Khoá luận tốt nghiệp: Tổng hợp nano vàng bằng phương pháp mầm trung gian

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khoá luận "Tổng hợp nano vàng bằng phương pháp mầm trung gian" được hoàn thành với mục tiêu nhằm điều chế thành công hạt nano vàng bằng phương pháp mầm trung gian, đồng thời khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành hạt nano vàng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khoá luận tốt nghiệp: Tổng hợp nano vàng bằng phương pháp mầm trung gian

ƢỜ Ọ Ủ Ọ ÊN TỔNG HỢP NANO VÀNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẦM TRUNG GIAN Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S NGUYỄN THỊ NHẬT HẰNG Sinh viên thực hiện: THÁI THỊ HOA SAO Lớp: C11HO02 Khoá: 2011- 2014 n n n n m
ƢỜ Ọ Ủ Ọ ÊN TỔNG HỢP NANO VÀNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẦM TRUNG GIAN Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S NGUYỄN THỊ NHẬT HẰNG Sinh viên thực hiện: THÁI THỊ HOA SAO Lớp: C11HO02 Khoá: 2011- 2014 n n n n m
I. PH N MỞ U 1. Tầm quan trọng của đề tài. Nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano đang là một lĩnh vực thu hút đƣợc rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học, cả trên thế giới lẫn ở nƣớc ta, do nhiều tính chất ƣu việt của các vật liệu này không đƣợc tìm thấy ở các vật liệu dạng khối. Từ hàng nghìn năm truớc , con nguời đã biết sử dụng các hạt nano kim loại nhƣ hạt nano vàng, nano bạc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ vật lý, hóa học, khoa học vật liệu, khoa học y sinh, dƣợc phẩm,… Trong số các vật liệu nano, nano vàng đƣợc quan tâm hàng đầu do có nhiều ứng dụng có giá trị thực tiễn nhƣ làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ, trong y học để phát hiện và hỗ trợ điều trị ung thƣ, trong công nghiệp chế tạo thiết bị và linh kiện điện tử,… Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu phƣơng pháp chế tạo nano vàng đã thu hút đƣợc rất nhiều sự quan tâm. Rất nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng trong chế tạo hạt nano, thanh nano hay màng mỏng đã đƣợc nghiên cứu và thực hiện thành công. Mỗi phƣơng pháp đều có ƣu điểm riêng tùy theo mục đích mà có sự lựa chọn phƣơng pháp thích hợp. Trong đó, tổng hợp nano vàng thông qua mầm trung gian là phƣơng pháp dùng để kiểm soát kích thƣớc và hình dạng hạt nano. Đó cũng chính là phƣơng pháp mà đề tài khóa luận của tôi hƣớng tới “Tổng hợp nano vàng bằng phƣơng pháp mầm trung gian”. 2. Mục tiêu của đề tài Điều chế thành công hạt nano vàng bằng phƣơng pháp mầm trung gian, đồng thời khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến việc hình thành hạt nano vàng. 3. hƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu lí luận: Nghiên cứu các vấn đề lí luận đƣợc trình bày trong sách, báo, công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài. - Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành tổng hợp nano vàng bằng phƣơng pháp mầm trung gian, đồng thời khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến việc hình thành hạt nano vàng. 4. Nội dung của đề tài Tổng quan về một số nội dung lý thuyết liên quan đến vật liệu nano, hạt nano kim loại, hạt nano vàng. Tiến hành thực nghiệm để điều chế nano vàng, đồng thời khảo sát sự ảnh hƣởng của một số yếu tố đến sự tạo thành hạt nano vàng.
Ờ Ả Ơ Sau một thời gian dài thực hiện bài khóa luận, đến nay mọi công việc liên quan đến bài khóa luận đã hoàn tất. Trong suốt thời gian này, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ. Cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Nhật Hằng, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian qua. Nếu không có những lời chỉ dẫn, những tài liệu, những lời động viên khích lệ của Cô thì bài luận này khó lòng hoàn thiện đƣợc. Cũng xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, những ngƣời đã luôn hỗ trợ, theo sát em trong suốt thời gian qua. Xin tri ân tất cả các Thầy, Cô, những ngƣời dày công dạy dỗ, truyền cho em rất nhiều tri thức quý báu. Cảm ơn tất cả bạn bè của em, những ngƣời đã sát cánh cùng vui những niềm vui, cùng chia sẻ những khó khăn và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện khóa luận.
