Tiểu luận Vật liệu NaNo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

------o0o------

MÔN: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

Tiểu luận

VẬT LIỆU NANO

Sinh viên thực hiện:

Phạm Trí Nhựt
Võ Hoàng Yến
Huỳnh Như Ý
Lê Hoàng Phương Thy

Lớp:

14DHH02

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S Triệu Tuấn Anh

TP.Hồ Chí Minh, 03-2016


MỤC LỤC
Chương I: Tổng quan về vật liệu nano

1.1 Khái niệm của vật liệu nano.
1.2 Nguồn gốc của vật liệu nano.
1.3 Tính chất của vật liệu nano.
1.4 Phân loại vật liệu nano.

Chương II: Chế tạo vật liệu nano
2.1 Phương pháp từ trên xuống (Top-Down).
2.2 Phương pháp từ dưới lên (Bottom-Up).
2.3 Phương pháp Vật lý.
2.4 Phương pháp Hóa học.
2.5 Phương pháp kết hợp.

Chương III: Tiềm năng và ứng dụng
3.1 Nguy cơ tiềm ẩn .
3.2 Ứng dụng tiêu biểu trong đời sống .
3.2.1. Trong y học.
3.2.2. Trong công nghiệp sản xuất chất phủ.
3.2.3. Trong công nghiệp điện tử.

Kết Luận
Tài liệu tham khảo
Nhóm 4

Page 2


Nhóm 4

Page 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO
1.1. Khái niệm
Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước
cực kì nhỏ - kích thước nanomet (nm). Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay
bằng một phần triệu của milimet (mm).
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Về trạng
thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí.

1 nano = 10-9m = một phần tỷ m = 10-6mm = một phần triệu mm
1 nano = 10 Ȧ ~ kích thước 10 nguyên tử
Micromet µm= 103nm

nm

Độ dày sợi tóc

80-200

80.000-200.000

Tế bào máu

4-6

4.000-6.000

Vi khuẩn E.coli

1

1.000

ʎ ánh sáng nhìn thấy

400-750

được
Virus đậu mùa

0.2-0.3

200-300

Đường kính ADN

2

1 nguyên tử

0.1

Bảng so sánh kích thước của một số vật.
Nguồn : ThS. La Vũ Thùy Linh, 2010.

1.2.

Nhóm 4

Nguồn gốc

Page 4


Khái niệm về nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mỹ Richard
Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình
tập hợp các nguyên tử, phân tử.
Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong lĩnh vực nano là kính hiển vi
quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm STM (Scaning Tunneling Microscope) có khả
năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử. Ngoài ra còn một thiết bị
khác là kính hiển vi dò đầu quét SPM.
Nó chủ yếu bao gồm một đầu dò cực nhỏ có thể quét trên bề mặt. Khi đầu dò được
quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vượt qua khoảng
không gian giữa về mặt của vật liệu và đầu dò. Kỹ thuật này làm cho con người có
thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano.

Hình 1: Sơ đồ của kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM)
Nguồn : ThS. La Vũ Thùy Linh, 2010.

1.3.
Nhóm 4

Tính chất của vật liệu nano
Page 5


Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1-100nm có những tính chất thú
vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt
ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật
liệu nano.

Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn
so với tổng thể tích hạt. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt
động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao.
Kích thước tới hạn: các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, tính chất từ và
quang… ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở
dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với
vật liệu vĩ mô thường gặp. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó
(1 -100nm) cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ,
quang… của vật liệu.

1.4. Phân loại vật liệu nano
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 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 trên 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.

CHƯƠNG II : CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
Nhóm 4

Page 6


2.1 Phương pháp từ trên xuống (Top-down)
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức
hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano.
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, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh).
Trong thực tế pin mặt trời hay những thiết bị quang điện cũng như các thiết bị vi
điện tử do con người tạo ra đều đi theo “con đường” phương pháp từ trên xuống
(top-down) đó là “con đường” đi từ vật liệu cấu trúc lớn đến vật liệu có cấu trúc
nano.

2.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)
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, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.
Đỉnh cao của quá trình tiến hóa là quá trình thiết kế "từ dưới lên" (bottom-up).
Dùng những thành phần đơn giản nhất, để cuối cùng hoàn thành một cấu trúc phức
tạp nhất, trong điều kiện bình thường nhất (nhiệt độ 0 – 40̊ C, áp suất 1 atm).

2.3 Phương pháp vật lý
Là phương pháp 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, phóng 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 (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh).

Nhóm 4

Page 7


Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ
cứng máy tính.

2.4 Phương 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,...

2.5 Phương 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,...
Trong thực tế ở các hệ thống sinh học sinh vật sử dụng con đường từ dưới lên
(bottom-up) đó là con đường tự lắp ráp những phân tử thành các cấu trúc nano rồi
thành cấu trúc lớn

Hiện nay, phương pháp nano kết hợp cho chúng ta lắp rắp được những thiết bị
quang điện, điện tử rẻ tiền lại có hiệu quả cao.

Nhóm 4

Page 8


CHƯƠNG III: TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG
3.1 Ứng dụng tiêu biểu trong đời sống
3.1.1. Trong y học
Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano. Ví dụ như việc
điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để
có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Các hạt nano
này sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt độ
bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u.
Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nano-robot vô
cùng đặc biệt. Với những chú robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong
cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết. Việc cung cấp
thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng cũng như hiệu quả điều trị.

