Luận văn Thạc sĩ Quang học: Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano lai Fe3O4-Ag chế tạo bằng phương pháp điện hóa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài đã tổng hợp thành công hệ vật liệu nano lai Fe3O4-Ag, sử dụng nano bạc điều chế bằng phương pháp điện hóa; nghiên cứu tính chất quang của hệ vật liệu trên và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn gây bệnh đường ruột Escherichia coli (E.coli) của hệ vật liệu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Quang học: Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano lai Fe3O4-Ag chế tạo bằng phương pháp điện hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Nguyễn Thị Lý TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO LAI Fe3O4 – Ag CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC Thái Nguyên – 2018 i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Quang Huy, người thầy đã nhiệt tình chỉ bảo, định hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi về mặt khoa học để tôi hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Đào Trí Thức – NCS Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, cô Nguyễn Thanh Thủy và anh Phạm Văn Chung – Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương đã chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình trong quá trình tôi thực hiện đề tài. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí – Công Nghệ, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên; Ban Giám hiệu, tổ Lí – Hóa – Công nghệ trường THPT Hưng Yên đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ để tôi hoàn thành đề tài này. Tôi cũng xin chân thành cám ơn tới Ban giám đốc; Ban chủ nhiệm khoa; PTN Siêu cấu trúc và các anh chị thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương đã tạo mọi điệu kiện về cơ sở vật chất, hỗ trợ về chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ và cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Tôi xin chân thành cám ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lý ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự giúp đỡ về mặt chuyên môn của anh Đào Trí Thức – NCS trường Đại học Sư phạm Hà Nội, cùng với sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Quang Huy. Kết quả khóa luận là trung thực và không sao chép từ bất cứ tài liệu nào. Những nội dung khóa luận có tham khảo và sử dụng các tài liệu đã công bố trên các tạp chí và các trang web uy tín. Các trích dẫn đều được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lý iii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ................................................... vii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ........................................................................... 4 1.1 Công nghệ nanô ........................................................................................ 4 1.1.1. Đặc tính của nano bạc ..................................................................... 4 1.1.2. Ứng dụng của nano bạc ................................................................... 7 1.2. Nano từ Fe3O4 ...................................................................................... 10 1.3. Hệ vật liệu nano lai sắt từ - bạc (Fe3O4 – Ag)................................... 15 1.4. Phương pháp chế tạo hệ nano lai Fe3O4-Ag ..................................... 16 1.4.1. Phương pháp hóa học .................................................................... 16 1.4.2 Phương pháp vật lí .......................................................................... 18 1.4.3 Phương pháp quang hóa ................................................................. 19 1.5 Lý do lựa chọn tổng hợp hệ vật liệu nano lai Fe3O4-Ag bằng phương pháp điện hóa ............................................................................................. 21 1.6 Kết luận ................................................................................................. 