Nghiên cứu tổng hợp hạt nano đồng bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế và ứng dụng làm chất xúc tác quang phân hủy xanh metylen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐỖ THỊ ÁI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ĐỒNG BẰNG
TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ HÚNG QUẾ
VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG
PHÂN HỦY XANH METYLEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐỖ THỊ ÁI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ĐỒNG BẰNG
TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ HÚNG QUẾ
VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG
PHÂN HỦY XANH METYLEN
Chuyên ngành : Hóa hữu cơ
Mã số : 60 44 01 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nêu trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo PGS.TS. Lê Tự Hải.
Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kì cơng trình nào khác.

Tác giả

Đỗ Thị Ái Ngun


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 5
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO .......................................................... 5
1.1.1. Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano ................................................... 5
1.1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano ................................................................. 6
1.1.3. Vật liệu nano...................................................................................................... 8
1.1.4. Đặc điểm tính chất của vật liệu nano ................................................................ 9
1.1.5. Ứng dụng của vật liệu nano ............................................................................. 10
1.1.6. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano ........................................................ 15
1.2. HẠT NANO ĐỒNG ........................................................................................ 18
1.2.1. Giới thiệu về đồng kim loại ............................................................................. 18
1.2.2. Giới thiệu về hạt nano đồng ............................................................................ 21
1.2.3. Các phương pháp chế tạo hạt nano đồng......................................................... 22
1.2.4. Tính chất của hạt nano đồng............................................................................ 27
1.2.5. Ứng dụng của hạt nano đồng ........................................................................... 30

1.3. TỔNG QUAN VỀ CÂY HÚNG QUẾ ............................................................ 33
1.4. GIỚI THIỆU VỀ XANH METYLEN............................................................. 34
1.4.1. Cấu trúc hóa học, đặc tính của xanh metylen .................................................. 34
1.4.2. Lịch sử nghiên cứu .......................................................................................... 35
1.4.3. Ứng dụng ......................................................................................................... 36
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................. 37
2.1. NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT ............................................. 37
2.1.1. Nguyên liệu ..................................................................................................... 37
2.1.2. Dụng cụ và hóa chất ........................................................................................ 37
2.2. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ
HÚNG QUẾ .............................................................................................................. 38
2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO NANO
ĐỒNG ....................................................................................................................... 38
2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HẠT NANO ĐỒNG ................................ 38


2.4.1. Phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS)........................................................................ 38
2.4.2. Kính hiển vi điện tử truyền (TEM) ................................................................. 40
2.4.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ............................................................... 42
2.4.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................................... 44
2.5. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP HẠT NANO ĐỒNG . 46
2.6. PHƯƠNG PHÁP THỬ KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG CỦA DUNG
DỊCH KEO NANO ĐỒNG ....................................................................................... 47
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 48
3.1. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ
HÚNG QUẾ .............................................................................................................. 48
3.1.1. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng ..................................................................................... 48
3.1.2. Khảo sát thời gian chiết ................................................................................... 49
3.2. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO NANO
ĐỒNG ....................................................................................................................... 51

3.2.1. Khảo sát nhiệt độ tạo nano đồng ..................................................................... 51
3.2.2. Khảo sát tỉ lệ thể tích dịch chiết lá húng quế .................................................. 52
3.2.3. Khảo sát pH môi trường tạo nano đồng .......................................................... 53
3.2.4. Khảo sát nồng độ dung dịch đồng sunfat ........................................................ 55
3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HẠT NANO ĐỒNG .................. 57
3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG CỦA NANO
ĐỒNG ....................................................................................................................... 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 61
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 63


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

1.1.

Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu

7

1.2.

Kích thước tới hạn của một số tính chất của vật liệu

7

1.3.

Một số hằng số vật lý của đồng

19

3.1.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ rắn /lỏng

49

3.2.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo thời gian chiết

50

3.3.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo nano đồng

52

3.4.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch
chiết/dung dịch CuSO4

53

3.5.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo pH

54

3.6.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo nồng độ CuSO4

56

3.7.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu thời gian phân hủy
xanh metylen

60


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

Trang

1.1.

Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc

11

1.2.

Cơ chế tạo hạt nano kim loại từ vi sinh vật

17

1.3.

Cấu trúc tinh thể của đồng

18

1.4.

Cấu hình electron của đồng

19

1.5.

Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano đồng

22

1.6.

Hệ thống mô tả các giai đoạn của phương pháp điện hóa.

24

1.7.
1.8.
1.9.

