Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp mno2 có cấu trúc nano bằng phương pháp thủy nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015 - 2016 XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT" NĂM 2016 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MnO2 CÓ CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Tự nhiên 5/2016 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2014-2015 XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT" NĂM 2015 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MnO2 CÓ CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Tự nhiên Sinh viên thực hiện: ĐOÀN THỊ DIỄM TRANG Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp, khóa: D13HHC01 Ngành học: Hóa học Người hướng dẫn: TS. PHẠM ĐÌNH DŨ Năm thứ: 03/Số năm đào tạo: 04 ii iii UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MnO2 CÓ CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT. - Sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Diễm Trang - Lớp: D13HHC01 Khoa: KHTN Năm thứ: 03 Số năm đào tạo: 04 - Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Dũ 2. Mục tiêu đề tài: Tổng hợp MnO2 có cấu trúc nano bằng phương pháp thủy nhiệt. 3. Tính mới và sáng tạo: Đã nghiên cứu một cách có hệ thống quá trình tổng hợp nano MnO 2 bằng phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất ban đầu là KMnO 4, HCl, MnCl2.2H2O và C6H12O6.H2O. 4. Kết quả nghiên cứu: Tinh thể nano MnO2 hình thành có dạng thanh và dạng sợi khi tổng hợp từ tiền chất ban đầu là KMnO4 và HCl. Khi tăng tỉ lệ mol KMnO4 : HCl từ 1 : 1 đến 1 : 8, hay tăng nhiệt độ thủy nhiệt từ 160oC đến 220oC thì nano MnO2 dạng thanh được hình thành càng rõ ràng hơn. Trong khi đó, việc giảm thời gian xử lí thủy nhiệt từ 24 giờ đến 8 giờ, thì nano MnO2 hình thành ở dạng sợi là chủ yếu. Khi thay HCl bằng MnCl2 thì hình thái của nano oxit mangan hình thành cũng là dạng thanh nhưng có đường kính lớn hơn nhiều so với khi dùng tiền chất HCl, và đồng thời độ dài của các thanh nano cũng ngắn hơn so với khi dùng HCl. Khi thay tiền chất HCl bằng glucozơ (C 6H12O6) thì mẫu tổng hợp được có dạng hình lập phương với cạnh khá lớn (chừng 1 m). Nhưng khi tăng tỉ lệ mol C6H12O6/ KMnO4 thì chỉ hình thành các cấu trúc dạng khối với kích thước nhỏ dần và các khối này kết dính lại với nhau tạo thành một cấu trúc xốp với độ rỗng cao. 5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: iv MnO2 có cấu trúc nano sẽ có nhiều khả năng được sử dụng trong các ứng dụng siêu tụ điện và thiết bị lưu trữ năng lượng. 6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Ngày tháng năm Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài ĐOÀN THỊ DIỄM TRANG Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực hiện đề tài: Đã khảo sát một cách có hệ thống các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nano mangan oxit bằng phương pháp thủy nhiệt, bao gồm: ảnh hưởng của tiền chất ban đầu (KMnO4, HCl, MnCl2.2H2O và C6H12O6.H2O), ảnh hưởng của tỉ lệ mol, ảnh hưởng của nhiệt độ và ảnh hưởng của thời gian xử lí thủy nhiệt. Phương pháp nghiên cứu hiện đại nên các số liệu thu được có độ tin cậy cao, và do đó, có thể công bố các kết quả nghiên cứu trên các tạp chí có uy tín. Ngày Xác nhận của lãnh đạo khoa tháng năm Người hướng dẫn PHẠM ĐÌNH DŨ UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM v TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN: Ảnh 4x6 Họ và tên: ĐOÀN THỊ DIỄM TRANG Sinh ngày 28 tháng 03 năm 1995 Nơi sinh: Tp. Thủ Dầu Một - Bình Dương Lớp: D13HHC01 Khóa: 2013 - 2017 Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Địa chỉ liên hệ: 93/1, Khu Phố 9, Phường Phú Hòa, Tp. Thủ Dầu Một, Bình Dương Điện thoại: 0917 525 009 Email: [email protected] II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm đang học): * Năm thứ 1: Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Kết quả xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: * Năm thứ 2: Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Kết quả xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: * Năm thứ 3: Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên Kết quả xếp loại học tập: Sơ lược thành tích: Ngày tháng năm Xác nhận của lãnh đạo khoa Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài ĐOÀN THỊ DIỄM TRANG DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI vi TT Họ và tên Lớp, Khóa 1 Lê Thị