CÔNG NGHỆ HỢP CHẤT NANO HỮU CƠ - PHẦN 1 doc

Phần1: Giớithiệuvậtliệucấu trúc nano
TS. Lê Thị Hồng Nhan
CÔNG NGHỆ HỢP CHẤT
NANO HỮU CƠ
Giớithiệu
` Vật liệu nano ( nano materials ) => một trong những lĩnh
vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian
gần đây.
` Công nghệ nano: trở thành mộtvấn đề hếtsứcthờisự
và đượcsự quan tâm nhiềuhơncủa các nhà khoa học.
` Các nướctrênthế giớihiện nay đang bướcvàomột
cuộcchạy đua mớivề phát triểnvàứng dụng công nghệ
nano.
Giớithiệu
` 1959: Richard Feynman (nhà vậtlýhọcngườiMỹ ) đưaý
tưởng cơ bảnvề công nghệ nano: khoa học đã đivào
chiềusâucủacấutrúcvậtchất đếntừng phân tử,
nguyên tử vào sâu hơnnữa.
` 1974: Nario Taniguchi (Nhật) Đưarathuậtngữ “công
nghệ nano” sử dụng để đề cậpkhả năng chế tạocấutrúc
vi hình củamạch vi điệntử.
` 1980: K.Eric Drexler (Mỹ) sử dụng thuậtngữ “công nghệ
nano”
Giớithiệu
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học
nano và công nghệ nano.
Giớithiệu
` Khoa học nano: nghiên cứu về các hiện tượng và sự
can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô
nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó,
tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng

tại các quy mô lớn hơn.
` Công nghệ nano: 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 trên quy mô nano
mét.
Định nghĩa
` Chữ nano, gốcHyLạp, đượcgắnvàotrướccácđơnvị
đo để tạorađơnvịướcgiảm đi1 tỷ lần(10
-9
).
Ví dụ : nanogam = 1 phầntỷ của gam ; nanomet = 1 phần
tỷ mét.
` Vậtliệu nano: có thểđược định nghĩamột cách khái quát
là loạivậtliệu mà trong cấutrúccủa các thành phầncấu
tạo nên nó ít nhấtphảicómộtchiều ở kích thước
nanomet.
Định nghĩa
` Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính
phủ Mỹ định nghĩa: công nghệ nano là “bất cứ thứ gì liên
quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”.
` Vậtliệu nano: kích thước 1-100 nm
1 μm= 10
–6
m; 1 nm = 10 A
o
= 10
–9
m
Trong vậtliệu oxide: ion oxy có đường kính d = 1.4 A
o

7 ion oxy => d= 1nm
700 ion oxy => d = 100 nm => giới hạn của vật liệu nano
Định nghĩa
` Kích thướccơ bảnmộtsố vậtthể
Dạng
` Vậtliệu ở thang đo nano: lá nano, sợivàống nano, hạt
nano được điềuchế bằng nhiều cách khác nhau.
` Định nghĩavề công nghệ Nano do vậy bao hàm hàng
loạt các lĩnh vực khoa học khác nhau từ các lĩnh vực in
ấn, vật liệu tới các lĩnh vực cơ khí, tự động, công nghệ
sinh học và dược phẩm….
Tính chất
` Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích
thước của vậtliệu
` Kích thước vậtliệu nano đủ nhỏđểso sánh vớikích
thướctới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu.
` Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của
nguyên tử và tính chất khối của vật liệu.
Tính chất
Với kích thước nhỏ, vật liệu nano có những tính chất khác
biệt sau:
` Diện tích bề mặt tăng
` Dễ phân phân tán hạt hạt trong chất lỏng hơn
` Độ tan tăng
` Dễ hấp thụ qua tế bào, da và ruột.
` Tính chất quang học và vật lý khác so với vật liệu có kích
thước lớn hơn
Diện tích bề mặt
` Đốivớihìnhcầu đường kính d, diện tích bề mặttrên1
đơnvị diện tích:

` % diện tích bề mặt trên 1 phân tử:
33
3
32
(4 /3) [ ( ) ]
%_ 100
(4 /3)
100 3 3
dd
Su rface m olecu les
d
ddd
πσ
π
σσσ
−−
=
⎡⎤
⎛⎞ ⎛⎞ ⎛⎞
=−+
⎢⎥
⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠ ⎝⎠
⎢⎥
⎣⎦
Diện tích bề mặt
Kích thướchạt
(nm)
Phầntrămdiện tích bề mặt
(%)

