 - 100
Hố lượng tử (bán kính Bohr)
1 - 100
Độ dài suy giảm
10 - 100
Độ sâu bề mặt kim loại
10 - 100
Hấp thụ Plasmon bề mặt
10 - 500
8
Siêu dẫn
Cơ
Xúc tác
Siêu phân
tử
Miễn dịch
Độ dài liên kết cặp Cooper
0,1 - 100
Độ thẩm thấu Meisner
1 - 100
Tương tác bất định xứ
1 - 1000
Biên hạt
1 - 10
Bán kính khởi động đứt vỡ
1 - 100
Sai hỏng mầm
0,1 - 10
Độ nhăn bề mặt
1 - 10
Hình học topo bề mặt
1 - 10
Độ dài Kuhn
1 - 100
Cấu trúc nhị cấp
1 - 10
Cấu trúc tam cấp
10 - 1000
Nhận biết phân tử
1 - 10
b. Hiệu ứng bề mặt:
Khi vật liệu có cấu trúc nano, số nguyên tử trên bề mặt chiếm nhiều hơn
so với tổng số nguyên tử. Do đó, hiệu ứng bề mặt làm cho tính chất vật liệu có
kích thước nano khác biệt với vật liệu dạng khối.
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. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt
nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên
tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử
trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là
bán kính của ngun tử và r là bán kính của hạt nano. Như vậy, nếu kích thước
của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f 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 nên 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 tỉ số f tăng. Khi
kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay
đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt khơng có tính đột biến theo
sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Chúng ta
cần lưu ý đặc điểm này trong nghiên cứu và ứng dụng.
9
Hiệu ứng bề mặt ln có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước,
hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào,
ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu
ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật
liệu nano tương đối dễ dàng. Bảng 1.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt
nano hình cầu. Với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số ngun tử mà hạt
đó chứa là 4000 nguyên tử, tỉ số f là 40 %, năng lượng bề mặt là 8,16x1011 và
tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2%. Tuy nhiên, các giá
trị vật lý giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10
nm [3].
Bảng 1.2. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [3]
Đường kính
hạt nano
Số nguyên tử
(nm)
Tỉ số nguyên
Năng lượng
tử trên bề
bề mặt
mặt (%)
(erg/mol)
Năng lượng
bề mặt/Năng
lượng tổng
(%)
10
30000
20
4,08×1011
7,6
5
4000
40
8,16×1011
14,3
2
250
80
2,04×1012
35,3
1
30
90
9,23×1012
82,2
c. Kích thước tới hạn:
Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều có giới hạn về kích thước.
Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó bị thay đổi hồn tồn.
Vật liệu nano có tính chất đặc trưng do kích thước của nó có thể so sánh với
kích thước tới hạn của tính chất vật liệu. [4]
1.1.3. Cơng nghệ nano
Cơng nghệ nano là các 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 ở quy mơ nanomet (từ 1 - 100nm).
1.1.4. Hóa học nano
10
Hóa học nano được biết đến như các phương pháp chế tạo vật liệu và
linh kiện nano bằng các phản ứng hóa học.
1.1.5. Hạt nano kim loại
Hạt nano kim loại là các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các
kim loại.
Trong công nghệ nano, nghiên cứu các hạt nano là một khía cạnh quan
trọng. Tiêu biểu là các hạt nano kim loại như hạt nano Au, Ag, Pt, Cu,… Các
hạt kim loại thể hiện những đặc tính, tính chất vật lý, hóa học và sinh học khác
biệt nhau và chúng vơ cùng q giá, đặc biệt có tính diệt khuẩn. Hạt nano được
sử dụng sớm và có nhiều ứng dụng trong việc kháng khuẩn là các hạt nano kim
loại quý như vàng, bạc.
2. Phân loại
Theo tác giả Tawfik A.Saleh (2020) thì vật liệu nano được phân loại như
sau:
- Dựa vào chiều: Không chiều, một chiều, hai chiều, ba chiều.
