Công nghệ nano là tổng hợp, phân tích chế tạo ứng dụng các cấu trúc thiết bị
và hệ thống bằng việc điều khiển hình dạng kích thớc trên cấp độ nanomet (Viện
Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu - ĐHBKHN).
Theo giáo s Norio Tanigu của Đại Học Khoa học Tokyo: Công nghệ nano
bao gồm các quá trình của phân tách, làm bền và biến dạng của vật liệu bằng một
nguyên tử hoặc một phân tử Trong những năm 80, ý kiến cơ bản này đợc xem xét
sâu hơn bởi tiến sỹ Eri Dexrecler trong cuốn sách kỷ nguyên mới của công nghệ
nano và hệ thống nano, máy móc phân tử. Ông là ngời đã đẩy mạnh ý nghĩa quan
trọng về mặt công nghệ hiện tợng và ứng dụng của cấp độ nano và từ đó thuật ngữ
này đợc sử dụng tới ngày nay.
Công nghệ nano là một khoa học liên ngành bao gồm: Toán học, Vật lý,
Hoá học, Y học, Sinh học và là một ngành công nghệ có nhiều tiềm năng [20].
Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính:
- Cơ sở khoa học nano.
Toán học
Vật lý
Công nghệ nano
Hoá học
Công nghệ
thông tin
5
Y Sinh Học
Hình 1.1: Sơ đồ mối quan hệ nano với các ngành khác
- Công cụ và phơng pháp quan sát can thiệp ở cấp độ nano.
- Chế tạo và kiểm soát kích thớc, tính chất của vật liệu nano.
- ứng dụng vật liệu naono.
Trong đó nhiệm vụ của các nhà hóa học là phải điều chế và nắm bắt các
thông tin và điều khiển về cấu trúc, tính chất của vật liệu nano.
1.1.5. Khoa học nano.
Cùng với công nghệ nano, khoa học nano là một nhánh của khoa học vật liệu.
Khoa học nano là một ngành khoa học nghiên cứu các hiện tợng và sự can thiệp
(manipulation) vào vật liệu tại các 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 [2].
Thực ra các cấu trúc nano đã đợc các nhà khoa học biết đến từ hơn một thế kỷ
nay. Những hạt phân tán cực nhỏ đã đợc đề cập đến trong hóa học các hệ phân tán
hay còn gọi là hoá keo. Nhng do hạn chế về năng lợng của các phơng pháp nghiên
cứu trớc đây mà các hạt keo tuy có kích thớc nano nhng đợc sử dụng một cách lãng
phí hoặc làm mất đi bằng cách keo tụ [4], [27].
Do vậy, khoa học nano giúp chúng ta hiểu rõ hơn bản chất của quá trình
động học và xúc tác bề mặt, về chức năng hoá học của những màng sinh học và sự
tạo thành những tập hợp phân tử có những đặc tính siêu việt, đồng thời cho phép ta
tìm ra nhiều phơng pháp điều chế vật liệu nano một cách có hiệu quả.
1.2. ứng dụng của vật liệu nano.
Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động
nhất trong thời gian gần đây. Điều đó đợc thể hiện bằng số các công trình khoa
học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học,
công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Sản phẩm từ vật liệu nano có nhiều u việt,
trong đó có hai u việt chính sau [1], [3]:
6
Vì kích thớc cấu trúc nano rất nhỏ làm cho các sản phẩm dễ vi tiểu hình hóa,
do đó tiêu phí ít vật liệu, ít năng lợng, ít hoặc không gây ô nhiễm môi trờng và giá
thành sản phẩm giảm.
Sản phẩm công nghệ nano có nhiều tính năng mới, không thể thay thế bằng
các vật liệu khác đợc.
Vì vậy, công nghệ nano đã nhanh chóng thâm nhập vào các ngành công
nghiệp và mọi lĩnh vực của đời sống.
1.2.1. Công nghệ nano với vấn đề y tế và sức khoẻ.
ây l l nh vc c trông ch nht ca công ngh nano. Vì những tính
chất cực kỳ mới mẻ của cấu trúc nano, ngời ta đã vận dụng các cấu trúc này để
chữa bệnh, mà trớc đây chữa rất kém hiệu quả.
