slide vật liệu nano

VẬT LIỆU NANO

1


MỘT SỐ KHÁI NIỆM

2


NANO?
Viết tắt của nanomét (nm)
1 nm = 10-9 m (một phần tỷ mét)
Trong 1 nm có thể đặt 10 nguyên tử đứng cạnh nhau
⇒ nano là từ chỉ kích thước
không phải chỉ tính chất

3


VẬT LIỆU NANO (Nanomaterials)?

Là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống... có kích thước nano (khoảng từ
1 đến vài trăm nm, tức cỡ nguyên tử, phân tử hay đại phân tử macromolecule).

Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất hóa học, nhiệt, điện,
từ, quang, xúc tác... rất đặc biệt, khác hẳn các vật liệu có kích thước lớn.

4

KHOA HỌC NANO (Nanoscience)?
Là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật
liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu
khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.

Ngành khoa học này liên quan đến nhiều ngành khoa học khác như vật lý học, hóa học, sinh
học.

5


CÔNG NGHỆ NANO (Nanotechnology)?

Thiết kế, chế tạo, xác định tính chất và sử dụng vật liệu nano.

6


TẠI SAO CÔNG NGHỆ NANO QUAN TRỌNG?



Vì nhiều tính chất của vật liệu (điện, từ, nhiệt, cơ, quang, xúc tác...) thường
được cải tiến mạnh mẽ ở kích thước nano và có thể đạt đến những đặc
tính khác thường hay tuyệt diệu.

7


ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO

TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?

 Ở kích thước nanomét, các quy luật của vật lý cổ điển không còn ảnh
hưởng đến vật liệu mà chỉ còn có ảnh hưởng của hiệu ứng lượng tử, nhờ
đó vật liệu sẽ có những đặc tính hoàn thiện mà cho đến nay không
thể mơ ước được!

8


Kích thước tới hạn

•

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu nhỏ hơn
kích thước này, 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 bằng hay nhỏ hơn kích thước tới hạn của các
tính chất.

•

Ví dụ điện trở của kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô. Nếu ta giảm kích thước của vật
liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (vài đến vài trăm nm) thì định
luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng
tử.

•

Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính
chất mà nó được nghiên cứu.

9


Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu

Điện

Tính chất

Độ dài tới hạn (nm)

Bước sóng điện tử

10-100

Quãng đường tự do trung bình

1-100

Hiệu ứng đường ngầm

1-10
10-100

Vách đô men

Từ

Quang

1-100
Quãng đường tán xạ spin
Hố lượng tử

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100
0.1-100

Siêu dẫn

Cơ

Xúc tác

Siêu phân tử

Miễn dịch

Độ dài liên kết cặp Cooper

1-100
Độ thẩm thấu Meisner
Tương tác bất định xứ

1-1000

Biên hạt

1-10

Bán kính khởi động đứt vỡ

1-100

Sai hỏng mầm

0.1-10

Độ nhăn bề mặt

1-10

Hình học topo bề mặt

1-10

Độ dài Kuhn

1-100

Cấu trúc nhị cấp

1-10

Cấu trúc tam cấp

10-1000

Nhận biết phân tử

1-10

10


ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO
TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?

 Kích thước của chúng đủ nhỏ để có thể so sánh với với các kích thước tới hạn (Bảng 1) của nhiều tính chất
hóa lý của vật liệu.

 Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với kích thước của vật liệu, nhưng vật liệu
nano có kích thước xấp xỉ hay bé hơn kích thước tới hạn, nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân
này.

Ví dụ: Vật liệu sắt từ được hình thành từ những domain, trong lòng một domain, các nguyên tử có từ tính
sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mômen từ của nguyên tử ở một
domain khác. Giữa hai domain có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách domain. Độ dày của vách domain
phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có
kích thước bằng độ dày vách domain thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh

hưởng của các nguyên tử ở domain này tác động lên nguyên tử ở domain khác.

11


ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO
TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?

