1
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
 ...
VẬT LIỆU NANO (Nanomaterials)?
 Là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống... có kích
thước nano (khoảng từ 1 đến vài t...
KHOA HỌC NANO (Nanoscience)?
 Là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và
sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu ...
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 ...
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 hưởn...
9
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 ...
Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu
Tính chất Độ dài tới hạn (nm)
Điện
Bước sóng điện tử
Quãng đường ...
 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...
 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
ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NAN...
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...
15
Chuỗi ADN 2,5 nm
LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO
 1974: thuật ngữ “nanotechnology” được Norio
Taniguchi (University of Tokyo) dùng lần đầu tiên....
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...
18
Robert F. Curl Jr.
Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley
C60 – Buckminsterfullerene
Nobel Prize in Chemistry 1996
“for...
LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO
 1990: Hội nghị quốc tế đầu tiên về vật liệu nano
được tổ chức tại California, Mỹ.
 1991: Sumi...
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
...
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...
Tên fullerene hay buckminster fullerene được đặt để tưởng nhớ kiến trúc sư
Richard Buckminster Fuller (1895 - 1983), người...
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 n...
25
Carbon Nanotubes
Sumio Iijima - 1991
ỐNG NANO CACBON
 Hoàn cảnh phát hiện: tương tự fullerence.
 Rất nhẹ, bền và cứng: nhẹ hơn thép 6 lần, bền hơn thép
200 l...
27
Nếu các tấm nano cuộn lại sao cho đường ziczac nằm dọc theo
trục của ống nano, thì ống sẽ có tính dẫn kim loại.
Nếu đườ...
ỐNG NANO CACBON
Ứng dụng:
 Làm dây dẫn lượng tử  các linh điện tử rất nhỏ
 Làm nguồn phát điện tử: Một bó ống nano cacb...
ỐNG NANO CACBON
Ứng dụng:
 Làm chất độn, trộn với polyme làm composit
nhẹ, bền hóa, bền cơ dùng trong sản xuất các
động c...
ỐNG NANO CACBON
 Hiện nay, chưa có phương pháp điều chế nào
cho phép sản xuất chỉ một loại ống nano như
cần thiết, mà chú...
31
32
BOTTOM UP:
 (Từ nhỏ lên to) là quá
trình lắp ráp của các
phân tử nano trong tự
nhiên:
- Tất cả các sinh vật đều
bắt đầu t...
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU
NANO
Có 4 nhóm phương pháp chính
 Mỗi phương pháp có các ưu nhược điểm riêng
 Có phương ph...
Phương pháp hoá ướt (wet chemical)
 Gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo
(colloidal chemistry), phương...
Ưu nhược điểm của phương pháp hóa ướt
 Ưu điểm:
 Các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, có thể là vật
liệu vô cơ,...
Phương pháp cơ học (mechanical)
 Gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học.
 Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng...
Ưu nhược điểm của phương pháp cơ học
 Ưu điểm:
 Đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế
tạo với một lượng...
Phương pháp bốc bay
 Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc
bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, h...
Phương pháp hình thành từ pha khí
 Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu
nano từ pha khí.
 Gồm các p...
THUẬN LỢI CỦA KỸ THUẬT NANO
 Tạo được các hạt đồng nhất.
 Hoạt hóa hạt dễ dàng.
 Tạo sản phẩm có tính chất khác thường....
HỨA HẸN CỦA KỸ THUẬT NANO
 Tạo được các thiết bị vô cùng nhẹ, kích thước thu nhỏ.
 Giảm tiêu hao năng lượng.
 Giảm ô nh...
43
CÁC LOẠI HẠT NANO
1. Vật liệu nano ba chiều
2. Vật liệu nano hai chiều
3. Vật liệu nano một chiều
44
1- Vật liệu nano ba chiều
 Hạt có cả 3 chiều đều cỡ nm.
 Thường là hạt hình cầu.
 Tạo thành do quá trình polime hóa nhũ...
