Nghiên cứu tổng hợp nano vàng từ dung dịch haucl4 bằng dịch chiết tách từ lá chè xanh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM


CAO NGUYỄN THÙY TRÂM

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO VÀNG
TỪ DUNG DỊCH HAuCl4
BẰNG DỊCH CHIẾT TÁCH TỪ LÁ CHÈ XANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÓA HỌC

ĐÀ NẴNG, NĂM 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM


CAO NGUYỄN THÙY TRÂM

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO VÀNG
TỪ DUNG DỊCH HAuCl4
BẰNG DỊCH CHIẾT TÁCH TỪ LÁ CHÈ XANH
Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ
Mã số: 60 44 01 19
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÓA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. LÊ TỰ HẢI

ĐÀ NẴNG, NĂM 2020






MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................4
1.1 KHÁI QUÁT VẬT LIỆU NANO .................................................................5
1.1.1. Lịch sử hình thành của công nghệ nano .....................................................5
1.1.2. Khái niệm vật liệu nano ..............................................................................6
1.1.3. Cơ sở khoa học công nghệ nano .................................................................6
1.1.4. Phân loại vật liệu nano ...............................................................................8
1.1.5. Tính chất của hạt nano kim loại ..............................................................11
1.1.6. Phƣơng pháp tổng hợp nano kim loại ......................................................12
1.1.7. Tổng hợp nano kim loại bằng phƣơng pháp sinh học (Sinh tổng hợp nano
kim loại) .............................................................................................................16
1.1.8. Xác định đặc tính của các hạt nano kim loại ...........................................19
1.1.9. Tình hình nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nƣớc ...........................20
1.1.10.Ứng dụng của vật liệu nano .....................................................................20
1.2. VẬT LIỆU VÀNG NANO ...........................................................................23
1.2.1. Giới thiệu về kim loại vàng ......................................................................23
1.2.2. Ảnh hƣởng của hình dạng hạt nano vàng lên đặc tính quang học ............26
1.2.3. Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt nano ........................................................27
1.2.4. Ảnh hƣởng của sự kết tụ ..........................................................................28
1.2.5. Một số phƣơng pháp tổng hợp nano vàng đã đƣợc tiến hành .................29
1.2.6. Các ứng dụng nổi bật của nano vàng .......................................................34

1.3. TỔNG QUAN VỀ CÂY CHÈ .....................................................................35
1.3.1. Giới thiệu chung .......................................................................................35
1.3.2. Đặc điểm cây chè .....................................................................................36
1.3.3. Thành phần hóa học .................................................................................38
1.3.4. Tác dụng dƣợc lý - Công dụng .................................................................38


CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM..............39
2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................39
2.1.1. Nghiên cứu điều kiện chiết dịch lá chè xanh ............................................39
2.1.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng dịch chiết đến quá trình tổng hợp nano
vàng. ..................................................................................................................39
2.1.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng bột tanin tách từ dịch chiết lá chè đến quá
trình tổng hợp nano vàng. ...................................................................................39
2.1.4. Nghiên cứu đặc trƣng sản phẩm bột tanin chè và nano vàng ...................39
2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................................................39
2.2.1. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại khả kiến (Uv-Vis) .....................................39
2.2.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..............................40
2.2.3. Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX) ..................................41
2.2.4. Phƣơng pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (IR).................................42
2.3. NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ, HÓA CHẤT ................................................43
2.3.1. Nguyên liệu ..............................................................................................43
2.3.2. Dụng cụ và hóa chất .................................................................................43
2.4. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM ..................................................................44
2.4.1. Cơ chế xảy ra trong quá trình tổng hợp nano vàng. .................................44
2.4.2. Quy trình tổng hợp nano vàng ..................................................................45
2.5. QUY TRÌNH KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG .......................46
2.5.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo dịch chiết lá chè .........46
2.5.2.Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo nano vàng từ dịch chiết
............................................................................................................................47

2.5.3. Khảo sát ảnh hƣởng khối lƣợng bột Tanin chè đến quá trình tổng hợp
nano vàng............................................................................................................49
2.5.4. Nghiên cứu đặc trƣng sản phẩm bột tanin chè và nano vàng ...................49


CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...............................51
3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ
TRÌNH TẠO DỊCH CHIẾT LÁ CHÈ ...............................................................51
3.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến dịch chiết lá chè ..........................51
3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ khối lƣợng lá chè với thể tích nƣớc cất ............53
3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ
TRÌNH TẠO NANO VÀNG TỪ DỊCH CHIẾT ...............................................55
3.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích dịch chiết lá chè với thể tích dung
dịch HAuCl4 .......................................................................................................55
3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình tạo nano vàng từ dịch
chiết ..................................................................................................................57
3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG BỘT TANIN
TÁCH TỪ DỊCH CHIẾT ĐẾN QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP NANO VÀNG. .59
3.3.1. Sản phẩm bột tanin tách từ dịch chiết lá chè ............................................59
3.3.2. Ảnh hƣởng khối lƣợng bột Tanin đến quá trình tổng hợp nano vàng ......59
3.4.NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG SẢN PHẨM BỘT TANIN CHÈ VÀ
NANO VÀNG .......................................................................................................61
3.4.1. Nghiên cứu đặc trƣng sản phẩm bột tanin chè bằng kết quả đo phổ hồng
ngoại IR ..............................................................................................................61
3.4.2. Kết quả đo TEM mẫu nano vàng ..............................................................62
3.4.3. Kết quả đo EDX mẫu nano vàng ..............................................................62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................65

