Các hướng chế tạo vật liệu nano
Hình 1
Vật liệu nano lai cơ kim không chỉ đại diện cho sự thay thế đầy sáng tạo trong thiết kế vật liệu và các hợp chất mới trong nghiên cứu hàn lâm mà còn cho phép triển khai một cuộc cách mạng ứng dụng công nghiệp. Ngày nay, hầu hết các vật liệu lai đang có mặt trong thị trường là được tổng hợp và xử lý dựa trên kỹ thuật của hóa học trong thập niên 80 của thế kỷ 20. Các quá trình bao gồm :
a) Đồng trùng hợp các silan hữu cơ, đại phân tử monomer, alkoxide kim loại
b) Áo bọc các chất hữu cơ bằng các silica hoặc alkoxie kim loại có xuất xứ từ quá trình sol-gel
c) Chức hoá hữu cơ lên độn nano, nano clay, hoặc các hợp chất có cấu trúc tấm
Những thế hệ mới các vật liệu nano này phát triển liên tục thông qua các nghiên cứu hàn lâm đã và đang là những quả ngọt cho các ứng dụng đầy lợi nhuận trong các lĩnh vực quang học, điện tử, truyền dẫn ion thể rắn, cơ khí, năng lượng, môi trường, sinh học, y học. Các ứng dụng cụ thể có thể thấy như màng lọc, thiết bị tách, màng phủ thông minh, pin nhiên liệu, tế bào mặt trời, chất xúc tác, cảm biến,v.v…
Các chiến lược chung trong chế tạo các vật liệu nano mang chức.
Có ba hướng chính A, B, C độc lập trong chủng loại, ứng dụng , bản chất giao diện giữa các phần hữu cơ-vô cơ, cơ chế tổng hợp hóa học được dùng trong chế tạo vật liệu nano. (hình 1)
Hướng A liên quan đến hóa học sol-gel, sử dụng các tác chất đa chức và tạo cầu nối, tổng hợp sử dụng các điều kiện thủy nhiệt.
A1: Tổng hợp sol-gel.
Thông qua các cơ chế tổng hợp sol-gel kinh điển, chúng ta có mạng vật liệu lai vô định hình. mạng này hình thành từ quá trình thủy phân các alkoxide kim loại đã được biến tính phần hữu cơ hoặc các alide kim loại, và alide kim loại đã được ngưng tụ với alkoxide kim loại. Dung môi có thể chứa các phân tử hữu cơ, phân tử sinh học hoặc polymer đa chức mà nó có thể tạo nới ngang hoặc tương tác với hoặc bị giữ lại bên trong phần vô cơ của vật liệu nano lai nhờ các tương tác ( liên kết hydro, tương tác p-p, lực Val der Waals). Hướng này đơn giản, rẻ, và tạo ra vật liệu nano lai vô định hình. Các vật liệu này cho cấu trúc micro không xác định, trong suốt và dễ định hình dạng màng hay khối. Chúng có kích thước đa phân tán và không đồng nhất trong thành phần hóa học. Tuy nhiên vật liệu tổng hợp từ hướng này rẻ, đa dụng, có nhiều tính chất cơ lý đáng quan tâm và đang có ứng dụng thương mại trong dạng màng hay khối monolith. Hiện tại, việc kiểm soát cấu trúc cục bộ hoặc bán cục bộ cũng như mức độ tổ chức của vật liệu loại này là các vấn đề quan trọng trong việc tạo ra những tích chất như ý.
A2: Sử dụng tác chất đã tạo cầu nối.
Các chất đã tạo cầu nối như silsesquioxane X3Si–R9–SiX3 với R9 là chất bắt cầu gốc hữu cơ , X là các gốc Cl, Br , OR. Sử dụng những chất này cho phép chế tạo các vật liệu lai cơ kim với độ đồng nhất mức phân tử và có tổ chức cục bộ tốt hơn. Sự kết hợp các thành phần cầu nối gốc hữu cơ của các nhóm alkyl, vòng thơm, và ure giúp quá trình tự kết nối tốt hơn nhờ khả năng tạo mạng liên kết hydro mạnh và sắp xếp hiểu quả qua các tương tác p-p của các nửa phân đoạn hữu cơ.
