Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu tổng hợp nano đồng oxit đồng từ dung dịch CuSO4 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá cây húng quế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA HỌC
---o0o---

VÕ THỊ DUYÊN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ĐỒNG/ OXIT
ĐỒNG TỪ DUNG DỊCH CuSO4 BẰNG TÁC NHÂN
KHỬ DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ CÂY HÚNG QUẾ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA HỌC
---o0o---


NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ĐỒNG/ OXIT
ĐỒNG TỪ DUNG DỊCH CuSO4 BẰNG TÁC NHÂN
KHỬ DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ CÂY HÚNG QUẾ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC

Sinh viên thực hiện : Võ Thị Duyên
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Lê Tự Hải

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA HỌC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên

: Võ Thị Duyên

Lớp

: 14CHP

1. Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano đồng- oxit đồng từ dung dịch CuSO4
bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị
a. Nguyên liệu: Lá cây húng quế
b. Dụng cụ: Bình cầu 250 ml, bình tam giác 100 ml; cốc thủy tinh 100 ml;
bình định mức 1000 ml; bình định mức 100ml; pipet 2 ml, 5 ml, 10ml;
giấy lọc, đĩa petri và các loại dụng cụ thủy tinh khác.
c. Các thiết bị: Bếp điện, bếp cách thủy cân phân tích, máy khuấy từ gia
nhiệt, máy đo pH, máy đo UV-VIS, máy đo EDX, XRD, TEM, máy quay
li tâm, tủ sấy, nồi hấp.
3. Nội dung nghiên cứu.
- Xây dựng quy trình tổng hợp nano đồng- oxit đồng từ dung dịch CuSO4
bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế.
- Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của dung dịch keo nano đồng.
4. Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Lê Tự Hải
5. Ngày giao đề tài: 27/10/2017
6. Ngày hoàn thành đề tài: 20/4/2018
Chủ nhiệm khoa

Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)


Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày….tháng….năm 2018
Kết quả điểm đánh giá
Đà nẵng, ngày …. tháng…… năm 2018

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo nhà trường, quý Thầy Cô
của Khoa Hóa Học trường Đại học Sư phạm- Đại học Đà Nẵng, PGS.TS Lê Tự Hải
– 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!!!
Đà Nẵng, ngày tháng

năm 2018

Sinh viên thực hiện

Võ Thị Duyên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của riêng tôi, với sự
hướng dẫn của PGS.TS. Lê Tự Hải. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là do
tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.Những nội dung khóa luận có tham
khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và
các trang web được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của khóa luận.
Đà Nẵng, ngày tháng

năm 2018

Sinh viên thực hiện khóa luận

Võ Thị Duyên


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 1
4. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 1
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 2
6. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 3
1.1.Giới thiệu về công nghệ nano ............................................................................... 3
1.1.1.Nguồn gốc công nghệ nano ............................................................................ 3
1.1.2.Khái niệm công nghệ nano ............................................................................. 3
1.1.2.1.Khái niệm vật liệu nano............................................................................ 4
1.1.2.2.Phân loại vật liệu nano ............................................................................ 4
1.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano ............................................................. 5
1.1.4.Ý nghĩa khoa học của công nghệ nano ........................................................... 6
1.1.5. Chế tạo vật liệu nano ..................................................................................... 6
1.1.6.Ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống .............................................. 8
1.2.Nano đồng ............................................................................................................. 9
1.2.1.Giới thiệu sơ lược về đồng kim loại ................................................................ 9
1.2.3.Khả năng diệt khuẩn của nano đồng ............................................................ 10
1.2.3.1.Vi khuẩn .................................................................................................. 10
1.2.3.2.Đặc tính kháng khuẩn của nano đồng .................................................... 11
1.2.3.3.Cơ chế kháng khuẩn của nano đồng ...................................................... 11
1.2.4.Các phương pháp điều chế nano đồng ......................................................... 12
1.2.4.1. Phương pháp hóa ướt ............................................................................ 12
1.2.4.2. Phương pháp phân hủy nhiệt ................................................................ 13
1.2.4.3. Phương pháp vi nhũ .............................................................................. 13
1.2.4.4. Phương pháp có hỗ trợ nhiệt vi sóng .................................................... 13
1.3.Ứng dụng của nano đồng .................................................................................... 14
1.3.1. Ứng dụng của nano đồng trong nông nghiệp .............................................. 14


