Phân loại vật liệu nano và xu hướng phát triển công nghệ nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THANH LƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC CHUNG

PHÂN LOẠI VẬT LIỆU NANO VÀ XU HƯỚNG
PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ NANO

BÁO CÁO MÔN HỌC:
SEMINAR VÀ THẢO LUẬN NHĨM VỀ CƠNG NGHỆ NANO
VÀ ỨNG DỤNG
Ngành: Kỹ thuật năng lượng

Hà Nội- 2022


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THANH LƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC CHUNG

PHÂN LOẠI VẬT LIỆU NANO VÀ XU HƯỚNG
PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ NANO

BÁO CÁO MÔN HỌC:
SEMINAR VÀ THẢO LUẬN NHĨM VỀ CƠNG NGHỆ NANO
VÀ ỨNG DỤNG
Ngành: Kỹ thuật năng lượng

Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Thị Thao

Hà Nội- 2022
2


TÓM TẮT
Trong bài báo cáo “Phân loại vật liệu nano và xu hướng phát triển của cơng nghệ
nano” có kết cấu gồm bốn chương. Chương 1, trình bày về tổng quan vật liệu nano và
công nghệ nano. Tiếp đến chương 2, trình bày về phương diện phân loại vật liệu nano.
Và chương 3, trình bày về xu hướng của cơng nghệ nano trong các lĩnh vực khác nhau
và hạn chế của nó. Chương 4 đưa ra kết luận chung về vật liệu nano và cơng nghệ nano.
Qua bài này có thể nắm được những kiến thức cơ bản về phân loại vật liệu nano và xu
hướng của nó.

1


LỜI CẢM ƠN
Qua bài đồ án môn học này, em xin được gửi lời cảm ơn đến cô TS. Vũ Thị Thao
đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, truyền cảm hứng và cung cấp cho nhóm em nhiều tài
liệu quý báu trong suốt quá trình thực hiện để giúp em hồn thành được báo cáo mơn
học này.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan
tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt q trình học tập và hồn thành mơn học.
Hà Nội, ngày 8 tháng 3 năm 2022

Sinh viên
Trần Thanh Lương
Nguyễn Đức Chung

4


MỤC LỤC

........................................................................................1
TÓM TẮT ...............................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................4
MỤC LỤC ..............................................................................................................5
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................7
Chương 1.

Tổng quan về vật liệu nano và công nghệ nano ...............................8

1.1.

Lịch sử hình thành ................................................................................8

1.2.

Vật liệu nano và công nghệ nano .......................................................10

1.2.1.

Vật liệu nano ...................................................................................10

1.2.2.

Công nghệ nano ...............................................................................12

Chương 2.

Phân loại vật liệu nano ...................................................................14

2.1.

Phân loại vật liệu nano theo hình dạng ..............................................14

2.2.

Phân loại vật liệu nano theo tính chất ................................................16

2.3.

Phân loại vật liệu nano theo bản chất vật liệu ....................................18

Chương 3.

Xu hướng phát triển của công nghệ nano ......................................28

3.1.

Xu hướng phát triển của công nghệ nano trong nông nghiệp ............28

3.2.

Xu hướng phát triển của công nghệ nano trong công nghiệp ............29

3.3.

Xu hướng phát triển của công nghệ nano trong y học .......................31

3.4.

Xu hướng phát triển của công nghệ nano trong mỹ phẩm .................34

3.5.

Xu hướng phát triển của công nghệ nano trong nha khoa..................35

3.6.

Xu hướng phát triển của công nghệ nano trong xây dựng .................36

5


Chương 4.

Kết luận ..........................................................................................45

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................46

6


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ nano đã xuất hiện như một lĩnh vực khoa
học và công nghệ tiên tiến với khả năng cách mạng hóa những tiến bộ công nghệ trong

ngành công nghiệp, y sinh và nơng nghiệp, xây dựng. Vật liệu nano (NMS) có thể được
tổng hợp bằng phương pháp hóa học, vật lý và sinh học. Hạt nano (NPS) là tinh thể hoặc
vô định hình, có kích thước cực nhỏ trong phạm vi 1-100nm. Các hạt này có nguồn gốc
chủ yếu từ cacbon, kim loại, gốm sứ, lipid, chất bán dẫn và vật liệu polymer. Trong các
phương pháp sinh học của chế tạo NP, thực vật cũng như vi khuẩn (một số tảo, nấm, vi
khuẩn và vi rút) được sử dụng làm chất khử hoặc các tác nhân khác. Kích thước, hình
thái và độ ổn định của NMS phụ thuộc vào phương pháp chuẩn bị, tính chất của dung
mơi, tỷ lệ pha trộn, nồng độ, pH và nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng và sức mạnh của chất
khử. Các hạt này sau đó được đặc trưng bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau bao
gồm quang phổ hồng ngoại UV-VIS, biến đổi Fourier-Biến đổi, kính hiển vi điện tử
truyền tải, kính hiển vi điện tử quét, nhiễu xạ tia X, quang phổ tia X phân tán năng lượng,
phân tán ánh sáng động và các phép đo tiềm năng của Zeta, trong số khác. NMS do đó
được sản xuất đã chỉ ra một ứng dụng đáng kể trong các lĩnh vực khác nhau bao gồm
các loại thực phẩm nông nghiệp (carbon, Fullerene, Ag, ZnO), mỹ phẩm (TiO2, ZnO,
Fullerene, Fe2O3 Cu, Ag, Au), catalysts (NiO, Pt, Pd ), chất bôi trơn và phụ gia nhiên
liệu (CeO2, Pt, MoS3), sơn và lớp phủ (TiO2, SiO2, Ag, CdSe), hóa chất nơng nghiệp
(SiO2), bao bì thực phẩm (Ag, TiO2, ZnO, TiN, Nanoclay), Nanomedicine và
Nanocarrier (Au , Ag, Fe, vật liệu từ tính). Trong tương lai, cơng nghệ nano sẽ được
nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ hơn.