- Dựa vào hình thái: Hình phẳng, hình cầu, tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích.
Hình 2.1. Phân loại vật liệu nano.
11
- Dựa vào trạng thái: Đồng nhất, không đồng nhất, huyền phù, phân tán, kết tụ.
- Dựa vào hình dáng: Thành phần đơn, composites, vô cơ và hữu cơ.
3. Tổng hợp vật liệu nano
Có rất nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu nano. Trong đó có 5
phương pháp phổ biến nhất:
3.1. Phương pháp hóa ướt
Bao gồm các phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và đồng 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, độ pH,… mà các
vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau quá trình lọc, sấy khơ, ta thu được
các vật liệu có kích thước nano.
Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể chế tạo được rất
đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phương
pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhưng
nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là
một khó khăn, phương pháp sol - gel thì khơng có hiệu suất cao.
3.2. Phương pháp cơ khí nano
Bao gồm phương pháp từ trên xuống (top - down) và phương pháp từ
dưới lên (bottom - up)
3.3. Phương pháp từ trên xuống (top - down)
a. Nguyên lý:
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 này liên quan đến việc phá vỡ vật liệu dạng khối thành các
hạt nhỏ hơn bằng cách sử dụng các quá trình vật lý. Nói chung, phương pháp
này khơng thích hợp để tạo ra các vật liệu nano có hình dạng đồng đều, và rất
khó thu được các hạt nano có kích thước rất nhỏ ngay cả khi sử dụng năng
lượng cao. Khó khăn lớn của phương pháp này là sự thiếu hụt cấu trúc bề mặt
12
vì các tính chất vật lý và hóa học bề mặt của vật liệu nano bị tác động đáng kể.
Ngoài ra, phương pháp này cũng gây ra sự mất mát tinh thể đáng kể đối với các
hình dạng đã xử lý.
b. Phương pháp chế tạo:
Chế tạo hạt nano theo phương pháp từ trên xuống có nhiều cách khác
nhau: Phương pháp nghiền, phương pháp đồng hóa,…
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.
Hình 3.1. Phương pháp (a) từ dưới lên và (b) từ trên xuống.
3.4. Phương pháp từ dưới lên (bottom - up)
a. Nguyên lý:
13
Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ
dưới lên được phát triển 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.
b. Phương pháp chế tạo:
Phương pháp tạo vật liệu nano là từ các ion. Phương pháp hóa học có
đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay
đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các
phương pháp chế tạo từ dưới lên thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha
lỏng (phương pháp kết tủa, sol - gel,…) và từ pha khí (nhiệt phân,…). Phương
pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột
nano,…
Trong phương pháp này, vật liệu được chuẩn bị theo từng nguyên tử
hoặc từng phân tử để tạo ra một lượng lớn vật liệu. Phương pháp này được sử
dụng thường xuyên hơn để sản xuất hầu hết các vật liệu nano. Phương pháp
này có khả năng tạo ra các vật liệu nano có kích thước, hình dạng đồng nhất và
phân bố tốt. Về cơ bản, nó kiểm sốt q trình tổng hợp hóa học một cách
chính xác để ngăn chặn sự phát triển khơng mong muốn của các hạt. Phương
pháp này đóng một vai trị quan trọng trong sản xuất và gia cơng vật liệu nano
với sự phân bố kích thước hạt tốt hơn và hình thái tốt hơn.
3.5. Phương pháp bay hơi nhiệt
Gồm các phương pháp: Quang khắc (lithography), lắng đọng trong chân
không (vacuum deposition), vật lý và hóa học. Các phương pháp này áp dụng
hiệu quả trong chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt. Người ta cũng có
thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tấm chắn.
14
Hình 3.2. Phương pháp quang khắc.
3.6. Phương pháp pha khí
Gồm các phương pháp: Nhiệt phân, nổ điện (electro - explosion), đốt
laser, bốc hơi ở nhiệt độ cao và plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này
là hình thành vật liệu nano từ pha khí.
