VẬT LIỆU SIÊU DẪN-CÔNG NGHỆ NANO, chương 5 pdf

Chương 5: CÔNG NGHỆ NANO
A.KHÁI NỆM
“ Là ngành 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 h
ình dáng, kích thước trên
quy mô nanomét
.
B.VẬT LIỆU NANO
Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cỡ nanômét.
Đây là đối tượng nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ
nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Tính chất của vật liệu
nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào cỡ nanômét, đạt tới
kích thước tới hạn của nhiều tính chất
hóa lý của vật liệu thông
thường. Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu.
Kích thước vật liệu nano trải một khoảng từ v
ài nm đến vài trăm
nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu.
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước
nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba
tr
ạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên
cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và
khí. V
ề hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
 Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước
nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám
nano, hạt nano
 Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích

thước nano, điện tử được tự do tr
ên một chiều (hai chiều cầm
tù), ví dụ, 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,
 Ngoài ra còn 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.
Vật liệu nano gồm 2 loại chính là : nanolay và ống nano carbon
1.NANOCLAY
Nanoclay (còn gọi là nano khoáng sét) được cấu tạo từ các lớp
mỏng, mỗi lớp có chiều dày từ một đến vài nanomét, còn chiều dài
t
ừ vài trăm đến vài nghìn nanomet. Loại nanoclay đầu tiên được
tìm thấy trên thế giới là montmorillonit (ở Montmorillon, Pháp,
năm 1874).
Montmorillonit (vi
ết tắt là MMT) thuộc nhóm smectit, cùng với
các loại khoáng khác như cao lanh, palygorskit, sepiolit, là
nh
ững loại khoáng quan trọng trong công nghiệp. Khoáng Smectite
thường được gọi bằng cái t
ên bentonit, đây là tên một loại đá chứa
chủ yếu loại khoáng này.
Smectite là h
ọ các khoáng trong đó bao gồm 2 loại quan trọng
nhất:
 Natri montmorillonit

 Canxi montmorillonit
Cấu trúc
Cấu trúc lý tưởng của nanoclay montmorillonit
Năm
1933, U. Hoffman, K. Endell và D. Wilm công bố cấu trúc
tinh thể lý tưởng của montmorillonit. Cấu trúc này bao gồm 2 tấm
tứ diện chứa silic và 1 tấm bát diện chứa nhôm hoặc magiê diện bị
kẹp giữa 2 tấm tứ diện. Các tấm này có chung các nguyên tử oxy ở
đỉnh. Độ d
ày của mỗi lớp clay khoảng 9,6Å. Khoảng cách giữa hai
lớp clay bằng tổng độ dài của chiều dày một lớp nanoclay với
khoảng cách giữa hai lớp nanoclay được gọi là khoảng cách cơ bản
(gọi tắt là khoảng cách d). Độ dày tinh thể từ 300Å đến vài μm
hoặc lớn hơn, tuỳ thuộc loại silicat.
Công thức chung của MMT có dạng Mx(Al4 –
xMgx)Si8O20(OH)4.
Trong đó M là cation đơn hoá trị, x là mức
độ thế x = 0,5 ÷ 1,3.
Mặc dù trong cấu trúc của chúng đều có các cấu trúc tứ diện và bát
di
ện sắp xếp thành từng lớp nhưng tuỳ thuộc vào cấu trúc và thành
ph
ần mà các khoáng này có tính chất vật lý và hoá học khác nhau.
Sự sắp xếp và thành phần của cấu trúc tứ diện hay bát diện quyết
định đến tính chất của clay. Kích thước, h
ình dạng, phân bố hạt
cũng là những tính chất vật lý quan trọng, các ứng dụng cụ thể đều
phải căn cứ vào những tính chất này. Ngoài ra, những đặc tính
quan trọng khác như hoá học bề mặt, diện tích và điện tích bề mặt
cũng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.[1] Do khả năng thay thế

đồng h
ình của Si4+ cho Al3+ ở tấm tứ diện và của Al3+ cho Mg2+
hoặc Fe2+ ở tấm bát diện nên giữa các lớp nanoclay có điện tích
âm. Các điện tích âm này được trung h
òa bởi các cation kim loại
kiềm hoặc kiềm thổ như Ca2+ và Na+ ở giữa các lớp clay. Ngoài
ra, do nanoclay có tính ưa nước cao, giữa các lớp nanoclay thường
có các nguyên tử nước. Các lớp nanoclay được liên kết với nhau
bằng lực Van der Waals. Các lớp clay có điện tích không giống
nhau nên trong tính toán phải lấy giá trị điện tích trung bình của
toàn bộ tinh thể.[11]
Một số thông số vật lý của nanoclay
 Khối lượng phân tử (g/mol) 540,46
 Tỷ trọng trung bình (g/cm3) 2,35
 Hệ tinh thể Monoclinic
 Độ cứng Mohs ở 200C 1,5 – 2,0
 Màu sắc trắng, vàng
 Đặc tính Tinh thể trương lên nhiều lần khi hấp thụ nước
Một số tài liệu công bố thành phần hoá học của nanoclay có: Al =
9,98%, Si = 20,78%, H = 4,10% and O = 65,12%.
Ngoài Montmorillonite thì hectorit và saponit cũng là những loại
vật liệu silicat dạng lớp thông dụng và chúng đều có cấu trúc giống
như trên. Bảng 2 dưới đây cho biết công thức hoá học v
à một số
đặc trưng của chúng. [2, 7]
Công thức hoá học và một số đặc trưng của 3 loại silicat dạng lớp
thông dụng
Loại chất Công thức hoá học CEC (meq/100g) Chiều dài hạt (nm)
Montmorillonite Mx(Al4-xMgx)Si8O20(OH)4 110 100÷150
Hectorit Mx(Mg6-xLix)Si8O20(OH)4 120 200÷300

Saponit MxMg6(Si8-xAlx)Si8O20(OH)4 86,6 50÷60
Ghi chú:
M: cation hoá tr
ị I
x: mức độ thế đồng hình (tù 0,5÷1,3)
CEC: kh
ả năng trao đổi cation.
Biến tính nanoclay
Nanoclay là chất vô cơ, có tính ưa nước. Trong khi nền polyme để
chế tạo vật liệu nanocompozit là các chất hữu cơ và thường có tính
kỵ nước. Do vậy, nanoclay rất khó trộn hợp với polyme. Để tăng
sự tương hợp giữa nanoclay và polyme thì người ta phải biến tính
nanoclay. Có một số phương pháp (kỹ thuật) dùng để biến tính
nanoclay, trong đó thông dụng nhất là phương pháp trao đổi ion.
Dưới đây là một số loại nanoclay thương mại hiện có bán trên
thị trường
Nanomer®I.30E Nanocor, Inc. (Mỹ) - - -
Nanomer®I.28E Trimetyl stearyl amoni 1,7
Cloisite®Na+ Southern Clay Products, Inc. (Mỹ) Chưa biến tính
<2% 2,86
Cloisite®30B Metyl tallow bis-2-hydroxyetyl amoni <2% 1,98
Cloisite®20A Dimetyl dihydrogenat tallow amoni <2% 1,77
Tixogel®MP250 Süd-
Chemie (Đức) Muối amin bậc 4 <3% 1,66
Tixogel®MP100 <2,5% 1,43 (
“ />”)