Tài liệu Hóa học nano công nghệ nền và vật liệu nguồn

VIỂN KHOR HỌC víl CÔNG NGHỄ VIỄT NflM Nguyễn Đức Nghĩa m V À V Ậ T L IỆ U N o u ồ is r í* NHA XUấT BỂN KHOR HỌC Tự NHlẽN VA CÔNG NGHỂ Hà NỘI • 2007 Nguyễn Đức N ghĩa HÓA HỌC NANO ■ CÔN Q N Q H Ệ• N Ê N V À VẬT LIỆU NGUồN • • Hà NỘI - 8007 Mục lục Trang Lòi giới thiệu.................................................................................................... M ở đ ầu ......................................................... ................................................... Phần L Giói thiêu về hóa học Nano.................................. ................................. 1 7. Giới thiệu về hóa học nano.................................................................. ..... 1 2. Công nghệ nền cơ hán írong hóa học rumo...,...................................... ..... 2 3. Vật liệu nguồn rưmo nằm giữa hóa học và vái ìýchấi rơn....................... .6 4. Phán loại vậ liệu nano....................... .................................................. .....8 5. Nhữngphuxmgpháp nghiên cứu cấu trúc vậỉ liệu nano........................... 10 ố. ử ĩìg d ụ n g a k i vậ t liệu nơno.............. ................................................................. 13 7. Kếtìĩiận.................................................................................................... 18 Phần n . Công nghệ hóa học Nano nền............................................................ 19 Chmmg 1. Công nghệ NanoSo^Gel............................... ........... .............. . 19 / Phươngpháp Sol-geỉ......................................................... ....................... 19 LỈ.H ạĩsoỉ.........I .................................................... ................................21 U .G e ỉ .................................................................................. ................... 39 / / Các ỉtụí đưTt pììâỉĩ tán trong dung dịch.................................................... 44 III. Đ iầichếhạícầu ............ ..................................... ............. ...............45 / / 2 Cấu trứ: cúa hại cầu......................................................................... 49 II3. Cơ chếphát triền............................................................................... 51 IU. Cácphiơngpháp khác điầề chế hạĩ nano.............................................. 55 ỉn .I .S o lk h íl...........................................................................................55 IIL2. Các phương pháp pha hơi............................................................... 56 IU.3. Cá phương pháp dung dịch Ìàìác....................................................61 IV Phân tá t hạt pyrogen............................................................................. 62 V, Kếtlttận................................................................................................... 66 II Nguyền Đức Nghía Chương 2. Công nghệ hạt Micell Nano.....................................................67 I Mộị số kììái niệm cơ hciỉi......................................................................... 67 ỉ. ì Hệpỉìâĩ km hạt Micell.................................... ................................... 67 I.2. Tính chái cơ bcm cua hệ phchi íán hcứ micelỉ...................................... 6 8 / 3. Tính chất điện tích hệ phátĩ tán Mìcelì....... ....................................... 69 II. Châĩ hoạ động bề mặt................................ .............................................70 II. I. Chai ho0 động bề nĩặt ion ám ............................................. .............70 II. 2. C h ấ Ik)ọí động hề mặt iort cỉtrơng..............................................................71 / / 3. Chái hoctí động bè mặí tnứĩg từìh kiĩỏn^ lon....................................... 71 II.4. Chầỉ hoạt độìĩg hè rnặí ỉiãm gcụt..... ..................................................71 // 5. Chất hoụí động bề mặl cao phàĩ íừ (Polyme điện ly) ................ ...... 72 /// Cóng nghệ hợí nncell- lò phàỉi ỉmg điều chế hạỉ nano............... .............72 III. ì. Micelỉ th u m ................................................................................... 72 III 2. Micelìclảo.............................................................................. ........75 III. ỉ. Cck phcm ihìghạỉ micelỉmữìO ỉrong vi nlĩũ tiiưng........... .................... 76 HI. 7. Tcmg h(xp ỉụư nam trong vỉ nhũ titưiĩg........................... ................. 78 IV. Mô tá tính cỉiáí CIUỈ càu írik ncmo tại hề niặí chung ỉòn^rẳn và tương tác ^iỉkỉcáchạí...................................................... ...................................... 