3.7. Phương pháp hóa học
Dung dịch muối kim loại thơng qua q trình phản ứng oxi hóa khử
chuyển ion thành kim loại ở kích thước nano. Do các hạt nano có năng lượng
lớn nên có khuynh hướng liên kết lại với nhau để quay về kích thước bền hơn
(micro). Do đó, sau khi phản ứng, hạt nano kim loại được bọc bằng chất bảo vệ.
Điển hình là bạc keo hay còn gọi là nano bạc (Colloidal Silver).
4. Các phương pháp phân tích mẫu
4.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có
năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ
để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra
15
trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy
chụp kỹ thuật số.
Các vật liệu có kích thước đủ nhỏ để trở nên trong suốt điện tử, chẳng
hạn như bột hoặc ống nano, có thể nhanh chóng được tạo ra bằng cách lắng
đọng mẫu lỗng có chứa mẫu thử lên các lưới hỗ trợ. Kính hiển vi điện tử sử
dụng "thấu kính" tĩnh điện và điện từ để điều khiển chùm điện tử và tập trung
nó để tạo thành hình ảnh.
Hình 4.1. Cấu tạo khác nhau giữa TEM và SEM.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật theo đó một chùm electron
được truyền qua một mẫu vật siêu mỏng và tương tác khi đi qua mẫu. Một hình
ảnh được hình thành từ các điện tử truyền qua mẫu vật, được phóng đại và hội
tụ bởi một vật kính và xuất hiện trên màn hình. Nó nhạy cảm với các khuyết tật
mạng tinh thể mở rộng. Các mẫu thử phải được chuẩn bị như một lá mỏng để
chùm điện tử có thể xuyên qua [6].
16
4.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) là một
loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu
vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề
mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và
phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Kỹ thuật này tạo ra hình ảnh phóng đại bằng cách sử dụng các điện tử
thay vì sóng ánh sáng. Khi chùm electron tương tác với các nguyên tử của mẫu,
các tín hiệu ở dạng electron thứ cấp, electron phân tán ngược và tia X đặc trưng
được tạo ra chứa thông tin về địa hình bề mặt, thành phần của mẫu,… Nó cũng
có thể tạo ra rất cao ảnh độ phân giải của bề mặt mẫu, tiết lộ các chi tiết có kích
thước khoảng 1 - 5 nm trong chế độ phát hiện chính của nó, tức là ảnh điện tử
thứ cấp. Máy dò thu thập các tia X này, các điện tử bị tán xạ ngược và các điện
tử thứ cấp và chuyển chúng thành tín hiệu được gửi đến một màn hình tương tự
như màn hình tivi.
4.3. Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS)
Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering - DLS) còn
được gọi là quang phổ tương quan photon (Photon Correlation Spectroscopy PCS) và tán xạ ánh sáng đàn hồi (Quasi - Elastic Light Scattering - QELS), là
một kỹ thuật được sử dụng để đo chuyển động Brown (khuếch tán) và phân bố
kích thước của tập hợp các hạt trong dung dịch. DLS được sử dụng rộng rãi để
xác định kích thước của các hạt nano Brown trong huyền phù keo trong phạm
vi nano và submicron. Chiếu ánh sáng đơn sắc (laser) vào dung dịch của các
hạt hình cầu chuyển động Brown gây ra sự dịch chuyển Doppler khi ánh sáng
chiếu vào hạt đang chuyển động, làm thay đổi bước sóng của ánh sáng tới. Sự
thay đổi này liên quan đến kích thước của hạt. Có thể trích xuất sự phân bố
kích thước và đưa ra mô tả về chuyển động của hạt trong môi trường, đo hệ số
khuếch tán của hạt và sử dụng hàm tự tương quan. Quang phổ tương quan
photon (PCS) đại diện cho kỹ thuật được sử dụng thường xuyên nhất để ước
tính chính xác kích thước hạt và sự phân bố kích thước dựa trên DLS (EPA) [6].
