Anot hóa chế tạo ống nano TiO2 bằng phương pháp Anot hóa và phân tích các đặc trưng cấu trúc, hình thái bề mặt vật liệu

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 1

MỞ ĐẦU
Sự phát triển như vũ bão của khoa học vật liệu, đặc biệt là các lĩnh vực liên quan
đến ngành công nghệ cao, năng lượng, xử lý môi trường, đòi hỏi các nhà khoa học,
nghiên cứu không ngừng tìm tòi và phát triển các loại vật liệu mới, nhỏ gọn về kích
thước nhưng hiệu quả cao về tính năng, kinh tế, bền vững môi trường. Vật liệu nano
(nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu thu hút sự quan tâm của
nhiều nhà khoa học trong thời gian gần đây, bởi nó có khả năng giải quyết được hầu
hết các vấn đề trên. Trong các vật liệu nano được nghiên cứu hiện nay, nổi bật nhất
chính là vật liệu nano TiO
2
. Vật liệu này có nhiều ưu điểm: không độc hại, ổn định cấu
trúc, thân thiện môi trường, tương thích sinh học, độ bền cơ tính cao, đặc tính ưu việt.
Chính vì vậy, vật liệu nano TiO
2
đã và đang được nghiên cứu một cách sâu rộng, ứng
dụng đa dạng trên nhiều lĩnh vực: chất màu, sơn, mỹ phẩm, xử lý môi trường, năng
lượng sạch, y sinh, công nghệ điện tử bán dẫn.
Có thể nói vật liệu nano TiO
2
mang nhiều tính năng, ưu điểm vượt trội, có tính
ứng dụng cao, có khả năng giải quyết được các vấn đề cấp thiết hiện nay như: y tế,
năng lượng, môi trường. Ở dạng cấu trúc ống nano TiO
2
, diện tích bề mặt riêng lớn,
ống hở một đầu, vì vậy ta có thể khảo sát các hiệu ứng bề mặt liên quan khả năng hấp
phụ, đặc tính điện thẩm, khả năng vận chuyển điện tử và tích trữ năng lượng. Nghiên
cứu các đặc tính riêng biệt của vật liệu ống nano TiO

2
mở ra những ứng dụng đầy hứa
hẹn trong tương lai.
Một trong những đặc tính thú vị của vật liệu ống nano TiO
2
, cần được quan tâm
nghiên cứu hơn nữa đó chính là đặc tính điện thẩm (electrowetting). Hiện nay trên thế
giới, đặc tính điện thẩm đã được nghiên cứu trên nhiều loại vật liệu như SiO
2
, ZnO và
được đưa vào ứng dụng trong các thiết bị: màn hình tinh thể lỏng (LCD), thấu kính
giọt lỏng, chip vi lỏng. Các thiết bị này cho thấy các tính năng mới ưu việt, nhỏ gọn,
hiệu năng cao, hiệu quả kinh tế. Vì vậy việc nghiên cứu và phát triển một loại vật liệu
mới, có đặc tính điện thẩm như vật liệu ống nano TiO
2
, rất cần được quan tâm, nghiên
cứu và phát triển.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 2

Ở nước ta, việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano TiO
2
cũng khá phổ biến, các
dạng cấu trúc nano được nghiên cứu chủ yếu dạng hạt, màng, được ứng dụng trong
sơn, chất xử lý môi trường, vật liệu tự làm sạch. Tuy nhiên, nghiên cứu và chế tạo vật
liệu ống nano TiO
2
còn khá mới mẻ. Xuất phát từ những đặc tính đặc biệt của vật liệu
nano TiO

2
nói chung và ứng dụng điện thẩm của điện cực ống nano TiO
2
nói riêng, do
đó đề tài tốt nghiệp em chọn lựa là:
“Anot hóa chế tạo ống Titan dioxit có cấu trúc nano và nghiên cứu đặc tính
điện thẩm”
Mục tiêu của đề tài này gồm:
 Tổng hợp ống nano TiO
2
bằng phương pháp anot hóa và phân tích các đặc
trưng cấu trúc, hình thái bề mặt vật liệu.
 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của điều kiện điện phân: điện thế, nồng độ dung dịch
điện phân lên kích thước ống.
 Nghiên cứu đặc tính điện thẩm của vật liệu ống nano TiO
2
, ứng dụng trong thiết
bị vi lỏng (microfluidic device).

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. VẬT LIỆU NANO
1.1.1. Khái niệm
Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu thu hút sự
quan tâm của nhiều nhà khoa học trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng
việc gia tăng theo cấp số mũ các công trình khoa học, các bằng phát minh sáng chế,
các công ty có quá trình sản xuất và sản phẩm liên quan đến khoa học, công nghệ
nano. Các nghiên cứu và ứng dụng hướng đến việc có thể tạo ra được các thiết bị ngày
càng nhỏ hơn với công năng và tính hữu ích lớn hơn chính là sự hấp dẫn của khoa học
vật liệu nano.[1]
Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan
là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology).[1]
 Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu và ứng dụng các hiện
tượng, các hệ thống và các cấu trúc của vật liệu mà ở đó: ít nhất có một chiều Lc
(kích thước tới hạn) có kích thước vài nanomet và khi điều khiển kích thước này
sẽ sinh ra các tính chất hoàn toàn khác biệt và nổi trội hơn so với vật liệu thường.
Chính điều này làm cho Nano khác với Micro, hóa học đại phân tử hay sinh học
phân tử.
 Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng
dụng các cấu trúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích
thước cấu trúc vật liệu trên quy mô nano mét.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano,
nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Vật liệu nano có thể là các vật liệu kim loại,
gốm, polime hay vật liệu composit, kích thước nano trải một khoảng khá rộng, từ vài
nm đến vài trăm nm.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 4