79 Ỉ VI . Tính chai cm cấii íríiC phân tử trên bề mặí các hại nano............. 79 ỈV. 2. Titơĩĩg lác cck bè mặt rán ỉrong pha lung......................................... 80 V. Cau trúc phán tir bể mật cờ ĨĨCOĨO và (ương ĩác bể mặtcùa hạt silic dán xuất Cĩỉkoxide........................................................................................... .89 V. I. Đặc (inh phửì úm và kếí Ịụ ciki siìic dm xuấi alkoxide..................... 89 V .2. Phép đo tirơng túc bề mặt và cảu trúc phân tử cùa các hạt sỉlic có đuừng kính ỉdìác rĩỈKiiL......................................................................... 91 V 3. A n h h u x h iịị c ù a í h n / ì Ị ị ' k ứ iìi l ẽ n c ầ u ír Ì 4C b ề n i ặ ỉ v a ĩit x m g t á c h ạ i ..... 93 VI. Tuxmg tác bể mậi và đặc tiìĩh h u y ề n p h ù A ỉu m im ..............................95 VI. I. Anh /ttỉừng CUÍĨ cấu trúc phán Íircĩkí tác ĩĩhởĩ phân tm polỵmer lên nanig íúc hề ỉỉìặ ỉ và đặc tính huyên phù aluììiina đạc...........................95 V/. 2. Anh hỉừĩìỊỉ^ CỈICỈ độ pH đến đặc Ịinh huyền phù có tác nhâỉ pháĩĩ tán Ịx^íỵmer Cữỉion..................................... ............................................... 100 Vỉ. 3. Anh tntừrig của ỉĩàm bạmg (ác nhâri phán tcữí poìỵmer ỉên đặc tỉnh h iíy ề n p h ù Cỉlumina v ù íỉc m ĩg tá c b ẻ m ặ í .............................................................. 102 VI 4. Anh hitừtĩ^ cùa mậi độ comter-ỉon đến đặc tính huỵềtĩ phù alumimi ..................................!................................................... ...... !............. 104 M ục lực ịjị Chương 3. Công nghệ lắng đọng pha hơi hỏa học Nano...............................107 /. Giới thiệu về lắng đọng pha hơi h(ki h(K'........................ .........................107 / / . Mờ đầu.............................................................................................. 107 /.ĩ. Nhũtĩg nguyên lý cơ bcm CLÌCICVD......................................... .........110 /. 2 1. Những ngưyéỉì lý cơ hcoỉ.................. ........................................110 1.2.2. Các bước điểu chinh tốc độ .........................................................112 1.2.3. CVD vô cơ so với CVD ỊX)ỉỵme.................................................. 112 /J . Các phương phcìpCVD......... .................. ........................................114 Ỉ. IIC V D nhiệt aĩìennulCVD )..........................................................114 1.3.2. CVD plasrìia- -Plasma Assisted CVD (còn được biết đến như là CVD ruỉngplasrrm hoặc PECVD)......................... .................................. ...... 114 1.4. Kiểu binh phàn ihigCVD................. ............................. .................. 116 1.4.1. Bình phàn ứng ĩhàỉĩh hình nóng.................................................. 116 / 4.2. Bình phàn iữìg íhiữĩh bình lạnh................................ ................. 117 1.4.3. Bình phán ứng liên tụ : .................................. ............................. 118 1.4.4. Bình phán íữỉg c VD ghép điệu plasìm .......................................119 1.5. Các kiêu phàn ứng và tiền chai CVD............... .................................120 1.5.1. Các chẩt cỏ gốc và phoi tir tiêu biếu ........................................... 120 / 5.2. Các phản útỉg nhiệt phcbi................. .......................................... 122 1.53, Cácphcữĩ ím goxyhkỉ vàthùypháỉi........................................... 123 1.5.4. Các phản ứngkhôngtỳlệ ............... ............................................124 1.5.5. Phán ứng đồng láng đọng ...........................................................125 / 6. Các quá trình xứ lý cơ bcm CVD ....................................................... 125 ỈA I. Quá trinh sirlý rnass trcơĩsport.................................................... 125 ĩ 6 2. Quá trình phcm ím^ hóíi học.............. ........................................126 // ứữig đọng pha hri h(kì h(K Polyme (CVP)....................... .................... 128 IU . G k/i thiệu...................................................................................................128 / / /. I. Poìy-p-xylylenes (Pcữylenes).............................................................130 ĨỈ.I.2. CơchetrừigỉụrỊyvùsựĩợoíhíinhmàngỉnỏng.......................... 13J II ĩ. 3. Ảnh hưxhig CỈ4ÍÍ các thỏn% số lắng đọng lên sự phát triển cùa ìớp màng...................................................................................... ............. 132 // /. 4. Các chồi dẫì xiiất thay íhế cuaparỵlene- N .............................. 134 ỈỈ.Ỉ.5. Tinhchấ....................................... '......................................... 135 11.2. CVP cùapolyimide..................... ................................................... 137 / / 2 1. Cơ chế trùng hcrp và sự tạo thành màng mòng .......................... 138 IV Nguyồn Đức N ghĩa II. 2. ]. Anh hiếơng CĨMẪcck' thông số lơng đọng............... ..................... 