VẬT LIỆU NANO MỘT SỐ KHÁI NIỆM NANO? Viết tắt nanomét (nm) 1 nm = 10-9 m (một phần tỷ mét) Trong nm đặt 10 nguyên tử đứng cạnh ⇒ nano từ kích thước khơng phải tính chất VẬT LIỆU NANO (Nanomaterials)? Là tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống có kích thước nano (khoảng từ đến vài trăm nm, tức cỡ nguyên tử, phân tử hay đại phân tử macromolecule) Các vật liệu với kích thước có tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác đặc biệt, khác hẳn vật liệu có kích thước lớn KHOA HỌC NANO (Nanoscience)? Là ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp (manipulation) vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Tại quy mơ đó, tính chất vật liệu khác hẳn với tính chất chúng quy mô lớn Ngành khoa học liên quan đến nhiều ngành khoa học khác vật lý học, hóa học, sinh học CƠNG NGHỆ NANO (Nanotechnology)? Thiết kế, chế tạo, xác định tính chất sử dụng vật liệu nano TẠI SAO CÔNG NGHỆ NANO QUAN TRỌNG?  Vì nhiều tính chất vật liệu (điện, từ, nhiệt, cơ, quang, xúc tác ) thường cải tiến mạnh mẽ kích thước nano đạt đến đặc tính khác thường hay tuyệt diệu ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?  Ở kích thước nanomét, quy luật vật lý cổ điển khơng ảnh hưởng đến vật liệu mà có ảnh hưởng hiệu ứng lượng tử, nhờ vật liệu có đặc tính hồn thiện mà khơng thể mơ ước được! Kích thước tới hạn • Các tính chất vật lý, hóa học vật liệu có giới hạn kích thước Nếu vật liệu nhỏ kích thước này, tính chất hồn tồn bị thay đổi Đó kích thước tới hạn • Vật liệu nano có tính chất đặc biệt kích thước hay nhỏ kích thước tới hạn tính chất • Ví dụ điện trở kim loại tuân theo định luật Ohm kích thước vĩ mơ Nếu ta giảm kích thước vật liệu xuống nhỏ quãng đường tự trung bình điện tử kim loại (vài đến vài trăm nm) định luật Ohm khơng Lúc điện trở vật có kích thước nano tn theo quy tắc lượng tử • Khơng phải vật liệu có kích thước nano có tính chất khác biệt mà phụ thuộc vào tính chất mà nghiên cứu Bảng 1: Độ dài tới hạn số tính chất vật liệu Điện Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự trung bình 1-100 Hiệu ứng đường ngầm 1-10 10-100 Vách đô men Từ Quang 1-100 Quãng đường tán xạ spin Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 0.1-100 Siêu dẫn Cơ Xúc tác Siêu phân tử Miễn dịch Độ dài liên kết cặp Cooper 1-100 Độ thẩm thấu Meisner 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 10 3- Vật liệu nano chiều Hạt có chiều cỡ nm, hai chiều dài Dạng Ví dụ:  Silicat lớp (phyllosilicat) kết hợp với polime để tạo nanocomposit có tính chất chịu nhiệt, chống cháy, chịu mài mòn, biến đổi tính chất điện, quang phụ thuộc vào dạng polime sử dụng 58 CẤU TRÚC CỦA PHYLLOSILICAT Gồm lớp hai chiều, bát diện tâm Al hay Mg kết hợp với tứ diện Giữa lớp có lỗ trống đặn gọi hành lang, có ion IA hay IIA 59 TẠO NANOCOMPOSIT VỚI SILICAT LỚP Có cách:  (1) Các polime len lỏi vào hành lang xen vào lớp (Hình b): Trước tiên, ion Na+ hành lang thay ion alkyl amoni, sau trộn silicat với polime nóng chảy  (2) Dùng dung mơi hòa tan polime, sau cho silicat vào xử lý để tách silicat thành đơn Polime hấp thụ lên Khi dung môi bị tách đi, tập hợp thành lớp có trật tự (Hình c) 60 61 62 PHẢN ỨNG TỰ LẮP RÁP (Self-assembly) 63 Ví dụ để hình dung phản ứng tự lắp ráp Ankan thiol phân tử có đầu tròn to dài Đầu nhóm thiol (nhóm sulfua hữu dạng hình cầu), gốc hydrocacbon dài khoảng 1-4 nm Nhúng vào dung dịch mạ vàng  64 Ví dụ để hình dung phản ứng tự lắp ráp S có lực lớn với vàng nên đầu thiol quay bám vào vàng, đuôi hydrocacbon hướng lên trên, song song Như vàng có lớp đơn tinh thể phân tử ankanthiol tự lắp ráp Đây phương pháp khắc nano: đế Au, mực ankanthiol, ngòi bút điều khiển qt áp điện 65 Hạt vàng • Kích thước hạt điều chỉnh tỷ lệ HAuCl4 : alkanthiol S S S Au S S S S HAuCl4 SO3 S-S Air Exposure C12H25SH S S S Au NaBH4 S S S S Au S S S S S S SO3 S S S S-S B A 3.9 ± 0.6 nm 66 6.2 ± 1.0 nm THAO TÁC / ĐIỀU KHIỂN NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ 1981: Kính hiển vi chui hầm quét (Scanning Tunneling Microscopy - STM) Binnig Rohrer phát minh, cho phép thấy điều khiển nguyên tử → Nobel Vật lý 1986 67 KÍNH HiỂN VI CHUI HẦM QUÉT (SCANNING TUNNELLING MICROSCOPY - STM) • Trong thí nghiệm STM, đầu kim loại nhọn đường kính khoảng 20 nm đưa đến gần bề mặt dẫn điện hay bán dẫn Một hiệu đặt lên đầu nhọn đầu nhọn quét qua bề mặt • Các electron từ bề mặt di chuyển sang đầu nhọn nhờ chui hầm lượng tử, tạo thành dòng cỡ nanoampe Dòng phụ thuộc mật độ trạng thái gần bề mặt khoảng cách đầu nhọn với bề mặt • Ảnh bề mặt xây dựng cách giữ cường độ dòng khơng đổi ghi lại thay đổi khoảng cách cần để giữ dòng khơng đổi • Thơng tin thành phân hóa thu cách thay đổi hiệu cho electron từ mức lượng khác chui hầm 68 KÍNH HiỂN VI CHUI HẦM QUÉT (SCANNING TUNNELLING MICROSCOPY - STM) • Khơng vẽ hình ảnh bề mặt phân tử bề mặt, STM dùng để di chuyển nguyên tử phân tử bề mặt làm phân tử phản ứng • Nếu đầu STM đưa đến gần bề mặt bình thường, lực nguyên tử / phân tử bề mặt tăng Nếu lực đủ lớn, đầu nhọn di chuyển ngang qua bề mặt nhấc theo phân tử 69 Atomic Manipulation Scanning Probe Tip Atom KÍNH HiỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (ATOMIC FORCE MICROSCOPY - AFM) • Phát minh STM dẫn đến phát triển kỹ thuật khác tương tự mức độ phân giải nguyên tử, biết chung kính hiển vi đầu dò qt (Scanning Probe Microscopy) • • Được áp dụng rộng rãi kính hiển vi lực nguyên tử (AFM - atomic force microscopy) AFM có đầu nhọn tương tự STM, đầu dò AFM đưa gần bề mặt đủ để đo lực tương tác đầu dò bề mặt • AFM thường dùng để nghiên cứu phân tử sinh học số nhóm dùng đầu dò cải tiến để tách riêng phân tử đặc biệt, ví dụ protein từ màng tế bào 71 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 – cơng nghệ vật liệu nguồn NXB Khoa học tự nhiên & Cơng nghệ, Hà Nội (2007) Nguyễn Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh Công nghệ nano - điều khiển đến nguyên tử NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội (2004) 72 ... diệu ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?  Ở kích thước nanomét, quy luật vật lý cổ điển khơng ảnh hưởng đến vật liệu mà có ảnh hưởng hiệu ứng lượng tử, nhờ vật liệu có đặc tính hồn... tới hạn • Các tính chất vật lý, hóa học vật liệu có giới hạn kích thước Nếu vật liệu nhỏ kích thước này, tính chất hồn tồn bị thay đổi Đó kích thước tới hạn • Vật liệu nano có tính chất đặc biệt... ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT? Diện tích bề mặt & lượng tự bề mặt lớn 12 ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?  Chuyển động nhiệt Tính riêng biệt vật liệu (từng nguyên