1.1.2. Tính chất và ứng dụng
Hiện nay dựa trên các nghiên cứu vật liệu người ta chỉ ra sự liên hệ giữa tính chất
và kích thước của vật liệu tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law). Những tính chất căn
bản của vật liệu, chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của một
chất rắn (chẳng hạn như tính sắt từ và hiện tượng từ trễ), và vùng cấm của chất bán
dẫn (semiconductor) phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của tinh thể thành phần, miễn
là chúng nằm trong giới hạn của kích thước nanomet. Hầu hết bất cứ một thuộc tính
nào trong vật rắn đều kết hợp với một kích thước đặc biệt, và dưới kích thước này các
tính chất của vật chất sẽ thay đổi. Bằng việc điều khiển cấu trúc của vật liệu ở kích
thước nano, các tính chất của cấu trúc nano có thể được thay đổi theo yêu cầu để đáp
ứng cho sự đa dạng các ứng dụng [1,2].
Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước bao gồm:
 Đặc trưng về vật lý
Khi kích thước cấu trúc vật liệu giảm tới nano sẽ dẫn đến những thay đổi các tính
chất vật lý tới hạn của vật liệu bao gồm: tính chất vận chuyển, hiệu ứng lượng tử hóa.
Sự thay đổi này làm cho vật liệu nano có các thuộc tính quang học, điện học,
nhiệt học rất đặc biệt: khả năng biến đổi năng lượng quang thành năng lượng điện,
tăng khả năng tích trữ năng lượng; các tính chất từ; thay đổi khả năng dẫn điện, dẫn
nhiệt (siêu dẫn điện, dẫn nhiệt).
 Tính chất khối của vật liệu
Các tính chất khối của vật liệu sẽ thay đổi hoàn toàn hoặc rất nhiều khi vi cấu
trúc của chúng nằm trong thang nanomet. Các tính chất này bao gồm: các tính chất cơ
học (tính đàn hồi, độ cứng, dẻo…); khả năng tích trữ vật chất (tích trữ điện tử, phân
tử); hiệu ứng bề mặt (tính thấm ướt, tính thẩm thấu, hấp phụ…).
Những tiên đoán về tính chất cơ học của vật liệu nano đã được nghiên cứu:[23]

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 5

 Tính đàn hồi: có modul đàn hồi Young, E thấp hơn đáng kể so với các vật liệu
có kích thước hạt thông thường, chỉ bằng khoảng 30-50%.
 Độ cứng và độ bền: có độ cứng và độ bền rất cao, độ cứng giảm khi giảm kích
thước hạt nano.
 Tính dễ kéo sợi và tính dẻo: ở nhiệt độ thấp các vật liệu gốm thường giòn, dễ
gãy vỡ, thế nhưng ở kích thước nano các vật liệu giòn thông thường trở nên có tính
dẻo thậm chí siêu dẻo.
 Tính siêu biến dạng: có khả năng biến dạng kéo căng rất lớn (độ dãn dài có thể
lên đến từ 100% đến > 1000%).
 Hiệu ứng bề mặt: có thể điều chỉnh được góc thấm ướt, tăng khả năng hấp phụ,
thay đổi tính thẩm thấu
Mối quan hệ giữa tính chất và kích thước cấu trúc vật liệu ở kích thước nano giúp
tiên đoán, xác định, hình thành nên các tính chất đặc biệt của vật liệu. Do đó mở
đường cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những tính chất mong muốn,
không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử mà còn bởi sự điều khiển
khích thước, hình dạng cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu.
Các ứng dụng hiện tại và trong tương lai mà vật liệu nano hướng tới được cho
theo bảng sau:[23]

Bảng 1.1 Các lĩnh vực và ứng dụng liên quan đến khoa học vật liệu nano
Lĩnh vực liên quan
Ứng dụng
Công nghiệp điện tử, quang điện tử
Transito một điện tử, lade chấm lượng
tử, các bộ vi xử lý tốc độc cao, các bộ
hiển thị và các linh kiện cảm biến.

Công nghiệp hóa học
Xúc tác, chất màu, mực in…
Công nghệ năng lượng
Vật liệu tích trữ năng lượng, Pin năng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 6

lượng mặt trời, hydro, Li…
Công nghệ y sinh và nông nghiệp
Thuốc chữa bệnh, mô nhân tạo, các
phương tiện chẩn đoán, điều trị và
quan sát quá trình sinh hóa quy mô tế
bào…
Hàng không – Vũ trụ - Quân sự
Vật liệu siêu bền, siêu nhẹ, chịu nhiệt,
chịu bức xạ, cảm biến khí, cảm biến
sinh học, pin năng lượng.
Công nghệ xử lý môi trường
Vật liệu khử độc, vật liệu hấp phụ, vật
liệu lọc chất độc hại…

Dưới đây là những ứng dụng cụ thể của vật liệu nano đã được đưa vào thực
tiễn:[23]
 Vật liệu kính nano kỵ nước, tự làm sạch trong các ngành xây dựng, chế tạo ôtô
được phủ các hạt titan dioxit nano có khả năng chống bám dính nước, chống mốc,
diệt khuẩn nhờ hiệu ứng quang điện hóa.
 Màn hình phẳng, mỏng nhẹ, kích thước lớn, có độ nét cao được chế tạo từ ống
nano cacbon.
 Vật liệu nano-composit trên cơ sở kết hợp các dạng cấu trúc có nhiều tính năng