CHẤM LƯỢNG TỬ
(Quantum dots)
 Có thể là chất bán dẫn, kim loại hay polime...
 Gọi là “chấm” vì chúng là những hạt có bán...
Chấm lượng tử bán dẫn CdSe
Màu sắc thay đổi theo kích thứơc!
4 nm = 0.000004 mm
47
 Ở đây, chấm lượng tử là các tinh thể nano của chất bán dẫn
(ví dụ CdSe) phân tán trong nền polime. Khi được chiếu tia
hồ...
Dung dịch của các hạt nano vàng cũng có màu sắc thay đổi theo kích thước!
Plasmon Band
@ ~ 520 nm
• Hoá học nano có nguồn ...
ỨNG DỤNG Y SINH CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ
 Đính vào phân tử dược phẩm để theo dõi đường đi của
thuốc
 Đính vào ADN, theo dõi và ...
Các thiết bị nano nhỏ bé có
thể đi vào cơ thể để chữa trị
ung thư?
http://smalley.rice.edu/emplibrary/SA285-76.pdf
Hồng cầ...
ỨNG DỤNG VẬT LÝ CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ
 Mỗi chấm lượng tử có hành vi như một nguyên tử,
tức trong nó có một số mức năng lượng ...
Các hạt nano kim loại
Khả năng phản ứng thay đổi theo kích thước!
Au Au
CO CO2
CO CO2
X
ỨNG DỤNG HOÁ HỌC CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ...
GiẢI THÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HẠT
NANO DỰA VÀO CẤU TRÚC ĐiỆN TỬ
 Tinh thể càng nhỏ càng có ít AO đóng góp vào dãi năng ...
Bước nhảy của chất bán dẫn phụ thuộc kích thước của nó
55
56
Màu sắc huỳnh quang từ hạt
nano phụ thuộc vào kích thước
của nó.
Ly Lycurgus, 300 A.D.
Các hạt nano của Au-Ag. Màu xanh...
2- Vật liệu nano hai chiều
Hạt có 2 chiều cỡ nm, chiều thứ ba dài hơn.
Ví dụ:
 Ống nano cacbon.
 Sợi nano nitrua bo (BN)...
3- Vật liệu nano một chiều
 Hạt có 1 chiều cỡ nm, hai chiều kia dài hơn.
 Dạng tấm.
Ví dụ:
 Silicat lớp (phyllosilicat)...
CẤU TRÚC CỦA PHYLLOSILICAT
 Gồm các lớp hai
chiều, trong đó 1
tấm bát diện tâm Al
hay Mg kết hợp với
2 tấm tứ diện. Giữa
...
TẠO NANOCOMPOSIT VỚI SILICAT LỚP
Có 2 cách:
 (1) Các polime len lỏi vào các hành lang và xen
vào giữa các lớp (Hình b): T...
61
62
63
Ví dụ để hình dung về phản ứng tự lắp ráp
 Ankan thiol là phân tử có đầu tròn to và đuôi dài. Đầu là nhóm
thiol (nhóm sul...
Ví dụ để hình dung về phản ứng tự lắp ráp
 S có ái lực lớn với vàng nên đầu thiol quay bám vào vàng, đuôi
hydrocacbon hướ...
A
• Kích thước hạt có thể được điều chỉnh bằng tỷ lệ HAuCl4 : alkanthiol
Au
S
S
S
S
SS
HAuCl4
C12H25SH
NaBH4
SO3
Au
S-S
S
...
67
THAO TÁC / ĐIỀU KHIỂN NGUYÊN TỬ,
PHÂN TỬ
1981: Kính hiển vi chui hầm quét (Scanning Tunneling Microscopy - STM)
được Bi...
• Trong các thí nghiệm STM, một đầu kim loại nhọn đường kính
khoảng 20 nm được đưa đến gần một bề mặt dẫn điện hay bán
dẫn...