1.3.2. Ứng dụng của nano đồng trong y học ......................................................... 14
1.3.3. Ứng dụng của nano đồng trong công nghiệp .............................................. 14
1.4.Giới thiệu về cây húng quế ................................................................................. 14
1.4.1.Đặc điểm chung của cây húng quế ............................................................... 14
1.5. Khái quát về vi khuẩn ........................................................................................ 15
1.5.1 Vi khuẩn Salmonella ..................................................................................... 15
1.5.2. Vi khuẩn Escherichia coli ................................................................................... 17
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 19
2.1.Hóa chất và dụng cụ ............................................................................................ 19
2.1.1.Hóa chất ........................................................................................................ 19
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ....................................................................................... 19
2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 19
2.2.1. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết lá húng quế ....................... 19
2.2.2. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo nano đồng ........................... 19
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu hạt nano đồng..................................................... 20
2.2.3.1. Phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS) .............................................................. 20
2.2.3.2. Kính hiển vi điện tử truyền (TEM) ........................................................ 21
2.2.3.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .................................................... 23
2.2.3.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................................... 24
2.2.4.Ứng dụng diệt khuẩn của nano đồng trên vỏ tôm ........................................ 26
2.2.5. Phương pháp thăm dò khả năng kháng vi sinh vật ............................................ 26
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 28
3.1. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết lá húng quế .............................. 28
3.1.1. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng ................................................................................. 28
3.1.2. Khảo sát thời gian chiết ............................................................................... 29
3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo nano đồng ............................ 30
3.2.1. Khảo sát nhiệt độ tạo nano đồng ................................................................. 31
3.3. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ dịch chiết và môi trường pH đến quá trình tạo nano
đồng ở những nồng độ khác nhau của dung dịch CuSO4 ......................................... 32
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ dịch chiết lá húng quế đến quá trình tạo nano
đồng ở những nồng độ khác nhau ......................................................................... 32
3.3.1.1.Đối với dung dịch CuSO4 100ppm ......................................................... 32


3.3.1.2.Đối với dung dịch CuSO4 200ppm ......................................................... 33
3.3.1.3. Đối với dung dịch CuSO4 500ppm ........................................................ 35
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng môi trường pH đến quá trình tạo nano đồng ở những
nồng độ khác nhau ................................................................................................. 36
3.3.2.1.Đối với dung dịch CuSO4 100ppm ......................................................... 36
3.3.2.2. Đối với dung dịch CuSO4 200ppm ........................................................ 37
3.3.2.3.Đối với dung dịch CuSO4 500ppm ......................................................... 39
3.4. Kết quả khảo sát đặc tính của hạt nano đồng ..................................................... 40
3.5.Thử khả năng kháng khuẩn của nano đồng trên vỏ tôm ..................................... 42
3.6 Kết quả thăm dò hoạt tính kháng khuẩn vi sinh vật của dung dịch keo nano đồng
................................................................................................................................... 43
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 46
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 46
KIẾN NGHỊ .................................................................................................................. 46
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 47


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TCN

Trước công nguyên

BVTV

Bảo vệ thực vật

EDX

Phổ tán sắc năng lượng tia X

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền

UV-VIS

Quang phổ hấp thụ phân tử

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X


DANH MỤC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

Trang

1.1.

Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu

5

3.1.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ rắn /lỏng

28

3.2.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo thời gian chiết

30

3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

3.7.

3.8.

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo nhiệt độ tạo
nano đồng
Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch chiết
tại dung dịch CuSO4 100ppm
Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch chiết
tại dung dịch CuSO4200ppm
Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch chiết
tại dung dịch CuSO4 500ppm
Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo pH tại dung
dịch CuSO4 100ppm
Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo pH tại dung

31

33

34

35

37

38

dịch CuSO4 200ppm
3.9.

