tiểu luận vật liệu học: vật liệu nano và nano bạc

VẬT LIỆU HỌC
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN:
VẬT LIỆU HỌC
ĐỀ TÀI:
VẬT LIỆU NANO – NANO BẠC
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Cường
Nhóm thực hiện:
1. Nguyễn Ngọc Thịnh 12033301
2. Nguyễn Ngọc Thịnh 12021701
3. Trần Minh Thuận 12064091
4. Đỗ Phước Tiến 12011111
5. Nguyễn Thị Hồng Thương 12039801
TP. Hồ Chí Minh Tháng 6 Năm 2014
VẬT LIỆU HỌC
Nguyễn Ngọc Thịnh 12033301
LỜI MỞ ĐẦU
Bạc là một trong số những kim loại được con người biết đến và được sử dụng sớm
nhất. Từ lâu bạc đã được con người dùng làm đồ trang trí, trang sức và bạc còn được
dùng làm thuốc chữa bệnh. Cho đến tận ngày nay bạc vẫn là một kim loại quý.
Hạt nano kim loại là một khái niệm dùng 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
đã được sử dụng từ hàng nghìn năm trước. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus
được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước Công nguyên và hiện nay được
trưng bày ở bảo tàng Anh. Nhưng người đặt nền móng đầu tiên về nghiên cứu hạt nano
kim loại là Michael Faraday. Những nghiên cứu của ông đó là phương pháp chế tạo, tính
chất và ứng dụng của hạt nano vàng.
Nhưng chỉ vài chục năm gần đây, nghiên cứu về kim loại quý đặc biệt là vàng, bạc

thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học nhờ những tính chất lí thú về tính chất
điện, quang, xúc tác, hiện tượng cộng hưởng plasmon, khả năng diệt khuẩn .
Với những tính chất đặc biệt, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và điều quan trọng là
hạt nano bạc có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp: dùng những nguyên liệu đơn
giản, phương pháp chế tạo đơn giản. Với những lí do nêu trên mà nhóm chúng em chọn
nano bạc làm đề tài bài tiểu luận của mình.
Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do giới hạn về kiến thức cũng như những sai sót
trong quá trình thực hiện là không thể tránh khỏi. Rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp của Thầy và các bạn để những bài nghiên cứu về sau sẽ đầy đủ và ít sai sót hơn.
VẬT LIỆU HỌC
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ NANO VÀ VẬT LIỆU NANO
Sự ra đời của công nghệ nano và vật liệu nano
Nhà triết học Hy Lạp cổ đại Démocrite có thể được coi là cha đẻ của các công nghệ
NANO. Khoảng 400 năm trước Công nguyên, ông đã lần đầu tiên sử dụng từ nguyên tử
để chỉ hạt vật chất bé nhất. Năm 1661, nhà hóa học người Ireland, Robert Boyle, đã công
bố bài viết mà trong đó phê phán khẳng định của Aristote về việc tất cả mọi thứ trên trái
đất hình thành từ bốn nguyên tố căn bản là nước, đất, lửa và không khí (những yếu tố
triết học căn bản của khoa học giả kim, hóa học và vật lý học thời đó). Boyle cho rằng
mọi thứ đều hình thành từ những phần tử siêu nhỏ, kết hợp với nhau theo những kiểu
khác nhau thì tạo nên những vật khác nhau. Về sau, những ý tưởng của Démocrite và
Boyle đã được giới khoa học công nhận.
Có lẽ bước ngoặt lớn nhất về các công nghệ NANO trong khoa học hiện đại được
thực hiện nhờ nhà sáng chế người Mỹ George Eastmen, người về sau đã lập nên hãng
Canon lừng danh. Chính ông Eastmen năm 1883 đã sáng chế ra phim chụp ảnh. Từ đó tới
nay, những yếu tố cấu thành các công nghệ NANO đã không ngừng được xây dựng thông
qua những sáng chế hay phát minh nhỏ lẻ, tưởng như không liên quan gì tới nhau.
Năm 1905, nhà vật lý Albert Einstein đã công bố công trình trong đó chứng minh
rằng, kích thước của một phân tử đường khoảng 1 nanometer (một phần triệu milimét).
Năm 1931, hai nhà vật lý người Đức Maks Knoll và Ernst Rusk đã chế tạo được kính
hiển vi cho phép nghiên cứu các phần tử siêu nhỏ. Năm 1968, Alfred Cho và John Arthur