A3: Tổng hợp thủy nhiệt
Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt trong dung môi phân cực (nước , formamide,v.v…) với sự có mặt các phân tử khuôn gốc hữu cơ cho ra các sản phẩm zeolite. Các sản phẩm này có diện tích bề mặt rất cao. Một số vật liệu zeolite lai mang tính từ hoặc điện. Sản phẩm có cấu trúc khung cơ-kim (metal organic framwork- MOF) đi từ phương pháp này hiện đang là ứng cử viên cho các ứng dụng xúc tác và hấp phụ khí.
Hướng B liên quan đến hóa học kết nối (hướng B1) , hoặc sự phân tán (hướng B2) các khối nano đã được hình thành sẵn (well-defined nanobuilding block- NBB). Các khối nano hình thành sẵn là các phần tử được hiệu chỉnh cấu trúc và sẵn sàng tích hợp vào vật liệu nền. Những NBB có thể là các chùm hay bó phân tử, hạt nano được gắn trước hay cố định các nhóm chức hữu cơ ( oxyt kim loại, kim loại,oxyt các nguyên tố nhóm VI, các hợp chất dạng nano vỏ-lõi hoặc nano lớp (đất sét, các hydroxyt lưỡng lớp, các phospate dạng lớp, oxide các nguyên tố nhóm VI). Những NBB này có khả năng chèn tách vào các thành phần hữu cơ. Bên cạnh đó, chúng có thể được bọc các ligand hoặc kết nối với các chất bắt cầu gốc hữu cơ, chẳng hạn các phân tử telechelic hoặc polymer hoặc dendrimer đã chức hóa. Sử dụng những nhóm chất đã định sẵn cấu trúc này cho ưu điểm:
-
Chúng khá trơ với sự thủy phân hoặc sự tấn công của các phần tử ái nhân.
-
Các NBB có kích thước nano, đa phân tán, và với cấu trúc định sẵn rõ sẽ tạo dựng tốt các tính chất của vật liệu cuối cùng.
Sự đa dạng các NBB về bản chất, cấu trúc, và độ chức và các liên kết cho phép tạo nên các kiến trúc giao diện cơ-kim khác nhau tương ứng đến các kiểu tổ hợp khác nhau. Ngoài ra, tổng hợp theo từng bậc cho phép kiểm soát tốt các cấu trúc trung gian trong quá trình. Nhóm vật liệu đi từ sử dụng NBB quan trọng là vật liệu dùng đất sét nano. Chúng đã được thương mại hóa từ những kết quả chèn tách, trương nở và ly tán các đất sét nano.
Hướng C Tự tổ hợp -lắp ghép.
C1: Tố chức , tạo dạng mạng lai cơ-kim bằng các chất hoạt động bề mặt hữu cơ
Trong mười năm qua, hướng tổng hợp mới này được khảo sát và nghiên cứu kỹ và đem lại sự thành công trong phát triển vật liệu lai. Sự thành công này liên quan đến khả năng kiểm soát và tinh chỉnh các giao diện cơ-kim. Trong lĩnh vực này, các pha cơ-kim được quan tâm tới vì sự đa dụng của chúng trong việc xây dựng nên một phạm vi rộng các loại nanocomposite. Nanocomposite từ lĩnh vực này có thể là loại phân tán trật tự cao các khối vô cơ vào nền hữu cơ hay là loại vật liệu nanocomposite có sự dung nạp có kiểm soát cao ở mức nano độ các polymer hũu cơ vào trong nền vô cơ. Một trong số chúng là vật liệu đi từ tổng hợp mạng lai có cấu trúc meso.
(tiếp theo)
Hướng C2 sử dụng tác chất silsesquioxane đã được tạo cầu nối để tạo vật liệu lai xốp meso có khung ghép. Bước tiếp cận này tạo ra họ vật liệu mới các silica lai có tổ chức meso xốp mang nhóm chức hữu cơ bên trong vỏ silica. Vật liệu nano xốp này có trật tự cao và độ xốp meso cho phép thực hiện các phản ứng gắn chức hữu cơ lên bề mặt tiếp theo.
Hướng C3 liên quan đến sự kết hợp quá trình tự tổ hợp-gắn kết và cách xây dựng các khối nano NBB. Hướng này cho phép chúng ta có thể kiểm soát tốt các bước tổ hợp -gắn kết. Chúng hết sức quan trọng trong việc khảo sát nền tảng tổng hợp vật liệu bằng sự xây dựng kết cấu. Hướng này cho thấy sự đa dạng các giao diện trong cấu trúc giữa các phần vô cơ và hữu cơ ( nối đồng hóa trị, phức, tương tác tĩnh điện, v.v…). Các khối NBB cũng tạo ra ngành hóa học chuyên về lắp ghép phân tử thông qua các qua trình nhận dạng mức phân tử.