139 ỉỉ.2.2. Tính chấ cùa màng mòngpolyimide VDP................................ 140 ỈI.3. Poỉỵnapthaỉene.................................................................................Ị43 II. 3. Ị. Cư chế trimg hợp và sự tạo thành màng mòng........................... 143 Ị ỉ. 3.2. Tính chắí...................................................................................... 144 II.4. Poly (p-phenỵlene vinvlem).............................................................. 144 IlÀ .IC ơchế ......................................................................................... 145 IL4.2. Thcmhphần cấu tcK) và cấu trúc................................................. 147 U .U Tm hchất....................................................... ............................. Ì47 II. 5. Polyazomeíhine................................................................................ 149 ỈỈ.5.J. Tông hợp.................................................................................... 150 II.5.2. Tinhchẳ .................................................................................... 152 III. Ccic vậi liệu mới ímg dụng CVP .................................................. ........152 III. /. CVP cmfluoropoỉyme..................................................................... 152 IIL L I Monome jỉo hóa trùng họp pỉasma (PPFM): Sự tạo thành màng mòng....................................................................................................154 III. 1.2. Anh hường ciỉa các ihông so lang đọng................................ J55 IILI.3. Tinhchấ ................................................................................... 156 IV. Che íự) các coỊX)lyme mới ban^ CVD nhiệt...........................................157 IV.2. Chể tạo Silicon Dioxide-polyme ncmocomposite bằng CVD nhiệt.. 158 /K 2 1. Cách tổng hợp màng mỏng PPX-C/SÌO2 nanocomposiie....... 158 ỈV.2.2. Tinhchcii................................................................................... 159 V. ửìig dụng cmpolyme CVD ....................................................................159 VI. ửng dụng vi điện íứ .......................................................................... 160 y.Ll. Các úĩìg dựĩg điện môi ỉhầp - k trong ULSI (ưltrcứơrge Scaỉe hìiergraícd)... ................................................................................................. 160 V.I.2. Các ímgchơĩgkéínang (encapsĩẬỈơiion) vàđónggói.................. 161 V. ỉ. 3. Lớp c àm qtion lithogrcphy trong vỉ chế tạo ............................... 162 V.2. ứng dụng quang học.................................. ......................................162 K2. L Các thiết bịphái sáng................................................................. 162 V. 2.2. Các ỉơig Ạơig quang học ìâĩông tuyến tinh (qumgphì tuyến)... 164 Ki, ửĩĩg dụng ìớpphù ngoài..................................... ............................. 166 V. 3.1. ưng dịữĩg V sinh học........................................................... ỉ 66 v.3.2. ứng dụng lớp phù báo vệ...................................................... .....166 Vỉ, Kếíluán..................................................................................................166 Mục lực V C lương 4. Công nghệ tự lắp ghép phân tử ........................................1 6 9 / Mớclầu.................................................................................................. 169 //. Mcữĩg mỏng đơn lớp theo công nghệ tự lắp ghép (Seỉf-Assembled Mortoỉayer - SAM ).............................................................................. 171 / / 1. Màng mỏng tự lấp ghép alkanethiols (ĩìAM ofcứkanethiols).......... 172 II. 1.1 Quá trừĩh tọo SAM trong dm ^ dịch aỉkanethiol................ ...... ] 73 íl. 1.2. Cơ chế hình thàỉĩh rìùmg SAM-alkanethiols và tính ồn định aia nó ..................................................................................................... ....1 7 4 ỈI.2. Màng tự lắp ghép S.iM-aIkỵỊsiloxanes...........................................175 II. 2.1. Quá ừ^bìh hìrĩh thành ìĩĩàng SAMphân tích cầu ừúc cùa vật liệu nơno mao quán....... 218 U.5. ửngdụng và triầĩ vọng vậí liệu nano mao quan.... ...................... 219 III. leolừe nanotube/potymers conựx>sites (znpc)................. ....................221 III. I. Zeoỉừe ìumotube/corìductìỉigpolymer composừes................. ....... 221 III. Ị. I. Tìiữig họp pyrrol................................................................... 221 III1.2. Tong hợp leoỉií nanotube - poìyanilm composừ.................... 223 III. 2. Zeolitenanotubepolymer-nơnocomposit....................................... 