7


Chương 1. Tổng quan về vật liệu nano và công nghệ nano
1.1. Lịch sử hình thành
Năm 1959, nhà vật lý nổi tiếng và là người đoạt giải Nobel Richard Feynman đã
tiên đốn rằng con người có thể sử dụng những cỗ máy nhỏ để tạo ra những cỗ máy nhỏ
hơn, cuối cùng họ sẽ sắp xếp từng nguyên tử một để tạo ra sản phẩm theo ý muốn của
con người. Đây là giấc mơ sớm nhất về công nghệ nano.
Năm 1960, kỹ sư Ai Cập Mohamed Atalla và kỹ sư Hàn Quốc Dawon

Kahng tại Bell Labs đã chế tạo MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loạioxide-bán dẫn) đầu tiên với độ dày cổng oxide 100 nm, cùng với chiều dài cổng 20 µm.
Năm 1962, Atalla và Kahng bịa đặt một nanolayer -base ngã ba kim loại bán dẫn (khớp
nối M-S) transistor mà được sử dụng màng mỏng vàng (Au) với độ dày 10 nm 1.
Vào những năm 1970, các nhà khoa học bắt đầu đưa ra các ý tưởng về cơng nghệ
nano từ nhiều góc độ khác nhau, Năm 1974, nhà khoa học Donny Gucci lần đầu tiên sử
dụng thuật ngữ công nghệ nano để mô tả gia cơng chính xác.
Trong những năm 1980, hai bước đột phá lớn đã thúc đẩy sự phát triển của công
nghệ nano trong kỷ nguyên hiện đại. Đầu tiên, việc phát minh ra kính hiển vi quét đường
hầm vào năm 1981, cung cấp hình ảnh chưa từng có về các ngun tử và liên kết riêng
lẻ, và được sử dụng thành công để điều khiển các nguyên tử riêng lẻ vào năm 1989. Các
nhà phát triển kính hiển vi là Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại Phịng thí nghiệm
Nghiên cứu Zurich của IBM đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 1986
2
. Binnig, Quate và Gerber cũng đã phát minh ra kính hiển vi lực nguyên tử tương tự
vào năm đó.
Tháng 7 năm 1990, Hội nghị Khoa học và Công nghệ Nano Quốc tế đầu tiên được
tổ chức tại Baltimore, Hoa Kỳ, đánh dấu sự ra đời chính thức của khoa học và cơng nghệ
nano.
Sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ nano là vào cuối những năm 1980 và
đầu những năm 1990. Vào đầu những năm 1980, Feynman đã phát minh ra các cơng cụ
quan trọng cho kính hiển vi qt đường hầm nghiên cứu cơng nghệ nano (STM), kính
hiển vi lực nguyên tử (AFM) và các kỹ thuật thao tác và mơ tả đặc tính hiển vi khác,
đóng vai trị tích cực trong việc thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nano...
Năm 1991, con người phát hiện ra ống nano cacbon, khối lượng của chúng bằng
1/6 khối lượng cùng loại thép nhưng độ bền của chúng gấp 10 lần thép, điều này đã trở
thành điểm nóng trong nghiên cứu công nghệ nano. Giáo sư Smalley từng đoạt giải
Nobel tin rằng ống nano carbon sẽ là vật liệu được lựa chọn cho các sợi tốt nhất trong

8

tương lai, và cũng sẽ được sử dụng rộng rãi trong dây siêu vi, công tắc siêu vi và mạch
điện tử cấp nano.
Năm 1993, sau khi Đại học Stanford loại bỏ nhóm nguyên tử vào năm 1989
được"viết" là Stan
Tên tiếng Anh của Đại học Fu, và Tập đoàn Máy kinh doanh Quốc tế của Hoa Kỳ
đã sử dụng 36 nguyên tử xenon để phóng điện chữ "IBM" trên bề mặt niken vào năm
1990. Phịng thí nghiệm Vật lý Chân khơng Bắc Kinh của Viện Khoa học Trung Quốc
đã tự do điều khiển các nguyên tử và viết thành công từ "Trung Quốc", đánh dấu sự khởi
đầu của Trung Quốc Chiếm chỗ đứng trong lĩnh vực công nghệ nano quốc tế.
Năm 1997, các nhà khoa học Mỹ lần đầu tiên sử dụng thành công một electron để
di chuyển một electron, sử dụng công nghệ này, người ta kỳ vọng rằng một máy tính
lượng tử với tốc độ và dung lượng lưu trữ cao hơn hàng nghìn lần hiện nay có thể được
phát triển trong 20 năm nữa.
Vào năm 1999, các nhà khoa học từ Brazil và Hoa Kỳ đã phát minh ra “cân” nhỏ
nhất thế giới khi tiến hành các thí nghiệm trên ống nano cacbon. Nó có thể cân nặng các
vật thể bằng một phần tỷ gam, tương đương với trọng lượng của một con virus; ngay
sau đó, các nhà khoa học Đức đã phát triển một chiếc cân có khả năng cân một nguyên
tử, phá vỡ kỷ lục do các nhà khoa học Mỹ và Brazil cùng tạo ra.
Đến năm 1999, công nghệ nano dần gia nhập thị trường, doanh thu hàng năm của
các sản phẩm nano đạt 50 tỷ đơ la Mỹ.
Trong những năm gần đây, Các chính phủ đã chuyển sang thúc đẩy và tài trợ cho
nghiên cứu về công nghệ nano, chẳng hạn như ở Mỹ với Sáng kiến Công nghệ Nano
Quốc gia, tổ chức đã chính thức hóa định nghĩa dựa trên kích thước của công nghệ nano
và thiết lập tài trợ cho nghiên cứu về quy mô nano và ở Châu Âu thông qua các Chương
trình Khung Châu Âu về Nghiên cứu và Phát triển công nghệ.
Đến giữa những năm 2000, sự chú ý khoa học nghiêm túc và mới mẻ bắt đầu phát
triển. Các dự án xuất hiện để đưa ra lộ trình cơng nghệ nano tập trung vào thao tác chính
xác ngun tử của vật chất và thảo luận về các khả năng, mục tiêu và ứng dụng hiện có
và dự kiến.

