intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Cấu trúc nano - Polyme chức năng và vật liệu lai: Phần 2

Chia sẻ: Hoa La Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:300

191
lượt xem
86
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 Tài liệu Polyme chức năng và vật liệu lai cấu trúc nano tiếp tục giới thiệu đến bạn đọc nội dung tương ứng với phần II và phần III trong Tài liệu. Nội dung phần II gồm 5 chương, về các vấn đề như: Vật liệu lai hỗn tính cấu trúc nano, vật liệu lai gốm và kim loại khối, nano bạc và vật liệu lai, titan ioxit cấu trúc nano và vật liệu lai. Phần III giới thiệu về vật liệu chức năng thông minh (intelligent functional material), cụ thể: Polyme thông minh mô phỏng sinh học, vật liệu năng lượng nano (nano energy materials),... và các nội dung khác.Tài liệu là Tài liệu tham khảo cho bạn đọc là sinh viên trong lĩnh vực hóa học và công nghệ polyme và bạn đọc khác có quan tâm.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Cấu trúc nano - Polyme chức năng và vật liệu lai: Phần 2

  1. Ph n II V T LI U LAI C U TRÚC NANO (Nanostructured Hybrid Materials)
  2. 267 Ch ng 1 V T LI U LAI H N TÍNH C U TRÚC NANO Ng'ng tô dung C¸c h¹t ®ång nhÊt So Gel Aerogel Gel ho¸ Bay h¬i Sîi M ng Xerogel Bay h¬i dung m«i NhiÖt Xerogel M ng máng mËt ®é cao Gèm mËt ®é cao Hình 201: S công o n Sol - Gel. 1. V t li u lai h!n tính h#u c -vô c V�t li�u lai h�n tính h�u c� - vô c� g�i là th� h�n tính h�u c� - vô c� và ��ng th�i b�ng cách k�t h�p thành ph�n h�u c� (phân t� h�u c�, oligome ho�c lư�ng phân t� th�p c�a ch�t cao phân t�) v�i các thành ph�n vô c� có th� thu �ư�c �� c�ng, tính �n ��nh và tính trong su�t c�a ch�t vô c�, các ��c tính công �o�n nhi�t �� th�p, tính d�o và tính �àn h�i c�a ch�t cao phân t� h�u c�. Nói chung có th� ��nh ngh�a là v�t li�u mà thành ph�n h�u c� có ch�a trong thành ph�n vô c� t�o nên c�u trúc 3 chi�u do tư�ng phân ly � quy mô nanomet hay supermicro. Thành ph�n h�u c� �ư�c �ưa vào không
  3. Nguy n c Ngh a 268 ch� làm thay ��i �áng k� tính ch�t c� khí c�a v�t li�u vô c� mà còn có th� d� dàng làm thành d�ng màng m�ng hay s�i. Ngoài ra, phân ly tư�ng � quy mô nano tr� nên có kh� n�ng và c�ng có th� �i�u ch�nh �ư�c t� l� l� khí �� có v�t li�u không màu, trong su�t, ��ng nh�t m�t cách tùy ý, m� ra kh� n�ng ch� t�o v�t ch�t có tính ch�t quang �i�n m�i. ��c bi�t, ORMCER (ORganically Modified CERamic: silicate bi�n tính h�u c�) ho�c CERAMER (CERAmic polymer: polyme g�m) là silicate bi�n tính b�ng h�p ch�t h�u c� gi�i quy�t �ư�c như�c �i�m c�a màng silicate, có th� t�o thành màng dày � nhi�t �� th�p (~120°C) như � hình 203 mà không t�o thành v�t nên �ang �ư�c �ng d�ng r�ng rãi. V�t li�u lai h�n tính tùy theo m�c �� k�t h�p gi�a hai thành ph�n có th� phân thành hai v�i các phư�ng pháp ch� t�o như sau. Alcogel Alcogel Careful slow drying / Several days to months Solvent exchange to MMA/ Drying step skipped Xerogel monolith Alcogel “Organogel” MMA infiltrated Polymerization xerogel monolith Polymerization Composite Composite Hình 202: Công ngh! ch" t o v%t li!u lai nano lai MMA/ silic.
  4. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 269 1.1. V t li u lai h n tính s d ng l c liên k t v t lý V�t li�u lo�i này �ư�c ch� t�o s� d�ng phân ly tư�ng c�a thành ph�n h�u c� - vô c� nh� l�c hút v�t lý l�n nhau như liên k�t hydro hay l�c hút Van-der-Waals và tu� theo hình thái có th� chia thành v�t li�u lai h�n tính có c�u t�o không quy t�c và có quy t�c. V�t li�u lai h�n tính có c�u t�o không quy t�c có th� ch� t�o b�ng phư�ng pháp sau �ây: • Phư�ng pháp thu� phân alcoxide trong ch�t cao phân t� h�u c� và trùng ngưng. • Phư�ng pháp h�n h�p alcoxide và h�p ch�t h�u c� trong dung môi. • Phư�ng pháp k�t t�a gel h�p ch�t oxit x�p trong m�ch h�p ch�t h�u c�. O Si O H H O O H Si O Si Si O O O O H Si H O C C C C C N C N O O O O Si O H Si O H O O H H O O H Si O Si O Si O Si O Si O O Si O O O O O O H Si O H Si O H H Hình 203: V%t li!u lai h,n tính cao phân t4 h5u c / vô c (Polyvinylpirolidol) – Silicate.