thuộc Trung tâm Nghiên cứu của Công ty Mỹ Bell, đã xây dựng nên những cơ sở lý
thuyết của các công nghệ NANO khi xử lý các bề mặt. Năm 1974, nhà vật lý Nhật Bản
Norio Taniguchi đã đưa vào sử dụng thuật ngữ các công nghệ NANO để chỉ những vật
mà kích thước của nó nhỏ hơn một micrômet. NANO là từ mượn của tiếng Hy Lạp, nói
tới sự nhỏ, bé, lùn. Trong đo lường, NANO có nghĩa là một phần tỉ
Năm 1981, hai nhà vật lý người Đức là Herd Binning và Henrich Rorer đã chế tạo
ra kính hiển vi có thể cho phép nhìn thấy những nguyên tử riêng biệt. Năm 1985, ba nhà
khoa học người Mỹ là Robert Curl, Harold Kroto và Richard Smalley đã chế tạo được
công nghệ cho phép đo chính xác những đồ vật mà đường kính của chúng nhỏ hơn một
nanometer.
VẬT LIỆU HỌC
Ngay từ năm 1986, công nghệ NANO đã được công chúng rộng rãi biết đến. Nhà
tương lai học người Mỹ Eric Drexsler, người đã lập ra và lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu
Foresoght Insstitute, đã viết cuốn sách, trong đó dự đoán rằng chẳng bao lâu nữa các
công nghệ NANO sẽ phát triển rất mạnh. Năm 1989, Donald Eigler, một nhân viên của
hãng IBM, đã phủ lên tên của hãng mình làm việc các nguyên tử xenon.
Nhà vật lý Richard P. Feynman năm 1959 đã dự đoán rằng, rất nhiều vấn đề khoa
học sẽ chỉ được giải quyết một khi các nhà bác học tập được cách làm việc ở cấp độ
nguyên tử. Năm 1965, Feynman được trao giải Nobel về những công trình nghiên cứu
trong lĩnh vực điện động lực học lượng tử - hiện nay, đây là một trong những bộ phận của
khoa học NANO. Năm 1993, tại Mỹ đã lập ra giải thưởng Feynman.
Năm 1998, nhà bác học người Hà Lan Seez Deccer đã chế tạo được tranzito trên cơ
sở các công nghệ NANO. Năm 1999, hai nhà vật lý người Mỹ là James Tour và Mark
Reed đã xác định được rằng, một phân tử riêng lẻ cũng có thể phản ứng với bên ngoài
như một chuỗi những phân tử.
Năm 2000, Chính phủ Mỹ đã hỗ trợ chương trình Sáng kiến Quốc gia trong các
công nghệ NANO (NNI). Các công trình nghiên cứu về các công nghệ NANO đã nhận
được tiền trợ cấp từ ngân sách. Số tiền mà ngân sách Liên bang chi ra lúc đó cho NNI là
500 triệu USD. Năm 2001, Mark A. Ratner, tác giả cuốn sách "Các công nghệ NANO:
Dẫn luận vào tư tưởng mới to lớn", cho rằng, các công nghệ NANO đã trở thành một