22 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP......................................... 22 2.1 Vật liệu .................................................................................................. 22 2.1.1 Hóa chất, nguyên vật liệu................................................................ 22 2.1.2 Thiết bị ............................................................................................. 23 2.2 Quy trình tổng hợp nano bạc.............................................................. 23 2.3 Quy trình tổng hợp nano từ Fe3O4 ..................................................... 25 2.4 Quy trình tổng hợp nano lai Fe3O4-Ag .............................................. 26 2.5 Khảo sát đặc trưng của nano Fe3O4-Ag ............................................. 28 iv
2.5.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis .............................................. 28 2.5.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................. 29 2.5.3 Phương pháp đo thế Zeta ................................................................ 31 2.5.4 Phương pháp phân tích thành phần (EDX) .................................... 33 2.5.5 Phương pháp nhiễu xạ tia X ............................................................ 34 2.5.6 Phương pháp đo từ kế mẫu rung (VSM) ......................................... 35 2.6 Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của nano lai Fe3O4-Ag ................. 37 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................. 37 3.1 Phổ UV-vis của nano lai Fe3O4–Ag .................................................... 38 3.1.1 Nano Ag chế tạo bằng phương pháp điện hóa ................................ 38 3.1.2 Nano Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa.................... 40 3.1.3 Nano lai Fe3O4-Ag........................................................................... 40 3.2 Hình thái và thành phần của nano lai Fe3O4-Ag .............................. 44 3.3 Nhiễu xạ tia X của nano lai Fe3O4-Ag ................................................ 48 3.4 Thế Zeta của nano lai Fe3O4-Ag ......................................................... 50 3.5 Tính chất từ của nano lai Fe3O4-Ag ................................................... 51 3.6 Hoạt tính kháng khuẩn của nano lai Fe3O4-Ag ................................ 52 3.7 Kết luận ................................................................................................. 55 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 56 KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 58 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ................................................... 66 v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Ag 0h Nano bạc ngay sau khi quá trình điện hóa hóa hoàn tất 2. Ag 5h Nano bạc sau 5 giờ khi quá trình điện hóa hoàn tất 3. Ag 24h Nano bạc sau 24 giờ khi quá trình điện hóa hoàn tất 4. Fe3O4- Ag 0h Nano lai Fe3O4- Ag sử dụng nano bạc ngay sau khi quá trình điện hóa hoàn tất 5. Fe3O4- Ag 5h Nano lai Fe3O4- Ag sử dụng nano bạc sau 5 giờ khi quá trình điện hóa hoàn tất 6. Fe3O4- Ag 24h Nano lai Fe3O4- Ag sử dụng nano bạc sau giờ 24 khi quá trình điện hóa hoàn tất 7. UV-vis Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến 8. TEM Hiển vi điện tử truyền qua 9. EDX Tán xạ năng lượng tia X 10. VSM Từ kế mẫu rung 11. XRD Giản đồ nhiễu xạ tia X 12. AgNPs Nano bạc vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc (nguồn: Internet) ..................... 6 Hình 1.2: Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn bằng lực bám hút tĩnh điện và phá vỡ cấu trúc màng (nguồn Internet) ................................................ 7 Hình 1.3: Một ứng dụng của nano bạc trong may mặc (nguồn: Internet)..... 10 Hình 1.4: Mô hình lõi vỏ của một hạt nano từ [37] ....................................... 12 Hình 1.5: Các phần tử mang thuốc trong mạch máu (1) thấm qua mạch máu bệnh lý (2) vào khoảng trống khối u (3) và giải phóng thuốc(4) .................... 13 Hình 1.6: Quy trình 2 bước tổng hợp hệ vật liệu lai Fe3O4 – Ag [7]............. 