69
KÍNH HiỂN VI CHUI HẦM QUÉT
(SCANNING TUNNELLING MICROSCOPY - STM)
• Không chỉ vẽ được hình ảnh của bề mặt và các phân
t...
Atomic Manipulation
Scanning
Probe Tip
Atom
• Phát minh STM dẫn đến sự phát triển các kỹ thuật khác
tương tự ở mức độ phân giải nguyên tử, được biết chung
là kính hiể...
TÀI LiỆU THAM KHẢO
 Leslay E. Smart, Elaine A. Moore. Solid state chemistry –
An introduction. Taylor and Francis Group, ...
of 72

Nanochemistry2012

Published on: Mar 3, 2016
Source: www.slideshare.net


Transcripts - Nanochemistry2012

  • 1. 1
  • 2. 2
  • 3. 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
  • 4. 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
  • 5. 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
  • 6. CÔNG NGHỆ NANO (Nanotechnology)?  Thiết kế, chế tạo, xác định tính chất và sử dụng vật liệu nano. 6
  • 7. 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
  • 8. 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
  • 9. 9 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.
  • 10. Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Điện Bước sóng điện tử Quãng đường tự do trung bình Hiệu ứng đường ngầm 10-100 1-100 1-10 Từ Vách đô men Quãng đường tán xạ spin 10-100 1-100 Quang Hố lượng tử Độ dài suy giảm Độ sâu bề mặt kim loại 1-100 10-100 10-100 Siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper Độ thẩm thấu Meisner 0.1-100 1-100 Cơ Tương tác bất định xứ Biên hạt Bán kính khởi động đứt vỡ Sai hỏng mầm Độ nhăn bề mặt 1-1000 1-10 1-100 0.1-10 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn Cấu trúc nhị cấp Cấu trúc tam cấp 1-100 1-10 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 10
  • 11.  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. ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT? 11
  • 12.  Diện tích bề mặt & năng lượng tự do bề mặt rất lớn. 12 ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?
  • 13.  Chuyển động nhiệt.  Tính riêng biệt của vật liệu (từng nguyên tử hay phân tử riêng lẻ). 13 ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?
  • 14. 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
  • 15. 15 Chuỗi ADN 2,5 nm
  • 16. 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
  • 17. 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. Fullerence có những tính chất hóa lý rất đặc biệt. C60 (Buckeyball) Curl, Kroto, Smalley 1996 Nobel Prize 17
  • 18. 18 Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley C60 – Buckminsterfullerene Nobel Prize in Chemistry 1996 “for their discovery of fullerenes”
  • 19. 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
  • 20. 20
  • 21. 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
  • 22. 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
  • 23. 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
  • 24. 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
  • 25. 25 Carbon Nanotubes Sumio Iijima - 1991
  • 26. ỐNG NANO CACBON  Hoàn cảnh phát hiện: tương tự fullerence.  Rất nhẹ, bền và cứng: nhẹ hơn thép 6 lần, bền hơn thép 200 lần.  Có thể xem là tạo thành từ các tấm graphit được cuốn lại thành ống.  Tùy thuộc cách cuốn tấm graphit mà ống nano cacbon là chất dẫn hay chất bán dẫn. Khả năng dẫn điện không bị ảnh hưởng khi ống bị biến dạng. 26
