Tài liệu Tổng hợp nano bạc bằng phương pháp vi nhũ tương và ứng dụng để kháng khuẩn

-iv MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ ..............................................................................................i LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. ii LỜI CÁM ƠN .................................................................................................. iii MỤC LỤC .........................................................................................................iv DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... vii LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano .................................................................................1 1.1.1. Các khái niệm cơ bản ..................................................................................1 1.1.2. Tính chất vật liệu nano ................................................................................1 1.1.3. Phân loại vật liệu nano ................................................................................3 1.1.4. Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano ......................................................4 1.2. Tổng quan về hạt nano bạc và hợp chất TiO2 ....................................................6 1.2.1. Hạt nano bạc ................................................................................................ 6 1.2.2. Hợp chất TiO2 ...........................................................................................15 1.3. Giới thiệu về phƣơng pháp tổng hợp nano bạc và hợp chất TiO2 ...................18 1.3.1. Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng ........................................................................18 1.3.2. Phƣơng pháp Sol-gel .................................................................................26 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM.....................................................................................32 2.1. Chuẩn bị hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ........................................................32 2.1.1. Hoá chất.....................................................................................................32 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị đƣợc sử dụng để tiến hành thí nghiệm ......................35 2.1.3. Các thiết bị đƣợc sử dụng trong việc phân tích mẫu .................................37 2.2. Quy trình thí nghiệm ........................................................................................37 2.2.1. Quy trình tổng hợp dung dịch nano bạc ....................................................37 2.2.2. Quy trình tổng hợp sol TiO2:Ag ................................................................ 38 2.2.3. Quy trình tạo mẫu màng và bột TiO2:Ag ..................................................39 -v 2.3. Các phƣơng pháp phân tích mẫu......................................................................40 2.3.1. Phổ tử ngoại và khả kiến UV-Vis (Ultraviolet – Visible).........................40 2.3.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) .........................................................................41 2.3.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ....................................................43 2.3.4. Phƣơng pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano bạc....43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ...................................................................45 3.1. Tổng hợp dung dịch nano bạc ..........................................................................45 3.1.1. Kết quả phân tích UV-Vis .........................................................................46 3.1.2. Kết quả phân tích TEM .............................................................................50 3.1.3. Kết quả kiểm tra hàm lƣợng bạc thực tế trong mẫu ..................................52 3.1.4. Kết quả phân tích khả năng diệt khuẩn .....................................................52 3.2. Kết quả tạo màng và bột TiO2:Ag....................................................................54 3.2.1. Kết quả phân tích mẫu màng .....................................................................54 3.2.2. Kết quả phân tích mẫu bột ........................................................................56 CHƢƠNG 4 ...................................................................................................................58 4.1. Kết luận ...............................................................................................................58 4.2. Hƣớng phát triển của đề tài .................