đặc biệt, đã và đang được nghiên cứu, sản xuất ngày càng rộng rãi trên thế giới.
 Quần áo chứa các hạt, sợi nano chống hấp thụ nước, không bị các vết bẩn,
không bị biến dạng, không bị nhàu…
 Các sản phẩm bộ lọc, các vật dụng y tế được tẩm phủ vật liệu nano có khả năng
lọc khí độc hại, diệt vi trùng, bảo quản thực phẩm tốt hơn và giảm sự viêm nhiễm các
vết thương.
 Nguồn tích trữ năng lượng: nhiều phòng thí nghiệm đang nghiên cứu chế tạo bộ
nguồn cho điện thoại di động hoạt động 100 ngày liên tục giữa 2 lần nạp, nguồn năng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 7

lượng sạch, thân thiện môi trường cho ôtô nhờ dùng các ống nano cacbon, các sợi
graphit nano.
 Hợp kim nano: vật liệu siêu dẻo chế tạo từ bột kim loại nano, hợp kim titan
nano siêu cứng, chịu mài mòn cao.
 Các thiết bị ghi nhiệt và nhìn đêm sử dụng đầu thu hồng ngoại giếng lượng tử
và chấm lượng tử.
Như vậy có thể khẳng định được việc nghiên cứu các tính chất, đặc tính cấu trúc
vật liệu kích thước nano sẽ tạo ra các xu hướng vật liệu có cơ tính đặc biệt, kích thước
nhỏ nhưng đem lại hiệu năng cao, tính tiện ích lớn, đa dạng tính năng. Nhờ đó, thúc
đẩy sự phát triển các ngành liên quan, cũng như giải quyết được các vấn đề cấp thiết
như: năng lượng, y tế, môi trường…

1.1.3. Phân loại [3,10]
 Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng 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.
 Về hình thái cấu trúc vật liệu, người ta phân loại dựa vào số chiều có kích thước
nano bao gồm: 1 chiều (1D), 2 chiều (2D), 3 chiều (3D).

 Cấu trúc 1D: hình thái cấu trúc cơ bản dạng sợi (nanofiber), dây (nanwire), ống
(nanotube), cột(nanorod)
 Cấu trúc 2D: hình thái cấu trúc cơ bản màng mỏng (nanofilm), tấm (nanoplate).
 Cấu trúc 3D: hình thái cấu trúc dạng hạt (nanoparticle), chùm, sơ sợi, đa diện
phức tạp.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 8


Hình 1.1- Một số cấu trúc vật liệu nano [28]

 Về phương pháp chế tạo:
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống
(top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là
phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp
từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
 Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn
về kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có
thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao.
Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được
làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc,
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 9

nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va
chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano 3
chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng có thể là đùn thủy lực, tuốt, cán, ép.

Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ
lớn hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ
phòng thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều
(dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường
dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
 Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ
dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm
cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ
phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc
kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
Phƣơng pháp vật lý: là phương pháp chế tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý:
bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu
được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình,
xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình-tinh thể (phương pháp nguội nhanh).
Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano.
Phƣơng pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương
pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta
phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại
các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương
pháp kết tủa, sol-gel ) và từ pha khí (nhiệt phân ). Phương pháp này có thể tạo các
hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano…
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 10

Phƣơng pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc
vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí. Phương pháp này có thể tạo các
hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano

1.1.4. Cấu trúc nano 1D [11]
 Các tính chất và ứng dụng
Đặc điểm dễ nhận thấy ở cấu trúc vật liệu nano 1D chính là sự phát triển kích
thước nano theo một chiều. Các dạng cấu trúc nano 1D được nghiên cứu và chế tạo
chủ yếu là nano ống (Hình 1.3), nano sợi (Hình 1.2), nano cột, nano thanh (Hình 1.4),
nano dải (nanobelt). Với đặc điểm cấu trúc như: cấu trúc rỗng (ống nano), thành phần
đồng nhất, phát triển cấu trúc theo 1 chiều, các đặc điểm này được cho là mang lại các
hiệu ứng quan trọng sau: khả năng giam giữ lượng tử, diện tích bề mặt riêng lớn, sự
truyền dẫn điện tử, nhiệt theo chiều xác định cao. Các tính chất này biểu hiện rõ lên
các thuộc tính đặc biệt về cơ tính, quang học, điện học, hóa học của vật liệu nano cấu
trúc 1D, tạo nên sức hấp dẫn của các loại cấu trúc nano 1D đối với các nhà khoa học,
các nhà nghiên cứu phát triển vật liệu hiện nay.

Hình 1.2- Sợi nano gelatin [34]
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 11



Hình 1.3- Ống nano Titan dioxit


Hình 1.4- Các thanh nano ZnO [35]
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 12

