Hãy trình bày những hiểu biết của bạn về vật liệu nano và các tính chất vật lý, hóa học và bề mặt đặc biệt của chúng? Hãy nêu sự khác biệt về tính chất của một nano tinh thể silic có kích thước 3 chiều đều bằng 2 nm và vật liệu Si khối?
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (609.8 KB, 18 trang )
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
----------
BÀI CHUYÊN ĐỀ
Chuyên đề: Hãy trình bày những hiểu biết của bạn
về vật liệu nano và các tính chất vật lý, hóa học và
bề mặt đặc biệt của chúng? Hãy nêu sự khác biệt về
tính chất của một nano tinh thể silic có kích thước 3
chiều đều bằng 2 nm và vật liệu Si khối?
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
HVTH: Phạm Xuân Ái
Lớp : Cao học Vật lý chất rắn K19
Quy Nhơn, tháng 1 năm 2017
Trang 0
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
PHẦN I: VẬT LIỆU NANO
I. Khái niệm vật liệu nano:
Chữ “nano” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “chú lùn”, “cịi cọc”,
“bé xíu”. Khi ta nói đến nano là nói đến một phần một tỷ của cái gì đó, ví dụ như
một giây nano là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano
mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần một tỷ của một mét. Nói
cách khác rõ hơn là vật liệu rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà
chúng ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Trong kĩ thuật, một nano mét bằng
10-9 m, một đơn vị đo lường để đo kích thước những vật cực nhỏ.
Vật liệu nano có giới hạn kích thước trong khoảng 1-100 nm.
Ngày nay người ta nghiên cứu công nghệ nano trên hai khía canh: khoa học
nano và cơng nghệ nano.
Theo viện hàn lâm hồng gia Anh quốc thì: Khoa học nano là ngành khoa
học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu có kích thước ngun
tử, phân tử. Khoa học nano nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực như: vật lý, hoá, y học,
sinh học và một vài ngành khoa học liên quan . Tại các kích thước đó, tính chất của
vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các kích thước lớn hơn.
Cơng nghệ nano là một việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng
dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích
thước nano mét.
II. Phân loại vật liệu nano:
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, sau đây là một vài cách phân loại
thường dùng:
1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu
Người ta chia vật liệu nano theo số chiều không gian bị giới hạn ở kích thước
nano:
Trang 1
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
Vật liệu nano không chiều: là vật liêu mà cả ba chiều đều có kích thước
nano, khơng cịn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano. Các đám
nano được hình thành từ những hạt nano, đám nano do các hạt nano liên kết lại với
nhau tạo thành (hình 1.1). Liên kết này khơng làm thay đổi các chiều của vật liệu
nano, cả ba chiều của chúng đều là kích thước nano khơng có chiều nào cho điện tử
tự do.
Hình 1.1. Đám nano, hạt nao
Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,
điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống
nano.Trong các dây nano ln có một chiều điện tử tự do và chiều điện tử tự do này
được hai chiều có kích thước nano bao quanh. Các dây nano liên kết với nhau tại
nhiều vị trí khác nhau tạo thành các ống nano (hình 1.2). Các liên kết này khơng
làm thay đổi chiều của vật liệu.
Hình1.2.
Dây nano, ống nano
Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano,
hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng. Ngược lại với vật liệu nano một chiều, vật liệu
nano hai chiều chỉ có một chiều là kích thước nano và bị hai chiều điện tử tự do bao
Trang 2
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
quanh. Vật liệu nano hai chiều có dạng các màng, tấm có mặt phẳng rộng
(hình 1.3).
Hình 1.3. Màng mỏng nano
Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
2. Phân loại theo tính chất vật liệu
- Vật liệu nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano
được tạo thành từ các kim loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt
nano vàng, nano bạc ,…
- Vật liệu nano bán dẫn là một vật liệu tổng hợp từ các sợi nano mảnh cỡ vài
chục nanomet. Các sợi nano này được làm từ những vật liệu khác nhau, mà
thông dụng nhất là indiumarsenid and indiumphosphid.
- Vật liệu nano từ tính là loại vật liệu có kích thước nano mà dưới tác dụng của
từ trường ngồi có thể bị từ hố, tức là có những tính chất từ đặc biệt.