Ở nhà chưa thấy ai để cập đến Aerosol nhỉ?
Ý kiến hay đó, bạn có thể post vấn đề này trong mục chế tạo vật liệu nano để mọi người cùng học hỏi. OK?
Thân,
Em vào đây cũng chỉ muốn học hỏi. Tuy nhiên em chưa thấy ai nói về vấn đề này. Em xin mạn phép viết ra chút ít về Aerosol.
Aerosol được các Từ điển chuyên nghành dịch là “Sol khí”. Tuy nhiên bản thân em thì không thich dùng thuật ngữ Sol khí thay vào đó là “Aerosol”.:welcome (
“Aerosol: A suspension of solid or liquid particle in a gas, usually air; a colloid” Aerosol Science and Technology, Parker C.Reist, 2nd Edition. ( Xin lỗi vì em chưa tìm ra thuật ngữ Tiếng việt nào để diễn tả chính xác nhất định nghĩa này nên em để nguyên văn định nghĩa của tác giả.
Phương pháp Aerosol được sử dụng phổ biến để tổng hợp hàng loạt vật liệu như Kim loại, oxit kim loại, non-oxide ceramic, vật liệu bán dẫn, vật liệu siêu dẫn và đặc biệt là vật liệu nano. Aerosol có thể dùng để điều chế vật liêu với độ tinh khiêt cao cùng với điều khiển được sự kết tinh cũng như kích thước hạt vật liệu.
Phương pháp tổng hợp Aerosol có thể chia thành 2 cách: -Sự tạo hạt vật liệu từ pha khí ( gas-to-particle) -Sự tạo hạt vật liệu từ giọt nhỏ ( droplet-to-particle)
1)Sự tạo hạt vật liệu từ pha khí( PP chính của Aerosol) Các hạt vật liệu được sinh ra từ trạng thái hơi quá bão hòa của các “condensable species” trong môi trường khí mang( khí mang này thường là các khí trơ như N2, Ar…). Hơi quá bão hòa này được tạo ra bởi hoặc phản ứng hóa học, hoặc quá trình Vật lý, ví như quá trình làm lạnh để giảm áp suât hơi bão hòa của “condensable species”. Tại trạng thái quá bão hòa đủ cao, các hạt vật liệu được sinh ra bởi quá trình “nucleation”, cùng với quá trình phát triển hạt vật liệu thông qua: condensation, coagulation và agglomeration. Thông thường, Sự tạo hạt vật liệu từ pha khí thường sinh ra các hạt vật liệu với sự phân bố kích thước hạt vật liệu ở phạm vi hẹp, các hạt vật liệu tạo ra ở đây là dạng rắn và có hình cầu. Sự tạo hạt vật liệu từ pha khí đã được sử dụng để điều chế các kim loại( Ag, Au, Cu va Mo), các oxide va non-oxide ceramic( Al2O3, TiO2, SiO2, MgO, AlN, BC, và vật liệu bán dẫn ( GaAs, ZnS. Hơn nưa, các vật liệu cấu trúc nano cũng dễ dàng được điều chế theo phương pháp này, kích thước các hạt có thể dao động từ vài nano tới vài micro. Trên qui mô công nghiệp TiO2, fumed SiO2, carbon black đã được điều chế theo phương pháp này. Ưu điểm: So với phương pháp Sol-gel. Sản phẩm tạo ra ở dạng khô được sinh ra trực tiếp giảm bớt được các khâu lọc, rửa, sấy và nung… Điều này rất phù hợp cho các ứng dụng ceramic hay composite đòi hỏi nguyên liệu đầu ở dạng khô. 2)Sự tạo hạt vật liệu từ giọt nhỏ
NQT
Cho em hỏi nguyên lý cơ bản của việc chế tạo ra vật liệu nano là gì, theo em biết thì các nguyên tử hay phân tử đều có kích thước bằng nhau vậy làm sao có thể tạo ra nguyên tử hay phân tử có kích thước nhỏ hơn được ạ?, em có 2 suy nghĩ một là: tuy các chất đều có phân tử bằng nhau về kích thước nhưng ở điều kiện thường thì hầu hết các phân tử của cùng một chất liên kết với nhau, khi chế tạo vật liệu nano là ta làm sao mà làm cho các phân tử tồn tại riêng lẻ càng nhiều càng tốt, suy nghĩ thứ hai là ta sẽ làm giảm bớt đi số lớp electron của phân tử để tạo ra phân tử có kích thước nhỏ hơn (nhưng em thấy cái này vô lý quá). Mong các anh giải thích giùm em.