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DC

Dịch chiết

DLS

Tán xạ ánh sáng

DNA

Deoxyribonucleic acid

EDS

Năng lƣợng quang phổ phân tán

EDX

Phổ tán sắc năng lƣợng tia X

FTIR

Fourier transform infraredspectroscopy

HIV/AIDS

Hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải

IR

Quang phổ hồng ngoại

NBT

Nano vàng tổng hợp từ bột tanin chè

NDC

Nano vàng tổng hợp từ dịch chiết

R/L

Tỉ lệ rắn/ lỏng

SPR

Cộng hƣởng plasmon bề mặt

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

UV

Tia cực tím

UV-Vis

Quang phổ hấp thụ phân tử

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

Tên hình vẽ, đồ thị

hình vẽ

Trang

1.1

Đám nano, hạt nano

9

1.2

Dây nano, ống nano

9

1.3

Màng mỏng

10

1.4

Các phƣơng pháp tổng hợp nano kim loại

13

1.5

Cơ chế của phƣơng pháp từ dƣới lên trong điều chế

15

nano kim loại
1.6

Tổng hợp nano kim loại từ dịch chiết thực vật

18

1.7

Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt của tinh thể vàng

24

1.8

Màu sắc của dung dịch nano vàng tuỳ thuộc vào kích

24

thƣớc hạt
1.9

Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt của vàng

25

1.10

Phổ UV – Vis của vàng nano dạng cầu

26

1.11

Phổ UV-Vis của vàng nano dạng thanh

27

1.12

Phổ “extinction” (tổng tán xạ và hấp thụ) của các hạt

28

nano vàng hình cầu có đƣờng kính từ 10nm tới 100nm
1.13

Phổ “extinction” (tổng tán xạ và hấp thụ) của dung dịch

29

nano vàng không
1.14

Mô tả phƣơng pháp Turkevich

30

1.15

Mô tả phƣơng pháp Brust

31

1.16

Mô tả phƣơng pháp Martin

31

1.17

Mô tả phƣơng pháp phát triển hạt

32

1.18

Cây chè và đồi chè

36

1.19

Hoa và quả chè xanh

38

2.1

Nguyên lí hoạt động của phƣơng pháp đo TEM

41


Số hiệu

Tên hình vẽ, đồ thị

hình vẽ

Trang

2.2

Nguyên tắc tán xạ tia X dùng trong phổ EDX

42

2.3

Nguyên tắc phân tích quang phổ hồng ngoại IR

42

2.4

Nguyên liệu lá chè tƣơi và lá chè đã xử lý

43

2.5

Cơ chế q trình oxi hóa các polyphenol có trong lá chè

44

2.6

Quy trình thực nghiệm tổng hợp nano vàng

45

3.1

Màu dung dịch trà gốc với tỉ lệ thời gian chiết lá chè

51

khác nhau
3.2

Màu dung dịch nano vàng tại các thời gian chiết lá chè

52

khác nhau
3.3

Phổ UV-Vis của nano vàng tại thời gian chiết lá chè

52

khác nhau
3.4

Màu dung dịch trà gốc với tỉ lệ khối lƣợng lá chè khác nhau

53

3.5

Màu dung dịch nano vàng tại các khối lƣợng lá chè khác

54

nhau
3.6

Phổ UV-Vis của nano vàng tại các khối lƣợng lá chè

54

khác nhau
3.7

Màu dung dịch nano vàng ứng với thể tích dịch chiết lá

56

chè khác nhau
3.8

Phổ UV-Vis của mẫu nano vàng tại thể tích dịch chiết lá

56

chè khác nhau
3.9

Màu dung dịch nano vàng tại các nhiệt độ khác nhau

57

3.10

Phổ UV-Vis của mẫu nano vàng NDC tại các nhiệt độ

58

khác nhau
3.11

Bột tanin tách từ dịch chiết lá chè

59

3.12

Phổ UV-Vis của mẫu nano vàng tại khối lƣợng bột tanin

60

chè khác nhau


Số hiệu

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

Kết quả đo phổ hồng ngoại IR của bột tanin tách từ lá

61

hình vẽ
3.13

chè
3.14

Kết quả đo TEM mẫu nano vàng từ dịch chiết lá chè

62

3.15

.Kết quả đo TEM mẫu nano vàng từ bột tanin tách từ

62

dịch chiết lá chè
3.16

Phổ EDX của mẫu nano vàng

63


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Tên bảng

bảng

Trang

1.1

Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu

7

2.1

Mẫu dịch chiết tại các giá trị thời gian chiết khác nhau

46

2.2

Mẫu dịch chiết tại các khối lƣợng lá chè khác nhau

47

2.3

Mẫu nano vàng tại các thể tích dịch chiết khác nhau

48

2.4

Mẫu nano vàng tại các nhiệt độ khác nhau

48

2.5

Mẫu nano vàng từ bột tanin chè với khối lƣợng bột

49

tanin khác nhau
3.1

Kết quả phân tích phổ IR bột tanin tách từ lá chè

61


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nếu Thế kỷ 20 đƣợc coi là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin thì Thế
kỷ 21 sẽ thuộc về cơng nghệ nano. Công nghệ nano đang tạo ra nhiều điều kỳ diệu
đến nỗi ngƣời ta xem nó nhƣ một cuộc cách mạng trong Thế kỷ 21. Các hạt nano
kim loại đã thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm bởi những tính chất đặc biệt về quang
học, điện, từ, và hóa học từ hiệu ứng bề mặt và kích thƣớc nhỏ của chúng.
Nano vàng có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Nhờ kích thƣớc tƣơng tự
nhƣ tế bào và khả năng tƣơng thích sinh học cao, các hạt nano vàng đƣợc dùng để

cảm biến và lắp vào ADN, dẫn truyền thuốc, phân tích tế bào, phát quang tạo ảnh
sinh học, phát hiện và góp phần trị bệnh ung thƣ,ứng dụng làm mỹ phẩm… Do có
nhiều ứng dụng đặc biệt, hạt nano vàng ngày càng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm
nghiên cứu từ các nhà khoa học. Phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng để điều chế hạt
nano vàng là phƣơng pháp khử hóa học. Phƣơng pháp khử hóa học thƣờng sử dụng
chất khử độc, không thân thiện với môi trƣờng, gây hao tốn chi phí xử lý sau khi sử
dụng. Vì thế, vấn đề đƣợc quan tâm nhiều trên thế giới hiện đại ngày nay là làm sao
chế tạo, ứng dụng sản phẩm nano vàng vào đời sống mà không ảnh hƣởng đến con
ngƣời cũng nhƣ mơi trƣờng xung quanh. Hóa học xanh, điều chế ra những sản
phẩm hóa học và thiết kế các quy trình tổng hợp giảm thiểu việc sử dụng và điều
chế các chất độc hại. Đây là chủ đề đƣợc quan tâm trong cơng nghiệp hóa chất,
trong nghiên cứu ở phịng thí nghiệm, trong giảng dạy và học tập vì lợi ích về kinh
tế, sức khỏe và mơi trƣờng.
Những năm gần đây, tích hợp các ngun tắc hóa học xanh vào tổng hợp vật
liệu nano là vấn đề trọng tâm. Nhu cầu phát triển các phƣơng pháp bền vững, thân
thiện với môi trƣờng để điều chế các hạt nano mà khơng sử dụng hóa chất độc hại,
sử dụng dung mơi thân thiện với mơi trƣờng. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu quả các
hóa chất có trong tự nhiên vào quy trình tổng hợp hạt nano hấp dẫn các nhà khoa
học và đƣợc hƣớng tới trong tƣơng lai.


