Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều chếTiểu luận môn học

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
Trong nhứng năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm
được quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước
nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod
nano… “Công nghệ nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà
còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý
của người tiêu dung. Vậy thực chất của công nghệ nano là gì, nó được ứng dụng
như thế nào trong đời sống và khoa học kỹ thuật hiện nay.
Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mĩ
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. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng
loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có
khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể
quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó công nghệ nano bắt đầu được
nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano là
sự ra đời của hàng loạt các vật liệu nano mới như nanocomposittes gốm, polymer
clay, sợi nano, xúc tác nano… Các vật liệu nano có vai trò hết sức quan trọng trong
đời sống và khoa học kỹ thuật của nhân loại.
Do đó tôi đã chọn đề tài “Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều
chế” để làm bài khóa luận này.
Mục đích: Tìm hiểu và nghiên cứu về khái niệm vật liệu nano và các phương
pháp điều chế vật liệu nano.
Nhiệm vụ: Nghiên cứu tài liệu có liên quan đến vật liệu nano và các phương
pháp điều chế , sau đó tổng hợp vàviết tổng quan về vật liệu nano và các phương
pháp điều chế.
1

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Với sự cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu để hoàn thành bài khóa luận này,
nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô
và các bạn để bài khóa luận được hoàn thiện hơn.

Chương 1. SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ NANO
1. 1. Khái niệm cơ bản về công nghệ nano
Công nghệ nano (nanotechnology) 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 qui mô nanomet. Nói cách khác, công nghệ nano
có nghĩa là kỹ thuật sử dụng kích thước từ 0,1- 100 nm để tạo ra sự biến đổi hoàn
toàn về lý tính 1 cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size
effect).
Công nghệ nanno bao gồm các vấn đề chính sau đây:
•
•
•
•

Cơ sở khoa học nano
Phương pháp quan sát can thiệp ở qui mô nm
Chế tạo vật liệu nano
ứng dụng vật liệu nano
1.2. Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều có kích thước nm. Căn cứ
vào các tiêu chí khác nhau mà có thể chia vật liệu nano thành các nhóm khác nhau.

-

a)

Căn cứ vào trạng thái vật liệu: người ta chia thành 3 loại rắn, lỏng, khí. Trong đó
vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó
mới đến chất lỏng và khí.
Căn cứ vào tính chất của vật liệu: người ta chia vật liệu nano thành vật liệu nano
bán dẫn, vật liệu nano kim loại, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học….
Căn cứ vào hình dáng vật liệu: đây là cách phân loại phổ biến nhất.
Vật liệu nano ba chiều: cả ba chiều đều có kích thước nano, không chiều nào cho
electron tự do.
2


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
-

Các hạt nano: Các hạt nano thường có đường kính nhỏ hơn 100 nm gồm hai loại:
hạt nano do tự nhiên tạo ra và hạt nano nhân tạo.
Các hạt nano do tự nhiên tạo ra hiện diện rất nhiều trong môi trường: kết quả
của hoạt động quang hóa, hoặc của núi lửa, do các loại thực vật và tảo tạo ra, kết
quả của việc đốt lửa hoặc nấu nướng thực phẩm và gần đây hơn là từ khí thải của
phương tiện giao thông.
Các hạt nano nhân tạo chỉ chiếm thiểu số và rất được các nhà khoa học quan
tâm bởi những tính chất mới (ví dụ như phản ứng hóa học và hoạt động quang học)
mà chúng có so với các hạt lớn hơn của cùng vật liệu. Ví dụ, các hạt titan đioxit và
kẽm oxit trở nên trong suốt ở cỡ nano, tuy vậy lại có khả năng hấp thụ và phản
chiếu tia UV nên có thể ứng dụng làm các chất chống nắng. Các hạt nano này có
đặc thù không phải là các sản phẩm thành phẩm, mà thông thường giữ vai trò là
nguyên liệu thô, thành phần hoặc chất phụ gia cho các sản phẩm hoàn chỉnh. Mặc
dù việc sản xuất ra chúng hiện thời còn ít ỏi so với các vật liệu nano khác, nhưng
chúng đã có mặt trong một số lượng nhỏ các sản phẩm tiêu dùng, ví dụ như mỹ

phẩm. Bên cạnh đó, những tính chất mới và được nâng cao của chúng đang gây
nhiều tranh cãi về độ độc hại của chúng. Trong hầu hết các ứng dụng, các hạt nano
được làm cố định (ví dụ, gắn vào một bề mặt hoặc ở bên trong một hợp chất) hoặc
chúng có thể ở dạng tự do hoặc lơ lửng trong chất lỏng.

-

Các dendrimer: Các dendrimer là các phân tử polyme hình cầu, được hình thành
thông qua quá trình tự lắp ráp phân tử cấp cỡ nano. Có rất nhiều loại dendrimer,
loại nhỏ nhất có kích thước chỉ vài nm. Dendrimer được sử dụng trong các ứng
dụng thông thường như các lớp vỏ bọc và mực, và sẽ còn nhiều ứng dụng hữu ích
khác dựa vào các tính chất thú vị của chúng.

-

Các chấm lượng tử: Các chấm lượng tử chính là các hạt nano của các chất bán dẫn.
Khi các hạt chất bán dẫn được chế tạo đủ nhỏ thì bắt đầu xuất hiện các hiệu ứng
lượng tử. Hiệu ứng này hạn định năng lượng tại các electron và các hố (lỗ trống do
3


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
mất một electron, một lỗ trống hoạt động như một điện tích dương) có trong các
hạt. Vì năng lượng liên quan tới bước sóng, nên điều này là có thể điều chỉnh các
tính chất quang học của các hạt dựa trên kích thước. Vì vậy có thể tạo ra các hạt có
thể phát ra hoặc hấp thụ các bước sóng đặc trưng (các màu) của ánh sáng, chỉ đơn
thuần bắng cách điều chỉnh kích thước của chúng. Những chấm này có thể được sử
dụng và xử lý một số phản ứng hóa học đặc thù.
b)