3.10

Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo pH tại dung
dịch CuSO4 500ppm
Kết quả thử hoạt tính kháng vi khuẩn đối với dung dịch keo
nano đồng

40

44


DANH MỤC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

Trang

Hình ảnh chụp các hạt nano đồng tương tác lên tế bào vi
1.1.

khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và

12

tiêu diệt chúng
1.2.

Cây húng quế

14

1.3.

Vi khuẩn Salmonella

15

1.4.

Vi khuẩn Escherichia coli

17

2.1.

Sơ đồ máy UV-VIS

20

2.2.

Máy UV-VIS LAMBDA 25 của hãng PerkinElmer

21

2.3.

Kính hiển vi điện tử truyền

22

2.4.

Cấu tạo của súng phóng điện tử.

22

2.5.

Thiết bị sử dụng kĩ thuật EDX tạiViện dịch tể Trung Ương

24

Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất
2.6.

rắn, tính tuần hoàn dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai

24

trò như một cách tử nhiễu xạ
2.7.

Máy nhiễu xạ tia XRD8 Advance–Bruker

25

2.8.

Ảnh XRD của mẫu nano đồng

25

3.1.

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến quá trình

28

tạo nano đồng
3.2.
3.3.

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian chiết đến quá
trình tạo nano đồng
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo nano đồng

30
31


3.4.

3.5.

3.6.

3.7.

3.8.

3.9.

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết đến quá
trình tạo nano đồng tại dung dịch CuSO4 100ppm
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết đến quá
trình tạo nano đồngtại dung dịch CuSO4200ppm
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết đến quá
trình tạo nano đồng tại dung dịch CuSO4 500ppm
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo nano
đồng tại dung dịch CuSO4 100ppm
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo nano
đồng tại dung dịch CuSO4 200ppm
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo nano
đồng tại dung dịch CuSO4 500ppm

33

34

35

37

38

39

3.10.

Ảnh TEM của mẫu nano đồng tổng hợp

41

3.11.

Phổ EDX của mẫu nano đồng tổng hợp

41

3.12.

Phổ XRD của mẫu nano đồng tổng hợp

42

3.13.

Ảnh mẫu vỏ tôm sau 1 ngày lưu mẫu

43

3.14.

Kháng sinh Salmonella

44

3.15.

Kháng sinh Escherichia coli

44

3.16.

Dịch chiết lá húng quế không thể hiện hoạt tính kháng sinh

44


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay ngành khoa học công nghệ đang trên đà phát triển không chỉ ở trên Thế
giới nói chung mà còn cả Việt Nam nói riêng. Trong đó, Khoa học và công nghệ nano
trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật.Đồng
thời công nghệ nano đang là ngành công nghiệp mũi nhọn, đang phát triển với tốc độ
chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của ngành khoa học. Việc phát triển ngành khoa
học này đang là bước tiến khởi đầu mang lại nhiều ứng dụng hữu ích cho các ngành
như y học, điện tử, năng lượng.
Trong công nghệ nano thì hạt nano là một vật liệu quan trọng. Một trong những
hạt nano được sử dụng sớm và rộng rãi nhất là nano bạc, ngoài ra vật liệu nano còn
được biết đến với nhiều loại nano như nano vàng, nano đồng. Nano đồng có nhiều tính
chất vượt trội trong việc ứng dụng công nghiệp điện, điện tử, xúc tác,... Với tình hình
thực tế trên, nghiên cứu chiết tách, ứng dụng các phương pháp hiện đại để xác định
tìm hiểu hạt nano đồng và ứng dụng của nó có nhiều triển vọng, có ý nghĩa khoa học
và thực tiễn. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiêncứu tổng hợp nano đồng- oxit đồng từ
dung dịch CuSO4 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế” làm đề tài luận
văn tốt nghiệp của mình.
2. Mục tiêu nghiên cứu
-Xây dựng quy trình điều chế hạt nano đồng từ dịch chiết lá húng quế.
-Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của nano đồng.
-Đóng góp thêm những thông tin, tư liệu khoa học về lá húng quế và phương
pháp điều chế nano đồng từ dịch chiết lá húng quế tạo sơ sở khoa học cho các nghiên
cứu sâu hơn về điều chế và ứng dụng của nano đồng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Lá húng quế thu mua trên địa bàn tại thành phố Đà Nẵng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
-Thu thập, tổng hợp tài liệu, tư liệu về nguồn nguyên liệu, phương pháp nghiên
cứu và ứng dụng của lá húng quế.