fushina xem những số liêu sau nhé: carbon có bán kính nguyên tử là 70 pm = 70.10^-12m = 0.07 nm (nanomet). Bán kính val der Waals của carbon là 170 pm = 0.17 nm. Vật liệu nano theo qui ước là những vật liệu có kích thước nằm trong khoảng 0.1-100 nm. Như vậy 1 nguyên tử C chưa được xếp vào thang đo của vật liệu nano. Giống như tuyển tiếp viên hàng không vậy, em lùn quá hay cao quá “thang đo” này đều bị loại . Như vậy 1 phân tử sinh học như ADN có kích thước cỡ amstrong, 10^-10m sẽ được lọt vào vùng nano, hoặc nguyên tử vàng, bán kính 135 pm = 0.135 nm thì cũng được xếp vào vật liệu nano . Như vậy để 1 nguyên tử C được xếp vào vật liệ nano, ta phải tăng “chiều cao” ứng viên này lên, cho uống sữa elfagrow, dung các biện pháp để link chúng lai với nhau, để từ nhỏ biến thành khổng lồ, như vậy khoảng 10 nguyên tử C xếp lại với nhau là đủ tiêu chuẩn . Ở đây ta dùng biện pháp nhỏ thành lớn (bottom to top), cách thứ nhất để chế tạo vật liệu nano, đi từ nhỏ đến lớn, từ nguyên tử đến vật liệu . Cách thứ 2, hãy nhìn 1 cục than gổ, nó cũng là C nhưng to lớn quá, kích thước đến mét, cm, gấp cả tỉ lần kích thước cần có làm “tiếp viên hàng không”, không đủ chuẩn làm vật liệu nano. Nhưng nếu ta hun khói nó, đốt nó sẽ thấy bụi than bay mù mịt, trong đám khói đó có các hạt graphite lơ lửng, kích thước khoảng 100nm, ah, như vậy bằng cách đun cục than củi ta đã biến nó từ lớn thành nhỏ, làm được vật liệu nano, đây là cách làm thứ hai, từ thô thành tinh, từ lớn thành nhỏ (up to down). Hy vọng qua 2 ví dụ trên bạn đã hiểu cách chế tạo vật liệu nano như thế nào! Thân .
các bạn cho hỏi ở việt nam đã có những nơi nào có thiết bị để xác định cấu trúc nano của vật liệu tao ra chưa?
mình thấy các nhà khoa học nói rất nhiều về nano nhưng chỉ thấy bên DHQG có 01 thiết bị xác định cấu trúc nano thankx all
Bạn hiểu sai rồi. Từ rất lâu các trường Khoa học và kỹ thuật ở VN đã giảng dạy từ lý thuyết đến các kỹ thuật vật lý và hóa học cơ bản của cái mà ngày này ta gọi là Công nghệ Nano rồi, cụ thể gồm:
- Các phương pháp tạo màng mỏng (thin film): sputtering, epitaxy…
- Các kỹ thuật kính hiển vi: SEM, TEM, AFM…
- Các phổ nghiên cứu cấu trúc như XRD, Raman NMR hay ngay cả MS…
- Các kỹ thuật của Sinh học phân tử…
các môn học này được dạy hay lồng ghép trong các môn học khác ở các khoa Vật lý, Vật liệu, Hóa học, Sinh hoc/CNSH từ nhiều năm. Chỉ tiếc là do hạn chế lớn về kinh phí nên các thiết bị mới chỉ bắt đầu xuất hiện trong các trường, viện từ khoảng 10 năm trở lại đây thôi. Ban đầu thì là các thiết bị do viện trợ từ các nước giúp đỡ VN, sau này là mua bằng ngân sách của VN.