-

Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó có 2 chiều có kích thước nano, electron
được tự do trên 1 chiều (2 chiều cầm tù ). Loại vật liệu này tạo ra các tính chất cơ
học và điện học rất mới lạ và đăc biệt nên trong thời gian gần đây đã được tập
trung nghiên cứu tương đối nhiều.
Các ống nano cácbon: Các ống nano cácbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật lý
người Nhật Bản, Sumio Iijima, quan sát vào năm 1991. Có hai dạng CNT: ống đơn
vách (một ống) hoặc đa vách (các ống đồng tâm). Đặc thù của hai loại đó là có
đường kính vài nm và dài từ vài µm tới vài cm. CNT giữ vai trò quan trọng trong
công nghệ nano do các tính chất vật lý và hóa học mới lạ của chúng. Chúng rất
cứng về mặt cơ học (các môđun theo tiêu chuẩn Young của chúng lớn hơn 1
tetrepascal, khiến cho chúng cứng như kim cương), lại mềm dẻo (thể hiện ở trục
của chúng) và có thể dẫn điện rất tốt (số đường xoắn ốc của các dải graphene quyết
định tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT). Tất cả các tính chất đó làm cho
CNT có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các hợp chất được gia cố, các thiết bị

-

cảm biến, các linh kiện điện tử nano và màn hình.
Các ống nano vô cơ: Các ống nano vô cơ và những vât liệu dạng fullerene vô cơ
có cấu tạo từ các hợp chất có lớp, ví dụ như molypden đisulfua (MoS 2) được phát
hiện ngay sau CNT. Chúng có những tính chất trơn tuyệt vời, chịu được tác động
sóng va chạm, có phản ứng xúc tác và co khả năng chứa hydrô và lithi cao, điều

-

này hứa hẹn mang lại rất nhiều ứng dụng.
Các dây nano: Các dây nano là các dây cực mảnh hoặc dãy các chấm tuyến tính
được hình thành qua quá trình tự lắp ráp. Chúng được làm từ nhiều loại vật liệu.

4


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Các dây nano có những ứng dụng tiềm năng trong việc lưu giữ dữ liệu mật độ cao
dưới dạng các đầu đọc từ tính hoặc phương tiện lưu trữ theo mẫu, các thiết bị nano
điện tử, quang học…Việc phát triển những dây nano này dựa trên những kỹ thuật
phát triển phức tạp, trong đó có quá trình tự lắp ráp, đây là quá trình các phân tử tự
sắp xếp một cách tự nhiên trên các chất nền theo bậc, quá trình lắng đọng ở thể hơi
bằng phương pháp hóa học (CVD) lên trên các chất nền theo mẫu và quá trình mạ
-

điện hay cấy ghép phân tử.
Các polyme sinh học: Các polyme sinh học, ví dụ như các phân tử AND, góp phần
giúp các cấu trúc nano dây tự tổ chức thành các mô hình phức tạp hơn. Ví dụ có
thể bọc các sương sống của AND bằng kim loại nhờ đó có thể tích hợp công nghệ
sinh học nano và các thiết bị cảm biến tương thích sinh học và các động cơ nhỏ,
đơn giản. Những kiểu tự lắp ráp của các cấu trúc nano có trục hữu cơ như vậy
thường được điều khiển bằng các lực tương tác yếu, ví dụ như các liên kết hyđrô,

c)

d)

các tương tác kỵ nước hoặc các tương tác Van der Waals.
Vật liệu nano một chiều: Là vật liệu trong đó có 1 chiều kích thước nano, 2 chiều
tự do. Các vật liệu này đã được phát triển và sử dụng nhiều năm trong các lĩnh vực
như chế tạo các linh kiện điện tử, hóa chất và kỹ thuật. Rất nhiều ứng dụng thực tế
của vật liệu nano chỉ thực sự phù hợp khi được sử dụng ở dạng màng mỏng. Các
nhà khoa học đã không những chỉ nắm rõ sự hình thành và các tính chất của những

lớp màng từ cấp độ phân tử trở lên, kể cả các lớp phức hợp hoàn toàn, mà còn tạo
ra được các màng một lớp (các lớp có độ dày một nguyên tử hoặc một phân tử).
Việc điều khiển thành phần cấu tạo, độ phẳng của các bề mặt và phát triển các
màng cũng đã đạt được nhiều tiến bộ. Các ưu thế đặc trưng của màng nano như
diện tích bề mặt lớn hơn hoặc độ phản ứng đăc trưng thường được sử dụng trong
nhiều ứng dụng như pin nhiên liệu và chất xúc tác.
Ngoài ra còn 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.

5


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1-100nm có những tính chất
thú vị khác biệt hẳn với các vật liệu thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách
đặc biệt ở kích thước nano được cho là do các yếu tố sau:
a)

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
µ m3

trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1
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 như một chấm lượng tử có
thể được coi như một đại lượng nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như
một nguyên tử.

b)

Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất
khác biệt so với các nguyên tử 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 (hiệu ứng bề mặt) tăng
lên. 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. Ngay cả vật liệu khối truyền thống
cũng có hiệu ứng bề mặt, nhưng do hiệu ứng này nhỏ nên thường bị bỏ qua.Chính
vì vậy các hiệu ứng liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên
quan trọng làm cho các tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật
liệu tới hạn ở dạng khối.
Bảng 1.1. Một số giá trị của hạt nano hình cầu.
Đường
kính hạt
(nm)

Số nguyên tử

Tỉ số nguyên
tử trên bề mặt
(%)

Năng lượng
bề mặt
(erg/mol)

Năng lượng bề mặt/
tổng số năng lượng

(%)

10
5

30000
4000

20
40

4,08 x1011
8,16 x1011

7,6
14,3

2

250

80

8,16 x1011

35,3

1

30

90

8,16 x1011

82,2

6


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế

c)

Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có 1 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 vật
liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Omh ở kích thước vĩ mô
mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng
đường tự do trung bình của electron trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến
vài trăm nm thì định luật Omh 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. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất
quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính
vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và
công nghệ nano.
Bảng 1.2. Kích thước tới hạn của một số tính chất.

