Hạt nano kim loại
I. VẬT LIỆU NANO VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA NÓ
Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được
sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay là do đối
tượng của chúng là vật liệu nano có những tính chất kì lạ khác
hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên cứu
trước đó [1]. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với
vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiện tượng sau đây:
1. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước 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. Như
vậy, nếu kích thước 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 thước 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 thước 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
thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Chúng ta cần
lưu ý đặc điểm này trong nghiên cứu và ứng dụng. 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 thước, hạt càng bé thì
hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả,
ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ
có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng
dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Bảng
1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với
một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó
chứa là 4.000 nguyên tử, tí số f là 40 %, năng lượng bề mặt là
8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần
là 82,2 %. Tuy nhiên, các giá trị vật lí giảm đi một nửa khi kích
thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10 nm.
Bảng 1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano
hình cầu
Đường
kính hạt
nano
(nm)
Số
nguyên
tử
Tỉ số
nguyên tử
trên bề
mặt (%)
Năng lượng
bề mặt
(erg/mol)
Năng lượng bề
mặt/Năng
lượng tổng
(%)
10 30.000 20 4,08×1011 7,6
5 4.000 40 8,16×1011 14,3
2 250 80 2,04×1012 35,3
1 30 90 9,23×1012 82,2
2. Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước 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 trưng. Độ dài đặc trưng của
rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm.
Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thường
nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn
nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã
biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với
độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc
trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết
trước 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 tính chất đi
kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước,
khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ sơ với vật liệu khối
nhưng 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 thước nào. Ví dụ, đối
với kim loại, quãng đường 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 thước của dây rất lớn so với quãng đường 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 thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng
đường tự do trung bình 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
lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là
hằng đó Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất
nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử
hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng
chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong các vật liệu nano do việc
giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam
hãm lượng tử). Bảng 2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của một
số tính chất của vật liệu [2].