Sự phân bố của các nguyên tử trên bề mặt so với tổng
nguyên tử có trong hạt
Phản ứng Ullmann sử dụng nano đồng làm chất xúc tác
Máy in phun công nghiệp đầu tiên và mực in nano đồng
phát triển bởi Samsung Electro-Mechanics

29
30
31

Hơi nước gặp bề mặt Cu/C tạo ra dãy màu sắc (c-f) và hơi
1.10.

ethanol tiếp xúc với bề mặt Cu/C cũng tạo ra dãy màu sắc

32

(a-b)
1.11.

Lưới lọc nano đồng được sử dụng trong máy điều hịa

khơng khí thế hệ mới nhất

32

Hình ảnh chụp các hạt nano đồng đang tương tác lên tế bào
1.12.

vi khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn

33

và tiêu diệt chúng
1.13.

Lá húng quế

34

1.14.

Xanh metylen

35

1.15.

Công thức cấu tạo của xanh metylen

35

2.1.

Lá húng quế tại Hòa Phước, Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng

37

2.2.

Sơ đồ máy UV-VIS

39

2.3.

Máy UV-VIS Máy UV-VIS LAMBDA 25 của hãng
PerkinElmer

39

2.4.

Kính hiển vi điện tử truyền

40

2.5.

Cấu tạo của súng phóng điện tử.

41

2.6.

Ảnh TEM của các hạt nano đồng

42

2.7.

Thiết bị sử dụng kĩ thuật EDX tại Viện dịch tể Trung Ương

43

2.8.

Ảnh EDX của một mẫu nano đồng

43

Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất
2.9.

rắn, tính tuần hồn dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai

44

trị như một cách tử nhiễu xạ
2.10.

Máy nhiễu xạ tia X D8 Advance - Bruker

45

2.11.

Ảnh XRD của mẫu nano đồng

45

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng tỉ lệ rắn/lỏng đến quá trình tạo
nano đồng
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian chiết đến quá
trình tạo nano đồng
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo
nano đồng
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích dịch chiết đến
quá trình tạo nano đồng

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH mơi trường đến q
trình tạo nano đồng
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CuSO4
đến quá trình tạo nano đồng

48

50

51

53

54

56

3.7.

Ảnh TEM của mẫu nano đồng tổng hợp

57

3.8.

Phổ EDX của mẫu nano đồng tổng hợp

58

3.9.

Phổ XRD của mẫu nano đồng tổng hợp

58

3.10.

Dung dịch xanh metylen phân hủy ở các thời gian khác
nhau

59


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EDX

Phổ tán sắc năng lượng tia X

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền

UV-VIS

Quang phổ hấp thụ phân tử

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X

1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nếu Thế kỷ 20 được coi là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin thì Thế
kỷ 21 sẽ thuộc về cơng nghệ nano [49]. Công nghệ nano đang tạo ra nhiều điều kỳ
diệu đến nỗi người ta xem nó như một cuộc cách mạng trong Thế kỷ 21. Các hạt
nano kim loại đã thu hút được 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 thước nhỏ của chúng.
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ
Richard Feynman vào năm 1959. Và đến năm 1974 mới bắt đầu sử dụng do Nario
Tamiguchi – một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập đến
khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của vi mạch điện tử.
Cho đến nay, công nghệ nano trên thế giới đã và đang phát triển vượt bậc, có
thể kể đến một số cường quốc về công nghệ này là Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc,
Đức, Nga và một số nước Châu Âu,… tạo ra những ứng dụng vơ cùng kì diệu làm
thay đổi cuộc sống của con người, đồng thời giải quyết được những vấn đề nan giải
hiện nay như năng lượng, môi trường, sinh học, y học… [11].
Ở Việt Nam, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần
đây nhưng cũng đã có những chuyển biến tích cực. Cơng nghệ nano đã được nghiên
cứu ở cấp quốc gia với hy vọng công nghệ này sẽ giải quyết được những bài toán
lớn đang đặt ra cho nhân loại như môi trường, an ninh năng lượng, an ninh lương
thực, vv….
Trong các hạt nano kim loại, Nano Đồng (Cu) được chú ý bởi khả năng dẫn
điện và nhiệt, tính chất từ, quang học và hoạt tính xúc tác…Với các tính chất trên
nên nano Cu có nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như: sử dụng làm chất
gia cường trong công nghệ polymer, keo hay lớp phủ kim loại, công nghiệp điện,
điện tử, xúc tác quang học, hay trong lĩnh vực sinh học - y học do hoạt tính diệt