2

Đó là lý do mà tơi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp nano
vàng từ dung dịch HAuCl4 bằng dịch chiết tách từ lá chè xanh”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng quy trình tổng hợp hạt nano vàng từ dung dịch HAuCl4 bằng
dịch chiết tách từ lá chè xanh
- Phân tích đặc tính của nano vàng thu đƣợc
- Đánh giá khả năng tổng hợp nano vàng từ tác nhân khử chiết tách lá chè

xanh qua các thông số đo đƣợc
3. Đối tƣợng nghiên cứu
- Dịch chiết lá chè xanh
- Bột tanin tách từ dịch chiết lá chè xanh
- Sản phẩm nano vàng tổng hợp đƣợc từ dung dịch HAuCl4 bằng dịch chiết
tách từ lá chè xanh
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Thu thập các tài liệu, thông tin liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài
để đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới, từ đó xây
dựng ý tƣởng cho nghiên cứu.
- Phân tích những tài liệu đã cơng bố trong và ngồi nƣớc để xây dựng nội
dung và phƣơng pháp nghiên cứu.
4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết:
- Thu thập, tổng hợp tài liệu, tƣ liệu và các thơng tin liên quan đến đề tài.
- Tìm hiểu về các phƣơng pháp thực nghiệm sử dụng trong quá trình nghiên
cứu.
- Xử lý các thơng tin về lý thuyết có thể sử dụng đƣợc để đƣa ra các vấn đề
cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm.
 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm:


3

- Phƣơng pháp chiết tách: phƣơng pháp khuấy trộn, chiết tách sử dụng dung
môi là nƣớc.
- Phƣơng pháp xác định các thơng số hóa lý của lá chè xanh: hàm ẩm, tính
hút ẩm, tỷ trọng biểu kiến, hàm lƣợng kim loại.
- Các phƣơng pháp phân tích cơng cụ: phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

(ultraviolet – visible spectroscopy), phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, phổ tán sắc
năng lƣợng tia X (Energy - dispersive X - ray spectroscopy – EDX).
- Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử quét (Scanning electron Microscope –
SEM); hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscope – TEM);
phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction – XRD).
5. Nội dung nghiên cứu
5.1. Nghiên cứu điều kiện chiết dịch lá chè xanh
- Nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến dịch chiết.
- Nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ lá chè xanh /nƣớc (tỉ lệ R/L).
5.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng dịch chiết đến quá trình tổng hợp nano
vàng.
- Ảnh hƣởng giữa tỉ lệ dịch chiết lá chè xanh với dung dịch HAuCl4.
- Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp nano vàng
5.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng bột tanin tách từ dịch chiết đến quá trình
tổng hợp nano vàng.
- Ảnh hƣởng giữa tỉ lệ lƣợng bột tanin tách từ lá chè với dung dịch HAuCl4.
- Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp nano vàng từ bột tanin tách
từ lá chè
5.4. Nghiên cứu đặc trƣng sản phẩm bột tanin tách từ lá chè và nano vàng
- Xác định cấu trúc của bột tanin tách từ lá chè xanh bằng phổ IR.
- Đo UV-Vis, đo TEM, đo EDX của sản phẩm nano vàng
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
- Nghiên cứu này giúp cho chúng ta hiểu biết rõ hơn về phƣơng pháp điều
chế hạt nano vàng bằng phƣơng pháp sinh học, lành tính, ít độc hại


4

- Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có rất nhiều ở nƣớc ta là lá chè, để tổng
hợp hạt nano vàng.