Lĩnh vực

Tính chất

Tính chất
điện

Bước sóng điện tử
Quãng đường tự do trung bình không đàn
hồi
Hiệu ứng đường ngầm

Tính chất từ
Tính chất
Quang
Tính siêu
dẫn
Tính chất
cơ

Độ dày vách đômen
Quãng đường tán xạ spin
Hố lượng tử
Độ dài suy giảm
Độ sâu bề mặt kim loại
Độ dài liên kết cặp cooper
Độ thẩm thấu Meisner
Tương tác bất đính xứ
Biên hạt
Bán kính khởi động đứt vỡ

7

Độ dài tới
hạn (nm)
10-100
1-100
1-10
10-100
1-100
1-100
10-100
10-100
0,1-100
1-100
1-1000
1-10
1-100


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế

Xúc tác
Siêu phân
tử
Miễn dịch

Sai hỏng mầm
Độ nhăn bề mặt
Hình học topo bề mặt
Độ dài Kuhn

Cấu trúc nhị cấp
Cấu trúc tam cấp
Nhận biết phân tử

0,1-10
1-10
1-10
1-100
1-10
10-100
1-10

1.4. Ứng dụng của vật liệu nano
Vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ như:
-

-

-

-

-

-

Trong dược học, thuốc chữa bệnh: có khả năng chế tạo chế tạo các phân tử sinh
học mà chuyển “dược phẩm trong tế bào, điều này có thể giải phóng các hạt nano
hoặc hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh”.
Gắn (tagging) AND và chip AND: Xét nghiệm kim loại xác định AND có thể thực

hiện được bằng lớp phủ hạt nano vàng với chuỗi sợi AND. Khi các hạt này ghép
vào AND sẽ xảy ra liên kết (sự lai tạo). Quá trình này làm cho các hạt keo vàng kết
tụ lại, và kết quả là diễn ra sự thay đổi màu. Khi dãy AND chưa biết mà gắn với
mảng chip AND bất kì nào sẽ xảy ra liên kết và dãy chưa biết được nhận dạng
bằng vị trí của nó trên mảng.
Lưu trử thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng mực cao hơn về
màu sắc, độ bao phủ, tính bền màu. Cũng như vậy, “bút nano” (các mũi kính hiển
vi lực nguyên tử) có thể viết các bức thư có kích cỡ nhỏ 5nm. Trên thực tế các hạt
nano đã được ứng dụng trong audio, băng video, đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào
tính chất quang và từ của các hạt siêu mịn.
Làm lạnh: Ở kích thước nhỏ, người ta chứng minh được rằng lợi ích entropy có thể
nhận được nhờ sự đảo chiều của từ tính các hạt nano từ. Nếu các hạt nano có
moment từ lớn và độ kháng từ thích hợp thì hiệu ứng từ nhiệt có thể cho phép làm
lạnh ở quy mô thực tế.
Máy tính hóa học/quang học: Các mạng 2 chiều hay 3 chiều có trật tự của các kim
loại hoặc hạt nano bán dẫn có các tính chất từ và quang đặc biệt. Các vật liệu này
hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bao gồm cả máy tính quang
học.
Gốm và chất cách nhiệt cải tiến: Việc nén các hạt gốm kích thước nano tạo ra các
vạt rắn mềm dẻo hơn. Sau khi phát triển thêm các phương pháp nén, các vật liệu
8


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế

-

-

-

-

-

-

-

-

không xốp, độ đặc cao sẽ được điều chế. Những vật liệu mới này có thể sử dụng
thay thế cho kim loại trong nhiều ứng dụng.
Kim loại cứng hơn: kim loại hạt nano khi nén vào trong vật rắn có bề mặt đáng chú
ý hơn, đôi khi độ cứng này cao hơn gấp 5 lần so với độ cứng của kim loại tinh thể
thông thường.
Tiền chất lớp màng: Dung dịch keo kim loại nanoquoes có thể sử dụng như tiền chất
để chế tạo thành lớp màng kim loại mỏng được sử dụng như sơn phun. Đặc biệt là
việc mạ vàng đồ dùng bằng bạc đã được thực hiện bằng chất keo vàng - axetone.
Pin mặt trời: Hạt nano chất bán dẫn, có các bandgap kích thước điều chỉnh được,
có tiềm năng đối với pin mặt trời hiệu suất cao hơn (sản xuất điện) và tách nước
(sản xuất hydro).
Lọc nước: Các bột mịn kim loại phản ứng (Fe, Zn) có khả năng phản ứng cao đối
với chlorocarbon trong môi trường nước. Các kết quả này dẫn đến việc thực hiện
thành công màng chắn bột – cát kim loại xốp cho làm sạch nước ngầm.
Chất hấp thụ phân ly: Các oxide kim loại hạt nano có độ hoạt động bề mặt chọn lọc
cao và diện tích bề mặt lớn. Do sự hấp thụ hóa học phân ly thường xảy ra, nên
những vật liệu mới này được gắn cho cái tên “chất hấp thụ phân ly” và được sử
dụng trong chiến tranh chống hóa/sinh học, trong lọc khí, và để thiêu hủy chất độc.
Làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học và sinh học

Sensors: Khối kết tụ xốp của các hạt nano bán dẫn có thể được nghiên cứu bằng
nén tải trọng thấp. Những vật liệu này giữ vững bề mặt lớn của chúng, và khi hấp
thụ khí khác nhau, tính dẫn điện của chúng thay đổi. Do nhiều khí được phát hiện
ra được hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng so sánh với bột nén thông thường, sự
thay đổi điện xảy ra nhiều lần hơn, vì vậy việc sử dụng các hạt nano tạo ra ưu điểm
đáng kể trong công nghiệp cảm biến.
Điện cực cấu trúc nano: Các vi tinh thể (crystallite) kim loại kích thước nano có
thể lớn lên bằng kết tủa điện phân nhanh nhờ vào tốc độ tạo nhân cao và vì vậy
giảm sự lớn lên của vi tinh thể (hạt). Kim loại từ như sắt, sau đó có thể tạo nên chất
rắn từ đậm đặc có tính chất từ mềm (độ kháng từ thấp và độ từ bão hòa cao). Các
vật liệu này rất hữu ích cho máy biến thế.
Cấu trúc nano và nanocomposite: Có một số tác động kì diệu sinh ra khi bột nano
được cho vào chất nền polymer. Bột nano có thể dưới dạng hạt mịn, cấu trúc giống
hình kim loại hoặc platelet. Tác động này được tăng cường thêm độ bền của hỗn
hợp rất nhiều. Các vật liệu nhẹ hơn, bền hơn, lớp phủ chống mòn, vật thay thế cho
kim loại, và có thể hình dung ra nhiều loại hơn nữa.
9