  5. Nguy n c Ngh a 270 Phư�ng pháp th� nh�t là t�o ra m�t th� h�n tính g�m có cao phân t� h�u c� bên trong matrix vô c� nh� l�c hút gi�a g�c hydroxyl c�a sol-gel vô c� và các nhóm amid ho�c cacbonyl t�n t�i bên trong cao phân t�, và ngư�c l�i c�ng có kh� n�ng t�o �ư�c th� lai h�n tính các h�t vô c� bên trong gel cao phân t� h�u c� (hình 203). Phư�ng pháp th� hai như � hình 205 t�o ra v�t li�u lai h�n tính có c�u t�o m�ng không gian 3 chi�u �an chéo l�n nhau b�ng cách gel hoá ��ng th�i h�p ch�t h�u c� và h�p ch�t vô c�. Phư�ng pháp này nói chung trong trư�ng h�p trùng h�p x�y ra trong dung môi chung là nư�c và alcohol, vì tư�ng h�u c� k�t t�a t�t nên c�n ph�i l�a ch�n ch�t ��n v� h�u c� phù h�p và bi�n ��ónilicon alcoxid b�ng ch�t ��n v� h�u c� �ã l�a ch�n. Thí d�, nh� ��ng trùng ngưng gi�a TEOS và PDMS (polydimethylsiloxan) có silanol g�n � cu�i chu�i, có th� t�o �ư�c c�u trúc gel có c�u t�o �ông t� l�n c�a polypyrol (PPy), PANi (polyanilin) hay c�a c�p phân t� có tính d�n �i�n như poly(phenylenvinylen)… M¹ng Silicagel M¹ng gel h÷u c¬ Hình 204: Silicat ông t< l=n polyme (V%t li!u lai h,n tính có c.u trúc m ng c@a gel h5u c ). Phư�ng pháp th� ba là phư�ng pháp t�o gel b�ng cách trong trư�ng h�p không có dung môi chung, ��u tiên t�o ra gel vô c� có các l� x�p ��ng ��u, sau khi làm k�t t�a l�n b�ng ch�t h�u c� có th� ch� t�o �ư�c v�t li�u h�n tính PMMA – Silicate, c�ng có th� ch� t�o �ư�c v�t li�u lai h�n tính MMA-silicat- phenylen tiêu bi�u như ORMOCER ho�c CERAMER. M�t khác, khi s� d�ng v�t li�u vô c� có c�u t�o tr�t t� (��t sét, oxit kim lo�i d�ng l�p, các halogenua, ho�c calcocanide) �ưa h�p ch�t h�u c� vào ken trong các l�p, có th� ch� t�o �ư�c các v�t li�u
  6. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 271 lai h�n tính có c�u t�o tr�t t�. Thí d� như � hình 205 khi h�p ch�t h�u c� �ư�c �ưa vào ken gi�a các l�p c�a oxit vanadi (V2O5) tùy theo �� dài c�a h�p ch�t h�u c� có th� �i�u ch�nh hư�ng song song ho�c vuông góc v�i các l�p. CnH2n+1NH3 + n lín N+ n trung gian N+ n nhá V2O5. nH2O N+ V2O5. nH2O POE Hình 205: S Ba ch.t h5u c vào ken gi5a các lFp oxit vanadi. M�t nghiên c�u khác cho th�y, do vanadi có ái l�c oxy hóa-kh� có th� th�c hi�n trùng h�p oxy hoá h�p ch�t h�u c�, nên khi s� d�ng conducting polyme thì �� d�n �i�n c�a v�t li�u lai t�ng lên h�n 10.000 l�n và ngư�i ta hy v�ng r�ng conducting polyme �ư�c �ưa vào không ch� là dây d�n phân t� mà còn có th� s� d�ng làm ch�t âm c�c c�a pin th� c�p. 1.2 V t li u lai h n tính s d ng l c liên k t hoá h c �� có �ư�c liên k�t hoá h�c m�nh gi�a các thành ph�n h�u c� - vô c�, có th� g�n g�c ho�t tính vào ch�t ��n phân h�u c� l�n hay nhóm c� kim, ho�c s� d�ng ch�t ��n phân h�u c� - vô c� có g�c ho�t tính �� t�o v�t li�u lai h�n tính có c�u trúc m�ng. Thí d�, các polyimide nói chung do phân ly tư�ng gi�a các thành ph�n h�u c�-vô c� � m�c micro d� x�y ra. Nên �� có �ư�c lý tính c� h�c mong mu�n vi�c kh�ng ch� di�n tích ti�p xúc gi�a hai tư�ng r�t quan tr�ng. Thí d�, b�ng cách ph�n �ng t� trư�c Ti(OEt)4 hay Si(OEt)4 � v� trí carboxyl c�a polyacitamit khi phân ly tư�ng có th� kh�ng ch� �� l�n c�a h�t Silicate � m�c nanomet. N�u ph�n �ng ��n phân l�n polyimide �a ch�c n�ng hóa b�ng g�c ethoxycillin v�i TEOS trong dung d�ch như � hình 206, có th� t�o �ư�c ch�t lai h�n tính có t�i kho�ng 70% silicate.
