Tài liệu Khóa luận nghiên cứu tổng hợp nano đồng oxit đồng từ dung dịch cuso4 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá cây húng quế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC ---o0o--- NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ĐỒNG/ OXIT ĐỒNG TỪ DUNG DỊCH CuSO4 BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ CÂY HÚNG QUẾ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC Sinh viên thực hiện : Võ Thị Duyên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Lê Tự Hải Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc KHOA HÓA HỌC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Võ Thị Duyên Lớp : 14CHP 1. Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano đồng- oxit đồng từ dung dịch CuSO4 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế 2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị a. Nguyên liệu: Lá cây húng quế b. Dụng cụ: Bình cầu 250 ml, bình tam giác 100 ml; cốc thủy tinh 100 ml; bình định mức 1000 ml; bình định mức 100ml; pipet 2 ml, 5 ml, 10ml; giấy lọc, đĩa petri và các loại dụng cụ thủy tinh khác. c. Các thiết bị: Bếp điện, bếp cách thủy cân phân tích, máy khuấy từ gia nhiệt, máy đo pH, máy đo UV-VIS, máy đo EDX, XRD, TEM, máy quay li tâm, tủ sấy, nồi hấp. 3. Nội dung nghiên cứu. - Xây dựng quy trình tổng hợp nano đồng- oxit đồng từ dung dịch CuSO4 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế. - Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của dung dịch keo nano đồng. 4. Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Lê Tự Hải 5. Ngày giao đề tài: 27/10/2017 6. Ngày hoàn thành đề tài: 20/4/2018 Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày….tháng….năm 2018 Kết quả điểm đánh giá Đà nẵng, ngày …. tháng…… năm 2018 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký và ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo nhà trường, quý Thầy Cô của Khoa Hóa Học trường Đại học Sư phạm- Đại học Đà Nẵng, PGS.TS Lê Tự Hải – người trực tiếp hướng dẫn để tôi hoàn thành Báo Cáo Khóa luận Tốt nghiệp và cùng toàn thể bạn bè, người thân của tôi đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện Khóa luận này. Trong quá trình thực hiện Khóa luận Tốt nghiệp, không thể không có sai sót, kính mong Thầy Cô, cùng toàn thể các bạn đọc và góp thêm ý kiến để tôi hoàn thành Khóa luận này tốt nhất và rút kinh nghiệm cho các công tác báo cáo sau. Tôi xin chân thành cảm ơn!!! Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực hiện Võ Thị Duyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của riêng tôi, với sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Tự Hải. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.Những nội dung khóa luận có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của khóa luận. Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực hiện khóa luận Võ Thị Duyên MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 1 4. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 2 6. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 3 1.1.Giới thiệu về công nghệ nano ............................................................................... 3 1.1.1.Nguồn gốc công nghệ nano ............................................................................ 3 1.1.2.Khái niệm công nghệ nano ............................................................................. 3 1.1.2.1.Khái niệm vật liệu nano............................................................................ 4 1.1.2.2.Phân loại vật liệu nano ............................................................................ 4 1.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano ............................................................. 5 1.1.4.Ý nghĩa khoa học của công nghệ nano ........................................................... 6 1.1.5. Chế tạo vật liệu nano ..................................................................................... 6 1.1.6.Ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống .............................................. 8 1.2.Nano đồng ............................................................................................................. 9 1.2.1.Giới thiệu sơ lược về đồng kim loại ................................................................ 9 1.2.3.Khả năng diệt khuẩn của nano đồng ............................................................ 10 1.2.3.1.Vi khuẩn .................................................................................................. 10 1.2.3.2.Đặc tính kháng khuẩn của nano đồng .................................................... 11 1.2.3.3.Cơ chế kháng khuẩn của nano đồng ...................................................... 11 1.2.4.Các phương pháp điều chế nano đồng ......................................................... 