Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết nối
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Trong nhứng năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm
được quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước
nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod
nano… “Công nghệ nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà
còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý
của người tiêu dung. Vậy thực chất của công nghệ nano là gì, nó được ứng dụng
như thế nào trong đời sống và khoa học kỹ thuật hiện nay.
Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mĩ
Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ
quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng
loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPhần mềm hay STM) có
khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể
quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó công nghệ nano bắt đầu được
nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano là
sự ra đời của hàng loạt các vật liệu nano mới như nanocomposittes gốm, polymer
clay, sợi nano, xúc tác nano… Các vật liệu nano có vai trò hết sức quan trọng trong
đời sống và khoa học kỹ thuật của nhân loại.
Do đó tui đã chọn đề tài “Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều
chế” để làm bài khóa luận này.
Mục đích: Tìm hiểu và nghiên cứu về khái niệm vật liệu nano và các phương
pháp điều chế vật liệu nano.
Nhiệm vụ: Nghiên cứu tài liệu có liên quan đến vật liệu nano và các phương
pháp điều chế , sau đó tổng hợp vàviết tổng quan về vật liệu nano và các phương
pháp điều chế.
1
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Với sự cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu để hoàn thành bài khóa luận này,
nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô
và các bạn để bài khóa luận được hoàn thiện hơn.
Chương 1. SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ NANO
1. 1. Khái niệm cơ bản về công nghệ nano
Công nghệ nano (nanotechnology) 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 qui mô nanomet. Nói cách khác, công nghệ nano
có nghĩa là kỹ thuật sử dụng kích thước từ 0,1- 100 nm để tạo ra sự biến đổi hoàn
toàn về lý tính 1 cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size
effect).
Công nghệ nanno bao gồm các vấn đề chính sau đây:
•
•
•
•
Cơ sở khoa học nano
Phương pháp quan sát can thiệp ở qui mô nm
Chế tạo vật liệu nano
ứng dụng vật liệu nano
1.2. Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều có kích thước nm. Căn cứ
vào các tiêu chí khác nhau mà có thể chia vật liệu nano thành các nhóm khác nhau.
-
a)
Căn cứ vào trạng thái vật liệu: người ta chia thành 3 loại rắn, lỏng, khí. Trong đó
vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó
mới đến chất lỏng và khí.
Căn cứ vào tính chất của vật liệu: người ta chia vật liệu nano thành vật liệu nano
bán dẫn, vật liệu nano kim loại, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học….
Căn cứ vào hình dáng vật liệu: đây là cách phân loại phổ biến nhất.
Vật liệu nano ba chiều: cả ba chiều đều có kích thước nano, không chiều nào cho
electron tự do.
2
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
-
Các hạt nano: Các hạt nano thường có đường kính nhỏ hơn 100 nm gồm hai loại:
hạt nano do tự nhiên tạo ra và hạt nano nhân tạo.
Các hạt nano do tự nhiên tạo ra hiện diện rất nhiều trong môi trường: kết quả
của hoạt động quang hóa, hay của núi lửa, do các loại thực vật và tảo tạo ra, kết
quả của việc đốt lửa hay nấu nướng thực phẩm và gần đây hơn là từ khí thải của
phương tiện giao thông.
Các hạt nano nhân tạo chỉ chiếm thiểu số và rất được các nhà khoa học quan
tâm bởi những tính chất mới (ví dụ như phản ứng hóa học và hoạt động quang học)
mà chúng có so với các hạt lớn hơn của cùng vật liệu. Ví dụ, các hạt titan đioxit và
kẽm oxit trở nên trong suốt ở cỡ nano, tuy vậy lại có khả năng hấp thụ và phản
chiếu tia UV nên có thể ứng dụng làm các chất chống nắng. Các hạt nano này có
đặc thù không phải là các sản phẩm thành phẩm, mà thông thường giữ vai trò là
nguyên liệu thô, thành phần hay chất phụ gia cho các sản phẩm hoàn chỉnh. Mặc
dù việc sản xuất ra chúng hiện thời còn ít ỏi so với các vật liệu nano khác, nhưng
chúng đã có mặt trong một số lượng nhỏ các sản phẩm tiêu dùng, ví dụ như mỹ
phẩm. Bên cạnh đó, những tính chất mới và được nâng cao của chúng đang gây
nhiều tranh cãi về độ độc hại của chúng. Trong hầu hết các ứng dụng, các hạt nano
được làm cố định (ví dụ, gắn vào một bề mặt hay ở bên trong một hợp chất) hoặc
chúng có thể ở dạng tự do hay lơ lửng trong chất lỏng.