1 100
10 27.1
100 2.97
1,000 0.3
10,000 0.03
Diện tích bề mặt
Sự gia tăng đáng kể diện tích bề mặt khi giảmkích
thướchạt
Sự bám dính
` Hạt nano: thể hiệnkhả năng bám dính mạnh
` Sự gia tăng diện tích bề mặt=> gia tăng sự tiếp xúc => gia
tăng bám dính do lực hút van der Waals
VD: Lamprecht khảosátsự bám dính củahạt polystyrene lên
màng nhầyruộtgiàbị viêm
Kích thướcTỷ lệ lượng hấp thu/bám dính
10 μm5.2%
1000-nm 9.1%
100nm 14.5%
Nhiệt độ nóng chảy
` Nhiệt độ vậtliệu ở kích thước nano giảm đáng kể so
vớivậtliệudạng khối
` Nhiệt độ nóng chảycủavậtliệukíchthướclớn
không phụ thuộc vào kích thước. Tuy nhiên, khi
giảmkíchthướcxuống scale phân tử, nhiệt độ nóng
chảygiảmmạm
` Sự giảm nhiệt độ nóng chảy thay đổitừ vài chục đến
vài tram đốivới kim loại
Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù
` Kích thướclớn scale micro=> dễ kếttụ và sa lắng do
trọng lực

` Kích thướcnhỏở scale nano => dễ lơ lửng trong
chấtlỏng vì trọng lựcrấtnhỏ trong hạt nano
` Chuyện động nhiệt (Brownian) là nguyên nhân của
sự dễ lơ lửng
Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù
` Vậntốclắng tính theo định luậtStoke
G: gia tốctrọng trường(9.8 m/s), ρ
l
Khốilượng riêng chấtlỏng (997 kg/m
3
củanước ở
25
o
C), μ
l
độ nhớt (0.00089 Pa/s củanước ở 25
o
C).
Độ dịch chuyển Brown tính theo thuyết Einstein
2
B
kTt
x
d
π
μ
=
k
B
là hằng số Boltzman (1.38 x 10

-23
J/K), và T là nhiệt độ
Kelvin.
Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù
Kích thướchạt
(nm)
Tốc độ lắng
(nm/s)
Chuyện động Brown
(nm/s)
1 0.00043 54,250
10 0.043 17,155
100 4.30 5,425
1,000 430 1,716
10,000 43,005 543
Sự dịch chuyểncủahạtrắn thay đổivớikíchthước
khác nhau trong nước ở 25
o
C
Hạtkíchthước <1000 nm=> chuyển động Brown lớnhơn
tốc độ lắng => lơ lửng
Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù
` Hỗnhợphạt nano: huyền phù bền theo thờigian
` Hỗnhợphạt micro: huyền phù dễ sa lắng => phải
lắc và không dùng làm dịch truyền, tiêm
` Khi tác dụng bởilytâm, hỗnhợphạt huyền phù vẫn
sa lắng
Độ tan
` Phương trình của Ostwald – Freundlich mô tả cho
hạtcầu

Ảnh hưởng của bán kính hạt(r), thể tích phân tử (υ),
tỷ trọng (ρ), sứccăng bề mặt(γ) đến độ tan (S), tại
nhiệt độ T.
S
0
là độ tan củabảnmỏng, phẳng chấtrắn(r → ∞).
M là trọng lượng phân tử củachấtrắn
R = hằng số khí lý tưởng
22
ln
o
SM
SrRT rRT
υ
γγ
ρ
==
Độ tan
` illustrates the calculated effect of particle radius on S/S
0
for a hypothetical particle with
a molecular weight of 708, an interfacial surface tension of 50, 75, or 100 dyn.cm
−1
,
and a density of 1 g/ml. S/S
0
tightly scales with the proportion of surface molecules of
nanoparticles
Nồng độ bão hòa
` Độ tan bão hòa gia tăng khi kích thướcgiảmxuống

scale nano
` So với scale micro, hỗnhợphạt nano nhưở trạng
thái siêu bão hòa
Nồng độ bão hòa
` Trạng thái siêu bão hòa: nồng độ quá cao và khởi
đầu cho quá trình kết tinh, đưahệ về micro scale và
đưahệ về cân bằng nhiệt động trạng thái bão hòa
VD: itraconazole vô định hình có độ tan ở trạng thái
siêu bão hòa cao gấp 60 lần độ tan ở trạng thái kết
tinh (Cha et al. 2002).
` Hạtthuốc nano lý tưởng nên ở dạng vô định hình
chứ không nên kếttinh
` Lưuý: phải đủ thờigianchohấp thu qua đường
uống và thờigiantrưng bày (shelf-life) củasản
phẩm
Tốc độ hòa tan
` Sự gia tăng tốc độ hòa tan khi hạt ở scale nano
` Định luật Noyes–Whitney mô tả tốc độ hòa tan dc/dt
(Noyes and Whitney, 1897)
D: hệ số khuếch tán; A: diện tích bề mặt; c
s
: độ tan
bão hòa; c
x
: nồng độ khối; h: “khoảng cách khuếch
tán” trong đó gradient nồng độ diễnra
.
()
s
x

dc D A
cc
dt h
=−