- Tìm ra những lộ trình mới để đa thuốc đến chỗ cần của cơ thể: khi bị viêm
do nhiễm khuẩn ở một vị trí nào đó của cơ thể, ta phải tiêm một loại thuốc kháng
khuẩn vào mạch máu và chỉ có một phần các phân tử thuốc đến vị trí có viêm, còn
các bộ phận khác của cơ thể cũng phải nhận một cách vô ích lợng tơng đối các
phân tử thuốc đó. Việc này hay dẫn đến những hiệu ứng phụ nguy hiểm. Phải làm
thế nào để các phân tử thuốc chỉ đến tập trung vào địa điểm cần đến. Ngời ta phát
hiện ra rằng các hạt nano từ tính có thể giúp việc này. Trớc hết phải chế tạo các hạt
nano có kích thớc nanomet mang từ tính (Ví dụ: bằng phơng pháp hoá học cho kết
tủa các oxit sắt). Các hạt nano đợc chế biến sao cho nó có thể móc nối với các phân
tử của loại thuốc cần dùng. Nh vậy các hạt nano đóng vai trò xe tải kéo rơ-mooc là
các phân tử thuốc. Chỉ việc dùng từ trờng (hoặc nam châm) hớng các xe tải nano
kéo thuốc đến đúng địa chỉ. Nh vậy sẽ vô cùng hiệu quả so với trớc. Đặc biệt là
ung th thì các tế bào ung th bị tấn công mạnh mẽ bởi sự tập trung các phân tử hoá
chất mạnh, tránh đợc cơ bản các hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành [1], [6].
- Các hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da: đối với việc sửa sang sắc đẹp
thì đã hình thành một ngành nano phẫu thuật thẩm mỹ (cosmetic nano - surgery).
7
Trớc đây, ngời ta thờng nghe nói vi phẫu thuật thẩm mỹ là mổ xẻ nhỏ (tiểu phân)
để bóc mỡ thừa, căng da, xoá nếp nhăn, mài vết sạm, đổi màu tóc và da Đây là
một thị trờng lớn có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra
đời nh công nghệ nano. Hiện nay, ngời ta dùng nhiều loại thuốc thẩm mỹ và bảo vệ
da. Ví dụ, đã thơng mại hoá loại kem chống tia tử ngoại, đó là loại kem bôi có
chứa các hạt nano oxit kẽm ZnO. Loại kem này trong suốt với bớc sóng dài của
ánh sáng (đỏ, da cam ) nên da dễ bắt màu nâu đẹp. Đồng thời các hạt nano oxit
kẽm ngăn chặn tia tử ngoài (bớc sóng ngắn) tới da có thể gây ung th da. Ngời ta
cũng đang nghiên cứu chế tạo các máy móc kích thớc phân tử gọi là máy nano
(chính máy này cũng là các phân tử) mà nếu thành công thì việc chữa bệnh, phẫu
thuật sẽ tuyệt diệu ở mức mà hiện nay khó hình dung nổi [6], [10].
- Mở ra triển vọng mới trong việc điều trị, các bệnh nan y. Hiện nay, y tế
nano đang tập trung vào những mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khoẻ con ngời,
đó là bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gen, các bệnh nan y hiện nay nh: HIV/
AIDS, ung th, tim mạch, các bệnh đang lan rộng nh: béo phì, tiểu đờng, liệt rung
(Parkinson), mất trí nhớ (Alheimer).
1.2.2. Đối với vấn đề năng lợng và môi trờng [1], [6], [10].
Để giải quyết các vấn đề năng lợng một cách thách thức nghiêm trọng trong
thế kỷ này, ngời ta thu đợc nhiều kết quả khả quan từ công nghệ nano.
Các sản phẩm năng lợng từ vật liệu nano nh:
+ Các nguồn năng lợng rẻ và sạch từ vật liệu nano.
+ Các loại pin năng lợng mặt trời nh các tế bào quang Vontaric.
+ Các thiết bị điều khiển tiết kiệm năng lợng nh các thiết bị chiếu sáng tiết
kiệm điện.