-
Các dendrimer: Các dendrimer là các phân tử polyme hình cầu, được hình thành
thông qua quá trình tự lắp ráp phân tử cấp cỡ nano. Có rất nhiều loại dendrimer,
loại nhỏ nhất có kích thước chỉ vài nm. Dendrimer được sử dụng trong các ứng
dụng thông thường như các lớp vỏ bọc và mực, và sẽ còn nhiều ứng dụng hữu ích
khác dựa vào các tính chất thú vị của chúng.
-
Các chấm lượng tử: Các chấm lượng tử chính là các hạt nano của các chất bán dẫn.
Khi các hạt chất bán dẫn được chế tạo đủ nhỏ thì bắt đầu xuất hiện các hiệu ứng
lượng tử. Hiệu ứng này hạn định năng lượng tại các electron và các hố (lỗ trống do
3
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
mất một electron, một lỗ trống hoạt động như một điện tích dương) có trong các
hạt. Vì năng lượng liên quan tới bước sóng, nên điều này là có thể điều chỉnh các
tính chất quang học của các hạt dựa trên kích thước. Vì vậy có thể tạo ra các hạt có
thể phát ra hay hấp thụ các bước sóng đặc trưng (các màu) của ánh sáng, chỉ đơn
thuần bắng cách điều chỉnh kích thước của chúng. Những chấm này có thể được sử
dụng và xử lý một số phản ứng hóa học đặc thù.
b)
-
Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó có 2 chiều có kích thước nano, electron
được tự do trên 1 chiều (2 chiều cầm tù ). Loại vật liệu này tạo ra các tính chất cơ
học và điện học rất mới lạ và đăc biệt nên trong thời gian gần đây đã được tập
trung nghiên cứu tương đối nhiều.
Các ống nano cácbon: Các ống nano cácbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật lý
người Nhật Bản, Sumio Iijima, quan sát vào năm 1991. Có hai dạng CNT: ống đơn
vách (một ống) hay đa vách (các ống đồng tâm). Đặc thù của hai loại đó là có
đường kính vài nm và dài từ vài µm tới vài cm. CNT giữ vai trò quan trọng trong
công nghệ nano do các tính chất vật lý và hóa học mới lạ của chúng. Chúng rất
cứng về mặt cơ học (các môđun theo tiêu chuẩn Young của chúng lớn hơn 1
tetrepascal, khiến cho chúng cứng như kim cương), lại mềm dẻo (thể hiện ở trục
của chúng) và có thể dẫn điện rất tốt (số đường xoắn ốc của các dải graphene quyết
định tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT). Tất cả các tính chất đó làm cho
CNT có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các hợp chất được gia cố, các thiết bị
-
cảm biến, các linh kiện điện tử nano và màn hình.
Các ống nano vô cơ: Các ống nano vô cơ và những vât liệu dạng fullerene vô cơ
có cấu tạo từ các hợp chất có lớp, ví dụ như molypden đisulfua (MoS 2) được phát
hiện ngay sau CNT. Chúng có những tính chất trơn tuyệt vời, chịu được tác động
sóng va chạm, có phản ứng xúc tác và co khả năng chứa hydrô và lithi cao, điều
-
này hứa hẹn mang lại rất nhiều ứng dụng.
Các dây nano: Các dây nano là các dây cực mảnh hay dãy các chấm tuyến tính
được hình thành qua quá trình tự lắp ráp. Chúng được làm từ nhiều loại vật liệu.
4
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Các dây nano có những ứng dụng tiềm năng trong việc lưu giữ dữ liệu mật độ cao
dưới dạng các đầu đọc từ tính hay phương tiện lưu trữ theo mẫu, các thiết bị nano
điện tử, quang học…Việc phát triển những dây nano này dựa trên những kỹ thuật
phát triển phức tạp, trong đó có quá trình tự lắp ráp, đây là quá trình các phân tử tự
sắp xếp một cách tự nhiên trên các chất nền theo bậc, quá trình lắng đọng ở thể hơi
bằng phương pháp hóa học (CVD) lên trên các chất nền theo mẫu và quá trình mạ
-
điện hay cấy ghép phân tử.