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................59 PHỤ LỤC ......................................................................................................................62 -vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu. ..........................2 Bảng 1.2: Giá trị độ dài đặc trƣng của một số tính chất của vật liệu. .............................4 Bảng 1.3: Một số hằng số về tính chất điện tử của bạc ...................................................8 Bảng 1.4: Tính chất vật lý cơ bản của bạc.......................................................................9 Bảng 1.5: Sự so sánh giữa các hệ vi nhũ tƣơng.............................................................21 Bảng 3.1: Bảng tƣơng quan giữa với của các mẫu bạc/cyclohexane .....................46 Bảng 3.2: Bảng tƣơng quan giữa với của các mẫu bạc/isooctane ..........................47 Bảng 3.3: Bảng tƣơng quan giữa với của các mẫu bạc/ dodecane .........................48 Bảng 3.4: Bƣớc sóng hấp thu của dung dịch nano bạc theo nồng độ AgNO3...............49 Bảng 3.5: Hàm lƣợng bạc thực tế trong dung dịch .......................................................52 Bảng 3.6: Hiệu suất diệt khuẩn của các dung dịch bạc .................................................53 -vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thang đo nano .................................................................................................1 Hình 1.2: Phƣơng pháp Top-down và Bottom-down…………………………………..5 Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể của bạc .................................................................................7 Hình 1.4: Cấu hình electron của bạc ...............................................................................7 Hình 1.5: Plasmon bề mặt của kim loại. ........................................................................10 Hình 1.6: Dao động của đám mây electron khi bị chiếu sáng .......................................10 Hình 1.7 Quá trình dao động tập thể của các điện tử trên bề mặt hạt vàng. ................11 Hình 1.8: Phổ tiêu hủy (extinction) của hạt nano Ag với các kích thƣớc khác nhau ....11 Hình 1.9: Trƣờng phân bố quanh các hạt Ag (bán kính 9 nm) ....................................12 Hình 1.10: Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc ..................................................................13 Hình 1.11: Sơ đồ ion bạc vô hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy ...................................13 Hình 1.12: Ion bạc liên kết với các base của DNA .......................................................14 Hình 1.13: Một số sản phẩm ứng dụng nano bạc ..........................................................15 Hình 1.14: Cấu trúc pha tinh thể rutile ..........................................................................16 Hình 1.15: Cấu trúc pha tinh thể anatase .......................................................................16 Hình 1.16: Cấu trúc pha tinh thể brookite .....................................................................16 Hình 1.17: Cơ chế quang xúc tác của TiO2 ..................................................................17 Hình 1.18: Quá trình làm việc của tấm vải tự làm sạch ...............................................17 Hình 1.19: Tính chất tự làm sạch của vật liệu phủ TiO2 ...............................................18 Hình 1.20: Giản đồ pha của hệ vi nhũ tƣơng.................................................................20 Hình 1.21: Các dạng vi nhũ tƣơng ................................................................................20 Hình 1.22: Quy trình tổng hợp hạt nano bằng phƣơng pháp vi nhũ tƣơng ...................21 Hình 1.23: Cấu tạo và cấu trúc micelle của chất hoạt động bề mặt .............................. 