20 Hình 2.1: Mô hình hệ điện hóa tổng hợp nano Ag ………………………...24 Hình 2.2: Hệ điện hóa thực tế điều chế nano bạc .......................................... 24 Hình 2.3: Quy trình tổng hợp nano lai Fe3O4-Ag ........................................... 27 Hình 2.4: Máy đo phổ UV-vis (HALO DB-20series) ..................................... 29 Hình 2.5: Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, JEOL) ...................... 30 Hình 2.6: Thiết bị đo thế Zeta (Malvern - UK) ............................................. 32 Hình 2.7: Thiết bị phân tích EDX (EMAX-Horiba) gắn trên kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi) (Nguồn: Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương)........... 33 Hình 2.8: Máy nhiễu xạ tia X (D8-Advance, Bruker) (Nguồn: Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) ................... 34 Hình 2.9: Máy đo từ kế mẫu rung (VSM) (MicroSence EZ9 -Mỹ) ................. 36 Hình 3.1: Phổ UV-vis của dung dịch nano bạc sau chế tạo bằng phương pháp điện hóa ứng với các thời điểm 0h, 5h và 24h………………………………….38 Hình 3.2: Phổ UV-vis của dung dịch nano từ Fe3O4 ..................................... 40 Hình 3.3: Phổ UV-vis của dung dịch nano bạc, Fe3O4 và nano lai Fe3O4-Ag sau thời gian điện hóa 0 giờ............................................................................ 41 Hình 3.4: Phổ UV-vis của dung dịch nano bạc, Fe3O4 và nano lai Fe3O4-Ag sau thời gian điện hóa 5 giờ............................................................................ 42 vii
Hình 3.5: Phổ UV-vis của dung dịch nano bạc, Fe3O4 và nano lai Fe3O4-Ag sau thời gian điện hóa 24h. ............................................................................. 43 Hình 3.6: Hình ảnh TEM của nano bạc sau khi điện hóa 5h (a) và 24h (b). 45 Hình 3.7: Phổ EDX của hạt nano Ag 5h ....................................................... 46 Hình 3.8: Hình ảnh TEM của nano Fe3O4 (a) và nano lai Fe3O4-Ag5h(b).. 47 Hình 3.9: Phổ EDX của vật liệu nano lai Fe3O4-Ag ...................................... 48 Hình 3.10: Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano Fe3O4 ....................................... 49 Hình 3.11: Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano từ Fe3O4 (a) và nano lai Fe3O4- Ag sau thời gian điện hóa 0 h (b), 5h (c),24h (d). .......................................... 50 Hình 3.12: Thế Zeta của nano lai Fe3O4-Ag 5h ............................................ 51 Hình 3.13: Đường cong từ hóa của Fe3O4 và nano lai Fe3O4-Ag 5h ........... 52 Hình 3.14: Vi khuẩn E.coli dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (a) và thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của nano lai Fe3O4-Ag 0h, 5h và 24h (b) ..... 53 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Đường kính vòng tròn kháng khuẩn của các mẫu: nước cất, nano Ag và nano lai 0h, 5h, 24h .............................................................................. 54 viii
MỞ ĐẦU Những năm gần đây vật liệu nano lai được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu và phát triển, do loại vật liệu này có khả năng kết hợp được tính chất đặc thù của các vật liệu thành phần [1,2]. Vật liệu nano lai có tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như điện tử, xúc tác, quang tử, công nghệ sinh học, công nghệ xử lý môi trường… [3,4]. Đối với hệ vật liệu nano lai Fe3O4-Ag (sắt từ - bạc), các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi tích hợp giữa nano Fe3O4 với nano Ag, đỉnh phổ hấp thụ thay đổi theo kích thước và hình dạng của Ag [5]. Trong lĩnh vực quang xúc tác hay xử lý môi trường, Fe3O4 có khả năng hấp thụ kim loại nặng và hiệu suất chuyển đổi quang cao. Bên cạnh đó, Ag có đặc tính kháng khuẩn cao, nên chúng có thể bổ trợ khả năng kháng/ diệt khuẩn một cách đáng kể [6]. Mặt khác, nhờ có từ tính của Fe3O4 nên hệ nano lai có thể thu hồi và tái sử dụng, góp phần giảm thiểu tác động đến ô nhiễm môi trường. Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu nano lai Fe3O4-Ag [5,7]. Thông thường, các hạt nano từ Fe3O4 được tổng hợp một cách độc lập bằng phương pháp vi nhũ tương, đồng kết tủa, mixel đảo, khử polyol hay nhiệt phân [7], sau đó chúng được phân tán và chức năng hóa bề mặt với các dung môi thích hợp nhằm bao bọc và ngăn cản sự kết đám. Quy trình này đảm bảo tạo ra dung dịch nano ổn định về mặt từ tính, kích thước và độ phân tán trước khi đem kết hợp với nano bạc. Việc gắn kết này chủ yếu được thực hiện bằng cách khử muối bạc (AgNO3) bằng các chất khử mạnh như NaBH4 hay glucozơ trong dung dịch nano sắt từ đã được điều chế trước đó. Tuy nhiên, các phương pháp trên có thể vẫn còn những hóa chất tồn dư trong quá trình khử nano bạc trên bề mặt hạt từ, giá thành và sự sẵn có của muối bạc cũng là một vấn đề cần quan tâm. Ngoài ra, quy trình cũng khó kiểm soát được sự hình thành nano bạc (kích thước và hình thái) khi lai với hạt nano từ. Năm 2016, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã công bố trên tạp chí Materials Letters quy trình chế tạo nano bạc từ thanh 1
bạc khối sử dụng phương pháp điện hóa. Trong phương pháp này, ion bạc được bứt ra từ cực anot đi đến catot thông qua dung dịch chứa các phân tử muối natri citrate. Nhờ tác động của động năng quay, trong quá trình dịch chuyển, ion bạc nhận một electron từ muối citrate hoặc từ catốt để hình thành nguyên tử bạc, các nguyên tử này kết hợp với nhau hình thành tinh thể và tạo mầm để phát triển thành các hạt nano. Giả thiết rằng, trong quá trình hình thành các hạt nano, khi cho tiếp xúc với hạt nano từ, chúng sẽ gắn và tạo mầm tinh thể ngay trên bề mặt hạt nano từ này, hình thành lên 1 lớp nano Ag hoặc (các) hạt Ag bám dính với hạt từ. Từ những lý do trên, với điều kiện thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm, tôi chọn nội dung nghiên cứu: “Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano lai Fe3O4-Ag chế tạo bằng phương pháp điện hóa” làm đề tài luận văn. Nghiên cứu này nhằm đưa ra một hệ lai với phương pháp chế tạo không quá phức tạp, và đặc biệt sản phẩm hướng tới khi ứng dụng để xử lý môi trường chứa các mầm bệnh truyền nhiễm. Mục tiêu nghiên cứu: - Tổng hợp thành công hệ vật liệu nano lai Fe3O4-Ag, sử dụng nano bạc điều chế bằng phương pháp điện hóa. - Nghiên cứu tính chất quang của hệ vật liệu trên và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn gây bệnh đường ruột Escherichia coli (E.coli) của hệ vật liệu. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm Bố cục luận văn:  Mở đầu  Chương 1: Tổng quan Giới thiệu sơ bộ về nano bạc, nano oxit sắt từ Fe3O4 và đặc tính của chúng. Trình bày tổng quan về các phương pháp chế tạo hệ vật liệu nano lai từ - bạc Fe3O4-Ag và ứng dụng. Tổng hợp tài liệu công bố mới nhất để chỉ ra 2
ưu nhược điểm của các phương pháp chế tạo vật liệu nano lai từ - bạc hiện có và đề xuất vấn đề nghiên cứu mà luận văn sẽ giải quyết.  Chương 2: Vật liệu và phương pháp Trình bày về nguyên vật liệu, hóa chất, trang thiết bị thí nghiệm cần thiết; quy trình tổng hợp vật liệu nano lai Fe3O4-Ag bằng phương pháp điện hóa. Thực hiện các phép đo như: UV-vis, TEM, EDX, XRD, thế Zeta, VSM để nghiên cứu về hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học, khảo sát tính chất quang và từ của hệ vật liệu. Phương pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn được dùng là phương pháp khuếch tán đĩa thạch.  Chương 3: Kết quả và bàn luận Trình bày kết quả về những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành, cấu trúc, hình thài, phân tích các tính chất hình thành, các đặc trưng quang học và thử nghiệm khả năng kháng vi khuẩn gây bệnh đường ruột (E.coli) của nano lai Fe3O4-Ag chế tạo được.  