phần trong đời sống nhân loại từ năm 2001. Chính năm đó đã xảy ra hai sự kiện quan
trọng: tạp chí khoa học rất có uy tín "Science" đã đánh giá các công nghệ NANO là
"Bước đột phá trong năm", còn tạp chí kinh doanh rất có thế lực "Forbes" đánh giá đó là
"một ý tưởng mới nhiều triển vọng". Từ đó các công nghệ NANO được coi như một cuộc
cách mạng công nghiệp mới.
VẬT LIỆU HỌC
1.2. Định nghĩa
1.2.1. Công nghệ nano
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 hình dáng, kích thước trên quy
mô nanomet (nm, 1 nm = 10
−9
m). Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:
- Cơ sở khoa học nano
- Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nanomet
- Chế tạo vật liệu nano
- Ứng dụng vật liệu nano
Nhà khoa học đang làm việc tại một phòng thí nghiệm công nghệ nano
1.2.2. Vật liệu nano
Vật liệu Nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong
cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước
nanomet.
1.3. Phân loại vật liệu nano
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại
nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khác niệm. sau đây là một vài cách phân loại thường
dùng.
1.3.1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu: người ta đặt tên số chiều không gian bị
giới hạn ở kích thước nano
- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano). Ví dụ: đám
nano, hạt nano,…

VẬT LIỆU HỌC
Hạt nano vàng
- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano. Ví
dụ: dây nano, ống nano,…
Ống nano cacbon
- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano. Ví
dụ: màng mỏng,…
VẬT LIỆU HỌC
- Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ
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.
Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số chiều
bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano ba chiều, dây
nano là vật liệu nano hai chiều và màng mỏng là vật liệu nano một chiều. Cách này ít phổ
biến hơn cách ban đầu.
1.3.2. Phân loại theo tính chất vật liệu: thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano
- Vật liệu nano kim loại
- Vật liệu nano bán dẫn
- Vật liệu nano từ tính
- Vật liệu nano sinh học
- Vân vân
Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái
niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới.
1.4. Cơ sở khoa học của Công nghệ nano:
1.4.1. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình
hóa với rất nhiều nguyên tử (1 micrômét có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các
thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất
lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại
nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.

VẬT LIỆU HỌC
1.4.2. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ phần
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi
tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước
nm khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
1.4.3. Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước.
Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người
ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó
có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở
của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vi mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu
ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử
trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn
đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử.
Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ
thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.
VẬT LIỆU HỌC
Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.
Lĩnh vực
Tính chất điện
Tính chất từ
Tính chất quang
Tính siêu dẫn
Tính chất cơ
Xúc tác
Siêu phân tử
Miễn dịch
1.4. Hướng ứng dụng chung:
VẬT LIỆU HỌC

Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những
dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà trước kia chưa có. Chúng có thể được
lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc này là
một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới
và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và
do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ
xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho
những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với nhiều vi
cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng luợng giữa
những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó.
Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng
cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory).
Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật
dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong
chúng. Những phức tạp này cũng mở đường cho sự tiếp cận với những hệ thống không
tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn
bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô
micrômét.
NANO BẠC
Nguyễn Ngọc Thịnh 12021701
Định nghĩa nano bạc
Nano bạc có nghĩa là phân chia nhỏ các phân tử bạc, tạo ra các ion bạc cực tiểu cỡ
Nano để dễ dàng phủ lên các bộ phận chức năng thiết bị điện tử nhằm giúp hạn chế sự
phát triển, phá vỡ sự tấn công của 1 số loại vi khuẩn gây bệnh.
2.2 Điều chế nano bạc
Đỗ Phước Tiến 12011111
2.3 Tính chất
Những tính chất của hạt nano xuất hiện là hệ quả của nguyên lý giam cầm lượng tử
và sự cân xứng cao của bề mặt các nguyên tử, những điều này phụ thuộc trực tiếp vào
kích thước hạt nano. Sự điều chỉnh kích thước của hạt nano có thể dẫn tới những thay đổi