225 IU. 3. Triển vọng.................................................................................... 226 IV. Vậi ỉỉệu màng mỏng cấu trúc rưmoporous...........................................226 IV. L Vật liệu màng mỏng điện môi thấp......... ...................................... 226 IV.2. Vật liệu màng mòng chấđiện môi thẩp có cấu tạo nơnoporous.... 229 IV. 3. Phương p h ^ chế tạo vậ liệu màng mỏng chối điện môi t h ^ có cảu trítc nanoporoiis................................................................................ 230 IV. 4. Lý tính và đặc tính điện môi cùa vậí liệu màng mỏng chắt điện môi t h ị ) có cấu tnic nano xốp................................................................. 233 IV. 5. ửng dụng và triếìì vọng cùa vật liệu màng mòng chấ điện môi ỉhị? có cấu trúc nơnoporơm..................................................................... 235 Chưoìig 2. Nanocomposỉưes gốm và Idm loại khốỉ..................................... 237 / Giới thiệu .............................................................................................. 237 IL Ncmocomposite ceramic/kim loại.......................... .............................. 238 M. L Sanocomposite chế tạo bằng hợp kim cơ học................ ................ 241 II. 2. Nanocomposite ché tạo từ tổng hợp soUgeỉ................................... 2 4 3 ^ II. 3. Nanocomposite chế tạo bằng tổng hợp phun nhiệt...................... 247 in. Vậí liệu lai chức năng..........................................................................251 IU. 1. Nanocornposit nền túm loại Icd ccềcbonnanotube.......................... 251 MMCÌỰC yjj IU. 2. Nano composit chức nàng kích íhtíớc nhỏ.......................................254 IU. 3. Nanocomposit kết bao.................................................................... 256 III. 4. Các ứng dụng cùa sợi rưmocompimte.......................................... 267 1114. ửng dụng cm hạt rưmocomposite...................................................269 Chương 3. XúctácNano..................... .................... ..........................................271 I. Giới thiệu về xúc tác nano .......................................................................... 271 / /. Các thành phần phân từ tạo nên hoạt ĩừĩh và độ chọn lọc xúc tác.... 274 I.2. Công nghệ điầd chế xừ: ĩ(k nano..................................................... 279 1.2.1. Kỹ thuậíkhắc chùm điện từ.........................................................279 L2.2. Kỹ thuật quang khắc................................................................... 280 I.2.3. Kỹthệậttheo công nghệ Sol-Gel................................................. 281 II. Xúc tác rưmd TUơnịiưrĩ dioxide- TÌỠ2 ................. ...................................283 ^ ILI. Giới thiệu,.,.................................................................................. ....253 / / 2 Tỉtaniĩm dioxide............ ........................................ ......................... 284 II. 3. Tmh chấí cm ttíaniiơn dioxide........................................................ 286 114. Nguyên lỷ cơ bán cìta xừ: tác quang hóa dị thể ............................... 257 115. TiOĩ sử dụng làm chấỉ xúc tác quang...............................................289 116. Tính ưa nước và siêu ưa nước.......................................................... 293 Iỉ.6.1. Góctiếpxúc .............................................................................. 293 ỉỉ.6.2. Tĩnhnanước .......................................................................... 293 I I 7 ửrtg dụng cm xúc tác nanô TiOỉ..................................................... 297 II. 7 7. Bề mặí tự sạch...................................................................... 298 II. 7,2. Tĩnh chấ chống mờ...................................... ............................300 II. 7.3. Hiệu ứn^ diệt khuẩn.................................................................. 302 11.7.4. Lừn sạch któng khí và khử mùi............................................ .....302 11.7.5. Chúc năng tự làm sạch ............. ................................ ............... 302 II.7.6. Tinh chă siêu ưa dầu và ưa mtởc.............................................. ĨOi II. 7 7. Cửa sổ tự sạch.......................................................................... 303 II.7.8. Xứ: tác quang hóa T1 O2 làm sạch môi trường.......................... 303 II.7.9. Xứ: tác quang hóa TÌO2 với hiệu ứng quang điện......................305 Phần IV. Polyme cấu trúc Nano và Nanpcoposit...................... .....307 Chinmg l.Polynier cấu trúc Nano....................................................................307 /. Mờ đầu .................................................................. ........................... .......307 VUI Nguyền Đức N ghĩa / /. Giới ílùệu vềpolymer cấu írúc ncvỉò..................................................307 ỉ. 2. Diềti khiên cáu trúc Ị X ) l \ Vìer....... ..................................................... 