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
-

-

Sơn tự lau sạch và có màu đẹp: Người ta chứng minh rằng khi thêm vào sơn các
chất phụ gia bằng các hạt nano hấp thụ ánh sáng như TiO2, sơn sẽ tự lau sạch.
Chất lỏng từ thông minh: Chất lỏng sắt (ferrofuid) là dung dịch chất keo chứa các
hạt từ nhỏ được làm ổn định bằng phối tử hoạt tính bề mặt. Chúng được sử dụng
vào trong đệm kín chân không, bộ giảm xóc nhớt, đệm kín lọa trừ chất bẩn. Đồng
thời còn được sử dụng làm chất lỏng làm mát, ổ trục kích thước nano, dây dẫn

nhiệt điều chỉnh bằng từ, và axit từ trong chia tách quặng trong khai thác mỏ và
tách kim loại phế liệu.
Ắc quy bền hơn: Với ví dụ điển hình là vật liệu cấu trúc nano trong ắc quy ion
lithium.
Nâng cao an ninh quốc gia: hiện nay và trong tương lai, công nghệ nano đóng vai
trò quan trọng trong công nghiệp chế tạo trang thiết bị cho quân sự trong công cuộc
phòng thủ đất nước. Ngoài ra, việc sử dụng các hạt nano chức năng, diện tích bề
mặt lớn, như là chất hấp phụ, phá hủy các tác nhân hóa/sinh học đã được chứng
minh là có hiệu quả và cho phép đối phó nhanh với 1 số vấn đề về hậu cần.

Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
Có 2 phương pháp để chế tạo vật liệu nano đó là top-down và bottom-up.
-

Top-down: phương thức từ trên xuống dưới tức là chia nhỏ 1 hệ thống lớn để cuối
cùng tạo ra 1 đơn vị có kích thước nano.
Bottom-up: phương thức từ dưới lên trên nghĩa là lắp ghép các hạt cở phân tử hay
nguyên tử lại để thu được kích thước nano.
2.1. Phương pháp top-down
2.1.1. Nguyên lý
Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô
thành cỡ hạt có kích thước nano.
2.1.2. Phân loại

-

Phương pháp top-down gồm các phương pháp sau:

10

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
•

Phương pháp nghiền: vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với nhưng 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). Các viên bi cứng
va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được vật liệu

•

nano không chiều (các hạt nano).
Phương pháp biến dạng: Được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự
biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không làm phá hủy vật liệu. Như 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 gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì gọi là biến dạng
nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật

•

liệu nano một chiều hoặc 2 chiều.
Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra
các cấu trúc nano phức tạp.
 Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiển nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho
nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn ( ứng dụng làm vật liệu kết cấu ) và chế
tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao, và
tạo ra một lượng phế thải khá lớn.
2.2. Phương pháp bottom-up
Nếu như các nhà vật lý chế tạo vật liệu nano bằng phương pháp “topdown”, “gọt” nhỏ dần các cấu trúc micro. Thì các nhà hóa học lại đi theo một con
đường hoàn toàn ngược lại với phương pháp “bottom-up”, ghép các nguyên tử và

phân tử thông thường thành các cấu trúc vật chất mới với kích thước nano. Nếu
phương pháp “top-down” đòi hỏi phải sử dụng công nghệ vi điện tử ở trình độ hiện
đại nhất và chỉ có ở các trung tâm nghiên cứu với vốn đầu tư rất lớn mới làm được,
thì với phương pháp “bottom-up” chúng ta vẫn có thể tạo được cấu trúc nano trong
phòng thí nghiệm với vốn đầu tư không lớn, chỉ yêu cầu có trình độ khoa học cao.
Đồng thời với phương pháp “bottom-up” con người có thể chế tạo được các hình
11


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
thái vật liệu mà loài người hằng mong ước. Chính vì vậy hiện nay, phương pháp
“bottom-up” đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi và phần lớn các vật liệu
nano được chế tạo từ phương pháp này.
2.2.1. Nguyên lý
Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.
2.2.2. Phân loại
Trong phương pháp này có một số công nghệ và kĩ thuật để chế tạo vật liệu cấu
trúc nano đóng vai trò công nghệ nền, cơ bản. Tiêu biểu như phương pháp sol-gel,
phương pháp hạt nano micell ngược, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học và
vật lý, phương pháp tự lắp ghép phân tử.
2.2.2.1. Phương pháp sol-gel
Đây là công điển hình nhất chế tạo vật liệu nano. Có hai dạng được biết đến đó
là: cách không dùng alkoxide và cách có dùng alkoxide. Tùy thuộc vào cách thức
điều chế sử dụng mà oxit tạo thành có các tính chất lý, hóa khác nhau.
-

Sol chính là trạng thái tồn tại ổn định của các hạt rắn tướng colloide bên trong chất

-

lỏng.
Colloide là các hạt thấy được và không đi qua màng bán thẩm có kích thước từ 0,2

-

nm đến 2 mm, và trong mỗi hạt có từ 103 đến 109 phân tử.
Gel là chất rắn lỗ xốp có cấu tạo mạng ba chiều trong môi trường phân tán chất lỏng.
Quá trình sol-gel liên quan đến sự phát triển của các mạng vô cơ thông qua
huyền phù dạng keo (sol) và sự tạo gel của sol để tạo thành 1 pha chất lỏng liên tục
(gel). Các tiền chất để tổng hợp chất keo là các phối tử (gốc kết hợp) khác nhau
của các nguyên tố kim loại hoặc á kim. Các nguyên liệu ban đầu được xử lý, tạo
thành dạng oxit hay sol có thể phân tán trong nước hay axit loãng. Loại bỏ chất

12


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
lỏng trong sol thu được gel. Quá trình chuyển đổi sol/gel điều chỉnh kích thước và
hình dạng hạt. Nung gel thu được oxit.
Phương pháp sol-gel dựa trên cơ sở các phản ứng thủy phân và ngưng tụ của
alkoxide từ tiền chất ví dụ như Si(OEt) 4 (tetraethyl orthosilicate hay TEOS). Các
phản ứng đó có thể mô tả như sau:
MOR + H 2O → MOH + ROH

(phản ứng thủy phân)

MOH + ROM → M − O − M + ROH

Dung dịch alkoxid kim loại

[phản ứng 2.1]

(phản ứng ngưng tụ)

[phản ứng 2.2]