Các polyme sinh học: Các polyme sinh học, ví dụ như các phân tử AND, góp phần
giúp các cấu trúc nano dây tự tổ chức thành các mô hình phức tạp hơn. Ví dụ có
thể bọc các sương sống của AND bằng kim loại nhờ đó có thể tích hợp công nghệ
sinh học nano và các thiết bị cảm biến tương thích sinh học và các động cơ nhỏ,
đơn giản. Những kiểu tự lắp ráp của các cấu trúc nano có trục hữu cơ như vậy
thường được điều khiển bằng các lực tương tác yếu, ví dụ như các liên kết hyđrô,
c)
d)
các tương tác kỵ nước hay các tương tác Van der Waals.
Vật liệu nano một chiều: Là vật liệu trong đó có 1 chiều kích thước nano, 2 chiều
tự do. Các vật liệu này đã được phát triển và sử dụng nhiều năm trong các lĩnh vực
như chế tạo các linh kiện điện tử, hóa chất và kỹ thuật. Rất nhiều ứng dụng thực tế
của vật liệu nano chỉ thực sự phù hợp khi được sử dụng ở dạng màng mỏng. Các
nhà khoa học đã không những chỉ nắm rõ sự hình thành và các tính chất của những
lớp màng từ cấp độ phân tử trở lên, kể cả các lớp phức hợp hoàn toàn, mà còn tạo
ra được các màng một lớp (các lớp có độ dày một nguyên tử hay một phân tử).
Việc điều khiển thành phần cấu tạo, độ phẳng của các bề mặt và phát triển các
màng cũng đã đạt được nhiều tiến bộ. Các ưu thế đặc trưng của màng nano như
diện tích bề mặt lớn hơn hay độ phản ứng đăc trưng thường được sử dụng trong
nhiều ứng dụng như pin nhiên liệu và chất xúc tác.
Ngoài ra còn có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật
liệu có kích thước nm, hay cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai
chiều đan xen lẫn nhau.
5
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1-100nm có những tính chất
thú vị khác biệt hẳn với các vật liệu thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách
đặc biệt ở kích thước nano được đánh giá là do các yếu tố sau:
a)
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
µ m3
trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1
có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể
bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn
thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ như một chấm lượng tử có
thể được coi như một đại lượng nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như
một nguyên tử.
b)
Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất
khác biệt so với các nguyên tử 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 (hiệu ứng bề mặt) tăng
lên. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt
càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ngay cả vật liệu khối truyền thống
cũng có hiệu ứng bề mặt, nhưng do hiệu ứng này nhỏ nên thường bị bỏ qua.Chính
vì vậy các hiệu ứng liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên
quan trọng làm cho các tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật
liệu tới hạn ở dạng khối.
Bảng 1.1. Một số giá trị của hạt nano hình cầu.
Đường
kính hạt
(nm)
Số nguyên tử
Tỉ số nguyên
tử trên bề mặt
(%)
Năng lượng
bề mặt
(erg/mol)
Năng lượng bề mặt/
tổng số năng lượng
(%)
10
5
30000
4000
20
40
4,08 x1011
8,16 x1011
7,6
14,3
2
250
80
8,16 x1011
35,3
1
30
90
8,16 x1011
82,2
6
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
c)
Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có 1 giới hạn về kích thước.
Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn 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 vật
liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Omh ở kích thước vĩ mô
mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng
đường tự do trung bình của electron trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến
vài trăm nm thì định luật Omh 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. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất
quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính
vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và
công nghệ nano.
Bảng 1.2. Kích thước tới hạn của một số tính chất.
Lĩnh vực
Tính chất
Tính chất
điện
Bước sóng điện tử
Quãng đường tự do trung bình không đàn
hồi
Hiệu ứng đường ngầm
Tính chất từ
Tính chất
Quang
Tính siêu
dẫn
Tính chất
cơ
Độ dày vách đômen
Quãng đường tán xạ spin
Hố lượng tử
Độ dài suy giảm
Độ sâu bề mặt kim loại
Độ dài liên kết cặp cooper
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Trong nhứng năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm
được quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước
nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod
nano… “Công nghệ nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà
còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý
của người tiêu dung. Vậy thực chất của công nghệ nano là gì, nó được ứng dụng
như thế nào trong đời sống và khoa học kỹ thuật hiện nay.
Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mĩ
Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ
quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng
loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPhần mềm hay STM) có
khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể
quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó công nghệ nano bắt đầu được
nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano là
sự ra đời của hàng loạt các vật liệu nano mới như nanocomposittes gốm, polymer
clay, sợi nano, xúc tác nano… Các vật liệu nano có vai trò hết sức quan trọng trong
đời sống và khoa học kỹ thuật của nhân loại.
Do đó tui đã chọn đề tài “Tổng quan về vật liệu nano và phương pháp điều
chế” để làm bài khóa luận này.
Mục đích: Tìm hiểu và nghiên cứu về khái niệm vật liệu nano và các phương
pháp điều chế vật liệu nano.
Nhiệm vụ: Nghiên cứu tài liệu có liên quan đến vật liệu nano và các phương
pháp điều chế , sau đó tổng hợp vàviết tổng quan về vật liệu nano và các phương
pháp điều chế.
1
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Với sự cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu để hoàn thành bài khóa luận này,
nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô
và các bạn để bài khóa luận được hoàn thiện hơn.
Chương 1. SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ NANO
1. 1. Khái niệm cơ bản về công nghệ nano
Công nghệ nano (nanotechnology) 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 qui mô nanomet. Nói cách khác, công nghệ nano
có nghĩa là kỹ thuật sử dụng kích thước từ 0,1- 100 nm để tạo ra sự biến đổi hoàn
toàn về lý tính 1 cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size
effect).
Công nghệ nanno bao gồm các vấn đề chính sau đây:
•
•
•
•
Cơ sở khoa học nano
Phương pháp quan sát can thiệp ở qui mô nm
Chế tạo vật liệu nano
ứng dụng vật liệu nano
1.2. Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều có kích thước nm. Căn cứ
vào các tiêu chí khác nhau mà có thể chia vật liệu nano thành các nhóm khác nhau.
-
a)
Căn cứ vào trạng thái vật liệu: người ta chia thành 3 loại rắn, lỏng, khí. Trong đó
vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó
mới đến chất lỏng và khí.
Căn cứ vào tính chất của vật liệu: người ta chia vật liệu nano thành vật liệu nano
bán dẫn, vật liệu nano kim loại, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học….
Căn cứ vào hình dáng vật liệu: đây là cách phân loại phổ biến nhất.
Vật liệu nano ba chiều: cả ba chiều đều có kích thước nano, không chiều nào cho
electron tự do.
2
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
-
Các hạt nano: Các hạt nano thường có đường kính nhỏ hơn 100 nm gồm hai loại:
hạt nano do tự nhiên tạo ra và hạt nano nhân tạo.
Các hạt nano do tự nhiên tạo ra hiện diện rất nhiều trong môi trường: kết quả
của hoạt động quang hóa, hay của núi lửa, do các loại thực vật và tảo tạo ra, kết
quả của việc đốt lửa hay nấu nướng thực phẩm và gần đây hơn là từ khí thải của
phương tiện giao thông.
Các hạt nano nhân tạo chỉ chiếm thiểu số và rất được các nhà khoa học quan
tâm bởi những tính chất mới (ví dụ như phản ứng hóa học và hoạt động quang học)
mà chúng có so với các hạt lớn hơn của cùng vật liệu. Ví dụ, các hạt titan đioxit và
kẽm oxit trở nên trong suốt ở cỡ nano, tuy vậy lại có khả năng hấp thụ và phản
chiếu tia UV nên có thể ứng dụng làm các chất chống nắng. Các hạt nano này có
đặc thù không phải là các sản phẩm thành phẩm, mà thông thường giữ vai trò là
nguyên liệu thô, thành phần hay chất phụ gia cho các sản phẩm hoàn chỉnh. Mặc
dù việc sản xuất ra chúng hiện thời còn ít ỏi so với các vật liệu nano khác, nhưng
chúng đã có mặt trong một số lượng nhỏ các sản phẩm tiêu dùng, ví dụ như mỹ
phẩm. Bên cạnh đó, những tính chất mới và được nâng cao của chúng đang gây
nhiều tranh cãi về độ độc hại của chúng. Trong hầu hết các ứng dụng, các hạt nano
được làm cố định (ví dụ, gắn vào một bề mặt hay ở bên trong một hợp chất) hoặc
chúng có thể ở dạng tự do hay lơ lửng trong chất lỏng.