khuẩn mạnh. Đặc biệt, hiện nay số lượng vi khuẩn kháng thuốc ngày càng nhiều thì


2
tính chất kháng khuẩn của các hạt nano kim loại lại trở thành một đề tài thu hút sự
quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Nhiều phương pháp tổng hợp nano Cu đã được áp dụng và công bố như:
phương pháp khử muối kim loại có sự hỗ trợ của vi sóng, phương pháp hóa ướt,
phương pháp siêu tới hạn, khử bằng sóng siêu âm, phương pháp khử nhiệt, khử điện
hóa. Ngoài ra theo các tài liệu tham khảo nano Cu còn được tổng hợp bằng các
phương pháp: ăn mòn laser, phương pháp polyol, phương pháp bốc bay, khử bằng
phóng xạ… Trong đó tổng hợp nano Cu theo con đường từ dịch chiết thực vật có ưu
điểm là khơng độc hại, hiệu suất tương đối tốt và điều kiện rất dễ thực hiện so với
các phương pháp khác. Đó là lý do mà tôi quyết định chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU
TỔNG HỢP HẠT NANO ĐỒNG BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT
NƯỚC LÁ HÚNG QUẾ VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC QUANG PHÂN HỦY
XANH METYLEN”.
2. Tổng quan tài liệu
Việc chế tạo nano đồng chỉ mới được tập trung nghiên cứu bắt đầu từ những
năm 90, đặc biệt là vào những năm đầu của thế kỉ 21.Từ 2006 đến nay, các nhà
khoa học tại Ấn Độ được xem là người tiên phong trong việc sử dụng các dịch chiết
từ lá các cây thảo dược để chế tạo nano kim loại. Một số cây thảo dược đã được
nghiên cứu là: Ocimum basilicum (húng quế); Lemon grass (cỏ chanh); Ocimum
Sanctum (hương nhu); Syzygium aromaticum (đinh hương);Aloe vera plant (cây lô
hội); Alfalfa (cỏ linh lăng); Tamarind leaf (lá me); Parthenium plant (cúc liên chi);
Euphorbia hirta (cỏ sữa); Brassica juncea (cải bắp);…. Dịch chiết từ các loại lá cây
khác như lá chè xanh, lá cây dâu tây, lá cà phê; rượu vang trắng, rượu vang đỏ, các
loại vitamin C, B1 cũng được sử dụng để tổng hợp nano đồng.
3. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp hạt nano đồng bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế.

- Ứng dụng nano đồng làm chất xúc tác quang phân hủy xanh metylen trong
vùng ánh sáng khả kiến.


3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Nano đồng tổng hợp được bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng hợp nano đồng bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng
quế.
- Nghiên cứu khả năng nano đồng tổng hợp được làm chất xúc tác quang phân
hủy xanh metylen trong vùng ánh sáng khả kiến.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu để:
+ Nghiên cứu tài liệu về lịch sử tổng hợp nano đồng từ đó rút ra được
phương pháp tối ưu phù hợp với điều kiện của phịng thí nghiệm.
+ Nghiên cứu các tài liệu về đặc điểm và tác dụng của lá húng quế.
+ Tìm hiểu một số ứng dụng của nano đồng từ trước đó để rút ra được ứng
dụng làm chất xúc tác quang phân hủy xanh metylen trong vùng ánh sáng khả kiến.
5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
5.2.1. Nghiên cứu điều kiện chiết dịch nước lá húng quế
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ lá húng quế /nước.
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chiết.
5.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nano đồng từ dịch
chiết lá húng quế
Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo nano đồng.
Ảnh hưởng giữa tỉ lệ dịch chiết lá húng quế với dung dịch CuSO4.
Ảnh hưởng pH của dung dịch.

Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CuSO4 .
5.2.3. Nghiên cứu sản phẩm nano đồng
Xác định hình dạng, kích thước của hạt nano đồng .
Xác định thành phần của hạt nano đồng.


4
Xác định cấu trúc của hạt nano đồng.
5.2.4. Khảo sát khả năng phân hủy xanh metylen trong vùng ánh sáng khả kiến
của hạt nano đồng tổng hợp từ dịch chiết lá húng quế
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài: Đề tài được triển khai nghiên cứu và kết quả
của đề tài là một đóng góp cho q trình nghiên cứu về cơng nghệ chế tạo nano
đồng thân thiện với môi trường.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Các kết quả nghiên cứu của đề tài là ứng dụng
làm xúc tác quang phân hủy xanh metylen trong vùng ánh sáng khả kiến dùng trong
xử lý nước thải công nghiệp, sinh hoạt... bảo vệ môi trường.
7. Bố cục của luận văn
Chương 1 - TỔNG QUAN
Chương 2 - THỰC NGHIỆM
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ


5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO
1.1.1. Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano

a. Nguồn gốc của công nghệ nano
Năm 1959 nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman (đạt giải Nobel Vật lý
1965) đã đưa ra ý tưởng cơ bản về công nghệ nano. Nhưng thuật ngữ “công nghệ
nano” mới bắt đầu sử dụng vào năm 1974 do Nario Tamiguchi – một nhà nghiên
cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập đến khả năng chế tạo cấu trúc vi
hình của vi mạch điện tử. Cho đến nay, công nghệ nano trên thế giới đã và đang
phát triển vượt bậc.
Theo Viện hàn lâm Khoa học quốc tế, công nghệ nano 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 quy mô nanomet.
Công nghệ nano không đơn thuần là công nghệ làm giảm kích thước của vật
liệu xuống đến cỡ nanomet mà từ các vật liệu có cấu trúc nano này, phải tìm cách
để chúng liên kết, lắp ráp với nhau trở thành một thực thể có những chức năng xác
định. Nhân tố trung tâm của cơng nghệ nano là kích thước, khi kích thước giảm tới
mức nanomet thì các hiệu ứng lượng tử trở nên chiếm ưu thế, lúc này vật liệu xuất
hiện nhiều tính chất mới [44].
b. Một vài khái niệm của cơng nghệ nano
Có nhiều cách khác nhau để định nghĩa công nghệ nano:
Công nghệ nano được định nghĩa là “một ngành khoa học và công nghệ mà
ở đó các kích thước từ 0,1nm tới 100nm đóng vai trị chủ đạo”,(định nghĩa của Học
viện Cơng nghệ Nano Anh quốc- Nanomet là đơn vị đo lường bằng một phần tỷ của
mét).
Chương trình Nano quốc gia của Mỹ NNI định nghĩa công nghệ nano phải
bao hàm:
- Nghiên cứu và phát triển cơng nghệ ở cấp độ phân tử với kích thước


6

khoảng 1-100 nm.

- Tạo ra và sử dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và chức
năng mới do kích thước cực nhỏ.
- Có khả năng kiểm soát và thao tác ở cấp độ nguyên tử [2], [6].
Theo Website của United Stales National Nanotechnology Initiative thì đưa
ra định nghĩa như sau: “Cơng nghệ nano là xử lý thơng tin và kiểm sốt vật chất ở
các chiều xấp xỉ từ 1 đến 100 nm, nơi mà những hiện tượng khác thường xảy ra có
khả năng cho phép những ứng dụng mới lạ” [8].
Một cách tổng quát khoa học và công nghệ nano là khoa học và công nghệ
nhằm tiếp cận, tạo ra các vật liệu, linh kiện và hệ thống có các tính chất mới nổi trội
nhờ vào kích thước nanomet, đồng thời hiểu được và điều khiển được các tính chất
và chức năng của chúng khi ở kích thước nanomet. Cơng nghệ nano là một khoa
học liên ngành, là sự kết tinh của nhiều thành tựu khoa học trên nhiều lĩnh vực khác
nhau (bao gồm toán học, vật lý, hoá học, y-sinh học…) và là một ngành cơng nghệ
có rất nhiều tiềm năng.
1.1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Nghiên cứu các vấn đề c ơ b ản của vật lý học, hóa học, sinh học của các cấu
trúc nano. Từ các kết quả c ủa khoa học nano đi đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc
nano. Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau:
- 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 trung bình hóa với rất
nhiều ngun tử (1 μm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng
giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít ngun tử hơn thì các tính chất
lượng tử thể hiện rõ ràng hơn [2], [44].
- Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số nguyên tử trên bề
mặt và tổng số nguyên tử (gọi là tỉ số f) của vật liệu gia tăng (Bảng 1.1). Do nguyên
tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở 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, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi

7
kích thước của vật liệu giảm đến nano mét thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Hiệu
ứng bề mặt ln có tác dụng với tất cả các giá trị kích thước, hạt càng bé thì hiệu
ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây khơng có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối
truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ
qua. Vì vậy việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng [2],
[44].
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [4],[41]

Năng lượng bề
mặt/năng
Tỉ số nguyên tử Năng lượng bề
lượng tổng
trên bề mặt (%) mặt (erg/mol)
(%)

Đường kính
hạt nano
(nm)

Số nguyên tử

10

30000

20

4,8.1011

7,6

5

4000

40

8,6.1011

14,3

2

250

80

2,04.1011

14,3

1

30

90

9,23.1012

82,2

Kích thước tới hạn (hiệu ứng kích thước): Các tính chất vật lý, hóa học của
các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước
này thì tính chất của nó hồn tồn 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 của vật liệu. Kích thước tới hạn của một số tính
chất của vật liệu được thống kê trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Kích thước tới hạn của một số tính chất của vật liệu [4],[41]
Lĩnh vực
Tính chất điện

Tính chất

Độ dài tới
hạn (nm)

Bước sóng lượng tử

10-100

Quãng đường tự do trung bình khơng đàn

1-100


8

hồi

Tính chất từ

Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Độ dày vách đơmen

10-100

Qng đường tán xạ spin

1-100

Hố lượng tử

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100

Độ dài liên kết cặp Cooper

0.1-100

Độ thẩm thấu Meisner

1-100

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

Tính chất quang

Tính siêu dẫn

Tính chất cơ

Xúc tác
Siêu phân tử
Miễn dịch
1.1.3. Vật liệu nano
a. Khái niệm

Vật liệu nano là những vật liệu mà trong cấu trúc của nó có ít nhất một chiều
có kích thước cỡ nanomet [6], [44].
Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối
của vật liệu. Kích thước của vật liệu nano khoảng vài nanomet đến vài trăm

nanomet. Phạm vi kích thước này nằm trung gian giữa vật chất vi mô tuân theo các
qui luật của cơ học lượng tử và vật chất vĩ mô tuân theo những qui luật của cơ học
cổ điển, vì vậy vật liệu nano có những tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu
khối đã được nghiên cứu trước đó như tính chất từ, tính chất quang,….


9
Vật liệu nano bao gồm các lá nano, sợi nano, ống nano và hạt nano. Ở kích
thước nano vật liệu có những tính năng đặc biệt mà vật liệu khối khơng có được đó
là do sự thu nhỏ kích thước dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt [2], [6].
b. Phân loại vật liệu nano
Theo trạng thái của vật liệu người ta có thể phân thành ba loại vật liệu nano
rắn, lỏng, khí. Tuy nhiên, hiện nay vật liệu nano rắn đang được chú trọng nghiên
cứu hơn vật liệu nano lỏng hay khí.
* Phân loại theo hình dáng của vật liệu:
- Vật liệu nano không chiều là vật liệu trong đó cả ba chiều điều có kích thước
nanomet, do đó vật liệu nano khơng chiều cịn được gọi là vật liệu nano ba chiều. Ví dụ
như hạt nano, keo nano, …
- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó có một chiều có kích thước
nanomet. Ví dụ như dây nano, ống nano,…
- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó có hai chiều có kích thước nanomet.
Ví dụ như màng nano,…
Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nanomet, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều, một
chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau như Ag/silica...
* Phân loại theo tính chất vật liệu:
- Vật liệu nano kim loại.
- Vật liệu nano bán dẫn.
- Vật liệu nano từ tính.
- Vật liệu nano sinh học [4], [41].

1.1.4. Đặc điểm tính chất của vật liệu nano
Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng
rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay là do đối tượng của chúng là vật liệu
nano có những tính chất kì lạ khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người
ta nghiên cứu trước đó. Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước
của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất


10

hóa lí của vật liệu. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính
chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ
so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó khơng đúng nên
các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này [2], [6], [44]. Sản phẩm từ vật liệu
nano có nhiều tính năng ưu việt, có ý nghĩa quan trọng và cực kỳ hấp dẫn vì những
lí do sau đây:
- Tương tác của các ngun tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi
các biến đổi trong phạm vi thang nano. Do đó, khi làm thay đổi cấu hình trong
thang nano của vật liệu ta có thể “điều khiển” được tính chất của vật liệu mà khơng
phải thay đổi thành phần hóa học của chúng. Ví dụ, thay đổi kích thước của hạt
nano sẽ làm chúng đổi màu ánh sáng phát ra hoặc thay đổi các hạt nano từ tính để
chúng trở thành một đơmen thì tính chất từ của chúng thay đổi hẳn.
- Vật liệu nano có diện tích mặt ngồi rất lớn nên rất lý tưởng dùng vào chức
năng xúc tác cho các hệ phản ứng hóa học, hấp phụ, nhả thuốc chữa bệnh từ từ
trong cơ thể, lưu trữ năng lượng và liệu pháp thẩm mỹ.
- Vật liệu có chứa các cấu trúc nano có thể cứng hơn nhưng lại bền hơn vật
liệu không hàm chứa cấu trúc nano. Các hạt nano phân tán trên một nền thích hợp
có thể tạo ra các vật liệu compozit siêu cứng.
- Tốc độ tương tác và truyền tín hiệu giữa các cấu trúc nano nhanh hơn giữa
các cấu trúc micro rất nhiều và có thể sử dụng các tính chất siêu việt này để chế tạo

các hệ thống nhanh hơn với hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn.
- Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano nên các bộ
phận nhân tạo dùng trong tế bào có tổ chức cấu trúc nano bắt chước tự nhiên thì
chúng sẽ tương hợp sinh học. Điều này cực kỳ quan trọng trong việc bảo vệ sức
khỏe[6], [44].
1.1.5. Ứng dụng của vật liệu nano
Các sản phẩm làm từ vật liệu nano đã được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh
vực như y dược, mỹ phẩm, điện tử, công nghiệp hóa học, các cơng trình có độ chính
xác cao…. Cơng nghệ nano có tác dụng làm giảm thiểu ơ nhiễm môi trường, phát


11
triển kinh tế, đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch trên toàn cầu, tăng cường sức khỏe
và tuổi thọ cho con người.... Theo dự đốn của World Technology Evaluation
Center thì sẽ khơng có ngành cơng nghệ nào khơng ứng dụng công nghệ nano.
a. Công nghệ nano với vấn đề sức khoẻ và y tế
Việc ứng dụng thành tựu của công nghệ nano vào y tế, bảo vệ sức khoẻ sẽ
tạo ra bước nhảy vọt mới của thị trường dịch vụ y tế và thiết bị y tế. Nó làm tăng tốc
độ và hiệu quả trong chuẩn đoán, điều trị bệnh. Với công nghệ này, người ta đã chế
tạo được các thiết bị siêu nhỏ và đủ “thông minh” để đưa thuốc đến đúng địa chỉ
cần thiết trong cơ thể, hay có thể can thiệp lên các tổ chức tế bào trong cơ thể để có
thể đảm bảo thuốc khơng ảnh hưởng đến những tế bào khoẻ mạnh gây tác dụng phụ
nguy hiểm.
Một lĩnh vực mới của công nghệ nano đang được phát triển là chế tạo các
vật liệu nano có tính chất mơ phỏng sinh học, từ đó có thể thay thế, sửa chữa được
các mô hỏng trong cơ thể con người. Hạt nano vàng được dùng để truyền dẫn thuốc
được mơ tả ở Hình 1.1.

Hình 1.1. Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc
Gần đây, các nhà khoa học thuộc Memorial Sloan - Kettering Center tại New

York đã thành công trong việc chế tạo một thiết bị nano bé xíu, mắt thường khơng
nhìn thấy được mà khi thả vào cơ thể con người - nó có chức năng săn lùng các tế


12
bào ung thư. Thiết bị này được trang bị kháng thể, có nhiệm vụ nhận dạng các tế
bào ung thư và các hạt nguyên tử actinium, nó thâm nhập vào nhân của tế bào ung
thư và lúc đó các hạt nguyên tử actinium tiến hành “bắn phá” tiêu diệt các tế bào
này.
Các nhà khoa học thuộc trường đại học Canifornia, San Diego đã tạo ra
những miếng xốp rất nhỏ mô phỏng những tế bào hồng cầu và có khả năng hút các
độc tố gây chết người bao gồm nọc rắn và vi khuẩn ra khỏi máu [42].
b. Công nghệ nano với vấn đề năng lượng
Để giải quyết vấn đề năng lượng - một thách thức nghiêm trọng trong thế kỉ
này, người ta đã thu được nhiều kết quả khả quan từ công nghệ nano. Các loại pin
mặt trời với hiệu suất cao, giá thành giảm, chất xúc tác nano để nâng cao hiệu suất
chuyển năng lượng của hyđrocacbon thành nhiệt năng, vật liệu nano để chế tạo các
loại vật liệu điện từ mới, các thiết bị điều khiển mới nhằm tiết kiệm năng lượng đã
xuất hiện.
Nhờ công nghệ nano, những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo sẽ
giúp con người sản xuất năng lượng sạch. Với công nghệ nano, người ta cũng có thể
chế tạo ra những thiết bị ít tiêu tốn năng lượng hơn do sử dụng những loại vật liệu
nhỏ nhẹ hơn. Hơn nữa, các màng nano (với chi phí sản xuất rất thấp) hứa hẹn có thể
hấp thụ được nhiều năng lượng mặt trời hơn quang điện hiện nay và có thể khởi
động cho một cuộc cách mạng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời. Hiện nay,
các công ty đang tập trung vào nghiên cứu lĩnh vực này là Carbon
Nanotechnologies, NanoSolar, Nanosys và UltraDots.
Công nghệ nano mở ra con đường mới đầy hứa hẹn trong việc tạo ra tế bào
năng lượng mặt trời không tốn kém cũng như cải tiến hiệu suất và giảm giá thành
của tế bào nguyên liệu, được xem là nguồn năng lượng cho xe hơi và xe tải trong

tương lai [43].
c. Công nghệ nano với vấn đề môi trường
Để giải quyết những vấn đề mơi sinh, người ta có thể tạo ra những màng lọc
các phân tử gây ô nhiễm nhỏ bé nhất, công nghệ nano này giờ đây đang được áp