  • 27. 27 Nếu các tấm nano cuộn lại sao cho đường ziczac nằm dọc theo trục của ống nano, thì ống sẽ có tính dẫn kim loại. Nếu đường ghế bành nằm dọc theo trục của ống nano thì ống có tính bán dẫn. Đường ziczac Trục của ống nano nếu cuộn tấm nano từ phải qua trái hay ngược lại Trục của ống nano nếu cuộn tấm nano từ dưới lên hay ngược lại Đường ghế bành
  • 28. ỐNG NANO CACBON Ứng dụng:  Làm dây dẫn lượng tử  các linh điện tử rất nhỏ  Làm nguồn phát điện tử: Một bó ống nano cacbon, chỉ cần hiệu thế khoảng vài chục Volt là phát ra e theo hiệu ứng trường. (Nguồn phát e hiện nay trong đèn hình, ống phát tia X: Dùng sợi W nung nóng cho phát ra nhiệt e và dùng hiệu thế cao hàng ngàn Volt để tăng tốc. Rất nóng và cồng kềnh) 28
  • 29. ỐNG NANO CACBON Ứng dụng:  Làm chất độn, trộn với polyme làm composit nhẹ, bền hóa, bền cơ dùng trong sản xuất các động cơ hay làm nanocomposit dẫn điện  Làm pin nhiên liệu: chứa hydro (10 lít hydro / 1 gam sợi). 29
  • 30. ỐNG NANO CACBON  Hiện nay, chưa có phương pháp điều chế nào cho phép sản xuất chỉ một loại ống nano như cần thiết, mà chúng phải được phân loại bằng tay từ một hỗn hợp.  Các ống nano đa lớp hiện được tổng hợp từ các hợp chất vô cơ; các ống có chiều dài đến 1 micromet đã được tạo thành từ WS2 và MoS2. 30
  • 31. 31
  • 32. 32
  • 33. BOTTOM UP:  (Từ nhỏ lên to) là quá trình lắp ráp của các phân tử nano trong tự nhiên: - Tất cả các sinh vật đều bắt đầu từ một tế bào. Con người cũng bắt từ một tế bào, cho đến khi trưởng thành có khoảng 100 ngàn tỷ tế bào. - Tất cả các chất thải của tự nhiên đều được tái chế, không gây ô nhiễm môi trường. TOP DOWN:  (Từ to xuống nhỏ) là các công nghệ mà từ trước đến nay loài người đang thực hiện: Muốn có hạt gạo phải phá rừng, muốn làm nhà phải phá núi để có xi măng. Để chế tạo vi mạch điện tử: phải xây nhà máy hóa chất to lớn điều chế SiH4 tinh khiết, từ đó chế tạo các khối lớn Si đa tinh thể, rồi đơn tinh thể, sau đó cắt mỏng và xử lý phức tạp để tạo chip: vô cùng ô nhiễm. 33
  • 34. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO Có 4 nhóm phương pháp chính  Mỗi phương pháp có các ưu nhược điểm riêng  Có phương pháp chỉ có thể áp dụng với một số vật liệu nhất định 1. Phương pháp hoá ướt (wet chemical) 2. Phương pháp cơ học (mechanical) 3. Phương pháp bốc bay 4. Phương pháp hình thành từ pha khí 34
  • 35. Phương pháp hoá ướt (wet chemical)  Gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, đồng kết tủa.  Theo phương pháp này, các dung dịch chứa các ion khác nhau được trộn với nhau theo một thành phần thích hợp.  Dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch.  Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. 35
  • 36. Ưu nhược điểm của phương pháp hóa ướt  Ưu điểm:  Các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại.  Rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu.  Nhược điểm:  Tương tác của các hợp chất với các phân tử nước có thể có gây một số khó khăn  Phương pháp sol-gel có hiệu suất không cao. 36
  • 37. Phương pháp cơ học (mechanical)  Gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học.  Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn.  Các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay.  Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ, ví dụ: kim loại. 37
  • 38. Ưu nhược điểm của phương pháp cơ học  Ưu điểm:  Đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu.  Nhược điểm:  Các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ. 38