Diễm Trang D13HHC01 2 Lý Ngọc Tâm D13HHC01 Chữ ký 7 MỤC LỤC MỞ ĐẦU..................................................................................................................................10 CHƯƠNG 1.............................................................................................................................12 TỔNG QUAN..........................................................................................................................12 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano...........................................................................................12 1.1.1. Giới thiệu về hóa học nano....................................................................................12 1.1.2. Phân loại vật liệu nano..........................................................................................13 1.1.3. Những phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu nano....................................14 1.1.4. Ứng dụng của vật liệu nano..................................................................................18 1.2. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano.............................................................23 1.2.1. Phương pháp đồng tạo phức.................................................................................24 1.2.2. Phương pháp đồng kết tủa....................................................................................24 1.2.3. Phương pháp sol-gel..............................................................................................25 1.2.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polime.........................................................26 1.2.5. Phương pháp thủy nhiệt........................................................................................29 1.2.6. Phương pháp mixen...............................................................................................30 1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu nano MnO2...................................32 CHƯƠNG 2.............................................................................................................................34 NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM..............................34 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu...............................................................................34 2.1.1. Mục tiêu..................................................................................................................34 2.1.2. Nội dung.................................................................................................................34 2.2. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................34 2.2.1. Nhiễu xạ tia X........................................................................................................34 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét.......................................................................................35 2.2.3. Hiển vi điện tử truyền qua.....................................................................................35 2.3. Thực nghiệm.................................................................................................................35 2.3.1. Hoá chất.................................................................................................................35 2.3.2. Quy trình tổng hợp nano MnO2............................................................................35 2.3.2.1. Từ KMnO4 và HCl...........................................................................................35 2.3.2.2. Từ KMnO4 và MnCl2.2H2O; hoặc KMnO4 và C6H12O6.H2O.........................36 CHƯƠNG 3.............................................................................................................................37 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................................................................37 3.1. Tổng hợp nano MnO2 từ tiền chất KMnO4 và HCl..................................................37 3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol KMnO4 : HCl................................................................37 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ........................................................................................39 