23 Hình 1.24: Quá trình sol-gel và sản phẩm của nó .........................................................27 Hình 1.25: Quá trình thủy phân. ...................................................................................29 Hình 1.26: Phản ứng ngƣng tụ.......................................................................................30 Hình 2.1: Máy đánh siêu âm..........................................................................................35 Hình 2.2: Cân điện tử và máy khuấy từ .........................................................................36 Hình 2.3: Máy quay ly tâm ............................................................................................36 -viii Hình 2.4: Máy nhúng và lò nung ...................................................................................36 Hình 2.5: Sơ đồ tổng hợp dung dịch nano bạc .............................................................. 38 Hình 2.6: Sơ đồ tổng hợp sol TiO2:Ag ..........................................................................39 Hình 2.7: Sơ đồ tạo mẫu bột và màng TiO2:Ag ............................................................40 Hình 2.8: Cƣờng độ tia sáng trong phƣơng pháp đo UV-VIS ......................................41 Hình 2.9 : Máy đo phổ hấp thu UV-Vis. .......................................................................41 Hình 2.10: Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể. ................................................................ 42 Hình 2.11: Máy chụp phổ XRD ....................................................................................42 Hình 2.12: Máy đo TEM, JEM – 1400 ..........................................................................43 Hình 2.13: Vi khuẩn Escherichia coli............................................................................44 Hình 3.1: Các dung dịch nano bạc sau khi tạo thành ....................................................45 Hình 3.2: Dung dịch nano bạc bị kết tủa .......................................................................45 Hình 3.3: Kết quả UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi cyclohexane. .........................46 Hình 3.4: Kết quả UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi isooctane. .............................. 47 Hình 3.5: Kết quả UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi dodecane. .............................. 48 Hình 3.6: Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc theo sự thay đổi nồng độ AgNO3 ......49 Hình 3.7: Ảnh TEM của dung dịch nano bạc với dung môi cyclohexane ....................50 Hình 3.8: Ảnh TEM của dung dịch nano bạc với dung môi isooctane .........................50 Hình 3.9: Ảnh TEM của dung dịch nano bạc với dung môi .........................................51 Hình 3.10: Ảnh TEM của dung dịch nano bạc với dung môi dodecane .......................52 Hình 3.11: Hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano bạc..........................................53 Hình 3.12: Sol TiO2:Ag trƣớc và sau khi bị gel hóa .....................................................54 Hình 3.13: Phổ UV-Vis của sol TiO2:Ag ......................................................................55 Hình3.14: Phổ UV-Vis của các màng TiO2:Ag khi nung ở 600oC ............................... 55 Hình 3.15: Sự kết khối của sol TiO2:Ag ở nhiệt độ phòng ...........................................56 Hình 3.16: Các mẫu bột TiO2:Ag ..................................................................................56 Hình 3.17: Phổ XRD của mẫu bột TiO2:Ag ..................................................................56 -ix LỜI MỞ ĐẦU Từ xƣa đến nay, bạc đã đƣợc biết đến nhƣ một chất có khả năng kháng độc, diệt khuẩn. Ngày nay, cùng với sự ra đời và phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ nano, bạc đã và đang trở thành đề tài đáng quan tâm, chú ý của các nhà nghiên cứu khoa học. Chức năng và đặc trƣng chính của nano bạc [15]: Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh. Không có hại cho sức khỏe con ngƣời với liều lƣợng tƣơng đối cao, không có phụ gia hóa chất. Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực nhƣ nƣớc và trong các dung môi không phân cực nhƣ benzene, toluene). Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dƣới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thƣờng. Ổn định ở nhiệt độ cao. Chính nhờ các chức năng và đặc trƣng trên mà nano bạc đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống nhƣ ứng dụng cho vật liệu kháng khuẩn, vật liệu chống tĩnh điện, vật liệu cảm biến sinh học,… Có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau để tổng hợp nano bạc nhƣ: Phƣơng pháp hóa học [28]: chủ yếu sử dụng các hóa chất có khả năng khử ion bạc thành nguyên tử bạc, sau đó các nguyên tử này sẽ kết hợp lại với nhau để tạo ra các hạt nano bạc. Điển hình điều chế các hạt nano bạc từ chất khử ascorbic axit, Citric axit, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol, Ethylene Glycol… Phƣơng pháp vật lý: phƣơng pháp này thƣờng sử dụng các tác nhân vật lý nhƣ điện tử [17], sóng điện từ năng lƣợng cao nhƣ tia gamma [41], tia tử ngoại [26], tia laser [16],… để khử ion bạc thành các hạt nano bạc. Một thí dụ sử dụng phƣơng pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc là dùng các tia laser xung có bƣớc sóng 500nm, độ rộng xung 8sn, tần số 10Hz, công suất 12-17mJ [16]. Phƣơng pháp khử hóa lí: đây là phƣơng pháp trung gian giữa phƣơng pháp hóa học và phƣơng pháp vật lý. Để tạo hạt nano bạc, ta sẽ sử dụng phƣơng pháp điện phân kết hợp với siêu âm [46] . Phƣơng pháp sinh học: đối với phƣơng pháp này ta sẽ dùng vi khuẩn, virus (vi khuẩn Fusarium oxysporum PTCC 5115, vi khuẩn MKY3,…) làm tác nhân để khử ion kim loại [44] . -x Mỗi phƣơng pháp đều có các ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Chẳng hạn, đối với phƣơng pháp hóa học để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau. Phƣơng pháp này đơn giản nhƣng bị giới hạn bởi một số chất khử. Còn đối với phƣơng pháp sinh học thì đơn giản, thân thiện với môi trƣờng và có thể tạo hạt với số lƣợng lớn. Nhƣng nhìn chung, phần lớn các phƣơng pháp ấy không cho kết quả hạt nano đồng nhất về kích thƣớc và hình dạng. Gần đây, phƣơng pháp vi nhũ tƣơng đƣợc sử dụng nhiều trên thế giới để chế tạo hạt nano bạc do khả năng điều khiển kích thƣớc hạt dễ dàng của nó nhƣng ở Việt Nam lại có rất ít nhóm nghiên cứu theo hƣớng này. Mục tiêu của luận văn này là tổng hợp nano bạc bằng phƣơng pháp vi nhũ tƣơng và ứng dụng để kháng khuẩn, thứ nhất nhằm khắc phục nhƣợc điểm của các phƣơng pháp trên - đạt đƣợc các hạt nano bạc có kích thƣớc nhỏ cỡ vài nanomet và đồng đều, thứ hai để làm bƣớc đệm cho những nghiên cứu tiếp theo về phƣơng pháp vi nhũ tƣơng. Đồng thời, bƣớc đầu chúng tôi còn khảo sát thêm tính năng pha tạp của nano bạc trong chất nền TiO2. Đây là một đề tài nghiên cứu mới và vô cùng hấp dẫn, chứng tỏ vai trò quan trọng của nano bạc trong việc tăng cƣờng khả năng tự làm sạch và diệt khuẩn của TiO2 mà không cần đòi hỏi đến sự chiếu xạ UV. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu về vật liệu nano 1.1.1. Các khái niệm cơ bản Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano và công nghệ nano. Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc: Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tƣợng và sự can thiệp vào vật liệu theo các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Với quy mô này, tính chất của vật liệu khác hẳn so với tính chất của chúng ở các quy mô lớn hơn. Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trƣng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thƣớc trên quy mô nanomét. Vật liệu nano là đối tƣợng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thƣớc của vật liệu nano từ 0,1 nm đến 100 nm. 1.1. Hình 1.1: Thang đo nano 1.1.2. Tính chất vật liệu nano [8][34] Vật liệu nano có những tính chất rất đặc biệt khác hẳn với tính chất của các nguyên tố cùng loại ở kích thƣớc khối. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiệu ứng sau đây: 2 1.1.2.1. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là nS = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = nS/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. Nhƣ vậy, nếu kích thƣớc của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thƣớc vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thƣớc của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thƣớc vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thƣớc, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngƣợc lại. Bảng 1.