- Vật liệu nano hữu cơ là các hợp chất hữu cơ có kích thước nano được ứng
dụng trong các mục đích sinh học. Ví dụ hạt nano hữu cơ tiêu diệt khối u, hạt
nano này được tạo ra từ hai phân tử tự nhiên là chlorophyl và lipid. Cấu trúc
của hạt nano này giống một quả bóng nước nhỏ xíu và nhiều màu sắc, nên có
thể chứa thuốc đầy thuốc bên trong để đưa tới khối u (Jorathan Levell,
Princess Margcret).
Trang 3
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
III. Tính chất của vật liệu nano
Ngày nay vật liệu nano đang được quan tâm rất nhiều vì nó khơng thể thiếu
trong công nghệ hiện đại, là thành phần của nhiều máy móc và thiết bị điện và nó
đang đi sâu vào đời sống hiện đại và đang dần chiếm một ý nghĩa rất lớn đối với
đời sống con người nhờ vào các tính chất rất đặc biệt của chúng mà các vật liệu
khối trước đó khơng có được.
1. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước càng 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 số này sẽ là n s = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và
tổng số nguyên tử sẽ là f = n s/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên
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 cịn gọi là hiệu
ứng bề mặt tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nano mét 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. Khác với hiệu ứng kích thước mà ta sẽ đề cập đến sau 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 khơng có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền
thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ, thường bị bỏ qua.
Hiệu ứng bề mặt đóng một vai trị quan trọng đối với q trình hố học, đặc biệt
trong các vật liệu xúc tác. Sự tiếp xúc giữa bề mặt các hạt và môi trường xung
quanh tạo điều kiện cho hiệu ứng xúc tác hiệu quả. Sự bao bọc lớp vỏ của hạt bằng
Trang 4
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
các chất hoạt động bề mặt, sự khơng hồn hảo tại bề mặt của các hạt đều có thể tác
động đến tính chất vật lý và hố học của vật liệu.
2. Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm
cho vật liệu này trở nên khác hơn nhiều so với các vật liệu khối. Đối với một vật
liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc
trưng cho rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nano. 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 lí 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 nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu này.
Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác so
với vật liệu khối nhưng khi 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 chúng 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 đo
Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi
giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng này
Trang 5
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
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).
Độ dài tới hạn ứng với một số tính chất của vật liệu được trình bày ở bảng 1.
Bảng 1: Độ dài tới hạn ứng với một số tính chất của vật liệu.
Lĩnh vực
Tính chất
Độ dài tới hạn (nm)
Tính chất điện
Bước sóng điện tử
10-100
Qng đường tự do trung
bình khơng đàn hồi
1-100
Hiệu ứng đường ngầm
1-10
Độ dày vách domain
10-100
Quãng đường tán xạ spin
1-100
Hố lượng tử
1-100
Độ dài suy giảm
10-100
Độ sâu bề mặt kim loại
10-100
Tính chất từ
Tính chất quang
Tính siêu dẫn
Tính chất cơ
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
Xúc tác
Hình học topo bề mặt
1-10
Siêu phân tử
Độ dài Kuhn
1-100
Cấu trúc nhị cấp
1-10
Cấu trúc tam cấp
10-1000
Nhận biết phân tử
1-10
Miễn dịch
Chúng ta hãy xét và phân tích một số tính chất trong bảng 1.
Tính chất quang học
Trang 6
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
Như trên đã nói, tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy
tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La
Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng
cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt
nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do
này sẽ dao động dưới tác dụng của từ trường bên ngồi như ánh sáng. Thơng
thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính
các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử
nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự
do trung bình thì hiện tượng dập tắt khơng cịn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng
hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano được có được
do sự dao động chung của các điện tử dẫn đến từ q trình tương tác với bức xạ
sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm
cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một
tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các yếu tố về hình dáng, độ lớn
của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài
ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ lỗng thì có
thể coi như gần đúng với hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng
của q trình tương tác giữa các hạt.
Tính chất điệnt điệnn
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 khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên
cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của
điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút
mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới
tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thơng qua định luật Ohm: U = IR,
trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một
Trang 7
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
đường tuyến tính. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam
hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa
này đối với hạt nano là I-U khơng cịn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng
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, Cvà R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực.