Dựa trên các ưu điểm về cấu trúc: sự giam giữ lượng tử, diện tích bề mặt riêng

lớn, tính dẫn truyền điện, nhiệt cao, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra được các thuộc
tính và ứng dụng của vật liệu cấu trúc nano 1D như sau:
 Về cơ tính
Các cấu trúc nano 1D tinh thể đơn cho thấy độ bền cơ tính cao hơn so với cấu
trúc thường cùng thành phần. Các kết quả nghiên cứu cho thấy nhiều cấu trúc nano 1D
cho độ bền, độ cứng, độ dai gần sát với các tính chất tới hạn của tinh thể. Các tính chất
cơ tính đặc biệt của một số vật liệu cấu trúc nano 1D làm cho các vật liệu lọai này trở
nên hữu dụng, được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử kết hợp. Tuy nhiên,
các ứng dụng trong tương lai chủ yếu dựa trên các phương pháp chế tạo hướng tới sự
hoàn thiện cấu trúc và nghiên cứu sự liên kết giữa cấu trúc 1D với các dạng vật liệu
khác.
 Tính chất nhiệt
Khả năng dẫn nhiệt của các loại thù hình của cacbon như kim cương, than chì
được biết đến là cực kỳ cao. Và ống nano cacbon được tạo thành dựa trên các lớp than
trì, sự dẫn nhiệt của vật liệu loại này dọc theo hướng trục, chính ưu điểm này làm cho
ống nano cacbon có khả năng dẫn nhiệt cao nhất so với các vật liệu khác. Ống nano
cacbon là một ví dụ điển hình của vật liệu nano cấu trúc 1D về khả năng siêu dẫn
nhiệt. Bên cạnh đó, nhiều bằng chứng còn chỉ ra rằng nhiệt độ nóng chảy của vật liệu
nano cấu trúc 1D thấp hơn nhiều so với vật liệu ở dạng khối. Ở cấu trúc 1D dạng dây,
các nghiên cứu đã cho thấy sự tỉ lệ nghịch giữa nhiệt độ nóng chảy của vật liệu với
đường kính sợi nano, vận dụng vào việc cắt các dây nano bằng năng lượng thấp hơn
như là sử dụng tia lazer khoảng 10mW, phục vụ trong nghiên cứu vật liệu.
 Khả năng vận chuyển điện tử
Cho đến nay các nghiên cứu về sự vận chuyển điện tử của cấu trúc nano 1D trở
thành yếu tố có vai trò quan trọng bậc nhất trong các ứng dụng của vật liệu nano dây (
nanowire). Bản chất 1D của những cấu trúc nano làm cho chúng dễ dàng được coi là
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 13

kênh vận chuyển hoặc liên kết điện tử. Ưu điểm này làm cho vật liệu cấu trúc nano 1D
có tính dẫn điện đặc biệt hơn so với vật liệu thông thường hay kim loại.
 Quang học
Hầu hết các đặc tính quang học đặc biệt của cấu trúc nano 1D liên quan đến hiệu
ứng giam giữ lượng tử. Các trạng thái bị lượng tử hóa trong cấu trúc nano sẽ quyết
định tính chất vật lý và hóa học của vật liệu. Mặt khác, bản chất cấu trúc 1D gây ra sự
phát xạ ánh sáng phân cực cao theo hướng dọc, ứng dụng chế tạo photodetector kích
thước nano cảm biến phân cực, hay là kênh vận chuyển điện tử ứng dụng cho các thiết
bị quang điện.
 Hóa học
Bề mặt riêng lớn của cấu trúc nano 1D có khả năng tạo ra các cảm biến hóa học
độ nhạy cao. Các cảm biến chủ yếu là cảm biến khí, cảm biến sinh học, cho độ chính
xác cao, phản hồi nhanh, nhỏ gọn.
 Tính chất từ
Việc giảm kích thước tới kích thước nano có thể tăng cường các tính chất từ của
hệ các chất từ tính hoặc tạo ra từ trường cho một số vật liệu không từ tính (như Pd hay
Pt). Ở cấu trúc nano dây 1D, thì từ tính tỉ lệ nghịch với đường kính, điều này tác động
đến sự lưu trữ dữ liệu và khả năng cảm biến từ của vật liệu. Như vậy điều khiển kích
thước cấu trúc 1D giúp nghiên cứu tính chất từ mong muốn ở vật liệu, cho các ứng
dụng từ tính hiện nay.
Như vậy có thể khẳng định rằng, vật liệu cấu trúc nano 1D mang các thuộc tính
vô cùng đặc biệt, thú vị. Việc nghiên cứu vật liệu ống nano, cụ thể trong đề tài này là
ống nano TiO
2
, sẽ là nền tảng cơ sở cho sự phát triển các ứng dụng đầy hứa hẹn trong
tương lai không xa.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 14

1.2. VẬT LIỆU NANO TITAN DIOXIT
1.3.1. Đặc điểm về cấu trúc TiO
2
[24]
TiO
2
là một trong những hợp chất nghiên cứu nhiều nhất trong khoa học vật liệu.
Do một số đặc tính ưu việt: tính ổn định cấu trúc hóa học, khả năng tương thích sinh
học, các đặc tính vật lý, quang học, điện học, điều này làm cho TiO
2
trở nên hấp dẫn
hơn so với những hợp chất khác trong khoa học nghiên cứu vật liệu hiện nay. Các ứng
dụng của nó chủ yếu liên quan đến các lĩnh vực sau: xúc tác quang hóa, tế bào quang
điện mặt trời và cấy ghép mô tế bào, thiết bị y sinh, môi trường, cảm biến khí, pin
nhiên liệu.


Hinh 1.5- Cấu trúc TiO
2
dạng Rutile


Hình 1.6- Cấu trúc tinh thê TiO
2
dạng Anatase

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 15


Hình 1.7- Cấu trúc tinh thể TiO
2
dạng Brookite

Về đặc điểm cấu trúc, tinh thể titan đioxit có 3 dạng thù hình khác nhau: Anatase,
Rutile và Brookite, ngoài ra còn 2 dạng chỉ tồn tại dưới điều kiện áp suất cao đó là đơn
tà Baddeleyite và dạng trực thoi, thường chỉ được tìm thấy gần các miệng núi lửa.
Trong đó, Rutile là dạng thù hình phổ biến nhất và bền vững nhất, cả Anatase và
Brookite đều chuyển sang Rutile khi nung ở nhiệt độ cao.
Cấu trúc của dạng tinh thể Anatase và Rutile thuộc hệ tetragonal (tinh thể bốn
phương). Cả 2 dạng tinh thể trên đều được tạo nên từ các đa diện phối trí TiO
6
8-
cấu
trúc theo kiểu bát diện (Hình 1.8), các đa điện phối trí này sắp xếp khác nhau trong
không gian.