309 u. Trìoĩịỉ, họj) Ihin^ ..................................................................................309 II. I. Cư chế trừng họp ìivinịi................................................................... 309 ///. Đ ỉâ u c h in h h ìn h CIÌCÌ Ị X ì ì y m e r .................................................................................3 ỉ 3 ///. ì. Triữig hợppolymer hình sao (stcơ-polyttĩer)..... ............................ 313 IIỈ.2. Poỉymer hình bcm chùi {polymer hrusher).................................... 3ĩ6 ỈU. ì. Polymer Demỉrimer...................................................................... 320 III. 4. Điểu chừĩh hình ckữigpolymer........................................................323 IV. Hình thái học cùa coỊXìlymer klĩối......................................................... 325 K Cẩu tn k nanô chãỉ trên chia tách pha khối....................................... . 327 VI. Can tríic nanô chm íréỉĩ các pha diữig môi chọn lọc............................ 331 VI. ỉ. Hệ Hên két ngcữig lõi...................................................................... 332 VI. 2. Hệ liên kết ngcoĩg vó...................................................................... 333 VI.3. Lồngncmô.................................................................................... 335 VII. c CỈUtríic nanô từ micelle khối các chấ hoạt tính bể mặt.................... 336 VIII. Trimg ngưng phán (Cữi có điều khiển(Conữolled Dispersed Conảensalion PoIymerizcưion - CỈX.'P).................. ..............................339 VIII. ỉ. CDCP trong môi Ỉnỉĩhìg nitởc..................................................... Ò40 VIII. 2. CDCP trong môi tmừng CO2 long tới hạn................................... 342 VỈỈỈ.3. Trìmg ngiữìg phân tán có điểu khiên corìducting poìymer cấu trủc nanó...................................................................................................... 344 IX. Ket hiậỉĩ và triển vọng......................................................................... 345 Chương 2. Poiyme Clay/Nano composit.........................................................349 I Ncữìoclayhừucơ.................................. .............................................. 349 / /. Giới íhiệu khoáng sét BentoỉUt - Chĩy................................................349 1.2. Tính chất C ỉki Clcự.................................................................... ....... 352 1.2.1 Kích íhước hạt........................................................................... 352 1.2.2. Thành phần h(kỉ hcK cm Bentonit tinh c té ................................. 353 1.2.3. Xác định diện íích hề mặt và độ trương nở trong nước............... 353 1.2 4. Phân íích Rơnghen........................................ ............................ 354 ỉ. 2.5. Phcm tích nhiệt............................................................................ 355 1.2.6. Dung lượng ừ-ao đối ion............................................ .................. . 356 1.2.7. Nghiên CÍỈUhình thái h()c akt hentonit............... ........................ 357 íA^ụeục IX ỈI. Chế tạo nano clay hừiỉ cơ......................................................................358 II I. Quá trình biếrĩ tinh hừii cơ hóa khoáng sét.................. .................. 35H II 2. Phim íơìg trao đôi km.....................................................................358 II 3. Chếtạovậíliệutuữĩoclay himcơ .................................................. 36Ĩ II.3. L Nguyên liệu ............................................................................ 361 ỉỉ. 3.2. Anh hướng ciiíi sỏ nhóm thế trong muối amoniĩm .................... 366 II.3.3. Nghiên cứu cấu tnk' ncữĩo c/cẠ’Inhi cơ bang phô hồng ngoại. .367 II.ỉ, 4. Nghiên CÚĨ4hình thái h(K' CÙCÌ ncmo day hữu cơ ........................368 //.3.5. Nghiên á m tính chai tãi dầu ciưj ncmo clay hừu cơ ..................370 III. Giới thiệu về Polynĩe clcạ'/nanocomfX)sit............................................. 372 IV. Epoxyclaynanocomposừ...................................................... .............. 376 IV.l. Chế tạovậíìiệu. Chế tạo theo sơ dỗ công nghệ hình 2.2 ỉ .............. 376 ĨV 2. Nghiên cứu cưu tríic và tính chấ cm vậí liệu ................................ 377 IV.2.1. Nghiên cứu ccĩii ĩnk' nano cùa epoxy day mmocomposit bằng nhiễu xạ Rơnghen................................................................................377 IV.2.2. Nghiên cứu íính chấ rìhiệt cm epoxy clay nanocomposừ....... 378 IV. 2.3. Nghiên cứu hình thái học vậi liệu epoxy/clay nanocomposil. 380 K Chế tạo và nghiên ctnt tính chai ciuỉpolyamiư day nanocomposit........ 382 v.ỉ. Mờ đầu:.......................................................................................... 