Năm 2006, một nhóm các nhà nghiên cứu Hàn Quốc từ Viện Khoa học và Công
nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) và Trung tâm Nano Fab Quốc gia đã phát triển
MOSFET 3 nm, thiết bị điện tử nano nhỏ nhất thế giới. Nó dựa trên cơng nghệ FinFET
tồn cổng (GAA).
Hơn 60 quốc gia đã tạo ra các chương trình nghiên cứu và phát triển cơng nghệ
nano (R&D) của chính phủ từ năm 2001 đến năm 2004. Nguồn tài trợ của chính phủ đã

9


vượt quá chi tiêu của công ty cho nghiên cứu và phát triển công nghệ nano, với phần lớn
tài trợ đến từ các tập đồn có trụ sở tại Hoa Kỳ, Nhật Bản và Đức. Năm tổ chức hàng
đầu đã nộp nhiều bằng sáng chế trí tuệ nhất về R&D công nghệ nano từ năm 1970 đến
2011 là Samsung Electronics (2,578 bằng sáng chế đầu tiên), Nippon Steel (1,490 bằng
sáng chế đầu tiên), IBM (1,360 bằng sáng chế đầu tiên) Toshiba (1,298 bằng sáng chế
đầu tiên) và Canon (1.162 bằng sáng chế đầu tiên). Năm tổ chức hàng đầu xuất bản
nhiều bài báo khoa học nhất về nghiên cứu công nghệ nano từ năm 1970 đến 2012
là Viện Khoa học Trung Quốc, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Trung tâm National de la
recherche scientifique, Đại học Tokyo và Đại học Osaka3.

1.2. Vật liệu nano và công nghệ nano
1.2.1. Vật liệu nano
Vật liệu nano là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân
tử cho các mục đích cơng nghiệp. Một nanomet (nm) là một phần tỷ, hay 10−9 , của một
mét. Để so sánh, độ dài liên kết cacbon-cacbon điển hình, hoặc khoảng cách giữa
các nguyên tử này trong phân tử, nằm trong khoảng 0.12–0.15 nm và một chuỗi xoắn
kép DNA có đường kính khoảng 2 nm4.

Hình 1. Ống nano carbon được tạo ra từ Kỹ thuật tại Nanoscale.
Mặt khác, các dạng sống tế bào nhỏ nhất, vi khuẩn thuộc giống Mycoplasma, có

khoảng 200 chiều dài nm. Theo quy ước, công nghệ nano được coi là phạm vi thang
đo 1 to 100 nm theo định nghĩa được sử dụng bởi Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia
ở Hoa Kỳ. Giới hạn dưới được thiết lập bởi kích thước của các ngun tử (hydro có các
10


nguyên tử nhỏ nhất, với đường kính động học khoảng 1/4 nm) vì cơng nghệ nano phải
chế tạo các thiết bị của nó từ các nguyên tử và phân tử. Giới hạn trên ít nhiều là tùy ý
nhưng là khoảng chặn dưới kích thước mà các hiện tượng khơng quan sát được trong
các cấu trúc lớn hơn bắt đầu trở nên rõ ràng và có thể được sử dụng trong thiết bị
nano. Những hiện tượng mới này làm cho công nghệ nano khác biệt với các thiết bị chỉ
đơn thuần là phiên bản thu nhỏ của một thiết bị vĩ mô tương đương; các thiết bị như vậy
ở quy mô lớn hơn và được mô tả bằng công nghệ vi mơ.
Để cho dễ hình dung, kích thước so sánh của nanomet với một mét cũng giống như
kích thước của một viên bi với kích thước của Trái đất. Hay nói một cách khác: nanomet
là độ dài râu của một người đàn ơng trung bình mọc trong thời gian anh ta đưa dao cạo
lên mặt.
Hai cách tiếp cận chính được sử dụng trong công nghệ nano. Trong phương pháp
tiếp cận "từ dưới lên", các vật liệu và thiết bị được chế tạo từ các thành phần phân tử tự
lắp ráp về mặt hóa học bằng các nguyên tắc nhận biết phân tử. Trong cách tiếp cận "từ
trên xuống", các đối tượng nano được xây dựng từ các thực thể lớn hơn mà khơng có sự
kiểm sốt ở cấp độ ngun tử.
Các lĩnh vực vật lý như điện tử nano, cơ học nano, quang âm
nano và nanoionics đã phát triển trong vài thập kỷ qua để cung cấp nền tảng khoa học
cơ bản của công nghệ nano.
Mô tả phổ biến sớm nhất về công nghệ nano đề cập đến mục tiêu công nghệ cụ thể
là thao tác chính xác các nguyên tử và phân tử để chế tạo các sản phẩm có quy mơ vĩ
mơ, ngày nay cịn được gọi là cơng nghệ nano phân tử. Sau đó, một mơ tả khái quát hơn
về công nghệ nano đã được thiết lập bởi Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia, định
nghĩa công nghệ nano là sự điều khiển vật chất với ít nhất một kích thước có kích thước

từ 1 đến 100 nanomet. Định nghĩa này phản ánh thực tế rằng các hiệu ứng cơ lượng
tử rất quan trọng ở quy mô lĩnh vực lượng tử này, và do đó định nghĩa đã chuyển từ một
mục tiêu công nghệ cụ thể sang một hạng mục nghiên cứu bao gồm tất cả các loại nghiên
cứu và cơng nghệ xử lý các tính chất đặc biệt của vật chất. dưới ngưỡng kích thước đã
cho. Do đó, người ta thường xem dạng số nhiều "cơng nghệ nano" cũng như "cơng nghệ
kích thước nano" để chỉ phạm vi rộng của các nghiên cứu và ứng dụng có đặc điểm
chung là kích thước.
Cơng nghệ nano được xác định theo kích thước là rộng lớn một cách tự nhiên, bao
gồm các lĩnh vực khoa học đa dạng như khoa học bề mặt, hóa học hữu cơ, sinh học phân
tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ năng lượng, kỹ thuật, chế tạo vi mô, và kỹ thuật phân tử. Các