  7. Nguy n c Ngh a 272 O O O O NH NH NH HO OH HO OH O O O O CO 20 80 NH OC Si OC2H5 OC2H5 Hình 206: n phân h5u c lFp ghép gJc ch c nKng BLc s4 d
  8. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 273 2. H)t nano mao qu-n 2.1. H!t nano mao qu$n là gì ? 2.1.1. ��nh ngh�a h�t nano mao qu�n Ngư�i ta g�i v�t ch�t x�p có nhi�u l� v�i �� l�n c� nanomet là v�t ch�t nano mao qu�n. Trong m�y n�m qua, do kh� n�ng ti�p nh�n (host) và tính h�p ph� cao c�a các h�t nano mao qu�n, nó �ư�c �ng d�ng �� ch� t�o các ch�t xúc tác có tính ch�n l�c, hình thái c�u trúc c�a cao phân t� h�u c�, v�t li�u nanocomposit h�u c� / vô c�. Cho nên �ã có nhi�u nghiên c�u v� h�t nano mao qu�n �ã �ư�c ti�n hành. Theo ��nh ngh�a c�a Hi�p h�i Hóa h�c Qu�c t� (IUPAC) thì tùy theo �ư�ng kính c�a l� mao qu�n (d) �ư�c phân lo�i thành micro x�p v�i �ư�ng kính dư�i 2 nm, meso x�p v�i 2 - 50 nm và macro x�p v�i �ư�ng kính trên 50nm, nh�ng v�t li�u nano x�p v�i �ư�ng kính l� x�p trong kho�ng 1 nm ��n 100 nm thì bao g�m t�t c� micro x�p, meso x�p trong �ó thì v�t li�u meso x�p là v�t li�u �i�n hình. Phân lo�i theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry): CO h t BPng kính (d) Micro xJp < 2 nm Meso xJp 2nm < d < 50 nm Macro xJp d > 50 nm Nano xJp 1 nm < d < 100 nm 2.1.2. Zeolite Cho ��n nay v�t li�u micro x�p �i�n hình nh�t �ư�c dùng nhi�u và bi�t ��n r�ng rãi nh�t là zeolite. Zeolite �ư�c s� d�ng thành công làm xúc tác tinh ch� d�u, trong hoá d�u và t�ng h�p h�u c�. Zeolite là t� k�t h�p g�c t� Hy L�p “Zein” và “Lithos” có ngh�a là “�á sôi” do n�u gia nhi�t b�ng bình c� cong cho sôi nó s� n� ra và to lên cho nên mang tên �ó. N�m 1756 nhà khoáng v�t h�c Th�y �i�n là F A F Cronstedt �ã phát hi�n ra ��u tiên và g�i g�p như v�y t�t c� các khoáng
  9. Nguy n c Ngh a 274 ch�t t�o b�i ch�t ng�m nư�c alumiliumsilicat c�a kim lo�i ki�m và ki�m th�. Trong s� nh�ng hóa th�ch núi l�a tính ki�m như �á bazan… khi l�y ra s� có kho�ng 40 lo�i. � zeolite tinh th� thì liên k�t gi�a các nguyên t� l�ng l�o nhưng � nhi�t �� cao thì các phân t� nư�c ch�a bên trong tuy thoát ra ngoài nhưng khung xư�ng v�n t�n t�i và th� hi�n ��c tính h�p th� các v�t ch�t vi h�t khác. Zeolite nh� có tính ch�t �ó mà �ư�c dùng làm ch�t xúc tác hay h�p ph� và ��c bi�t, chính nó �ư�c dùng làm sàng phân t� là lo�i v�t li�u micro x�p v�i kích thư�c l� x�p 0,3 ~ 0,8 �� tách các ch�t vi h�t có �� l�n khác nhau � quy mô phân t�. Tuy các khoáng ch�t t� nhiên c�ng �ư�c s� d�ng nhi�u nhưng v� phư�ng di�n �ng d�ng do có nhi�u ưu vi�t cho nên trên 150 lo�i zeolite t�ng h�p �ã �ư�c phát tri�n và �ang �ư�c s� d�ng và �ư�c g�i là zeolite A, zeolite X, zeolite Y, zeolite L, ZSM-5… tu� vào t� l� c�u thành c�a nhôm silicate nhóm I và thành ph�n kim lo�i c�a nhóm IIA c�a b�ng tu�n hoàn. Ví d�, sàng ph�n t� silica mang có c�u trúc tư�ng t� v�i zeolite t� nhiên và còn g�i là silicalite, nó mang m�t c�u t�o khung gi�ng như hình 9 bao g�m các l� khí � m�c 0,52 ~ 0,57nm � th� t� di�n g�m 96 oxit silic. Hình 208: C.u t o khung xB ng sàng phân t4 silica. Zeolite là v�t li�u micro x�p d�ng k�t tinh khác v�i v�t li�u meso x�p, cho nên b� m�t thì r�ng và n�ng l�c h�p ph� l�n, có th� �i�u ch�nh �ư�c tính h�p ph� và tính ưa nư�c, �i�m khác là có th� �ưa g�c ho�t tính vào trong c�u trúc cho nên �ư�c s� d�ng r�ng rãi làm xúc tác, hay sàng phân t�, ch�t h�p ph�…Tuy nhiên � trư�ng h�p