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu. Đƣờng kính hạt nano (nm) Số nguyên tử Tỉ số nguyên tử trên bề mặt (%) Năng lƣợng bề mặt (erg/mol) Năng lƣợng bề mặt trên năng lƣợng tổng (%) 10 5 2 1 30.000 4.000 250 30 20 40 80 90 4,08×1011 8,16×1011 2,04×1012 9,23×1012 7,6 14,3 35,3 82,2 1.1.2.2. Hiệu ứng kích thƣớc [8] Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trƣng. Độ dài đặc trƣng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thƣớc nm. Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thƣờng nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trƣng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu có thể so sánh đƣợc với độ dài đặc trƣng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trƣng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trƣớc đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến 3 tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thƣớc, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhƣng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thƣớc nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thƣớc của dây rất lớn so với quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thƣớc của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đƣờng tự do trung mình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lƣợng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng đó Planck. Lúc này hiệu ứng lƣợng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống nhƣ độ dẫn, tức là bị lƣợng tử hóa do kích thƣớc giảm đi. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lƣợng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lƣợng tử). Bảng 1.2 cho thấy giá trị độ dài đặc trƣng của một số tính chất của vật liệu. 1.1.3. Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomét. Về trạng thái của vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.  Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân ra thành các loại sau: Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thƣớc nano), ví dụ đám nano, hạt nano... Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano, cụ thể là dây nano, ống nano ,... Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thƣớc nano nhƣ màng mỏng (có chiều dày kích thƣớc nano),... Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thƣớc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.  Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thƣớc nano: Vật liệu nano kim loại Vật liệu nano bán dẫn Vật liệu nano từ tính Vật liệu nano sinh học … 4 Nhiều khi ngƣời ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tƣợng chính của chúng ta sau đây là "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" đƣợc phân loại theo hình dáng, "kim loại" đƣợc phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả "từ tính" và "sinh học" đều là khái niệm có đƣợc khi phân loại theo tính chất. Bảng 1.2: Giá trị độ dài đặc trƣng của một số tính chất của vật liệu. Tính chất Thông số Độ dài đặc trƣng (nm) Điện Bƣớc sóng của điện tử Quãng đƣờng tự do trung bình không đàn hồi Hiệu ứng đƣờng ngầm 10-100 1-100 1-10 Từ Vách đô men, tƣơng tác trao đổi Quãng đƣờng tán xạ spin Giới hạn siêu thuận từ 10-100 1-100 5-100 Quang Hố lƣợng tử (bán kính Bohr) Độ dài suy giảm Độ sâu bề mặt kim loại Hấp thụ Plasmon bề mặt 1-100 10-100 10-100 10-500 Siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper Độ thẩm thấu Meisner 0.1-100 1-100 Cơ Tƣơng tác bất định xứ Biên hạt Bán kính khởi động đứt vỡ Sai hỏng mầm Độ nhăn bề mặt 1-1000 1-10 1-100 0.1-10 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn Cấu trúc nhị cấp Cấu trúc tam cấp 1-100 1-10 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 1.1.4. Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano [6][7] Vật liệu nano đƣợc chế tạo bằng hai phƣơng pháp: phƣơng pháp từ trên xuống (top-down) và phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up). Phƣơng pháp từ trên xuống là phƣơng pháp tạo hạt kích thƣớc nano từ các hạt có kích thƣớc lớn hơn; phƣơng pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử. Mỗi phƣơng pháp 5 đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phƣơng pháp chỉ có thể đƣợc áp dụng với một số vật liệu nhất định mà thôi. 1.1.4.1. Phƣơng pháp từ trên xuống Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thƣớc nano. Trong phƣơng pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu đƣợc là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phƣơng pháp biến dạng đƣợc sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phƣơng pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào từng trƣờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì đƣợc gọi là biến dạng nóng, còn ngƣợc lại thì đƣợc gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano. Đây là các phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền nhƣng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Tuy nhiên nó lại có nhƣợc điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thƣớc hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thƣờng khó có thể đạt đƣợc hạt có kích thƣớc nhỏ. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ nhƣ là kim loại. 1.1.4.2. Phƣơng pháp từ dƣới lên Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các Hình 1.2: Phương pháp nguyên tử hoặc ion. Phƣơng pháp từ dƣới lên đƣợc Top-down & Bottom-up phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đƣợc chế tạo từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phƣơng pháp hóa-lý. Phƣơng pháp vật lý: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng pháp vật lý: 6 bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phƣơng pháp chuyển pha: vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phƣơng pháp nguội nhanh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính. Phƣơng pháp hóa học: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phƣơng pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà ngƣời ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol-gel, ...) và từ pha khí (nhiệt phân, ...). Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,... Phƣơng pháp kết hợp: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí, ... Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...  Ƣu điểm của phƣơng pháp từ dƣới lên: tiện lợi, kích thƣớc các hạt nano tạo ra tƣơng đối nhỏ và đồng đều, đồng thời tính linh động của các thiết bị phục vụ cho phƣơng pháp này cũng rất cao. Tuy nhiên nhƣợc điểm của phƣơng pháp này khi có yêu cầu về việc điều chế một lƣợng lớn vật liệu nano sẽ rất khó khăn và tốn kém. Tổng quan về hạt nano bạc và hợp chất TiO2 1.2.1. Hạt nano bạc Hạt nano kim loại là khái niệm chung để chỉ các hạt có kích thƣớc nano đƣợc tạo thành từ kim loại nhƣ vàng và bạc. Thông qua các kết quả phân tích ngày nay cho thấy hạt nano kim loại nhƣ hạt nano vàng, nano bạc đã đƣợc sử dụng từ hàng nghìn năm trƣớc. Năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phƣơng pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự đƣợc bắt đầu. Tuy nhiên, chỉ vài chục năm gần đây, nghiên cứu về kim loại quý đặc biệt là vàng, bạc mới đƣợc nhiều nhà khoa học chú ý và quan tâm nhờ những tính chất lí thú về tính chất điện, quang, xúc tác của chúng. Một trong những tính chất đó là màu sắc của hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thƣớc và hình dạng. Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nƣớc biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thƣớc của hạt thay đổi. Hiện tƣợng thay đổi màu sắc nhƣ vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hƣởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới có hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tƣợng quang học thú vị nhƣ trên. [9] 1.2. 7 1.2.1.1. Nguyên tố kim loại bạc  Cấu trúc tinh thể bạc[10][13] Bạc (Ag) là nguyên tố thứ 47 trong hệ thống tuần hoàn, thuộc chu kỳ 5, phân nhóm IB, là kim loại màu sáng trắng, mềm, dễ dát mỏng, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, có khả năng phản xạ ánh sáng cao nhất trong các kim loại. Bạc có cấu trúc tinh thể lập phƣơng tâm mặt, điều này giải thích việc bạc có khối lƣợng riêng lớn và nhiệt độ nóng chảy tƣơng đối cao. Hằng số mạng (ô cơ sở): + a: 408.53 pm : 90.000 + b: 408.53 pm : 90.000 + c: 408.53 pm : 90.000 Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể của bạc  Tính chất điện tử của bạc Hình 1.4: Cấu hình electron của bạc 8 Cấu hình electron : 1s22s22p63s23p64s24d105s1 Bán kính kim loại E+ : 1.44 A0 Năng lƣợng ion hóa : 7.57 eV Ái lực electron : 1.3 eV Bạc là kim loại kém hoạt động và