XÉ Ủ Á VÊ ƢỚ Ẫ ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………… Giảng viên hƣớng dẫn nhận xét các vấn đề: Kết cấu phƣơng pháp trình bày:……………………………………………………………. Cơ sở lý luận:………………………………………………………………………………. Tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của luận văn, đồ án:………………………………... Các hƣớng nghiên cứu của đề tài có thể phát triển cao hơn:………………………………. Kết quả đạt ở mức nào ?( hoặc không đạt ) ………………………………………………. Bình Dương, ngày…. tháng…. năm 2014 Giáo viên hƣớng dẫn
XÉ Ủ Á VÊ Ả B ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Bình dƣơng, ngày…. tháng….năm 2014 Giáo viên phản biện
DANH MỤC CÁC KÝ HI U VIẾT TẮT HAuCl 4 : Chloroauric acid. CTAB: Hexadecylcetyltrimethylammonium bromide. NaBH 4 : Sodium borohydride. AA: Acid ascorbic. EFGR: Thụ thể tác nhân phát triển biểu bì. TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua. ( Transmission electron microscopy) UV – vis: Ultra Violet – Visible: Phổ tử ngoại – khả kiến.
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Tạo mầm trong những thời gian khác nhau Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hƣởng của tuổi mầm cho vào giai đoạn phát triển Bảng 2.3: Khảo sát sự thay đổi thể tích mầm Bảng 2.4: Khảo sát sự thay đổi thể tích chất khử acid ascorbic Bảng 2.5: Khảo sát sự thay đổi thể tích chất bảo vệ CTAB Bảng 2.6: Khảo sát sự thay đổi thể tích HAuCl4 Bảng 2.7: Khảo sát sự thay đổi thể tích CTAB Bảng 2.8: Khảo sát sự thay đổi thể tích HAuCl4 Bảng 3.1: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của tuổi mầm cho vào giai đoạn phát triển Bảng 3.2: Kết quả khảo sát sự thay đổi thể tích mầm Bảng 3.3: Kết quả khảo sát sự thay đổi thể tích chất khử acid ascorbic Bảng 3.4: Kết quả khảo sát sự thay đổi thể tích chất bảo vệ CTAB Bảng 3.5: Khảo sát sự thay đổi thể tích HAuCl4 Bảng 3.6: Kết quả khảo sát sự thay đổi thể tích chất bảo vệ CTAB của hãng India Bảng 3.7: Kết quả khảo sát sự thay đổi thể tích HAuCl4
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hình ảnh minh họa về nano Hình 1.2: Chiếc cốc Lycurgu Hình 1.3: Sơ đồ một mô hình hiệu ứng plasmon Hình 1.4: Phổ hấp thụ của vật liệu nano vàng Hình 1.5: Hình ảnh về hạt nano vàng Hình 1.6: Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt của tinh thể Au Hình 1.7: Hạt nano vàng Hình 1.8: Tế bào thần kinh bình thƣờng (trái) và tế bào thần kinh với cặn beta amyloid màu xanh (nằm bên ngoài và xung quanh tế bào thần kinh). Hình 1.9: Kỹ thuật tiêu diệt tế bào ung thƣ với phân tử nano vàng, đƣợc làm nóng. Hình 1.10: Sơ đồ minh họa các thiết bị bộ nhớ (trái) và một hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua các hạt nano vàng (bên phải). Hình 2.1: Máy khuấy từ và pipet Hình 2.2: Máy quang phổ UV – Vis – NIR - V630, JASCO Hình 3.1: Mẫu dung dịch nano vàng khi thay đổi tuổi mầm Hình 3.2: Phổ hấp thụ của các mẫu chứa các hạt nano vàng khi tăng tuổi mầm Hình 3.3: Mẫu dung dịch nano vàng khi tăng thể tích mầm Hình 3.4: Phổ hấp thụ của các mẫu chứa các hạt nano vàng khi tăng thể tích mầm Hình 3.5: Mẫu dung dịch nano vàng khi tăng thể tích acid ascorbic Hình 3.6: Phổ hấp thụ của các mẫu chứa các hạt nano vàng khi tăng thể tích acid ascorbic Hình 3.7: Mẫu dung dịch nano vàng khi tăng thể tích chất bảo vệ CTAB Hình 3.8: Phổ hấp thụ của các mẫu chứa các hạt nano vàng khi tăng thể chất bảo vệ CTAB Hình 3.9: Mẫu dung dịch nano vàng khi tăng thể tích HAuCl4 Hình 3.10: Phổ hấp thụ của các mẫu chứa các hạt nano vàng khi tăng thể tích Hình 3.11: Mẫu dung dịch nano vàng khi tăng thể tích CTAB Hình 3.12: Phổ hấp thụ của các mẫu chứa các hạt nano vàng khi tăng thể tích CTAB Hình 3.13: Mẫu dung dịch nano vàng khi tăng thể tích HAuCl4 Hình 3.14: Phổ hấp thụ của các mẫu chứa các hạt nano vàng khi tăng thể tích HAuCl4 Hình 2.15: Màu của dung dịch hạt nano vàng khi sử dụng CTAB India và Sigma
Ụ Ụ ƢƠ . Ổ Q ....................................................................... 1 1.1. Tổng quan về vật liệu nano ....................................................................... 1 1.2 Hạt nano kim loại ........................................................................................... 2 1.2.1 Khái niệm ................................................................................................. 2 1.2.2. Hiệu ứng bề mặt ...................................................................................... 2 1.2.3. Hiệu ứng kích thước .................................................................................. 3 1.2.4. Hiệu ứng plasmon bề mặt .......................................................................... 4 1.2.5. Tính chất của hạt nano kim loại ................................................................ 