Kết luận chung và kiến nghị Tóm tắt những kết quả nổi bật mà luận văn đã đạt được. Những kiến nghị của luận văn. 3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ nanô Hơn hai thập kỉ trở lại đây, khoa học và công nghệ nano được quan tâm và phát triển một cách mạnh mẽ. Công nghệ này nghiên cứu và chế tạo ra vật liệu có kích thước nhỏ cỡ nano mét (1 – 100nm). Ở dải kích thước này, vật liệu bộc lộ nhiều đặc tính mới lạ mà ở kích thước khối của chúng không có được [8]. Khi ở kích thước nano mét, số nguyên tử nằm trên bề mặt vật liệu chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Do vậy, những hiệu ứng liên quan đến bề mặt trở nên quan trọng, làm cho tính chất của vật liệu có sự khác biệt so với vật liệu ở dạng khối [9]. Trong lĩnh vực công nghệ nano, nano bạc được đặc biệt quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng phục vụ đời sống của con người. 1.1.1. Đặc tính của nano bạc Tính chất quang học Tính chất quang của nano bạc bắt nguồn từ điện tử tự do khi hấp thụ ánh sáng. Kim loại có mật độ điện tử tự do lớn, các điện tử này sẽ dao dộng duới tác dụng của điện từ truờng ngoài. Bình thuờng, các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại, khi quãng đuờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước của chúng có thể dẫn đến các dao động bị dập tắt nhanh chóng. Khi quãng đường tự do trung bình lớn hơn kích thuớc của kim loại thì hiện tượng dập tắt không còn nữa, điện tử sẽ dao dộng cộng hưởng với ánh sáng kích thích [6,10]. Tính chất quang của hạt nano bạc có được do sự dao dộng tập thể của các điện tử, dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao dộng như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano, làm cho chúng bị phân cực điện, tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng huởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước của 4
hạt và môi truờng xung quanh. Ngoài ra, nồng độ hạt nano cũng ảnh huởng đến thuộc tính chất quang học của chúng. Nếu nồng độ loãng thì có thể coi gần như hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh huởng của quá trình tương tác giữa các hạt. Tính chất điện Bạc có tính dẫn điện tốt do có mật độ điện tử tự do cao. Ðối với vật liệu khối, các lý luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng luợng của chất rắn. Ðiện 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). Các điện tử chuyển động trong kim loại duới tác dụng của điện truờng có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng giam cầm điện tử làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng luợng. Hệ quả của quá trình luợng tử hóa này đối với hạt nano bạc là tương quan I – U không còn tuyến tính nữa, mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade), làm cho đuờng I – U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một luợng 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 bạc với điện cực. Tính kháng khuẩn Hiện nay, tính kháng khuẩn của nano Ag đã được khẳng định nhưng cơ chế kháng khuẩn của nó thì chưa thống nhất. Có ba quan điểm chính: - Quan điểm thứ nhất: Bạc tác dụng trực tiếp lên màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn. Màng này có cấu trúc gồm các glycoprotein được liên kết với nhau bằng cầu nối axit amin để tạo độ cứng. Ion bạc vừa được giải phóng ra từ bề mặt hạt nano, chúng tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào, dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Các tế bào động vật – tế bào nhân chuẩn thuộc nhóm sinh vật bậc cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào nhân sơ - vi khuẩn. Tế bào nhân chuẩn có 5
hai lớp lipoprotein với các liên kết đôi bền vững có khả năng cho điện tử. Do đó cản trở các ion bạc xâm nhập, vì vậy chúng ít bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion bạc. Điều này có nghĩa nano bạc hầu như không gây hại đến con người và động vật nói chung. Hình 1.1: Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc (nguồn: Internet) - Quan điểm thứ hai: khi ion Ag+ tương tác với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh, nó sẽ phản ứng với nhóm Sunphohydril - SH của phân tử enzym vận chuyển oxy và vô hiệu hóa enzym này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn [11,63,64]. Các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxy nguyên tử siêu hoạt tính trên bề mặt của hạt nano bạc: 2Ag+ + O2-  2Ag0 + O0 - Quan điểm thứ ba: Tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang tích âm của tế bào vi khuẩn và ion 6
Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn, tương tác và ức chế các bào quan và vật liệu di truyền, dẫn đến tế bào bị vô hiệu hóa [11]. Hình 1.2: Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn bằng lực bám hút tĩnh điện và phá vỡ cấu trúc màng (nguồn: Internet) Trong ba quan điểm trên, thì quan điểm thứ hai về cơ chế tác động của nano bạc lên tế bào nhân sơ (đơn bào) được hầu hết các nhà khoa học thừa nhận. Khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc là kết quả của quá trình biến đổi (giải phóng liên tục) các nguyên tử bạc kim loại trên bề mặt hạt nano thành các ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vi khuẩn và diệt khuẩn theo những cơ chế đã nói ở trên. 1.1.2. Ứng dụng của nano bạc Công nghệ nano và nano bạc đã được ứng dụng trong đời sống những năm gần đây, tạo nên những bước nhảy vọt đột phá trong ngành y tế, điện tử, tin học, thiết bị gia dụng, thực phẩm và hàng tiêu dùng… Dựa trên những công bố trên các tạp chí uy tín về nano bạc [12,13], có thể thấy chúng có nhiều lợi ích như: 7
- (1) Có khả năng diệt hơn 650 loại vi khuẩn, vi rút và nấm thường gặp nên có thể thay thế một số kháng sinh truyền thống và thuốc. - (2) Độc tính rất thấp đối với tế bào nhân chuẩn, an toàn cho người và động vật. - (3) Có thể ứng dụng để tạo ra các chế phẩm phòng bệnh sử dụng cả bên trong và ngoài cơ thể. - (4) Nguồn nhiên liệu dễ kiếm, chi phí có thể tiết kiệm. a) Hiệu ứng diệt khuẩn Nano bạc có kích thước từ 1 – 10 nm có hoạt tính rất mạnh đối với vi khuẩn. Với kích thước nhỏ thì nano bạc có khả năng dễ dàng tác động và thâm nhập qua lớp màng của vi khuẩn. Ở kích thước nano thì diện tích bề mặt của vật liệu lớn hơn rất nhiều so với ở dạng khối, làm cho khả năng tương tác với vi khuẩn tăng lên [14,15]. Các nano kim loại ở kích thước 5nm chúng sẽ có khả năng gây nên các hiệu ứng lượng tử. Đó là sự biến đổi cấu trong trúc điện tử của bề mặt. Khả năng hoạt động của bề mặt hạt nano phân tử được tăng cường mạnh mẽ. Kích thước hạt nano giảm thì phần trăm tiếp xúc của các phân tử tương tác tăng lên [16]. Các hạt nano bạc thường có dạng hình khối, số lượng các mặt hình khối cho thấy khả năng tác dụng với vi khuẩn ở mức độ cao hay thấp. Số lượng mặt càng nhiều thì khả năng diệt khuẩn càng cao. Đồng thời, trong quá trình sử dụng hạt nano bạc thường ở trong dung dịch phân tán. Nơi mà một lượng nhỏ ion bạc đã được che dấu và đóng góp một phần cho khả năng diệt khuẩn của phân tử nano bạc [17]. 8
b) Xử lý môi trường Làm chất xúc tác Trong xúc tác, với diện tích bề mặt lớn và năng lượng bề mặt cao là một lợi thế của nano bạc. Khi được làm xúc tác thì các hạt nano được phủ lên các chất mang như silica phẳng … chúng có tác dụng giữ cho các hạt nano bạc bám trên các chất mang. Đồng thời, có thể làm tăng độ bền, tăng tính chất xúc tác, bảo vệ chất xúc tác khỏi quá nhiệt cũng như kết khối cục bộ giúp kéo dài thời gian hoạt động của chất xúc tác. Ngoài ra, hoạt tính xúc tác có thể điều khiển bằng kích thước của các hạt nano bạc dùng làm xúc tác [18,19]. Xúc tác nano bạc được ứng dụng trong việc oxi hóa các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa ethylen thành ethylen oxit dùng cho các phản ứng khử các hợp chất nitro, làm chất phụ gia cải tiến khả năng xử lý NO và khí CO của xúc tác FCC. Ngoài ra, xúc tác nano bạc còn dùng làm xúc tác trong phản ứng khử thuốc nhuộm bằng NaBH4,… [19] Xử lý nước thải Để xử lý nguồn nước, thông thường người ta hay dùng các tác nhân hóa học như: clo, các dẫn xuất của nó, idod. Hoặc sử dụng các tác nhân vật lý: tia UV, bức xạ. Hay các chất khác như các màng zeolit, polyme, ion kim loại… có khả năng diệt khuẩn. Bên cạnh đó, việc sử dụng các hạt nano kim loại trong lĩnh vực này cũng là hướng đi mới và hứa hẹn nhiều tiềm năng lớn [20]. Hiện nay, người ta sử dụng PU có bao phủ bạc tạo ra loại màng lọc nước có tính năng diệt khuẩn cao [21,22]. c) Trong ngành dệt may Khi đưa nano bạc vào xơ sợi thì các hạt nano bạc có khả năng bám dính phân tán và phân tán vào trong vải sợi như cotton, pan, polyeste, polyeste/cotton, PP/PE, polyamid, len, silk và nylon… [23]. 9