Bạn có thể tìm hiểu thêm về các phương pháp nói trên. Theo mình hiểu bạn muốn hỏi về các kỹ thuật để quan sát thấy rõ ràng cấu trúc Nano. Cái đó thì cần dùng các thiết bị như SEM (ĐH Cần Thơ, Phòng thí nghiệm Nano - ĐHQG TpHCM và rất nhiều cơ sở phía Bắc đều có như Viện vệ sinh dịch tễ trung ương, Viện Vật liệu, ĐHBK HN…). Thiết bị SEM giá khoảng 200-500 ngàn USD. Thiết bị TEM thì đắt hơn, Trung tâm Công nghệ Vật liệu ĐH BKTpHCM đã có từ hơn 1 năm, phía Bắc Viện Vật liệu cũng đã có… AFM thì phía Nam chưa có nhưng phía Bắc đã có. Việc chụp hình các cấu trúc như carbonnanotube với TEM và AFM không có gì khó khăn cả. Các hệ thống như sputtering, Raman giá trên 1,5 tỷ/chiếc thì bạn sẽ thấy ở ĐH KHTN TpHCM. Hệ CVD cho phép chế tạo kim cương nhân tạo, carbonnanotube … sẽ được ĐHQG TpHCM mua, còn tại Viện Vật liệu ở HN thì đang tiến hành tự chế tạo… … Các hệ thống phân tích cực đắt nhiều tỷ đồng phục vụ cho phân tích chất độc trong thự phẩm đã có ở nhiều nơi như Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm…
Hy vọng giúp được bạn
Em đọc về phần chế tạo vật liệu nano nhưng em không biết phương pháp “THỦY NHIỆT” là gì . Có ai bi em được không ạ? ết chỉ cho em được không ạ?
Em còn nghe nói có phương pháp plasma nữa?Phương pháp này có thể áp dụng sản xuất quy mô công nghiệp.Vd như TiO2 nano thưong phẩm (Degussa) do Đức sản xuất.
Bác nào biết phương pháp này không ạ 
Gởi các bạn mấy bài báo về phương pháp thủy nhiệt và plasma tạo TiO2. Sorry vì ko có thời gian nên ko giải thích cặn kẽ được.
Em có một thắc mắc : các hạt vật liệu nano nhỏ như vậy thì khi ở cạnh nhau chúng có thể liên kết với nhau tạo thành dạng khối, khi đó chúng sẽ không còn là vật liệu nano nữa . Vậy thì có phương pháp nào để ngăn cản sự tạo khối đó không ?
nhà mình ơi! cho hỏi mọi người có tài liệu gì về nano clay ko ? làm ơn post lên cho mình với. mình đang tìm hiểu để tài này nhưng chưa tìm thấy tài liệu nào riêng biệt nói về nanoclay cả cảm ơn anh em!
Muốn liên kết với nhau các hạt phải có lực liên kết, là lực tĩnh điện hoặc lực hấp dẫn . Về lực hấp dẫn thì nó tỉ lệ với khối lượng, mà kích thước của nano là vô cùng bé nên khối lượng cũng rất nhỏ, lực hấp dẫn xem như không đáng kể trong trường hợp này .Còn lực tĩnh điện thì chắc chắn có nhưng cũng không đáng kể .Tại sao vậy? Tại vì các hạt chuyển động với vận tốc vô cùng lớn trong điều kiện thường (25oC, 1 atm chẳng hạn) (giải thích này gần giống thuyết động học phân tử áp dụng cho các phân tử khí) . Yếu tố nhiệt độ cung cấp năng lượng và áp suất tác động lực nén làm cho các phân tử chuyển động hỗn độn không ngừng, va đập tạo áp suất, chính vì di chuyển tốc độ nhanh như vậy mà lực tĩnh điện giữa các phân tử không đủ để kéo các phân tử lại gần nhau nên chúng sẽ rời rạc . Còn trong trường hợp carbon nano tube (ống carbon nano) chẳng hạn, chúng trung hòa điện nên lực hút càng yếu . Hãy lấy ví dụ benzen lỏng, xem các phân tử benzen là các hạt nano, ở điều kiện thường chúng được cung cấp năng lượng nhưng vẫn có lực tĩnh điện liên kết nên liên kết với nhau dạng lỏng, đun nóg một chúng thì cung cấp năng lượng (nhiệt năng), dạng năng lượng này chuyển hóa thành động năng cho các phân tử, chúng chuyển động nhanh hơn và thành thể khí, không “tạo thành khối”, còn nếu ngưng tụ chúng tại bằng hạ nhiệt độ hay nén áp suất, chúng mất đi năng lượng sẽ giảm động năng và ngưng tụ hoặc bị nén áp suất lớn cũng hóa thành dạng lỏng đặc sệt hơn hoặc là rắn . Như vậy hi vọng bạn đã hiểu cách các hạt nano chuyển thành khối và cách ngăn ngừa chúng .Thân ! PS: Cách giải thích trên dựa vào thuyết động học phân tử khí Kinetic Molecular Law, nếu có sai sót mong các thầy cô anh chị chỉ giúp thêm .