  10. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 275 c�a zeolite, �� l�n c�a l� x�p quá nh� và vi�c làm cho �ư�ng kính l� l�n h�n khó, cho nên ngư�i ta t�ng h�p ra các zeolite m�i có l� x�p l�n h�n có c�u t�o tư�ng t�. Nhi�u lo�i hình zeolite �ã �ư�c tìm ra và trong b�ng 13 �ã s�p x�p các ch�ng lo�i d�ng zeolite ch� y�u theo n�m tháng tìm ra nó. � �ây thay cho nư�c ngư�i ta �ã s� d�ng nhi�u d�ng h�p ch�t �� t�o hình (templating). BUng 13: Zeolite và zeotype iXn hình mà kích thBFc l, lFn T o thành NKm tìm ra V%t li!u PhB ng pháp tYng hLp khung vô c 1950 Caco Zeolite Khoáng ch.t t] nhiên Al, Fe, P, Si 1982 AlPO4 n- Dipropylamin Al, P Tetra Bultylamonium 1988 VPI - 5 Al, P n- Dipropylamin 1991 Clobelite Quininclidinium template Ga, P 1992 JDF - 20 Triethylamin template Al, P 1996 UTD - 1 Ph c ch.t Coban Si, Al V�t li�u s� d�ng ch�t t�o hình s� b� cháy khi th�c hi�n phân gi�i nhi�t � nhi�t �� cao �� l�i l� khí và ch�t vô c� làm khung mang nhi�u thành ph�n. Song nhi�u lo�i zeolite trong b�ng 13 còn có nhi�u v�n �� ph�i nghiên c�u gi�i quy�t nên vi�c phát tri�n h�t nano x�p hình thái m�i là c�n thi�t. L�y ví d�: trư�ng h�p Caco Xenit là m�t lo�i zeolite t� nhiên có tính �n ��nh nhi�t th�p và Crobelite là m�t zeolite t�ng h�p thì hình thái không quy t�c và ngay c� UTD-1 là m�t zeolite m�i, nhưng khi áp d�ng trên th�c t� c�ng d� b� phá hu�. ��c bi�t, �� l�n c�a l� khí quá nh� là �i�m y�u nh�t c�a zeolite �ã thúc ��y nhi�u nhà khoa h�c nghiên c�u nh�m ch� t�o h�t nano x�p có l� x�p to và có c�u t�o gi�ng như zeolite. 2.1.3. Hình thành c�u t�o nano mao qu�n theo mô hình hóa có �i�u khi�n T�o hình hoá (templating) n�u tra t� �i�n thì có ngh�a là công c� t�o hình hay là ch�t t�o khuôn m�u. � �ây thu�t ng� t�o hình hoá �ư�c s� d�ng v�i ý ngh�a làm ra hình dáng hay khuôn m�u �� có �ư�c m�t c�u t�o mong mu�n nào �ó. V� phư�ng pháp t�o hình hoá hay gi�i thích c�u t�o thì chúng tôi s� gi�i thích c� th� trong toàn b� cu�n sách này, nhưng � �ây có th� nói �ó là dùng k� thu�t t�o hình hoá trư�c tiên t�o các l� có kích thư�c r�t nh� c� nanomet trong b�t
  11. Nguy n c Ngh a 276 s�n ph�m và g�i b�t �ư�c t�o ra như v�y mang l� x�p có c�u t�o r�t tr�t t� �ó là có c�u trúc nano x�p. Hi�n t�i trong các ngành công nghi�p hàng không v� tr�, công nghi�p ô tô, công nghi�p �i�n t� tin h�c… các v�t li�u cao phân t�, kim lo�i hay v�t li�u vô c� �ang �ư�c s� d�ng là chính và khi có yêu c�u tính n�ng cao thì v�t li�u composit k�t h�p tư�ng h� nh�ng �i�m m�nh c�a chúng �ang �ư�c �ng d�ng t�ng ph�n. Tuy v�y �� tr� thành v�t li�u m�i, �áp �ng kh� n�ng có tính ��c trưng hay s�n ph�m có hình d�ng ph�c t�p, thì nh�ng v�t li�u �ó n�u không nanomet hoá �� dài ��c trưng c�a v�t li�u composit là không th� nh�n �ư�c. ��c bi�t, �� �ng d�ng vào công ngh� hoá tinh vi, công ngh� sinh h�c và công ngh� �i�n t� tin h�c thì �� l�n c�a b�n thân v�t li�u ph�i nh� c� phân t� n�u không cái g�i là linh ki�n phân t� và ngành công nghi�p linh ki�n, �i�n t� h�c phân t� r�t lâu m�i có th� tr� thành hi�n th�c. L�y ví d�, trong nhi�u công ngh� nano thì v�t li�u lai h�n tính h�u - vô c� �ư�c