Phương pháp chế tạo vật liệu NANO

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN HÓA

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ


Lọc nước

Công nghệ nano là gì? Nó có vai trò như thế nào trong đời sống và khkt?

Công nghệ nano là nghành 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 nm.
Cơ sở khoa học của CNNN.
1. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử.
2. Hiệu ứng bề mặt.
3. Kích thước tới hạn.


Vật liệu nano là gì?

Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều
có kích thước nm.
Phân loại.
- Trạng thái vật liệu: rắn, lỏng, khí.
- Tính chất vật liệu: bán dẫn, kim loại, từ tính, sinh
hoc..
- Hình dáng vật liệu: Cách phân loại phổ biến nhất.
1.Vật liệu nano 3 chiều: các hạt nano…

2. Vật liệu nano 2 chiều: ống cacbon, dây nano..
3. Vật liệu nano 1 chiều: màng nano mỏng…
4. Ngoài ra còn có cấu trúc nano hay nanocomposite
trong đó chỉ có 1 phần vật liệu có kích thước nano,
hoặc cấu trúc của nó có nano 1, 2, 3 chiều đan xen
lẫn nhau.

Hạt nano vàng

Sợi nano

Ống nano

Màng nano đa lớp


Ứng dụng của vật liệu nano


Phương pháp chế tạo vật liệu nano
 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.

KẾT LUẬN
- 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.



Phương pháp top-down
Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến các vật liệu thể khối

với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt có kích thước nano.
Phân loại
Phương pháp nghiền.
Phương pháp biến dạng.
Phương pháp quang khắc.
Ưu nhược điểm: 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.


Phương pháp bottom-up

 Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.
 Phân loại.

1. Phương pháp sol-gel
2. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học
3. Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý
4. Phương pháp lắng đọng nhiệt phân phun phủ
5. Phương pháp tự lắp ghép phân tử
6. Phương pháp hạt micelle ngược
7. Phương pháp hồ quang plasma
8. Phương pháp mạ điện
9. Phương pháp khử sinh học
Ưu nhược điểm: 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. Vật liệu thu được có tính đồng đều cao.


Phương pháp sol-gel
Phương pháp sol-gel dựa trên cơ sở các phản ứng thủy phân và ngưng tụ của

alkoxide tiền chất ban đầu.
Tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp sol-gel xảy ra theo các bước sau.
1.Giai đoạn tạo gel.
2.Giai đoạn sấy khô gel.
3.Giai đoạn nung.


Ưu nhược điểm của phương pháp sol-gel.
Ưu điểm: Sản phẩm thu được 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; 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: 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.


Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học
(chemical Vapour Deposition-CVD)
 Lắng đọng pha hơi hóa học là một phương pháp mà các 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.

 Một số phương pháp CVD: CVD nhiệt, CVD nâng plasma (PECVD), CVP (lắng đọng pha

hơi hóa học polymer), ALCVD(Lắng đọng pha hơi hóa học lớp nguyên tử)…
 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.

 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: Chế tạo lớp phủ màng mỏng trên bề mặt (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.


Phương pháp 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.


Phương pháp 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.
So với các phương pháp lắng đọng tạo màng mỏng khác, SPD có nhiều ưu điểm 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.


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 nước.
 ADN, peptide và protein là các khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu.
 Ví dụ. 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.


Phương pháp hạt micelle ngược
 Micelle ngược là quá trình tạo thành hạt micelle (hình cầu đường kính từ 10 đến 100nm)

trong môi trường dầu bởi chất hoạt động bề mặt có nhân là pha nước chứa các hạt vô cơ, hạt
lai.

 Tâm hạt nano bao gồm hạt kim loại, hạt lai. 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 (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.


Phương pháp hồ quang plasma
 Nguyên lý: Tạo ra điện hồ quang nhờ sự

phóng điện giữa 2 điện cực graphit trong
buồng chứa khí trơ He hoặc Ar với các
điều kiện: cường độ dòng điện 100A,
khoảng cách giữa 2 điện cực là 1mm dưới
áp suất 500mmHg của He.

 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.


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. 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.

Phương pháp khử sinh học
Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại.


Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
 Vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được

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.

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. Vì vậy các 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. 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.


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. 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.


 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. 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.