về tính chất của các hạt, đây là nguyên nhân và chủ đề của nhiều nghiên cứu. Không
giống với vật liệu khối có những tính chất vật lý không thay đổi theo khối lượng hạt nano
cho thấy khả năng thay đổi những tính chất như điện, từ và quang học theo kích thước
VẬT LIỆU HỌC
hạt. Sự xuất hiện những hiệu ứng này là bởi những mức năng lượng không giống nhau
của các hạt nhỏ trong vật liệu khối, nhưng riêng rẽ, bởi hiệu ứng giam cầm điện tử.
Vì thế, tính chất vật lý của hạt nano được xác định bởi kích thước của các hạt.
Vật liệu nano có những tính chất kỳ lạ khác hẳn với tính chất vật liệu khối đã
nghiên cứu trước. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối được bắt
nguồn từ hai hiện tượng sau đây:
2.31. Hiệu ứng bề mặt:
Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số
nguyên tử (gọi là tỉ số f )của vật liệu gia tăng. 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. Hiệu ứng bề mặt luôn 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 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. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ
dàng.
VẬT LIỆU HỌC
2.32. 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 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. 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 không 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 đó.
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 dòng 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 dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong
VẬT LIỆU HỌC
đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng đó 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 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).
Hình 1.1: Sự mở rộng khe dải và mức năng lượng của các
nguyên tử với sự gia tăng kích thước
Mức năng lượng Fermi (E
F
) là mức năng lượng đầy cao nhất của hệ thống trong
trạng thái đáy. Khe dải (E
g
) của hệ thống này là khe năng lượng giữa trạng thái năng
lượng cao nhất và thấp nhất. Trong hệ thống này, từ những nguyên tử cho tới vật liệu
khối, sự dàn trải năng lượng được quyết định bởi mức độ choàng lên nhau giữa các quỹ
đạo (orbital) điện tử. Điều này có thể kết hợp ở trong phân tử để hình thành orbital phân
tử, và xa hơn để mở rộng cấu trúc dải, như trong kim loại hay bán dẫn. Giá trị của Eg
tương ứng với E
F

được tách bởi số electron tự do trong cấu trúc dải mở rộng. Với vật liệu
khối, số electron tự do trong cấu trúc dải bằng số nguyên tử trong khối vật liệu. Điều này
dẫn đến Eg rất nhỏ, và vì thế chỉ quan sát được tại nhiệt độ thấp. Dưới nhiệt độ này, các
VẬT LIỆU HỌC
electron tự do của kim loại có thể dễ dàng nhảy lên một trạng thái năng lượng cao hơn, và
có thể tự do di chuyển trong cấu trúc. Trong vật liệu bán dẫn, số electron tự do ít hơn
đáng kể so với số nguyên tử. Điều này dẫn tới Eg cao hơn tại nhiệt độ thường. Như thế có
nghĩa trong bán dẫn các electron sẽ không di chuyển tự do và dẫn điện nếu không có
nguồn năng lượng kích thích.
Mức năng lượng điện tử trung bình (khe Kubo) được tính:
Trong đó:
- δ là khe Kubo
- E
F
là mức năng lượng Fermi của vật liệu khối
- n là tổng số electron hóa trị trong hạt.
Ví dụ: hạt nano Ag với đường kính 3nm và khoảng 1000 nguyên tử (tương ứng với
1000 electron hóa trị) sẽ có giá trị δ khoảng 5 ÷ 10meV. Nếu năng lượng nhiệt, kT thấp hơn
khe Kubo thì hạt nano sẽ giống với kim loại tự nhiên, nhưng nếu kT hạ xuống dưới
khe Kubo nó sẽ trở thành phi kim loại. Tại nhiệt độ thường kT có giá trị khoảng 26
meV, vì thế hạt nano Ag cở 3nm sẽ biểu hiện tính chất của một kim loại. Tuy nhiên, nếu
kích cỡ của hạt nano được giảm đi, hay nhiệt độ thấp hơn thì hạt nano sẽ thể hiện tính
chất phi kim loại.
Sử dụng học thuyết này, và mức năng lượng Fermi của kim loại Ag là 5,5 eV, khi đó hạt
nano Ag sẽ mất tính chất kim loại khi có dưới 280 nguyên tử tại nhiệt độ phòng. Vì khe
Kubo trong hạt nano nên có những tính chất như dẫn điện, nhạy từ (magnetic
VẬT LIỆU HỌC
susceptibility) thể hiện qua hiệu ứng kích thước lượng tử. Những hiệu ứng này dẫn tới
khả năng ứng dụng của hạt nano trong các lĩnh vực như xúc tác, quang học hay y học.
2.3.3. Tính chất quang:

