Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo nano đồng trong môi trường nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp nano đồng trong môi trường nước và ứng dụng dung dịch nano đồng vào phòng trừ nấm Penicillum italicum trên nông sản sau thu hoạch. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo nano đồng trong môi trường nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VUNG TÀU BARIA VUNGTAU UNIVERSITY C a p Sa in t Ia cq u eü ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO ĐỒNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Trình độ đào tạo : Đại học Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học Chuyên ngành : Hóa dầu Giảng viên hướng dẫn : GV. Nguyễn Văn Toàn Sinh viên thực hiện : Huỳnh Quốc Cường MSSV: 13030263 Lớp: DH13HD Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017
Trường ĐH Bà Rịa-Vũng Tàu Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Viện Kỹ thuật-Kinh tế biến Độc lập-Tự do-Hạnh phúc NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên: Huỳnh Quốc Cường MSSV: 13030263 Ngày sinh: 15/01/1995 Quê quán: Đồng Tháp Ngành học: Công nghệ-kỹ thuật hóa học Chuyên ngành: Hóa Dầu I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo nano đồng trong môi trường nước. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt và độ ổn định của hạt nano đồng như: Nhiệt độ, nồng độ chất khử, tỷ lệ CTAB và hỗn hợp dầu đế bảo vệ. - Tổng hợp dung dịch nano đồng trong môi trường nước. - Kiếm tra các tính chất đặc trưng của hạt nano đồng bằng các phương pháp phân tích như: UV-Vis, TEM, XRD. - Ứng dụng dung dịch nano đồng vào phòng trừ nấm bệnh trên cây trồng. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:19/02/2017. IV. NGÀY HOÀN THÀNH:19/06/2017. V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Giảng viên: Nguyễn Văn Toàn. Vũng Tàu, Ngày 19 tháng 06 năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi họ, tên) (Ký và ghi họ, tên) Huỳnh Quốc Cường TRƯỞNG VIỆN TRƯỞNG NGÀNH (Ký và ghi họ, tên) (Ký và ghi họ, tên)
Tôi xin chân thành gửi cảm ơn đến Ban lãnh đạo nhà trường, quý Thầy Cô của Viện Kỹ thuật-Kinh tế biển trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu, Giảng viên Nguyễn Văn Toàn - 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!!! Vũng Tàu, ngày 19 tháng 06 năm 2017 Sinh viên/học sinh thực hiện ( Ký, ghi rõ họ,tên ) Huỳnh Quốc Cường
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong Khoá luận Tốt nghiệp này hoàn toàn do tác giả thực hiện, không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào. Vũng Tàu, ngày 19 tháng 06 năm 2017 Sinh viên thực hiện Huỳnh Quốc Cường
MỤC LỤC....................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................... iv DANH MỤC BẢNG...................................................................................................... v DANH MỤC HÌNH...................................................................................................... vi MỞ ĐẦU.....................................................................................................................viii CHƯƠNG 1.....................................................................................................................1 TỔNG QUAN.................................................................................................................1 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano...................................................................................1 1.1.1. Một số khái niệm..............................................................................................1 1.1.2. Phương pháp chế tạo vật liệu nano................................................................. 2 1.2. Tổng quan về hạt nano kim loại:.............................................................................. 2 1.2.1. Diện tích bề mặt lớn........................................................................................ 2 1.2.2. Tính chất hạt nano kim loại............................................................................. 3 1.2.3. Plasmon bề m ặt............................................................................................... 3 1.2.4. Quang học và lượng tử .................................................................................... 5 1.2.5. Tính chất điện.................................................................................................. 6 1.2.6. Tính chất từ ..................................................................................................... 6 1.2.7. Tính chất nhiệt................................................................................................. 7 1.3. Phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại................................................................ 7 1.3.1. Phương pháp từ trên xuống............................................................................ 