- So với các phƣơng pháp khử trùng truyền thống, nano vàng có tính kháng
khuẩn cao, khơng tạo sản phẩm phụ gây độc với môi trƣờng và con ngƣời.
7. Cấu trúc luận văn
Khóa luận gồm 67 trang trong đó có bảng và hình. Phần mở đầu (4 trang), kết
luận và kiến nghị (1 trang), tài liệu tham khảo (3 trang). Nội dung đề tài chia làm 3
chƣơng:
Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU (34 trang)
Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM (12 trang)
Chƣơng 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN (13 trang)


5

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 KHÁI QUÁT VẬT LIỆU NANO
1.1.1. Lịch sử hình thành của cơng nghệ nano
Thuật ngữ cơng nghệ nano (nanotechnology) xuất hiện từ những năm 70 của
thế kỷ XX, chỉ 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 thƣớc trên quy mơ nanomet. Chúng
có độ chính xác rất cao 0,1 - 100nm, tức là chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân
tử [2].
Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi
Lohman sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đƣờng kính 200nm. Năm 1974,
Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano hàm ý sự liên kết các vật
liệu cho kỹ thuật chính xác trong tƣơng lai. Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano
biểu thị con số 10-9 tức kích thƣớc 1 phần tỷ mét. Cho tới nay, vẫn chƣa có đƣợc
một định nghĩa thống nhất về công nghệ nano.
Công nghệ nano đã tồn tại trong tự nhiên một thời gian dài. Một ví dụ điển
hình là những chiếc lông siêu mịn trên bàn chân của thạch sùng cho phép nó bám

vào tƣờng và thậm chí là ở mặt dƣới của tấm kính nằm ngang.
Theo cơ quan Hàng Không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), công nghệ nano là công
nghệ chế tạo ra các cấu trúc, vật liệu, thiết bị và hệ thống chức năng với kích thƣớc
đo bằng nanomet (khoảng từ 1 đến 100nm) và khai thác ứng dụng các đặc tính độc
đáo của những sản phẩm này. Cơng nghệ nano cũng có thể hiểu là ngành công nghệ
dựa trên các hiểu biết về các quy luật, hiện tƣợng, tính chất của cấu trúc vật lý có
kích thƣớc đặc trƣng ở thang nano [4].
Công nghệ nano là khoa học liên ngành, là sự kết tinh của nhiều thành tựu
khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau (bao gồm tốn học, vật lý, hóa học, y-sinh
học,…).
Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, tiềm năng phát triển của một công nghệ
hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu


6

đem lại từ các sản phẩm thƣơng mại của nó. Đƣợc toàn thế giới nghiên cứu và đầu
tƣ phát triển, ngân sách đầu tƣ cho công nghệ nano của các tổ chức thuộc chính phủ
đã tăng nhiều lần.
1.1.2. Khái niệm vật liệu nano
Khi nói đến vật liệu nano là đến một phần tỷ của cái gì đó. Ví dụ, một nano
giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của giây. Cịn nano mà chúng ta
dùng ở đây có nghĩa là nanomet, một phần tỷ của một met. Nói một cách rõ ràng
hơn là vật liệu chất rắn có kích thƣớc nanomet vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng
ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ
biến, tuy vậy khơng phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó [5].
Vật liệu nano có thể là những tập hợp của các nguyên tử kim loại hay phi kim
(đƣợc gọi là Cluster) hay phân tử của các oxit, sunfua, nitrua, borua… có kích thƣớc
trong khoảng từ 1 đến 100nm. Đó cũng có thể là những vật liệu xốp với đƣờng kính
mao quản nằm trong giới hạn tƣơng tự (zeolit, photphat, cacbonxylat kim loại…)

[8].
Vật liệu nano là đối tƣợng của cơng nghệ nano, kích thƣớc của vật liệu nano
đƣợc trải rộng. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính
bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thƣớc
10nm. Nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng
bằng một ngàn lần chu vi trái đất [8].
1.1.3. Cơ sở khoa học công nghệ nano
Công nghệ nano dựa trên ba cơ sở khoa học chính [15]:
- Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lƣợng tử: Khác với vật liệu
khối, khi ở kích thƣớc nano thì các tính chất lƣợng tử đƣợc thể hiện rất rõ ràng. Vì
vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần tính tới các thăng giáng ngẫu nhiên.
Ở kích thƣớc càng nhỏ thì các tính chất lƣợng tử càng thể hiện một cách rõ ràng
hơn. Ví dụ một chấm lƣợng tử có thể đƣợc coi nhƣ một đại nguyên tử, nó có các
mức năng lƣợng giống nhƣ một nguyên tử.