Thủy phân & polymerChiết
hóa xuất siêu tới hạn

Kết tủa
2

4

Gel hóa

1
Phủ quay hoặc phủ nhúng
6

Bay hơi
3

5

Hình 2.1. Sơ đồ của quá trình tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel.
*Tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel xảy ra theo các bước sau:
Bước 1. Giai đoạn tạo gel: trong bước này có thể chia làm 3 giai đoạn như sau:

13

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
-

Sự hình thành các dung dịch bền của tiền thân kim loại alkoxide hoặc solvated
(sol): Chất tiền tố được xử lí qua 1 loạt quá trình thủy phân và phản ứng polymer
hóa tạo ra được keo huyền phù (sol).
+ Khi ở dạng sol, nếu sử dụng phương pháp phủ quay (spin coating) hay phủ
nhúng (dip coating) có thể có được màng gel khô trên bề mặt đế. Màng này còn
xốp, nếu làm nóng lên ta sẽ có được màng đặc chế trên đế (xem bước 1- hình 2.1).
+ Khi ở dạng sol, nếu sử dụng phương pháp kết tủa, phun ngọn lửa hoặc dùng
kĩ thuật nhũ tương có thể có được nhứng hạt rất đồng đều và mịn. Thường dung để

-

sản xuất bột nano trong công nghiệp (xem bước 2 - hình 2.1).
Sự gel hóa (keo tụ), là kết quả của quá trình hình thành mạng lưới các cầu nối giữa
các oxide hoặc alcohol (gel) phản ứng đa trùng ngưng hoặc polyeste hóa dẫn đến

-

một tăng đáng kể độ nhớt của dung dịch.
Thoái hóa của gel (sự co lại của gel), xảy ra liên tục cùng với các phản ứng đa
trùng ngưng cho đến khi gel biến thành một khối vững chắc, đi kèm với co thắt của
mạng lưới gel là quá trình đẩy dung môi ra khỏi gel qua các lỗ xốp. Hiện tượng
chín Ostwald (hay còn gọi là hạt thô, là hiện tượng các hạt nhỏ hơn bị hấp thụ bởi
các hạt lớn hơn trong quá trình hình thành) và sự chuyển đổi pha có thể xảy ra
đồng thời với sự co lại của gel. Quá trình thoái hóa của gel có thể vượt quá 7 ngày
và có ý nghĩa quan trọng trong việc ngăn chặn các vết nứt trong gel thu được.

Bước 2.Giai đoạn sấy khô gel: Trước khi sấy thì vật liệu được làm sạch bằng
cách rửa bề mặt với một dung môi, sau đó gạn lọc hoặc ly tâm. Dung môi rửa cũng
có thể ảnh hưởng tới thành phần hóa học và mức độ tinh thể. Khi sấy (thường là
dưới 1000C) nước và các chất lỏng dễ bay hơi được loại bỏ. Quá trình này rất phức
tạp do những thay đổi cơ bản trong cấu trúc của gel. Kết quả của giai đoạn sấy khô

-

là tạo các tiểu phân nano vô định hình.
Nếu làm bay hơi dung môi,thu được sản phẩm là các khối chất rắn được gọi là một
xerogel (gel khô)(xem bước 3 - hình 2.1).

14


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
-

Nếu dung môi (ví dụ như nước) được chiết xuất đến siêu tới hạn hoặc gần siêu tới
hạn, thu được vật liệu chứa rất nhiều lỗ xốp nên khối lượng riêng của vật liệu rất

-

thấp, gọi là aerogel (gel khí)(xem bước 4 - hình 2.1).
Bước 3: Giai đoạn nung: có thể xảy ra theo 2 giai đoạn
Sự khử nước: Nung xerogel thu được ở nhiệt độ cao (lớn hơn 800 0C), khi đó nhóm
M-OH ở bề mặt được loại bỏ, làm cho gel không có khả năng hút nước. Mục đích

-

của giai đoạn này là tạo tinh thể nano từ dạng vô định hình.
Sự dồn nén và sự phân hủy của gel ở nhiệt độ cao (lớn hơn 800 0C): các lỗ xốp
trong mạng lưới gel bị phá hủy, chỉ còn lại các loại chất hữu cơ bay hơi. Giai đoạn
này sẽ dẫn đến sự sụt giảm về diện tích bề mặt, và cũng có thể gây ra sự biến đổi pha.
+ Từ xerogel (gel khô) nếu đem đi nung ta sẽ thu được gốm đặc, vì các hạt
sau khi đã hết nước dưới ảnh hưởng của nhiệt độ liên kết chặt lại với nhau (xem
bước 5 - hình 2.1).
+ Nếu điều chỉnh độ nhớt của sol thích hợp từ sol có thể kéo ra sợi, nung
nóng lên có được sợi gốm, vì cấu tạo của sợi là gồm nhiều hạt nhỏ liên kết lại với
nhau (xem bước 6 - hình 2.1).
Sự tạo thành vật liệu nano bằng phương pháp sol-gel phụ thuộc nhiều vào sự
lựa chọn dung môi và chất hoạt động bề mặt để ổn định. Các dung môi thường sử
dụng là: họ ancol, các dẫn xuât halogen của ankan…;và các chất hoạt động bề mặt
để ổn định gồm: poly(ethylen glycol), 2-(2-methoxyethoxy ethanol)…. Điểm chú ý
lớn nhất của phương pháp này là đòi hỏi chúng ta phải điều khiển tốt các phản ứng
hóa học, nói đúng hơn là các quá trình hóa lý. Ví dụ như để sản xuất bột nano oxit
zirconi, ban đầu chuẩn bị sol bằng cách cho nitric zirconi hòa tan trong axit nitric.
Tuy nhiên phải thêm chất có hoạt tính bề mặt là sol ytri vào thì mới điều khiển
được việc tạo ra những hạt hình cầu ở trong gel. Từ đó xử lý gel ta sẽ thu được bột
nano oxit zirconi. Sơ đồ như sau:
Zr(OH)4 +HNO3