11


nghiên cứu và ứng dụng liên quan cũng đa dạng như nhau, từ mở rộng của vật lý thiết
bị thông thường đến các cách tiếp cận hoàn toàn mới dựa trên quá trình tự lắp ráp phân
tử, từ việc phát triển các vật liệu mới với kích thước trên quy mô nano đến điều khiển
trực tiếp vật chất ở quy mô nguyên tử.
Các nhà khoa học hiện đang tranh luận về những tác động của công nghệ
nano trong tương lai. Cơng nghệ nano có thể tạo ra nhiều vật liệu và thiết bị mới với rất
nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh
học năng lượng và các sản phẩm tiêu dùng. Mặt khác, công nghệ nano đặt ra nhiều vấn
đề tương tự như bất kỳ công nghệ mới nào, bao gồm những lo ngại về tính độc hại và
tác động môi trường của vật liệu nano, và những tác động tiềm tàng của chúng đối với
kinh tế toàn cầu, cũng như suy đoán về các kịch bản ngày tận thế khác nhau. Những lo
ngại này đã dẫn đến một cuộc tranh luận giữa các nhóm vận động và chính phủ về việc
liệu các quy chế về cơng nghệ nano có được đảm bảo hay không.
1.2.2. Công nghệ nano
Công nghệ nano là ngành nghiên cứu, phân tích, chế tạo và ứng dụng của các cấu
trúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mơ nano

mét.
Bảng 1. Các công nghệ kỹ thuật được sử dụng cho đặc tính của NMS

SỰ THAY ĐỔI

CƠNG NGHỆ
Quang phổ Raman & Hồng ngoại (IR),
Raman nâng cao bề mặt quang phổ
(SERS)

Cấu trúc và hình dạng của Bioconjugates
Phân tích nhóm chức năng
Cấu trúc, thành phần, độ tinh khiết

Nuclear magnetic resonance (NMR)

Thay đổi về hình dạng

Quang phổ nhìn thấy được UV, Quang
phổ tia X phân tán electron, Quang phổ
hồng ngoại biến đổi Fourier / phản xạ
toàn phần suy giảm
Quang phổ quang điện tử tia X (XPS)

Tính chất hóa học
Thành phần ngun tố và hóa học ở bề
mặt

Kính hiển vi quang học gần trường
(NSOM)

Kích thước và hình dạng của NMS

12


Kính hiển vi điện tử quét (SEM), Kính
hiển vi quét đường hầm (STM), FESEM:
kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường

Kích thước và phân phối kích thước,
hình dạng, tổng hợp

Kính hiển vi điện tử truyền tải (TEM)

Kích thước và phân phối kích thước,
hình dạng khơng đồng nhất, tổng hợp

Nhiễu xạ tia X, Brunauer-Emmett-Teller
(đặt cược)

Thuộc tính địa hình (bề mặt)

Kính hiển vi điện tử phân tán ánh sáng
động (Quét / truyền) Kính hiển vi lực
nguyên tử Lực nguyên tử Kính hiển vi
ngun tử (AFM)

Kích thước và phân phối kích thước,
hình dạng, cấu trúc, tổng hợp, tính chất

bề mặt

Hình thức scanning khác biệt (DSC)

Trạng thái hóa lý và các tương tác có thể
của thuốc và polymer

Tán xạ ánh sáng động (DLS)

Phân phối kích thước thủy động lực

Điện động học (nghiên cứu đo điện áp
zeta / tuần hồn)

Tính chất điện.

Kính hiển vi, quang phổ tương quan
Double Photon

Tính chất quang học

Tiềm năng Zeta

Sự ổn định đề cập đến phí bề mặt

Khối phổ (MS)

Trọng lượng phân tử, thành phần, cấu
trúc, tính chất bề mặt (ion thứ cấp ms)

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

Nội dung

Khả năng sống trong vitro, trong vivo,
thuộc địa vi sinh vật

Tính chất sinh học

13


Chương 2. Phân loại vật liệu nano
2.1. Phân loại vật liệu nano theo hình dạng
NMS có thể được phân loại thành các nhóm khác nhau dựa trên các tiêu chí như:
chiều kích của chúng, hình thái, trạng thái và thành phần hóa học. Dựa trên kích thước
của chúng và hình dạng tổng thể của các vật liệu này.

Hình 2. Phân loại các vật liệu nano dựa trên các tiêu chí khác nhau.
NMS có thể được chia thành 4 lớp:
• Các vật liệu nano khơng có chiều (0D) tức là, có kích thước dưới 100nm. 0d bao
gồm nms hình cầu, khối, nanorod, đa giác, hình cầu rỗng, kim loại và nms vỏ lõi
cũng như các chấm lượng tử (QDS).
• Các vật liệu nano một chiều (1D) là vật liệu có một chiều không phải ở nano
trong khi hai chiều khác là ở nanoscale. 1D bao gồm kim loại, polymeric, gốm,
nanotube và sợi nanorod hoặc sợi, dây nano và nano.

14

• Các vật liệu nano hai chiều (2D) chỉ chứa một chiều trong nano trong khi hai cái
kia thì khơng. 2D bao gồm một lớp đơn và nhiều lớp, tinh thể hoặc vơ định hình,
màng mỏng, nanoplate và nanoco hóa.
• Vật liệu ba chiều (3D) có nhiều chiều khác nhau ngoài 100nm. NMS 3D kết hợp
nhiều tầng nano theo các hướng khác nhau. Ví dụ giống nhau là bọt, sợi, nanobu
carbon, ống nano, cây trụ, trụ, đa tinh thể, tổ ong và bộ xương lớp

