Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
1 Giới thiệu chung về công nghệ nano

1 Giới thiệu chung về công nghệ nano

Tải bản đầy đủ - 0trang

4



Hơn một thập kỷ sau, nhà khoa học người Nhật Norio Taniguchi

là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “nanotechnology” (cơng nghệ nano). Ơng cho

rằng cơng nghệ nano bao gồm việc xử lý, tách, hợp nhất và biến dạng vật liệu bằng

một nguyên tử hoặc một phân tử. Vào năm 1981 cùng với sự phát triển của

“scanning tunneling microscope” (kính hiển vi qt xun hầm) có thể "nhìn thấy"

các ngun tử riêng biệt và công nghệ nano hiện đại bắt đầu phát triển.

Đầu thế kỷ 21 đã cho thấy sự quan tâm ngày càng gia tăng trong các lĩnh vực

mới nổi trội của khoa học nano và công nghệ nano. Tại Hoa Kỳ, khái niệm và thao

tác về vật chất ở cấp độ nguyên tử của Feynman đóng một vai trò quan trọng trong

việc hình thành các ưu tiên hàng đầu của khoa học quốc gia. Vào ngày 21 tháng 1

năm 2000, tổng thống Bill Clinton đã tài trợ cho việc nghiên cứu công nghệ mới

này trong một bài phát biểu tại Caltech. Ba năm sau tổng thống George W. Bush đã

ký đạo luật về Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ nano ở thế kỷ 21.

Công nghệ nano đã trở thành nền tảng cho các ứng dụng công nghiệp và tăng

dần theo cấp số nhân. Chẳng hạn như trong dược phẩm, cơng nghệ nano đã có

những ứng dụng về thiết bị y tế như bộ cảm biến sinh học dùng để chẩn đoán, hệ

thống phân phối thuốc và đầu dò hình ảnh. Đối với ngành thực phẩm và mỹ phẩm,

việc sử dụng vật liệu nano đã tăng lên đáng kể để cải tiến sản xuất, bao bì, thời hạn

sử dụng.

Ngày nay, những lợi ích cùng với tiềm năng của công nghệ nano rất nhiều và

đa dạng. Tuy nhiên, các vật liệu chứa các hạt nano có thể là mối quan ngại đối với

sức khỏe con người và môi trường. Những mối quan tâm này đã dẫn đến sự xuất

hiện các ngành khoa học như Nanotoxicology (độc tính của vật liệu nano) và

Nanomedicine (công nghệ dược nano). Một số lợi ích của các vật liệu nano y tế

gồm cải thiện việc phân phối thuốc, giảm viêm, lớp phủ kháng khuẩn của thiết bị y

tế, phát hiện các tế bào ung thư. Bên cạnh đó, do thiếu dữ liệu đáng tin cậy về độc

tính nên khả năng ảnh hưởng đến sức khoẻ con người vẫn là mối quan tâm lớn [3].



GVHD: TS. Nguyễn Thành Danh



5



1.1.2 Khái niệm công nghệ nano

Công nghệ nano là thuật ngữ về các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật nơi các

hiện tượng diễn ra ở các kích thước trên quy mơ nanomet được sử dụng trong thiết

kế, phân tích, sản xuất, ứng dụng vật liệu, cấu trúc, thiết bị và hệ thống [4].

1.1.3



Ứng dụng của công nghệ nano



Công nghệ nano là ngành công nghệ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như

y học, điện tử, may mặc, thực phẩm,…

 Y học

Nhiều phương pháp điều trị ung thư khác nhau đã được thử nghiệm để có thể

hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Ví dụ như các hạt

nano vàng được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt

độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngồi để có thể tiêu diệt các khối u.

Ngồi ra, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot vô cùng đặc

biệt. Những chú robot có kích thước siêu nhỏ có thể đi vào bên trong cơ thể con

người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết.

 Điện tử

Một số sản phẩm phổ biến như chuột, bàn phím, vỏ bọc được phủ một lớp

nano kháng khuẩn. Công nghệ nano cũng đóng góp khơng nhỏ trong lĩnh vực cơng

nghệ năng lượng. Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống

nanowhiskers. Các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó

lưu trữ được nhiều điện năng hơn trong khi kích thước của pin sẽ ngày càng thu

hẹp.

 May mặc

Ngành công nghiệp thời trang đã áp dụng công nghệ nano trong một số loại

vải đặc biệt. Người ta đã sử dụng các hạt nano bạc có khả năng diệt vi khuẩn gây



GVHD: TS. Nguyễn Thành Danh



6



mùi hơi khó chịu trong quần áo. Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn

và tiêu diệt các tế bào của chúng.

 Thực phẩm

Công nghệ nano cũng giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng

cách tạo ra những vật liệu đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn. Ví dụ nhiều loại

tủ lạnh hoặc một số loại hộp thực phẩm cao cấp hiện nay được phủ một lớp nano

bạc bên trong để tiêu diệt vi khuẩn.

1.2



Vật liệu nano



1.2.1



Khái niệm



Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước nanomet, nó là đối tượng nghiên

cứu liên kết hai lĩnh vực khoa học nano và cơng nghệ nano. Kích thước vật liệu

nano nằm trong khoảng từ vài nanomet đến vài trăm nanomet, phụ thuộc vào bản

chất vật liệu với tính chất cần nghiên cứu [5].

1.2.2 Phân loại

Đối với trạng thái của vật liệu, người ta chia thành ba nhóm là trạng thái rắn,

trạng thái lỏng và trạng thái khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay

chủ yếu là vật liệu rắn, rồi mới đến chất lỏng và khí.