có số oxy hóa là +1, +2 và +3. Số oxy hóa +1 là bền nhất đối với bạc (do cấu hình 4d10). Bạc có lớp electron ngoài cùng nằm gần nhân hơn nên bạc khó bị oxy hóa, ngƣợc lại ion của bạc lại rất dễ bị khử. Bạc không bị phân hủy trong nƣớc, hydroxit của bạc là Bazơ yếu. Các hợp chất của bạc thƣờng có liên kết có tính cộng hóa trị do sự phân cực ion. Do sự tạo thành liên kết giữa các cặp electron (n-1)d của nguyên tử này và obital p trống của nguyên tử kia nên bạc có khả năng tạo thành các phần tử có 2 nguyên tử (Ag2). Số phối trí của bạc: 2, 4, 6. Bảng 1.3: Một số hằng số về tính chất điện tử của bạc Ái lực điện tử Năng lƣợng ion hóa lần 1 Năng lƣợng ion hóa lần 2 Năng lƣợng ion hóa lần 3 Độ âm điện Pauling Độ âm điện Allred Rochow Độ âm điện Mulliken-Jaffe Liên kết Ag-Ag Bán kính nguyên tử (empirical) Bán kính nguyên tử (calculated) Bán kính Covalent (empirical) Bán kính Van der Waals 125.6 kJ/mol 731.0 kJ/mol 2070 kJ/mol 3361 kJ/mol 1.93 Pauling Units 1.42 Pauling Units 1.47 Pauling Units 288.9 pm 160 pm 165 pm 153 pm 172 pm  Tính chất hóa học Trong điều kiện thƣờng, bạc là kim loại rất bền, rất khó bị oxy hóa trong không khí ngay cả khi bị đun nóng. Nhƣng nếu trong không khí có mặt một ít khí H 2S thì màu trắng của bạc dần trở thành màu đen do sự tạo thành sunfua bạc: 2Ag + 2H2S + O2 2Ag2S + 2H2O Để làm sạch những vết này ta có thể dùng dung dịch Natri Thiosunfat Na 2S2O3. Bạc sẽ tan đi nhờ tạo phức chất Na3[(S2O3)2]. Trong tự nhiên, bạc tồn tại ở dạng tự do gần nhƣ tinh khiết. Khoảng 20% lƣợng bạc đƣợc luyện trực tiếp từ quặng nghèo chứa Ag2S bằng phƣơng pháp xyanua. 9 Trong phòng thí nghiệm, để điều chế bạc ngƣời ta thƣờng dùng các chất khử hữu cơ hoặc nhiệt độ để khử Ag+ có trong dung dịch AgNO3 về Ag. 2AgNO3 2Ag + 2NO2 + O2  Tính chất vật lý của bạc Bảng 1.4: Tính chất vật lý cơ bản của bạc 10490 kg/m3 10.27 cm3 2600 m/s Tính chất khối Tỉ trọng Thể tích phân tử gam Vận tốc truyền âm thanh Tính chất nhiệt Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sôi 961.78 oC 2162 oC Mô đun Young Mô đun cắt Mô đun nén Hệ số Poissons 83 GPa 30 GPa 100 GPa 0.37 Tính chất đàn hồi Độ cứng Tính chất điện Tính chất quang Độ cứng theo thang Mineral Độ cứng theo thang Brinell 2.5 24.5 MN/m2 Độ cứng theo thang Vickers 251 MN/m2 Điện trở 1.6x10-8 Độ phản xạ m 97 % 1.2.1.2. Các tính chất của hạt nano bạc  Tính chất quang: Hạt nano kim loại, đặc biệt là các kim loại quý nhƣ vàng, bạc, đồng, platin có một hiệu ứng vô cùng đặc biệt khi tồn tại ở kích thƣớc nanomet, đó là “Cộng hƣởng Plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance _ SPR ), hiệu ứng này khiến cho chúng có những màu sắc khác nhau khi ánh sáng truyền qua.[21] Plasma là trạng thái thứ tƣ của vật chất, là trạng thái mà các hạt mang điện chuyển động hỗn loạn. Trong kim loại cũng có một loại plasma đó là plasma khí điện tử đƣợc sinh ra do các electron trong kim loại tách ra khỏi mối liên kết với nguyên tử chuyển thành các electron dẫn chuyển động tự do. Khi có sự kích thích của ánh sáng, những chuyển động tự do này của electron trên bề mặt kim loại sẽ tạo ra sóng truyền dọc theo bề mặt kim loại, tạo thành sóng điện tử bề mặt (surface electromagnetic waves) truyền đi theo phƣơng song song với kim loại hay với bề mặt chung của môi 10 trƣờng điện môi. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là “Plasmon bề mặt” của kim loại (surface plasmon_SPs). Hình 1.5: Plasmon bề mặt của kim loại. Và sự kích thích của plasmon bề mặt bởi ánh sáng gọi là “cộng hƣởng Plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance_SPR). Hiện tƣợng này có đƣợc khi tần số của ánh sáng tới cộng hƣởng với tần số dao động plasma của các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại. Có thể giải thích cho các hiện tƣợng trên nhƣ sau: Khi có ánh sáng, tức là có điện từ trƣờng tƣơng tác với bề mặt kim loại, dao động của vec-tơ điện trƣờng và vectơ từ trƣờng của ánh sáng làm cho điện tử tự do của kim loại dao động, các điện tử ở chỗ này bị nén lại, mật độ điện tử tăng lên; điện tử ở chỗ kia bị dãn ra, mật độ điện tử giảm xuống. Vậy là, ánh sáng tạo ra sóng mật độ điện tử lan truyền trong plasma điện tử ở kim loại. Thông thƣờng các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc. Nhƣng khi kích thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình thì hiện tƣợng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano có đƣợc do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động nhƣ vây, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lƣỡng cực điện. Hình 1.6: Dao động của đám mây electron khi bị chiếu sáng[14] 11 Các hạt nano bạc có hiệu ứng hấp thụ và tán xạ ánh sáng rất mạnh. Tác động mạnh mẽ của chúng với ánh sáng có đƣợc là do hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Keo vàng cũng có tính chất giống hạt nano bạc đó là hấp thụ mạnh ánh sáng vùng khả kiến và cũng xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt. Hình 1.7 chỉ ra quá trình dao động tập thể của các điện tử trên bề mặt hạt vàng, tƣơng đƣơng với một lƣỡng cực điện dao động. Hình 1.7 Quá trình dao động tập thể của các điện tử trên bề mặt hạt vàng. Mie đã đƣa ra tính toán cho các hiện tƣợng này cho các hạt hình cầu và chỉ ra đƣợc rằng bƣớc sóng cộng hƣởng và vị trí đỉnh cực đại phụ thuộc vào kích thƣớc của hạt nano.[31][36] Khi kích thƣớc hạt tăng thì đỉnh của phổ hấp thụ dịch chuyển về phía bƣớc sóng cộng hƣởng. Hình 1.8 cho thấy phổ của hạt nano Ag tƣơng ứng với các kích thƣớc khác nhau. Hình 1.8: Phổ tiêu hủy (extinction) của hạt nano Ag với các kích thước khác nhau. [35] Ngoài ra mật độ hạt nano bạc cũng ảnh hƣởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi nhƣ gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hƣởng của quá trình tƣơng tác giữa các hạt. 12 Hình 1.9: Trường phân bố quanh các hạt Ag (bán kính 9 nm). [21]  Tính chất từ [8] Ở trạng thái khối bạc có tính nghịch từ do sự bù trừ cặp điện tử. Khi thu nhỏ kích thƣớc đến kích thƣớc nano thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và hạt nano bạc có tính từ tính khá mạnh.  Tính chất điện [8] Bạc là một trong những kim loại dẫn điện tốt nhất. Khi kích thƣớc của hạt giảm dần về kích cỡ nanomet, hiệu ứng lƣợng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lƣợng. Hệ quả của quá trình lƣợng tử hóa này đối với hạt nano bạc là xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb Blockade) làm cho đƣờng I-U bị nhảy bậc, với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lƣợng e/2C đối với U và e/RC đối với I, trong đó e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở kháng nối hạt nano với điện cực.  Tính chất nhiệt [8] Nhiệt độ nóng chảy của bạc nguyên chất ở dạng khối là khá lớn. Khi kích thƣớc bạc giảm xuống cỡ nanometers thì nhiệt độ nóng chảy của bạc giảm xuống thấp hơn (xấp xỉ vài trăm độ C). 1.2.1.3. Đặc tính kháng khuẩn Trong dân gian, những phƣơng pháp phòng bệnh và chữa bệnh của bạc đã đƣợc biết đến và lƣu truyền từ rất lâu. Ngƣời cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lƣu trữ nƣớc, rƣợu dấm. Trong thế kỷ 20, ngƣời ta thƣờng đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tƣơi của sữa. Bạc và các hợp chất của bạc đƣợc sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng. Tuy nhiên, sau khi thuốc kháng sinh đƣợc phát minh và đƣa vào ứng dụng với hiệu quả cao ngƣời ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. 13 Nhƣng từ những năm gần đây, do hiện tƣợng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, ngƣời ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dƣới dạng hạt có kích thƣớc nano.  Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc [8],[4], [44] Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các ion + Ag . Ion này có khả năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên màng tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Hình 1.10: Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc Các nối -S-S- rất quan trọng trong việc tạo ra các protein vi khuẩn. Đây là cấu trúc của các enzyme trong vi khuẩn. Sau khi Ag+ tác động lên lớp màng tế bào vi khuẩn, nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin –SH của phân tử enzyme. Các enzyme này bị vô hiệu hóa dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn.[15],[25] SH | Men hoạt động + 2Ag+ | SH SAg+ | Men thụ động + 2H+ | SAg+ Hình 1.11: Sơ đồ ion bạc vô hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy của vi khuẩn Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng liên kết với các base của DNA và trung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA.[25]