Hình 3. Một số vật liệu nano có các hình dạng và chiều khơng gian.
Bản chất hình thái của NPS bao gồm độ phẳng và tính cầu cũng như tỷ lệ khung
hình. Theo sự đồng đều, NPS có thể được phân loại là isometric, khơng đồng nhất, phân
tán hoặc kết tụ. Sự kết tụ này phụ thuộc vào tính chất điện từ, từ tính và phí bề mặt của
NPS. Hơn nữa, sự kết tụ của NPS trong một chất lỏng phụ thuộc vào hình thái và chức
năng hóa, dẫn đến tính kỵ nước hoặc ưa nước. NPS với các hình thái khác nhau bao gồm
nanorods, nanozigzags, nanohooks, nanostars, nanocubes, nanonices và nanoplate.
NMS, theo tính chất hóa học và điện từ của chúng, có thể tồn tại trong các hình
thức phân tán, lơ lửng và keo hoặc trong trạng thái kết tụ, ví dụ: NPS từ tính có xu hướng
phân cụm ở trạng thái kết tụ trừ khi bề mặt của chúng được chức năng hóa. Dựa trên
thành phần hóa học của chúng, NMS có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau,
chẳng hạn như NPS cấu thành đơn và nanoComposes, dưới đó là các loại khác. NMS
carbonus chủ yếu được hình thành carbon, e.g., fullerenes, cnts và graphenes. NMS kim
loại được chế biến từ các kim loại như bạc, đồng, sắt, alumina, kẽm, titania và silica.

15


Dendrimers phân nhánh tạo thành một loại NMS khác với các cấu trúc giống như nhánh
của kích thước nano. Các nanocomposites là các vật liệu kết hợp NPS vào một ma trận
của các vật liệu tiêu chuẩn để cải thiện các đặc tính như độ bền cơ học, độ dẻo và dẫn
điện hoặc nhiệt. QDS là các hạt bán dẫn nhỏ một vài nanomet có kích thước với các đặc
tính quang học và điện tử khác với các hạt lớn hơn do cơ học lượng tử. Quds hiển thị

các thuộc tính quang học và điện tử độc đáo khi chúng hấp thụ ánh sáng trắng hoặc cực
tím và làm lại nó như một bước sóng cụ thể. Ở đây, các electron băng dẫn, các lỗ dải
hóa trị hoặc exciton được giới hạn trong ba kích thước khơng gian
2.2. Phân loại vật liệu nano theo tính chất
➢ Tính chất điện tử
Các tính chất điện tử của NPS phụ thuộc vào kích thước, diện tích bề mặt, thành
phần hóa học. Ligands hữu cơ Al2O3 có thể kiểm sốt kích thước của các vật liệu được
tạo ra thơng qua q trình tổng hợp. Sự có mặt của các hợp chất hữu cơ như Ligands có
thể cải thiện các đặc tính bề mặt khác nhau của NMS. Các loại monome Ligand khác
nhau cũng có thể có ảnh hưởng đến các đặc điểm cấu trúc của vật liệu được sản xuất.
Sự sửa đổi này cũng cung cấp các đặc điểm điện khác nhau. Như vậy, các đặc tính điện
của các bộ phận nano polymer đã được tăng thêm bằng cách bổ sung các hợp chất vơ cơ
cho các hệ thống polymer. Tính chất điện như độ dẫn điện và hằng số điện mơi, có thể
được cải thiện bằng cách thêm barium titanate (BT) do các cấu trúc nano perovskite và
tính chất áp điện của nó5.
➢ Tính chất quang học
Các tính chất quang của NPS, đặc biệt là vật liệu bán dẫn, rất quan trọng đối với
một số ứng dụng như chất xúc tác và quang điện. Các thuộc tính quang học có thể được
xác định bởi các nguyên lý ánh sáng cơ bản và luật Lambert. Sự hấp thụ gia tăng các
bước sóng trong NPS bán dẫn bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như: phân phối kích thước,
hình dạng, kích thước. Các tính chất quang của Nd-doped NiO đã được nghiên cứu bằng
cách sử dụng quang phổ UV-VIS. Nd-doped NiO NPs có thể chuyển sang giá trị năng
lượng thấp hơn nio thuần túy do sự trao đổi electron trong dải năng lượng và electron
cục bộ của Nd3+. Tính chất quang bị ảnh hưởng bởi thành phần của các cấu trúc nano
như doping ion kim loại và sự thay đổi bề mặt đặc biệt là các hiện tượng phản xạ và
phân tán, bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt của NMS. Độ phản xạ tăng với kích thước
hạt tăng và giảm bằng cách tăng chỉ số khúc xạ. Do đó, kích thước hạt có thể ảnh hưởng
đến các mơ hình hạt phân tán khi tiếp xúc với ánh sáng, dẫn đến độ phản xạ quang phổ
khác nhau.
16

➢ Tính từ tính
NPS từ tính được sử dụng cho các ứng dụng trong các lĩnh vực y tế và mơi trường.
Tính chất từ bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt của NPS với hiệu suất tốt nhất cho thấy
kích thước hạt dưới 35nm. NPS đơn thành phần có giá trị từ tính của một phân tử được
biểu thị trực tiếp bởi số lượng nguyên tử từ tính, trong khi NPS đa thành phần có giá trị
từ tính được xác định bởi số lượng electron cặp đơn độc theo lực đẩy cặp điện tử hóa
trị. Nói chung, sự thay đổi kích thước hạt khá nhỏ và khơng thay đổi các thông số mạng
của kim loại. Tuy nhiên, đối với các kim loại có chứa các oxit kim loại trên bề mặt, các
thơng số mạng của kim loại có thể thay đổi với kích thước hạt thay đổi do khơng phù
hợp giữa các thông số mạng của kim loại và các oxit kim loại, gây ra thêm các ứng suất
liên xuyên đến bề mặt. vì vậy giá trị từ hóa sẽ thay đổi với sự thay đổi kích thước hạt.
Ngồi ra, các đặc tính từ tính bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như thành phần của cấu
trúc nano và các phương pháp tổng hợp.
➢ Tính chất cơ học
NPs có các đặc tính cơ học khác so với vi hạt hoặc vật liệu dạng khối. NMs cung
cấp một bề mặt lớn diện tích và dễ sửa đổi, dẫn đến tăng các tính chất cơ học như độ
cứng, độ bám dính, ứng suất và biến dạng môđun đàn hồi. NPs từ một nhóm các hợp
chất vơ cơ thể hiện tính chất cơ học, trong khi các hợp chất hữu cơ nói chung có đặc tính
cơ học thấp. Do đó, làm tăng cơ tính của các hợp chất hữu cơ là thường được thực hiện
bằng cách bổ sung các hợp chất vô cơ như các tính chất cơ học của acrylic polyurethane
bằng cách bổ sung oxit kim loại SnO2. Sự hiện diện của SnO, trong nền polyme cải
thiện các tính chất cơ học, đặc biệt là độ cứng, khả năng chống va đập và mài mịn, và
độ bám dính. Tuy nhiên việc thêm nhiều oxit kim loại hơn vào nền polyme có thể làm
giảm các đặc tính cơ học vì sự có mặt của oxit kim loại có thể làm giảm tương tác giữa
polyme-polyme, tương tác giữa polyme với kim loại-oxit và có thể các q trình kết tụ.
Vì vậy các đặc tính cơ học phụ thuộc vào kích thước của các NP.
➢ Tính chất về nhiệt
Các tính chất nhiệt của NPs tốt hơn dạng chất lỏng của chúng vì chúng có diện tích