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 điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông 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 không còn nữa
mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích.
Do vậy, tính chất quang của hạt nano có được do sự dao động tập thể của các
điện tử dẫn đến từ quá 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
nhưng 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 loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến
ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.
2.3.4. Tính chất điện:
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
VẬT LIỆU HỌC
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 thông 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 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 không còn 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, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano
với điện cực.
2.3.5. Tính chất nhiệt:
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
2.3.6. Tính chất xúc tác:
VẬT LIỆU HỌC
Do hạt nano có số lượng nguyên tử hoạt động trên bề mặt lớn hơn so với kim loại
khối nên hạt nano được sử dụng trong xúc tác sẽ tốt so với những chất rắn theo học thuyết
thông thường.
Hạt nano có cấu trúc rất chặt chẽ về kích thước nguyên tử mà lượng lớn khác
thường của các nguyên tử có trên bề mặt. Có thể đánh giá sự tập trung này bởi công thức:
Ps = 4 N
(-1/3)
× 100
Trong đó: Ps: tỉ số của số nguyên tử trên bề mặt
N: tổng số nguyên tử trong hạt vật liệu.
Một hạt nano với 13 nguyên tử ở cấu hình lớp vỏ ngoài thì có tới 12 nguyên tử trên
bề mặt và chỉ một ở phía trong. Hạt nano Ag 3nm có chứa khoảng 1000 nguyên tử thì có
khoảng 40% tổng số nguyên tử trên bề mặt. Hạt có đường kính 150nm chứa khoảng 10
7
nguyên tử thì chỉ có khoảng 1% nguyên tử trên bề mặt.
VẬT LIỆU HỌC
Từ hiệu ứng bề mặt này, có sự thay đổi khả năng phản ứng của hạt nano từ hiệu

ứng giam cầm lượng tử. Từ sự thay đổi này trong cấu trúc điện tử có thể làm tăng hoạt
tính xúc tác một cách đặc biệt trong hạt nano mà khác rất nhiều so với hiệu ứng ở vật liệu
khối.
Phổ quang học chỉ ra rằng cấu trúc điện tử của đám kim loại nhỏ hơn khoảng 5nm
so với vật liệu khối. Một lượng nhỏ các nguyên tử kéo theo kết quả của sự thành lập các
dải electron với phạm vi của các electron hóa trị lớn hơn, và trong vùng nhỏ hơn của dải
hóa trị. Sự biến đổi năng lượng và cấu trúc điện tử được phát ra bởi độ cong bề mặt của
hạt nano kim loại làm tăng độ co bóp của hàng rào so với vật liệu khối. Thật vậy, hằng số
hàng rào nhỏ hơn là nguyên nhân làm thay đổi trung tâm của dải d tới những năng lượng
cao hơn, làm tăng khả năng phản ứng của bề mặt chất bị hút bám.
Có sự gia tăng một số cạnh và góc trong hàng rào kim loại và điều này có thể làm
cho phản ứng khác so với bề mặt phẳng của kim loại. Sự gia tăng phản ứng tại những vị
trí sắp xếp hụt của các hạt có thể rất lớn, nó quyết định một mức độ rất lớn hoạt tính xúc
tác của vật liệu, mặc dù sự tập trung này là rất thấp.
Những hạt nano của một dãy lớn của sự chuyển tiếp giữa kim loại và oxit kim loại
đã được tìm thấy những hoạt tính xúc tác phụ thuộc kích thước các hạt, điều này đang
được nghiên cứu mạnh mẽ. Hình dạng, sự ổn định và sắp xếp của các hạt đã được chứng
minh là có ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác và vì thế cũng là đề tài của nhiều nghiên cứu
hiện nay. Trong các ứng dụng cụ thể của hạt nano, hoạt tính xúc tác cần đến một chất nền
phù hợp để ổn định, bảo vệ, ngăn ngừa sự kết tụ và có thể thu hồi lại. Hiện nay có nhiều
sự quan tâm trong việc tìm kiếm các phương pháp có hiệu quả để chế tạo vật liệu xúc tác
có hạt nano với các chất nền như các oxit vô cơ, nhôm, silica và titan, hay các polyme.
2.3.7. Chấm lượng tử:
Hầu hết các hiệu ứng điện tử quan trọng trong hạt nano bán dẫn là độ rộng của khe hở giữa
trạng thái điện tử cao nhất (đỉnh vùng hóa trị) và trạng thái thấp nhất (đáy vùng dẫn). Sự
hoạt động này theo sự giam cầm lượng tử do các hạt có đường kính nhỏ, mà ảnh hưởng trực
VẬT LIỆU HỌC
tiếp tới tính chất quang học của các hạt bán dẫn so với vật liệu khối. Năng lượng tối thiểu
cần để gây ra một cặp hố điện tử (electron - hole pair) trong hạt nano bán dẫn được quyết
định bởi khe dải (Band gap Eg). Ánh sáng với năng lượng thấp hơn Eg không thể bị hấp