17
Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động DLS được sử dụng để theo dõi các hạt
nano và thế zeta trên nhiều loại sản phẩm từ dược phẩm đến các sản phẩm
chăm sóc cá nhân, nhũ tương nói chung, chất hoạt động bề mặt và hơn thế nữa
[7].
Hình 4.2. Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động DLS.
4.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
Phổ nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction - XRD) là phương pháp phổ biến
nhất được sử dụng để xác định cấu trúc nguyên tử và phân tử của vật liệu. Các
nguyên tử kết tinh dẫn đến sự nhiễu xạ của chùm tia X đến những hướng xác
định vì vậy các gốc nhiễu xạ và các cường độ tương ứng có thể được đo và ghi
nhận, mơ tả bức tranh ba chiều về mật độ các electron trong cấu trúc tinh thể.
Phổ XRD có thể phân tích số lượng lớn các vật liệu mang cấu trúc tinh thể bao
gồm vật liệu vô cơ hoặc các phân tử sinh học, chúng có thể ở nhiều dạng khác
nhau như dạng bột, dạng màng mỏng, vật liệu đa tinh [9] thể và đa khối. Các
ưu điểm của phương pháp phân tích mẫu phổ XRD chính là phép đo khơng giới
hạn, dễ diễn giải và không giới hạn lượng mẫu cần đo [8].
4.5. Quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
Quang phổ hồng ngoại (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy - FTIR). Do hầu hết các phân tử đều mang khả năng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại,
các phân tử hấp thụ bức xạ ở các bước sóng rất cụ thể, khơng có phân tử nào có
cùng bước sóng hấp thụ giống nhau. Phương pháp FTIR thường sử dụng để xác
định các nhóm chức và các liên kết chéo của các hạt nano do tất cả chúng đều
có tần số dao động đặc trưng trong phổ hồng ngoại [8].
4.6. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (Therapeutic Goods
Administration - TGA) dựa trên sự thay đổi về khối lượng/ trọng lượng (tăng
18
hoặc giảm) theo thời gian hoặc nhiệt độ. Từ đó cho ta được các thông số về độ
tinh khiết, lớp phủ bề mặt hay dữ liệu về các thành phần của vật liệu nano [8].
5. Ứng dụng công nghệ nano
a. Trong công nghệ thông tin
Nghiên cứu và chế tạo nano chip (chip có chứa bóng bán dẫn có kích
thước vài nanomet).
Đối với màn hình, kính khi cho thêm hạt nano vào để chế tạo sẽ có tính
dẻo tốt, cường độ được nâng cao, cản được tia tử ngoại và bức xạ sóng ngắn,
khả năng xun sáng khơng bị ảnh hưởng. Mặt kính nano có thể thay thế mặt
kính truyền thống hoặc kính mạ trắng.
b. Trong nơng nghiệp
Ứng dụng trong sản xuất phân bón lá, thuốc trừ nấm bệnh cho cây trồng
không gây độc hại cho con người và môi trường.
c. Trong gốm sứ
Gốm sứ kết cấu nano có cường độ và tính dẻo cao gấp nhiều lần gốm sứ
truyền thống, ngồi ra cịn có tính năng chịu nhiệt, chịu ma sát, chống ăn mòn
trong khi tỷ trọng chỉ bằng 2/5 sắt, thép. Nó đã và đang được ứng dụng trong
các ngành công nghiệp ở nhiều nước. Gốm sứ kết cấu nano và kính vi tinh thể
nano sẽ thay thế đá tự nhiên trong lĩnh vực tường màn xây dựng.
d. Trong sức khỏe và y tế
Các hạt nano được xem như là các robot nano xâm nhập vào cơ thể giúp
con người có thể can thiệp ở quy mơ phân tử hay tế bào. Hiện nay, con người
đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn đoán
bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư…
Chẩn đoán: Sử dụng hạt nano để đánh dấu các phân tử sinh học, vi sinh
vật, phát hiện các chuỗi gene nhờ cơ chế bắt cặp bổ sung của DNA hoặc cơ chế
bắt cặp kháng nguyên - kháng thể.