-
Các dendrimer: Các dendrimer là các phân tử polyme hình cầu, được hình thành
thông qua quá trình tự lắp ráp phân tử cấp cỡ nano. Có rất nhiều loại dendrimer,
loại nhỏ nhất có kích thước chỉ vài nm. Dendrimer được sử dụng trong các ứng
dụng thông thường như các lớp vỏ bọc và mực, và sẽ còn nhiều ứng dụng hữu ích
khác dựa vào các tính chất thú vị của chúng.
-
Các chấm lượng tử: Các chấm lượng tử chính là các hạt nano của các chất bán dẫn.
Khi các hạt chất bán dẫn được chế tạo đủ nhỏ thì bắt đầu xuất hiện các hiệu ứng
lượng tử. Hiệu ứng này hạn định năng lượng tại các electron và các hố (lỗ trống do
3
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
mất một electron, một lỗ trống hoạt động như một điện tích dương) có trong các
hạt. Vì năng lượng liên quan tới bước sóng, nên điều này là có thể điều chỉnh các
tính chất quang học của các hạt dựa trên kích thước. Vì vậy có thể tạo ra các hạt có
thể phát ra hay hấp thụ các bước sóng đặc trưng (các màu) của ánh sáng, chỉ đơn
thuần bắng cách điều chỉnh kích thước của chúng. Những chấm này có thể được sử
dụng và xử lý một số phản ứng hóa học đặc thù.
b)
-
Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó có 2 chiều có kích thước nano, electron
được tự do trên 1 chiều (2 chiều cầm tù ). Loại vật liệu này tạo ra các tính chất cơ
học và điện học rất mới lạ và đăc biệt nên trong thời gian gần đây đã được tập
trung nghiên cứu tương đối nhiều.
Các ống nano cácbon: Các ống nano cácbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật lý
người Nhật Bản, Sumio Iijima, quan sát vào năm 1991. Có hai dạng CNT: ống đơn
vách (một ống) hay đa vách (các ống đồng tâm). Đặc thù của hai loại đó là có
đường kính vài nm và dài từ vài µm tới vài cm. CNT giữ vai trò quan trọng trong
công nghệ nano do các tính chất vật lý và hóa học mới lạ của chúng. Chúng rất
cứng về mặt cơ học (các môđun theo tiêu chuẩn Young của chúng lớn hơn 1
tetrepascal, khiến cho chúng cứng như kim cương), lại mềm dẻo (thể hiện ở trục
của chúng) và có thể dẫn điện rất tốt (số đường xoắn ốc của các dải graphene quyết
định tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT). Tất cả các tính chất đó làm cho
CNT có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các hợp chất được gia cố, các thiết bị
-
cảm biến, các linh kiện điện tử nano và màn hình.
Các ống nano vô cơ: Các ống nano vô cơ và những vât liệu dạng fullerene vô cơ
có cấu tạo từ các hợp chất có lớp, ví dụ như molypden đisulfua (MoS 2) được phát
hiện ngay sau CNT. Chúng có những tính chất trơn tuyệt vời, chịu được tác động
sóng va chạm, có phản ứng xúc tác và co khả năng chứa hydrô và lithi cao, điều
-
này hứa hẹn mang lại rất nhiều ứng dụng.
Các dây nano: Các dây nano là các dây cực mảnh hay dãy các chấm tuyến tính
được hình thành qua quá trình tự lắp ráp. Chúng được làm từ nhiều loại vật liệu.
4
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
Các dây nano có những ứng dụng tiềm năng trong việc lưu giữ dữ liệu mật độ cao
dưới dạng các đầu đọc từ tính hay phương tiện lưu trữ theo mẫu, các thiết bị nano
điện tử, quang học…Việc phát triển những dây nano này dựa trên những kỹ thuật
phát triển phức tạp, trong đó có quá trình tự lắp ráp, đây là quá trình các phân tử tự
sắp xếp một cách tự nhiên trên các chất nền theo bậc, quá trình lắng đọng ở thể hơi
bằng phương pháp hóa học (CVD) lên trên các chất nền theo mẫu và quá trình mạ
-
điện hay cấy ghép phân tử.
