BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HẠT VẬT LIỆU
NANO VÀNG DẠNG PHÂN NHÁNH (AuNS) VÀ CẤU TRÚC
CORE-SHELL (AuNS@Ag) CỦA CHÚNG VỚI BẠC
TRONG TĂNG CƯỜNG PHỔ RAMAN VÀ KHÁNG KHUẨN
GVHD: TS. TRẦN THỊ NHUNG
SVTH : NGUYỄN NHẤT KHANG
SKL008835
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8/2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA
HẠT VẬT LIỆU NANO VÀNG DẠNG
PHÂN NHÁNH (AuNS) VÀ CẤU TRÚC
CORE-SHELL (AuNS@Ag) CỦA CHÚNG
VỚI BẠC TRONG TĂNG CƯỜNG PHỔ
RAMAN VÀ KHÁNG KHUẨN
Mã số khóa luận:
SVTH : NGUYỄN NHẤT KHANG
MSSV: 18128027
GVHD: TS. Trần Thị Nhung
TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2022
1
i
i
ii
iii
iv
v
TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Đánh giá khả năng ứng dụng của hạt vật liệu nano vàng
dạng phân nhánh (AuNS) và cấu trúc core-shell (AuNS@Ag) của chúng với bạc trong
tăng cường phổ Raman và kháng khuẩn” tập trung tổng hợp hạt vàng nano dạng phân
nhánh (AuNS), sau đó dùng hạt AuNS làm hạt mầm để tổng hợp hạt vàng nano dạng
phân nhánh với cấu trúc core-shell với bạc (AuNS@Ag). Vật liệu sau khi được tổng
hợp sẽ được khảo sát tính chất bao gồm hình dạng, cấu trúc, thành phần hóa và quang
phổ hấp thu thơng qua các phương pháp TEM, EDS và UV-Vis. Cuối cùng, đánh giá
khả năng ứng dụng của vật liệu bao gồm: khả năng cảm biến tăng cường phổ Raman
và khả năng kháng khuẩn Escherichia Coli.
Về phần tổng hợp hạt nano vàng dạng phân nhánh (AuNS): phương pháp tổng hợp qua
2 giai đoạn sử dụng. Đầu tiên hạt nano vàng dạng hình cầu (AuNP) được tổng hợp
bằng cách khử HAuCl4 với sodium citrate. Kết quả TEM cho thấy hạt nano vàng hình
cầu AuNP có kích thước khoảng 20-30nm và có hình dạng cầu, phổ hấp thu (UV-Vis)
nằm ở 525nm. Sau đó, các hạt nano vàng hình cầu AuNP này được dùng làm hạt mầm
để phát triển cấu trúc dạng phân nhánh AuNS. Kết quả chụp TEM cho thấy hạt AuNS
có cấu trúc dạng hình cầu gai trong đó phần lõi có kích thước 60-70nm và các gai
nhọn phân bố xung quanh
Về phần tổng hợp cấu trúc core-shell của hạt nano vàng dạng phân nhánh có gắn Ag
(AuNS@Ag): hạt nano vàng dạng phân nhánh AuNS được sử dụng làm hạt mầm và
trong khi AgNO3 bị khử bởi ascorbic acid tạo thành Ag0 gắn lên trên bề mặt hạt vàng
dạng phân nhánh (AuNS) tạo cấu trúc core-shell. Đồng thời, kết quả khảo sát cho thấy
pH của dung dịch phản ứng, hàm lượng AgNO3, hàm lượng hạt mầm AuNS có ảnh
hưởng rõ rệt lên đặc điểm cấu trúc và quang phổ hấp thu của hạt nano core-shell
AuNS@Ag tạo thành.
Về khả năng ứng dụng của cấu trúc hạt nano vàng dạng phân nhánh AuNS và cấu trúc
core-shell AuNS@Ag trong cảm biến tăng cường phổ Raman. Kết quả cho thấy cả hai
vật liệu AuNS và AuNS@Ag đều có khả năng phát hiện Rhodamine B ở nồng độ thấp
10-5M. Nhưng cường độ tín hiệu của hạt nano cấu trúc phân nhánh AuNS cao hơn so
i
với cấu trúc core-shell . Đồng thời, khi tăng hàm lượng AgNO3 trong việc tổng hợp
dạng core-shell thì tín hiệu Raman thu được càng giảm.