bề mặt lớn và do đó nhiệt chuyển giao xảy ra trực tiếp trên bề mặt của vật liệu. Tính chất
nhiệt của vật liệu tăng dần theo tăng hàm lượng oxit kim loại (SiO2) được thêm vào
polycarbonate. Sự có mặt của oxit kim loại như SiO2 có thể làm tăng tương tác giữa NP
17


và polyme, cùng với các hạn chế trong chuỗi polyme sự hình thành. Việc bổ sung một
sợi nano, với độ dẫn nhiệt nội tại cao, sẽ ảnh hưởng đến các đặc tính nhiệt của NMs.
Nhìn chung, các đặc tính nhiệt của NP phụ thuộc vào diện tích bề mặt lớn, nồng độ khối
lượng, tỷ lệ nguyên tử năng lượng trong NP và phần thể tích NP bị phân tán.
2.3. Phân loại vật liệu nano theo bản chất vật liệu

❖ Vật liệu nano kim loại và vật liệu nano oxit kim loại
➢ Vật liệu nano kim loại
NPS kim loại như vàng, sắt, bạc và các NPS kim loại khác có tính chất hóa học,
quang học và điện tử khác so với vật liệu lớn. Như AU NPS có thể được tổng hợp, giao
động sonelelectro và siêu âm. Kích thước của một số NPS kim loại phụ thuộc vào các
quy trình được thiết kế bằng cách giảm kích thước hạt đến quy mô nanomet, bandgap
của cấu trúc điện tử được thay đổi thành mức điện tử rời rạc với một số lượng lớn các
nguyên tử xuất hiện trên bề mặt và các nguyên tử này trên vật liệu bề mặt sẽ hoạt động
nhiều hơn do khoảng cách tăng giữa tọa độ nguyên tử khơng bão hịa. Diện tích bề mặt
được kích hoạt của NPS kim loại là một thuộc tính quan trọng đối với một số ứng dụng
như xúc tác và quy trình hấp phụ. Nói chung, NPS kim loại có thể hấp thụ ánh sáng
thơng qua q trình chuyển đổi liên băng như Pt, Pd, Ni và chuyển đổi RU và ORYBAND như Al, Ag, Au và Cu. Hoạt động xúc tác của NPS kim loại có thể được cải thiện
bằng ánh xạ ánh sáng .
➢ Vật liệu nano oxit kim loại
Nhiều loại oxit kim loại như TiO2, Fe2O3, Al2O3, ZnO và SiO2, đã được tổng hợp
bởi các phản ứng sol-gel hoặc thủy nhiệt. Do sự thay đổi trong đặc tính bề mặt của nó,
ảnh hưởng đến năng lượng của vật liệu bandgap, một oxit kim loại có một lợi thế đáng
kể trong một số ứng dụng như chất xúc tác, cảm biến hóa học và chất bán dẫn. Một đặc

điểm quan trọng hơn của các vật liệu này là khả năng sinh học của chúng trong việc
cung cấp một diện tích bề mặt.

18


Hình 4. Kim loại nano oxit vật liệu cho các ứng dụng mơi trường.
Bề mặt NPS có thể dễ dàng được thay đổi bằng một số phản ứng như gắn chuỗi
polymer, tác nhân khớp nối hoặc các ion kim loại doping. Hơn nữa, axit béo có thể được
sử dụng để sửa đổi bề mặt của NPS với phương pháp xanh như Al2O3. Sửa đổi bề mặt
NPS này có thể thay đổi các thuộc tính của các vật liệu như việc sửa đổi AL2O3 với
một loại axit béo khác cho thấy các vật liệu kết tủa trong dung dịch nước do tính kỵ
nước của cơng cụ sửa đổi gắn với bề mặt của AL2O3. Một số hợp chất hữu cơ được sử
dụng để sửa đổi bề mặt NPS như epoxies, Amines, Thiols, hợp chất Anion… Chỉ cần
một bề mặt thay đổi sử dụng một nhóm hữu cơ chức năng cũng có thể thay đổi các đặc
tính vật lý và hóa học như các chất phân tích ràng buộc và mật độ cao.

❖ Vật liệu nano bimetallic (Lưỡng kim)
NPS Bimetallic bao gồm hai thành phần kim loại thể hiện các thuộc tính khác nhau
như sự ổn định hóa học và phản ứng, cùng với các đặc tính điện và quang phụ thuộc vào
kích thước. Những tính chất này thường bị ảnh hưởng bởi bố cục, hình dạng và phân
phối kích thước. Bimetallic Pd/Cu-BNPs có thể được điều chế bằng cách ghép đơn giản
của Binaphthyl Moiety là chất ổn định trên bề mặt kim loại Pd và các ứng dụng cho các
phản ứng xúc tác hiệu quả. Phương pháp chuẩn bị ảnh hưởng đáng kể đến việc phân
phối kích thước NPS và khả năng tái chế của chúng là vật liệu xúc tác. Một số vật liệu
lưỡng kim như Al-TiO2-Ag, Ag-Cu, Au / Pd, Au-Pd @ SiO2, Fe-Cu và Ag-Au sự kết

19

hợp của hai kim loại có sự phân tán và ổn định khác nhau của NPS và hoạt động bề mặt
ngồi các đặc tính quang học và từ tính. Dựa trên các tài liệu trước đó, cấu trúc nano của
vật liệu lưỡng kim bị ảnh hưởng mạnh bởi một số yếu tố như: sự linh tinh của hai kim
loại và điều kiện chuẩn bị và NPS Bimetallic có thể được chia thành năm lớp với các
cấu trúc khác nhau.