Diện tích bề mặt & năng lượng tự do bề mặt rất lớn.

12


ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO
TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?

 Chuyển động nhiệt.
Tính riêng biệt của vật liệu (từng nguyên tử hay phân tử riêng lẻ).

13


LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO

1959:

Richard Feymann (nhà Vật lý

Mỹ, Nobel Vật lý) đọc diễn văn tại Hội
nghị hàng năm của Hội Vật lý Hoa kỳ,

đề xuất ý kiến hãy học tập các hệ sinh
học để chế tạo các thiết bị có kích
thước thu nhỏ đến nguyên tử, phân tử.

14


Chuỗi ADN 2,5 nm

15


LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO

1974: thuật ngữ “nanotechnology” được Norio Taniguchi (University of
Tokyo) dùng lần đầu tiên.

1981: Kính hiển vi chui hầm quét (Scanning Tunnelling Microscopy - STM)
được phát minh (Nobel Vật lý 1986) cho phép thấy được từng nguyên tử.

16


LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO

1985: Phát minh ra fullerence C60 có cấu
trúc như quả bóng (bucky ball), đường kính
0,7 nm, bề mặt quả bóng là các hình 6 cạnh
hoặc 5 cạnh gồm các nguyên tử C ghép lại.
C60 (Buckeyball)

Curl, Kroto, Smalley

Fullerence có những tính chất hóa lý rất đặc
biệt.

1996 Nobel Prize

17


Nobel Prize in Chemistry 1996

“for their discovery of fullerenes”

C60 – Buckminsterfullerene

Sir Harold W. Kroto

Richard E. Smalley

Robert F. Curl Jr.
18


LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO

1990: Hội nghị quốc tế đầu tiên về vật liệu nano được tổ chức tại
California, Mỹ.

1991: Sumio Iijima phát minh ra ống nano cacbon.

19


FULLERENCE
& ỐNG NANO CACBON

20


FULLERENCE
Là những quả cầu rỗng, rất cứng làm từ các nguyên tử cacbon.
Ngoài C60 tìm thấy năm 1985, người ta còn tìm thấy C70, C80, C120... Hình dạng
của các fullerence này không còn giống quả bóng nữa mà to, dài hơn, giống quả bóng
bầu dục, đôi khi bị méo.

21


FULLERENCE
Hoàn cảnh phát hiện: Phóng hồ quang điện giữa hai điện cực graphit (20
V, 60 A) trong khí He ở áp suất khoảng 200 mmHg. Trong muội than bị bốc
bay rơi xuống, có 15% fullerence

Ứng dụng: Mang dược phẩm đưa vào cơ thể, mang xúc tác thực hiện phản
ứng điều chế kim cương nhân tạo, làm chất phủ tạo bề mặt cứng như kim
cương, làm vật liệu bôi trơn nano, pha tạp để thành chất bán dẫn, dẫn
điện, siêu dẫn ...

22

Tên fullerene hay buckminster fullerene được đặt để tưởng nhớ kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller (1895 - 1983), người phát
minh ra kiến trúc mái vòm (geodesic dome). Đây là kiểu kiến trúc bằng vật liệu nhẹ nhưng cấu trúc rất vững mạnh, có diện tích bên trong rất
lớn mà không cần có sự chống đỡ nào khác bên trong. Kiến trúc mái vòm được xây dựng lần đầu tiên năm 1958 ở Baton Rouge – bang
Louisiana, Hoa Kỳ; đến nay đã có hơn 300.000 kiến trúc mái vòm được xây dựng trên thế giới.

23


ỐNG NANO CACBON

Có thể đơn lớp hay đa lớp. Vỏ ống gồm các
nguyên tử C xếp thành hình 6 cạnh đều đặn,
hai đầu ống giống như có 2 nửa quả cầu
fullerence đậy kín lại

Đường kính: 1,5 ÷ 25 nm
Chiều dài: vài nm đến vài cm

24


Carbon Nanotubes
Sumio Iijima - 1991

25