  • 39. Phương pháp bốc bay  Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa học.  Các phương pháp này áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano.  Hạn chế: phương pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại. 39
  • 40. Phương pháp hình thành từ pha khí  Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí.  Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro-explosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma.  Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon.  Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp.  Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 900o C.  Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon (fullerene) hoặc ống carbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này để chế tạo vật liệu nano ở quy mô thương mại. 40
  • 41. THUẬN LỢI CỦA KỸ THUẬT NANO  Tạo được các hạt đồng nhất.  Hoạt hóa hạt dễ dàng.  Tạo sản phẩm có tính chất khác thường.  Tạo được các chi tiết có cấu trúc nano với hình dáng phong phú (hạt cầu, ống, móc, lớp...).  Lắp ráp định hướng & có thể thực hiện các quá trình chế tạo mới lạ. 41
  • 42. HỨA HẸN CỦA KỸ THUẬT NANO  Tạo được các thiết bị vô cùng nhẹ, kích thước thu nhỏ.  Giảm tiêu hao năng lượng.  Giảm ô nhiễm môi trường. 42
  • 43. 43
  • 44. CÁC LOẠI HẠT NANO 1. Vật liệu nano ba chiều 2. Vật liệu nano hai chiều 3. Vật liệu nano một chiều 44
  • 45. 1- Vật liệu nano ba chiều  Hạt có cả 3 chiều đều cỡ nm.  Thường là hạt hình cầu.  Tạo thành do quá trình polime hóa nhũ tương hay polime hóa mixen, các quá trình sol-gel... Ví dụ:  Các hạt chất phát quang kích thước nano (oxonica) dùng cho màn hình điện tử, xúc tác, dược phẩm, chấm lượng tử.  Các hạt từ; TiO2...  ... 45
  • 46. CHẤM LƯỢNG TỬ (Quantum dots)  Có thể là chất bán dẫn, kim loại hay polime...  Gọi là “chấm” vì chúng là những hạt có bán kính chỉ 1 hay một vài nm (kích thước nguyên tử) 46
  • 47. Chấm lượng tử bán dẫn CdSe Màu sắc thay đổi theo kích thứơc! 4 nm = 0.000004 mm 47
  • 48.  Ở đây, chấm lượng tử là các tinh thể nano của chất bán dẫn (ví dụ CdSe) phân tán trong nền polime. Khi được chiếu tia hồng ngoại, chúng phát ra ánh sáng mạnh với màu sắc riêng biệt phụ thuộc vào kích thước hạt  có thể tạo các hạt CdSe kích thước khác nhau để có 12 màu sắc khác nhau khi chiếu tia hồng ngoại. Chấm lượng tử bán dẫn CdSe 48
  • 49. Dung dịch của các hạt nano vàng cũng có màu sắc thay đổi theo kích thước! Plasmon Band @ ~ 520 nm • Hoá học nano có nguồn gốc lâu đời • Keo Au được dùng từ thời La mã cổ đại • Được Faraday mô tả từ năm 1857 49
  • 50. ỨNG DỤNG Y SINH CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ  Đính vào phân tử dược phẩm để theo dõi đường đi của thuốc  Đính vào ADN, theo dõi và phân biệt các ADN bằng màu sắc... 50
  • 51. Các thiết bị nano nhỏ bé có thể đi vào cơ thể để chữa trị ung thư? http://smalley.rice.edu/emplibrary/SA285-76.pdf Hồng cầu và bạch cầu 6 - 10 m
  • 52. ỨNG DỤNG VẬT LÝ CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ  Mỗi chấm lượng tử có hành vi như một nguyên tử, tức trong nó có một số mức năng lượng có thể điền điện tử. Chọn hai mức xác định, khi điện tử ở mức trên ta có trạng thái 1, điện tử ở mức dưới: trạng thái 0. Như vậy chấm lượng tử trở thành linh kiện có hai trạng thái (0;1) có thể dùng để ghi 1 bit thông tin trên các nanochip, giúp thu nhỏ các bộ vi xử lý và bộ nhớ. 52
  • 53. Các hạt nano kim loại Khả năng phản ứng thay đổi theo kích thước! Au Au CO CO2 CO CO2 X ỨNG DỤNG HOÁ HỌC CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ 53