3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian......................................................................................41 3.2. Tổng hợp nano MnO2 từ các tiền chất khác..............................................................43 8 KẾT LUẬN..............................................................................................................................46 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................47 9 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano: Top – down và Bottom - up.....12 Hình 1.2. Phân loại vật liệu nano.................................................................................14 Hình 1.3. Khả năng nghiên cứu cấu trúc nano của các thiết bị khoa học.....................15 Hình 1.4. Ảnh TEM của nano bạc chế tạo bằng phương pháp hạt nano micelle..........15 Hình 1.5. Ảnh AFM của polyanilin/clay nano composit..............................................16 Hình 1.6. Ảnh mô hình chữa bệnh của vi cơ nano.......................................................18 Hình 1.7. Pin mặt trời nano hữu cơ..............................................................................19 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý phản ứng xúc tác quang hóa của hạt nano TiO2.................22 Hình 1.9. Sơ đồ minh hoạ một Mixen đảo...................................................................31 Hình 2.1. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên mạng tinh thể.............................................34 Hình 3.1. Ảnh SEM của các mẫu MnO 2 tổng hợp ở các tỉ lệ mol KMnO 4:HCl khác nhau............................................................................................................................. 37 Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu MnO 2 tổng hợp ở các tỉ lệ mol KMnO 4:HCl khác nhau............................................................................................................................. 38 Hình 3.3. Ảnh SEM của các mẫu MnO 2 tổng hợp ở các nhiệt độ xử lí thủy nhiệt khác nhau............................................................................................................................. 39 Hình 3.4. Giản đồ XRD của các mẫu MnO 2 tổng hợp ở các nhiệt độ xử lí thủy nhiệt khác nhau..................................................................................................................... 40 Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu MnO 2 tổng hợp với thời gian xử lí thủy nhiệt khác nhau............................................................................................................................. 41 Hình 3.6. Ảnh TEM của các mẫu MnO2 tổng hợp với thời gian xử lí thủy nhiệt khác nhau............................................................................................................................. 42 Hình 3.7. Ảnh SEM của các mẫu MnO2 tổng hợp ở các tỉ lệ mol KMnO4:MnCl2 khác nhau............................................................................................................................. 43 Hình 3.8. Ảnh SEM của các mẫu MnO2 tổng hợp ở các tỉ lệ mol KMnO 4:C6H12O6 khác nhau............................................................................................................................. 44 10 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số hợp chất kích thước nano được điều chế bằng phương pháp...........25 đồng kết tủa.................................................................................................................25 Bảng 1.2. Một số oxit kim loại thu được bằng phương pháp sol-gel............................27 Bảng 1.3. Một số vật liệu được điều chế bằng phương pháp đốt cháy gel polime.......28 Bảng 1.4. Một số vật liệu được điều chế bằng phương pháp thuỷ nhiệt.......................30 Bảng 1.5. Một số loại vật liệu được điều chế bằng phương pháp mixen đảo...............32 11 MỞ ĐẦU Ngày nay công nghệ nano đang dần dần làm thay đổi cuộc sống của con người. Với kích thước nhỏ cỡ nanomet, vật liệu nano có những tính chất vô cùng độc đáo mà những vật liệu dạng khối khác không thể có được, như độ bền cơ học cao, hoạt tính xúc tác mạnh, khả năng hấp phụ vượt trội. Chính những tính chất mới này đã mở ra cho vật liệu nano những ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống, đặc biệt là khả năng ứng dụng trong công nghệ xử