Về khả năng ứng dụng của cấu trúc vàng dạng phân nhánh AuNS và cấu trúc coreshell AuNS@Ag trong diệt khuẩn E. coli. phương pháp trải đĩa và đếm khuẩn lạc
được sử dụng. Thời gian tiếp xúc giữa vi khuẩn và vật liệu 20 phút, với hàm lượng cố
định là 5µg/ml. Kết quả cho thấy khả năng kháng khuẩn của hạt nano vàng dạng phân
nhánh (AuNS) vượt trội hơn nhiều so với cấu trúc core-shell (AuNS@Ag) của nó với
bạc.
Từ những khảo sát khảo về khả năng ứng dụng của các hạt vật liệu (AuNS) và
(AuNS@Ag) trên chứng tỏ khả năng ứng dụng của hạt nano vàng phụ thuộc nhiều và
hình dạng của hạt. Các nano bạc hình thành bám lên hạt nano vàng phân nhánh (AuNS)
tạo nên hạt nano vàng có cấu trúc core-shell (AuNS@Ag) có kích thước to hơn, các
nhánh của hạt (AuNS) bị che mất, làm cho các tính nhất về hiệu ứng từ bề mặt bị giảm.
ii
LỜI CẢM ƠN
Em xin được gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô Giảng Viên của Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ dạy em từ những kiến thức
căn bản nhất. Hơn nữa, Q Thầy Cơ ln tận tình hỗ trợ chúng em trong viêc học, để
chúng em tích lũy được những kiến thức bổ ích.
Đặc biệt, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô của Khoa Công Nghệ Hóa
Học và Thực Thẩm đã giúp em có thêm nhiều kiến thức chuyên ngành, cũng như
những thao tác thực hành, giúp em làm quen với các thiết bị phịng thí nghiệm, cho em
những hiểu biết thực tế hơn với ngành học, làm quen với môi trường làm việc sau này.
Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Cô TS Trần Thị Nhung giảng viên Khoa Cơng
Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh đã tận
tình hỗ trợ em, giúp em giải đáp những thắc mắc trong q trình hồn thành đồ án tốt
nghiệp của mình.
Ngồi ra, em cũng xin được cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí
Mình đã tạo điều kiện cho em được học tập và hoạt động trong mơi trường thân thiện
và hịa nhập. Cùng với đó ln đáp ứng nhu cầu của chúng em, qua các trang thiết bị
hiện đại và phù hợp với môi trường học tập.
Em xin trân trọng cảm ơn!
i
LỜI CAM ĐOAN
Em là Nguyễn Nhất Khang, sinh viên khóa K18 ngành Cơng Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học,
em xin cam đoan rằng Luận Văn Tốt Nghiệp với Đề tài: “Đánh giá khả năng ứng dụng
của hạt vật liệu nano vàng dạng phân nhánh (AuNS) và cấu trúc core-shell
(AuNS@Ag) của chúng với bạc trong tăng cường phổ Raman và kháng khuẩn” với sự
hướng dẫn của TS. Trần Thị Nhung trong suốt 5 tháng qua, là cơng trình nghiên cứu
của riêng em. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã
cơng bố theo đúng quy định. Kết quả nghiên cứu trong luận văn do em tự tìm hiểu,
phân tích một cách trung thực, khách quan. Ngoài ra kết quả này phù hợp với thực tiễn
của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào
khác. Trong toàn bộ nội dung của khóa luận, những điều được trình bày là của cá nhân
em và tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp
pháp.em xin hồn tồn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định
cho lời cam đoan của mình.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 8 năm 2022.