Hình 1.8- Hình khối bát diện của TiO
2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 16

Tuy nhiên trong tinh thể Anatase các đa diện phối trí 8 mặt bị biến dạng mạnh
hơn so với Rutile (Hình 1.5 và 1.6), khoảng cách Ti-Ti ngắn hơn và khoảng cách Ti-O
dài hơn. Điều này ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của 2 dạng tinh thể, kéo theo sự
khác nhau về các tính chất vật lý và hóa học.

1.3.2. Các tính chất và ứng dụng vật liệu nano TiO
2

1.2.3.1 Các tính chất [24]
 Tính bền nhiệt
Rutile là pha bền ở nhiệt độ cao, còn Anatase và Brookite thường có kích thước
nano. Kèm theo quá trình gia nhiệt là sự tăng trưởng và chuyển pha: từ Anatase đến
Brookite đến Rutile, Brookite sang Anatase sang Rutile, Anatase sang Rutile hoặc từ
Brookite sang Rutile. Kết quả của sự chuyển pha là sự cân bằng về năng lượng.
Trong những nghiên cứu gần đây Zhang và Banfielf tìm ra dãy quá trình chuyển
và độ bền nhiệt động pha phụ thuộc vào kích thước hạt đầu tiên của Anatase và
Brookite. Trong nghiên cứu của họ về quá trình chuyển pha, các tinh thể nano kết tụ
suốt quá trình phát triển (phản ứng đẳng nhiệt và đẳng thời) và kết quả cho thấy pha
Anatase bền nhiệt động ở kích thước dưới 11 nm, Brookite ở 11-35nm và Rutile bền ở
kích thước trên 35 nm.
 Tính chất điện và tính chất quang
Cấu trúc điện tử của TiO
2
được nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau.
Và một đặc điểm, nổi bật nhất được tìm thấy đối với các hạt có kích thước nano là
năng lượng vùng cấm tăng lên và các vùng năng lượng tách biệt nhau hơn khi giảm
kích thước hạt.
Các chất bán dẫn là chất có năng lượng vùng cấm (hố năng lượng ngăn cách
vùng hoá trị và vùng dẫn) thấp hơn 3,5 eV. Do dải năng lượng vùng cấm của TiO
2
khá
lớn (3,25 eV với pha Anatase và 3,05 eV đối với Rutile), dưới điều kiện ánh sáng UV
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 17

có khả năng kích thích điện tử, vì vậy vật liệu nano TiO
2
được nghiên cứu trong ứng
dụng xúc tác quang hay chất bán dẫn trong công nghiệp điện tử.

1.2.3.2 Ứng dụng [2,10,15]
 Các ứng dụng trong y học:
Khi những vật liệu sinh học được đưa vào cơ thể người, việc tương thích sinh
học giữa cơ thể và vật liệu cấy ghép là không tránh khỏi. Trên chỗ tiếp xúc, bề mặt cấy
ghép có thể được phủ một lớp protein làm trung gian. Điều này làm cho bề mặt cấy
ghép có sự tương thích sinh học tốt hơn. Do Titan và hợp kim của nó có các đặc tính
về cơ học cao, chống ăn mòn, tương thích sinh học tốt, nên chúng được sử dụng phổ
biến trong cấy ghép xương, cấy ghép nha khoa. Titan kim loại ở ngoài không khí tự
tạo lớp màng bảo vệ TiO
2
, khi miếng cấy ghép Ti được đưa vào cơ thể người thì xung
quanh lớp mô sẽ tiếp xúc trực tiếp với lớp TiO
2
trên bề mặt cấy ghép. Các đặc tính bề
mặt của lớp TiO
2
này quyết định sự tương thích sinh học của miếng Ti cấy ghép. Vì
vậy sử dụng các biến tính bề mặt thích hợp để tăng sự tương thích sinh học của vật liệu
cấy ghép Titan cho những áp dụng điều trị lâu dài là rất quan trọng. Ngoài ra, nano
TiO
2
còn được sử dụng trong thuốc chống ung thư.
 Ứng dụng trong việc giảm ô nhiễm môi trường

Trong việc chống vi khuẩn, TiO
2
có thể diệt được cả vi khuẩn Grama (-) và
Grama (+), ngoài ra theo báo cáo mới đây, TiO
2
còn có khả năng diệt một số chủng
virut như virut viêm tủy xám 1, virut viêm gan B. Hàm lượng TiO
2
thông thường từ
100-1000 ppm, điều này còn phụ thuộc vào kích thước hạt và cường độ cũng như bước
sóng ánh sáng sử dụng. Hoạt tính chống vi khuẩn của TiO
2
liên quan đến sự oxi hóa và
khử dưới điều kiện chiếu tia UV-A. Vật liệu TiO
2
phù hợp cho các ứng dụng xử lý
nước bởi nó ổn định, không độc hại trong nước, giá thành rẻ. Việc tận dụng sự bức xạ
UV từ ánh sáng mặt trời hiệu suất thường không cao, vì vậy các nghiên cứu gần đây có
xu hướng pha tạp thêm một số kim loại nhằm tăng sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy cũng
như tăng hoạt tính quang xúc tác của TiO
2
.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 18