lý môi trường như cung cấp năng lượng sạch, truyền tải điện năng hiệu suất cao, sử dụng vật liệu nano cho các hệ thống lọc nước sạch… khi mà tình trạng ô nhiễm môi trường đang ngày một trở nên trầm trọng tại nhiều nơi trên thế giới. Mặt khác, nhu cầu năng lượng trên thế giới càng ngày càng cao, các nhà khoa học không ngừng nâng cao chất lượng các nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là các loại pin và ăcqui. Trong đó oxit mangan có thể đáp ứng được các nhu cầu trên. Oxit mangan là vật liệu có dung lượng dự trữ năng lượng lớn nên được sử dụng phổ biến để chế tạo điện cực trong các nguồn điện. Hiện nay, xu thế trên thế giới là chế tạo vật liệu nano oxit mangan có dung lượng dự trữ năng lượng rất lớn (siêu dung lượng). Hiện tượng siêu dung lượng xuất hiện là do sự tồn tại của loại tụ điện điện hóa (giả tụ điện) trong quá trình hoạt động của ăcqui và là nơi tích trữ năng lượng trong quá trình nạp điện. MnO2 là một trong những oxit của mangan được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Trong lĩnh vực xử lí môi trường, MnO2 vừa là chất oxi hóa, vừa làm chất hấp phụ rất tốt [4]. MnO2 tồn tại nhiều dạng thù hình như α, β, δ, ε, γ, λ…, trong đó gồm các ô mạng cơ sở là MnO6 liên kết theo các cách khác nhau. Tùy thuộc vào mỗi phương pháp điều chế mà MnO 2 thu được có cấu trúc, hình dạng khác nhau. Các phương pháp điều chế MnO2 đều xuất phát từ phản ứng oxi hóa khử ion MnO4- hoặc Mn2+. Có nhiều phương pháp tổng hợp oxit mangan như: phương pháp điện phân, phương pháp hóa học, phương pháp thủy nhiệt… Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy việc tổng hợp oxit mangan bằng con đường thủy nhiệt cho sản phẩm kết tinh tốt, kích thước nhỏ (nano), vì vậy dung lượng dự trữ năng lượng sẽ lớn hơn. Một số nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, các nước châu Âu đã nhìn nhận công nghệ nano như một trong những lĩnh vực triển vọng nhất của thế kỷ 21 và đã có các dự án đầu tư tương đối lớn cho lĩnh vực này. Tuy nhiên, ở các nước đang 12 phát triển thì công nghệ nano chưa được phát triển và vẫn còn rất mới. Việt Nam cũng nằm trong nhóm các nước này. Những sản phẩm MnO2 với cấu trúc nano sẽ có nhiều khả năng được sử dụng trong các ứng dụng siêu tụ điện và thiết bị lưu trữ năng lượng. Do đó, chúng tôi đề xuất thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp MnO2 có cấu trúc nano bằng phương pháp thủy nhiệt”. Đề tài này được trình bày theo các mục chính sau: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Nội dung, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm - Chương 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận và kiến nghị 13 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano 1.1.1. Giới thiệu về hóa học nano Nanomet là điểm kỳ diệu trong kích thước chiều dài, là điểm mà tại đó những vật sáng chế nhỏ nhất do con người tạo ra ở cấp độ nguyên tử và phân tử của thế giới tự nhiên. “Hội chứng công nghệ nano” về cơ bản đang tràn qua tất cả các lĩnh vực của khoa học công nghệ và sẽ thay đổi bản chất của hầu hết mọi đối tượng do con người tạo ra trong thế kỷ tiếp theo. Nói chung, công nghệ nano có nghĩa là kỹ thuật sử dụng kích thước nano từ 0,1 nanomet đến 100 nanomet để tạo ra sự biến đổi hoàn toàn lý tính một cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effect). Trong công nghệ nano có phương thức từ trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhỏ một hệ thống 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 hay nguyên tử lại để thu được kích thước nano. Đặc biệt gần đây việc thực hiện công nghệ nano theo phương thức bottom-up trở thành kỹ thuật có thể tạo ra các hình thái vật liệu mà loài người hằng mong ước nên thu hút rất nhiều sự quan tâm. Trong bối cảnh đó, người ta nói tới hóa học, đặc biệt là hóa học cao phân tử có thể trở thành một phương tiện quan trọng của phương thức bottom-up. Hình 1.1. Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano: Top – down và Bottom - up 14 Từ thứ nguyên là kích thước nguyên tử hình thành khối dạng hạt cấu trúc nano. Những khối nano này được tổ chức hóa thành những hình thái khác nhau được sắp xếp chặt chẽ kích thước nanomet. Các phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nano có thể từ tổng hợp hóa học hay bằng những công đoạn đặc biệt để tạo nên cấu trúc nano. Những chất để chế tạo vật liệu cấu trúc nano có thể là thuần hữu cơ hay vô cơ hoặc cũng có thể sử dụng vật liệt composite lai hỗn tính hữu cơ – vô cơ. 1.1.2. Phân loại vật liệu nano Hàng nghìn chất rắn ở nhiệt độ và áp suất thường có thể được chia thành các nhóm như kim loại, gốm, chất bán dẫn, hợp chất và polymer. Những nhóm này còn có thể được chia nhỏ nữa thành vật liệu sinh học, vật liệu xúc tác, lớp phủ, thủy tinh, vật liệu từ và vật liệu điện tử. Tất cả các chất rắn này có tính chất biến thiên rộng, ẩn chứa nhiều tính chất mới khác khi tạo ra dưới dạng hạt nano. Khả năng thực hiện được là vô tận. Nhưng việc tổng hợp vật liệu nano có tính quyết định đến tính nguyên chất, tính đơn phân tán, ligation và các tính chất hóa học khác của vật liệu. Vì vậy ngành hóa học và các nhà hóa học phải đảm nhận vai trò đầu tàu nếu như lĩnh vực mới này trở nên thịnh vượng. Theo thuyết kinh dịch của phương đông, vật chất hình thành từ lưỡng nghi âm dương, âm dương sinh tứ tượng, tứ tượng sinh bát quái, bát quái sinh vạn vật. Điều này có nghĩa gì khi ta suy rộng trong công nghệ nano? Nếu ta nghĩ rằng vật liệu lai lưỡng tính vô cơ/hữu cơ là cơ sở để tạo ra muôn ngàn vật liệu mới trong thế giới nano. Do lĩnh vực về vật liệu cấu trúc nano đã mở ra nên rất nhiều tên và nhãn hiệu được sử dụng. Điều quan trọng là một số định nghĩa chính xác được trình bày sau đây (xem hình 1.2). Cụm (Cluster): Là một tập hợp các đơn vị (nguyên tử hoặc phân tử) lên tới khoảng 50 đơn vị. Hợp chất cụm là các moiety như vậy được bao quanh bởi vỏ phối tử mà cho phép cô lập các loại phân tử Chất keo (Collid): Là pha lỏng ổn định chứa các hạt trong phạm vi 1- 1000 nm. Hạt keo (micell) là một trong các hạt kích thước 1-1000 nm như vậy. Hạt nano (Nanoparticle): Là hạt rắn trong phạm vi 1-1000 nm có thể không tinh thể, là khối kết tụ của các vi tinh thể hoặc vi đơn tinh thể. Tinh thể nano (Nanocrystal): Là hạt rắn nghĩa là đơn tinh thể có kích cỡ nanomet. 15 Vật liệu cấu trúc nano hay vật liệu kích thước nano (Nanostructurea or Nanoscale Materials): Là bất cứ vật liệu rắn nào mà có kích thước nanomet, ba chiều → hạt, hai chiều → màng mỏng, một chiều → dây mỏng. Vật liệu pha nano (Nanophase materials): tương tự như vật liệu cấu trúc nano. Đốm lượng tử (Quantum dots): Là hạt có hiệu ứng lượng tử có kích thước nano ít nhất là một chiều. Nanocomposite: Vật liệu lai hỗn tính vô cơ/hữu cơ. Hình 1.2. Phân loại vật liệu nano 1.1.3. Những phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu nano Ngày nay thực tế đã có thể quan sát được nguyên tử, một sự phát triển mà thậm chí khó có thể tưởng tượng được chỉ mấy năm trước đây. Trên thực tế có rất nhiều các phương pháp kỹ thuật được phát triển mà có thể làm kinh ngạc thậm chí cả các nhà khoa học làm việc nhiều trong lĩnh vực nghiên cứu này. Một số trong số các phát triển đó được mô tả ngắn gọn dưới đây. Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao - High – resolution Tranmission Electron Microscopy (HRTEM): Một chùm electron điện áp cao xuyên qua một mẫu vật rất mỏng và diện tích mẫu mà không cho electron đi qua cho phép ảnh được hiện lên. Nhờ vào các tiến bộ về điện tử học, máy tính, phương pháp kỹ thuật điều chế mẫu, các thiết bị điện áp cao hiện đại có độ phân giải phạm vi 0,1 nm. 16 Vì vậy có thể hiện ảnh các nguyên tử nặng trong một số trường hợp kích thước và hình dáng của hạt nano có thể dễ dàng chụp được. Việc điều chế mẫu là quan trọng và thường cần phải đặt huyền phù hạt loãng lên trên lưới đồng phủ carbon. Một phương pháp kỹ thuật hữu ích khác là gắn hạt vào polymer hữu cơ rắn, cắt ra thành những phần rất mỏng, và chiếu chùm electron xuyên qua phần đã cắt. Hình 1.4. là ảnh TEM nano bạc do phòng thí nghiệm nano viện Hóa học Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam chế tạo. Hình 1.3. Khả năng nghiên cứu cấu trúc nano của các thiết bị khoa học 17 Hình 1.4. Ảnh TEM của nano bạc chế tạo bằng phương pháp hạt nano micelle Kính hiển vi dò quét – Scanning Probe Microscopy (SPM), còn được gọi là kính hiển vi tunnel quét – Scanning Tunneling Microscopy (STM) và kính hiển vi lực nguyên tử - Atomic Force Microscopy (AFM): Việc tìm ra phương pháp SPM vào những năm 1980 là việc kéo đầu dò giống hình kim nhọn ngang qua mẫu vật rất gần với bề mặt mẫu vật. Đối với các mẫu vật dẫn dòng tunneling giữa mẫu vật và mũi dò có thể được kiểm soát và giữ không đổi. Khi đầu dò tiến đến gần phần được nâng cao lên của mẫu vật, đầu dò chuyển động