12 1.2.4.1. Phương pháp hóa ướt ............................................................................ 12 1.2.4.2. Phương pháp phân hủy nhiệt ................................................................ 13 1.2.4.3. Phương pháp vi nhũ .............................................................................. 13 1.2.4.4. Phương pháp có hỗ trợ nhiệt vi sóng .................................................... 13 1.3.Ứng dụng của nano đồng .................................................................................... 14 1.3.1. Ứng dụng của nano đồng trong nông nghiệp .............................................. 14 1.3.2. Ứng dụng của nano đồng trong y học ......................................................... 14 1.3.3. Ứng dụng của nano đồng trong công nghiệp .............................................. 14 1.4.Giới thiệu về cây húng quế ................................................................................. 14 1.4.1.Đặc điểm chung của cây húng quế ............................................................... 14 1.5. Khái quát về vi khuẩn ........................................................................................ 15 1.5.1 Vi khuẩn Salmonella ..................................................................................... 15 1.5.2. Vi khuẩn Escherichia coli ................................................................................... 17 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 19 2.1.Hóa chất và dụng cụ ............................................................................................ 19 2.1.1.Hóa chất ........................................................................................................ 19 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ....................................................................................... 19 2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 19 2.2.1. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết lá húng quế ....................... 19 2.2.2. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo nano đồng ........................... 19 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu hạt nano đồng..................................................... 20 2.2.3.1. Phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS) .............................................................. 20 2.2.3.2. Kính hiển vi điện tử truyền (TEM) ........................................................ 21 2.2.3.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .................................................... 23 2.2.3.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................................... 24 2.2.4.Ứng dụng diệt khuẩn của nano đồng trên vỏ tôm ........................................ 26 2.2.5. Phương pháp thăm dò khả năng kháng vi sinh vật ............................................ 26 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 28 3.1. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết lá húng quế .............................. 28 3.1.1. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng ................................................................................. 28 3.1.2. Khảo sát thời gian chiết ............................................................................... 29 3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo nano đồng ............................ 30 3.2.1. Khảo sát nhiệt độ tạo nano đồng ................................................................. 31 3.3. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ dịch chiết và môi trường pH đến quá trình tạo nano đồng ở những nồng độ khác nhau của dung dịch CuSO4 ......................................... 32 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ dịch chiết lá húng quế đến quá trình tạo nano đồng ở những nồng độ khác nhau ......................................................................... 32 3.3.1.1.Đối với dung dịch CuSO4 100ppm ......................................................... 32 3.3.1.2.Đối với dung dịch CuSO4 200ppm ......................................................... 33 3.3.1.3. Đối với dung dịch CuSO4 500ppm ........................................................ 35 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng môi trường pH đến quá trình tạo nano đồng ở những nồng độ khác nhau ................................................................................................. 36 3.3.2.1.Đối với dung dịch CuSO4 100ppm ......................................................... 36 3.3.2.2. Đối với dung dịch CuSO4 200ppm ........................................................ 37 3.3.2.3.Đối với dung dịch CuSO4 500ppm ......................................................... 