thu bởi hạt nano, sự hấp thu ánh sáng cũng phụ thuộc vào kích thước hạt. Khi kích thước
hạt giảm phổ hấp thụ đối với những hạt nhỏ hơn được dịch chuyển về bước sóng ngắn.
2.3.8. Plasmons:
Các hạt nano kim loại có thể có phổ hấp thụ với đỉnh hấp thụ giống với của các hạt
nano bán dẫn. Tuy nhiên, sự hấp thụ này không bắt nguồn từ sự chuyển tiếp các trạng thái
năng lượng điện tử, thay vào đó hạt ở nano kim loại là phương thức tập hợp của các di
chuyển đám mây điện tử bị kích thích. Dưới tác động của điện trường, có sự kích thích
plasmon các electron tại bề mặt các hạt. Sự cộng hưởng này xảy ra tại tần số của ánh sáng
tới và kết quả là sự hấp thụ quang học. Hiện tượng này gọi là bề mặt plasmon (surfae
plasmon), hay hấp thụ cộng hưởng plasma (plasma resonance absorption), hay vùng bề
mặt plasmon (localized surface plasmons).
Khi kích thước hạt giảm, các electron tự do bắt đầu tương tác với ranh giới của các
hạt. Khi các hạt nano kim loại bị tác động bởi ánh sáng, điện trường của ánh sáng tới gây
ra sự dao động mạnh của các điện tử tự do (các electron dẫn) (hình 1.3). Đối với các hạt
nano có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng của ánh sáng, sự hấp thụ xảy ra
trong phạm vi bước sóng hẹp, dải plasmon.
Độ rộng, vị trí, và cường độ của sự tương tác plasmon biểu lộ bởi hạt nano phụ
thuộc:
- Hằng số điện môi của kim loại và vật liệu nền.
- Kích thước và hình dạng hạt.
- Sự tương tác giữa các hạt và chất nền.
VẬT LIỆU HỌC
- Sự phân bố của các hạt trong chất nền.
Do ảnh hưởng của các tác yếu tố trên nên một số tính chất mong muốn của vật liệu
có thể được điều khiển. Các kim loại khác nhau sẽ có sự tương tác tương ứng vì thế mầu
sắc sẽ khác nhau. Sự triệt tiêu của ánh sáng bởi hạt nano kim loại xảy ra theo cả cơ chế
phân tán và hấp thụ nhưng cơ chế hấp thụ xảy ra rõ hơn nhiều với hạt có kích thước nhỏ
hơn 20nm. Các hạt nano thường được biết đến với sự tạo hỗn hợp với thủy tinh hay cao
su, thể hiện ra như màu đỏ của Au hay vàng của Ag.
Ngày nay hầu hết việc nghiên cứu và sử dụng đều tập trung vào nano Au và nano