Tác giả luận văn
Nguyễn Nhất Khang
ii
MỤC LỤC
TÓM TẮT KHÓA LUẬN ...............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................................i
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..........................................................................................4
1.1. Tổng quan về vật liệu nano kim loại và hơp kim .............................................4
1.1.1. Giới thiệu. ...................................................................................................... 4
1.1.2. Hạt nano kim loại và hợp kim .....................................................................4
1.1.3. Đặc điểm và tính chất. ..................................................................................5
1.1.3.1. Đặc điểm ....................................................................................................5
1.1.3.2. Tính chất. ...................................................................................................8
1.1.4. Ứng dụng ....................................................................................................... 9
1.1.4.1. Kháng khuẩn. ............................................................................................ 9
1.1.4.2. Năng lượng. .............................................................................................10
1.1.4.3. Xúc tác. ....................................................................................................10
1.1.4.4. Cảm biến ..................................................................................................10
1.1.5. Phương pháp tổng hợp .............................................................................. 11
1.1.5.1. Phương pháp ăn mòn laser ......................................................................12
1.1.5.2. Phương pháp khử hóa học: ..................................................................... 12
iii
1.1.5.3. Phương pháp khử hóa lý: ........................................................................ 12
1.1.5.4. Phương pháp sinh học. ............................................................................12
1.1.6. Vật liệu nano kim loại và hợp kim dạng phân nhánh và ứng dụng. .... 13
1.2. Tổng quan về Rhodamine B. ............................................................................ 14
1.3. Tổng quan về vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) ...........................................15
1.3.1. Giới thiệu về khuẩn E.coli. ........................................................................ 15
1.3.2. Phương pháp chiếu xạ. ...............................................................................16
1.3.3. Các phương pháp tiêu diệt vi khuẩn E. coli. ........................................... 16
1.3.3.1. Sử dụng hạt nano kim loại. ..................................................................... 16
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................19
2.1. Hóa chất và dụng cụ ..........................................................................................19
2.1.1. Hóa chất sử dụng ........................................................................................19
2.1.2. Dụng cụ thí nghiệm .................................................................................... 19
2.2. Quy trình thí nghiệm .........................................................................................19
2.2.1. Chuẩn bị dụng cụ ....................................................................................... 19
2.2.2. Tổng hợp hạt Nano vàng (AuNP) ............................................................. 19
2.2.3. Tổng hợp hạt nano Au dạng phân nhánh (AuNS) ..................................21
2.2.4. Tổng hợp Nano vàng có gắn bạc dạng Core - Shell (AuNS@Ag) .........22
2.2.4. Khảo sát các ảnh hưởng. ........................................................................... 23
2.2.4.1. Ảnh hưởng của độ pH. ............................................................................ 23
2.2.4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng AgNO3. ....................................................... 24
2.2.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mầm nano vàng dạng phân nhánh AuNS.
.............................................................................................................................. 24
2.3. Các phương pháp phân tích ............................................................................. 24
iv
2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV – Vis) ...................... 24
2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................... 25
2.3.3. Phương pháp đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS/EDX) ...................26
2.3.4. Phương pháp phổ tán xạ Raman ..............................................................26
2.3.5 Phương pháp kiểm tra tính kháng khuẩn. ............................................... 26
2.3.5.1. Khảo sát khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano sao vàng (AuNS) trên
vi khuẩn E.coli. .....................................................................................................27
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 31
3.1. Hạt nano vàng hình cầu (AuNP) và hạt nano vàng dạng phân nhánh
(AuNS). .......................................................................................................................31