Các polyme sinh học: Các polyme sinh học, ví dụ như các phân tử AND, góp phần
giúp các cấu trúc nano dây tự tổ chức thành các mô hình phức tạp hơn. Ví dụ có
thể bọc các sương sống của AND bằng kim loại nhờ đó có thể tích hợp công nghệ
sinh học nano và các thiết bị cảm biến tương thích sinh học và các động cơ nhỏ,
đơn giản. Những kiểu tự lắp ráp của các cấu trúc nano có trục hữu cơ như vậy
thường được điều khiển bằng các lực tương tác yếu, ví dụ như các liên kết hyđrô,
c)
d)
các tương tác kỵ nước hay các tương tác Van der Waals.
Vật liệu nano một chiều: Là vật liệu trong đó có 1 chiều kích thước nano, 2 chiều
tự do. Các vật liệu này đã được phát triển và sử dụng nhiều năm trong các lĩnh vực
như chế tạo các linh kiện điện tử, hóa chất và kỹ thuật. Rất nhiều ứng dụng thực tế
của vật liệu nano chỉ thực sự phù hợp khi được sử dụng ở dạng màng mỏng. Các
nhà khoa học đã không những chỉ nắm rõ sự hình thành và các tính chất của những
lớp màng từ cấp độ phân tử trở lên, kể cả các lớp phức hợp hoàn toàn, mà còn tạo
ra được các màng một lớp (các lớp có độ dày một nguyên tử hay một phân tử).
Việc điều khiển thành phần cấu tạo, độ phẳng của các bề mặt và phát triển các
màng cũng đã đạt được nhiều tiến bộ. Các ưu thế đặc trưng của màng nano như
diện tích bề mặt lớn hơn hay độ phản ứng đăc trưng thường được sử dụng trong
nhiều ứng dụng như pin nhiên liệu và chất xúc tác.
Ngoài ra còn có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật
liệu có kích thước nm, hay cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai
chiều đan xen lẫn nhau.
5
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1-100nm có những tính chất
thú vị khác biệt hẳn với các vật liệu thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách
đặc biệt ở kích thước nano được đánh giá là do các yếu tố sau:
a)
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
µ m3
trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1
có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể
bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn
thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ như một chấm lượng tử có
thể được coi như một đại lượng nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như
một nguyên tử.
b)
Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất
khác biệt so với các nguyên tử 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 (hiệu ứng bề mặt) tăng
lên. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt
càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ngay cả vật liệu khối truyền thống
cũng có hiệu ứng bề mặt, nhưng do hiệu ứng này nhỏ nên thường bị bỏ qua.Chính
vì vậy các hiệu ứng liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên
quan trọng làm cho các tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật
liệu tới hạn ở dạng khối.
Bảng 1.1. Một số giá trị của hạt nano hình cầu.
Đường
kính hạt
(nm)
Số nguyên tử
Tỉ số nguyên
tử trên bề mặt
(%)
Năng lượng
bề mặt
(erg/mol)
Năng lượng bề mặt/
tổng số năng lượng
(%)
10
5
30000
4000
20
40
4,08 x1011
8,16 x1011
7,6
14,3
2
250
80
8,16 x1011
35,3
1
30
90
8,16 x1011
82,2
6
Tổng quan về vật liệu nano và các phương pháp điều chế
c)
Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có 1 giới hạn về kích thước.
Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn 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 vật
liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Omh ở kích thước vĩ mô
mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng
đường tự do trung bình của electron trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến
vài trăm nm thì định luật Omh 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. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất
quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính
vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và
công nghệ nano.
Bảng 1.2. Kích thước tới hạn của một số tính chất.
Lĩnh vực
Tính chất
Tính chất
điện
Bước sóng điện tử
Quãng đường tự do trung bình không đàn
hồi
Hiệu ứng đường ngầm
Tính chất từ
Tính chất
Quang
Tính siêu
dẫn
Tính chất
cơ
Độ dày vách đômen
Quãng đường tán xạ spin
Hố lượng tử
Độ dài suy giảm
Độ sâu bề mặt kim loại
Độ dài liên kết cặp cooper
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links