Vận chuyển thuốc: Cung cấp thuốc cho từng tế bào cụ thể, chính xác
nhằm tăng hiệu quả, tốc độ điều trị, tiết kiệm thuốc, tránh tác dụng phụ lên tế
bào khác.
19
Mơ kỹ thuật: Phát triển các vật liệu nano có tính mơ phỏng sinh học,
giúp tái sản xuất hoặc sửa chữa các mô bị hư hỏng trong cơ thể.
Điều trị ung thư: Các hạt nano được đưa vào khối u bên trong, sau đó
chúng được tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoài chiếu từ ngoài vào làm tiêu
diệt các khối u [9].
e. Trong xây dựng
Nhôm (Al) khi cho thêm hạt nano của vật liệu nào đó sẽ có cường độ và
tính dẻo tăng gấp hai lần. Đây là cơng nghệ quan trọng được các doanh nghiệp
sản xuất tấm nhôm và vật liệu nhôm tường màn xây dựng áp dụng để nâng cao
tính năng sản phẩm. Chất dẻo phức hợp nano có cường độ và tính dẻo tương
đương thép, trong khi nó dễ gia cơng hơn thép, lại có khả năng chống tĩnh điện,
cản tia tử ngoại, khó bị lão hoá,… Hiện nay chất dẻo phức hợp nano đã và đang
được ứng dụng rộng rãi tại Trung Quốc và nhiều nước khác.
Trong các cơng trình xây dựng, mái nhà bằng kim loại được sơn phủ
thêm lớp vật liệu nano có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ của nó để cân bằng
mơi trường khí hậu trong nhà. Tương tự như vậy, các bức tường đều được gắn
cảm biến nano do vậy nhiệt độ phịng có khả năng tự điều chỉnh tăng giảm tuỳ
theo thời tiết. Bề mặt bệ bếp được làm bằng titanium dioxide khi bị bẩn sẽ tự
làm sạch và có thể ngăn chặn vi khuẩn, nấm mốc. Gạch men phòng tắm được
phủ lớp vật liệu nano chống sự đóng váng của bọt xà phịng. Các bộ phận kết
cấu được lắp linh kiện cảm ứng để giám sát khả năng chịu lực, sự biến dạng,
lún, nứt rạn, ăn mòn…. giúp con người có thể can thiệp, xử lý kịp thời [5].
f.
Năng lượng và môi trường
Pin mặt trời chất màu nhạy quang có sử dụng vật liệu nanocomposite
trên cơ sở graphene làm điện cực cathode và anode. Pin có khả năng cải thiện
hiệu suất hơn 20% so với pin dùng vật liệu Pt và TiO2 truyền thống, đồng thời
giảm đáng kể lượng vật liệu Pt và TiO2 sử dụng [10].
Cấu tạo DSSC gồm có điện cực quang anode là chất màu nhạy quang
N3 gắn trên chất bán dẫn tinh thể nano TiO2 kết hợp với Graphene, điện cực
cathode là kim loại Pt kết hợp với Graphene và hệ điện ly là I3-/I- trong dung
môi acetonitrile. Pin hoạt động dựa trên sự quang hóa của chất màu nhạy quang.
20
Khi chất màu nhạy quang bị kích thích bởi photon ánh sáng, điện tử ở trạng
thái kích thích chuyển sang vùng dẫn của bán dẫn TiO2 rồi chuyển đến cathode
thông qua mạch ngoài. Điện tử trên cathode khử I- trong dung dịch điện ly
thành I3- theo phản ứng 3I- + 2e → I3-. Chất màu nhạy quang (N3) được tái tạo
từ trạng thái oxy hóa bởi I2 trong dung dịch điện ly theo phản ứng: 2N3+ + I2 →
2N3 + 2I- [11].
