Tài liệu Skkn hạt vàng và các ứng dụng.

Hạt vàng và các ứng dụng SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC ˜ ™ I – THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN: 1. Họ và tên : Đoàn Thị Thúy Liễu 2. Ngày tháng năm sinh: 21- 06 - 1960 3. Nam , nữ : nữ 4. Địa chỉ : G3 - KP3 - Tam hòa – Biên hòa 5. Điện thoại : 0613 894306 – ĐTDĐ : 0907663370 6. E- mail : [email protected] 7. Chức vụ : Tổ trưởng chuyên môn . 8. Đơn vị công tác : Trường THPT Trấn Biên . II – TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : - Học vị ( hoặc trình độ chuyên môn nghiệp vụ) cao nhất : Cử nhân. - Năm nhận bằng : 1984 - Chuyên ngành đào tạo : Sư phạm hóa học. III – KINH NGHIỆM KHOA HỌC : - Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm : Giảng dạy môn hóa học - Số năm có kinh nghiệm : 29 - Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây : CÂN BẰNG PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ GIÁO DỤC MÔI TRƯỜNG THÔNG QUA MÔN HÓA HỌC LỚP 11 GIÁO DỤC MÔI TRƯỜNG THÔNG QUA MÔN HÓA HỌC LỚP 12 CÁC HÓA CHẤT ĐỘC HẠI CÓ TRONG THỰC PHẨM TIM HIỂU CÁC NGUYÊN TỐ Al – Ag - Au GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 1 Hạt vàng và các ứng dụng I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI : Công nghệ nano đang có những bước phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.Các nghiên cứu và phát minh trong lĩnh vực này ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống.Trong công nghệ sinh học, các vật liệu với kích thước nano đang là một hướng nghiên cứu mới chiếm nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài).Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus các phần tử nano thực sự đang là một “vũ khí” mới của các nhà khoa học. Trong tài liệu này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về các hạt nano vàng và các ứng dụng hiện nay. II – THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP CỦA ĐỀ TÀI : 1Thuận lợi : - Môn Hóa học là môn khoa học thực nghiệm có liên quan mật thiết đến đời sống và môi trường tự nhiên cũng như nhân tạo của con người. Đặc biệt qua môn Hóa học, các em được học những quá trình hóa học rõ ràng, từ đó thấy được hóa học ảnh hưởng như thế nào đối với đời sống con người cũng như môi trường xung quanh. Vì thế trong quá trình dạy học Hóa học có rất nhiều cơ hội lồng ghép nội dung của chuyên đề này vào bài giảng. - Bô ô môn Hoá là mô ôt trong những bô ô môn có liên quan mâ ôt thiết đối với con người. Do đó, cho học sinh hiểu biết thêm về các nghuyên tố hóa học là viê ôc làm thiết thực nhất của mỗi giáo viên hoá học vì sự phát triển bền vững của toàn cầu và mỗi quốc gia. Trên tinh thần đó, tài liê ôu này được biên soạn với mục đích trang bị những kiến thức cơ bản về nguyên tố vàng thường gặp. Trong quá trình biên soạn, tôi có sử dụng tư liê ôu trong danh mục các tài liê ôu tham khảo ở cuối sách 2Khó khăn : - Thời gian dành cho môn hoá học không nhiều, thời lượng của 1 tiết học rất ngắn có 45 phút. - Một số trường xin giờ ngoại khóa khó vì còn có nhiều hoạt động khác nhau - Tài liệu tham khảo một số nơi tìm kiếm khó khăn. - Sách giáo khoa chưa đề cập nhiều - Phương tiện hỗ trợ: máy chiếu đa năng, máy chiếu phim, vi tính nối mạng... - Trình độ khả năng của một số giáo viên còn hạn chế. GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 2 Hạt vàng và các ứng dụng III- NỘI DUNG ĐỀ TÀI: 1Cơ sở lý luận : - Trang bị một ý thức trách nhiệm sâu sắc đối với sự phát triển bền vững của Trái đất. - Có ý thức thường xuyên và luôn nhạy cảm với một khía cạnh của môi trường và những vấn đề có liên quan. - Thu thập được những kiến thức cơ bản về các nguyên tố kim loại , quan hệ giữa con người và phát triển kinh tế, sự phụ thuộc lẫn nhau trong mối quan hệ đó. - Có ý thức về tầm quan trọng của môi trường với sức khỏe con người, chất lượng cuộc sống, phát triển thái độ tích cực với môi trường. - Nano là một lĩnh vực còn rất mới, mặc dù thế giới đã có nhiều nghiên cứu sản xuất công nghệ này. Công nghệ nano ngày càng tỏ ra chiếm ưu thế trong công nghiệp lẫn trong đời sống. - Vật thể kích thước nano có những tính chất đặc biệt khiến cho chúng ta khó có thể tin đó là sự thật. Ví dụ như vàng, một kim loại được xem là trơ nhất trong tất cả các kim loại nhưng ở kích cỡ nano vàng có những tính chất mà chúng ta không thể nào nghĩ đến được. Đặc biệt là khi phân bố đều trên các oxit kim loại. Vấn đề này đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học nghiên cứu, giải thích và tìm cách tạo ra các loại vật liệu kích cỡ này. Khi đạt đến kích cỡ nano, các kim loại chuyển tiếp có khả năng hoạt động rất mạnh. Những hoạt tính ở kích cỡ thông thường kim loại không thể hiện, nhưng khả năng diệt khuẩn, khả năng xúc tác cho nhiều phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ âm, và quan trọng nữa là tính dẫn thuốc thông minh trong y học, hơn nữa nó có tính tự phát quang khi chiếu tia sáng vào, mà không cần đến chất phát quang gây độc tới các tế bào như một số hóa chất sử dụng để tạo phát huỳnh quang trong công nghệ sinh học v.v…Lợi dụng các tính chất này, rất nhiều nano của kim loại ứng dụng vào thực tế cuộc sống và trong công nghiệp. Hạt nano kim loại mang đặc tính gắn kết, một khi được gắn với kháng nguyên hoặc kháng thể (thông thường là kháng thể đơn dòng), được lắp ráp trong các loại