→

sol

→

sol ytri

* Ưu và nhược điểm của phương pháp sol-gel:
15

→

Gel

→

bột


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
- Ưu điểm: Phương pháp sol-gel có nhiều thuận lợi hơn so với các phương pháp
khác đó là tạo ra sản phẩm nguyên chất, đồng nhất, đòi hỏi thiết bị không quá phức
tạp, giá thành hợp lý.
- Nhược điểm: Các chất tiền tố bị thủy phân mạnh trong khí quyển vì vậy đòi hỏi
phải kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng; hơn nữa giá thành của các chất
này thường cao nên đã hạn chế ý nghĩa thương mại của chúng. Phương pháp không
dùng alkoxide sử dụng các muối vô cơ (như nitrat, clorua, acetat, cacbonat,
acetyacetat…) đòi hỏi ở giai đoạn cuối là phải loại bỏ các anion vô cơ thêm vào.
* Ứng dụng: Phương pháp này được dùng để điều chế các vật liệu vô cơ phi kim
loại như kính, gốm sứ, thủy tinh, thủy tinh-gốm, các lớp mỏng phủ lên các bề mặt,
hạt hay các màng xốp, sợi.
2.2.2.2. Phương pháp nghệ lắng đọng pha hơi hóa học (chemical Vapour
Deposition-CVD)
Lắng đọng pha hơi hóa học là một phương pháp mà nhờ đó vật liệu rắn được
lắng đọng từ pha hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt đế được
đun nóng.
Lắng đọng pha hơi hóa học là công nghệ xử lý vật liệu được sử dụng rộng rãi.

Trong CVD, vật liệu rắn thu được là dạng lớp phủ, bột hoặc đơn tinh thể. Bằng
cách thay đổi điều kiện thí nghiệm, vật liệu đế, nhiệt độ đế, thành phần cấu tạo của
hỗn hợp khí phản ứng, áp suất… có thể đạt được những đặc tính khác nhau của vật
liệu.
Công nghệ CVD có thể hiểu đơn giản bao gồm các công đoạn, phun khí hoặc
các khí tiền chất vào trong buồng chứa một hoặc nhiều hơn các vật thể đã được
nung nóng để được phủ ngoài. Các phản ứng hóa học xảy ra song song và gần với
bề mặt nóng, dẫn đến lắng đọng của màng mỏng trên bề mặt.
16


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
*Một số phương pháp CVD: Các phương pháp CVD rộng và được chia tách theo
sự khác nhau trong phương pháp hoạt hóa, áp suất và tiền chất.
-

CVD nhiệt (thermal CVD): CVD kích hoạt phản ứng bằng nhiệt, thường được thực

-

hiện ở nhiệt độ cao (trên 9000C). Đây là phương pháp phổ biến và cổ điển nhất.
CVD plasma - Plasma Assisted CVD (hay còn gọi là CVD nâng plasma hoặc
PECVD): sử dụng năng lượng của plasma để kích hoạt phản ứng. Nhiệt độ thấp

-

hơn so với CVD nhiệt, vào khoảng 300-5000C.
MOCVD (metal organic chemical vapor deposition): CVD nhiệt nhưng sử dụng

-

tiền chất là các hợp chất hữu cơ kim loại.
ALCVD(Lắng đọng pha hơi hóa học lớp nguyên tử): tiền chất thể khí được đưa
vào liên tục tới bề mặt đế và lò phản ứng được làm sạch với khí trơ hoặc rút chân
không. Phản ứng hóa học dẫn đến lắng đọng pha hơi màng xảy ra trên đế tại nhiệt
độ dưới nhiệt độ phân hủy của tiền chất chứa thành phần kim loại và phản ứng pha

-

khí là không quan trọng.
CBE (epitaxy chùm hóa học) và MOMBE (epitaxy chùm phân tử hữu cơ kim loại):
CBE là phương pháp CVD chân không cao, sử dụng tiền chất hữu cơ kim loại dễ
bay hơi và tiền chất thể khí. MOMBE sử dụng tiền chất hữu cơ kim loại dễ bay hơi
và tiền chất bay hơi rắn. Trong CBE và MOMBE, phản ứng hóa học chỉ xảy ra ở
trên đế, dẫn đến màng đơn tinh thể. Bởi vậy phản ứng pha khí không đóng vai trò

-

quan trọng trong sự phát triển màng.
APCVD (lắng đọng pha hơi hóa học ở áp suất khí quyển) và LPCVD (lắng đọng

-

pha hơi hóa học ở áp suất thấp)
CVP (lắng đọng pha hơi hóa học polymer)
* Ưu và nhược điểm của phương pháp CVD
- Ưu điểm: hệ thống thiết bị đợn giản, tốc độ lắng đọng cao, có khả năng lắng
đọng hợp kim nhiều thành phần, có thể chế tạo màng cấu trúc hoàn thiện và độ
sạch cao. Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình phức tạp.

17


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
- Nhược điểm: cơ chế phản ứng phức tạp, đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn trong các
phương pháp khác. Đế và các dụng cụ thiết bị có thể bị ăn mòn bởi các dòng hơi.
* Ứng dụng: Ứng dụng chính là chế tạo lớp phủ màng mỏng trên bề mặt ví dụ
màng cách điện chống gỉ, chống oxy hóa. Chế tạo sợi quang chịu nhiệt, pin mặt
trời, ngoài ra còn được sử dụng để sản xuất bột và vật liệu có độ tinh khiết cao,
cũng như chế tạo vật liệu composite thông qua phương pháp thấm. Phương pháp
này được sử dụng để lắng đọng nhiều loại vật liệu.
2.2.2.3. Công nghệ lắng đọng pha hơi vật lý (Physical vapouor depostion – PVD)
PVD là một lớp khác của kỹ thuật lắng đọng điều chế màng mỏng. Các màng
tạo thành từ pha khí, nhưng ở đây không có sự biến đổi hóa học nào từ tiền chất
cho đến sản phẩm. Vì vậy, nó chỉ có thể thực hiện được với các chất bền trong pha
khí. Ứng dụng chủ yếu của kỹ thuật PVD là bốc bay nhiệt, trong đó một chất được
bay hơi từ một nồi nấu kim loại và ngưng tụ trên một chất nền. PVD cũng được gọi
là kỹ thuật đường một chiều, dòng hơi của chất đi theo môt đường thẳng từ nguồn
tới chất mang. Điều này dẫn tới các hiệu ứng bóng, mà chúng không có ở CVD.
Chất nền có thể ở nhiệt độ phòng hay được gia nhiệt/làm lạnh tùy thuộc vào nhu
cầu. Trong đa số các trường hợp, các chất nền được để thẳng trên nguồn, nhưng sự
lắp ráp có thể khác nhau. Trong đa số các trường hợp, hơi được tạo ra dưới điều
kiện áp suất thấp để giảm tới tối thiểu các sự va chạm của các phân tử khí và ngăn
ngừa sự làm bẩn các màng kết tụ được. Trong phương pháp bốc hơi bằng chùm
electron, một dòng tập trung electron đốt nóng chất đã chọn. Các electron phát ra
do nhiệt từ một dây vonfram mà nó được đốt nóng bởi dòng điện.