Ag, bởi chúng thể hiện rõ ràng nhất hiệu ứng plasmon, và cả hai cùng có phổ hấp thụ
trong vùng nhìn thấy. Tăng kích thước hạt, hay tăng hằng số điện môi của dung dịch,
nguyên nhân của dịch chuyển đỏ (red shift) của sự hấp thụ plasmon.
Vị trí của đỉnh hấp thụ trong chấm lượng tử được dịch chuyển khá rõ khi chỉ thay
đổi một thông số đường kính ở phạm vi nano. Đối với hạt nano kim loại sự dịch chuyển vị
trí của các đỉnh là rất nhỏ với các hạt kích thước bé (<25nm trường hợp Au). Đối với hạt
VẬT LIỆU HỌC
lớn hơn (>25nm trường hợp Au) sự dịch chuyển đỏ của vị trí cộng hưởng plasmon là
đáng kể hơn.
Hình 1.4: thể hiện sự ảnh hưởng đường kính của hạt nano Au tới vị trí đỉnh hấp thụ công
hưởng plasmon. Nếu các hạt có hình dạng méo mó, khi đó dải plasmon tách ra theo các
cách khác nhau tương ứng với cách thức dao động của sự dao động các electron.
Chẳng hạn, với các hạt nano hình que (nanorod - shaped), dải plasmon phân tách thành
hai dải tương ứng sự dao động của các electron tự do theo chiều dọc (longitudinal) và
ngang (transverse). Sự cộng hưởng theo chiều dọc giống với các hạt hình cầu, theo cách
thức dịch chuyển đỏ.
Hình 1.4: Sự thay đổi phổ UV - Vis của các hạt có kích thước khác nhau
VẬT LIỆU HỌC
Các hạt nano kim loại được dùng cho các ứng dụng thuộc quang học và lượng tử,
chúng thường được cho vào trong vật liệu nền thích hợp như polyme hay thủy tinh. Sự kết
hợp hạt nano kim loại vào các chất nền quang học cho phép xây dựng các thiết bị để sử
VẬT LIỆU HỌC
dụng các tính chất thuận lợi của chúng. Vật liệu nền không chỉ giúp hình thành cấu trúc
của sản phẩm mà còn có vai trò bảo vệ và ngăn ngừa sự kết tụ lại của các hạt.
2.4. Cơ chế diệt khuẩn
2.4.1. Cơ chế diệt khuẩn của ion bạc
Ảnh minh họa cơ chế diệt khuẩn của nano bạc
Tác dụng diệt khuẩn của ion bạc được thể hiện ở chỗ ion bạc có khả năng biến đổi
cấu trúc tế bào. Các ion bạc sẽ kết hợp và tác dụng với nhóm sulfate của enzym có trong
màng tế bào và làm biến đổi hình thái của màng dẫn đến việc cố định enzym từ đó gây