Tính chất điệnt 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 khơng tồn
diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trang
thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken thì khi kích thước nhỏ sẽ
phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở
trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và khơng có từ tính khi từ
trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hồn tồn bằng khơng.
Tính chất điệnt nhiệnt
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, kích thước 6 nm có Tm = 950°C.
PHẦN II: VẬT LIỆU SILIC
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Trang 8
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
Silic (tên Latinh: silex, silicis có nghĩa là đá lửa) lần đầu tiên được nhận ra
bởi Antoine Lavoisier năm 1787, và sau đó đã bị Humphry Davy vào năm 1800
cho là hợp chất. Năm 1811 Gay Lussac và Thénard có lẽ đã điều chế ra silic vơ
định hình khơng ngun chất khi nung nóng kali với tetraflorua silic SiF4.
Năm 1824 Berzelius điều chế silic vơ định hình sử dụng phương pháp giống như
của Lussac. Berzelius cũng đã làm tinh khiết sản phẩm bằng cách rửa nó nhiều lần.
Silic là tên một ngun tố hóa học trong bảng tuần hồn ngun tố có ký hiệu
Si và số nguyên tử bằng 14. Nó là ngun tố phổ biến sau ơxy trong vỏ Trái Đất
(25,7 %), cứng, có màu xám sẫm – ánh xanh kim loại, là á kim có hóa trị +4.
Silic là thành phần cơ bản của các loại aerolit là một loại của các thiên thạch
và của các tektit là dạng tự nhiên của thủy tinh. Theo khối lượng, silic chiếm
29,5% vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ hai sau ơxy. Nó là thành phần chủ
Trang 9
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
yếu
của
một
số
loại
thủy
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
tinh
và
chất
chính
trong
bê
tơng
Vì silic là ngun tố quan trọng trong các thiết bị bán dẫn và công nghệ cao,
nên khu vực công nghệ cao ở California được đặt tên là Silicon Valley (thung
lũng Silicon), tức đặt tên theo ngun tố này.
Điơxít silic là một hợp chất hóa học cịn có tên gọi khác là silica (từ tiếng Latin
silex), là một ơxít của silic có cơng thức hóa học là SiO2 và nó có độ cứng cao
được biết đến từ thời cổ đại.
1. CÁC TÍNH CHẤT CỦA SILIC
1.1. Tính chất vật lý
Trang 10
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
Silic đioxit tinh thể nóng chảy ở 1713°C, sơi ở 2230°C, không tan trong nước.
Trong tự nhiên, silic đioxit tinh thể chủ yếu tồn tại ở dưới dạng khoáng vật thạch
anh, là tinh thể lớn, không màu, trong suốt.
Cát là silic đioxit có nhiều tạp chất. Khi nóng chảy, SiO2 chuyển thành chất lỏng
không màu, làm lạnh chất lỏng này ta thu được khối SiO2 vơ định hình trong suốt
tương tự thủy tinh.
1.2. Tính chất hóa học
Silic hoạt động hóa học kém hơn cacbon là nguyên tố tương tự nó về mặt hóa
học. Nó có trong đất sét, fenspat, granit, thạch anh và cát, chủ yếu trong dạng
điơxít silic (hay silica) và các silicat (Các hợp chất chứa silic, ôxy và kim loại
trong dạng R-SiO3).
Trong các loại axit, SiO2 chỉ tác dụng được với axit HF, người ta lợi dụng
tính chất này để khắc chữ hay tạo hình lên thủy tinh
SiO2+ 4HF → SiF4 + 2H2O
SiO2 tan trong kiềm hoặc trong muối cacbonat của kim loại kiềm nóng chảy
tạo thành silicat:
SiO2+ 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
SiO2+ Na2CO3→ Na2SiO3 +
CO2
Na2SiO3 trông bề ngoài giống thủy tinh và tan được trong nước nên được gọi là
thủy tinh lỏng.
Khi nung SiO2 với than cốc theo tỉ lệ xác định trong lò điện ở khoảng 20002500°C ta thu được silica cacbua SiC. SiC có cấu trúc tinh thể giống kim cương,
rất cứng và bền, chịu được nhiệt độ cao. Nó được dùng làm chất mài, vật liệu chịu
lửa, chất bán dẫn trong chế tạo composit và trong luyện kim.