Hình 5. Các loại cấu trúc khác nhau: (a) Kim loại, (b) Cấu trúc Bimetallic tách biệt,
(c) Cấu trúc bimetallic hỗn hợp, (D) Cấu trúc bimetallic ngẫu nhiên,
(e) Cấu trúc trộn lưỡng kim.

❖ Vật liệu nano tổng hợp
Vật liệu tổng hợp là vật liệu rắn bao gồm một số pha có kích thước dưới 100nm
hoặc các cấu trúc có khoảng cách lặp lại nano giữa các pha. Kích thước vật lý trong
phạm vi kích thước nanomet ln được sử dụng trong q trình hình thành các cấu trúc
tổng hợp. Sự kết hợp của một số vật liệu tạo thành một hỗn hợp có khả năng tạo ra các
tính chất khác nhau như độ bền uốn, thấm nước, tính chất quang học, mặc và giữ bóng.
Chitosan-Tripolyphosphatephate / TiO2 Nanocomposites có thể được chuẩn bị theo thiết
kế be Behnken, sử dụng ít năng lượng và hóa chất cho sự hấp phụ thuốc nhuộm màu
cam phản ứng. Sự kết hợp giữa các vật liệu để tạo ra các nanocomposites cho thấy diện
tích bề mặt của vật liệu tăng từ 0,156 m2 / g đến 2,75 m2 / g. Vật liệu composite cho
phép cải thiện khả năng hấp phụ của vật liệu thông qua một số tương tác như các tương
tác tĩnh điện, các tương tác n-π giữa các electron cặp đơn độc bị xáo trộn vào liên kết
hydro lưỡng cực, lưỡng cực, và liên kết.

20


Hình 6. Cấu trúc vật liệu nano tổng hợp.

❖ Vật liệu nano dựa trên carbon

NMS dựa trên carbon có các thuộc tính đặc biệt và đóng vai trị chính trong một
số trường liên ngành. Carbon là trạng thái rắn nhưng có nhiều hình thức khác nhau như
than chì, carbon vơ định hình và kim cương. Những nms carbon này bao gồm các nguyên
tử carbon SP2 được lai tạo trong các kích thước khác nhau. NMS dựa trên carbon với
kích thước nano hiển thị các tính chất hóa học và vật lý khác nhau như: tính dẫn, tính
chất cơ học, ổn định hóa học và tính chất nhiệt.
Các vật liệu carbon có thể được phân loại như sau:
a)

Fullerene (0D), là một allotoRope của carbon (c) với các nguyên tử 60 C được
sắp xếp trong cấu trúc Buckyball. Các sản phẩm của Fullerene có các đặc tính
độc đáo có thể trung hịa các loài phản ứng như nitơ và oxy

b) CNT (1D), là một vật liệu có cấu trúc rỗng bao gồm các nguyên tử carbon liên
kết trong các cấu trúc hình lục giác. Sự thay đổi hóa học và vật lý của CNT cung
cấp các tính chất khác nhau trong các vật liệu được sử dụng. Cnt có thể được tổng
hợp trực tiếp bằng sự lắng đọng hơi hóa học (CVD) và các bước chuẩn bị cho
phép kiểm sốt tính đồng nhất và kích thước của các cấu trúc dựa trên carbon
c)

Tấm graphene (2D) là các cấu trúc carbon -bonded SP2 tạo thành một mạng lục
giác hoặc tổ ong. Graphene tạo thành một lớp mỏng với một liên kết nguyên tử
carbon cho ba nguyên tử carbon khác. Vật liệu này có một số đặc tính như diện

21


tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, độ ổn định tốt và phản ứng hóa học. Graphene
có thể được cách ly khỏi than chì bằng tính chất cơ học và hóa học
d) Than chì và nano (3d). Graphite bao gồm các nguyên tử carbon SP2 được sắp

xếp theo hình lục giác trong khi Nanodihops có hình dạng giống như hình cầu
nhiều lớp. NanoDiOdImonds có đặc điểm như đặc tính quang học và từ tính.
Những vật liệu này thường được sử dụng cho lớp phủ, chất bán dẫn và mài mịn

Hình 7. Các dạng khác nhau của các cấu trúc nano carbon.

❖ Vật liệu nano của zeolite và silica
NMS Zeolite đã được sử dụng rộng rãi do bề mặt hóa học thuận lợi và cấu trúc
mesopious. Hình thái và kích thước của silica có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như
mẫu, tốc độ thủy phân và điều kiện phản ứng. NPS silica nps, của đường kính lỗ rỗng
2-50nm, có thể được tổng hợp trong cả mơi trường cơ bản và axit hóa bằng cách thay
đổi nồng độ mẫu, giải pháp pH và việc sử dụng các hợp chất kỵ nước. Các vật liệu dựa
22


trên silica được sử dụng rộng rãi nhất là nanoclays, là NPS của silicat nhiều lớp với các
nguyên tử SI, Al(OH)3 hoặc Mg(OH)2. Lớp đất sét thường có một lực lượng van der
Wais yếu, có thể vượt qua chuỗi polymer xen kẽ. Tuy nhiên, hầu hết các polyme khơng
tương thích với cấu trúc nanoclay do sự khác biệt về năng lượng bề mặt. Nanoclay có
thể được sửa đổi bằng một số phức hợp vô cơ. Một phức hợp Pd được hỗ trợ nanoclay
(Hal-Pd), được sử dụng như một chất xúc tác không đồng nhất, được tổng hợp thông
qua phương pháp sửa đổi cơ sở của Schiff cho các phản ứng khớp nối Suzuki-Miyaura.
Vật liệu cho thấy hoạt động xúc tác cao, độ ổn định cao, thời gian phản ứng tối ưu và
cũng có thể dễ dàng phục hồi cho các phản ứng chạy tiếp theo. Hoạt động xúc tác của
Hal-Pd có hiệu quả hơn khi thay thế Aryl Halide ở vị trí Para so với các vị trí meta- và
ortho. Các NMS có trụ sở tại Silica khác cũng có thể được thay đổi với CNTS để có các
tính chất hóa học và vật lý khác.