382 V.2. Chế tạo vật liệu............................................................................... 383 V.3. Tính chẳcm polyam iĩ/day n£ữi(K'ompasừ.................................... 384 Plần V. Cacbon cấu trúc Nano và sọi Nano.................. ............................. 389 'Climng 1. Cacbon cẩu trúc Nano............................................................ .....389 ỉ Toìĩỹf qimì về cơchon câu trúc Nano........................................................ 389 I.L Grơphiĩ............................................................................. ............... 390 I.2. Cấu trúc cacboìì nano dcữig hỉnh ccíii............................................... 391 L3. Các bon xốp...................................................................................... 393 ĨỊ. Cachon nanotube.................................................................................. 395 II ì. Các phương pháp tông hơp cac honncữiotĩứ).................................. 396 II.1.1. Nanotube đa Ĩiíừĩig.................................................................... 396 IL 1.2. Các chùm carhon nơnotube thăng............................................ 398 II.1.3. Carbon nanotĩée đơn íuờngSlVNTs.........................................400 II. 2. Cấu trúc và tính chấ ..................................................................... 402 II. 3. Cơ ché hình thành............ .............................................................. 408 X Nguyễn Đức Nghĩa II. 4. Carhon ìĩcữĩOtuhe biến đôi hcm^ h(kỉ hx: ......................................... 410 lĩ. 4. ỉ. Pỉia tạp hắĩg boron và ỉĩiíơ......................................................410 ĩỉ. 4.2. Ncữĩotube mơ. tuhe đién clầy^ và tiòe chírc năng hóa................ 412 ĩ Ị. 5. CVic thiết bị, tính cỈKìt và cấii trúc điện tư ......................................... 413 ĩ ĩ 5. ĩ. Cấu trứ: và tính chất điện tĩt..................................................... 4Ĩ3 //5 .2 Các thiếí bị điện Ịừvàđiện híĩa................................................. 4Ỉ4 IU. Ncữỉotiòe vô cơ .................................................................................... 427 /// /. Giới thiệu chung............................................... .............................. 427 III. 2 Phương pháp tổng Ịụyp chiữìg................. ............... ........................ 431 1113. Cẩu trúc......................................................................................... 433 IIỈ.4. Cóc tmh chất và ímg diũig cùa ncữìOtube vô cơ .............................. 437 ChuOTig 2. Sọi Nano.............................................................. ............ ....... .-..441 / Giói thiệu chmg.......................................................................................441 II. Phương pháp tổng họp.............................................. ............................ 442 111. Phái ĩriên sợi ncữĩô hằrĩgpha khí.....................................................442 II. 1.1. Phát triến hơi “ lỏìĩg - rắn.........................................................442 II. 1.2. Phái triêìì với sự (rợ giúp cùa oxide........................................... 444 II. 1.3. Phái triển hơi - rắn................................................................... 445 //. /. 4. Các phàn ứng ccữ-bon hóa nhiệt............................................... 446 II. 2. Các phương pháp khác trong pha khi............................................. 448 II. i. PhươTìgpháp dtmg dịch ché tạo sợi nanô........................................ 450 ỊỊ.3.1. Chế tạo cấu tn k ĩirĩh thế dị hướng cao bằng các phương pháp không dỉữìg khuôn............................................................................... 450 // 3.2. Tong hợp sừ dụng khuôn........................................................... 451 ỉ ĩ Ì. 3. P h i r ơ n g p h á p d iữ ĩ ịỉ d ị f j h lỏ n Ị ị r ằ ỉ ì .......................................................... 456 II. 3.4. Tông hợp nhiệí - dimg môi......................... .............................. 458 III. Điều chinh qi4á trình pluẦí triến............................................................. 458 ỈV. Tính chơi cùa sợi nơnỏ......................................................................... 459 Tài liệu tham khảo................................. .......... .............................................. 