6 1.2.6. Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại ................................................ 7 1.3. Hạt nano vàng ................................................................................................. 9 1.3.1. Tổng quan về kim loại vàng (Au) ............................................................... 10 1.3.2. Ứng dụng của hạt nano vàng ..................................................................... 11 ƢƠ . QUY TRÌNH TH C NGHI M........................................................ 18 2.1. Hóa chất – Dụng cụ ...................................................................................... 18 2.1.1. Hóa chất: .................................................................................................... 18 2.1.2. Dụng cụ: ..................................................................................................... 18 2.2. hƣơng pháp phân tích ............................................................................ 19 2.3. Quy trình thực nghiệm................................................................................. 20 2.3.1. Khảo sát sự hình thành nano vàng với CTAB của hãng Sigma................ 21 2.3.2. Khảo sát sự hình thành nano vàng với CTAB của hãng India. ................ 25 ƢƠ . ẾT QUẢ VÀ THẢO LU N .................................................... 27 3.1. Kết quả UV-Vis theo từng loại CTAB ........................................................ 27 3.1.1. Khảo sát sự hình thành nano vàng với CTAB của hãng Sigma. .................. 27 3.1.2. Khảo sát sự hình thành nano vàng với CTAB của hãng India..................... 37 3.2. So sánh kết quả tổng hợp nano vàng với chất bảo vệ CTAB Sigma và CTAB India............................................................................................................. 40
ƢƠ V. KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 42 4.2. Kiến nghị............................................................................................................ 42 4.1. Kết luận ............................................................................................................. 42
1 ƢƠ . Ổ Q 1.1. ổng quan về vật liệu nano Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ: một nano giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của một mét. Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology). Theo Viện Hàn lâm Hoàng gia Anh quốc thì: Khoa học nano: Là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tƣợng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn [7]. Công nghệ nano: Là việc thiết kế, phân tích đặc trƣng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thƣớc trên quy mô nano mét [7]. Hình 1.1: Hình ảnh minh họa về nano Vật liệu nano: Là đối tƣợng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomet. Về trạng thái của vật liệu, các nhà khoa học phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn [7]. GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
2 1.2 ạt nano kim loại 1.2.1 K i niệm Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thƣớc nano đƣợc tạo thành từ các kim loại. Ngƣời ta biết rằng hạt nano kim loại nhƣ hạt nano vàng, nano bạc đƣợc sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus đƣợc ngƣời La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tƣ trƣớc Công nguyên và hiện nay đƣợc trƣng bày ở Bảo tàng Anh. Hình 1.2: Chiếc cốc Lycurgu (Nguồn: www.britishmuseum.org). 1.2.2. Hiệu ứn bề mặ Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số giữa nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ: xét vật liệu tạo thành các hạt nano hình cầu, nếu gọi ns số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử là ns 4 4r o f =  1/ 3  , trong đó ro là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. n n r Nhƣ vậy, nếu kích thƣớc của vật liệu giảm (r giảm) thì số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thƣớc vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thƣớc của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