+ Các chất xúc tác từ vật liệu nano để nâng cao hiệu suất chuyển hóa năng l-
ợng từ dầu mỏ.
8
Khi vấn đề năng lợng này đợc giải quyết, nó sẽ kéo theo các vấn đề nguy cơ
về môi trờng cũng đợc giảm nhẹ.
Các chất làm sạch môi trờng cũng đang là vấn đề đợc quan tâm. Các máy
lọc tạo bởi ống cacbon nano, với hình trụ rỗng đờng kính vài nanomet có khả năng
lọc đợc các vi khuẩn và vi rút trong đờng ống. Các lồng nguyên tử rất nhỏ có khả
năng giữ chất ô nhiễm và chất hoá học chiến tranh trong nớc và đất.
1.2.3. Đối với công nghệ thông tin và viễn thông [1], [6], [10].
Nhờ vào kích thớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể chặt hơn làm tăng tỷ trọng
gói. Tỷ trọng gói cao có nhiều lợi ích nh tốc độ xử lý số liệu và khả năng lu trữ
thông tin tăng. Do đó, có nhiều ứng dụng trong máy tính, bộ nhớ và bộ xử lý thông
tin với dung lợng và tốc độ lớn. Nhờ phát hiện ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trên
các lớp nano sắt từ kép, ngời ta đã chế tạo ra đầu đọc cực nhạy cho các ổ đĩa cứng từ
đó, dung lợng của đĩa cứng tăng lên từ 10 -15 lần. Hãng Intel đã giới thiệu một bộ
xử lý kích thớc chỉ bằng 65nm. Các kỹ s hãng này tin tởng bộ xử lý 5nm có thể thực
hiện trong tơng lai. Công ty này còn giới thiệu hình ảnh các mẫu Transitor 65, 45,
32, 22 nm [23], [24].
Trong tơng lai:
+ Bộ vi xử lý sử dụng ít năng lợng và giảm về giá thành do đó làm tăng hiệu
quả của máy tính lên hàng triệu lần.
+ Thiết bị lu trữ có khối lợng nhỏ đi.
+ Bộ cảm biến tổng hợp: lựa chọn, xử lý, liên kết một lợng rất lớn dữ liệu
kích cỡ khối lợng nhỏ.
+ Tần số truyền cao và khả năng sử dụng hiệu suất cao các tín hiệu quang sẽ
làm cho độ rộng tần số giảm đi ít nhất 10 lần.
+ Lợng tử hoá tin học.
9
Ngoài ra các sản phẩm của ngành công nghệ nano còn đợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nh hàng không vũ trụ, công nghệ hoá học, nông nghiệp, thực
phẩm, mỹ phẩm
Đến những năm 90 của thế kỷ trớc, những ứng dụng quan trong của công
nghệ nano đã gây chấn động trong giới khoa học và kinh doanh. Quá trình toàn cầu
hoá, cạnh tranh và hợp tác giữa các nớc về công nghệ nano đang rất sôi động. Dẫn
đầu thuộc về ba động cơ kinh tế của thế giới: Mỹ, EU, Nhật Bản. Các nớc lớn nh
Nga, Trung Quốc, ấn Độ cũng có nhiều cở sở khoa học và công nghệ nghiên cứu
phát triển công nghệ nano [10].
Hàng ngày, theo dõi trên Internet sẽ thấy có hàng chục phát minh mới của
công nghệ thông tin và công nghệ truyền thông dựa trên công nghệ nano đợc công bố.
1.3. Một số phơng pháp chế tạo vật liệu nano [1], [3], [17].
Vật liệu nano đợc chế tạo bằng 2 phơng pháp: phơng pháp đi từ dới lên và từ
trên xuống. Phơng pháp từ trên xuống là phơng pháp tạo hạt kích thớc lớn hơn. Ph-
ơng pháp từ dới lên là phơng pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion.
10
1.3.1. Phơng pháp từ trên xuống.
Nguyên lý: Dùng kĩ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thớc
lớn về kích thớc nano. Đây là phơng pháp đơn giản, rẻ tiền nhng rất hiệu quả, có
thể chế tạo đợc một lợng lớn vật liệu nhng tính đồng nhất của vật liệu không cao.