3.2. Cấu trúc core-shell của hạt nano vàng dạng phân nhánh và bạc
(AuNS@Ag). ..............................................................................................................33
3.2.1. Ảnh hưởng của độ pH đến hạt nano AuNS@Ag. ................................... 33
3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng AgNO3 .......................................................... 34
3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng hạt vàng AuNS đến bước sóng Uvis của hạt
nano AuNS@Ag ....................................................................................................36
3.3. Kết quả đo EDS của hạt nano vàng. ................................................................37
3.4. Khảo sát tăng cường phổ Raman. ................................................................... 37
3.5. Khảo sát khả năng kháng khuẩn của các hạt vật liệu. ..................................38
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 1
PHỤ LỤC .........................................................................................................................1
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt ........................................................... 7
Hình 1. 2: Cơng thức phân tử của Rhudamine B ........................................................... 15
Hình 1. 3: Cơ chế kháng khuẩn của hạt nano bạc (AgNP) ............................................18
Hình 1. 4: Cơ chế kháng khuẩn của hạt nano vàng (AuNP) ..........................................18
Hình 2. 1: Cấu tạo của máy TEM ...................................................................................26
Hình 2. 2: Sơ đồ chuẩn bị dung dịch huyền phù vi khuẩn .............................................27
Hình 2. 3: Sơ đồ chuẩn mơi trường cấy vi khuẩn .......................................................... 28
Hình 2. 4: Sơ đồ chuẩn bị dung dịch pha lỗng .............................................................29
Hình 3. 1: Kết quả chụp TEM của vật liệu hạt nano vàng AuNP ................................. 31
Hình 3. 2: Kết quả chụp TEM của vật liệu hạt nano vàng dạng phân nhánh AuNS .....32
Hình 3. 3: Phổ UV-Vis của hạt nano vàng (AuNP) và hạt nano vàng phân nhánh
(AuNS). ...........................................................................................................................33
Hình 3. 4: Kết quả phổ hấp phụ UV-Vis theo pH 10 trong 3 ngày ............................... 33
Hình 3. 5: Kết quả phổ hấp phụ UV-Vis theo pH 11,12 trong 3 ngày ..........................34
Hình 3. 6: Kết quả phổ UV-Vis khảo sát hàm lương AgNO3 ....................................... 35
Hình 3. 7: Kết quả chụp TEM của vật liệu hạt nano vàng có cấu trúc core-shell với bạc
a) AuNS@Ag 50 uL AgNO3 b) AuNS@Ag100 uL AgNO3 .........................................35
Hình 3. 8: Kết quả phổ UV-Vis khảo sát hàm lượng AuNS ........................................ 36
Hình 3. 9: Kết quả đo EDS (a) hạt nano vàng dạng phân nhánh(AuNS) (b) Cấu trúc
core-shell của hạt nano vàng phân nhánh với bạc AuNS@Ag 100ul AgNO3 .............. 37
Hình 3. 10: Phổ Raman của mẫu AuNS, AuNS@Ag50, AuNS@Ag100. ....................38
i
Hình 3. 11: Kết quả khảo sát kháng khuẩn .................................................................... 39
Bảng 1: khối lượng phần trăm trung bình của các nguyên tố trong 5 điểm đo
EDS/EDX ..........................................................................................................................1
Bảng 2: Khối lượng phần trăm (%) các nguyên tố trong mẫu AuNS đo 5 điểm
EDS/EDX ..........................................................................................................................1
Bảng 3: Khối lượng phần trăm (%) các nguyên tố trong mẫu AuNS @Ag hàm lượng
100 µl AgNO3 EDS/EDX .................................................................................................1
Bảng 4: Số lượng vi khuẩn E. coli đếm được trong các mẫu khảo sát kháng khuẩn mẫu
AuNS .................................................................................................................................2
Bảng 5: Số lượng vi khuẩn E. coli đếm được trong các mẫu khảo sát kháng khuẩn
mẫu AuNS@Ag 100 .........................................................................................................2
ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết
tắt
AuNS
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
Gold nanostar
AuNS@Ag
Nano vàng dạng phân nhánh
-
Cấu trúc core-shell (AuNS@Ag) của
hạt nano vàng phân nhánh với bạc
AuNP
Gold nanoparticles
Hạt nano vàng hình cầu
AgNP
Sliver nanoparticles
Hạt nano bạc hình cầu
E. coli
Escherichia coli
EDX/EDS
-
Energy-dispersive X-ray
spectroscopy
Phổ tán xạ năng lượng tia X
NB
Nutrient Both
-
RhB
Rhodamine B
-
SERS
Surface Enhanced Raman
Spectroscope
Surface Plasmon Resonance
Tán xạ Raman tăng cường bề mặt
Transmission Electron Micros
cope
UltraViolet-Visible
Kính kiển vi điện tử truyền qua
LSPR
Localized surface plasmon
Hiệu ứng cộng hưởng từ bề mặt
PVP
Polyvinylpyrrolidone
SPR
TEM
UV – Vis
Hiệu ứng plasmon bề mặt
i
Vùng tử ngoại – khả kiến
MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu cuộc sống của con
người ngày được đưa lên cao. Song song với sự phát triển đó là những vấn đề về
môi trường và sức khỏe của con người càng được chú trọng. Mặc dù vậy những
vấn đề này vẫn chưa được quan tâm đúng mức.