Hình 1.3: Một ứng dụng của nano bạc trong may mặc (nguồn Internet) Ngoài ra nano bạc còn được ứng dụng trong các sản phẩm dệt may khác như: quần áo, găng tay dùng trong y tế và các sản phẩm tránh mùi hôi. d) Trong sản xuất sơn Nano bạc có thể được dùng để thay thế chất bảo quản hóa học trong sơn và tạo bề mặt kháng khuẩn, diệt nấm mốc từ bên trong, tăng tuổi thọ màng sơn và nâng cao sức khỏe cho con người [24]. e) Trong ngành hóa mỹ phẩm Nano bạc có thể dùng để thêm vào nước xả vải, bảo vệ quần áo chống nấm mốc, vi khuẩn và giúp quần áo bền lâu [25]. f) Trong nông nghiệp Nano cũng được quan tâm để tạo ra các chế phẩm để tiêu diệt và ngăn chặn các mầm bệnh do vi khuẩn, vi rút và nấm gây ra trên cây trồng, vật nuôi, bảo quản nông sản [26]. 1.2. Nano từ Fe3O4 Nano từ Fe3O4 cũng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống do khả năng điều khiển được cũng như các đặc tính đặc biệt khác của vật liệu này [27,28]. 10
Tính chất siêu thuận từ: Nano từ Fe3O4 có đường kính nhỏ hơn 20-30 nm, thể hiện tính siêu thuận từ, chúng dễ bị từ hóa trong từ trường và không bị từ hóa khi không bị tác động bởi từ trường. Một tính chất thú vị, đó là khi chịu tác động của một từ trường bên ngoài, các hạt từ cũng có khả năng bị nóng lên. Hiện tượng này có thể do sự mất năng lượng trong quá trình khử từ - mất điện năng [29]. Tính chất đặc biệt này được khác để điều trị ung thư bằng cách đốt nhiệt có chọn lọc. Trong tự nhiên, ở nhiệt độ phòng, sắt là vật liệu có từ độ bão hòa lớn, chúng không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí. Chính vì vậy nano từ được quan tâm nghiên cứu nhiều để ứng dụng trong việc xử lý môi trường nước bị ô nhiễm [30,31,32]. Khi kích thước hạt giảm xuống tới một giới hạn nhất định, độ từ dư không còn được giữ theo các định hướng xác định bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng từ tinh thể của hạt nữa. Trong trường hợp này, tương tự như chuyển động Brown, năng lượng nhiệt cũng đủ để làm cho các mô men từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ thậm chí ngay ở nhiệt độ phòng. Các chuyển động nhiệt của các phân tử là hỗn loạn và bù trừ nhau khi xét trên toàn hệ - trên toàn không gian, hoặc đối với một hạt khi xét trên toàn thời gian. Nói chung, các hạt từ tính trở thành siêu thuận từ ở kích thước nano, làm cho chúng trở nên đặc biệt [29,33]. Tương tự như các chất sắt từ, đường cong từ hóa M-H của các chất siêu thuận từ cũng có hai đặc điểm cơ bản. Thứ nhất: tiến tới bão hòa theo định luật Langevin. Thứ hai: không có hiện tượng trễ, tức là lực kháng từ bằng 0. Quá trình khử từ của các chất siêu thuận từ xảy ra không cần lực kháng từ, vì đó không phải là quá trình tác dụng của từ trường ngoài, mà do tác dụng của năng lượng nhiệt. Khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nano mét thì số nguyên tử trên bề mặt lớn hơn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng 11
vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ. Hiệu ứng bề mặt làm giảm mômen từ bão hòa và là nguyên nhân chính đóng góp vào giá trị dị hướng tổng cộng trong các hạt nano Fe3O4 [34,35,36]. Hình 1.4: Mô hình lõi vỏ của một hạt nano từ [37] Các hạt nano từ được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng nhưng phần vỏ lại có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion [37]. Do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi. Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộ thể tích của hạt làm mômen từ giảm, dẫn đến giá trị từ độ bão hòa trong các hạt nano oxit sắt thường nhỏ hơn trong vật liệu khối. a) Ứng dụng trong y sinh Nano từ cũng đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển để trở thành những hệ mang dẫn thuốc hướng đích nhằm tiêu diệt tế bào ung thư mà không ảnh hưởng tới tế bào thường [38]. Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe cũng bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế, việc sử dụng các hạt từ mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông 12