461 Từkhoá và từ viết tắt.................................. ....................................................463 Lời giới thiệu Sự phát m inh thuyết lượng tư về cấu tạo và các quá trình biến đổi của vật chất vào những năm đầu của thế kỷ thứ 2 0 đã dẫn đường cho sự phát triển nhiều ngành khoa học tự nhiên và các lĩnh vực cô ng nghệ cao trong suốt thế kỷ trước. Bước vào thế kỷ thứ 21 các nhà vật lý lại m ở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sừ phát triển khoa học và công nghệ trên thế giới: sự ra đời của khoa học và công nghệ Nano. V ào những năm đầu của thập niên 90 thế kỳ trước, nhờ những tiến bộ vượt bậc cùa công nghệ vi điện tử cũng lại do chính mình sáng tạo ra, các nhà vật lý đã có được trong tay những phương tịên kỹ thuật để nghiên cứu các cấu trúc vật chất kích thước nano có thể được xem như những nguyên tử và phân tử nhân tạo. Phương pháp chế tạo đó của các nhà vật lý là phương pháp đi “từ trên xuống dưới, ” (top-down), “gọt” nhỏ dần các cấu trúc micro. Theo sát sự thành công cùa các nhà vật lý, các nhà hóa học đã đi theo hướng ngược lại ”từ dưới lên trên”, (bottom-up), ghép các nguyên tử và phân từ thông thường thành các cấu trúc vật chất mới kích thước nano. N êu như bằng con đường vật lý m uổn tạo ra các cấu trúc nano phai sử dụng công nghệ vi điện tử ở trình độ hiện đại nhất và do đó chi các trung tâm nghiên cứu với vốn đầu tư rất lớn mới làm được thì bây giờ, bàng con đường hóa học, có thể tạo ra các cấu uú»: I i u n u U o n g p h ò n g th í n g h i ệ m đ ò i h ỏ i v o n đ ầ u tir k h ò n g l ớ n , m iền là có trình độ khoa học cao. Sự ra đời của công nghệ hóa học nano đang m ở ra cho các nước nghèo, trong đó có Việt Nam , triên v ọng sánh vai được với các cường quốc trong một lĩnh vực khoa học công nghệ liên ngành hiện đại nhất của thế kỷ 2 1 là khoa học và cô ng nghệ nano, ncu các nước này biết phát huy tiềm năng trí tuệ cùa dân tộc mình. C hính vi lý do đó mà khi được giao trách nhiệm lổ chúc T rường Đ ại Học Công nghệ cách đây hai năm tôi đã quyết định thành lập Bộ M ôn Công N ghệ Hóa học Nano trong khoa Vật lý Kỹ thuật và C ô n g nghệ N ano của trưòrng và mời Tiến sĩ Nguyễn Đức Nghĩa, nghiên círu viên cao cấp cùa V iện Hóa Học - Viện K hoa học và C ông N ghệ Việt N am , ĩihà hóa học Việt N am đi tiên phong trong lĩnh vực Công nghệ Hóa Học N ano, làm chủ nghiệm bộ môn. Tôi rất vui m ừng giới thiệu với giới khoa học Việt N am cuốn sách “ H oá học N ano - Công nghệ nền và vật liệu n g u ồn ” của T iến sĩ N guyễn Đức Nghĩa. Đọc bản thảo cuốn sách tôi hết sức khâm phục kiến thức sâu và rộng của tác già trong lĩnh vực m ới m ẻ này của khoa học. Cuốn sách không chỉ là tài liệu chuyên khảo, là “ sách vỡ lòng” cho những người có trinh độ đại học về hóa học bắt đầu nghiên cOna Hóa học Nano, m à còn có thể được xem như m ộ t cuốn “cẩm nang” , trong lĩnh vực khoa học này. H ọc xong cuốn sách bạn có được đầy đủ những kiến thức cơ bản để trở thành nhà nghiên cím vững vàng trong lĩnh vực Công N g h ệ H ỏa học Nano. Hù N ội m ùa xuân năm Đ inh H ợi V iện Sĩ N guyễn V ăn H iệu Lới nói đâu K ho a học và công nghệ N ano dang là trào lưu nghiên cứu, giàng dạy và tìm tòi trong những năm đầu cùa thế kỷ 21. K hông nghi ng ờ gì nữa, lĩnh vực này m ớ ra Irang mới về hướng khoa học đầy tiềm nàng và sáng tạo, một lĩnh \'ực m à ở đó con người có tliể tạo ra những vật sáng chế nhó nhất ở cấp độ nguyên tử của thế giới tự nhiên. ớ nước ta, trào lưu nghiên cứu và giảng dạy về K hoa học và C ô n g nghệ N ano cũng bắt đầu từ vài năm gần đây. Đe đáp ứng nhu cầu về công tác nghiên cứu và đào tạo về K hoa học và Công nghệ N ano , đặc biệt là H óa học Nano, đuợc sự giúp đ ỡ của chương trình K h o a học và C ông nghệ Nano, nhà xuất bản K hoa học T ự nhiên và C ô n g nghệ, cuốn sách Hoá học N ano, công nghệ nền và vật liệu nguồn, được biên soạn và phát hành. Đ ây là cuốn sách được soạn thảo qua những tài liệu về H oá học và cô ng nghệ N ano gần đây nhất trên thế giới. Đ ồng thời cũng là n h ữ n g bài giảng về Hoá học N ano ơ trường Đại học Công nghệ, Đ ại học Q uốc G ia Hà Nội cho sinh viên, nghiên cứu sinh. Vi là cuốn sách viết về công nghệ và vật liệu nano đầu tiên, nên khi biên tập không thể tránh khỏi những sai sót về các mặt. Đặc b iệt khi soạn sách này tác giá tham kháo từ nhiều nguồn tài liệu với ngôn ngữ khác nhau: Anh, Đức. Nhật, H àn ... trong khi đó c h ư a có chuẩn từ tiếng Việt nên tác giả cố gắng đưa vào những từ k è m theo tiếng Anh, m ong đọc giá thông cảm và lượng thứ. Đe xuất bản được cuốn sách này, tác giả xin gừi lời cảm ơn V iệ n sỹ N guyễn Văn Hiệu - người đặt nền m óng đầu tiên cho khoa h ọ c và công nghệ N ano ở Việt Nam, người viết lời giới thiệu cuốn sách. Tác giả cũng cảm ơn N hà xuất bản K hoa học T ự nhiên và C ô n g 'Ighệ, V iện Khoa học và Công nghệ V iệt N am , cảm ơn trư ờ n g Đại học Công nghệ - Đại học Q uốc gia Hà N ội đã tạo điều k iệ n giang dạy và biên tập giáo trình về lĩnh vực Hoá học N ano. X in cảm ơn chương trình Khoa học N an o thuộc chương trinh nghiên cứu cơ bản, cảm ơn các bạn đồng nẹhiệp đã giúp đ d trong q uá trình biên tập cuốn sách và thông cảm vê nhữ ng thiêu sót trong cuốn sách xuất bản lần này. H à Nội. xuân 2007 Tác giả Phần I GIỚI