2. CÁC DẠNG THÙ HÌNH CỦA SILIC.
Trong dạng tinh thể, silic có màu xám sẫm ánh kim. Mặc dù là một nguyên tố
tương đối trơ, silic vẫn có phản ứng với các halogen và các chất kiềm lỗng,
nhưng phần lớn axít (trừ tổ hợp axít nitric và axit flohiđric) khơng tác dụng với
nó. Silic ngun tố truyền khoảng hơn 95% các bước sóng hồng ngoại. Tinh thể
Trang 11
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
silic ngun chất hiếm tìm thấy trong tự nhiên, thơng thường nó nằm trong
dạng silic dioxit (SiO2). Các tinh thể silic nguyên chất tìm thấy trong tạp chất
của vàng hay dung nham núi lửa. Nó có hệ số kháng nhiệt âm.
Silic thường xuất hiện trong các ơxít và silicat. Cát, amêtít, mã não (agate),
thạch anh, đá tinh
thể, đá
của
dạng ơxít. Granit, amiăng, fenspat, đất sét, hoócblen, mica là
silic
dưới
lửa, jatpe,
và opan là
những
dạng
tự
nhiên
những dạng khống chất silicat.
Phân tử SiO2 khơng tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết lại với nhau thành phân
tử rất lớn. Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vơ định hình. Trong tự
nhiên silica tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, triđimit,
cristobalit, cancedoan, đá mã não), đa số silica tổng hợp nhân tạo đều được tạo
ra ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc vơ định hình (silica colloidal). Một
số dạng silica có cấu trúc tinh thể có thể được tạo ra ở áp suất và nhiệt độ cao
như coesit và stishovit.
Trang 12
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
3. ĐIỀU CHẾ SILICA
Silica có thể được tổng hợp (điều chế) ở nhiều dạng khác nhau như silica gel,
silica khói (fumed silica), aerogel, xerogel, silica keo (colloidal silica)... Ngoài
ra, silica được sản xuất bởi phương pháp hơi lỏng-rắn ở nhiệt độ thấp bằng với
nhiệt độ phòng.
II. ỨNG DỤNG CHUNG CỦA SILIC VÀ NANO SILIC
Silic là ngun tố rất có ích, là cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành cơng
nghiệp. Điơxít silic trong dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong
chế tạo bê tông và gạch cũng như trong sản xuất xi măng Portland. Silic là
nguyên tố rất quan trọng cho thực vật và động vật. Silica dạng nhị nguyên tử
phân lập từ nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệ tế bào.
Nano silica là tài liệu vô cùng quan trọng mới công nghệ cao siêu mịn vô cơ,
bởi vì kích thước của nó nhỏ hạt, diện tích bề mặt, hấp phụ mạnh mẽ, năng lượng
bề mặt, độ tinh khiết hóa học cao, tính chất phân tán tốt, khả năng chịu nhiệt,
kháng với hiệu suất cụ thể và các khía cạnh khác của tính ổn định cao, gia cố,
dày và thixotropic, trong nhiều ngành và lĩnh vực tính năng độc đáo, có một vai
trị khơng thể thay thế. Nano silica hay "silica siêu mịn", được sử dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp khác nhau như một chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ,
hóa dầu, chất tẩy trắng, đại lý thảm, cao su tăng cường đại lý, phụ nhựa, mực in
chất làm đặc, kim loại mềm chất đánh bóng, chất độn cách nhiệt cách nhiệt, mỹ
phẩm cao cấp đóng gói các lĩnh vực khác nhau và phun vật liệu, y học, bảo vệ môi
trường và như vậy.
Các ứng dụng khác có:
+ Gốm/men sứ - Là vật liệu chịu lửa sử dụng trong sản xuất các vật liệu chịu
lửa và các silicat của nó được sử dụng trong sản xuất men sứ và đồ gốm, ximang
Porland.
+ Thép - Silic là thành phần quan trọng trong một số loại thép.
Trang 13
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
+ Đồng thau - Phần lớn đồng thau được sản xuất có chứa hợp kim của đồng với
silic.