Hình 2.1: Mô hình robot nano ứng dụng trong y học. Các hạt nano có đặc tính
sinh học được xem như một nano-robot giúp truyền thuốc, tiêu hủy các tế bào
ung thư.
Nguồn : ThS. La Vũ Thùy Linh, 2010.

Nhóm 4

Page 9

Hình 2.2: Tiêu diệt tế bào ung thư bằng phương pháp sử dụng vật liệu nanobio. Các hạt nano TiO2 được gắn kết thêm các kháng thể rồi được đưa vào tế
bào ung thư. Các hạt nano – bio khi gặp năng lượng ánh sáng TiO2 sẽ giải
phóng các gốc oxi tự do và các gốc này sẽ tiêu diệt tế bào ung thư.

Nguồn : ThS. La Vũ Thùy Linh, 2010.
Ngoài ra các hạt nano bạc khi gặp vi khuẩn, virus thì tương tác với lớp protein trên
bề mặt của chúng, từ đó phá hủy màng tế bào. Ion bạc rất có uy lực đối với các
nhóm chức mang điện tích âm trong tế bào vi khuẩn (làm thay đổi cấu trúc của tế
bào), dẫn đến khả năng diệt khuẩn của nano bạc. Đặc biệt có thể tiêu diệt các loại vi
khuẩn đường ruột như khuẩn E. coli (tiêu chảy).

Nhóm 4

Page 10


Hình 2.3: Cơ chế diệt virus của phân tử nano bạc.
Nguồn: Google hình ảnh, 2016.

3.1.2. Trong công nghiệp sản xuất chất phủ:
Ứng dụng công nghệ Nano vào sơn mang lại những đặc tính vượt trội như: hàm
lượng VOC thấp, không độc, chống cháy, chống ăn mòn, khả năng siêu chịu nhiệt
và chống chịu thời tiết, tự làm sạch (hiệu ứng lá sen), lớp sơn cứng với khả năng
chịu mài mòn cao.Có thể dùng làm lớp sơn ngoài cùng cho chất nền vô cơ và hữu
cơ. Những tính năng vượt trội đó có được là nhờ Cấu trúc “vỏ - lõi” đặc biệt của
sơn Nano.

Hình 3.1: Sản phẩm kết hợp của SiO2 và latex.
Nguồn: Google hình ảnh, 2016.

Các hạt SiO2 liên kết hoá học với hạt latex, vì thế chúng hoàn toàn được cố định
với hạt latex. Các hạt silicat có kích thước (≈ 20-30 nm) nhỏ hơn các hạt latex và
bao phủ chủ yếu trên bề mặt của hạt latex (nhờ vào các liên kết chéo chặt chẽ). Nhờ
lớp vỏ silicat có kích thước rất nhỏ này mà những yếu tố bên ngoài không thể xâm
nhập vào trong gây ảnh hưởng đến màng sơn.

3.1.3. Trong công nghiệp điện tử
Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công
nghệ năng lượng. Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống
Nhóm 4

Page 11


nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn
hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Trong khi kích thước
của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại.

Hình 3.2: Hình dạng của pin nano
Nguồn: nld.com.vn.

3.2 Nguy cơ tiềm ẩn
Những hạt nano rất nhỏ, được gọi là quantum dot, có thể xâm nhập qua da của lợn.
Những nghiên cứu khác gợi ý rằng, từ da chúng có thể di chuyển qua hệ thống ống
lympho để đi đến các hạch bạch cầu (lymph nodes) và cuối cùng là đến các cơ quan
như gan, thận và lá lách.
Và khi hít vào thì những hạt nano sẽ đi sâu vào phổi hơn so với những hạt có kích
thước lớn hơn và đến được những bộ phận nhạy cảm hơn. Vì lẽ đó, các nhà khoa
học đặc biệt lo ngại về việc sử dụng hạt nano trong những sản phẩm phun.
Các nhà nghiên cứu không chỉ lo lắng vì sức khỏe con người, mà còn lo lắng về

những hiệu ứng mà hạt nano có thể gây nên cho môi trường, đặc biệt là những hạt
nano bạc. Ngoài ra, đặc tính kháng khuẩn của hạt nano bạc rất nguy hiểm với những
vi sinh vật cần thiết cho hệ sinh thái, đối với thực vật trong môi trường nước và
động vật không xương sống như trai, hàu và ốc (nhuyễn thể). Bạc còn độc cho thực
vật phù du (phytoplankton)- một mắt xích chính trong nhiều chuỗi thức ăn.

Nhóm 4

Page 12


KẾT LUẬN
Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc của công nghệ, nó tạo ra những ứng
dụng vô cùng kỳ diệu tạo ra nhiều cơ hội hơn và đem công nghệ vật chất lên một
tầm cao mới.

Nhóm 4

Page 13


Nhưng bên cạnh đó cũng có những thách thức đặt ra về vấn đề sức khỏe và môi
trường. Tuy nhiên, bằng sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học công nghệ.
Tin rằng, công nghệ nano sẽ là một công cụ hỗ trợ tuyệt vời để giúp cho con người
có được cuộc sống tiện nghị, hạnh phúc.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
CÔNG NGHỆ NANO– CUỘC CÁCH MẠNG TRONG KHOA HỌC KỸ
THUẬT THẾ KỶ 21 CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH MẠNG
Nhóm 4

Page 14


TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21 ThS. La Vũ Thùy Linh,
2010.

/> /> />
Nhóm 4

Page 15