Trong phơng pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột đợc trộn lẫn với những viên bi đợc
làm từ vật liệu rất cứng. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền
quay. Các viên bi va chạm v o nhau và phá vỡ bột đến kích th ớc nano. Kết quả thu
đợc là vật liệu nano không chiều.
Phơng pháp biến dạng có thể là dồn thuỷ lực, tuốt, cán ép. Nhiệt độ có thể đ-
ợc điều chỉnh tuỳ thuộc vào từng trờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ
phòng thì gọi biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì gọi là các
biến dạng nguội. Kết quả thu đợc là vật liệu nano 1 chiều hoặc 2 chiều.
Ngoài ra ngời ta còn dùng các phơng pháp quang khác nhau để tạo ra các
cấu trúc nano phức tạp nh: phân hủy, laze,
1.3.2. Phơng pháp từ dới lên.
Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phơng pháp
từ dới lên phát triển mạnh mẽ vì tính linh động và chất lợng của sản phẩm cuối
cùng. Phần lớn các vật liệu nano hiện nay đợc điều chế bằng phơng pháp này. Nó
có thể là phơng pháp vật lý, hoá học hoặc kết hợp cả hai phơng pháp hoá- lý.
1.3.2.1. Phơng pháp vật lý.
Đây là phơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha.
a. Phơng pháp chuyển pha.
Vật liệu đợc đun nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đợc trạng thái
vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra quá trình chuyển pha từ vô định hình sang tinh
thể (phơng pháp làm nguội nhanh).
b. phơng pháp bốc bay nhiệt.
11
Vật liệu đợc đốt hoặc dùng tia phóng xạ hoặc phóng điện hồ quang làm bay
hơi vật liệu. Sau đó vât liệu đợc ngng tụ lại và tạo ra các bột mịn, nhỏ vào kích cỡ
nano. ví dụ: phơng pháp phóng điện hồ quang; ngời ta dùng một bình chân không
có khí trơ thổi qua áp suất thấp. Trong bình có hai điện cực nối với một điện thế
lớn. Khi mồi cho phóng điện sẽ xảy ra hiện tợng giữa hai điện cực: anot bị điện tử
bắn phá làm cho các nguyên tử ở đây bốc bay lên (bốc bay nhiệt) bị mất điện tử trở
thành ion dơng hớng về catot, do đó catot bị phủ một lớp vật liệu bay sang từ anot.
Thành phần chất làm điện cực ảnh hởng đến thành phần cấu trúc, hiệu suất của hạt
nano tạo thành. Phơng pháp này không tạo đợc hạt nano ở dạng khối mà chủ yếu ở
dạng bột mịn.
1.3.2.2. Phơng pháp hoá học.
Vật liệu cấu trúc nano nói chung, bạc nano nói riêng chủ yếu đợc tổng hợp
bằng hai phơng pháp chính là phơng pháp vật lý và phơng pháp hoá học, trong đó
phơng pháp hoá học là phơng pháp hiệu quả để điều chế vật liệu nano. Do phơng
pháp này yêu cầu thiết bị đơn giản sản phẩm tạo ra có sự đồng nhất về cấu trúc và
kích thớc hơn phơng pháp khác. Hơn nữa ở phơng pháp hoá học ta kiểm soát đợc
các điều kiện phản ứng, các yếu tố ảnh hởng đến kích thớc hạt cũng nh cơ chế của
quá trình tổng hợp, từ đó tìm đợc những quy trình tổng hợp tối u hơn. Vì vậy, ở đây
chúng tôi chỉ giới thiệu một số phơng pháp hoá học để điều chế bạc nano
a. Phơng pháp sử dụng màng các chất đa điện ly.
12
Một đặc điểm của các màng này là có chứa nhiều nhóm mang điện tích trái
dấu. Một số chất đa điện li đợc sử dụng nh polyarcylic axit PAA, polyallylamin
hidroclorua PAH, polyetylenimit PEI. Chúng có các nhóm cacbonyl hoặc các
nguyên tử nitơ tơng ứng mang điện tích âm nên sẽ hấp thụ ion kim loại, và tạo
thành các chất bền trên màng polyme đó. Sau đó ta sử dụng các chất khử thích hợp
để khử các ion kim loại thành sản phẩm là các màng kim loại cấu trúc nano đơn
lớp hoặc đa lớp.