7 a. Phương pháp ăn mòn laser.............................................................................. 7 b. Phương pháp nghiền cơ học............................................................................ 9 1.3.2. Phương pháp từ dưới lên................................................................................10 a. Phương pháp khử hóa học..............................................................................10 b. Phương pháp khử vật l í ..................................................................................11 c. Phương pháp khử hóa l í .................................................................................11 d. Phương pháp khử sinh học.............................................................................12
1.4. Tổng quan về nano đồng.........................................................................................12 1.4.1. Các phương pháp chế tạo hạt nano đồng.......................................................12 a. Phương pháp hóa ư ớ t.....................................................................................13 b. Phương pháp phân huỷ nhiệt..........................................................................16 c. Phương pháp vi n h ũ .......................................................................................17 d. Phương pháp có hỗ trợ nhiệt vi sóng.............................................................18 1.4.2. Tổng quan về các chất trong quá trình tổng hợp nano đồng..........................19 a. Chất bảo vệ Polyvinylpyrrolidone (PVP)......................................................19 b. Chất hoạt động bề mặt................................................................................... 20 c. Vai trò của Acid Ascorbic (Vitamin C )........................................................ 21 1.4.3. Khái quát dầu vỏ hạt điều.............................................................................. 21 a. Thành phần cấu tạo của dầu vỏ hạt điều....................................................... 22 b. Cacdanol........................................................................................................ 23 1.4.4. Ứng dụng của nano đồng.............................................................................. 23 a. Dùng mực in nano đồng................................................................................ 23 b. Ứng dụng trong nông nghiệp........................................................................ 24 c. Phụ gia lý tưởng Lubricant:.......................................................................... 24 1.5. Phương pháp phân tích sản phẩm.......................................................................... 24 1.5.1. Máy quang phổ khả kiến (UV-Vis).............................................................. 24 1.5.2. Nhiễu xạ tia X (XRD)................................................................................... 25 1.5.3. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)................................................................. 26 1.6. Giới thiệu về nấm bệnh.......................................................................................... 27 1.6.1. Phân bố.......................................................................................................... 27 1.6.2. Tác hại ........................................................................................................... 27 1.6.3. Xử lý.............................................................................................................. 28 CHƯƠNG 2 .................................................................................................................. 29 THỰC NGHIỆM.......................................................................................................... 29 2.1. Hóa chất, dụng cụ và các thiết bị nghiên cứu......................................................29 2.1.1. Hóa chất.......................................................................................................... 29
2.1.2. Dụng cụ-Thiết b ị............................................................................................30 2.2. Thực nghiệm.......................................................................................................... 31 2.2.1. Tổng hợp dung dịch nano đồng..................................................................... 31 a. Tổng hợp hỗn hợp dầu vỏ hạt điều làm chất bảo v ệ ..................................... 31 b. Quy trình tạo nano đồng................................................................................ 32 c. Thuyết minh quy trình................................................................................... 33 2.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong tổng hợp dung dịch nano đồng.......... 33 a. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4 đến quá trình tổng hợp dung dịch nano đồng......................................................................................... 33 b. Ảnh hưởng của nhiệt đ ộ ................................................................................ 34 c. Ảnh hưởng của tỷ lệ CTAB/Cu2+.................................................................. 34 d. Ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp dầu................................................................. 35 2.3. Phương pháp thử nấm ............................................................................................ 36 2.4. Độ ổn định của dung dịch nano đồng....................................................................37 CHƯƠNG 3 .................................................................................................................. 38 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................................... 38 3.1. Kết quả tổng hợp dung dịch nano đồng...............................................................38 3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4.................................................... 38 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt đ ộ ................................................................................ 40 3.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ CTAB/Cu2+.................................................................. 42 3.1.4. Kết quả TEM................................................................................................. 44 3.1.5. Khảo sát sự ảnh hưởng tỷ lệ DVHD/Tween 8 0 ............................................ 45 3.1.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp dầu................................................................. 46 3.1.7. Kết quả TEM................................................................................................. 48 3.1.8. Kết quả nhiễu xạ tia-X .................................................................................. 49 3.1.9. Kết quả thử khả năng kháng nấm Penicillum italicum................................. 50 3.1.10. Kết quả độ ổn định của dung dịch nano đồng............................................... 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 58
KẾT LUẬN.................................................................................................................. 58 KIẾN NGHỊ.................................................................................................................. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 60 PHỤ LỤC..................................................................................................................... 64
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PVP Polyvinylpyrrolidone CTAB Cetyltrimethylammoniumbromide AA Acid Ascorbic (Vitamin C) DVHD Dầu vỏ hạt điều UV-Vis Ultraviolet-Visible XRD X-ray diffraction TEM Transmission electron microscopy
Bảng chương 1: Bảng chương 2: Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng tổng hợp nano đồng..................................................29 Bảng chương 3: Bảng 3.1: Kết quả đo UV-Vis theo nồng độ chất k h ử ................................................. 38 Bảng 3.2: Kết quả dữ liệu đo UV-Vis tổng hợp theo nhiệt độ..................................... 41 Bảng 3.3: Kết quả dữ liệu đo UV-Vis.......................................................................... 43 Bảng 3.4: Khảo sát tỷ lệ dầu với Tween 8 0 .................................................................45 Bảng 3.5: Kết quả đo UV-Vis theo lượng dầu bảo vệ.................................................. 47 Bảng 3.6: So sánh kết quả tổng hợp nano đồng sử dụng chất bảo vệ khác nhau......... 59
Hình chương 1: Hình 1.1: Phương pháp tạo ra vật liệu nano...................................................................2 Hình 1.2: Sự dao động plasmon của các hạt hình cầu dưới tác động của điện trường ánh sáng..........................................................................................................................4 Hình 1.3: Nguyên lý ăn mòn laser..................................................................................7 Hình 1.4: Nguyên lý chế tạo hạt nano kim loại bằng phương pháp nghiền cơ học......9 Hình 1.5: Vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với bi trong máy nghiền quay................. 9 Hình 1.6: Quá trình hình thành dung dịch nano kim loại.............................................11 Hình 1.7: Ảnh TEM dung dịch nano đồng có sự tham gia của CTAB........................14 Hình 1.8: Ảnh TEM nano đồng chế tạo theo phương pháp polyol.............................. 15 Hình 1.9: Ảnh TEM nano đồng chế tạo trong nước(a) và trong EG(b)....................... 15 Hình 1.10: Ảnh TEM nano đồng với chất bảo vệ PEG(a) và PVP(b).........................16 Hình 1.11: Ảnh TEM dung dịch nano đồng trong môi trường glycerin...................... 16 Hình 1.12: Tổng hợp theo phương pháp phân hủy nhiệt với tác chất là phức Cu(O4C2)- oleylamine.................................................................................................................... 17 Hình 1.13: Ảnh TEM nano đồng bằng phương pháp phân hủy nhiệt..........................17 Hình 1.14: Ảnh TEM nano đồng trong môi trường glycerin với sự hỗ trợ của nhiệt vi sóng............................................................................................................................... 19 Hình 1.15: Sự phức hợp giữa PVP và hạt nano đồng...................................................19 Hình 1.16: Chất hoạt động bề mặt thể hiện tính ưa nước và kị nước.......................... 20 Hình 1.17: Mô hình thể hiện cơ chế bao bọc CTAB lên hạt nano đồng..................... 21 Hình 1.18: Thành phần của DVHD............................................................................. 22 Hình 1.19: Phản ứng tạo cacdanol từ acid anacacdic.................................................. 22 Hình 1.20: Máy in phun công nghiệp và mực in nano Cu của Samsung Electro Mechanics ..................................................................................................................... 23 Hình 1.21: Nấm mốc xanh trên quả sau thu hoạch:.................................................... 24 Hình 1.22: Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X .............................................. 25 Hình 1.23: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua.............................................. 26 Hình 1.24: Nấm Penicillum italicum............................................................................ 27 Hình 1.25: Bệnh mốc xanh trên cam............................................................................28 Hình chương 2: Hình 2.1: Quy trình tổng hợp nano đồng...................................................................... 32 Hình 2.2: Dung dịch nano đồng................................................................................... 35 Hình chương 3: Hình 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4................................................... 39 Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo nano đồng................................ 42 Hình 3.3: Ảnh hưởng của CTAB đên quá trình tổng hợp............................................43 Hình 3.4: Kết quả chụp TEM của mẫu chọn các thông số tối ư u ................................44 Hình 3.5: Mẫu nano được tổng hợp.............................................................................. 45 Hình 3.6: Tỉ lệ dầu / Tween 80 từ 1-3........................................................................ 46 Hình 3.7: Tỉ lệ dầu/Tween=1:4 và 1:5........................................................................ 46
Hình 3.8: Ảnh hưởng của tỉ lệ Dầu trong quá trình bảo v ệ ..........................................47 Hình 3.9: Kết quả TEM của nano đồng sử dụng dầu bảo v ệ .......................................48 Hình 3.10: Mẫu nano đồng sử dụng dầu bảo vệ...........................................................49 Hình 3.11: Kết quả XRD của nano đồng với chất bảo vệ CTAB (Mẫu 1) và Hỗn hợp DVHD (Mẫu 2)'............................................................. ..............................................50 Hình 3.12: Mẫu nấm Pénicillium được nuôi cây để kiểm tra khả năng sinh trưởng ....51 Hình 3.13: Dùng dung dịch nano đồng được CTAB bảo vệ dùng để phun lên nấm ....52 Hình 3.14: Kiểm tra khả năng phát triển lại của nấm sau khi phun với nano đồng dùng CTAB bảo v ệ............................... ................. .............. ................................ ..............53 Hình 3.15: Dùng dung dịch nano đồng được hỗn hợp dầu bảo vệ phun lên nấm........54 Hình 3.16: Kiểm tra khả năng phát triển lại của nấm sau khi phun với nano đồng dùng hỗn hợp dầu bảo vệ.......................................................................................................54 Hình 3.17: Sự ổn định của dung dịch sau 1 tháng........................................................ 55 Hình 3.18: Độ ổn định của mẫu nano đồng sau 1 tháng với CTAB bảo vệ................. 56 Hình 3.19: Độ ổn định sau 1 tháng của mẫu nano đồng với hỗn hợp dầu bảo vệ........ 57
MỞ ĐẦU Hiện nay, các hạt nano kim loại được tổng hợp từ các kim loại quý như vàng, bạc và platin...nhưng với chi phí tổng hợp tốn kém, giá thành cao thì việc sử dụng nano vàng, bạc và platin, trên quy mô lớn là khó có thể thực hiện được. Trong khi đó đồng là kim loại khá phổ biến với giá thành rẻ và dễ tìm và cũng mang đầy đủ các tính chất ưu việt như tính chất quang, điện, từ, cơ, tính xúc tác và được chế tạo theo các phương pháp khác nhau và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: linh kiện điện tử, y học, sinh học, dược phẩm, mỹ phẩm... không kém gì so với nano vàng, bạc và platin đặc biệt là tính kháng khuẩn và còn là nguyên tố cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng [1],. .chính vì thế hạt nano đồng đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu. Dung dịch đồng nano hay hạt nano đồng, được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như: chiếu xạ điện tử, khử hóa học, phân hủy nhiệt [10], điện hóa, khử muối kim loại[18], nhiệt vi sóng[19]... trong đó phương pháp khử hóa học được sử dụng phổ biến như thiết bị đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp, có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng của hạt nano theo các thông số thực nghiệm Tuy nhiên trong một số công trình đã công bố về tổng hợp nano đồng vẫn tồn tại nhiều nhược điểm như: thời gian tổng hợp kéo dài, điều kiện đòi hỏi phải nghiêm ngặt, hệ thống thiết bị phức tạp, sử dụng chất bảo vệ chưa đảm bảo độ ổn định của dung dịch nano đồng. Trên cơ sở đó, với mục tiêu đưa ra các giải pháp khắc phục những nhược điểm trên trong quá trình tổng hợp. Trong phạm vi Khóa luận Tốt nghiệp này, tôi tiến hành “Nghiên cứu chế tạo nano đồng trong môi trường nước" bằng phương pháp khử hóa học, nhằm kiểm soát kích thước và đảm bảo sự ổn định của dung dịch nano đồng và ứng dụng diệt nấm bệnh trên cây trồng trước và sau thu hoạch. Bên cạnh đó trong công nghiệp chế biến hạt điều, dầu vỏ hạt điều là sản phẩm phụ được thu hồi trong quá trình sản xuất, với các thành phần hóa học như có hợp chất phenol tự nhiên có gắn với mạch cacbuahydro không no tạo nên một hợp chất đặc biệt [7,8], nên vai trò tự nhiên của dầu vỏ hạt điều khi tồn tại trong
hạt là bảo vệ nhân điều chống lại các sinh vật hại. Lợi dụng đặc tính này, đã có một số công trình nghiên cứu bước đầu đánh giá hiệu lực phòng chống côn trùng và nấm phá hoại lâm sản [9]. Để lợi dụng các tính chất đó, tiến hành nguyên cứu sử dụng dầu vỏ hạt điều trong phòng trừ nấm bệnh và bên cạnh đó để khảo sát khả năng bảo vệ hạt nano đồng thay thế chất bảo vệ CTAB trong quá trình tổng hợp. Mục tiêu của đề tài: là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp nano đồng trong môi trường nước và ứng dụng dung dịch nano đồng vào phòng trừ nấm Penicillum italicum trên nông sản sau thu hoạch. Nội dung nghiên cứu gồm: - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt nano đồng như: nhiệt độ, nồng độ NaBH4, nồng độ CTAB, tỷ lệ hỗn hợp dầu vỏ hạt điều ảnh hưởng quá trình tổng hợp. - Khảo sát các tính chất của hạt nano đồng thu được bằng cách sự dụng các phương pháp phân tích như đo độ hấp thu UV-Vis, nhiễu xạ tia X( XRD) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để kiểm tra các tính chất đặc trưng của chúng. - Khảo sát khả năng kháng và diệt nấm Penicillum italicum trong phòng thí nghiệm của dung dịch nano đồng. Và so sánh khả năng kháng nấm của 2 chất bảo vệ CTAB và dầu vỏ hạt điều.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano đã mang lại nhiều ứng dụng trong thực tiễn, trong cuộc sống và tiềm năng ứng dụng đang được nghiên cứu và phát triển. Các vật liệu nano vàng, bạc, đồng đã được chế tạo theo các phương pháp khác nhau và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: linh kiện điện tử, y học, sinh học, dược phẩm, mỹ phẩm... 1.1.1. Một số khái niệm Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ-kích thước nanomet (nm). Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm). Khi vật liệu ở kích thước nano thì tỉ lệ nguyên tử trên bề mặt tăng lên so với tổng số nguyên tử của vật liệu khối. Điều này làm cho các hạt nano có những tính chất đặc biệt mà trên vật liệu khối không có. Công nghệ nano: là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet (từ 1-100nm). Hóa học nano: là các phương pháp chế tạo vật liệu và linh kiện nano bằng các phản ứng hóa học. Vật liệu nano: là đối tượng của hai lĩnh vực khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực này với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải dài một khoảng khá rộng từ vài nm đến vài trăm nm. Vật liệu nano tồn tại ở các dạng trạng thái rắn, lỏng và khí. Hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu trạng thái vật liệu rắn. Hạt nano kim loại: là các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại.
1.1.2. Phương pháp chế tạo vật liệu nano Hình 1.1: Phương pháp tạo ra vật liệu nano Có hai phương thức cơ bản để chế tạo vật liệu nano như trong hình 1.1: là “top-down” và “bottom-up”. “Top-down” nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để tạo ra được đơn vị kích thước nano như phương pháp nghiền, biến dạng, ăn mòn laser... “Bottom-up” là phương thức lắp ghép các nguyên tử, phân tử để thu được các hạt có kích thước nano gồm các phương pháp hóa học, lắng đọng hơi hóa học, phương pháp tự lắp g h é p . 1.2. Tổng quan về hạt nano kim loại: 1.2.1. Diện tích bề mặt lớn Khi các hạt ở dạng hình cầu, diện tích bề mặt so với thể tích có thể được tính theo công thức sau: 5 4 OT-2 3 v~ r Công thức cho thấy, diện tích bề mặt (S) tỉ lệ nghịch với bán kính (r) của hạt nano. Như vậy, giảm kích thước hạt sẽ làm tăng diện tích bề mặt.
Tính chất của vật liệu kim loại thay đổi khi kích thước của chúng đạt đến kích cỡ nano. Hơn nữa, tỉ lệ của các nguyên tử trên bề mặt vật liệu trở thành yếu tố quan trọng. Vật liệu khối có các tính chất không thay đổi, tuy nhiên điều này hoàn toàn khác khi vật liệu ở kích thước nano. Khi vật liệu ở kích thước nano thì tỉ lệ nguyên tử trên bề mặt tăng lên so với tổng số nguyên tử của vật liệu khối. Điều này làm cho các hạt nano có những tính chất đặc biệt mà bề mặt của chúng mang lại. Ở kích thước này, diện tích bề mặt so với thể tích của vật liệu trở lên lớn hơn và trạng thái năng lượng điện tử là rời rạc, do đó vật liệu nano có những tính chất quý về điện, quang, từ, hóa học... Một số những đặc tính khác cũng xuất hiện như: giam cầm lượng tử ở hạt bán dẫn, cộng hưởng plasmon bề mặt ở các hạt kim loại nano hay siêu từ tính ở vật liệu từ. 1.2.2. Tính chất hạt nano kim loại Những tính chất của hạt nano xuất hiện là do hệ quả của hiệu ứng cầm tù lượng tử và sự cân xứng cao của bề mặt các nguyên tử những điều này phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt nano. Sự điều chỉnh kích thước của hạt nano có thể dẫn tới những thay đổi về tính chất của các hạt, đây là nguyên nhân và chủ đề của nhiều nghiên cứu. Khác với vật liệu khối, hạt nano có khả năng thay đổi những tính chất như điện, từ và quang học theo đường kính hạt. Sự xuất hiện những hiệu ứng này bởi những mức năng lượng không giống nhau của các hạt nhỏ trong vật liệu khối, nhưng riêng rẽ, bởi hiệu ứng giam cầm điện tử. Những tính chất vật lý của hạt nano vì thế được xác định bởi kích thước của các hạt [13]. 1.2.3. Plasmon bề mặt Các hạt nano kim loại có thể có phổ hấp thụ với đỉnh hấp thụ giống với của các hạt nano bán dẫn. Tuy nhiên, sự hấp thụ này không bắt nguồn từ sự chuyển tiếp các trạng thái năng lượng điện tử, mà thay vào đó hạt ở nano kim loại là phương thức tập hợp của các di chuyển đám mây điện tử bị kích thích. Dưới tác động của điện trường, có sự kích thích plasmon các electron tại bề mặt các hạt. Sự cộng hưởng này xảy ra tại tần số của ánh sáng tới và kết quả là sự hấp thụ quang học được thể hiện trên như hình 1.2. Hiện tượng này gọi là bề mặt plasmon
(surfae plasmon) hay hấp thụ cộng hưởng plasma (plasma resonance absorption), vùng bề mặt plasmon (localized surface plasmons). Khi kích thước hạt giảm, các electron tự do bắt đầu tương tác với ranh giới của các hạt. Khi các hạt nano kim loại bị tác động bởi ánh sáng, điện trường của ánh sáng tới gây ra sự dao động mạnh của các điện tử tự do (các electron dẫn). Đối với các hạt nano có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng của ánh sáng, sự hấp thụ xảy ra trong phạm vị bước sóng hẹp, dải plasmon [13]. Độ rộng, vị trí, và cường độ của sự tương tác plasmon biểu lộ bởi hạt nano phụ thuộc: Hằng số điện môi của kim loại và vật liệu nền. Kích thước và hình dạng hạt. Sự tương tác giữa các hạt và chất nền. Sự phân bố của các hạt trong chất nền. Hình 1.2: Sự dao động plasmon của các hạt hình cầu dưới tác động của điện trường ánh sáng Do ảnh hưởng của các yếu tố trên, nên một số tính chất mong muốn của vật liệu có thể được điều khiển. Các kim loại khác nhau sẽ có sự tương tác tương ứng vì thế màu sắc sẽ khác nhau. Sự triệt tiêu của ánh sáng bởi hạt nano kim loại xảy ra theo cả cơ chế phân tán và hấp thụ, nhưng cơ chế hấp thụ xảy ra rõ hơn nhiều với hạt có kích thước nhỏ hơn 20nm. Các hạt nano thường được biết đến với sự tạo hỗn hợp với thủy tinh hay cao su, thể hiện ra như màu đỏ của vàng hay màu vàng của bạc. Ngày nay, hầu hết việc nghiên cứu và sử dụng đều tập trung vào nano vàng và nano bạc. Bởi chúng thể hiện rõ ràng nhất hiệu ứng Plasmon và cả hai cùng có phổ hấp thụ trong vùng nhìn thấy. Tăng kích thước hạt hay tăng hằng số điện môi của dung dịch, nguyên nhân của dịch chuyển đỏ (red shift) của sự hấp thụ plasmon [13].
Vị trí của đỉnh hấp thụ trong chấm lượng tử được dịch chuyển khá rõ khi chỉ thay đổi một thông số đường kính ở phạm vi nano. Đối với hạt nano kim loại sự dịch chuyển vị trí của các đỉnh là rất nhỏ với các hạt kích thước bé (25nm trường hợp vàng) sự dịch chuyển đỏ của vị trí cộng hưởng plasmon là đáng kể hơn [13]. 1.2.4. Quang học và lượng tử Vật liệu nano tương tác với ánh sáng khác so với vật liệu khối. Những vật liệu với sự sắp xếp trong phạm vi kích cỡ nano thì giá trị đường kính sẽ tương đương hay nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Nếu vật liệu có đường kính gần với bước sóng ánh sáng, và được bao bọc bởi chất nền với chỉ số khúc xạ khác nhau, khi đó ánh sáng với bước sóng thích hợp sẽ bị phân tán (scatter). Nguyên nhân của hiệu ứng này là lớp dầu mỏng bị kéo căng qua bề mặt của nước hình thành các màu sắc khác nhau. Hiệu ứng này được sử dụng trong vật liệu quang học như tinh thể photon, mà được thiết kế với các pha có các chỉ số khúc xạ khác nhau, đường kính đặc trưng, cấu trúc như mong đợi để tạo ra sản phẩm mong muốn tương tác với ánh sáng [13]. Trường hợp vật liệu có sự phân chia các pha nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng ánh sáng, hiệu ứng này không xảy ra. Thay vào đó hai pha thể hiện như một vật liệu riêng biệt có liên quan tới sự truyền ánh sáng. Vì thế, những vật liệu trong suốt được thêm vào những hạt nano vẫn có thể trong suốt với ánh sáng cho dù hạt nano được hình thành từ những vật liệu mờ đục hay phản chiếu. Các compozit, vật liệu trong suốt, hạt vô cơ, ở kích thước micro thường là mờ đục. Ánh sáng khuyếch tán là nguyên nhân gây mờ đục, bị triệt tiêu bởi những vật liệu với chỉ số khúc xạ phù hợp hay sự giảm đường kính của chất độn ở kích thước nhỏ hơn 50nm. Do đó các nanocompozit khi được thêm vào các hạt nano có thể hoạt động như là vật liệu đồng nhất với các tính chất thay đổi. Thay vì phân tán ánh sáng, sự kết hợp các chỉ số khúc xạ của các hạt nano và vật liệu nền được tạo ra. Hạt nano với chỉ số khúc xạ cao có thể được phân tán vào thủy tinh hay polymer để làm gia tăng hiệu quả chỉ số khúc xạ của dung dịch, phương pháp này có ích với sản phẩm quang học có chỉ số khúc xạ cao dẫn tới việc hãm tín hiệu tốt hơn.
Hạt nano kim loại hay bán dẫn tương tác với ánh sáng thông qua cơ chế khác nhau. Do những tính chất này mà các hạt nano thường được cho vào một chất nền quang học để thực hiện những chức năng mong muốn. Hạt nano kim loại tương tác với ánh sáng theo hiệu ứng cộng hưởng plasmon (Plasmon resonance), xuất hiện từ đám mây điện tử. Hạt nano bán dẫn được biết tới như là chấm lượng tử (Quantum dot), tương tác với ánh sáng theo hiệu ứng giam cầm lượng tử [13]. 1.2.5. Tính chất điện Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lý luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập hợp các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực [13]. 1.2.6. Tính chất từ Các kim loại quý như vàng, bạc... có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính từ ở trạng thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, côban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không [3].