Bên cạnh đó, kết hợp với một số phương pháp khác, nano TiO
2
xúc tác quang
còn giúp xử lý nước có chứa hàm lượng Cd cao, giúp loại bỏ 4-chlorophenol (chất độc

hại), giúp xác định được chỉ số COD trong nước, loại bỏ CO trong không khí.
 Các ứng dụng khác
Các ứng dụng phổ biến khác của nano TiO
2
hiện nay như ứng dụng cảm biến khí,
chất bán dẫn, sợi cotton tự làm sạch, pin mặt trời, lớp phủ chống ăn mòn…

1.3.3. Phương pháp tổng hợp
Cho đến nay, có rất nhiều phương pháp tổng hợp nano TiO
2
được nghiên cứu và
phát triển: phương pháp thủy nhiệt, phương pháp sol-gel, phương pháp phân hủy dung
dịch hóa học, phương pháp phân hủy hơi hóa học, phương pháp điện hóa (anot hóa).
Sau đây là các phương pháp được sử dụng nghiên cứu và tổng hợp nano TiO
2
phổ biến
hiện nay.

1.2.3.1 Phương pháp sol-gel [15]
Phương pháp sol-gel là phương pháp hữu hiệu hiện nay để chế tạo các loại vật
liệu kích thước nano met dạng bột hoặc màng mỏng với cấu trúc, thành phần như ý
muốn. Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều khiển kích thước hạt và đồng đều.
Đây là phương pháp hóa học ướt bao gồm các quá trình vật lý và hóa học như: thủy
phân, polymer hóa, làm khô và kết khối. Phương pháp này cho phép tạo ra một dung
dịch đồng thể mà các chất được trộn lẫn ở mức độ nguyên tử và hạt keo (từ 0,1 nm –
100 nm). Với việc khống chế các giai đoạn tiếp theo, phương pháp này cho phép thu
được các sản phẩm có cấu trúc nano.
Nano TiO
2
tổng hợp theo phương pháp sol-gel bằng cách thủy phân tiền chất của

Titan. Phương pháp thường diễn ra thông qua bước thủy phân được xúc tác bởi axit
của Ti
4+
alkoxide theo sau sự ngưng tụ. Sự phát triển của mạch Ti-O-Ti thuận lợi với
hàm lượng nước thấp, tốc độ thủy phân thấp và dư Titan (IV) alkoxide trong hỗn hợp
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 19

phản ứng. Khung polymer 3 chiều với sự kết nối chặt chẽ là kết quả từ sự phát triển
của mạch Ti-O-Ti. Sự hình thành của Ti(OH)
4
được ưu tiên với tốc độ thủy phân cao
trong môi trường chứa lượng lớn nước. Từ nghiên cứu nhiệt động sự phát triển của
nano TiO
2
trong dung dịch nước sử dụng tetraisoproxide (TTIP) như là tiền chất,
người ta nhận thấy rằng hằng số tốc độ cho sự làm khô tăng theo nhiệt độ do sự phụ
thuộc nhiệt độ của độ nhớt dung dịch và độ hòa tan cân bằng của TiO
2
.

1.2.3.2 Phương pháp thủy nhiệt [15]
Kỹ thuật thủy nhiệt được định nghĩa là phản ứng hóa học dị thể trong sự có mặt
của dung môi nước hoặc không nước, ở hệ kín trên nhiệt độ phòng và áp suất > 1 atm.
Nghiên cứu gần đây đã thành công trong việc chế tạo TiO
2
nano bột kết tụ ở nhiệt độ
thấp theo phương pháp thủy nhiệt, có thể tạo các pha TiO
2

khác nhau bằng việc điều
chỉnh nhiệt độ, pH trong suốt quá trình thủy nhiệt. Dưới điều kiện thủy nhiệt, kích
thước hạt giảm ở nhiệt độ thấp hơn, tuy nhiên sự kết tụ hạt lại tăng lên. Vì vậy việc kết
hợp phương pháp peptit và thủy nhiệt được cho là phù hợp để tạo TiO
2
bột nano khả
năng kết tụ thấp. Nghiên cứu cho thấy, các hạt nano TiO
2
dễ dàng được tạo bởi quá
trình thủy phân, ngưng tụ Ti(OR)
4
trong dung môi nước:
Ti(OR)
4
+ (2+x) H
2
O = TiO
2
.xH
2
O + 4 ROH
Nước ở đây được sử dụng cho quá trình thủy phân, axit HNO
3
được sử dụng như
một tác nhân peptit hóa, pH khoảng 3,5-4, hỗn hợp được khuấy, duy trì nhiệt độ
khoảng 70 trong 1h. Hỗn hợp sau đó được chuyển sang thiết bị chịu áp suất Teflon
và gia nhiệt đến nhiệt độ 240. Bột sau đó được làm khô ở 80 trong 24h. Quá trình
thủy nhiệt tổng hợp TiO
2
bột nano thì ổn định hơn so với bột TiO

2
thương mại, sản
phẩm có độ tinh khiết pha cao.
Phương pháp thủy nhiệt trước đây được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các hạt
kích thước nhỏ trong công nghiệp gốm sứ nay được ứng dụng để chế tạo các dạng cấu
trúc khác nhau của nano TiO
2
: hạt, thanh (nano rod), dây (nano wire), ống (nanotube).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 20