  • 54. GiẢI THÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO DỰA VÀO CẤU TRÚC ĐiỆN TỬ  Tinh thể càng nhỏ càng có ít AO đóng góp vào dãi năng lượng MO, số mức năng lượng chung của tinh thể (các mức MO) sẽ ít dần đi.  Khi tinh thể trở nên rất nhỏ - như một “chấm”  không còn dãi năng lượng liên tục, mà chỉ còn những mức năng lượng riêng rẽ (lượng tử), nên mới có tên “chấm lượng tử”. Đồng thời, do các mức năng lượng ít nên bước nhảy giữa các dãi tăng.  Kích thước của tinh thể càng giảm, thì số mức năng lượng càng giảm, bước nhảy càng tăng: Bước nhảy của tinh thể CdS đường kính 11,5 nm là 1,8 eV nhưng tinh thể đường kính 1,2 nm có bước nhảy là 3 eV.  Chấm lượng tử có cấu trúc nano 3 chiều, nhưng các cấu trúc nano 2 chiều (sợi lượng tử) hay 1 chiều (vách lượng tử hay film lượng tử) cũng có các tính chất tương tự. 54
  • 55. Bước nhảy của chất bán dẫn phụ thuộc kích thước của nó 55
  • 56. 56 Màu sắc huỳnh quang từ hạt nano phụ thuộc vào kích thước của nó. Ly Lycurgus, 300 A.D. Các hạt nano của Au-Ag. Màu xanh khi chiếu sáng từ bên ngoài và màu đỏ khi chiếu sáng từ bên trong.
  • 57. 2- Vật liệu nano hai chiều Hạt có 2 chiều cỡ nm, chiều thứ ba dài hơn. Ví dụ:  Ống nano cacbon.  Sợi nano nitrua bo (BN)… 57 Sợi kẽm oxit Đường kính 3 nm X 80 nm Carbon nanotube 1 nm
  • 58. 3- Vật liệu nano một chiều  Hạt có 1 chiều cỡ nm, hai chiều kia dài hơn.  Dạng tấm. Ví dụ:  Silicat lớp (phyllosilicat) được kết hợp với các polime để tạo nanocomposit có các tính chất chịu nhiệt, chống cháy, chịu mài mòn, biến đổi các tính chất điện, quang... phụ thuộc vào dạng polime được sử dụng. 58
  • 59. CẤU TRÚC CỦA PHYLLOSILICAT  Gồm các lớp hai chiều, trong đó 1 tấm bát diện tâm Al hay Mg kết hợp với 2 tấm tứ diện. Giữa các lớp có các lỗ trống đều đặn gọi là hành lang, ở đó có các ion IA hay IIA. 59
  • 60. TẠO NANOCOMPOSIT VỚI SILICAT LỚP Có 2 cách:  (1) Các polime len lỏi vào các hành lang và xen vào giữa các lớp (Hình b): Trước tiên, ion Na+ trong hành lang được thay thế bằng ion alkyl amoni, sau đó trộn silicat với các polime nóng chảy.  (2) Dùng dung môi hòa tan polime, sau đó cho silicat vào xử lý để tách silicat thành từng tấm đơn. Polime hấp thụ lên các tấm. Khi dung môi bị tách đi, các tấm tập hợp thành lớp có trật tự (Hình c). 60
  • 61. 61
  • 62. 62
  • 63. 63
  • 64. Ví dụ để hình dung về phản ứng tự lắp ráp  Ankan thiol là phân tử có đầu tròn to và đuôi dài. Đầu là nhóm thiol (nhóm sulfua hữu cơ dạng như hình cầu), đuôi là gốc hydrocacbon dài khoảng 1-4 nm.  Nhúng vào dung dịch đó một tấm mạ vàng. 64
  • 65. Ví dụ để hình dung về phản ứng tự lắp ráp  S có ái lực lớn với vàng nên đầu thiol quay bám vào vàng, đuôi hydrocacbon hướng lên trên, song song nhau. Như vậy trên lá vàng có một lớp đơn tinh thể các phân tử ankanthiol tự lắp ráp.  Đây là phương pháp khắc nano: đế là Au, mực là ankanthiol, ngòi bút được điều khiển bằng bộ quét áp điện. 65
  • 66. A • Kích thước hạt có thể được điều chỉnh bằng tỷ lệ HAuCl4 : alkanthiol Au S S S S SS HAuCl4 C12H25SH NaBH4 SO3 Au S-S S S S Air Exposure S S Au S S S S SS S S S S S S S S S S S S S-S SO3 B 3.9 ± 0.6 nm 6.2 ± 1.0 nm 66
  • 67. 67 THAO TÁC / ĐIỀU KHIỂN NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ 1981: Kính hiển vi chui hầm quét (Scanning Tunneling Microscopy - STM) được Binnig và Rohrer phát minh, cho phép thấy được và điều khiển từng nguyên tử  Nobel Vật lý 1986.