13
dụng khá phổ biến ở Pháp để lọc nước thải [43].
Các chất làm sạch môi trường cũng đang là vấn đề được quan tâm. Các loại
hạt nano hoạt tính cao có thể hấp thụ hoặc vận chuyển chất gây ơ nhiễm thành dạng
keo huyền phù hoặc sol khí. Các hạt này cũng có thể tham gia vào các q trình hố
học phức tạp trong khí quyển hoặc trong đất mà ta có thể lựa chọn để khắc phục
hoặc làm giảm nhẹ các thảm họa ô nhiễm môi trường.
Công nghệ nano tiềm năng là “một giấc mơ xanh nhân đôi”. Với cơng nghệ
nano chúng ta có thể tạo ra những sản phẩm và quy trình xanh ngay từ lúc ban đầu.
Cơng nghệ nano cho phép chúng ta thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình
sản xuất truyền thống gây ô nhiễm môi trường bằng những hóa chất, vật liệu và
những quy trình thân thiện với mơi trường hơn. Paul Anastas, giám đốc của viện
hóa học xanh thuộc hội hóa học Mỹ cho rằng: “Chúng ta đang ở giai đoạn không
thể chống đỡ được với hiểm họa môi trường. Dường như cách mạng nano không
phải là một sự lựa chọn mà nó là một cơng nghệ thiết yếu có thể giải quyết được
vấn đề này”.
d. Công nghệ nano với công nghệ thơng tin
Sự ra đời của máy tính điện tử đã mở ra cuộc cách mạng khoa học công nghệ
thông tin với những bước phát triển đột phá trong những thập niên cuối thế kỉ XX
cho đến nay. Tuy nhiên, các linh kiện máy tính sử dụng cơng nghệ này đã tiệm cận
giới hạn lý thuyết và tiếp tục phát triển, chúng trở nên q đắt đỏ. Nếu khơng tìm ra
được biện pháp thay thế hữu hiệu các linh kiện cũ này thì sẽ khơng thể đáp ứng
được nhu cầu của bộ nhớ ngày càng lớn theo tốc độ phát triển rất nhanh của công
nghệ thông tin. Từ đây công nghệ nano ra đời, đã đưa ra một giải pháp tuyệt vời cho

bài tốn hóc búa này. Đó chính là chấm lượng tử. Chấm lượng tử là một hạt (bán
dẫn, kim loại, polyme) có bán kính cỡ vài nanomét. Người ta đã nghiên cứu và chế
tạo được các chíp máy tính với các chấm lượng tử gọi là chíp nano có độ tích hợp
rất cao, triển vọng cho phép tăng dung lượng bộ nhớ của máy tính, có thể chứa
thơng tin từ tất cả các thư viện trên thế giới trong thiết bị nhỏ như một viên đường.
Công nghệ nano cũng được ứng dụng trong chế tạo các linh kiện quang điện


14
tử trong các màn hình tinh thể lỏng, thiết bị phát tia laze,... với độ chính xác cỡ vài
nano mét. Nhiều phịng thí nghiệm đang bắt tay vào nghiên cứu thế hệ máy tính
nano, máy tính có các chi tiết được thiết kế bằng việc sắp xếp những nguyên tử mới
có khả năng lưu giữ (chứa được nhiều terabyte thơng tin), xử lý thông tin với tốc độ
lớn hơn hiện nay rất nhiều lần và đặc biệt là giá thành rẻ [3], [6].
e. Cơng nghệ nano trong cơ khí, vật liệu, điện tử
Công nghệ nano hiện nay tập trung nghiên cứu mạnh trong lĩnh vực vật liệu.
Việc tìm ra những vật liệu mới với tính năng cơ-lí-hố đặc biệt để ứng dụng trong
cơ khí, xây dựng đang là lĩnh vực nghiên cứu mạnh nhất trong ngành khoa học này.
Các ống nano cũng có thể làm sợi tóc thắp sáng bóng đèn, do vậy mà chúng
đang được phát triển để thay thế các bóng điện, các bảng hiển thị thơng tin, màn
hình máy tính, điện thoại di động. Các ống nano cũng cực kỳ vững chắc, có sức
mạnh gấp mười lần thép và đặc biệt là kháng nhiệt, điều này có thể giúp con người
sản xuất ra hàng loạt thiết bị cho ngành sản xuất xe hơi, máy bay và tàu vũ trụ. Đặc
biệt, cơng nghệ nano trong tương lai cịn có thể cho phép tạo ra những vật liệu gần
giống với vật liệu trong cơ thể con người nhằm thay thế những phần cơ thể bị hỏng
của con người [3], [6].
f. Cơng nghệ nano với an ninh quốc phịng
Cơng nghệ nano cũng đóng vai trị rất quan trọng trong lĩnh vực an ninh quốc
phòng. Những thiết bị kỹ thuật siêu nhỏ có thể trở thành vũ khí nguy hiểm hơn cả
bom nguyên tử. Với một “đội quân” nhỏ bé không thể phát hiện bằng mắt thường

và có khả năng tự nhân bản, robot siêu nhỏ có thể tiêu diệt được kẻ thù chỉ trong
chớp nhống. Đây cũng chính là mặt trái của cơng nghệ nano khiến cho khơng ít
các nhà khoa học băn khoăn liệu có thể coi nano là một hiểm họa giống như khi
Albert Einstein phát hiện ra phản ứng phân hạch hạt nhân hay không. Hiện nay
công nghệ nano đang là một thách thức đối với chiến lược phát triển khoa học ở
nhiều nước, đặc biệt là những nước có nền khoa học phát triển như Mỹ, Đức, Pháp
và Nhật Bản.
Ngoài những ứng dụng cơ bản trên, cơng nghệ nano cịn có nhiều ứng dụng