hình dụng cụ chẩn đoán, có thể sử dụng như là một loại công cụ phát hiện nhanh tác nhân gây bệnh. Kháng nguyên hoặc kháng thể là các phân tử protein có nhiều gốc liên kết và mang điện tích, nên chúng có khả năng kết hợp với hạt nano (ví dụ: hạt vàng, được sử dụng nhiều nhất); đồng thời kháng nguyên và kháng thể đặc hiệu còn có khả năng kết hợp với nhau bằng liên kết miễn dịch học. Do vậy, khi sử dụng làm công cụ chẩn đoán, hạt nano vàng sẽ giúp chúng ta trong chỉ thị phát hiện theo nguyên lý miễn dịch học, xảy ra nhanh, dễ làm, kết quả chính xác. 2Nội dung biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài: - Đưa các kiến thức trong chuyên đề vào các bài giảng cụ thể. - Cho học sinh tiếp cận với những vai trò quan trọng của kim loại vàng đối với sự phát triển kinh tế. - Luôn chú ý hành động, thái độ đúng đắn và tinh thần trách nhiệm cao với việc bảo vệ tài nguyên môi trường. -Giáo dục, nâng cao trình độ hiểu biết trong học sinh . GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 3 Hạt vàng và các ứng dụng Mục lục Chương 1: Tổng quan về hạt vàng........................................................................5 1.1. Giới thiệu về hạt vàng 5 1.2. Các tính chất của hạt nano vàng 6 1.2.1. Tính chất quang học.................................................................................6 1.2.2. Tính chất điện..........................................................................................7 1.2.3. Tính chất từ..............................................................................................7 1.2.4. Tính chất nhiệt.........................................................................................7 1.2.5. Tính chất xúc tác vàng trên chất mang....................................................8 1.3. Công nghệ sản xuất hạt nano vàng, nhụ vàng 9 1.3.1. Lịch sử....................................................................................................9 1.3.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng.................................................8 1.3.3. Phương pháp khử hoá học......................................................................9 1.3.4. Phương pháp từ thực vật.......................................................................10 1.4. Các hướng ứng dụng gần đây11 1.4.1. Khám phá mới về sự diệt tế bào bằng hiệu ứng quang nhiệt................11 1.4.2. Xúc tác quang hóa khả kiến nhờ các hạt nano vàng.............................13 1.4.3. Phát hiện ung thư qua hơi thở...............................................................14 Chương 2: Ứng dụng của hạt vàng ......................................................................16 2.1. Sử dụng các hạt nano vàng để loại bỏ thủy ngân ra khỏi nước.............16 2.2. Chẩn đoán ung thư vú bằng que thử…...................................................17 2.3. Ứng dụng của các hạt nano vàng trong công nghiệp hóa chất ...............18 2.4. Ứng dụng trong xử lí môi trường ............................................................19 2.5. Ứng dụng trong xử lí nước .....................................................................19 2.6. Nâng cao hiệu suất pin mặt trời bằng các hạt nano vàng........................20 2.7. Phương pháp mới chẩn đoán ung thư gan...............................................21 2.8. Nano vàng và ứng dụng thực tiễn............................................................21 2.9.Triễn vọng tương lai..................................................................................23 Kết luận.......................................................................................................24 Tài liệu tham khảo.................................................................................................25 GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 4 Hạt vàng và các ứng dụng 1.1. Giới thiệu về hạt vàng Vàng là tên nguyên tố hoá học có kí hiệu Au và số nguyên tử 79 trong bảng tuần hoàn. Là kim loại chuyển tiếp (hoá trị 3 và 1) mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng, màu vàng và chiếu sáng khi thành khối, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay tía khi được cắt nhuyễn.Vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước cường toan (aqua regia) để tạo thành axit cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua của các kim loại kiềm. Kim loại này có ở dạng quặng hoặc hạt trong đá và trong các mỏ bồi tích và là một trong số kim loại đúc tiền, có giá trị vô cùng to lớn trong cuộc sống của con người từ xưa tới nay. Thời Trung Cổ, vàng thường được xem là chất có lợi cho sức khoẻ, với niềm tin rằng một thứ hiếm và đẹp phải là thứ tốt cho sức khoẻ. Thậm chí một số người theo chủ nghĩa bí truyền và một số hình thức y tế thay thế khác coi kim loại vàng có sức mạnh với sức khoẻ. Một số loại muối của vàng thực sự có tính chất chống viêm và đang được sử dụng trong y tế để điều trị chứng viêm khớp và các loại bệnh tương tự khác.Tuy nhiên, chỉ các muối và đồng vị của vàng mới có giá trị y tế, khi là nguyên tố (kim loại) vàng trơ với mọi hoá chất nó gặp trong cơ thể. Ở thời hiện đại, tiêm vàng đã được chứng minh là giúp làm giảm đau và sưng do thấp khớp và lao. Ngày nay, nhờ vào tiến bộ trong lĩnh vực khoa học Nano (Nanoscience), người ta có thể xác định thêm nhiều đặc tính khác của kim loại này. Khi khoa học công nghệ phát triển và nhu cầu sử dụng trong các ứng dụng sinh - y học, thì hạt vàng có thêm ứng dụng mới trong thực tiễn dưới dạng đặc biệt đó là đó là: hạt Nano vàng (Hình 1). Hình 1: Hạt nano vàng (Au) với 2 liên kết điện tích bề mặt và dạng sản xuất tiêu thụ trên thế giới (Nguồn: http://www.devicelink.com/ivdt/archive/00/03/004.html ) GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 5 Hạt vàng và các ứng dụng Khi được chia nhỏ ở trạng thái phân tử có kích thước vài nanomet (nm), nguyên tố này có rất nhiều đặc tính riêng biệt. Trước tiên chúng sẽ thay đổi màu sắc, chuyển từ màu vàng sang màu đỏ hoặc tím nhạt. Sự chuyển màu này có được là do trong phân tử nano vàng không hấp thụ ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng quang phổ như các miếng vàng khối thông thường. Ở trạng thái nano, vàng cũng có khả năng cố định các phân tử sinh học (kháng nguyên và kháng thể). Vì vậy, các phân tử vàng có thể sử dụng trong rất nhiều xét nghiệm sinh học hay chẩn đoán y khoa. 1.2. Các tính chất của hạt nano vàng 1.2.1. Tính chất quang học Tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano được có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt. Hình 2. Dạng sản phẩm nano vàng được sản xuất trên thế giới với kích thước khác nhau có màu sắc khác nhau tuỳ thuộc kích thước của hạt (biểu thị bằng nm) (Nguồn: http://www.tedpella.com/gold_html/gold-colloids-wcopy.jpg) 1.2.2. Tính chất điện GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 6 Hạt vàng và các ứng dụng Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực. 1.2.3. Tính chất từ Các kim loại quý như vàng, bạc,... có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trang thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không. 1.2.4. Tính chất nhiệt Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C . 1.2.5. Tính chất xúc tác vàng trên chất mang Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của vàng chưa được hiểu một cách đầy đủ. Nhưng sự tồn tại của hạt nano vàng (<10nm) là yêu cầu cần thiết thực nhất trong quá trình tổng hợp xúc tác nano vàng. Minh chứng cụ thể nhất chỉ ra ở hình dưới. GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 7 Hạt vàng và các ứng dụng Hình 3: Ảnh chụp các hạt nano vàng trên chất MICA chụp bằng kính hiển vi nguyên tử(AFM). -Ảnh bên trái, vàng hoạt tính (kích thước trung bình dưới 10 nm) được tổng hợp bằng cách làm bay hơi trong khí Ar và được tôi luyện ở nhiệt độ 773K. -Ảnh bên phải, hạt vàng không hoạt tính (kích cỡ hạt trung bình 1μm) được tổng hợp bằng cách làm bay hơi trong chân không và tôi luyện ở 773K. (Nguồn: http://htmlimg1.scribdassets.com/8fxe54yssgo311x/images/175f2285d69b/000.jpg) Ngoài ra xúc tác vàng còn khả năng kháng đầu độc. Một đặc trưng thu hút sự chú ý đặc biệt là khả năng kháng đầu độc mà hệ thống vàng trên chất nên chống lại sự nhiễm độc lưu huỳnh. Có một số ít công trình nghiên cứu chứng minh vấn đề này. Tất cả đều chứng minh xúc tác vàng nano trên chất mang có khả năng chịu đựng sự đầu độc lưu huỳnh gấp 5-7 lần so với xúc tác thông thường. Bên cạnh đó có thể sử dụng làm sạch lưu huỳnh đầu độc trên bề mặt xúc tác kim loại ở nhiệt độ thấp. 1.3. Công nghệ sản xuất hạt nano vàng, nhụ vàng 1.3.1. Lịch sử Vào khoảng giữa thế kỷ thứ 19 các nhà khoa học trên thế giới bắt đầu quan tâm đến các dung dịch keo.Năm 1857, Michael Faraday đã công bố bản báo cáo toàn diện về quá trình chuẩn bị và các thuộc tính của dung dịch keo vàng. Trong suốt những năm cuối thế kỷ 19 và những năm đầu thế kỷ 20, các nghiên cứu về keo vàng ngày càng được mở rộng: Bredig đã phát triển phương pháp hình cung để điều chế keo vàng, Zsigmondy phát minh ra kính siêu hiển vi phục vụ cho việc nghiên cứu thuộc tính của keo vàng, Mie đưa ra một lý thuyết giải thích màu sắc của dung dịch nhụ vàng, Schulze and Hardy nghiên cứu về sự ổn định của keo vàng với sự có mặt của các ion với các hóa trị khác nhau, Einstein đưa ra một học thuyết về chuyển động Brown của dung dịch keo vàng và Smoluchowski phát biểu một học thuyết về quá trình làm đông. Các ứng dụng trong y tế là một đề tài nghiên cứu trong thời gian này.Nhụ vàng đã và đang được sử dụng để điều trị chứng viêm khớp.Một số các loại bệnh có thể được chẩn đoán thông qua tương tác của nhụ vàng với dịch tủy lấy từ cơ thể bệnh nhân. GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 8 Hạt vàng và các ứng dụng Sau chiến tranh Thế giới lần I các nghiên cứu về dung dịch keo chuyển sự quan tâm từ các chất vô cơ sang các phân tử hữu cơ có khối lượng nguyên tử lớn bao gồm các polymer và các phân tử hóa-sinh.Các nghiên cứu về dung dịch hóa keo cổ điển gặp khó khăn do các kính hiển vi không có khả năng phân giải hình ảnh của các hạt keo có đường kính chỉ khoảng 2.5 nm. Việc phát minh ra kính hiển vi điện tử những năm đầu chiến tranh Thế giới lần II đã mở ra một chương mới trong việc nghiên cứu chi tiết các hạt keo.Độ phân giải của kính hiển vi điện tử trong năm 1945 là 2 nm và đến năm 1985 là 0.2 nm.Các nguyên tử riêng rẽ có thể được hiển thị và các khoảng trống trong mạng nguyên tử cũng đã được mô tả lại. 1. 3.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng Cấu trúc của các nhân tử nano vàng hiện rõ nhờ phép phân tích cấu trúc tinh thể dưới tia X. Đó là công việc chưa từng có do Roger Kornberg và các đồng nghiệp đã thực hiện . Theo đó, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên vén bức màn cấu trúc phân tử nano vàng. Sự sắp xếp của các nguyên tử trước đây vẫn còn là bí ẩn. Nhưng giờ đây, mọi bí ẩn đã sáng tỏ, cách phân tích hình học 3D của phân tử nano vàng đã được đăng trên Tạp chí Science số ra ngày 19/10. Nhóm của Kornberg (Trường Đại học Stanford, Mỹ) đã thành công trong việc tạo ra một cấu trúc tinh thể từ các phân tử nano vàng và giải mã hình học của chúng khi cho qua các tia X. Toàn bộ cấu trúc gồm 102 nguyên tử vàng được bọc bởi một đơn của 44 nguyên tử chứa lưu huỳnh.[47] Hình 4: Một cấu trúc tinh thể từ các phân tử nano vàng ( Nguồn: http://www.aday.com.vn/UserFiles/newslang/icon/4382/441148.jpg ) 1.3.3. Phương pháp khử hoá học Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl 4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 9 Hạt vàng và các ứng dụng loại Ag+, Au3+ thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học như Citric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp polyol). Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp này. 1.3.4. Phương pháp từ thực vật Hai nhà nghiên cứu Miguel Yacaman và Jorge Gardea-Torresdey của trường Đại học Texax nghiên cứu ra cách lấy được vàng từ lúa mỳ, cây linh lăng thảo, hoặc tốt hơn cả là cây lúa kiều mạch. Không cần đến những phương pháp tổng hợp phức tạp, trong thời đại ngày nay, các chất hoà tan đơn giản sẽ đủ để biến những cây trồng ở gia đình thành một nguồn kim loại quý giá. Thực tế, những gì thu được là rất nhỏ. Vàng thu được xuất hiện dưới dạng những hạt nhỏ chỉ bằng một phần tỷ mét. Nhưng cả hai nhà khoa học cho rằng phương pháp tận dụng khả năng hấp thụ kim loại của thực vật có thể cung cấp một cách khai thác vàng rẻ hơn cách khai thác vàng từ đất vì thực vật cung cấp vàng ở những dạng hoàn toàn thích hợp với việc sử dụng trong lĩnh vực công nghệ nano đang phát triển. Thực vậy, công trình lần đầu tiên các nhà nghiên cứu ghi nhận thực vật sống hình thành nên các hạt vàng cực nhỏ này đã mở ra “một phương pháp mới thú vị để chế tạo các hạt nano” theo như lời của Gardea Torresdey, Trưởng Khoa Hoá học của trường Đại học Texas ở El Paso. Ông cũng lưu ý rằng phương pháp hiện thời để tạo ra các hạt vàng nano rất tốn kém và có các phản ứng hoá học gây ô nhiễm. Ông cho rằng sử dụng thực vật vừa “hiệu quả về kinh tế lại vừa bảo vệ môi trường”. Từ lâu, các nhà nghiên cứu đã biết rằng thực vật hấp thụ kim loại. Khả năng hấp thụ tất cả các dạng hợp chất độc hại của thực vật đã tạo cho thực vật có công dụng như những chiếc máy hút bụi sinh học cho những vùng bị ô nhiễm bởi những chất độc từ thủy ngân (arsenic), TNT (thuốc nổ) và kẽm (zinc) cho đến phóng xạ.Theo một vài tính toán thì làm sạch môi trường bằng thực vật (phytoremediation) có thể trở thành một ngành kinh doanh trị giá từ 214 triệu USD đến 370 triệu USD trong vòng vài năm tới. Thật vậy, theo ông Yacaman, Giáo sư Hoá-Năng lượng từ Mexico đến Austin hai năm trước đây cho biết phần quan trọng nhất trong bài toán lấy vàng từ cây linh lăng thảo được ông phát hiện ra khi cố gắng làm sạch vùng ngoại ô thành phố Mexico. Trong khi đang là giám đốc của Học viện Vật lý tại trường Đại Học độc lập quốc gia của Mexico, Yacaman đã cùng với Garden Torresdey sử dụng dụng thực vật để làm sạch vùng bị ô nhiễm nặng crôm. Khi cả hai phân tích những cây này thì “ngạc nhiên lớn là những kim loại đó không bị biến mất bên trong thân cây mà kết tủa lại như những chùm hạt nano, đúng như những cái được gọi là những hạt lượng tử trong công nghiệp điện tử” ông GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 10 Hạt vàng và các ứng dụng Yacaman cho biết. Vậy là bắt đầu từ một dự án làm sạch ô nhiễm bằng thực vật thì bây giờ nó đã nhanh chóng trở thành một dự án nghiên cứu công nghệ nano. Hai nhà khoa học và các đồng nghiệp của họ đều biết rằng thực vật đã từng được sử dụng để tìm vàng.Ví dụ, ở những vùng nhiệt đới, các nhà nghiên cứu ở Australia, Canada và Papua New Guinea đã nhận thấy những hàm lượng vàng trong thực vật có thể làm cho thực vật trở thành vật thay thế hữu hiệu cho những mẫu đất trực tiếp để tìm ra những vùng đất có vàng mới. Đối với những vùng đất bị phủ bụi và tro do các vụ phun trào núi lửa, nên không thể thăm dò trực tiếp, thì thực vật có hiệu quả đặc biệt. Một câu hỏi được đặt ra là liệu cây trồng theo mùa vụ có hấp thụ vàng dễ dàng và ở dưới dạng hạt nano không? Nhóm nghiên cứu bắt đầu với cây linh lăng thảo, làm cho các hạt nảy mầm trong một môi trường nhân tạo giàu vàng. Sử dụng tia X mạnh và kính hiển vi điện, họ không chỉ thấy vàng trong các mầm cây linh lăng thảo mà còn thấy chúng hình thành nên các hạt nano mà họ đang tìm kiếm. Ông Yacaman cho biết, hiện nay việc chắt lọc những mảnh kim loại này không khó vì “dễ dàng hoà tan các chất hữu cơ và giữ lại vàng còn nguyên vẹn”. Mặc dù những thử nghiệm ban đầu này cho thấy các hạt vàng được hình thành ở những hình dạng ngẫu nhiên, ông Yacaman cho biết, bằng cách thay đổi độ axít trong môi trường sinh trưởng thì hình dạng sẽ trở nên đồng nhất hơn. Kể từ khi công trình này được đăng trên mục Nano Letters của Tạp chí American Chemical Society, nhóm đã tiến hành nghiên cứu với các kim loại khác, sử dụng thực vật để chế tạo nên các hạt nano bạc, europium, palladium và sắt. Ông Yacaman cho biết hiện nay nhóm đang chế tạo ion platium có thể sử dụng cho ghi băng từ. Đối với sản xuất quy mô công nghiệp, nhóm nghiên cứu cho rằng những cây trồng này có thể được trồng trong nhà trên đất giàu vàng hoặc chúng có thể được “canh tác” ỏ những mỏ vàng bị bỏ hoang. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm với lúa mỳ và lúa kiều mạch và nhận thấy lúa kiều mạch hấp thụ vàng từ đất tốt hơn cây linh lăng thảo. Đây cũng là một phương pháp chế tạo hoàn toàn mới và phần nào đóng góp vào quá trình tạo ra những hạt nano vàng, giúp cho giá thành sản phẩm của các hạt nano vàng giảm đáng kể và rất thuận lợi cho công tác nghiên cứu. 1.4. Các hướng ứng dụng gần đây 1.4.1. Khám phá mới về sự diệt tế bào bằng hiệu ứng quang nhiệt Các nhà nghiên cứu ở Anh đã phát hiện ra rằng trị liệu bằng hiệu ứng quang nhiệt - phương pháp đưa những phần nhỏ của kim loại vào tế bào rồi gia nhiệt cho chúng bằng tia laser có năng lượng thấp để tiêu diệt tế bào - có thể không làm việc theo cách mà mọi người vẫn nghĩ. Mathias Brust và các đồng nghiệp tại Đại học Liverpool đã chỉ ra rằng các hạt nano vàng được kích hoạt bằng tia laser có thể giết chết một tế bào ngay cả khi năng lượng tia laser không đủ để làm tăng nhiệt độ. Việc này có thể khiến các nhà khoa học suy nghĩ lại những giả định trước đây về những gì đã được coi là hiệu ứng quang nhiệt liên quan đến các hạt nano kim loại. GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 11 Hạt vàng và các ứng dụng Hình 5: Ảnh TEM các hạt nano vàng có kích thước 10 và 30 nm liên kết với nhau theo tỷ lệ riêng biệt bằng cách sử dụng các DNA-ghép nối ( Nguồn: http://hoahoc.info/wp-content/plugins/rss-poster/cache/4428f_brust3s.jpg ) Nhóm nghiên cứu ở Đại học Liverpool đã sử dụng kính hiển vi điện tử để xác định chính xác làm thế nào các hạt nano vàng phá hủy các cấu trúc bên trong tế bào khi các hạt nano được kích hoạt và nóng lên bởi sự chiếu xia tia laser. "Chúng tôi lặp đi lặp lại các thí nghiệm đã được báo cáo trong các tài liệu và những gì nhìn thấy trong kính hiển vi là các tế bào bị phá huỷ hoàn toàn", Brust giải thích. Tuy nhiên, một khi các tế bào bị hoàn toàn phá hủy, chúng ta không thể nào hiểu được quá trình phá hủy này đã diễn ra như thế nào. Do đó, nhóm nghiên cứu làm giảm dần dần năng lượng của tia laser đến một mức mà các tế bào vẫn còn sống và nguyên vẹn, nhưng các hạt nano vàng đã thoát khỏi ngăn chứa xốp - hạt cơ quan nội bào - nơi bọc nang những hạt nano vàng khi chúng bắt đầu được đưa vào tế bào. Hình 6: Các hạt nano vàng trong tế bào trước và sau khi chiếu xạ laser Hình ảnh hiển vi điện tử của các hạt nano vàng (chấm màu đen) trong một tế bào trước (trái) và sau (phải) khi chiếu xạ với laser năng lượng thấp, cho thấy các hạt đã rời khỏi các hạt cơ quan nội bào và thoát ra ngoài ( Nguồn:http://hoahoc.info/wp-content/plugins/rss-poster/cache/e54c1_NL_F2a%252B-2f--400_tcm18-191945.jpg ) Brust khẳng định: "Rõ ràng là các màng của của hạt cơ quan nội bào đã bị vỡ". "Ban đầu, chúng tôi giả định rằng laser đã làm nóng các hạt nano và do đó chúng có khả năng làm tan màng của cơ quan nội bào. Nhưng khi tính toán lại, chúng tôi nhận ra rằng tia laser không cung cấp đủ năng lượng để gia tăng nhiệt độ cho tất cả các hạt." Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành tính toán lại lượng nhiệt được tạo ra bởi tia laser sử dụng để phá hủy các tế bào, và thấy rằng lượng nhiệt này không đủ làm nguyên nhân để gây ra những sự phá hủy mà họ đã nhìn thấy. GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 12 Hạt vàng và các ứng dụng Brust cho biết các nghiên cứu của các nhóm khác chỉ ra rằng thông thường hiệu ứng làm nóng chiếm tỉ lệ cao nhất hoặc phần lớn trong tổng năng lượng của laser, nhưng trong một số trường hợp, các thiệt hại gây chết người có nguyên nhân là tia laser lại có sự xuất hiện rất ít nhiệt. "Có một điều quan trọng là trong hiệu ứng quang nhiệt còn có khả năng có hiệu ứng phi nhiệt", Brust cho biết thêm. Ông cho rằng năng lượng laser có thể gây ra hiệu ứng phát xạ quang điện của các điện tử từ các hạt nano vàng, từ đó phát động sự phá hủy các gốc cảm ứng tự do. Brust phỏng đoán rằng điều này có lẽ sẽ có thể thực hiện trong tương lai đó là định vị các hạt nano vàng trên cấu trúc dưới tế bào - như DNA hoặc màng của protein - sau đó kích hoạt chúng bằng tia laser có năng lượng thấp nhằm gây thiệt hại cao tại một vị trí cục bộ và sử dụng như là một loại dao mổ nano. 1.4.2. Xúc tác quang hóa khả kiến nhờ các hạt nano vàng Một nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (DOE) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ đã chế tạo thành công một loại xúc tác ánh sáng khả kiến, bằng cách sử dụng các dây nano bạc clorua được gắn các hạt nano vàng. Xúc tác này có thể phân hủy các phân tử hữu cơ trong nước bị ô nhiễm.Nhà khoa học nano Yugang Sun thuộc Trung tâm Vật liệu Nano của Phòng Thí nghiệm Argonne cho biết: các dây nano hiện đang được nghiên cứu rộng rãi và được sử dụng cho rất nhiều ứng dụng, gồm các điện cực dẫn điện trong suốt dùng cho pin năng lượng mặt trời và các thiết bị quang điện. Bằng cách chuyển hóa các dây nano thành các dây nano bạc clorua bán dẫn, tiếp theo là bổ sung các hạt nano vàng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được các dây nano có nhiều tính chất hoàn toàn mới, khác rất nhiều với các dây nano nguyên gốc. Trong công bố mới nhất trên tạp chí Hóa học của Hội hóa học Hoàng gia Anh Yugang Sun mô tả sự dịch chuyển phản ứng trong pin điện gavani giữa các sợi nano bạc và HAuCl4. Hình 7: Quá trình bổ sung hạt nano vàng lên dây nano bạc clorua GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 13 Hạt vàng và các ứng dụng (Nguồn: http://hoahocngaynay.com/en/hoa-hoc-hien-dai/vat-lieu-nano/43508112010.html) Các tính chất xúc tác quang hóa của bạc clorua thường bị giới hạn ở các bước sóng cực tím và xanh da trời, nhưng khi được bổ sung thêm các hạt nano vàng thì chúng trở thành xúc tác quang hóa hoạt động ở vùng ánh sáng khả kiến. Ánh sáng khả kiến kích thích các electron ở các hạt nano vàng và khơi mào các phản ứng tạo ra hiệu ứng tách điện tử lên đến cực điểm ở các dây nano bạc clorua. Các thử nghiệm đã chứng tỏ các dây nano bạc có gắn các hạt nano vàng có thể phân hủy các phân tử hữu cơ như xanh metylen. Nếu ta có thể tạo ra một màng dây nano được gắn vàng và cho nước ô nhiễm chảy qua, các phân tử hữu cơ có thể bị phân hủy bởi bức xạ ánh sáng khả kiến từ các đèn huỳnh quang thông thường hoặc ánh sáng Mặt trời. Các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu các dây nano bạc thông thường được oxy hóa bằng sắt clorua để tạo ra các dây nano bạc clorua, tiếp theo là phản ứng với natri tetracloroaurat để làmlắng các hạt nano vàng lên các dây. Yugang Sun cho biết, có thể sử dụng cơ chế tương tự để làm lắng các kim loại khác như palađi và platin lên các dây nano bạc clorua nhằm tạo ra các tính chất mới, ví dụ khả năng xúc tác trong quy trình tách nước thành hydro dưới tác dụng của ánh sáng. 1.4.3. Phát hiện ung thư qua hơi thở Loại “mũi” nhân tạo NA-NOSE có thể phát hiện ung thư qua hơi thở vừa được các nhà khoa học của Viện Công nghệ Israel chế tạo thành công.Đó là một thiết bị bao gồm các bộ cảm biến hạt vàng nano liên kết với một phần mềm có khả năng dò tìm và phát hiện các phân tử vốn chỉ có trong hơi thở của những người bị ung thư. Do đó, chỉ cần một số ít các hạt phân tử nhỏ là đã có thể kích hoạt các cảm biến có kích thước nano, giúp phát hiện các triệu chứng của các bệnh ung thư trong hơi thở con người một cách cực nhạy. Từ đó, bệnh được sớm phát hiện ở giai đoạn dễ điều trị nhất. Thậm chí, thiết bị này còn có thể phân biệt, chẩn đoán được sự khác nhau giữa các loại ung thư đó. GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 14 Hạt vàng và các ứng dụng Hình 8: Sự phát hiện các loại ung thư khác nhau a-Phản ứng điển hình của một cảm biến chức năng hóa với 2-ethylhexanethiol khi tiếp xúc với hơi thở của bệnh nhân ung thư phổi (LC), ung thư vú (BC), ung thư tuyến tiền kiệt (PC), ung thư đại tràng (CC) và mẫu đối chứng của người khỏe mạnh. b-Một ví dụ về phương pháp PCA ( principal component analysis) nhận biết các mẫu LC, BC, PC, CC và mẫu khỏe mạnh. (Nguồn:http://lnbd.technion.ac.il/NanoChemistry/Templates/showpage.asp? DBID=1&LNGID=1&TMID=84&FID=468&PID=1436) GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 15 Hạt vàng và các ứng dụng 2.1. Sử dụng các hạt nano vàng để loại bỏ thủy ngân ra khỏi nước Lấy cảm hứng từ quy trình đãi vàng thủ công đã được áp dụng hàng trăm năm nay trên thế giới, các nhà khoa học Tây Ban Nha đã sử dụng các hạt nano vàng để tách thủy ngân khỏi nước nhiễm độc. Những người thợ khai thác vàng ở khắp các nơi trên thế giới thường sử dụng hỗn hống thủy ngân-vàng để đãi vàng ra khỏi quặng. Nay các nhà khoa học tại Viện Công nghệ nano Barcelona, Tây Ban Nha, tìm cách sử dụng các hạt nano vàng để tách thủy ngân ra khỏi nước theo một quy trình ngược lại. Từ trước đến nay, người ta đã sử dụng các hạt nano để loại bỏ nhiều kim loại ra khỏi nước bẩn, một phần vì các hạt này có diện tích bề mặt lớn. Thông thường, nếu muốn tạo hỗn hống thủy ngân-vàng thì cần phải khử các ion thủy ngân trong nước. Nhưng các tác nhân khử mạnh, ví dụ natri tetrafloborat, sẽ khử tất cả các kim loại có trong dung dịch, do đó ngoài thủy ngân thì các kim loại khác cũng sẽ bít kín bề mặt các hạt nano vàng, khiến hiệu quả tạo hỗn hống của các hạt này giảm mạnh. Các nhà khoa học nói trên đã tình cờ tìm ra một giải pháp đơn giản để giải quyết vấn đề đó. Trước đó, khi tạo ra các hạt nano vàng với đường kính 9 nm họ đã bọc phủ các hạt này bằng natri xitrat để giữ cho chúng phân tán trong dung dịch. Xitrat cũng là một chất khử nhẹ, có khả năng chuyển hóa các ion thủy ngân thành thủy ngân nguyên tố. GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 16 Hạt vàng và các ứng dụng Kết quả quan sát cho thấy, khi các nhà nghiên cứu trộn các hạt nano vàng vào nước nhiễm thủy ngân thì bề mặt các hạt nano này đã hoạt động như chất xúc tác để khử ion thủy ngân. Thủy ngân nhanh chóng hấp phụ lên bề mặt vàng và sau thời gian 2 ngày kim loại này di chuyển vào bên trong các hạt nano, tạo thành hỗn hống. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể ly tâm nước để loại bỏ các hạt nano vàng-thủy ngân này. Nhóm nghiên cứu nói trên đã thử nghiệm phương pháp của họ đối với nước tinh khiết pha thủy ngân clorua. Các hạt nano có thể loại bỏ hầu hết tất cả các ion thủy ngân ra khỏi dung dịch, cho đến khi nồng độ ion thủy ngân chỉ còn là 0,16 ppm. Nước đã lọc thủy ngân như vậy đáp ứng tiêu chuẩn an toàn của Tổ chức Y tế thế giới là 1 ppb Hg. ở nồng độ thủy ngân 4,8 ppm, các hạt nano loại bỏ khoảng 60% thủy ngân ra khỏi nước. Để thử nghiệm những giải pháp thực tế hơn, các nhà khoa học đã bổ sung ion thủy ngân vào các mẫu nước lấy từ sông Ebro gần đó. Kết quả cho thấy, phương pháp của họ có thể loại bỏ khoảng 40% các ion thủy ngân ra khỏi dung dịch có nồng độ 6,5 ppm. Phương pháp này hoàn toàn mới, nhưng một số nhà khoa học khác cho rằng các nhà máy cấp nước khó có khả năng sẽ áp dụng nó để loại bỏ thủy ngân vì giá của vàng rất cao. Hiện đang có những phương pháp khác rẻ tiền hơn để tách thủy ngân ra khỏi nước, ví dụ sử dụng các phân tử thiol để lọc các ion thủy ngân. Nhưng các nhà phát minh phương pháp nói trên hy vọng rằng các hạt nano vàng có thể được sử dụng để loại bỏ thủy ngân với nồng độ cực nhỏ trong nước đã trải qua một số bước xử lý. Theo họ, làm sạch nước rất bẩn là việc rất dễ, nhưng làm sạch nước sạch sẽ khó hơn nhiều - đây có thể sẽ là lĩnh vực áp dụng cho phương pháp mới này. Nguồn Tạp chí Hóa học và Công nghiệp Hóa chất, số 4/2012 2.2 .Chẩn đoán ung thư vú bằng que thử Hiện nay, việc chẩn đoán ung thư vú chủ yếu qua xúc giác, qua siêu âm, sinh thiết... Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ phát hiện được ung thư vú khi khối u đã lớn ở kích cỡ nhất định, ví dụ như cỡ khoảng 1 cm. Như vậy, các phương pháp này chỉ phát hiện khi ung thư đã phát triển một thời gian khá dài nên khả năng điều trị khỏi không cao. Thực tế đó cho thấy nhu cầu cần thiết có một phương pháp có thể phát hiện ung thư vú ngay từ sớm để tăng khả năng chữa khỏi lên cao hơn. TS Nghiêm Thị Hà Liên cùng các cộng sự đã bắt tay vào nghiên cứu chế tạo một loại băng thử, gọi nôm na là que thử - có dạng tương tự que thử thai - có thể giúp phát hiện một người có bị ung thư vú hay không thông qua mẫu máu hoặc huyết thanh của người đó. Điều đáng nói là dùng que thử dạng này, thời gian cho ra kết quả rất nhanh, chỉ cần vài phút và chỉ cần từ 1-2 giọt máu hoặc huyết thanh làm mẫu thử. Nếu đưa ra sản xuất đại trà, ước tính và mong muốn của các nhà nghiên cứu sẽ ở mức mỗi que thử chỉ vài chục ngàn đồng. Nguyên lý hoạt động là khi nhỏ 1-2 giọt máu hoặc huyết thanh lên que thử, các kháng nguyên có trong máu, huyết thanh sẽ tạo ra phản ứng với các kháng thể được gắn trên các hạt nano vàng đặt trên que thử. Các phản ứng sẽ xảy ra và người dùng chỉ cần nhìn lên que thử, nếu thấy có một vạch đỏ hiện lên chứng tỏ không bị ung GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 17 Hạt vàng và các ứng dụng thư, nếu có 2 vạch đỏ thì chứng tỏ đã có mầm bệnh ung thư trong người và cần điều trị càng sớm càng tốt. TS Hà Liên giải thích các hạt vàng ở kích cỡ nano sẽ đóng vai trò là chất chỉ thị màu. Trước đây, người ta thường dùng hạt latex làm chất chỉ thị màu cho các ứng dụng tương tự. Tuy nhiên, hạt này có tính ổn định không cao bằng vàng. Nhóm nghiên cứu của TS Liên là nhóm đi tiên phong ở VN trong việc đưa ra ý tưởng và sử dụng hạt vàng ở lĩnh vực này. Nhờ vào đặc tính trơ về mặt hóa học, không độc và có dạng cầu hoàn hảo, các hạt vàng ở kích cỡ nano đặc biệt phù hợp với ứng dụng này. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tìm ra kích cỡ, hình dạng và hoàn thiện hóa độ đồng đều của hạt vàng, nâng mật độ quang của dung dịch, tăng tuổi thọ của dung dịch vàng, sau đó gắn kết với protein và các kháng thể, làm thành phần chính tạo nên que thử. Trong thời gian tới, nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu việc gắn kết hạt vàng nano với các loại protein hướng đích ứng dụng trong phép chẩn đoán bệnh nhanh. Về lâu dài, mục tiêu của nhóm là chế tạo và ứng dụng các hạt nano vàng trong chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư. TS Hà Liên giải thích các hạt vàng ở kích cỡ nano sẽ đóng vai trò là chất chỉ thị màu. Trước đây, người ta thường dùng hạt latex làm chất chỉ thị màu cho các ứng dụng tương tự. Tuy nhiên, hạt này có tính ổn định không cao bằng vàng. Nhóm nghiên cứu của TS Liên là nhóm đi tiên phong ở VN trong việc đưa ra ý tưởng và sử dụng hạt vàng ở lĩnh vực này. Nhờ vào đặc tính trơ về mặt hóa học, không độc và có dạng cầu hoàn hảo, các hạt vàng ở kích cỡ nano đặc biệt phù hợp với ứng dụng này. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tìm ra kích cỡ, hình dạng và hoàn thiện hóa độ đồng đều của hạt vàng, nâng mật độ quang của dung dịch, tăng tuổi thọ của dung dịch vàng, sau đó gắn kết với protein và các kháng thể, làm thành phần chính tạo nên que thử. Trong thời gian tới, nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu việc gắn kết hạt vàng nano với các loại protein hướng đích ứng dụng trong phép chẩn đoán bệnh nhanh. Về lâu dài, mục tiêu của nhóm là chế tạo và ứng dụng các hạt nano vàng trong chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư. 2.3.Ứng dụng của các hạt nano vàng trong công nghiệp hóa chất Từ xưa đến nay, vàng là một kim loại quý hiếm và có giá trị cao đối với con người. Ngoài mục đích làm đồ trang sức, vật trang trí,... ngày nay vàng còn được sử dụng trong các lĩnh vực điện tử và nha khoa Khi kinh tế thế giới rơi vào suy thoái, vàng đã trở thành công cụ đầu tư nổi bật trong thế giới tài chính, Cuối năm 2009, giá vàng trên thị trường quốc tế đã lên đến 1200 USD/ ounce. Tuy vàng giá trị kinh tế cao như vậy, nhưng ứng dụng của nó trong công nghiệp vẫn rất được quan tâm, vì những đột phá về công nghệ đã mở ra cơ hội ứng dụng mới cho loại vật liệu đắt tiền này. Đó là sự ra đời của màng mỏng GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 18 Hạt vàng và các ứng dụng hay các hạt nano vàng, tuy chỉ sử dụng một lượng cực nhỏ nhưng vẫn có được các tính chất và độ bền của vàng. Trước đây, các kim loại quý như platin, bạc thường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xúc tác. Chỉ đến cuối thập niên 1980, vàng mới được quan tâm một cách đặc biệt. Trong các phản ứng hóa học, vàng có thể thay thế nhiều chất xúc tác quý hiếm. Các nhà nghiên cứu Nhật Bản và Nam Phi đã chứng minh rằng, vàng có thể làm chất xúc tác cho quá trình oxy hóa khí cacbon monooxit (CO) và quá trình hydroclorua hóa axetylen. Từ đó đến nay, vàng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực xúc tác. Một trong những phản ứng thành công nhất có sử dụng xúc tác vàng là quá trình sản xuất mononme vinyl axetat (VAM) - thành phần quan trọng trong hệ nhũ tương polyme, nhựa và sản phẩm trung gian để sản xuất sơn, keo dán, vải dệt,... Ngoài ra, vàng còn được sử dụng trong nhiều quá trình sản xuất công nghiệp quan trọng, chẳng hạn quá trình oxy hóa có chọn lọc các loại đường, sản xuất metyl glycolat và phản ứng khí hóa than. 2.4.Ứng dụng trong xử lý môi trường Hiện nay, một thách thức lớn về mặt môi trường là tình trạng ô nhiễm thủy ngân ở nhiều nơi trên thế giới. Thủy ngân là chất có độc tính cao, thường có mặt trong các mỏ khoáng chất trên khắp thế giới. Mỗi năm, có khoảng 150 tấn thủy ngân bị thải vào khí quyển, trong đó 1/3 là từ khí thải của các lò hơi đốt than. Nhiễm độc thủy ngân có thể gây ra một số căn bệnh như bệnh alzheimer, chứng tự kỷ,... Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) đã đặt ra những giới hạn nghiêm ngặt về phát thải thủy ngân ở nồi hơi của các nhà máy điện. Nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tìm ra giải pháp để ngăn chặn có hiệu quả sự phát tán thủy ngân vào khí quyển. Một vấn đề nghiêm trọng khác là tình trạng ngộ độc khí CO. Theo thống kê, mỗi năm tại Mỹ có hơn 4000 người bị ngộ độc khí CO, trong đó 10% các trường hợp dẫn đến tử vong. Theo nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Công nghệ năng lượng quốc gia Mỹ (NETL), các hạt nano vàng có thể xúc tác quá trình oxy hóa thủy ngân để thu giữ hơi thủy ngân. Những thí nghiệm quy mô lớn hiện đang thực hiện tại một số nhà máy điện của Mỹ. Các nhà khoa học cũng đã chứng minh rằng, các hạt nano vàng có thể tham gia phản ứng oxy hóa CO ở nhiệt độ thấp để tạo thành CO 2. Trên thực tế, nhiều nhân viên cứu hỏa và thợ mỏ đã sử dụng mặt nạ phòng hơi độc có chứa xúc tác nano vàng để tránh ngộ độc khí CO. 2.5.Ứng dụng trong xử lý nước Nguồn nước trên thế giới phân bố không đều, ngày càng cạn kiệt và chất lượng suy giảm do nhiễm mặn hoặc nhiễm các hóa chất như các chất thải công nghiệp, các kim loại nặng, thuốc trừ sâu và các chất hữu cơ halogen hóa. Đó là những hóa chất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới và điều này đồng nghĩa với việc hiện nay có hàng triệu người đang có nguy cơ tiếp xúc với nước uống bị ô nhiễm. Những năm gần đây, vai trò của các hạt nano vàng đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt. Ngoài khả năng oxy hóa thủy ngân trong các khí thải, các hạt nano vàng còn GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 19 Hạt vàng và các ứng dụng là những chất hấp phụ hiệu quả để loại bỏ một lượng lớn thủy ngân ra khỏi các nguồn nước. Một bước đột phá mới đây trong công nghệ xử lý nước là việc phát triển các hạt nano lưỡng kim vàng - palađi có hoạt tính xúc tác cao, có khả năng phân hủy các hợp chất hydrocacbon clo hóa, chẳng hạn tri-cloetan (TCE). TCE là chất tẩy dầu mỡ được dùng trong các ngành công nghiệp điện tử, sản xuất xe ô tô và cũng thường được sử dụng trong sản xuất hóa chất. Tuy nhiên, TCE ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, có thể làm tổn thương gan, ảnh hưởng đến thai nhi và gây ung thư. Ở nhiệt độ phòng và khi có mặt xúc tác palađi, hydro có khả năng phân hủy TCE và các hợp chất clo hóa trong nước: CHCI = CCl2 + 4 H2 -> CH3CH3 + 3HCI Nhưng do giá thành cao nên xúc tác palađi vẫn chưa được sử dụng phổ biến. Để giải quyết vấn đề này, một nhóm nghiên cứu người Mỹ đã phủ palađi lên các hạt nano vàng. Mặc dù vàng đắt hơn palađi nhiều nhưng bù lại hợp kim này có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học tốt hơn hai bậc so với palađi. Hơn thế nữa, việc sử dụng vàng có thể ngăn ngừa được hiện tượng ngộ độc xúc tác. 2.6.Nâng cao hiệu suất pin mặt trời bằng các hạt nano vàng và bạc Mới đây, các nhà nghiên cứu đến từ đại học công nghệ Swinburne (Úc) cùng các cộng sự từ Suntech Power Holdings đã công bố phát triển thành công pin mặt trời cấu trúc kim loại siêu nhỏ băng rộng (broadband nanoplasmonic) hiệu quả nhất thế giới. Họ đã cải tiến khả năng hoạt động của các tấm pin mặt trời hiện có bằng cách bổ sung các hạt nano vàng và bạc có bề mặt gồ ghề. Kết quả là hiệu quả khai thác của pin mặt trời đã tăng đến 8,1%. Trước đó, một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm năng lượng mặt trời tiên tiến VictoriaSuntech (VSASF) đã tiến hành nhúng các hạt nano vàng và bạc thông thường vào GV Đoàn Thị Thúy Liễu - Trường THPT Trấn Biên 20