THIỆU VÈ HÓA HỌC NANO 1. (ỉiớ ỉ thiệu ve hóa học nano Nanomet là điểm kỳ diệu trong kích ihước chiều dài, là điềm mà tại đó những vật sáng chế nhỏ nhất do con người tạo ra ở cấp độ nguyên từ và phân tư cùa the giới tự nhiên. "Hội chứng cône nahé nano" về cơ bàn đang tràn qua tất cả các lĩnh vực của khoa học và công nghệ, và sẽ thay đổi bản chất của hầu hết mọi đối lượim do con người tạo ra trong thế kỷ tiếp theo. Nói chung, công nghệ nano có nghĩa là kỹ thuật sử dụng kích thước từ 0 , 1 nanomet đến 1 0 0 nanomet đề tạo ra sự biến đồi hoàn toàn lý tính một cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượne từ (quantum size effect). Trong công nghệ nano có phương thức từ trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhò một hệ thông lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ dưới lên trên (bottom-up) nghĩa là lắp ghép những hạt cỡ phân tử lìay nguyên tử lại để ihu được kích thước nano. Đặc biệt gần đây, việc thực hiện còng niỉhệ nano theo phương thức bottom-up trờ thành kỹ ihuật có the tạo ra các hình thái vật liệu mà loài người hằng mong ước, nên thu hút rất nhiều sự quan tâm. Trong bối cành đó người ta nói tới hóa học đặc biệt là hóa học cao phân từ có thề trở thành một phương tiện quan trọng cùa plurontí ihức botíom-up (lừ dirói lên). Hình 1.1, Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano. Top -down và Bottom-up Nguyền Đức Nghĩa Từ lluV ntỉiiycn là kích thước nuưycn tư liìnli Ihành khối dạng hạl cắii trúc nano. Nhữim kliối nano này dược tô chức hóa thànli nliìnm lùnh Ihái khác nhau dược sắp xếp chặt chè kích thước nanomet. Các pliiroim pháp ché tạo vật liệu cấu trúc nano có thồ tìr lỏnii liợp hóa học hav bàng nhCrnu công đoạn dặc biệt đe tạo nên cấu trúc nano. Nhừntí chất đc che lạo vật liệu câu trúc nano có thẻ là lỉuiân hữu cơ hay vỏ cơ hoặc cũng có thê sư dụng vặt liệu composite lai hỗn tínli hừu cư - vô cơ. 2. Công nghệ nền CO' bản trong hóa học nano Như đà trình bày phần trên, hai ngiiycn Iv cơ ban cùa cônn nnhệ nano là: Top~down và Boíỉom-up.Từ hai nmiyên lÝ này, ta có thê liến hànlì b ằ n g n h i e u g i a i p h á p c ô n g Iiíỉhệ v à k ỹ t l u ỉ ậ t đ ẻ c h e t ạ o \ ậ l l iệ u c ấ u t r ú c nano. Một số công nghệ đỏnu vai Irò là còng n«lìệ nền, cơ ban. Tiêu biểu như CÔDÍỈ mghệ sol-gel, còng imhệ hạt nano micell, cỏng imhệ lự lắp ghép phân tử, công ntihệ lắiìíỉ đọng pha hơi hóa học, còrm niihộ chế tạo polyme cấu trúc nano, chế lạo vật liệu lai nano và nano conìposií. Ta hãy lần lưọl điểm qua các cônụ nuhệ nav; l.I.C ôììg ĩì^hệ nano soỉ-^el: Đây là công nuhệ đicn hình nliất chế tạo vật iiệu nano. Các íĩiai đoạn chính của cỗnn nuhệ này được trình bày ờ hiiìh 1.2 Oq o O fíO O o o9? o Õó o ooooọoo ooooooo _ ọooọoọọ ^ oooọooo OOOOOOÕ Các hat đổng nhiệt NRưng tu durĩg mỏi Sol Gel bay hơi (ỉel Acrogel Sợi Bay h()iì dung mỏi Nhiệt Xerogel Ỷ Màng mỏiiỊ. mật độ cao LâJ Gốm niật dộ caơ Hình 1.2 Sơ đồ công đoạn Soỉ - Gei PhAn I. G íói thiệu vể hoá học N A N O 3 2.2. Cỏn^ hạt nam) Miceỉỉ: Dây là công nghệ chétạo hạt nano trong vi nhũ tương sử dụng chất hoạt động bề mặt. Các giai đoạn chính cùa quá trinh này được trình bày Irong hình 1.3. ^ © M axtnc Polymer © © © ^ _ ^ © © © ^ Casting Hình 1.3. Sơ đồ các quá trình chế tạo hạt nano polyme dẫn lại hạt kim loại theo công nghệ hạt nano miceỉl 2.3. Công nghệ tự lắp ghép phán tứ’. Đây là công nghệ tiêu biểu để chế ta o vật liệu cấu trúc nano, mô phòng theo tự nhiên. Nguyên lý chính của công nghệ nay là dựa vào các lực tương tác giữa phân tử , sắp xếp, lắp ghép theo cấu trúc thiên nhiên. Ví dụ tiêu biêu như màng đơn lớp (SelfAssembled Monolayer - SAM). ^ Nguyền Đức Nghĩa Surface group Alkyl, derivatizedalkyl group /o Interchain van der Waals Ch e mi s o r p t i n at the suríace Surface-active head ^roup Surface ỉnteractỉon Porces Si de Vievv Hình 1.4. Công nghệ tự lẳp ráp phân tử chế tạo SAM 2.4. Công nghệ lắng đọng pha hơi hoa học: Đây là công nghệ chế tạo màng mòng nano, hạt nano bằng phản ứng hỏa học pha hơi. Vật liệu điển hình nhất được chế tạo bằng phương pháp này là cacbon nanotub. Sơ đồ thiết bị và các giai đoạn của phương pháp công nghệ này được trinh bầy ờ hình 1.5. Mantle Heater Furnace (650°C) Mantle Heater MFC. (Ar, 8 SCCM) CIH 2C CH 2C CI1 ^CH [ J V X—/ M Chiorínated p-xylylene Vaporized at 65 • 70^ /. K ỂAm Kpai Membrane reactỉve intermediate // or MCM-41 * \ \ \ C « rb o n t£ a tk i)ii Graphltic Cariỉons Heatconversỉon at 270®Cfor14h Hình 1.5. Sơ đồ thiết bị và các giai đoạn công nghệ CVD chế tạo mang PPV 2.5.Công nghệ chế tạo polyme cấu trúc nano: Vật liệu polyme cấu trúc nano được chế tạo bằng các phương pháp tiêu biểu như trùng hợp polyme sống (living control radical polymerization), hoặc bằng phản ứng trùng hợp phân tán, phàn ứng ghép...Hình 1 . 6 là sơ đồ tiêu biểu phản ứng ựùng hợp polyme cấu trúc nano.