❖ Vật liệu nano gốm
Nanoceramic là một loại vật liệu NP gồm gốm sứ và được thêm chất rắn chịu nhiệt,

vô cơ và phi kim loại được làm bằng hợp chất phi kim và kim loại có kích thước nhỏ
hơn 100nm. Những vật liệu này có các đặc tính cấu trúc, quang học, siêu dẫn, chất siêu
dẫn, và sắt vì vậy có thể thay đổi các tính chất cấu trúc và vật lý của các nano BiFeO3
doped Ti có thể được thay đổi bằng cách thay đổi nồng độ doping, có thể tạo ra sự biến
dạng cấu trúc của vật liệu và loại bỏ vị trí oxy. Các nanoceramics xốp canxi
hydroxyapatite (ncHAP) được chuẩn bị bởi sự kết tủa hydroxyapatite có độ tinh khiết
cao (HAP) và methylcellulose. Diện tích bề mặt và độ xốp của (ncHAP) phụ thuộc vào
nhiệt độ kết. Các tương tác giữa các bề mặt của nó và vi khuẩn ảnh hưởng đến khả năng
của nó trong hoạt động kháng khuẩn. Việc tổng hợp các nanoceramic trong các điều
kiện dưới áp suất và nhiệt độ thấp tạo ra các nanoceramics Al2O3-ZrO2. Các vật liệu
vơ định hình đã được hình thành ở nhiệt độ thấp với hỗn hợp đồng nhất và kích thước
hạt của NPs

❖ Vật liệu nano polymer
NMS polymer là các hạt rắn được nano hóa và bao gồm các polyme tự nhiên hoặc
tổng hợp. Những vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dược phẩm và
y tế dưới dạng bộ điều khiển giải phóng thuốc được sử dụng để cảm nhận cơ thể6.

23


Hình 8. Hình ảnh SEM của các hạt thu được từ một polyester (PCL) và polymer
polyacrylate (Poly (MMA-AA)).
NMS dựa trên polymer bao gồm các nM sau:
Các mixen polyme được hình thành bởi tự lắp ráp copolyme khối amphiphilic trong một
dung mơi được chỉ định. Các micely polymeric Chitosan có thể được sử dụng để cung
cấp thuốc do các đặc tính riêng của chúng như nano hóa, ổn định, sinh học, micellar và
độc tính thấp
1

NPS polymer gồm các polyme sinh học và phân hủy sinh học với kích thước
trung bình 10-1000nm. Những vật liệu này được sử dụng rộng rãi, các phương
pháp chuẩn bị để sản xuất NPS polymer ảnh hưởng đến các đặc điểm cụ thể của
vật liệu được sản xuất. Thông thường, các phương pháp chuẩn bị được phân loại
là trùng hợp các monome, gel hóa ion của các polymer ưa nước, và sự phân tán
của các polyme.

2

Dendrimers, có kích thước nhỏ hơn 15nm với các đại phân tử hình 3D. Các vật
liệu này là một loại NM polymer mới được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng
dược phẩm và y tế do các đặc điểm như cấu trúc, kích thước và đa tính của chúng.

3

Các vật liệu nano polyme, là sự kết hợp của các nanofillers và polyme khác được
sử dụng để cung cấp các đặc tính và đặc điểm vượt trội.

❖ Vật liệu nano bán dẫn
NMS bán dẫn có năng lượng bandgap thấp dưới 4 eV. Các chất bán dẫn đã biết là
silicon, germanium, gallium arsenide. Các NMS này bao gồm các hợp chất khác nhau
từ các nhóm: II-VI (ZnO), IV (SIO2) và III-V (GAAS). Việc sửa đổi cấu trúc của các
vật liệu này vào nano có thể làm thay đổi các tính chất hóa học và vật lý của vật liệu do
24


hiệu ứng kích thước lượng tử hoặc bằng cách tăng diện tích bề mặt. Chất bán dẫn C/Zno,
với độ xốp cao, cho thấy độ dẫn điện cao của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc nano được
hình thành7.

Hình 9. Quá trình chung màng bán dẫn tinh thể, chuyển và xếp chồng.
NMS bán dẫn có thể được chia thành hai loại:
• Chất bán dẫn nội, bao gồm các hợp chất tinh khiết hoặc các yếu tố khơng có
doping có mặt từ các kim loại khác trong cấu trúc. Đặc điểm chính của chất bán
dẫn nội tại là chúng có hệ số nhiệt độ tiêu cực của điện trở. Điều này có nghĩa là
bằng cách tăng nhiệt độ, điện trở suất của vật liệu sẽ giảm và độ dẫn điện sẽ tăng
lên;
• Chất bán dẫn ngoài, là một loại vật liệu được thêm vào các kim loại khác bằng
cách doping trong cấu trúc của nó, nhằm mục đích tăng độ dẫn điện của chúng
như loại chất bán dẫn loại N và loại P8.

❖ Vật liệu nano dựa trên Lipid
NMS dựa trên lipid như: NPS Lipid rắn (SWNS), Lipid cấu trúc nano (NLCS) và
Liposome, được sử dụng để cung cấp thuốc vì chúng có thể vận chuyển các phân tử kỵ
nước và kỵ nước, có độc tính thấp. SLN có một số tính chất có lợi nhất định như sự ổn

25