1.2.3.3 Phương pháp điện hóa [22]
Nghiên cứu đầu tiên trong việc tổng hợp ống nano TiO
2
là quá trình anot hóa Ti
trong môi trường có chứa ion florua. Zwilling & Darque-Ceretti đã thử nghiệm anot
hóa Ti trong dung dịch có chứa axit cromic với một lượng nhỏ HF, đây là báo cáo đầu
tiên trong việc tạo TiO
2
cấu trúc nano xốp, báo cáo này đã cho thấy TiO
2
nano cấu trúc
xốp chỉ có thể được tạo ra khi có đủ lượng HF trong dung dịch điện phân trong khi axit
cromic chỉ tạo ra một lớp oxit mỏng, ổn định, nhưng không tạo cấu trúc xốp [22].
Nhóm của P.Schmuki sử dụng hỗn hợp axit sunfuric và HF (0,15% klg) tạo được
nano TiO
2
cấu trúc dạng ống (báo cáo năm 2003). Báo cáo năm 2005, việc nghiên cứu
về các axit kết hợp với HF hoặc ion florua như: axit photphoric, axit acetic, trong việc

chế tạo nano TiO
2
dạng ống ngày càng được quan tâm. Chiều dài ống có thể đạt tới
500 nm trong thời gian anot hóa từ 30 – 60 phút.
Nghiên cứu đột phá khác của Schumki và các đồng nghiệp trong việc phát triển
kích thước ống nano trong môi trường florua là NaF và NH
4
F, các nghiên cứu này đi
sâu hơn các mặt như: thời gian phát triển kích thước ống, hình thái học, tính thấm ướt,
đo đạc điện hóa, đo quang điện hóa, quá trình nung, và vấn đề sử dụng các axit kết hợp
khác nhau. Qua đó giúp hiểu rõ hơn về lý thuyết, cơ chế hình thành và phát triển ống
nano bằng phương pháp anot hóa .
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều kiện Anot hóa (điện thế anot, thành phần
dung dịch điện phân, nhiệt độ, tốc độ khuấy, mật độ dòng) ảnh hưởng trực tiếp đến
kích thước ống nano và hình thái học của vật liệu.
Ngoài việc tổng hợp ống nano TiO
2
bằng phương pháp anot hóa trong dung dịch
điện phân chứa ion florua, thì việc thay thế ion florua bằng các ion khác như Clo và
ion Perclorat (ClO
4-
) cũng được nghiên cứu gần đây. Trong báo cáo của Eugen
Panaitescu năm 2006, các thử nghiệm trong dung dịch điện phân hữu cơ hay vô cơ kết
hợp với sự có mặt của muối Clo đã cho kết quả khả quan trong việc tổng hợp được ống
nano TiO
2
trên nền Ti [22]. Tuy nhiên việc tổng hợp trong dung dịch điện phân chứa
muối Clo vẫn đang trong quá trình nghiên cứu.
Vai trò của các thông số quá trình anot hóa tới hình thái học của ống nano:
đường kính mao quản hay ống tăng khi điện áp quá trình anot tăng, độ pH cao hơn cho

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 21

phép tạo các ống nano dài hơn, hạ thấp nhiệt độ anot hóa thì sẽ tăng bề dày tường ống
nano. Do đó, các thông số trong quá trình anot hóa: pH dung dịch điện phân, điện áp,
nhiệt độ, cho phép điều chỉnh đặc điểm hình thái học mong muốn cấu trúc ống
nano[22].
Phương pháp điện hóa chế tạo ống nano TiO
2
có các ưu điểm nổi bật sau: quá
trình điều khiển có độ chính xác cao, cấu trúc thu được kích thước tương đối đồng đều,
độ đồng nhất cao, dễ dàng tiến hành, vì vậy trong nghiên cứu này, việc chọn lựa
phương pháp anot hóa để tổng hợp ống nano TiO
2
được cho là phù hợp.

1.3. VẬT LIỆU ỐNG NANO TiO
2
(TINTs – Titanium oxide nanotubes)
1.3.1. Giới thiệu [12]
Một trong những vật liệu có cấu trúc nano 1D dạng ống nhận được nhiều sự quan
tâm ngay từ khi nghiên cứu và chế tạo thành công cho đến nay đó chính là ống nano
cacbon (CNTs). Đây chính là sự kết hợp giữa cực trị hình học phân tử và các thuộc
tính đặc biệt, mở ra hướng nghiên cứu đầy hấp dẫn không chỉ trong công nghệ nano
mà còn thúc đẩy các lĩnh vực khác cùng tham gia như hóa học, vật lý và khoa học vật
liệu. Cấu trúc nano 1D cho thấy các tính chất nổi trội như là khả năng linh động
electron cao hay hiệu ứng giam giữ lượng tử, diện tích bề mặt riêng đặc biệt lớn, thậm
chí cơ tính cũng rất cao. Chính các thuộc tính khá thú vị này mà cấu trúc nano 1D
ngày càng được nghiên cứu và phát triển sâu rộng hơn.

Vật liệu nano TiO
2
vốn được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng rộng rãi hiện nay
bởi mang nhiều ưu điểm như đã trình bày ở trên. Hơn 20 năm qua, ứng dụng của vật
liệu TiO
2
ngày càng được mở rộng hướng tới các ứng dụng tinh vi hơn nhờ thuộc tính
về quang điện, điện tử, xúc tác quang, tương thích sinh học, cảm biến và lớp phủ thông
minh.[8]
Trong rất nhiều các ứng dụng, tối ưu hóa diện tích bề mặt riêng (ứng dụng chất
xúc tác cho phản ứng) là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối đa, và vì vậy TiO
2

nano hạt được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, các hình thái kích thước nano khác, đặc
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 22

biệt các cấu trúc nano 1D như dạng ống nano hay thanh nano, ngoài diện tích bề mặt
riêng khá cao nó còn cho khả năng kiểm soát các thuộc tính vật lý, hóa học vật liệu.
Bằng cách giảm tới kích thước nano, không chỉ làm tăng diện tích bề mặt mà còn thay
đổi đáng kể tính chất điện (các ảnh hưởng kích thước lượng tử, đóng góp không nhỏ
trong tái cấu trúc bề mặt hay tính chất bề mặt). Các hiệu ứng này góp phần cải thiện
đáng kể các phản ứng, tương tác giữa vật liệu và môi trường xung quanh, do đó làm
cho hệ thống hiệu quả hơn về mặt động học.
Chính vì vậy, vật liệu ống nano TiO
2
là sự kết hợp tuyệt vời đặc tính ở kích
thước nano và các tính chất thú vị, linh hoạt có được ở dạng cấu trúc ống 1D.

1.3.2. Ứng dụng
Vật liệu TINTs mang hầu hết các ưu điểm của vật liệu nano TiO
2
nói chung, và
mang các đặc tính riêng biệt cấu trúc nano 1D nói riêng, chính vì vậy mà TINTs có
mặt trong rất nhiều các ứng dụng. Các ứng dụng của TINTs thường liên quan đến các
tính chất đặc trưng của TiO
2
(tính chất điện, tính chất quang, tính tương thích sinh học)
và tăng cường khả năng phản ứng hay vận chuyển điện tử dựa trên kích thước nano (bề
mặt riêng lớn, con đường khuếch tán ngắn, hiệu ứng giam giữ kích thước). Ở dạng kết
cấu ống nano, các ống nano phát triển trên nền kim loại và sắp xếp vuông góc với nền,
thuận lợi cho khả năng vận chuyển điện tích theo một hướng trên điện cực. Bên cạnh
đó, ở dạng cấu trúc ống hở một đầu giúp dễ dàng xác định được thể tích và diện tích bề
mặt riêng. Việc khảo sát các hiệu ứng bề mặt liên quan đến khả năng hấp phụ, tính
thấm ướt được đưa vào nghiên cứu, mở ra các ứng dụng đa dạng và đầy hứa hẹn. Vật
liệu nano TiO
2
dạng ống có các ứng dụng quan trọng hiện nay:[13,22]
 Xúc tác quang: chủ yếu ứng dụng trong xử lý môi trường, phân hủy các chất
hữu cơ độc hại trong môi trường nước, không khí.
 Ứng dụng trong pin năng lượng mặt trời, siêu tụ, làm nguồn điện, tích trữ
Hydro, dựa vào thuộc tính giam giữ lượng tử và khả năng vận chuyển điện tích .
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 23

 Ứng dụng trong các thiết bị điện tử tinh vi công nghệ cao: như chip, cảm biến,
bán dẫn, pin siêu nhỏ, màn hình LCD tiên tiến.
 Khả năng tương tác tế bào, tương thích sinh học, ứng dụng trong chế tạo các bộ

phận giả cấy ghép sinh học, chất dẫn thuốc.
Trong nghiên cứu này đề cập chủ yếu đến việc chế tạo TINTs và nghiên cứu đặc
tính điện thẩm, hướng tới các ứng dụng thiết bị vi lỏng (microfluidic device).

1.3.3. Đặc tính điện thẩm và ứng dụng [26]
Hiện tượng điện thẩm (Electrowetting) là một hiện tượng mà khi ta áp một điện
thế giữa 2 điện cực tạo thành tạo một thành một điện thế tương đối trên bề mặt điện
cực gây ra sự thay đổi góc thấm ướt bề mặt điện cực (được phủ một lớp cách điện) và
chất điện phân (hình 1.9).


Hình1.9- Hiện tượng electrowetting

Điện thẩm (electrowetting) trở thành một trong những công cụ được sử dụng
rộng rãi nhất trong các nghiên cứu liên quan đến khả năng điều khiển giọt lỏng trên bề
mặt rắn.
Các tính chất có được nhờ hiện tượng điện thẩm bao gồm: thay đổi khả năng
thấm ướt, di chuyển giọt lỏng (hình1.10), trộn hay tách các giọt lỏng (Hình 1.11).

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 24


Hình 1.10 - Hiện tượng electrowetting – sự di chuyển giọt nước từ phải qua trái
(theo Baviere- Microfluid NanoFluid - 2008)


Hình 1.11- Ứng dụng điện thẩm trong điều khiển, trộn và tách các giọt lỏng [30]

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS Đặng Trung Dũng

SVTH: Hoàng Thị Hằng Page 25


Hình 1.12 – Các ứng dụng có được nhờ đặc tính điện thẩm của vật liệu

Bằng việc khai thác đặc tính điện thẩm sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ứng dụng
các thiết bị vi lỏng (Microfluidics device). Các thiết bị vi lỏng đã và đang được nghiên
cứu đưa vào sử dụng như: thấu kính ở dạng giọt lỏng trong các thiết bị camera, thấu
kính quang học, các thiết bị y sinh siêu nhỏ, màn hình LCD (Hình 1.12).
Nghiên cứu này chủ yếu khảo sát hiện tượng điện thẩm (electrowetting) của giọt
nước trên bề mặt vật liệu TiO
2
ống nano bằng cách thay đổi điện thế áp vào.

1.3.4. Phương pháp tiếp cận chế tạo ống nano TiO
2

Nỗ lực đầu tiên để chế tạo các ống nano TiO
2
được làm bởi Hoyer sử dụng
phương pháp ngưng tụ điện hóa dựa trên template nhôm oxit [17]. Các phương pháp
sau này chế tạo các cấu trúc nano dạng ống chủ yếu liên quan đến các phương pháp
được bổ trợ template, phương pháp thủy nhiệt có hay không có template, phương pháp
anot hóa.