  • 68. • Trong các thí nghiệm STM, một đầu kim loại nhọn đường kính khoảng 20 nm được đưa đến gần một bề mặt dẫn điện hay bán dẫn. Một hiệu thế được đặt lên đầu nhọn và đầu nhọn được quét qua bề mặt. • Các electron từ bề mặt sẽ di chuyển sang đầu nhọn nhờ sự chui hầm cơ lượng tử, tạo thành một dòng cỡ nanoampe. Dòng này phụ thuộc mật độ của các trạng thái gần bề mặt và khoảng cách giữa đầu nhọn với bề mặt. • Ảnh của bề mặt được xây dựng bằng cách giữ cường độ dòng không đổi và ghi lại những thay đổi về khoảng cách cần để giữ dòng không đổi. • Thông tin về thành phân hóa thu được bằng cách thay đổi hiệu thế sao cho các electron từ các mức năng lượng khác nhau chui hầm được. 68 KÍNH HiỂN VI CHUI HẦM QUÉT (SCANNING TUNNELLING MICROSCOPY - STM)
  • 69. 69 KÍNH HiỂN VI CHUI HẦM QUÉT (SCANNING TUNNELLING MICROSCOPY - STM) • Không chỉ vẽ được hình ảnh của bề mặt và các phân tử trên bề mặt, STM còn có thể dùng để di chuyển nguyên tử và phân tử trên bề mặt và làm các phân tử phản ứng. • Nếu đầu STM được đưa đến gần bề mặt hơn bình thường, lực giữa nó và nguyên tử / phân tử trên bề mặt sẽ tăng. Nếu lực này đủ lớn, thì khi đầu nhọn di chuyển ngang qua bề mặt sẽ nhấc theo phân tử.
  • 70. Atomic Manipulation Scanning Probe Tip Atom
  • 71. • Phát minh STM dẫn đến sự phát triển các kỹ thuật khác tương tự ở mức độ phân giải nguyên tử, được biết chung là kính hiển vi đầu dò quét (Scanning Probe Microscopy). • Được áp dụng rộng rãi nhất là kính hiển vi lực nguyên tử (AFM - atomic force microscopy). • AFM cũng có đầu rất nhọn tương tự STM, nhưng đầu dò AFM được đưa gần bề mặt đủ để có thể đo được lực tương tác giữa đầu dò và bề mặt. • AFM thường được dùng để nghiên cứu các phân tử sinh học và một số nhóm dùng đầu dò cải tiến để tách riêng các phân tử đặc biệt, ví dụ các protein từ màng tế bào. 71 KÍNH HiỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (ATOMIC FORCE MICROSCOPY - AFM)
  • 72. TÀI LiỆU THAM KHẢO  Leslay E. Smart, Elaine A. Moore. Solid state chemistry – An introduction. Taylor and Francis Group, New York (2005).  Nguyễn Đức Nghĩa. Hóa học nano – công nghệ nền và vật liệu nguồn. NXB Khoa học tự nhiên & Công nghệ, Hà Nội (2007).  Nguyễn Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh. Công nghệ nano - điều khiển đến từng nguyên tử. NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội (2004). 72

Related Documents