+ Thủy tinh - Silica từ cát là thành phần cơ bản của thủy tinh. Thủy tinh có thể
sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với những thuộc tính lý học khác nhau.
Silica được sử dụng như vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai
lọ), và sứ cách điện cũng như nhiều đồ vật có ích khác.
+ Giấy nhám - Cacbua silic là một trong những vật liệu mài mòn quan trọng nhất.
+ Vật liệu y tế - Silicon là hợp chất dẻo chứa các liên kết silic-ôxy và siliccacbon; chúng được sử dụng trong các ứng dụng như nâng ngực nhân tạo và
lăng kính tiếp giáp (kính úp trịng). Trong lĩnh vực chất diệt khuẩn: Nanosilica
sinh lý trơ, hấp phụ cao, như một tàu sân bay được sử dụng trong việc chuẩn bị
thuốc diệt nấm, như một tàu sân bay khi nano-SiO2 có thể được hấp phụ ion
kháng khuẩn kháng khuẩn đạt được mục đích khử trùng, có thể được sử dụng để
báo cáo nhà ở tủ lạnh, bàn phím máy tính.
+ Xây dựng - Silica là thành phần quan trọng nhất trong gạch vì tính hoạt hóa
thấp của nó. Nano silica trong lĩnh vực sơn: Nano silica với cấu trúc mạng ba
chiều, có diện tích bề mặt lớn cụ thể, cho thấy hoạt động rất tốt, có thể hình
thành một cấu trúc mạng trong khơ sơn, khơng những tăng độ bền của sơn và lớp
ngồi cùng, mà cịn cải thiện sắc tố đình chỉ, có thể duy trì màu sơn lâu dài khơng
phai. Trong sơn ngoại thất ngơi nhà, nếu oxit nano silicon, có thể cải thiện đáng
kể kết quả thùng sơn, sơn không phải là thứ bậc, thixotropic, chống chảy xệ,
hiệu suất cơ sở tốt phong cách, đặc biệt là hiệu suất chống ô nhiễm cải thiện rất
nhiều với khả năng tự làm sạch tuyệt vời và độ bám dính. Nano-SiO2 cũng được
trang bị một sắc tố hữu cơ thu được sơn đổi màu, M. P. J. Peeters và tổng hợp
sol-gel khác của nano silic có chứa một lớp phủ nhiệt độ SP30 H. đầy đủ và
minh bạch Schmidt và tổng hợp khác lớp phủ rất dày có chứa nano-SiO2 và nhiệt
Trang 14
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
độ cao, khơng có vết nứt ở 500 ℃, Fayna Mamme ri và tổng hợp MMA P-SiO2
lớp phủ nano khác. Đáng kể tăng cường tính đàn hồi và sức mạnh của lớp phủ.
+ Trong lĩnh vực chất kết dính và chất bịt kín: Chất bịt kín và chất kết dính lớn, sử
dụng một loạt các sản phẩm quan trọng. Thị trường thực phẩm sản phẩm độ
nhớt, bộ phận di động, vận tốc cũ…, có yêu cầu nghiêm ngặt. Chất bịt kín cao
cấp và chất kết dính phụ thuộc vào nhập khẩu. Theo sự giới thiệu của các sản
phẩm nước ngoài trong lĩnh vực này đã được sử dụng như một chất phụ gia vật
liệu nano, và nano silica là vật liệu ưa thích. Cơ chế hoạt động của nó được phủ
lớp nano- SiO2 các chất hữu cơ, do đó nó có tính chất kỵ nước, thêm nó vào keo
có thể nhanh chóng tạo thành một cấu trúc mạng, ức chế dịng chảy của tốc độ
đồng hóa keo để tăng tốc và nâng cao hiệu quả liên kết, trong khi bởi vì các hạt
nhỏ, nhưng cũng làm tăng con dấu cao su.
+ Trong lĩnh vực dệt may: Với sự phát triển của khoa học và công nghệ và đời
sống con người được cải thiện, người làm quần áo thoải mái, mới lạ, đảm bảo
sức khỏe, một loạt các chức năng hàng dệt may xuất hiện. Trong trường hợp này,
nano silica SP30 đã đóng một vai trị rất lớn, nó đã được áp dụng cho các tia cực
tím, hồng ngoại, khử mùi kháng khuẩn, chống lão hóa và như vậy. Ví dụ, nano
silica và nano titanium dioxide T25F SP30F tỷ lệ thích hợp được làm bằng bột
tổng hợp sợi kháng tia UV quan trọng, và nếu, Teijin sẽ nano-silica và nano
ZnOJS03 sợi hóa học người trộn , sợi hóa học thu được có chức năng khử mùi và
làm sạch khơng khí, xơ này có thể được sử dụng để băng khử mùi bệnh viện,
băng, và giấc ngủ nông nghiệp khác.
+ Trong lĩnh vực xúc tác: Khu vực nano silica bề mặt, độ xốp, độ bề mặt trung
tâm hoạt động và nhiều hơn nữa, với các ứng dụng tiềm năng về chất xúc tác và
chất xúc tác hỗ trợ. Nano silic là nguyên liệu cơ bản, khai thác mỏ và cơng nghệ
sol-gel, có thể được chuẩn bị có chứa oxide hỗn hợp oxit nano silicon. Phản ứng
của hoạt tính xúc tác cao và chọn lọc, các hoạt động xúc tác phản ứng có thể
Trang 15
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
được duy trì trong một thời gian dài, Quan Zhang, vv để ZrO / SiO2 hãng chất
xúc tác cho tình trạng mất nước xúc tác của isopropanol, kết quả cho thấy: sản
phẩm phụ phản ứng ít, hiệu quả xúc tác cao trong điều kiện tối ưu, chọn lọc lên
đến 100%. Gần đây, SiO2 thông thường (20 ~ 100um) được sử dụng như một
chất xúc tác hỗ trợ sản xuất công nghiệp hơn, nhưng nano silica trong lĩnh vực
này để đạt được sản xuất hàng loạt các đặc tính q thì cần tích cực thực hiện các
nghiên cứu hơn nữa trong lĩnh vực này.
+ Trong lĩnh vực nông nghiệp và thực phẩm: Wanjing phát triển một SP30 nano
silica trong một số lĩnh vực ứng dụng mới . Như trong nông nghiệp, việc áp dụng
sản xuất nano silica với lượng lớn xử lý hạt giống nông nghiệp, như rau (bắp cải,
cà chua, dưa chuột), bơng, ngơ, lúa mì, tăng sản lượng, trưởng thành sớm. Một ví
dụ khác có thể được áp dụng cho thuốc diệt cỏ nano-SiO2và thuốc trừ sâu, nếu
trong công thức thuốc trừ sâu dạng hạt, thêm một lượng nhỏ nano silic có hiệu
quả sẽ kiểm sốt và ngăn chặn các chất độc hại sản xuất.
+ Trong ngành công nghiệp thực phẩm, oxit silic nanomet có nhiều ứng dụng
khác. Nano- SiO2 như túi bao bì thực phẩm, trái cây, rau tươi có thể đóng một
vai trị, ứng dụng của nano silica SP30 trong sản xuất rượu vang có thể làm sạch
và kéo dài thời hạn sử dụng, phòng ngừa và điều trị các loại trái cây và rau quả
của các bệnh khác nhau thuốc diệt nấm hiệu quả.
+ Trong lĩnh vực phụ gia dầu bơi trơn: Hạt nano silic có chứa một số lượng lớn
các nhóm hydroxyl bề mặt có thể được hình thành trong các tấm ma sát bộ phim
chắc chắn hấp phụ hóa học, do đó bảo vệ các bề mặt ma sát kim loại, ma sát cải
thiện đáng kể đặc tính bơi trơn.
Trang 16
Chuyên đề Vật lý vật liệu nano
GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy
LỜI CẢM ƠN.
Tiểu luận của em được hoàn thành nhờ sự hướng dẫn giảng dạy của
Thầy PGS – TS Phạm Thành Huy và sự tìm tịi các tài liệu liên quan đến bộ
mơn. Trong q trình nghiên cứu về tiểu luận, chắc chắn em cịn gặp nhiều thiếu
sót. Kính mong Thầy hướng dẫn để tiểu luận của em được hoàn thiện hơn. Cuối
cùng, em kính chúc Thầy sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong công việc.
Trân trọng cảm ơn.
Trang 17