ch� t�o theo phư�ng pháp sol- gel, n�u �i�u ch�nh �ư�c �� l�n c�a b�t vô c� là tư�ng phân tán xu�ng dư�i m�c nanomet thì nó tr� nên trong su�t v� m�t quang h�c, vì v�y có kh� n�ng áp d�ng làm nhi�u lo�i v�t li�u quang h�c và ph�m vi �ng d�ng này r�t r�ng. Tuy th�, ch� ��n thu�n d�a vào phư�ng pháp sol-gel… như k� thu�t hi�n nay thì s� có v�n �� không th� �ng d�ng r�ng rãi �ư�c � nh�ng n�i có yêu c�u tính n�ng ��c bi�t. G�n �ây ngư�i ta x�p hoá c�u trúc bên trong c�a b�t vô c� song nh� �i�u ch�nh kích thư�c c�a nó � m�c nanomet �ã có th� ch� t�o �ư�c b�t vô c� có c�u t�o l� x�p kích thư�c nanomet �ư�c �i�u ch�nh. Các ngành công ngh� hoá h�c tinh vi s� d�ng v�t li�u này và các ngành công nghi�p tin h�c �i�n t�, ngành công nghi�p hàng không v� tr�… s� d�ng các v�t li�u này như công ngh� sinh h�c, công ngh�p sensor �ư�c d� �oán có th� s� có s� phát tri�n công ngh� có tính cách m�ng. �� t�o ra v�t li�u composit có c�u trúc nano �ư�c �i�u ch�nh như v�y, ngư�i ph�i s� d�ng ch�t t�o khuôn, là ch�t ho�t tính b� m�t t�o ra c�u t�o nano và b�ng cách phân hu� nhi�t � nhi�t �� cao. �� hình thành c�u t�o nano �a d�ng và có quy t�c nh�m làm ra �ư�c v�t li�u có ch�c n�ng mong mu�n b�t k� thì �� t�i ưu hoá �i�u ki�n t�o hình, c�n có k� thu�t phân tích tác d�ng tư�ng h� ch�t ho�t ��ng b� m�t v�i ch�t ��ng trùng h�p kh�i và ch�t vô c� �ã �ư�c �i�u ch�nh ��c tính b� m�t...
  12. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 277 Trong l�nh v�c phát tri�n v�t li�u m�i ch�c n�ng tiên ti�n thì công ngh� nano �óng vai trò c�c k� quan tr�ng. Trong �ó công ngh� ch� t�o h�t nano có �i�u khi�n th�c hi�n b�ng k� thu�t mô hình hóa và k� thu�t ��ng trùng h�p kh�i có �i�u khi�n chính là công ngh� ch� ch�t cho s� phát tri�n công ngh� nano. Tuy có r�t nhi�u lo�i là k� thu�t ch� ch�t tư�ng �ng trong ch� t�o v�t li�u nanocomposit tính n�ng cao nhưng nói chung có th� xem có các k� thu�t c� b�n chính như: k� thu�t ch� t�o v�t li�u lai h�u - vô c� m�c �� phân t�, k� thu�t t�ng h�p các h�t lai h�u – vô c�, k� thu�t ch� t�o ch�t vô c� nano x�p dùng t�o hình và k� thu�t �ánh giá ��c tính c�a v�t li�u nanocomposit �ư�c ch� t�o nh� phư�ng pháp �ó…Trong �ó k� thu�t t�ng h�p ch�t vô c� nano x�p dùng ch�t t�o hình hoá có th� xem là k� thu�t m�i hi�n ��i xu�t hi�n g�n �ây nh�t trong s� các k� thu�t �i�u khi�n c�u trúc nano c�a ch�t vô c�. Trên th� gi�i vi�c nghiên c�u c� b�n ��i v�i v�t li�u ph�c h�p lai h�n tính h�u - vô c� �ã � giai �o�n hoàn thi�n và nh�ng nghiên c�u �ng d�ng �� dùng nó làm v�t li�u quang h�c, y h�c, v�t li�u c�m bi�n, v�t li�u tin h�c… �ang r�t sôi ��ng. Theo Montel News phát bi�u vào ngày 3/12/1998 thì hãng General motor và hãng Montel c�a M� �ã cùng nghiên c�u ra lo�i v�t li�u lai t� h�p nano t� olephin nhi�t d�o và ��t sét (clay) làm v�t li�u n�i ngo�i th�t xe ô tô và Công ty Nano Corp. là m�t liên doanh c�a Amcall - M� v�i hãng Bayerm - ��c, t� ��u n�m nay �ã s�n xu�t v�t li�u t� h�p nano thu�c h� Nylon và Bentonite v�i giá tr� 60 tri�u USD/n�m, có th� hi�u r�ng công nghi�p v�t li�u công ngh� cao c�a tư�ng lai gi� �ây �ang � trong giai �o�n kh�i ��u. Theo báo cáo c�a WTEC, các trư�ng ��i h�c và Vi�n nghiên c�u c�a M� �ang ��u tư m�i n�m 115 tri�u USD phí nghiên c�u vào l�nh