18

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
2.2.2.4. Công nghệ lắng đọng nhiệt phân phun phủ (Spray pyrolysis deposition –
SPD)
SPD là một kỹ thuật lắng đọng aerosol cho các màng mỏng và bột liên quan tới
CVD. Các điểm khác nhau chủ yếu là trong phương pháp nhiệt phân phun phủ: (1)
một aerosol (một màn của các giọt nhỏ) được tạo thành từ dung dịch ban đầu thay
thế cho một màn hơi trong CVD. (2) Aerosol hội tụ trực tiếp trên mẫu trong hầu
hết các trường hợp, trong khi sự khuyếch tán là một quá trình trội trong CVD. (3)
Các chất nền được gia nhiệt ở áp suất môi trường, trong CVD hệ thường được đặt
dưới điều kịên giảm áp. Có một vài dẫn xuất nhỏ của kỹ thuật này, chủ yếu khác
nhau ở bước tao ra aerosol và tính chất của các phản ứng tại chất nền (phương
pháp từ khí tới hạt và phương pháp từ giọt tới hạt). So sánh với các phương pháp
lắng đọng tạo màng mỏng khác, phương pháp nhiệt phân phun phủ có nhiều giá trị
như đơn giản, giá thành thấp, tái sản xuất được, và có khả năng lắng đọng bao phủ
một diện tích rộng trong một thời gian ngắn, trong khi các màng tạo ra thể hiện
tính chất điện học và các tính chất tiêu biểu khác tốt. Sự đồng nhất trong đa số các
trường hợp là một vấn đề, như là sự bằng phẳng của các lớp màng.
2.2.2.5. Phương pháp tự lắp ghép phân tử
Tự lắp ráp là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều thành phần thành một khối
lớn thông qua các liên kết đồng hoặc phi đồng hóa trị. Tự lắp ráp phân tử (MSA) là
một cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các cấu trúc siêu phân tử. MSA đuợc tạo
thành bởi các liên kết phi đồng hóa trị yếu, đáng chú ý là liên kết H, liên kết ion,
tương tác kỵ nước, vander Waals và liên kết H qua nuớc. Mặc dù khi đứng riêng,
các liên kết này tương đối yếu nhưng trong tổng thể chung, chúng chi phối quá
trình hình thành cấu trúc của tất cả các đại phân tử sinh học và ảnh huởng đến
tương tác của chúng với các phân tử khác. Tất cả các phân tử sinh học, bao gồm
peptide và protein, tương tác và tự tổ chức thành các cấu trúc xác định, có chức
19

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
năng. Bằng cách quan sát quá trình các cấu trúc siêu phân tử lắp ráp trong tự nhiên,
chúng ta có thể bắt đầu khai thác sự tự lắp ráp để tạo ra những vật liệu tổng hợp
hoàn toàn mới. ADN, peptide và protein là các khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp
các vật liệu. Tự nhiên luôn sử dụng chúng nhu các bộ khung để tạo ra rất nhiều loại
vật liệu khác nhau (collagen, keratin… )
Một số ví dụ:
+ Chế tạo sợi nano: Một loại sợi nano đuợc tạo thành từ các peptide ion hóa tự
lắp ráp bổ sung , chúng tạo thành trong dung dịch lỏng với hai bề mặt: một ưa
nuớc, một kỵ nuớc. Các gốc β phiến kỵ nước tự bảo vệ chúng khỏi nuớc và tự lắp
ráp trong nước theo cách tương tự trong gấp nếp protein. Đặc trưng cấu trúc độc
nhất vô nhị của các peptide “Lego phân tử” này là chúng tạo thành các liên kết ion
bổ sung với sự lặp lại đều đặn trên bề mặt ưa nuớc. Có thể định huớng điện tích
theo chiều nguợc lại, để tạo ra các phân tử hoàn toàn khác. Trình tự được thiết kế
tốt cho phép các peptide tự lắp ráp theo trật tự, trong một quá trình giống như sự
lắp ráp polymer đã được nghiên cứu kỹ.
+ Chế tạo ống cacbon: Phospholipid dễ dàng tự lắp ráp trong dung dịch nuớc,
tạo thành các cấu trúc khác nhau bao gồm micell, túi và ống. Schnur và cộng sự đi
tiên phong trong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo ra các vật liệu dùng trong
lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các khối cấu trúc đơn giản.
2.2.2.6. Phương pháp hạt micelle ngược
Micelle ngược la quá trình tạo thành hạt micelle trong môi trường dầu bởi chất
hoạt động bề mặt có nhân là pha nước chứa các hạt vô cơ, hạt lai. Lúc này các giọt
pha phân tán (pha nước) khuếch tán trong dung môi hữu cơ ưa dầu là pha liên tục.
Các hạt micelle ngược có cấu tạo hình cầu đường kính từ 10 đến 100nm. Trong đó
tâm hạt nano bao gồm hạt kim loại, hạt lai (hạt lai vô cơ/ hưu cơ, oxit kim loại,
muối kim loại, hạt hữu cơ/ lai vô cơ).
20

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Phía ngoài lớp phủ là chất hoạt động bề mặt có phần đầu hấp thụ trên bề mặt
kim loại theo lực hút tĩnh điện, phần đuôi khuếch tán ra ngoài tạo thành hình cầu
(lớp phủ này là lớp stern) với nước choán đầy trong không gian vỏ. Khi nồng độ
các chất hoạt động bề mặt đạt tới mức tới hạn (critical micelle concentration –
CMC). Do lực Vander waal, các chất hữu cơ kết hợp với phần đuôi ưa dầu của chất
hoạt động bề mặt tạo thành lớp màng khuếch tán bảo vệ hạt micelle ngược.
Khi đó chúng ta hoàn toàn có thể điều khiển được kích thước của micelle ngược
vì kích thước của nó phụ thuộc tuyến tính vào tỷ lệ của lượng nước trên lượng chất
hoạt động bề mặt. Có thể thực hiện hầu hết các phản ứng trong nước cũng như
trong nước chứa bên trong micelle. Do đó có thể kết tủa các hạt nano bên trong
micelle. Kích thước hạt nano bị giới hạn bởi kích thước của micelle ngược.
Các hạt nano mới sinh ra có khả năng kết tụ lại với nhau. Do đó có thể cho phân
tử mũ (chất gắn cộng hóa trị với bề mặt vật liệu) vào dung dich để ngăn cản quá
trình kết tụ của các hạt nano mới tạo thành.
2.2.2.7. Phương pháp hồ quang plasma
Nguồn điện