39 3.4. Kết quả khảo sát đặc tính của hạt nano đồng ..................................................... 40 3.5.Thử khả năng kháng khuẩn của nano đồng trên vỏ tôm ..................................... 42 3.6 Kết quả thăm dò hoạt tính kháng khuẩn vi sinh vật của dung dịch keo nano đồng ................................................................................................................................... 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 46 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 46 KIẾN NGHỊ .................................................................................................................. 46 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 47 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TCN Trước công nguyên BVTV Bảo vệ thực vật EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X TEM Kính hiển vi điện tử truyền UV-VIS Quang phổ hấp thụ phân tử XRD Phổ nhiễu xạ tia X DANH MỤC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 1.1. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu 5 3.1. Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ rắn /lỏng 28 3.2. Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo thời gian chiết 30 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo nhiệt độ tạo nano đồng Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch chiết tại dung dịch CuSO4 100ppm Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch chiết tại dung dịch CuSO4200ppm Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch chiết tại dung dịch CuSO4 500ppm Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo pH tại dung dịch CuSO4 100ppm Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo pH tại dung 31 33 34 35 37 38 dịch CuSO4 200ppm 3.9. 3.10 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo pH tại dung dịch CuSO4 500ppm Kết quả thử hoạt tính kháng vi khuẩn đối với dung dịch keo nano đồng 40 44 DANH MỤC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Hình ảnh chụp các hạt nano đồng tương tác lên tế bào vi 1.1. khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và 12 tiêu diệt chúng 1.2. Cây húng quế 14 1.3. Vi khuẩn Salmonella 15 1.4. Vi khuẩn Escherichia coli 17 2.1. Sơ đồ máy UV-VIS 20 2.2. Máy UV-VIS LAMBDA 25 của hãng PerkinElmer 21 2.3. Kính hiển vi điện tử truyền 22 2.4. Cấu tạo của súng phóng điện tử. 22 2.5. Thiết bị sử dụng kĩ thuật EDX tạiViện dịch tể Trung Ương 24 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất 2.6. rắn, tính tuần hoàn dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai 24 trò như một cách tử nhiễu xạ 2.7. Máy nhiễu xạ tia XRD8 Advance–Bruker 25 2.8. Ảnh XRD của mẫu nano đồng 25 3.1. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến quá trình 28 tạo nano đồng 3.2. 3.3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian chiết đến quá trình tạo nano đồng Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo nano đồng 30 31 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết đến quá trình tạo nano đồng tại dung dịch CuSO4 100ppm Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết đến quá trình tạo nano đồngtại dung dịch CuSO4200ppm Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết đến quá trình tạo nano đồng tại dung dịch CuSO4 500ppm Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo nano đồng tại dung dịch CuSO4 100ppm Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo nano đồng tại dung dịch CuSO4 200ppm Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo nano đồng tại dung dịch CuSO4 500ppm 33 34 35 37 38 39 3.10. Ảnh TEM của mẫu nano đồng tổng hợp 41 3.11. Phổ EDX của mẫu nano đồng tổng hợp 41 3.12. Phổ XRD của mẫu nano đồng tổng hợp 42 3.13. Ảnh mẫu vỏ tôm sau 1 ngày lưu mẫu 43 3.14. Kháng sinh Salmonella 44 3.15. Kháng sinh Escherichia coli 44 3.16. Dịch chiết lá húng quế không thể hiện hoạt tính kháng sinh 44 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay ngành khoa học công nghệ đang trên đà phát triển không chỉ ở trên Thế giới nói chung mà còn cả Việt Nam nói riêng. Trong đó, Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật.Đồng thời công nghệ nano đang là ngành công nghiệp mũi nhọn, đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của ngành khoa học. Việc phát triển ngành khoa học này đang là bước tiến khởi đầu mang lại nhiều ứng dụng hữu ích cho các ngành như y học, điện tử, năng lượng. Trong công nghệ nano thì hạt nano là một vật liệu quan trọng. Một trong những hạt nano được sử dụng sớm và rộng rãi nhất là nano bạc, ngoài ra vật liệu nano còn được biết đến với nhiều loại nano như nano vàng, nano đồng. Nano đồng có nhiều tính chất vượt trội trong việc ứng dụng công nghiệp điện, điện tử, xúc tác,... Với tình hình thực tế trên, nghiên cứu chiết tách, ứng dụng các phương pháp hiện đại để xác định tìm hiểu hạt nano đồng và ứng dụng của nó có nhiều triển vọng, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiêncứu tổng hợp nano đồng- oxit đồng từ dung dịch CuSO4 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu -Xây dựng quy trình điều chế hạt nano đồng từ dịch chiết lá húng quế. -Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của nano đồng. -Đóng góp thêm những thông tin, tư liệu khoa học về lá húng quế và phương pháp điều chế nano đồng từ dịch chiết lá húng quế tạo sơ sở khoa học cho các nghiên cứu sâu hơn về điều chế và ứng dụng của nano đồng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Lá húng quế thu mua trên địa bàn tại thành phố Đà Nẵng. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: -Thu thập, tổng hợp tài liệu, tư liệu về nguồn nguyên liệu, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng của lá húng quế. 2 -Tìm hiểu thông tin tư liệu về nano đồng, công nghệ nano đồng và các vấn đề liên quan đến đề tài. -Xử lý thông tin tư liệu, đề ra các bước, xây dựng quy trình thực hiện trong quátrình thực nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm: -Phương pháp chiết tách: phương pháp chưng ninh với dung môi là nước. -Các phương pháp phân tích công cụ: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử UV-VIS. -Dùng phương pháp đo TEM, EDX, XRD để nghiên cứu hạt nano đồng. -Phương pháp cảm quan thăm dò hoạt tính kháng khuẩn của dịch chiết trên vỏ tôm. - Phương pháp đục lỗ để khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch keo nano đồng 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: -Những kết quả nghiên cứu sẽ góp phần cung cấ p các thông tin có ý nghiã khoa ho ̣c về quy trình điều chế nano đồng từ nguyên liệu thiên nhiên. -Khảo sát, ứng dụng thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của nano đồng được điều chế từ dịch chiết lá húng quế. Ý nghĩa thực tiễn: -Tận dụng nguồn nguyên liệu dễ kiếm, gần gũi để tổng hợp nano đồng bằng phương pháp thân thiện, không độc hại. -Đem lại ứng dụng từ tính kháng khuẩn của dịch chiết lá trên vỏ tôm. 6. Cấu trúc của luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Những nghiên cứu thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Giới thiệu về công nghệ nano 1.1.1.Nguồn gốc công nghệ nano Công nghệ nano được biết đến lần đầu tiên với sự hiểu biết của kỹ thuật thu nhỏ qua câu chuyện được kể bởi Tiến sĩ Richard Feynman (1918-1988) từng đoạt giải Nobel Vật lý năm 1965. Mục đích bài nói chuyện của Feynman không phải chỉ dừng lại ở kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization) mà còn phác họa khả năng hình thành một nền công nghệ mới trong đó con người có thể di chuyển, chồng chất các loại nguyên tử, phân tử để thiết kế một dung cụ cực kỳ nhỏ ở thang vi mô (microscopic) hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trúc phân tử của nó. Phương pháp đó ở thế kỷ 21 được gọi là “ công nghệ nano” với cách thiết kế từng nguyên tử một “ từ dưới lên” (bottom-up-method). Đến 15 năm sau đó, giáo sư Norio Tanuguchi mới đưa ra định nghĩa rõ ràng hơn về công nghệ nano. Ông định nghĩa như sau: “Công nghệ nano chủ yếu bao gồm việc xử lý, tách, hợp nhất và làm biến dạng vật liệu chỉ bằng một nguyên tử hoặc một phân tử”[1]. Nhờ những phát hiện và phát biểu to lớn ấy, các nhà khoa học đã ứng dụng nghiên cứu và đưa ra nhiều phát kiến như phát minh thiết bị kính hiển vi quét đường hầm có thể “nhìn” nguyên tử, việc tạo ống than nano với cấu trúc nano và chấm lượng tử silicon là những cấu trúc nano được phát minh cơ sở cho công nghệ nano để phát triển hơn nữa, phục vụ ứng dụng cho cuộc sống.[6] 1.1.2.Khái niệm công nghệ nano Công nghệ nano (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet(nm,1nm=10-9). Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: cơ sở khoa học nano, phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet, chế tạo vật liệu nano, ứng dụng vật liệu nano.[2] 4 1.1.2.1.Khái niệm vật liệu nano Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,.. có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nanomet đến 100 nanomet. Vật liệu nano là đối tượng nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ nano, có liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào cỡ nanomet, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thường.[3] Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu. Kích thước vật liệu nano nằm khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu. 1.1.2.2.Phân loại vật liệu nano Phân loại theo trạng thái vật liệu, người ta chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng, khí. Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đến chất lỏng, khí. Về hình dáng vật liệu người ta phân thành loại sau: Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều, ví dụ: dây nano, ống nano,… Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng,.. Vật liệu nano không chiều: là vật liệu trong đó cả ba chiều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano,… Ngoài ra có vật liệu có cấu trúc nano hay nano composite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau ví dụ: sợi nano, ống nano, hạt nano,.. Ngoài những cách phân loại trên, người ta còn có thể phân loại dựa trên tính chất của vật liệu nano bao gồm[7]: -Vật liệu nano kim loại. -Vật liệu nano bán dẫn. -Vật liệu nano sinh học. -Vật liệu nano từ tính. 5 1.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano: -Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.[7] -Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm(nanomet), các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.[7] -Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại mà thường có giá trị từ vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.[7] Các tính chất khác nhau như tính chất điện, tính chất vật lý, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano. Bảng 1.1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Tính chất điện Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung 1-100 6 bình không đàn hồi Tính chất từ Tính chất quang Tính siêu dẫn Tính chất cơ Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Quãng đường ngầm 1-100 Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Copper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt 1-100 vỡ Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Nhận biết phân tử 1-10 Miễn dịch 1.1.4.Ýnghĩa khoa học của công nghệ nano Khoa học và công nghệ nano là lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, hiện đại và liên ngành. Khoa học và công nghệ nano hình thành trong quá trình tích lũy nhiều thành tựu khoa học công nghệ như kĩ thuật đầu dò quét nano mà điển hình là hiển vi lực nguyên tủ (AFM), hiển vi quét xuyên hầm (STM), hiển vi quang học trường gần (NOM), các kĩ thuật điện tử,… Tóm lại, Khoa học và công nghệ nano đem lại nhiều ứng dụng cho ngành công nghiệp nghiên cứu.[1] 1.1.5. Chế tạo vật liệu nano Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống 7 (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn, phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử. 1.1.5.1.Phương 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 thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được 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 thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà không làm phá hủy vật liệu, nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy theo từng trường hợp cụ thể, nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo các cấu trúc nano.[7] 1.1.5.2.Phương pháp từ dưới lên Nguyên lý: Vật liệu nano được hình thành từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Hiện nay, đa phần các vật liệu nano đều được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên bao gồm: phương pháp vật lí, phương pháp hóa học, phương pháp kết hợp, phương pháp vi sinh và phương pháp vi nhũ. a) Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt ( đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình- tinh thể (kết tinh)(phương 8 pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.[7] b) Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,…) và từ pha khí (nhiệt phân,…). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,…[7] c) Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,… Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano,bột nano,…[7] d) Phương pháp sinh học: là phương pháp sử dụng các vi sinh vật như nấm, vi khuẩn, vi rút có khả năng khử để khử ion về dạng kim loại. Dưới tác dụng của những tác nhân này, ion sẽ chuyển thành hạt nano.[7] 1.1.6.Ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống Trong ngành công nghiệp điện tử hiện nay, những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên trị thường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn. Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công nghệ năng lượng như việc chế tạo pin nano trong tương lai có thể có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều lần và lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Bên cạnh đó, công nghệ nano còn ứng dụng trong may mặc với ý tưởng quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi nhờ áp dụng nano bạc. Một ứng dụng khác của công nghệ nano là tận dụng các nguồn năng lượng như gió, năng lượng mặt trời và công nghệ nano có thể biến chiếc áo trở nên sạc điện cho chiếc điện thoại thông minh, đây thực sự là ý tưởng đang trong quá trình thử nghiệm này chắc hẳn sẽ là bước đánh dấu bước phát triển to lớn của công nghệ nano.Công nghệ nano còn giúp lưu trữ, bảo quản thức ăn tốt hơn nhờ việc tạo các vật liệu thực phẩm có khả năng diệt khuẩn. Những ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano hiện nay cho thấy việc phát