 Dựa vào hình dáng vật liệu người ta phân thành các loại:

 Vật liệu nano không chiều: Đây là loại vật liệu cả ba chiều đều có kích thước

nano, khơng còn chiều tự do nào cho điện tử. Ví dụ như đám nano, hạt nano,



 Vật liệu nano một chiều: Đây là loại vật liệu trong đó hai chiều có kích thước

nano, điện tử được tự do trên một chiều và hai chiều còn lại khơng tự do. Ví

dụ như ống nano, dây nano,…

 Vật liệu nano hai chiều: Đây là loại vật liệu trong đó một chiều có kích thước

nano và điện tử được tự do trên hai chiều. Ví dụ như màng mỏng,…



GVHD: TS. Nguyễn Thành Danh



7



 Dựa vào tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano











người ta phân thành các loại:

Vật liệu nano kim loại

Vật liệu nano bán dẫn

Vật liệu nano từ tính

Vật liệu nano sinh học

Dựa vào cách phối hợp hai cách phân loại với nhau hoặc phối hợp hai

khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới, người ta phân loại như



sau:

 Hạt nano kim loại: trong đó “hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại”

được phân loại theo tính chất.

 Vật liệu nano từ tính sinh học: trong đó “từ tính”, “sinh học” đều được phân

loại theo tính chất [5].

1.3 Hạt nano

1.3.1



Khái niệm hạt nano



Thành phần cơ bản của công nghệ nano là các hạt nano. Theo tiêu chuẩn ISO

và ASTM, hạt nano là các hạt có kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Các hạt nano

thường được phân loại thành các hạt hữu cơ, vô cơ, cacbon và chúng thể hiện các

tính chất mới so với các hạt lớn hơn của cùng một vật liệu [6].

1.3.2



Phương pháp tổng hợp hạt nano



Có hai phương pháp cơ bản để tổng hợp hạt nano đó là phương pháp từ trên

xuống “top – down” và phương pháp từ dưới lên “bottom – up” [5], [7].

Top - down

- Là chia nhỏ khối vật liệu có kích

thước lớn để tạo thành các vật liệu

có kích thước nanomet như phương

pháp cơ học (nghiền, cán, đùn),

phương pháp ăn mòn laser,…



Bottom - up

- Là lắp ghép các nguyên tử, phân

tử để thu được các hạt có kích

thước nano như phương pháp hoá

học sol - gel, lắng đọng hơi hoá

học, phương pháp tự lắp ghép,

phương pháp khử vật lý; khử hố

GVHD: TS. Nguyễn Thành Danh



8



lý; khử hóa học,…

- Phương pháp thường áp dụng đối

với hạt nano kim loại như bạc,

vàng,…

Ưu điểm: đơn giản, khá hiệu quả.

Ưu điểm: tiện lợi, các hạt tạo ra có

Nhược điểm: thiết bị đắt tiền, tạo ra kích thước nhỏ và đồng đều, thiết

vật liệu có tính đồng nhất khơng bị đơn giản.

cao.

Nhược điểm: điều chế lượng lớn

vật liệu nano sẽ tốn kém.

Bảng 1. 1 Phương pháp tổng hợp hạt nano

1.4 Hạt nano kim loại

1.4.1



Khái niệm và nguồn gốc hạt nano kim loại

 Khái niệm



Khái niệm hạt nano kim loại dùng để mô tả các hạt có kích thước nano từ 1

đến 100 nanomet được tạo thành từ các kim loại [8].

 Nguồn gốc

Từ hàng nghìn năm nay, con người đã sử dụng các hạt nano kim loại (hạt

nano vàng, hạt nano bạc). Nổi tiếng nhất phải kể đến chiếc cốc Lycurgus được

người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước Công nguyên, hiện nay được

trưng bày ở bảo tàng Anh. Chiếc cốc có màu xanh lục khi nhìn ánh sáng phản xạ

trên cốc và có màu đỏ khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc và xuyên qua thành cốc.

Các phép phân tích ngày nay cho thấy trong chiếc cốc có các hạt nano vàng và bạc

có kích thước 70 nm. Đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ

thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và

ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu. Các nhà khoa học đã

thiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu được các tính chất thú vị của hạt [8].



GVHD: TS. Nguyễn Thành Danh



9



Hình 1. 2: Chiếc cốc Lycurgus được trưng bày ở bảo tàng Anh 2

1.4.2 Tính chất hạt nano kim loại

 Tính chất quang

Tính chất quang học của các hạt nano đã xuất hiện trong các sản phẩm của

con nguời từ thời cổ đại. Các hiện tượng này bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng

Plasmon bề mặt. Vì bản chất của kim loại có nhiều điện tử tự do cho nên plasmon

bề mặt là sự dao động của điện tử tự do trên bề mặt các hạt nano dưới tác dụng của

điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Nếu kích thước của hạt nano kim loại nhỏ

hơn so với bước sóng của ánh sáng tới thì hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

xảy ra. Màu sắc của các hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước, hình dạng và

mơi trường xung quanh của chúng [5].

 Tính dẫn điện

Các kim loại có khả năng dẫn điện rất tốt và điện trở của kim loại nhỏ là nhờ

vào mật độ điện tử tự do cao ở trong vùng dẫn [5].

 Tính chất nhiệt

Khi kích thước của hạt nano giảm thì nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm [5].



 Tính chất từ

2 https://www.amusingplanet.com/2016/12/lycurgus-cup-piece-of-ancient-roman.html



GVHD: TS. Nguyễn Thành Danh



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

1 Giới thiệu chung về công nghệ nano

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×