2

-Tìm hiểu thông tin tư liệu về nano đồng, công nghệ nano đồng và các vấn đề
liên quan đến đề tài.
-Xử lý thông tin tư liệu, đề ra các bước, xây dựng quy trình thực hiện trong
quátrình thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm:
-Phương pháp chiết tách: phương pháp chưng ninh với dung môi là nước.
-Các phương pháp phân tích công cụ: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
UV-VIS.
-Dùng phương pháp đo TEM, EDX, XRD để nghiên cứu hạt nano đồng.
-Phương pháp cảm quan thăm dò hoạt tính kháng khuẩn của dịch chiết trên vỏ
tôm.
- Phương pháp đục lỗ để khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch keo nano
đồng
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
-Những kết quả nghiên cứu sẽ góp phần cung cấ p các thông tin có ý nghiã khoa
ho ̣c về quy trình điều chế nano đồng từ nguyên liệu thiên nhiên.
-Khảo sát, ứng dụng thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của nano đồng được điều
chế từ dịch chiết lá húng quế.
Ý nghĩa thực tiễn:
-Tận dụng nguồn nguyên liệu dễ kiếm, gần gũi để tổng hợp nano đồng bằng
phương pháp thân thiện, không độc hại.
-Đem lại ứng dụng từ tính kháng khuẩn của dịch chiết lá trên vỏ tôm.
6. Cấu trúc của luận văn
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Những nghiên cứu thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Giới thiệu về công nghệ nano
1.1.1.Nguồn gốc công nghệ nano
Công nghệ nano được biết đến lần đầu tiên với sự hiểu biết của kỹ thuật thu
nhỏ qua câu chuyện được kể bởi Tiến sĩ Richard Feynman (1918-1988) từng đoạt
giải Nobel Vật lý năm 1965. Mục đích bài nói chuyện của Feynman không phải chỉ
dừng lại ở kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization) mà còn phác họa khả năng hình thành
một nền công nghệ mới trong đó con người có thể di chuyển, chồng chất các loại
nguyên tử, phân tử để thiết kế một dung cụ cực kỳ nhỏ ở thang vi mô (microscopic)
hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trúc phân tử của nó. Phương pháp đó ở thế
kỷ 21 được gọi là “ công nghệ nano” với cách thiết kế từng nguyên tử một “ từ dưới
lên” (bottom-up-method). Đến 15 năm sau đó, giáo sư Norio Tanuguchi mới đưa ra
định nghĩa rõ ràng hơn về công nghệ nano. Ông định nghĩa như sau: “Công nghệ
nano chủ yếu bao gồm việc xử lý, tách, hợp nhất và làm biến dạng vật liệu chỉ bằng
một nguyên tử hoặc một phân tử”[1]. Nhờ những phát hiện và phát biểu to lớn ấy,
các nhà khoa học đã ứng dụng nghiên cứu và đưa ra nhiều phát kiến như phát minh
thiết bị kính hiển vi quét đường hầm có thể “nhìn” nguyên tử, việc tạo ống than
nano với cấu trúc nano và chấm lượng tử silicon là những cấu trúc nano được phát
minh cơ sở cho công nghệ nano để phát triển hơn nữa, phục vụ ứng dụng cho cuộc
sống.[6]
1.1.2.Khái niệm công nghệ nano
Công nghệ nano (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan
đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống
bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet(nm,1nm=10-9).
Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên
chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề
chính sau đây: cơ sở khoa học nano, phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mô
nanomet, chế tạo vật liệu nano, ứng dụng vật liệu nano.[2]