7

- Hiệu ứng bề mặt: Cùng một khối lƣợng nhƣng khi ở kích thƣớc nano chúng
có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với khi chúng ở dạng khối. Điều này có ý
nghĩa rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano có liên quan tới khả năng
tiếp xúc bề mặt của vật liệu, nhƣ trong các ứng dụng vật liệu nano làm chất diệt
khuẩn. Đây là một tính chất quan trọng làm nên sự khác biệt của vật liệu có kích
thƣớc nanomet so với vật liệu ở dạng khối .
- Độ dài tới hạn: Kích thƣớc tới hạn là kích thƣớc mà ở đó vật giữ ngun các
tính chất về vật lý, hóa học khi ở dạng khối. Nếu kích thƣớc vật liệu mà nhỏ hơn
kích thƣớc này thì tính chất của nó hồn tồn bị thay đổi. Nếu ta giảm kích thƣớc
của vật liệu đến kích cỡ nhỏ hơn bƣớc sóng của vùng ánh sáng thấy đƣợc (400 700nm), theo Mie hiện tƣợng "cộng hƣởng plasmon bề mặt" xảy ra và ánh sáng
quan sát đƣợc sẽ thay đổi phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng xảy ra hiện tƣợng cộng
hƣởng. Hay nhƣ tính dẫn điện của vật liệu khi tới kích thƣớc tới hạn thì khơng tn

theo định luật Ohm nữa. Mà lúc này điện trở của chúng sẽ tuân theo các quy tắc
lƣợng tử. Mỗi vật liệu đều có những kích thƣớc tới hạn khác nhau và bản thân trong
một vật liệu cũng có nhiều kích thƣớc tới hạn ứng với các tính chất khác nhau của
chúng. Bởi vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần xác định rõ tính chất sẽ
nghiên cứu là gì. Chính nhờ những tính chất lý thú của vật liệu ở kích thƣớc tới hạn
nên cơng nghệ nano có ý nghĩa quan trọng và thu hút đƣợc sự chú ý đặc biệt của các
nhà nghiên cứu.
Bảng 1.1. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu [3]
Lĩnh vực
Tính chất điện

Tính chất từ

Tính chất quang

Tính chất

Độ dài tới hạn (nm)

Bƣớc sóng điện tử

10-100

Qng đƣờng tự do trung bình khơng

1-100

Hiệu
ứng đƣờng ngầm
đàn hồi

Độ dày vách đômen

1-10
10-100

Quãng đƣờng tán xạ spin

1-100

Hố lƣợng tử

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100


8

Tính siêu dẫn

Tính chất cơ

Xúc tác
Siêu phân tử

Miễn dịch

Độ dài liên kết cặp Cooper

0,1-100

Độ thẩm thấu Meisner

1-100

Tƣơng 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

1.1.4. Phân loại vật liệu nano
Thông thƣờng vật liệu nano đƣợc phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào
trạng thái, cấu trúc của vật liệu và kích thƣớc của chúng v.v… [1].
a. Về trạng thái của vật liệu: ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái: rắn,
lỏng và khí. Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu
rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.
b. Về cấu trúc vật liệu: ngƣời ta phân ra thành các loại sau:
+ Vật liệu nano không chiều: là vật liệu mà cả ba chiều đều có kích thƣớc
nano, khơng cịn chiều tự do nào cho điện tử. Các đám nano đƣợc hình thành từ
những hạt nano, đám nano do các hạt nano liên kết lại với nhau tạo thành (Hình

1.1). Liên kết này không làm thay đổi các chiều của vật liệu nano, cả ba chiều của
chúng đều là kích thƣớc nano khơng có chiều nào cho điện tử tự do.
Ví dụ: đám nano, hạt nano.