Hình 5.1. Pin mặt trời chất màu nhạy quang có sử dụng vật liệu nano
composite trên cơ sở graphene làm điện cực cathode và anode.
21
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] National Nanotechnology Initiative (2022). What is Nanotechnology?.
Truy cập 16/09/2022, từ />[2] Catherine Brahic and Mike Shanahan (2005). What is Nanotechnology
and
What
Can
It
Truy
Do?
cập
16/09/2022,
từ
/>[3] Vật liệu Nano và tính chất đặc biệt của nó. Truy cập 16/09/2022, từ
/>[4] Vũ Đình Cự và Nguyễn Xuân Chánh. (2004). Công nghệ nano điều khiển
đến từng phân tử. Hà Nội: NXB Khoa học Kỹ thuật.
[5] NANO NNA VIỆT NAM. Nano là gì? Vật liệu Nano là gì? Ứng dụng
của
vật
liệu
và
cơng
nghệ
Nano?.
Truy
cập
16/09/2022,
từ
/>[6] Tassew Belete Bahru and Eyasu Gebrie Ajebe. (2019). A Review on
Nanotechnology: Analytical Techniques Use and Applications. DOI:
10.9734/irjpac/2019/v19i430117
[7] TECSHOP. (2021). Ứng dụng phân tích kích thước hạt Nano - DLS là gì?.
Truy cập 17/09/2022, từ />[8] CD Bioparticles. Nanoparticles Analytical Techniques. Truy cập
17/09/2022, từ />[9] Lê Trần Bình, Nơng Văn Hải và Lê Thị Thu Hiền. (2004). Bài tổng quan
cơng nghệ sinh học Nano. Tạp chí Công nghệ Sinh học, 2(2), 133-148.
[10] Sở Khoa học và công nghệ TPHCM. (2021). Hướng phát triển mới cho
pin
năng
lượng
mặt
trời.
Truy
cập
17/09/2022,
từ
/>
22
[11] Nguyễn Thái Hoàng, Nguyễn Thị Thùy Hương, Huỳnh Lê Thanh
Nguyên và Lê Viết Hải. (2019). Chế tạo và khảo sát độ bền nhiệt của pin mặt
trời chất màu nhạy quang. Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam, 62(3),
42 - 47.
23
Phần 2: CHUYÊN ĐỀ TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÔ CƠ
Bài 1: Tổng hợp nano Đồng
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Đồng kim loại
Kim loại đồng có số hiệu nguyên tử là 29 trong bảng tuần hồn ngun
tố hóa học, là kim loại chuyển tiếp nằm trong nhóm IB, chu kỳ 4, kí hiệu hóa
học là Cu. Đồng là kim loại có màu nâu đỏ, cực dẻo, có khả năng dẫn nhiệt và
dẫn điện tốt. Bên cạnh vàng, bạc và sắt, đồng đã đã được phát hiện từ rất sớm
và được sử dụng rộng rãi cho tới ngày nay.
Hình 1.1. Một khối đồng trong quặng tự nhiên.
Kim loại đồng trong tự nhiên dễ bị ăn mịn trong khơng khí, thường ở
dạng hợp chất muối đồng (II) nên sẽ có màu xanh lục hoặc xanh lam. Phản ứng
oxy hóa đặc trưng này cũng chính là lý do khiến tượng Nữ thần tự do tuy mạ
đồng nhưng sau một thời gian lại chuyển thành màu xanh như hiện nay [1].
Hiện nay, đồng thường được sử dụng để sản xuất dây dẫn, bộ tản nhiệt,
nam châm điện hay động cơ nhờ vào tính năng dẫn điện tốt tương tự như bạc
nhưng lại có giá thành thấp hơn. Đồng còn được ứng dụng trong ngành vật liệu
xây dựng do có tính dẻo, dễ tạo hình, khả năng chống ăn mòn cao nên được chế
tác thành các bồn chứa hóa chất nguy hiểm, các đường ống thủy lực và làm hệ
24