Anôt (+)

Catôt (-)

khí

Hút chân không

Hình 2: hồ quang plasma
21

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Để có điện hồ quang, người ta dùng một cái bình kín có thể hút chân không rồi
cho 1 chất khí, thường là khí trơ thổi qua với áp suất thấp. Trong bình có 2 điện
cực nối với 1 điện thế, cỡ hàng chục vôn. Khi mồi cho phóng điện có hồ quang
giữa 2 điện cực. Khí giữa 2 điện cực có khi có hồ quang là rất nóng thực chất ở đây
các nguyên tử bị mất điện tử trở thành các ion và electron tự do. Đó chính là
plazma. Một điện cực (anot) bị electron bắn phá làm cho các nguyên tử ở đấy bốc
bay lên, bi mất electron trở thành ion dương hướng về catot. Do đó catot bị phủ lớp
vật chất từ anot bay sang. Đồng thời có những hạt không đến được canot nên rơi
xuống dưới. phải chọn chế độ phóng hồ quang hợp lý thì mới có được các hạt nano
mong muốn rơi xuống dưới hoặc hình thành ở catot. Chất làm điện cực phải dẫn
điện. Thành phần hóa học của chất làm điện cực không những có ảnh hưởng quyết
định đến thành phần hóa học của hạt nano được tạo ra mà còn ảnh hưởng đến việc
tạo ra hạt nano dạng gì, hiệu suất cao hay thấp…
Phương pháp này chủ yếu dung để chế tạo ra được các lớp bột mịn, hạt nhỏ trên
catot, và chế tạo ống cacbon.
Nhược điểm của phương pháp này là mẫu chứa thu được còn lẫn tạp chất, vì
vậy cần tiến hành làm sạch sau khi thu mẫu. Ngoài ra phương pháp hồ quang
plazma còn không tạo ra được vật liệu dạng khối.
2.2.2.8. Phương pháp mạ điện
Phương pháp mạ điện thường được sử dụng phổ biến để chế tạo các lớp kim
loại mỏng trên bề mặt vật liệu điện. Dung dịch điện phân, chất liệu ở điện cực, mật
độ dòng điện, điện thế, nhiệt độ… là những yếu tố quan trọng để có lớp mạ chất
lượng.
Thông thường yêu cầu chất lượng lớp mạ là phải bám chặc vào bề mặt, phải
láng bóng, phải đặc nghĩa là khối lượng riêng của lớp mạ giống như là khối lượng

22

Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
riêng của lớp mạ giống như khối lượng riêng của vật liệu khối xuất phát.Đối với
phương pháp mạ điện trong công nghệ nano có 3 yêu cầu sau:
-

Cần 1 lớp vật liệu thông thường nhưng mỏng (một chiều cỡ nm).
Cần lớp vật liệu đặc nhưng có cấu trúc hạt tinh thể rất nhỏ. Chọn chế độ mạ thích
hợp để có được lớp mạ dày, đặc với cấu trúc tinh thể là những hạt nhỏ đến kích cỡ

-

nm. Đây là vật khối có các hạt tinh thể nano.
Có thể chọn chế độ để lớp phủ hình thành trên điện cực không phải là liên tục mà
là các hạt nano rời, liên kết với nhau yếu. Lớp phủ không thật đặc, bề mặt không
láng bong mà có nhiều nhấp nhô vi mô. Dùng trực tiếp hoặc cạo lấy bột.
Việc mạ điện không đơn thuần chỉ là việc chuyển vật liệu từ điện cực này sang
điện cực kia để tạo thành lớp màng mỏng. Rất nhiều trường hợp chất tạo ra lớp phủ
lấy từ dung dịch, đó là hỗn hợp các dạng lỏng. Màng cấu trúc nano của paladin,
niken, vàng, polymer hữu cơ, các oxit, bán dẫn…. đều được chế tạo theo phương
pháp này. Các màng này chuyên dùng để làm pin nhiên liệu, pin mặt trời, lớp tản
nhiệt, cảm biến…
Ngoài ra phương pháp mạ điện còn được dùng để lấp lỗ nano trong màng
polymer để tạo ra các điện cực nano nhằm điều khiển ion chuyển động. Đó là
màng nhân tạo có các ion điều khiển được như nanocomposit kim loại-chất dẻo.

23


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế

KẾT LUẬN
Qua quá trình thực hiện bài khóa luận có thể đưa ra kết luận sau:
1.
2.

Đã xây dựng được tổng quan về khái niệm vật liệu nano và các phương pháp chế
tạo vật liệu nano.
Qua các phương pháp điều chế vật liệu nano đã trình bày trong bài khóa luận,
chúng ta thấy được mỗi phương pháp điều chế đều có những ưu và nhược điểm
riêng biệt. Chính vì vậy, khi điều chế vật liệu nano yêu cầu đặt ra đối với người
chế tạo là phải chọn được phương pháp điều chế thích hợp, đáp ứng được các yêu
cầu về kỹ thuật ( kích thước hạt, tính đồng đều…), kinh tế (giá thành sản phẩm),
cũng như phải phù hợp với điều kiện trang thiết bị kỹ thuật hiện có.

24


Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.

Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano công nghệ nền và vật liệu nguồn, NXB

2.
3.

Khoa học tự nhiên và công nghệ.
Nguyễn Xuân Hưng (2007), Công nghệ sinh học nano, NXB Khoa học và kỹ thuật.

Vũ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng

4.

phân tử, nguyên tử, NXB Khoa học và kỹ thuật.
Charle P.Poole J.Frank J. Owens (2003), Introduction to nanotechnology, Wiley –

5.

Intersciense.
C.Jeffrey Brinker (2001), Sol-Gel Sciense the physics and chemistry of Sol-Gel

6.

processing, Wiley VHC
/>web1.htm

25