v�c này. Thêm n�a NSF c�ng �ang h� tr� phí nghiên c�u phát tri�n r�t �áng k� cho các doanh nghi�p m�o hi�m lo�i v�a và nh� thu�c l�nh v�c này thông qua chư�ng trình SBIR. T�i Châu Âu, các chư�ng trình Pentium liên h�p Châu Âu, chư�ng trình công ngh� Nano Anh Qu�c (NT), chư�ng trình NT c�a B� �ào t�o nghiên c�u ��c và t�i Nh�t là chư�ng trình công ngh� NT trong các ch�t vô c� và chư�ng trình nghiên c�u t�p trung công ngh� cao (ERATO) c�a B� công thư�ng, �ã cho th�y tính c�n thi�t và tri�n v�ng ��i v�i công nghi�p hoá và phát tri�n nghiên c�u l�nh v�c này nên �ang ��u tư nghiên c�u. Theo báo cáo c�a WETC thì c� � Th�y S�, Th�y �i�n, Pháp, Nga, Trung Qu�c và Hàn Qu�c c�ng �ư�c xem là có c� g�ng phát
  13. Nguy n c Ngh a 278 tri�n nghiên c�u như v�y. Tuy nhiên, công ngh� t�ng h�p ch�t vô c� nano x�p b�ng ch�t t�o hình thì sau khi Hãng Mobil công b� các tài li�u k� thu�t liên quan l�n ��u tiên trong H�i th�o qu�c t� Zeolite n�m 1992, giáo sư Stucky c�a ��i h�c Santa Barbara bang Califonia, M� là ngư�i ��u tiên công b� các bài báo v� v�n �� này trên t�p chí Science, sau �ó các bài lu�n v�n v� v�n �� �ó ti�p t�c �ư�c ��ng t�i trên t�p chí khoa h�c �ã lôi cu�n s� chú ý c�a th� gi�i. K� thu�t t�o hình hóa s� d�ng ch�t ��ng trùng h�p kh�i l�n ��u tiên �ư�c giáo sư Stucky trình bày vào cu�i n�m 1998, nhưng c� ch� hình thành nó c�ng như �i�u ki�n ph�n �ng v�n chưa �ư�c xác ��nh hoàn toàn. Hi�n �ang có s� c�nh tranh nghiên c�u gi�a các giáo sư Pinavaia, Stucky (M�) và Kuroda (Nh�t) �� có th� kh�ng ch� �� l�n nano c�a h�t vô c� m�t cách chính xác h�n n�a, ��ng th�i ngoài các trư�ng ��i h�c, các doanh nghi�p m�o hi�m v�a và nh� c�ng �ang tri�n khai nghiên c�u và tuy chưa ��t �ư�c �ng d�ng th�c t� song n�u xét t�i xu th� nghiên c�u phát tri�n hi�n nay thì ��u nh�ng n�m 2000, nh�ng v�t li�u tách ch�t khí s� d�ng nó hay các lo�i xúc tác, c�m bi�n… �ư�c d� �oán s� thư�ng m�i hoá thành công. Hi�n t�i k� thu�t ch� t�o t�ng h�p h�t vô c� nano x�p nh� ch�t t�o hình m�i ch� d�ng l�i � giai �o�n nghiên c�u c� s�, nhưng k� thu�t t�ng h�p và k� thu�t ph�c h�p hóa v� ch� t�o v�t li�u nanocomposit thì có khá nhi�u tài li�u, ch� y�u là các k� thu�t tư�ng �ng, �ã �ư�c kh�ng ��nh. V�t li�u nanocomposit �ang ��y m�nh áp d�ng th�c ti�n như trong trư�ng h�p công nghi�p ôtô, bao g�m thùng nhiên li�u, b�m �ã thành công trong �ng d�ng và ��i v�i các s�n ph�m trong l�nh v�c xúc tác, l�nh v�c c�m bi�n, l�nh v�c che ph�, v�t li�u sinh h�c dùng trong dư�c li�u, môi trư�ng lưu tr� quang… hy v�ng quy mô th� trư�ng s� ngày càng m� r�ng. Vi�c nghiên c�u công ngh� nano trong tư�ng lai d� ki�n s� d�n theo hư�ng t�ng tính n�ng cao, t�ng giá tr� gia t�ng cao. K� thu�t v� công ngh� nano (NT) c�ng gi�ng v�i k� thu�t phôi thai v� công ngh� máy tính/tin h�c nh�ng n�m 1950. T�c là, không ai hình dung �ư�c công ngh� v� máy tính/ tin h�c ra ��i lúc �ó s� tr� thành công ngh� h�t nhân c�a xã h�i tin h�c hoá ngày nay song công ngh� h�t nhân c�a xã h�i tin h�c hoá ngày nay chính là cái �ã ra ��i trong nh�ng n�m 1950. K� thu�t liên quan NT gi� �ây ch� là m�t k� thu�t m�i n�i nhưng 5 n�m sau thì k� thu�t c� b�n �ng d�ng nó s� �ư�c