lên, đi qua và bằng cách quét (raster) phía trên phần diện tích của mẫu vật, bản đồ bề mặt có thể được tạo thành. Bằng việc điều chế mẫu vật đúng cách và sử dụng thiết bị chất lượng cao trong môi trường dao động tự do đôi khi có thể vẽ ảnh dưới phân giải nguyên tử. Trên thực tế có thể thực hiện được việc thăm dò cấu trúc điện tử và các nguyên tử đơn bằng Scanning Tunneling Microscopy (STM). Khi mẫu vật là dẫn nano (nanoconducting), kiểu lực nguyên tử (AFM) có thể được sử dụng, tại đó mũi dò về cơ bản là chạm vào bề mặt, và bề mặt có thể được vẽ bản đồ bằng lực tương tác yếu giữa mũi và mẫu vật. Theo cách thức AFM, độ phân giải về thực chất là kém hơn so với độ phân giải của cách tunneling. Người ta vẫn tiếp tục phát triển trong lĩnh vực này, và vẽ bản đồ từ là có thể làm được. Hình 1.5. là ảnh AFM của polymer/clay nano composit chế tạo tại phòng thí nghiệm nano, viện Hóa Học, Viện Khoa Học và Công nghệ Việt Nam. 18 Hình 1.5. Ảnh AFM của polyanilin/clay nano composit Nhiễu xạ tia X rắn – Powder X – ray Diffraction (XRD): Mặc dù XRD là rất hữu dụng đối với bột tinh thể trong nhiều thập kỷ, nhưng những tiến bộ hiện đại về điện tử, máy tính và nguồn tia X đã cho phép nó trở thành công cụ không thể thiếu cho việc xác định các pha tinh thể nano cũng như là kích thước tinh thể thiếu cho việc xác định các pha tinh thể nano cũng như là kích thước tinh thể và sức căng tinh thể. Những hướng khác bao gồm tán xạ tia X góc nhỏ để xác định kích thước hạt trong kích thước nano, micro và macro trong bột nén. Đo nhiệt vi sai – Differential Scanning Calorimetry (DSC): Vật liệu cấu trúc nano đốt nóng có thể làm cho tinh thể phát triển tại hỗn hống (tỏa nhiệt), nóng chảy (thu nhiệt), hoặc pha tinh thể thay đổi (tỏa hoặc thu nhiệt). Khi các hạt nano được thắt lại (ligate), ví dụ như lớp phủ thiol trên vàng, các phản ứng hóa học và chuyển dịch phối tử có thể xảy ra, đó có thể là tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt. Bằng việc sử dụng DSC, các biến đổi này có thể được kiểm soát và phạm vi của tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt được xác định, điều này có thể rất hữu ích trong mô tả tính chất. Phép đo từ kế giao thoa lượng tử siêu dẫn – Superconducing Quantum Interference Magnetometry (SQUID): Đối với vật liệu nano từ, SQUID rất nhạy. Có thể mang lại thông tin trên nhiệt độ chặn (blocking temperature), nhiệt độ Neel, độ kháng từ, độ từ hóa bão hòa, hiện tượng sắt từ và hiện tượng siêu thuận từ. Thiết bị được làm mát bằng heli lỏng và mẫu có thể được nghiên cứu tại nhiệt độ gần heli lỏng hoặc cho đến trên nhiệt độ phòng. Phép đo phổ khối lượng cộng hưởng xyclotron ion biến đổi Fourier phân giải laser – Laser Desorption Fourier Transform Ion Cyclontron Resonance – Mass 19 Spetrometry (LD – FTICR – MS): Phạm vi của phép đo phổ khối biến đổi nhanh chóng cùng với sự phát triển của nhiều phương pháp ion hóa mẫu vật mới, điện tử học tốt hơn và xử lý dữ liệu. Sự ion hóa chùm điện (electrospray) ngày nay cho phép các “phân tử” khối rất cao được phân tích. Thêm vào đó laser kết hợp với cộng hưởng xyclotron ion cho phép thăm dò kết cấu bề mặt và cấu trúc của các loại hấp phụ bề mặt. Phép đo diện tích bề mặt hấp phụ khí Brunauer – Emmett – Teller và phân tích cấu trúc lỗ – runauer – Emmett – Teller Gas Adsorption Surface Area Measurement and Structure – Analysis (phương pháp BET): Một phương pháp kỹ thuật khác được nhiều người biết đến trong nhiều thập kỷ là việc xác định diện tích bề mặt bột bằng hấp phụ khí nitơ tại nhiệt độ gần nitơ lỏng. Sự hấp phụ vật lý của đơn lớp N 2 cho phép tính toán diện tích bề mặt bằng cách dùng áp suất chống lại hấp thu khí. Trong những năm gần đây nhiều tiến bộ vượt bậc cho phép không chỉ xác định diện tích bề mặt được nhanh chóng mà còn cả kích cỡ phân bố lỗ, thể tích lỗ và nói chung khả năng mô tả triệt để hơn hình thái học và thậm chí cả kích thước fractal… 1.1.4. Ứng dụng của vật liệu nano Vậy, “các vật nano” mà sẽ thay đổi cuộc sống của chúng ta là gì? Để bắt đầu khám phá tiềm năng của chúng, bằng cách ta hãy liệt kê các lĩnh vực có liên quan mà công nghệ nano hứa hẹn có nhiều ảnh hưởng. Dược học, thuốc chữa bệnh: có khả năng chế tạo các phân tử sinh học mà chuyển “dược phẩm trong tế bào, điều này có thể giải phóng các hạt nano hoặc hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh”. Hình 1.6. Ảnh mô hình chữa bệnh của vi cơ nano