tổn thương cho màng tế bào của vi khuẩn giúp ion bạc xâm nhập vào trong cơ thể của vi
khuẩn dễ hơn. Bên trong cơ thể của vi khuẩn các hạt ion bạc sẽ tiếp tục tác dụng với các
bộ phận khác của tế bào bằng việc tác dụng với nhóm sulfate và các vị trí hoạt động của
enzym. Chính sự tương tác đó là nguyên nhân để khử hoạt tính của enzyme dẫn đến giết
dần vi khuẩn.
Ngoài ra, ion bạc còn có khả năng tác động đến nhóm phophorus của phân tử trong
tế bào. Ion bạc tác dụng với AND làm cho vi khuẩn không thể tái tạo mARN để sao chép
tạo các protein mới. Biến đổi đó sẽ làm cho vi khuẩn phát triển chậm và cuối cùng sẽ bị
tiêu diệt.
VẬT LIỆU HỌC
2.4.2. Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc
Các hạt nano bạc có kích thước từ 1 - 10nm thì thể hiện tác động rất mạnh đối với vi
khuẩn. Do ở kích thước nhỏ thì khả năng tác động và thâm nhập của hạt nano bạc qua lớp
màng của vi khuẩn là rất tốt. Vì thế, tác dụng diệt khuẩn ở bên trong cơ thể vi khuẩn là rất
hiệu quả. Đồng thời, ở kích thước nano thì diện tích bề mặt của hạt nano là lớn hơn rất
nhiều so với khối hạt của nó. Cho nên khả năng tương tác với vi khuẩn thông qua việc tiếp
xúc bề mặt tăng lên. Nếu kích thước của hạt nano bạc càng nhỏ thì càng tốt. Bởi vì, kích
thước càng nhỏ thì đặc tính diệt khuẩn đã nêu trên là rất lớn.
Khi các hạt nano kim loại ở kích thước 5nm chúng sẽ có khả năng gây nên các
hiệu ứng điện tử tức là sự biến đổi cấu trong trúc điện tử của bề mặt. Do đó, khả năng
hoạt động của bề mặt hạt nano phân tử được tăng cường mạnh mẽ. Kích thước hạt nano
giảm thì phần trăm tiếp xúc của các phân tử tương tác tăng lên.
Các hạt nano bạc thường có dạng hình khối, số lượng các mặt hình khối cho thấy
khả năng tác dụng với vi khuẩn ở mức độ cao hay thấp. Số lượng mặt càng nhiều thì khả
năng diệt khuẩn càng cao. Đồng thời, trong quá trình sử dụng hạt nano bạc thường ở trong
dung dịch phân tán. Nơi mà một lượng nhỏ ion bạc đã được che dấu và đóng góp một
phần cho khả năng diệt khuẩn của phân tử nano bạc.
Chưa có một nghiên cứu nào chứng minh có sự vận chuyển của hạt nano bạc qua
màng protein. Tuy nhiên, đã có những dẫn chứng cho thấy các hạt nano bạc đã đi vào bên
trong tế bào và điều này cho thấy chúng đã tương tác với màng protein. Mặc dù, người ta

vẫn chưa tìm ra luận điểm xác thực đầy đủ và hợp lý để giải thích hiện tượng này. Tuy
nhiên, từ những kết quả thực nghiệm của hàng loạt các công trình nghiên cứu đã cho thấy
được hiệu quả diệt khuẩn của các hạt nano bạc là phụ thuộc rất nhiều vào kích thước.
Trần Minh Thuận 12064091
2.5. Ứng dụng nano bạc
VẬT LIỆU HỌC
Hạt nano bạc đang được sử dụng trong rất nhiều công nghệ và tích hợp vào một
mảng rộng các sản phẩm tiêu dùng có thể tận dụng tính chất chuẩn đoán, quang học, dẫn
điện và kháng khuẩn theo mong muốn của con người
2.5.1. Ứng dụng Kháng Khuẩn:
− Những năm gần đây, công nghệ nano ra đời không những tạo nên bước nhảy đột
phá trong ngành điện tử, tin học, y sinh học mà còn được ứng dụng rộng rãi trong
đời sống, gạc chữa bỏng được phủ nano bạc, nước rửa rau sống, chất diệt khuẩn
khử mùi trong máy lạnh.
− Qua nghiên cứu thấy rằng, do sự tăng lên của nguyên tử bề mặt nên so với bạc
khối, tác dụng sát khuẩn của các hạt bạc siêu nhỏ có kích thước nano được nhân
lên gấp bội, 1 gam nano bạc có thể sát khuẩn cho hàng trăm mét vuông chất nền.
Bằng cách nào mà chúng lại có thể diệt được vi khuẩn, virus? Tất cả các vi sinh
vật đều sử dụng enzym để hấp thu, chuyển hóa ôxy và các ion bạc đã phá hủy
enzym khiến cho chúng bị "ngạt thở".
1.1. Ứng dụng nano bạc trong xử lý ao nuôi tôm