9

Hình 1.1. Đám nano, hạt nano
+ Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thƣớc nano,
điện tử đƣợc tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù). Trong các dây nano ln có
một chiều điện tử tự do và chiều điện tử tự do này đƣợc hai chiều có kích thƣớc
nano bao quanh. Các dây nano liên kết với nhau tại nhiều vị trí khác nhau tạo thành
các ống nano (Hình 1.2). Các liên kết này khơng làm thay đổi chiều của vật liệu.
Ví dụ: dây nano, ống nano.

Hình 1.2. Dây nano, ống nano
+ Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano,
hai chiều tự do. Ngƣợc lại với vật liệu nano một chiều, vật liệu nano hai chiều chỉ
có một chiều có kích thƣớc nano và bị hai chiều điện tử tự do bao quanh. Vật liệu
nano hai chiều có dạng các màng, tấm có mặt phẳng rộng (Hình 1.3).


10

Ví dụ: màng mỏng.
+ Vật liệu nano ba chiều: là vật liệu dạng khối đƣợc cấu tạo từ các hạt nano
tinh thể. Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của
vật liệu có kích thƣớc nanomet, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều, một
chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Ví dụ: nanocomposit bạc/silica, bạc/urethane, bạc trên các chất nền.

Hình 1.3. Màng mỏng
c. Về tính chất vật liệu: ngƣời ta phân ra thành các loại sau:
+ Vật liệu nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thƣớc nano
đƣợc tạo thành từ các kim loại. Ngƣời ta biết rằng hạt nano kim loại nhƣ hạt nano
vàng, nano bạc …
+ Vật liệu nano bán dẫn là một vật liệu tổng hợp từ các sợi nano mảnh cỡ vài
chục nanomet. Các sợi nano này đƣợc làm từ những vật liệu khác nhau mà thông
dụng nhất là indiumarsenid và indiumphosphid.
+ Vật liệu nano từ tính là loại vật liệu có kích thƣớc nano mà dƣới tác dụng
của từ trƣờng ngồi có thể bị từ hóa, tức là có những tính chất từ đặc biệt.
+ Vật liệu nano hữu cơ là các hợp chất hữu cơ có kích thƣớc nano đƣợc ứng
dụng trong các mục đích sinh học. Ví dụ hạt nano hữu cơ tiêu diệt khối u, hạt nano
này đƣợc tạo từ hai phân tử tự nhiên là chlorophyl và lipid. Cấu trúc hạt nano này
giống quả bóng nƣớc nhỏ xíu và nhiều màu sắc, nên có thể chứa thuốc đầy bên
trong để đƣa tới khối u [9],[24].


11

1.1.5. Tính chất của hạt nano kim loại [6]
Nhƣ phần đầu đã nói, hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật
liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc. Tuy nhiên, do đặc điểm các
hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể
hiện có những đặc trƣng riêng khác với các hạt khơng có mật độ điện tử tự do cao.
a. Tính chất quang học
Nhƣ trên đã nói, tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy
tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã đƣợc ngƣời La
Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trƣớc. Các hiện tƣợng đó bắt nguồn từ hiện tƣợng
cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt

nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do
này sẽ dao động dƣới tác dụng của điện từ trƣờng bên ngoài nhƣ ánh sáng. Thông
thƣờng các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính
các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử
nhỏ hơn kích thƣớc. Nhƣng khi kích thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do
trung bình thì hiện tƣợng dập tắt khơng còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng
với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano đƣợc có đƣợc do sự
dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tƣơng tác với bức xạ sóng điện
từ. Khi dao động nhƣ vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt
nano bị phân cực điện tạo thành một lƣỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số
cộng hƣởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của
hạt nano và môi trƣờng xung quanh là các yếu tố ảnh hƣởng nhiều nhất. Ngoài ra,
mật độ hạt nano cũng ảnh hƣởng đến tính chất quang. Nếu mật độ lỗng thì có thể
coi nhƣ gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hƣởng của q
trình tƣơng tác giữa các hạt.
b. Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật
độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên
cấu trúc vùng năng lƣợng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của