  14. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 279 xác l�p và so v�i m�i quan h� c�a ngành công ngh� tin h�c hôm nay và ngành máy tính m�i b�t ��u vào n�m 1950, thì ch� sau 10 n�m v�i t�c �� nhanh h�n, các s�n ph�m �ng d�ng th�c ti�n c�a NT trong các l�nh v�c y dư�c, m� ph�m, công nghi�p hoá h�c, các công trình siêu chính xác … s� �ư�c áp d�ng. Theo d� �oán c�a WTEC s� không có ngành công ngh� nào không �ng d�ng nó. 2.2. Quá trình nghiên c*u h!t nano mao qu$n Vào nh�ng n�m 1990, ông Yanagisawa và các c�ng s� c�a mình �ã s� d�ng ch�t ho�t ��ng b� m�t làm t�o hình �� l�n ��u t�ng h�p v�t ch�t meso x�p có kích c� l� x�p vào kho�ng 1,8 ~ 3,2 nm. Sau �ó ông S.Beck c�a hãng Mobil và ��ng nghi�p vào n�m 1992 �ã dùng tinh th� l�ng làm ch�t t�o hình �ã t�ng h�p ra ch�t mesopoôus có c�u t�o l�c giác �ư�c g�i là MCM - 41 và công b� t�ng h�p �ư�c ch�t meso x�p có c�u t�o l�p phư�ng g�i là MCM-50 và ch�t meso x�p Ramela �ư�c g�i là MCM - 48. Công trình nghiên c�u này �ư�c ��ng trên t�p chí Nature, t�p chí khoa h�c n�i ti�ng nh�t trong l�nh v�c khoa h�c k� thu�t là k�t qu� nghiên c�u �áng ng�c nhiên �ã t�o ra ngu�n sinh khi m�i trong không ch� các nghiên c�u v� Zeolite hi�n t�i mà còn trong nghiên c�u các h�t nano x�p theo khái ni�m m�i có c�u trúc khung xư�ng vô c� ch�a l� x�p bên trong. Nhìn chung MCM - 41 có �� l�n l� khí ��t 1,5 ~ 10 nm và là m�t v�t li�u meso x�p có c�u t�o l�p phư�ng ��ng nh�t v�i b� m�t riêng là 700m2/g. Hình 10 cho ta th�y rõ m�t c�u t�o d�ng meso x�p ��p �� mà các l� khí hình c�u s�p x�p r�t có tr�t t� qua b�c Hình 209: gnh ch
  15. Nguy n c Ngh a 280 �nh kính hi�n vi �i�n t� truy�n qua (TEM) c�a v�t li�u MCM - 41. Nh�ng nghiên c�u trên c�a h� �ã thu hút s� chú ý c�a nhi�u nhà nghiên c�u trên th� gi�i, song trong s� �ó nhóm giáo sư Stucky c�a phân hi�u Trư�ng ��i h�c Santababana bang Califocnia, M� �ã công b� nh�ng k�t qu� nghiên c�u xu�t s�c. Nhóm c�a giáo sư Stucky �ã ch�nh lý thành 4 phư�ng pháp t�ng h�p v�t li�u composit ch�t vô c� / ch�t ho�t ��ng b� m�t mang tính chu k� trong nghiên c�u c�a h�. Th� nh�t như là phư�ng pháp t�ng h�p MCM-41 hay MCM-48 trong �i�u ki�n ki�m tính b�ng silicate x�p có tính chu k�, có phư�ng pháp trùng ngưng các phân t� ch�t vô c� ion âm và ch�t ho�t ��ng b� m�t ion dư�ng. Th� 2 là phư�ng pháp t�ng h�p ch�t có c�u trúc chu k� như c�u trúc phi silica hình �ng nh� trùng ngưng ch�t vô c� ion dư�ng và ch�t ho�t ��ng b� m�t ion âm. Th� 3 và th� 4 là ti�n hành ph�n �ng trùng h�p ch�t vô c� và ch�t ho�t ��ng b� m�t mang ion cùng c�c tính trong s� có m�t c�a m�i ion có c�c tính trái d�u (b�ng 14). Sau này, ông Phina Bayer có �ưa ra phư�ng pháp th� 5, phư�ng pháp này dùng t�o hình trung tính t�o ra sàng phân t� meso x�p có c�u trúc khung xư�ng d�y và các l� x�p �ư�c s�p x�p t�t. BUng 14 : PhUn ng tYng hLp v%t li!u nano xJp Ch@ng lo i Ch.t Ch.t t o ra ju STT dung dich Ion môi giFi TYng H BM tiên vô c 1 S+ I- S+ I- MCM - 48 - + - + 2 S I S I - - X=F 3 S+ I- S+ X- I- Cl-, Br- 4 S- I+ M+ = Na+, K+ S- M+ I+ Knm oxit 5 So Io SoIo HMS X+X- X = F -, SBA - 15, 6 S I+ - - (S0H+)( X-I+) Cl , Br , SBA - 16 NO3-,SO4-2,PO4-3 V�i vi�c dùng ch�t ho�t tính b� m�t phi ion như polyetylen oxit ngư�i ta �ã t�ng h�p ra sàng phân t� meso x�p v�a mang c�u trúc rãnh b�c 1 không ��ng nh�t v�a có �ư�ng kính l� mao quan ��ng ��u.