Phơng pháp này đợc ứng dụng để tổng hợp vật liệu gồm 1 hoặc 2 kim loại.
Ta có thể điều khiển kích thớc của màng bằng cách thay đổi nồng độ ion kim loại.
c. Phơng pháp phân huỷ nhiệt.
Trong phơng pháp này ngời ta tiến hành phân huỷ phức của một kim loại với
axit béo ở 250
o
c trong môi trờng có khi nitơ, sẽ tạo ra các hạt kim loại đơn phân
tán và bền. Phân tích sản phẩm ngời ta thấy các hạt nano sinh ra đợc phủ bằng một
lớp mỏng axit béo. Chính sự bao phủ này giúp cho các hạt nano bền hơn và ngăn
cản không cho chúng tổ hợp với nhau ngay cả khi hoà tan chúng vào dung môi
hoặc hoá hơi chúng. Đấy là phơng pháp mới, không gây ô nhiễm môi trờng và kích
thớc hạt tạo ra tơng đối nhỏ (khoảng 5 nm) nhng đòi hỏi các thiết bị thí nghiệm
khá hiện đại.
d. Phơng pháp sol-gel.
Đây là phơng pháp hữu hiệu để chế tạo nhiều bột nano, với thành phần và
cấu trúc mong muốn, dễ điều khiển kích thớc hạt, độ mịn và độ đồng đều của hạt
cao.
Vật liệu đầu thờng là muối kim loại vô cơ hoặc hợp chất cơ kim. Điều chính
yếu của phơng pháp này là điều khiển tốt các quá trình phản ứng. Vấn đề này phụ
thuộc vào việc lựa chọn chất tham gia phản ứng, chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ
phản ứng và nồng độ các chất tham gia phản ứng.
13
Quá trình sol- gel đợc dùng làm bột mịn với các bột dạng hình cầu, tổng hợp
màng mỏng để phủ lên bề mặt các vật liệu khác, làm gốm sứ thuỷ tinh, làm các
màng xốp
e. Sử dụng các hạt nano có sẵn trong tự nhiên.
Sử dụng các khuôn có sẵn trong tự nhiên để làm môi trờng phản ứng nh
zeolit các hạt sét, các khuôn sinh học.
Vì chúng có các lỗ nhỏ kích thớc nano nên ta có thể khống chế đợc kích th-
ớc vật liệu sinh ra trong các khuôn đó.
g. Phơng pháp khử hoá học.
Trong phơng pháp này, ngời ta thực hiện khử muối của kim loại tơng ứng
trong sự có mặt của các tác nhân làm bền, để khống chế sự lớn lên của các hạt keo
và ngăn cản sự keo tụ của chúng.
Phơng pháp này có u điểm là quy trình thực hiện đơn giản không đòi hỏi các
thiết bị đắt tiền có thể điều khiển kích thớc mong muốn và có thể tổng hợp lợng
lớn.
Phơng pháp này chủ yếu để tao ra các hạt nano kim loại.
1.3.2.3 Phơng pháp kết hợp.
Đây là phơng pháp chế tạo vật liệu nano trên cả hai nguyên tắc vật lý và hoá
học.
Phơng pháp siêu âm hoá học: Các chất phản ứng đợc hoà tan trong nớc vì
vậy chất bảo vệ là chất hoạt động bề mặt hoặc là các polyme hoà tan trong nớc.
Chúng vừa có vai trò bảo vệ sản phẩm vừa là nguồn để tạo ra các gốc tự do. Khi
bắn sóng siêu âm (tần số 20KHZ) vào dung dịch làm các phân tử nớc phân ly
thành gốc tự do H
.
, OH
.
Các gốc này lại tơng tác với các polyme hoặc các chất hoạt
động bề mặt tạo ra gốc tự do thứ cấp R
.
sẽ khử ion kim loại thành kim loại.
Các phản ứng:
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét