Tài liệu Tìm hiểu về ống nano carbon và ứng dụng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ ---------- TÌM HIỂU VỀ ỐNG NANO CARBON VÀ ỨNG DỤNG Luận văn tốt nghiệp Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S Lê Văn Nhạn Nguyễn Thị Thanh Bình Mã số SV: 1117538 Lớp: Sư phạm Lý -Tin Khóa: 37 Cần Thơ, 5-2015 LỜI CẢM ƠN  Sau một thời gian dài học tập và nghiên cứu em đã cố gắng hoàn thành đề tài luận văn của mình. Tìm hiểu về ống nano carbon là một đề tài hay bổ ích nhưng khá mới mẻ và lạ lẫm với em. Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành gửi đến quý Thầy cô thuộc bộ môn sư phạm Vật lý lời cảm ơn sâu sắc, các Thầy cô đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm cho em trong những năm tháng trên giảng đường Đại Học. Đó là hành trang vững chắc không chỉ giúp em hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp mà còn là nền tảng cho sự nghiệp của em ở tương lai. Đặc biệt, em xin gửi lời biết ơn chân thành nhất đến thầy hướng dẫn ThS.Lê Văn Nhạn đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài luận văn này. Cuối lời, em xin kính chúc quý thầy cô và các bạn dồi dào sức khỏe và công tác tốt. Em xin chân thành cảm ơn. Cần Thơ, tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thanh Bình NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ................................... Cần Thơ, ngày ..... tháng 05 năm 2015 Giảng viên hƣớng dẫn ThS – Lê Văn Nhạn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây. Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn Cần Thơ, ngày 24 tháng 5 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI........................................................................................... 1 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................... 1 3. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC .................................................................................. 2 4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU................................................................................... 2 5. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ................................................................................ 2 6. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ...................................... 2 7. CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................. 2 8. CÁC THUẬT NGỮ ................................................................................................ 2 PHẦN NỘI DUNG ..................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO ......................................... 4 1.1. Công nghệ nano là gì? ......................................................................................... 4 1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano.................................................................... 5 1.2.1 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lƣợng tử ................................ 5 1.2.2 Hiệu ứng bề mặt................................................................................................. 5 1.2.3 Kích thƣớc tới hạn ............................................................................................. 6 1.3 Vật liệu Nano ........................................................................................................ 7 1.3.1 Dạng cầu ............................................................................................................. 9 1.3.1.1 Điểm lượng tử (QD) ........................................................................................ 9 1.3.1.2 Dendrimer ........................................................................................................ 9 1.3.1.3 Lỗ nano (nanopore) ...................................................................................... 10 1.3.1.4 Vỏ nano (Nanoshell)....................................................................................... 10 1.3.1.5 Hạt nano (Nanoparticle) ................................................................................ 10 1.3.2 Dạng thanh ........................................................................................................ 10 1.3.2.1 Ống nano (Nanotube – NT ) ........................................................................... 11 1.3.2.2 Dây nano ......................................................................................................... 11 GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn i SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng 1.3.2.3 Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC) .............................................................. 11 1.3.2.4 Que nano (Nanorod)....................................................................................... 12 1.4 Chế tạo vật liệu nano. .......................................................................................... 13 1.4.1 Phƣơng pháp từ trên xuống ............................................................................. 13 1.4.2 Phƣơng pháp từ dƣới lên ................................................................................. 13 1.5 Các nguyên lý và hiệu ứng dùng ......................................................................... 14 1.6 Các thiết bị dùng trong việc nghiên cứu và quan sát cấu trúc nano ................ 15 1.7 Điều chế vật liệu ................................................................................................... 15 1.8 Các phƣơng pháp tính toán ................................................................................ 16 CHƢƠNG 2 : ỐNG NANO CARBON ..................................................................... 17 2.1 Tổng quan về carbon cấu trúc nano ................................................................... 19 2.1.1 Graphite và graphene ....................................................................................... 20 2.1.2 Cấu trúc carbon nano dạng hình cầu .............................................................. 21 2.1.2.1 Than đen ......................................................................................................... 21 2.1.2.2 Cấu trúc carbon nano không định hình C60, C70 ........................................ 21 2.1.2.3 Carbon dạng củ hành ..................................................................................... 22 2.1.2.4 Carbon xốp...................................................................................................... 22 2.2 Khái niệm ống nano carbon ................................................................................ 23 2.3 Cấu tạo của ống nano carbon. ............................................................................ 23 2.4 Các loại ống nano carbon .................................................................................... 25 2.4.1 Ống nano đơn lớp (SWNT – Single Wall Nanotube) ..................................... 25 2.4.2 Ống nano đa lớp (MWNT – Multi Wall Nanotube) ....................................... 27 2.5 Một số tính chất của ống nano carbon. .............................................................. 33 2.5.1 Tính chất dẫn điện ............................................................................................ 33 2.5.2 Hiệu ứng từ ...................................................................................................... 34 2.5.3 Tính chất quang ................................................................................................ 35 2.5.4 Tính chất nhiệt .................................................................................................. 35 2.5.5 Tính chất cơ học .............................................................................................. 36 2.5.6 Tính chất hóa học ............................................................................................. 37 2.5.7 Tính chất phát xạ điện tử trƣờng .................................................................... 37 GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn ii SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng 2 .6 Quy trình tổng hợp carbon nano ....................................................................... 37 2.6.1 Phƣơng pháp hồ quang ................................................................................... 38 2.6.2 Phương pháp cắt lazer ....................................................................................... 39 2.6.4 Phƣơng pháp nghiền bi và ủ nhiệt................................................................... 40 2.6.5 Phƣơng pháp phân hủy xúc tác các khí chứa carbon. ................................... 40 CHƢƠNG 3 : MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NANO CARBON .................... 43 3.1 Pin lƣu trữ điện năng dựa trên các ống nano carbon ....................................... 43 3.1.1 Kỹ thuật chế tạo ................................................................................................ 43 3.1.2 Ứng dụng :......................................................................................................... 44 3.1.3 So sánh với pin truyền thống: .......................................................................... 45 3.1.4 Siêu tụ điện: ...................................................................................................... 45 3.2 Cải thiện tính siêu dẫn bằng ống nano carbon .................................................. 46 3.2.1 Đặc điểm của magnesium diboride ................................................................. 46 3.2.2 Chế tạo............................................................................................................... 47 3.2.3 Giải thích ........................................................................................................... 47 3.3 Cảm biến khối lƣợng có độ chính xác tới khối lƣợng nguyên tử ..................... 48 3.3.1 Nguyên tắc hoạt động ....................................................................................... 48 3.3.2 Kiểm tra phẩm chất của thiết bị ...................................................................... 49 3.3.3 Ƣu điểm ............................................................................................................. 49 3.4 Chế tạo điốt nano có thể kiểm soát đƣợc ........................................................... 49 3.5 Ứng dụng ống carbon vào màn hình TV............................................................ 50 3.5.1 Màn hình ống nano carbon 25” ....................................................................... 50 3.5.2 Ứng dụng ống nano vào màn hình FED .......................................................... 50 3.6 Dệt sợi của tƣơng lai với nano carbon................................................................ 51 3.6.1 Quy trình se sợi : .............................................................................................. 51 3.6.2 Kết quả : ............................................................................................................ 52 3.7 Cảm biến công nghệ Nano .................................................................................. 52 3.7.2 Tĩnh điện kế ...................................................................................................... 53 3.7.3 Cảm biến hóa học ............................................................................................. 53 3.7.4 Cảm biến sinh học ............................................................................................ 54 GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn iii SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng 3.7.4.1 Cấu tạo ............................................................................................................ 54 3.7.4.2 Chíp cảm biến sinh học. ................................................................................. 54 CHƢƠNG 4 : NHỮNG HẠN CHẾ CỦA CÔNG NGHỆ NANO ........................... 56 4.1 Độc tính trong hai loại vật liệu nano phổ thông ................................................ 56 4.2 Ảnh hƣởng của độ dài sợi nano carbon ............................................................. 57 4.3 Kết luận về hạn chế của công nghệ nano ........................................................... 58 PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................... 59 GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn iv SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng PHẦN MỞ ĐẦU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Sự phát minh thuyết lượng tử về cấu tạo và các quá trình biến đổi vật chất vào những năm đầu thế kỷ 20 đã dẫn đường cho sự phát triển nhiều ngành khoa học tự nhiên và các lĩnh vực công nghệ cao. Bước vào thế kỷ 21, các nhà vật lý lại mở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sử phát triển khoa học và công nghệ trên thế giới: sự ra đời của khoa học và công nghệ nano. Nhắc đến công nghệ nano chúng ta không thể không nhắc đến ống nano carbon (nanotube). Ống nano carbon là tiêu biểu cho vật liệu nano, nguyên liệu đặc thù nhất của công nghệ nano. Người ta nói một cách văn vẻ : nếu trong thế giới nano có một ông vua thì chiếc gậy quyền uy (vương trượng) của ông vua đó là ống nano carbon. Ống nano carbon có những tính chất hóa lý còn kỳ diệu hơn fullerence. Người ta đã định được độ bền (strength) và độ cứng (stiffness) của ống nano carbon. Nó nhẹ hơn thép đến 6 lần nhưng lại bền hơn thép hàng trăm lần. Như vậy, có thể nói là ống nano là một vật liệu có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay. Từ ống nano carbon có thể làm ra nguồn phát điện; màn hình tivi siêu mỏng; chip cảm biến; transitor trường; bộ nhớ... Với những tính chất lạ thường, lại xuất hiện vào thời kỳ mà công nghệ nano đang nổi trội nên ứng dụng của nó đã được cả thế giới thừa nhận. Công nghệ nano đã ứng dụng những tính chất vô cùng đặc biệt của ống nano carbon để làm ra nhiều loại linh kiện, vật liệu mà trước đây chưa ai nghĩ sẽ có ngày làm ra được. Ảnh hưởng của ống nano carbon đến sự phát triển của công nghệ nano là rất to lớn. Tạp chí Science et Avenir (Khoa học và tương lai) của Pháp năm 2002, trong khi nêu lên cái gọi là “Bảy kỳ quan của thế giới nano” , đã mạnh dạn xếp ống nano carbon là kỳ quan số một. Chính những tính năng ưu việt và những ứng dụng nổi bật nên tôi chọn đề tài : “Tìm hiểu về ống nano carbon và ứng dụng” để làm luận văn tốt nghiệp cho mình. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu những vấn đề cơ bản liên quan đến ống nano carbon, từ đó đúc kết viết thành tài liệu gồm các nội dung : - Cơ sở lý thuyết về công nghệ nano và ống nano carbon. - Giới thiệu một số phương pháp chế tạo và quy trình tổng hợp nano carbon. - Một vài ứng dụng tiêu biểu của ống nano carbon. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 1 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng 3. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Sinh viên có thêm tài liệu, thêm kiến thức về công nghệ nano đặc biệt là của ống nano carbon, và ứng dụng tiêu biểu của nó. Từ đó có thể tiếp tục tìm hiểu sâu hơn, có thể tham gia nghiên cứu, phát minh ra nhiều ứng dụng hiệu quả hơn. 4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Hiểu và hoàn thành tài liệu cơ bản về ống nano carbon, phương pháp chế tạo và tổng hợp nano carbon, ứng dụng của nó trong cuộc sống hiện đại. 5. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU - Cơ sở khoa học của công nghệ nano. - Các tính chất và quy trình tổng hợp ống nano carbon. - Một số ứng dụng của ống nano carbon. 6. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 6.1. Phƣơng pháp: Nghiên cứu lý thuyết: sưu tập nhiều tài liệu liên quan, xây dựng các giả thuyết, phân tích tổng hợp lý thuyết mà viết nên cơ sở lý luận của đề tài. Tìm hiểu các ứng dụng thực tế của ống nano carbon trên tất cả các lĩnh vực, tổng hợp, lựa chọn và sắp xếp một cách logic. 6.2. Phƣơng tiện : - Sử dụng các tài liệu sách tham khảo, báo chí, các trang web, ... có liên quan đến công nghệ nano và ống nano carbon. - Sử dụng máy vi tính để hỗ trợ nghiên cứu và trình bày đề tài. 7. CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Thu thập kiến thức, sưu tầm tài liệu, nghiên cứu cơ sở lý luận về ống nano carbon. - Trao đổi nội dung và nhận định. - Hệ thống hóa tài liệu và thiết lập để nghiên cứu. - Viết bản thảo. - Xin ý kiến đánh giá và điều chỉnh theo sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn. - Hoàn thành đề tài và nộp bài viết. 8. CÁC THUẬT NGỮ CNT ( Carbon Nanotube) : ống nano carbon. TEM (Trasmision Electron Microscope) : kính hiển vi điện tử truyền qua. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 2 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng SEM (Scanning Electron Microscope) : kính hiển vi điện tử quét. SWNT (Single-wall nanotubes) : ống nano đơn lớp. MWNT (Multi-walled nanotubes) : ống nano đa lớp. DWNT ( Double-walled nanotubes) : ống nano hai lớp. XRD (X Ray Diffraction) : Phương pháp nhiễu xạ tia X. QD (Quantum Dots) : chấm lượng tử. DNA hay ADN ( Dexyribonucleic acid) : axit nucleic. Fullerene : những phân tử cấu thành từ các nguyên tử cacbon, chúng có dạng rỗng như mặt cầu, ellipsoid, hay ống. Buckyball : fullerene hình cầu . PAN (Polyacrylonitrile) : vật liệu sản xuất sợi carbon GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 3 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO Trong thời đại ngày nay công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và được sự quan tâm nhiều hơn của các nhà khoa học. Các nước trên thế giới hiện nay đang tích cực nghiên cứu về phát triển và ứng dụng công nghệ nano. 1.1. Công nghệ nano là gì? Chữ nano, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần. Ví dụ : nanogam = 1 phần tỷ của gam; nanomet = 1 phần tỷ của mét. Nano là tiếng gọi tắt của nanometer (ký hiệu nm, 1 nm = 10 -9 m hay là 0.000000001 m) là một đơn vị đo lường ở kích thước nguyên tử hay phân tử. Cách đây hai mươi năm cụm từ "công nghệ nano" (nanotechnology) ít được người biết đến, nhưng ngày hôm nay nó trở thành một thuật ngữ quen thuộc ở mọi giai tầng trong xã hội hiện đại. Công nghệ nano liên quan đến việc lợi dụng những hiện tượng ở đơn vị nanometer để thiết kế vật liệu và vật chất với những chức năng đặc biệt ngay từ thang (scale) nguyên tử hoặc phân tử. Người ta gọi đây là phương pháp thiết kế "từ dưới lên" (bottom-up method) khác với phương pháp thiết kế thông thường "từ trên xuống" (top-down method) đang được lưu dụng. Nhà vật lý học người Mỹ nổi tiếng Richard Feynman đã từng tiên đoán phương pháp "từ dưới lên" trong một bài thuyết trình năm 1959 qua câu nói vừa nghiêm túc vừa hài hước "There's plenty of room at the bottom" (Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới). Lời dự đoán thiên tài này cho biết vùng tận cùng "miệt dưới" của nguyên tử và phân tử vẫn còn là những vùng phì nhiêu bát ngát chờ đợi con người đến khai hoang. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Khái niệm công nghệ nano là để chỉ lĩnh vực khoa học và công nghệ mà đối tượng nghiên cứu cũng như thao tác của nó có kích cỡ trong dải từ 1nm tới 100nm. Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài. Với công nghệ nano, kích thước chính xác của nguyên tử không quan trọng bằng việc gắn nó với những phần nhỏ nhất của vật chất mà con người có thể thao tác, điều khiển được. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 4 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng Với công nghệ này, cho phép chế tạo thiết bị mới dựa trên các tính chất vật lý quen biết của nguyên tử và phân tử. Những thiết bị chế tạo bằng công nghệ nano có các đặc tính siêu việt như nhỏ hơn, nhanh hơn, bền hơn hoặc thêm nhiều đặc tính hoàn toàn mới so với các thiết bị được chế tạo trên nền tảng công nghệ hiện nay. Công nghệ nano là sự kết tinh của nhiều thành tựu khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau và là công nghệ có tính khả thi. Nhiều nhà nghiên cứu dự báo rằng, công nghệ nano sẽ đem lại một cuộc cách mạng mới, mà tiềm năng ứng dụng của nó hiện nay mới chỉ đang thảo luận ở mức độ sơ khai. Nền công nghệ này đang có tác động mạnh lên nền công nghệ "cổ điển" hiện tại và cũng là một động lực của những công trình nghiên cứu đa ngành (multi-discipline) bao gồm vật lý, hóa học, vật liệu học, sinh học, toán học, tin học v.v... Đây là một cuộc cách mạng kỹ nghệ của loài người ở thế kỷ 21. Nó sẽ mang lại cho nhân loại những thay đổi khoa học kỹ thuật mang tính đột phá và có tầm ảnh hưởng sâu xa trong sinh hoạt xã hội, văn hóa, kinh tế hơn cả cuộc cách mạng kỹ nghệ ở thế kỷ 21. 1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano. [1] 1.2.1 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lƣợng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3có 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 : 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. Do sự chuyển sang các quy luật của cấu trúc nano, nên khi dùng nguyên tử, phân tử, chấm lượng tử để ghi thông tin thì không phải là ghi các bit cổ điển thông thường mà là ghi các bit lượng tử. Bởi vậy các máy điện toán lượng tử chỉ có thể thực hiện được với các cấu trúc nano. Có thể nói cấu trúc nano là một trạng thái độc đáo của vật liệu cho phép chế tạo rất nhiều loại sản phẩm hoàn toàn mới rất cần thiết cho các công nghệ cao. Như vậy công nghệ không chỉ là thu nhỏ kích thước hơn công nghệ micro mà còn khám phá ra nhiều bí mật mới ở chiều sâu cấu trúc vật chất. 1.2.2 Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nanomet, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. . Vì các cấu trúc nano có cấu trúc rất nhỏ nên chúng có thể được sắp xếp “cô đọng” gắn kết rất đông đặc (compact), khi cần thiết có thể không có các vi lỗ xốp (micropore). Tính chất đặc biệt này của các vật liệu cấu trúc nano có nguyên nhân là tương tác điện GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 5 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng từ giữa chúng qua các lớp bề mặt của những hạt nano cạnh nhau. Lực tương tác này trong nhiều trường hợp có thể lớn hơn lực van der Waals. Sự cô đọng của các cấu trúc nano rất có lợi cho việc tăng tốc độ truyền tải thông tin trong hệ thống các cấu trúc nano. Một trong những bài toán bề mặt quan trọng là tương tác giữa bề mặt của giá đế (substrate), mà trên đó có cấu trúc nano, với các nguyên tử của cấu trúc nano đó. Bề mặt giá đế thường có độ gồ ghề nhất định mà các nguyên tử hấp phụ trên bề mặt sẽ di động tới vị trí có thế năng thấp nhất. Tính chất này sẽ ảnh hưởng đến việc “sắp xếp” các nguyên tử trên giá đế theo một cấu trúc nano định trước. . Những tính chất bề mặt trên làm cho việc “lắp ghép” các cấu trúc nano trở nên rất phức tạp và làm tăng thêm tính phức tạp của các hệ vốn đã là phi tuyến, do đó có thể dẫn tới các tính chất hoàn toàn mới của những cấu trúc đó. 1.2.3 Kích thƣớc tới hạn Các vật liệu thường được đặc trưng bằng một số đại lượng vật lý không đổi, ví dụ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, từ độ bão hòa của vật liệu sắt từ,… Nhưng các đại lượng này chỉ không đổi khi kích thước của vật đủ lớn và ở trên thang nano. Khi giảm kích thước của vật xuống đến thang nao thì các đại lượng đặc trưng nói trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước gọi là hiệu ứng kích thước. Ví dụ : Điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm 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 điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ 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. . Các tính chất khác nhau như tính chất điện, từ, quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nanomet. 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: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Tính chất điện Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1-100 Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Quãng đường tán xạ spin 1-100 Tính chất từ GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 6 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tính chất quang Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 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 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Nhận biết phân tử 1-10 Tính siêu dẫn Tính chất cơ Miễn dịch 1.3 Vật liệu Nano Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004. Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology). Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc thì : Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các 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. Nghiên cứu các vấn đề cơ bản của vật lý học, hóa học, sinh học của các cấu trúc nano. Dựa trên các kết quả của khoa học nano đi đến nghiên cứu ứng dụng cấu trúc nano. Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét. Công nghệ nano có ứng dụng rất lớn trong cuộc sống và là một công nghệ triển vọng ngay tại thời điểm hiện tại lẫn tương lai. Thử tưởng tượng có những thiết bị nhỏ cỡ nano GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 7 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng có thể đi vào trong con người, tìm ra các bộ phận bị “ốm” và tuyệt hơn là góp phần làm bộ phận đó “khỏe” trở lại. Công nghệ này cũng được đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn các công nghệ hiện tại. Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất. Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này. Vật liệu Nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nm. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành 3 trạng thái : rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: - Vật liệu nano không chiều : cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ : đám nano, hạt nano... - Vật liệu nano một chiều : vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do, ví dụ : ống nano... - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng… - Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này. Vật liệu nanocomposite là loại vật liệu nano có ứng dụng rộng rãi cả trong kỹ thuật và dân dụng. Nanocomposite bao gồm cả ba loại: nền kim loại , nền gốm và nền polymer. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 8 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng Để tiện theo dõi người ta chia vật liệu nano thành hai loại là dạng cầu (điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano và hạt nano) và dạng thanh ( ống nano, que nano, dây nano). [2] 1.3.1 Dạng cầu 1.3.1.1 Điểm lượng tử (QD - Quantum Dot) QD là một hạt vật chất được tạo nên từ các vật liệu nhóm II-VI (CdSe) hoặc III-V (InP) trong bảng hệ thống tuần hoàn, có kích thước nhỏ (<10nm) tới mức khi thêm hay lấy đi môt điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó. Khi ta kích thích một QD càng nhỏ thì năng lượng và cường độ phát sáng của nó càng tăng, mang lại bước sóng phát xạ khả điều hướng và đa hình phổ phát xạ của QD. Vì vậy nó là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới. 1.3.1.2 Dendrimer Dendrimer là các phân tử được chế tạo bằng cách thêm liên tiếp các đơn vị nhánh tỏa ra ngoài từ điểm khởi đầu (Hình 1.1) Hình 1.1 Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer. Ba thành phần cấu trúc : lõi, vùng bên trong chứa các đơn vị nhánh lặp lại và bề mặt ngoài. [1] Chất khơi mào (initiator) : Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc là nguyên tố đa trị. Có thể gắn thêm các nhóm chức để tạo dendrimer đa chức năng. Đơn vị nhánh : đơn vị nhánh bên trong có thể toàn bộ là amin (DAB- Am = PPI = Astromol ), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn bộ amide (L-lysine dendrimers), gallate hoặc resorcinolate. Nếu muốn dùng dendrimer làm thuốc, cần dùng đơn vị nhánh phù hợp với các ứng dụng dược học ( không độc, hiệu quả cao, có khả năng giám sát…). Thể liên kết và bề mặt : Tính đa dạng của các cấu trúc dendrimer được tạo nên chủ yếu nhất bởi nhóm bề mặt và loại thể liên kết được dùng. 1.3.1.3 Lỗ nano (nanopore) Lỗ nano được tạo nên từ các vật liệu rắn (như silicon nitride) bằng kỹ thuật khắc bởi tia ion ( ion-beam sculpting technique) theo hai cách : tạo lỗ bằng cách khắc trên màng, GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 9 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng hoặc lấp các lỗ lớn hơn dưới những điều kiện ở đó quá trình chuyển khối biên là chủ đạo. Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10nm và đường kính lỗ là 3nm. Chúng nhỏ đến mức chỉ cho một mạch đơn DNA đi qua (Hình 1.2a). Hình 1.2 Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano, (b) vỏ nano và (c) hạt nano có từ tính. [2] 1.3.1.4 Vỏ nano (Nanoshell) Vỏ nano là khối cầu silica rỗng với các hạt vàng bao quanh (Hình 1.2b). Có thể gắn kháng thể lên bề mặt nhằm tạo ra khối cầu hướng đích. 1.3.1.5 Hạt nano (Nanoparticle) Hạt kim loại nano thường được định nghĩa là các hạt tách biệt có kích thước 1 – 50 nm được ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ được sử dụng, chúng được tái phân tán trong nước (hydrosols) hoặc dung môi hữu cơ (organosols) (Hình 1.2c). Lõi của hạt nano có thể là hạt C, hạt kim loại, hạt từ, hạt hữu cơ, hạt silica… 1.3.2 Dạng thanh 1.3.2.1 Ống nano (Nanotube – NT ) NT carbon là mạng lưới lục giác của các nguyên tử C thông qua liên kết C trên graphite, có đường kính ~ 1nm và chiều dài 1-100µm. NT carbon có các tính chất ưu việt như kích thước và khối lượng nhỏ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao… Có hai loại NT chính là NT đơn lớp_ Hình 1.3 (1) và NT đa lớp_ Hình 1.3. (2). Có thể gắn các cấu tử sinh học với NT carbon_Hình 1.3(3), cho phép sử dụng hệ thống lai như các thiết bị cảm biến sinh học hoặc transistor với phổ hoạt động rất hiệu quả, tạo ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit) với các tính chất và chức năng điều khiển được. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 10 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng Hình 1.3 . NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu tử sinh học. (1) NT carbon đơn lớp, (2) đa lớp, (3) ống nano carbon đơn lớp (SWNT) gắn với các cấu tử khác nhau : a) gắn nucleotide; b) gắn đường; c)gắn chất hoạt đông bề mặt; d) gắn peptide; e) gắn C60. [3] 1.3.2.2 Dây nano Các dây nano kim loại khác nhau như bạc, vàng, plantinum,palladium, ZNS, đồng, silicon được tạo ra nhờ khuôn DNA hoặc tổng hợp hóa học. Có thể tạo sợi vàng nano bằng cách sử dụng protein dẫn hướng (RecA). Patolsky và cộng sự polymer từng bước đưa các đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các đơn vị G-actin không đánh dấu để tạo ra các sợi protein gắn kim loại sau khi xúc tác kim loại hóa các hạt nano (hình 1.4a). Hình 1.4b minh họa dây nano silica quấn quanh một sợi tóc, nó nhỏ bằng 1/5 virus, nhưng bền gấp 5 lần tơ nhện. Hình 1.4 Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin (a). Dây nano quấn quanh sợi tóc (b) [4] GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 11 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình Luận văn tốt nghiệp Đại học Tìm hiểu ống nano carbon và ứng dụng 1.3.2.3 Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC) Mã vạch nano được hiểu là vật liệu nano có khả năng mã hóa khác nhau tương ứng với từng loại phân tử. Chúng có thể là các hạt nano hình trụ có vạch phân bố tự do, rộng 12-15 µm và dài 1- 50 µm.. Gần đây, que nano đa kim loại với sọc barcode đã được chế tạo thành công. Người ta có thể nhận diện chúng bằng cách đo hệ số phản xạ. Hình 1.5 Ảnh phát huỳnh quang của hai hạt barcode A và B (trong hình iii) sử dụng thí nghiệm lai DNA đánh dấu Cy3. (i) Ảnh đen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii) ảnh đất hiếm thu được sử dụng bộ lọc ánh sáng dài 420nm. [5] Ngoài ra người ta còn tạo ra các NBC có bản chất là phân tử DNA lai có nhiều đầu, mỗi đầu gắn với một loại mẫu dò và tín hiệu phát huỳnh quang màu khác nhau để tạo ra phân tử có khả năng mã hóa. 1.3.2.4 Que nano (Nanorod) Que nano được tạo thành từ kim loại, phi kim hoặc muối như Co, Cuo, Au, CdSe, BaCrO4, BaWO4, gắn với các nhóm chức nhằm mang lại khả năng tự lắp ráp thành các cấu trúc hai hoặc ba chiều. Trong công nghệ sinh học, các que nano đa thành phần như que nano AU/Ni (phần vàng gắn với yếu tố hướng đích, phần Ni gắn với plasmid tạo ra một vector chuyển gene rất hiệu quả), Au-Ni-Au đã cho thấy các ứng dụng to lớn trong chuyển gene và phân tách chọn lọc các cấu tử sinh học. GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn 12 SVTH: Nguyễn Thị Thanh Bình