3 thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thƣớc vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Đây là một trong những đặc điểm cần lƣu ý trong nghiên cứu và ứng dụng [3]. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thƣớc, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngƣợc lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thƣờng bị bỏ qua . Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tƣơng đối dễ dàng [3]. 1.2.3. Hiệu ứn kíc ớc Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên đặc biệt hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với vật liệu, mỗi tính chất của vật liệu đều có một đặc trƣng. Độ dài đặc trƣng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thƣớc nm. Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thƣờng nghe đến ngày nay [3]. Ở vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trƣng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu có thể so sánh đƣợc với nano mét thì tính chất có liên quan bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trƣớc đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó [3]. Ví dụ: Đối với kim loại, quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thƣớc của dây rất lớn so với quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn [3]. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Khi chúng ta thu nhỏ kích thƣớc của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đƣờng 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 lƣợng tử độ e2 dẫn là , trong đó e là điện tích của điện tử, h là hằng số planck. Lúc này hiệu ứng h lƣợng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống nhƣ độ dẫn, Tức là bị GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
4 lƣợng tử hóa do kích thƣớc giảm đi. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển – lƣợng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (gọi tắt là giam hãm các lƣợng tử) [3]. 1.2.4. Hiệu ứng plasmon bề mặt a) Khái niệm hiệu ứng plasmon bề mặt Plasmon bề mặt là những sóng điện từ đƣợc truyền dọc theo mặt tiếp xúc kim loại - điện môi. Ta cũng có thể định nghĩa plasmon bề mặt là sự dao động của điện tử tự do ở bề mặt của hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới. Cƣờng độ điện trƣờng của plasmon bề mặt giảm nhanh theo quy luật hàm mũ khi xa dần mặt tiếp xúc kim loại - điện môi [8]. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thƣớc của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bƣớc sóng của bức xạ tới thì xuất hiện plasmon bề mặt. Khi tần số của photon tới cộng hƣởng với tần số dao động của electron tự do ở bề mặt kim loại thì sẽ xuất hiện hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt [8]. Ánh sáng tới Hạt nano kim loại Bán dẫn Đế Hn 3: Sơ đồ một mô hình hiệu ứng plasmon Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dƣới tác dụng của trƣờng điện từ bên ngoài (nhƣ ánh sáng). Thông thƣờng, các dao động bị dập tắt nhanh chóng do các sai hỏng hay các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc của tinh thể. Khi kích thƣớc của hạt nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử thì hiện tƣợng dập tắt GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
5 không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích. Khi dao động nhƣ vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt làm cho hạt trở thành lƣỡng cực điện. Dao động lƣỡng cực của các điện tử đƣợc hình thành với một tần số f nhất định. Hạt nano vàng có tần số cộng hƣởng trong dải ánh sáng nhìn thấy [8]. b) Vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon Đối với hạt nano vàng, bản chất của phổ hấp thụ không phải do sự dịch chuyển giữa các mức năng lƣợng mà là do hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Khi tần số của sóng ánh sáng tới cộng hƣởng với tần số dao động của các điện tử dẫn trên bề mặt thì đƣợc gọi là hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Khi chiếu ánh sáng tới hạt vàng, dƣới tác dụng của điện trƣờng, các điện tử trên bề mặt hạt đƣợc kích thích đồng thời dẫn tới một dao động tập thể, gây ra một lƣỡng cực điện trên hạt đó. Hình 1.4: Phổ hấp thụ của vật liệu nano vàng Phổ hấp thụ của hạt nano vàng và thanh nano vàng khác nhau do hình dạng và kích thƣớc của chúng khác nhau (hình 1.4). Mie đã đƣa ra các tính toán và chỉ ra rằng phổ hấp thụ của hạt nano vàng dạng hình cầu chỉ có một đỉnh cộng hƣởng Plasmon bề mặt ở bƣớc sóng khoảng 520nm ứng với một dao động lƣỡng cực của điện tử trên bề mặt hạt vàng. GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
6 Vị trí cộng hƣởng cũng phụ thuộc vào kích thƣớc hạt nano. Các hạt keo có kích thƣớc càng lớn thì vị trí đỉnh cộng hƣởng càng dịch chuyển về phía bƣớc sóng dài. Khi thay đổi kích thƣớc hạt, vị trí đỉnh cộng hƣởng có thể dịch chuyển đến vài chục nanomet. 1.2.5. Tín c ấ của ạ nano kim loại Hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trƣng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử cao. a) Tính chất quang học Tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau, đã đƣợc ngƣời La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trƣớc. Các hiện tƣợng đó bắt nguồn từ hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dƣới tác dụng của điện từ trƣờng bên ngoài nhƣ ánh sáng. Thông thƣờng các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quảng đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc. Nhƣng khi kích thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình thì hiện tƣợng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano có đƣợc do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động nhƣ vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lƣỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hƣởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trƣờng xung quanh là yếu tố ảnh hƣởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hƣởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi nhƣ gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hƣởng của quá trình tƣơng tác giữa các hạt [7]. GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
7 b) 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 lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lƣợng 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 thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dƣới tác dụng của điện trƣờng (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 đƣờng I – U là một đƣờng tuyến tính. Khi kích thƣớc của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lƣợng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lƣợng. Hệ quả của quá trình lƣợng tử này đối với hạt nano là I – U [7]. c) Tính chất từ Các kim loại quý nhƣ vàng, bạc,…có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thƣớc thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tƣơng đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trạng thái khối nhƣ các kim loại chuyển tiếp sắt, côban, niken thì khi kích thƣớc nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trƣờng và không có từ tính khi bị ngắt đi, tức là từ dƣ và lực kháng từ hoàn toàn bằng không [7]. d) Tính chất nhiệt Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Nhƣ vậy, nếu kích thƣớc của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2nm có nhiệt độ nóng chảy là 500oC, kích thƣớc 6nm có nhiệt độ nóng chảy là 950oC [7]. 1.2.6. C c p n p p c ế ạo ạ nano kim loại Có hai phƣơng pháp để chế tạo vật liệu nano, phƣơng pháp từ dƣới lên (top – down) và phƣơng pháp từ trên xuống (bottom – up). Phƣơng pháp từ trên xuống là GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
8 phƣơng pháp tạo hạt kích thƣớc nano từ các hạt có kích thƣớc lớn hơn. Phƣơng pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử. a) Phương pháp từ trên xuống. Nguyên lý của phƣơng pháp dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thƣớc nano. Đây là phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền nhƣng khá hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phƣơng pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung, hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu đƣợc là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phƣơng pháp biến dạng đƣợc sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cự lớn (có thể 10) mà không làm phá hủy vật liệu. Nhiệt độ có thể đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào từng trƣờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì đƣợc gọi là biến dạng nóng, còn ngƣợc lại thì đƣợc gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp [10]. b) Phương pháp từ dưới lên Nguyên lý của phƣơng pháp là hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phƣơng pháp từ dƣới lên đƣợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đƣợc chế tạo từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phƣơng pháp hóa – lý.  Phƣơng pháp vật lý: Là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vât liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng pháp vật lý: bốc bay nhiệt ( đốt , phún xạ, phóng điện hồ quang). Phƣơng pháp chuyển pha : vật liệu đƣợc đun nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao
9 chuyển pha vô định hình – tinh thể (kết tinh, phƣơng pháp nguội nhanh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để tạo các hạt nano, màng nano [10].  Phƣơng pháp hóa học Là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phƣơng pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà ngƣời ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp [2]. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: + Hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol – gel,…). + Hình thành vật liệu nano từ pha khí (nhiệt phân,…). Phƣơng pháp này có thể tạo ra các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,..  Phƣơng pháp kết hợp: Là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí,…Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...[10]. 1.3. Hạt nano vàng Hình 1.5: Hình ảnh về hạt nano vàng GVHD: ThS. Nguyễn Thị Nhật Hằng SVTH: Thái Thị Hoa Sao