  16. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 281 Vào n�m 1998, nhóm c�a Stucky �ã s� d�ng ch�t ��ng trùng h�p kh�i 3 ��n phân và ��ng dung môi phân t� h�u c� làm ch�t trư�ng trong �i�u ki�n tính axít m�nh, �ã t�ng h�p thành công meso x�p silica c�u t�o l�p phư�ng �ư�c s�p x�p t�t có �� l�n l� x�p ��ng ��u v�i c� trên 30 nm và h� �ã �� xu�t phư�ng pháp th� 6 �� t�o v�t li�u meso x�p �ó. Ch�t ��ng trùng h�p di block d�ng AB hay ch�t ��ng trùng h�p tree block d�ng ABA là hình thái th� ��ng trùng h�p mà cao phân t� ��n AAAA hay BBBB t�o ra block theo quy t�c mà �� dài block � m�c ch�ng 1000 nm song theo ��c trưng block có tính quy t�c, c� th� là tùy theo s� hình thành c�a 2 cao phân t� ��n ho�c 3 cao phân t� ��n t�o ra block s� có nhi�u hình thái và do tính t� t� h�p gi�a các block v�i nhau l�n nên có th� áp d�ng m�t cách h�u ích trong vi�c t�o ra h�t meso x�p. Hình th� hi�n t� ch�c phân ly tư�ng macro tiêu bi�u c�a ch�t ��ng trùng h�p kh�i d�ng AB. Như th�y trong hình này tu� theo thành ph�n c�a ch�t ��ng trùng h�p kh�i có các hình thái �a d�ng. CÇu A/B Thanh A/B Líp AB lu©n phiªn Thanh B/A CÇu B/A Th nh phÇn A t¨ng (th nh phÇn B gi¶m) Hình 210: TY ch c phân ly tBFng macro tiêu biXu c@a ch.t ng trùng hLp khJi. T� xa xưa, do yêu c�u t�ng ho�t tính ch�t xúc tác cho nên �ã có nhi�u nghiên c�u �ư�c ti�n hành ��i v�i v�t li�u khung c�a ch�t nano x�p. � �ây có phư�ng pháp dùng khung silica thay cho khung kim lo�i v�n có và có phư�ng pháp s� d�ng hóa ch�t silicate meso x�p như ki�u nhóm ch�t M41S làm khung… Sàng phân t� ch�t meso x�p M41S th� hi�n � b�ng 15. Nghiên c�u �ó không ch� �ã lo�i b� h�n ch� v� �ư�ng kính l� x�p mà Zeolite �ã có trư�c �ây mà còn �� xu�t nhi�u ý tư�ng và �ng d�ng m�i. Ví d�, vi�c áp d�ng khái ni�m t� t� h�p gi�a ch�t h�u c� và ch�t vô c�, vi�c s� d�ng ch�t h�u c� tư�ng t� cacbon trong ch�t vô c� làm v�t li�u khung và có phư�ng pháp v�t li�u nanocomposit lai h�u c�/ vô c� làm v�t li�u n�n (host) c�a nano x�p…
  17. Nguy n c Ngh a 282 BUng 15: Thành phjn c@a ch.t meso xJp M41S C.u t o Thành phjn Si M = Ni, Cr, Fe, Co, Ti, Al, Al - P M=V M = Mn W MCM - 41 FE (Hình l
  18. Ph n II. Ch ng 1. V%t li!u lai h,n tính c.u trúc nano 283 x�p �ã �ư�c công b� nhưng do trong giai �o�n ban ��u nên v�n còn nhi�u �i�m chưa �ư�c chính xác. Ví d� c�n ph�i gi�i thích t�i sao � n�ng �� môi trư�ng lư�ng tính th�p thì tinh th� l�ng không hình thành �ư�c và micell trong dung d�ch l�i không mang hình thái có quy t�c như là c�u t�o kh�i l�c giác. H�n n�a, khuôn trong trư�ng h�p MCM 41 là cái gì? làm sao phân bi�t nh�ng ch�t như HMS, KIT ho�c MSM không �ư�c s�p x�p t�t v�i nh�ng ch�t d�ng FSM, MAM hay SBA �ư�c s�p x�p t�t… v�n còn chưa �ư�c rõ. Tuy nhiên, nh�ng nghiên c�u c�a l�nh v�c này ch�c ch�n s� tr� thành �i�m m�u ch�t c�a l�nh v�c v�t li�u thông minh và m� ra chư�ng m�i c�a nh�ng �ng d�ng ��y ti�m n�ng. 2.3. Ph-.ng pháp t0ng h1p ch2t nano mao qu$n Có sáu phư�ng pháp t�ng h�p v�t li�u nano mao qu�n s� d�ng ch�t t�o khuôn (templating) là ch�t ho�t ��ng b� m�t. N�m 1994 có b�n phư�ng pháp �ư�c tìm ra bao g�m: S+ + I- S+I- S- + I+ S-I+ S+ + X- + I+ S+X-I+ S- + X+ + I- S-X+I- � �ây S: ch�t ho�t ��ng b� m�t I : ion halogen (Cl-, Br-) X: ion kim lo�i (Na+, K+) N�m 1995: Phát minh th� 5: So + Io SoIo (kích thư�c mao qu�n d = 4.0 nm) N�m 1998: Phát minh th� 6: So + H+X- + I+ (SoH+) (X-I+) Kích thư�c nano mao qu�n d = 10 30 nm b�ng vi�c s� d�ng ch�t polyoxyalkylen block copolyme templating trong môi trư�ng axit. Trong t�ng h�p nano x�p nh�ng khuôn �a d�ng như gi�t Emulsion, Latex và ch�t ho�t tính b� m�t môi trư�ng axit �ang �ư�c s� d�ng. Ch�t ho�t tính b� m�t như xà phòng ch�ng h�n do ��ng th�i mang g�c ưa nư�c và k� nư�c trong c�u t�o phân t� và do có tính t� t� h�p s�p x�p g�c ưa nư�c v� phía nư�c nh� ái l�c v�i
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
8=>2