4

1.1.2.1.Khái niệm vật liệu nano
Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm
mỏng,.. có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nanomet đến 100 nanomet. Vật liệu
nano là đối tượng nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ nano, có liên kết hai
lĩnh vực trên với nhau. Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của
chúng, vào cỡ nanomet, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật
liệu thông thường.[3] Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu. Kích thước vật liệu
nano nằm khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính
chất cần nghiên cứu.
1.1.2.2.Phân loại vật liệu nano
Phân loại theo trạng thái vật liệu, người ta chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng,
khí. Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đến chất
lỏng, khí. Về hình dáng vật liệu người ta phân thành loại sau:
Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,
điện tử được tự do trên một chiều, ví dụ: dây nano, ống nano,…
Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ: màng mỏng,..
Vật liệu nano không chiều: là vật liệu trong đó cả ba chiều có kích thước nano,
không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano,…
Ngoài ra có vật liệu có cấu trúc nano hay nano composite có phần vật liệu có
kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau
ví dụ: sợi nano, ống nano, hạt nano,..
Ngoài những cách phân loại trên, người ta còn có thể phân loại dựa trên tính
chất của vật liệu nano bao gồm[7]:
-Vật liệu nano kim loại.
-Vật liệu nano bán dẫn.
-Vật liệu nano sinh học.
-Vật liệu nano từ tính.


5

1.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano:
-Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được
trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể
bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì
các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được
coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.[7]
-Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm(nanomet), các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ
chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy, các hiệu ứng có liên
quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất
của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.[7]
-Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích
thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị
thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ
điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy
hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do
trung bình của điện tử trong kim loại mà thường có giá trị từ vài trăm nm, thì định
luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân
theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có
tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.[7]
Các tính chất khác nhau như tính chất điện, tính chất vật lý, tính chất quang và
các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Vì thế mà người
ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
Bảng 1.1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu
Lĩnh vực

Tính chất

Độ dài tới hạn (nm)

Tính chất điện

Bước sóng điện tử

10-100

Quãng đường tự do trung 1-100


6

bình không đàn hồi

Tính chất từ

Tính chất quang

Tính siêu dẫn
Tính chất cơ

Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Độ dày vách đômen

10-100

Quãng đường ngầm

1-100

Hố lượng tử

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100

Độ dài liên kết cặp Copper 0,1-100
Độ thẩm thấu Meisner

1-100

Tương tác bất định xứ

1-1000

Biên hạt

1-10

Bán kính khởi động đứt 1-100
vỡ
Sai hỏng mầm

0,1-10

Độ nhăn bề mặt

1-10

Xúc tác

Hình học topo bề mặt

1-10

Siêu phân tử

Độ dài Kuhn

1-100

Cấu trúc nhị cấp

1-10

Cấu trúc tam cấp

10-1000

Nhận biết phân tử

1-10

Miễn dịch

1.1.4.Ýnghĩa khoa học của công nghệ nano
Khoa học và công nghệ nano là lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, hiện đại
và liên ngành. Khoa học và công nghệ nano hình thành trong quá trình tích lũy
nhiều thành tựu khoa học công nghệ như kĩ thuật đầu dò quét nano mà điển hình là
hiển vi lực nguyên tủ (AFM), hiển vi quét xuyên hầm (STM), hiển vi quang học
trường gần (NOM), các kĩ thuật điện tử,… Tóm lại, Khoa học và công nghệ nano
đem lại nhiều ứng dụng cho ngành công nghiệp nghiên cứu.[1]
1.1.5. Chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống


7

(top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là
phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn, phương
pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
1.1.5.1.Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ
chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ
tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá
lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột
được trộn lẫn với những viên bi được 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
thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương
pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng
cực lớn (có thể >10) mà không làm phá hủy vật liệu, nhiệt độ có thể được điều
chỉnh tùy theo từng trường hợp cụ thể, nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết
tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi biến dạng nguội.
Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có
chiều dày nm). Ngoài ra hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang
khắc để tạo các cấu trúc nano.[7]
1.1.5.2.Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: Vật liệu nano được hình thành từ các nguyên tử hoặc ion. Phương
pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của
sản phẩm cuối cùng. Hiện nay, đa phần các vật liệu nano đều được chế tạo từ
phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên bao gồm: phương pháp vật lí, phương
pháp hóa học, phương pháp kết hợp, phương pháp vi sinh và phương pháp vi nhũ.
a) Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật
lý: bốc bay nhiệt ( đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha:
vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô
định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình- tinh thể (kết tinh)(phương


8

pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano,
màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.[7]
b) Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương
pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta
phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân
loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng
(phương pháp kết tủa, sol-gel,…) và từ pha khí (nhiệt phân,…). Phương pháp này
có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,…[7]
c) Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên
tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,… Phương pháp này có
thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano,bột nano,…[7]
d) Phương pháp sinh học: là phương pháp sử dụng các vi sinh vật như nấm, vi
khuẩn, vi rút có khả năng khử để khử ion về dạng kim loại. Dưới tác dụng của
những tác nhân này, ion sẽ chuyển thành hạt nano.[7]
1.1.6.Ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống
Trong ngành công nghiệp điện tử hiện nay, những bộ vi xử lý được làm từ vật
liệu nano khá phổ biến trên trị thường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng
được phủ một lớp nano kháng khuẩn. Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ
trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công nghệ năng lượng như việc chế tạo pin nano
trong tương lai có thể có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều lần và lưu trữ được nhiều
điện năng hơn.
Bên cạnh đó, công nghệ nano còn ứng dụng trong may mặc với ý tưởng quần
áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi nhờ áp dụng nano bạc. Một ứng dụng
khác của công nghệ nano là tận dụng các nguồn năng lượng như gió, năng lượng
mặt trời và công nghệ nano có thể biến chiếc áo trở nên sạc điện cho chiếc điện
thoại thông minh, đây thực sự là ý tưởng đang trong quá trình thử nghiệm này chắc
hẳn sẽ là bước đánh dấu bước phát triển to lớn của công nghệ nano.Công nghệ nano
còn giúp lưu trữ, bảo quản thức ăn tốt hơn nhờ việc tạo các vật liệu thực phẩm có
khả năng diệt khuẩn.
Những ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano hiện nay cho thấy việc phát


9

triển ứng dụng nano trong tương lai đem lại nhiều lợi ích trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau, đồng thời nhận định ứng dụng công nghệ nano là vô hạn.[8]
1.2.Nano đồng
1.2.1.Giới thiệu sơ lược về đồng kim loại
Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và
số hiệu nguyên tử bằng 29. Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt
cao.[12] Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn, bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ. Nó
được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các
hợp kim của nhiều kim loại khác nhau.
Đồng là một trong số ít các kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại
có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác từ quặng của nó khoảng 5000 năm TCN,
kim loại đầu tiên được đúc thành khối vào khoảng 4000 năm TCN và kim loại đầu
tiên được tạo thành hợp kim với các loại khác, là thiếc để tạo ra đồng đỏ vào
khoảng 3500 năm TCN.
Kim loại và các hợp kim của nó đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm.
Trong thời kỳ La Mã, đồng chủ yếu được khai thác ở Síp, vì thế tên gọi ban đầu của
kim loại này là cyprium (kim loại Síp), sau đó được gọi tắt là cuprum. Các hợp chất
của nó thường tồn tại ở dạng muối đồng(II), chúng thường có màu xanh lam hoặc
xanh lục của các loại khoáng như ngọc lam và trong lịch sử đã được sử dụng rộng
rãi làm chất nhuộm. Các công trình kiến trúc được xây dựng có đồng bị ăn mòn tạo
ra màu xanh lục.
Các ion đồng (II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt
khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ. Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất
độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vị chất dinh
dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn. Nơi tập trung đồng chủ
yếu trong cơ thể động vật là gan, cơ và xương. Cơ thể người trưởng thành chứa
khoảng 1,4 đến 2,1mg đồng trên mỗi kg cân nặng.
Đồng nằm trong nhóm I của bảng tuần hoàn: chúng có 1 electron trong phân
lớp s1 nằm sau d10 và được đặc trưng bởi tính dẻo và dẫn điện cao. Các orbital được
lấp đầy các electron trong các nguyên tố này không đóng góp nhiều vào các tương


10

tác nội nguyên tử, chủ yếu ảnh hưởng bởi các electron phân lớp s thông qua các liên
kết kim loại. Trái ngược với các kim loại mà phân lớp d không được lấp đầy bởi các
electron, các liên kết kim loại trong đồng thiếu các đặc điểm của liên kết cộng hóa
trị và chúng tương đối yếu. Điều này giải thích tại sao các tinh thể như ranh giới hạt,
sẽ làm cản trở dòng vật liệu dưới áp lực nén từ đó làm tăng độ cứng của nó. Ví dụ,
đồng thường được đưa ra thị trường ở dạng hạt mịn. Độ cứng thấp của đồng giúp
giải thích một phần tính dẫn điện cao của nó và cũng như tính dẫn nhiệt cao, các
tính chất này được xếp hạng thứ 2 trong số những kim loại nguyên chất có tính chất
tương tự ở nhiệt độ phòng (trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ
có bạc có độ dẫn điện cao hơn). Đặc điểm này là do điện trở suất đối với sự vận
chuyển electron trong các kim loại ở nhiệt độ phòng chủ yếu bắt nguồn từ sự tán xạ
của electron đối với dao động nhiệt của mạng tinh thể, mà điện trở suất này tương
đối yếu đối với cho một kim loại mềm. Đồng tinh khiết có màu đỏ cam và tạo ra
màu lam ngọc khi tiếp xúc với không khí.
Đồng tạo nhiều hợp chất khác nhau với các trạng thái oxy hóa +1,+2. Nó
không phản ứng với nước, nhưng phản ứng chậm với oxy trong không khí tạo thành
một lớp oxit đồng màu nâu đen. Ngược lại với sự oxy hóa của sắt trong không khí
ẩm, lớp oxit này sau đó sẽ ngăn cản sự ăn mòn. Trong trường hợp phản ứng với
sulfua, ăn mòn đồng diễn ra khi đồng tiếp xúc vớikhông khí có chứa các hợp chất
sulfua. Các dung dịch amoni chứa oxy có thể tạo ra một phức chất hòa tan trong
nước với đồng, khi phản ứng với oxy và axit clohydric để tạo thành đồng clorua và
hydro peroxit bị axit hóa để tạo thành các muối đồng (II). Đồng(II) clorua và đồng
phản ứng với nhau tạo thành đồng(I) clorua.[12]
1.2.3.Khả năng diệt khuẩn của nano đồng
1.2.3.1.Vi khuẩn
Vi khuẩn (tiếng Anh và tiếng La tinh là bacterium, số nhiều bacteria) đôi khi
còn được gọi là vi trùng, là một nhóm (giới hoặc vực) vi sinh vật nhân sơ đơn bào
có kích thước rất nhỏ, một số thuộc loại ký sinh trùng. Vi khuẩn là một nhóm sinh
vật đơn bào, có kích thước nhỏ (kích thước hiển vi) và thường có cấu trúc tế bào
đơn giản không nhân, bộ khung tế bào và các bào quan như ty thể và lục lạp.Vi


11

khuẩn là sinh vật nhân sơ, khác với các sinh vật có cấu trúc tế bào phức tạp hơn gọi
là sinh vật nhân chuẩn. Vi khuẩn là nhóm hiện diện đông đảo nhất trong sinh giới.
Chúng hiện diện khắp nơi trong đất, nước, chất thải phóng xạ, suối nước nóng, và ở
dạng cộng sinh và ký sinh với các sinh vật khác, và được biết là phát triển mạnh mẽ
trong các tàu không gian có người lái.[5]
1.2.3.2.Đặc tính kháng khuẩn của nano đồng
Theo nghiên cứu, dung dịch diệt khuẩn nano đồng là dung dịch chứa các ion
đồng ( Cu2+) được nghiên cứu và sản xuất bằng công nghệ nano, một trong các công
nghệ tiên tiến nhất hiện nay mang nguyên lý kháng khuẩn, tiệt trùng siêu mạnh.
Dưới tác dụng của các hạt nano (kích thước 10-9m), các tế bào của hơn 650 loại vi
khuẩn bị phá hủy và tiêu diệt, ngoài ra dung dịch diệt khuẩn nano đồng còn có tính
năng ngăn mùi hôi. Dung dịch diệt khuẩn nano đồng có đặc tính kháng khuẩn và
ngăn ngừa vi khuẩn phát sinh tới 99 %, có ích lợi hơn gấp nhiều lần so với các sản
phẩm kháng khuẩn khác. Khi cho tiếp xúc với dung dịch diệt khuẩn nano đồng
trong 3-24 giờ thì hầu hết những vi khuẩn sống, nấm đều bị tiêu diệt.
Cơ chế diệt khuẩn của nano đồng: dung dịch diệt khuẩn nano đồng với kích cỡ
nanomet, tác dụng trực tiếp với vi khuẩn gây hại. Nó bao lấy trực tiếp tế bào của vi
khuẩn, nấm và phá vỡ cấu trúc tế bào, vô hiệu hóa sự phát triển và sinh trưởng của
chúng. Dung dịch diệt khuẩn nano đồng tiêu diệt virut bằng cách chuyển động cắt
đứt DNA, RNA của virus. Dung dịch diệt khuẩn nano đồng sở hữu khả năng tuyệt
vời để tiêu diệt vi khuẩn gấp hàng trăm lần so với đồng kim loại thông qua công
nghệ nano.[9]
1.2.3.3.Cơ chế kháng khuẩn của nano đồng
Các hạt nano đồng giải phóng liên tục các ion đồng, chính các ion đồng này
tác động trực tiếp lên tế bào vi khuẩn theo các cơ chế đặc thù. Hoạt động giải phóng
các ion đồng này được tăng cường hơn khi các hạt nano đồng ở kích thước nhỏ và
diện tích bề mặt lớn cho phép nó tương tác gần với các màng tế bào vi khuẩn. Hoạt
động kháng khuẩn của nano đồng là do xu hướng của nó thay thế giữa dạng Cu(I)
và dạng Cu(II). Sự khác nhau giữa Cu với các kim loại dạng vết khác là tạo nên các
gốc hydroxyl liên kết với các phân tử DNA và tạo thành sự mất trật tự của cấu trúc


12

xoắn ốc nhờ các liên kết ngang trong và giữa các axit nucleic và làm hỏng các
proteins quan trọng nhờ liên kết với các nhóm carboxyl và amino sulfhydryl của các
axit amin. Điều này làm cho protein tạo enzymes không hiệu quả. Nó làm cho các
proteins bề mặt tế bào không hoạt động, các protein này cần cho việc chuyển các
vật chất đi qua màng tế bào, do đó ảnh hưởng lên sự bền vững của màng tế bào và
các lipids màng tế bào. Các ion đồng bên trong tế bào vi khuẩn cũng ảnh hưởng đến
các quá trình sinh học. Dựa trên tất cả những nghiên cứu này, có thể thấy ion Cu có
ảnh hưởng lên proteins và các enzymes trong các vi khuẩn và tạo cho Cu đặc tính
kháng khuẩn.[9]

Hình 1.1.Hình ảnh chụp các hạt nano đồng tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá vỡ
cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng
Như vậy có thể nói các nano đồng xâm nhập qua thành tế bào và tương tác với
các cấu trúc nội bào nhờ kích thước hạt nhỏ và độ hoạt động bề mặt lớn, các hạt
nano đồng tác động trực tiếp lên màng tế bào vi khuẩn và phá vỡ cấu trúc di truyền
của tế bào vi khuẩn từ đó làm cho vi khuẩn mất sức sống.
1.2.4.Các phương pháp điều chế nano đồng
Nano đồng được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phân hủy
nhiệt, khử muối kim loại, nhiệt vi sóng, phương pháp bức xạ, kỹ thuật vi nhũ, kỹ
thuật siêu tới hạn, dùng lase, phương pháp polyol, phương pháp solvothermal,
phóng điện hồ quang, phương pháp khử nhiệt và khử bằng sóng siêu âm. Hiện nay
các phương pháp chế tạo nano đồng được nghiên cứu như sau:
1.2.4.1. Phương pháp hóa ướt
Phương pháp này dùng các tác nhân khử để khử ion Cu2+ thành Cu0 trong môi
trường lỏng. Con đường tổng hợp này rất thích hợp bởi vì nó có thể được tạo trong
nhiều pha phân tán khác nhau với việc kiểm soát tính chất của hạt bằng cách thay


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×