15

quan trọng trong nhiều ngành nghề khác nhau như thực phẩm, nông nghiệp, may
mặc,…. Trên cơ sở khoa học và thực tiễn đã thu được, ta có thể thấy rằng chắc chắn
công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc cách mạng chưa từng có trong khoa học và đời
sống [3], [6].
1.1.6. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để tổng hợp vật
liệu nano như vật lý, hóa học, sinh học,.... Nhưng xét một cách tổng thể thì chỉ có
hai phương pháp chung: phương pháp đi từ trên xuống và phương pháp đi từ dưới
lên.
a. Phương pháp đi từ trên xuống (top-down)
Phương pháp đi từ trên xuống là phương pháp dùng kỹ thuật nghiền hoặc
biến dạng để biến các vật liệu đến kích thước nano.
* 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 cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung, nghiền
quay. Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết
quả thu được là vật liệu nano không chiều.
* Phương pháp biến dạng

Phương pháp biến dạng có thể 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 lớn hơn nhiệt
độ phịng thì gọi là biến dạng nóng, cịn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phịng thì gọi là
biến dạng nguội. Kết quả thu được là các hạt nano một chiều hoặc hai chiều.
Nhìn chung phương pháp đi từ trên xuống là phương pháp đơn giản, rẻ tiền
nhưng hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên tính đồng
nhất của vật liệu khơng cao và do vậy phương pháp đi từ trên xuống ít được dùng để
điều chế vật liệu nano so với phương pháp đi từ dưới lên [2], [8].
b. Phương pháp đi từ dưới lên (bottom-up)
Ngược với phương pháp đi từ trên xuống, phương pháp đi từ dưới lên hình
thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.
Ưu điểm của phương pháp này là tổng hợp được vật liệu nano với kích thước


16
nhỏ, đồng đều. Phần lớn các vật liệu nano hiện nay được điều chế từ phương pháp
này. Nó có thể là phương pháp vật lý, hoá học hoặc kết hợp cả hai phương pháp.
* Phương pháp vật lý
Đây là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha.
- Phương pháp chuyển pha
Vật liệu được đun nóng rồi làm nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng
thái vơ định hình. Sau đó tiến hành xử lý nhiệt để xảy ra q trình chuyển pha từ vơ
định hình sang tinh thể (phương pháp làm nguội nhanh).
- Phương pháp bốc bay nhiệt
Vật liệu được đốt “phương pháp đốt” hoặc dùng tia bức xạ hoặc phóng điện
hồ quang làm cho bay hơi. Sau khi ngưng tụ hơi ta sẽ thu được các hạt bột mịn có
kích thước nano.
*Phương pháp hố học
Phương pháp hoá học là phương pháp chế tạo vật liệu nano từ các ion hoặc
nguyên tử. Đây là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp vật liệu nano.

Ưu điểm của phương pháp này là có thể tổng hợp được tất cả các dạng của
vật liệu nano như dây nano, ống nano, hạt nano, thậm chí là cả các cấu trúc nano
phức tạp mô phỏng sinh học. Hơn nữa, phương pháp này còn cho phép can thiệp để
tạo ra các vật liệu nano với kích thước nhỏ như mong muốn với độ đồng đều cao.
* Phương pháp khử hoá học
Ở phương pháp khử hoá học, muối của kim loại tương ứng được khử với sự
có mặt của các tác nhân làm bền để khống chế sự lớn lên của các hạt và ngăn cản sự
keo tụ của chúng.
Ưu điểm của phương pháp này là quy trình thực hiện đơn giản, khơng địi hỏi
các thiết bị đắt tiền, có thể điều khiển kích thước hạt như mong muốn và cho phép
tổng hợp vật liệu với khối lượng lớn. Phương pháp này chủ yếu để tạo ra các hạt
nano kim loại.
* Phương pháp sử dụng các hạt nano có sẵn trong tự nhiên
Các chất có sẵn trong tự nhiên như zeolit, các hạt sét, các phân tử sinh
học,… có rất nhiều các lỗ nhỏ với kích thước nano mét. Các chất này vì thế có thể