Hằng năm có hàng triệu người trong đó có trẻ em chết vì các bênh truyền nhiễm
do các mầm bệnh khác nhau trong mơi trường nước. Cũng vậy, theo khảo sát có
khoảng 90% nước thải sinh hoạt ở các đô thị Việt Nam được thải ra môi trường
nhưng không qua xử lý. Đó là một báo động tìm ẩn rất nhiều nguy cơ gây bệnh
cho sức khỏe của con người. Hơn nữa, các ngành công nghệ dệt may và thực
phẩm cũng thải ra mơi trường nước một số chất hóa học gây hại. Trong đó kể đến
như Rhodamine B một chất độc gây ung thư, tim mạnh, thần kinh có trong cả 2
ngành cơng nghiệp được kể trên. Ngồi những hóa chất độc hại, cịn có như vi
khuẩn gây bệnh như nhóm vi khuẩn có tên là Escherichia coli (E. coli), được biết
đến với những căn bệnh về đường ruột.
Đối diện với những vấn đề đó, cùng với sự phát triển ngày càng vượt bậc của
công nghệ nano, ngày nay, những nghiên cứu về các hạt nano kim loại trong khả
năng cảm biến tăng cường Raman để nhận biết các hợp chất hữu cơ đã và đang
nhận được nhiều sự quan tâm chú ý. Cùng với đó là khả năng kháng khuẩn của
các hạt nano kim loại quý như bạc và vàng. Song song với đó, hình dạng và kích
thước của vật liệu nano đã được chứng minh có liên quan mật thiết tới các tính
chất lý/ hóa/ quang của chúng và do đó cũng ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng
ứng dụng của các hạt vật liệu nano.
Từ những vấn đề trên em quyết định nghiên cứu mảng đề tài: “Đánh giá khả năng
ứng dụng của hạt vật liệu nano vàng dạng phân nhánh (AuNS) và cấu trúc coreshell (AuNS@Ag) của chúng với bạc trong tăng cường phổ Raman và kháng
khuẩn” nhằm giúp có cái nhìn sâu hơn về vật liệu nano kim loại, cùng với những
ảnh hưởng của các hình thái cấu trúc của chúng đến với các tính năng ứng dụng
2
của hạt nano. Phần nào đó đưa vật liệu nano vào thực tiễn cuộc sống, để cải thiện
môi trường nước và sâu hơn nữa là giúp phòng ngừa những nguy hại cho sức khỏe
và cuộc sống của con người.
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vật liệu nano kim loại và hơp kim
1.1.1. Giới thiệu.
Vật liệu Nano là một loại vật liệu có kích thước từ khoảng 1 đến 100 nano mét.
Chúng có cấu trúc như các hạt, các ống, các tấm mỏng…Vật liệu Nano kim loại
và hợp kim là một phân loại của vật liệu Nano, được tổng hợp và tạo thành từ các
kim loại và hợp kim của chúng như: Au, Ag, Cu…Ngày nay, Dựa vào sự phân
loại về hình dáng và cấu trúc của vật liệu chúng ta có 3 loại vật liệu nano:
Khơng chiều: Là loại vật liệu mà cả ba kích thước về hình thái (chiều cao, chiều
dài, chiều rộng) đều có kích thước đạt nano như các hạt nano và đám nano.
Một chiều: Là một loại vật liệu có một chiều tự do, hai chiều cịn lại có kích thước
nano như các dây nano, ống nano.
Hai chiều: Là một loại vật liệu trong đó có hai chiều tự do, một chiều có kích
thước nano, như màng mỏng (có chiều dày kích thước nano).
Trong luận văn tốt nghiệp này tập trung chủ yếu vào vật liệu nano kim loại không
chiều, cụ thể là về các hạt nano kim loại và hợp kim. [1, 2]
1.1.2. Hạt nano kim loại và hợp kim.
Hạt nano kim loại, hợp kim là một hạt có kích thước nano thuộc nhóm nano
khơng chiều, được tạo thành từ các kim và hợp kim. Cách đây hàng nghìn năm
con người đã biết sử dụng các hạt nano vàng, nano bạc. Nhưng khi đấy chưa có
định nghĩa về nano cũng như hạt nano. Trong số đó, nổi tiếng nhất là chiếc cốc
Lycurgus do người La Mã làm ra trong thế kỷ thứ tư trước cơng ngun. Điểm
đặc biệc của chiếc cốc đó là sự đổi màu tùy vào cách người ta quan sát nó. Khi
nhìn với ánh sáng phản xạ nó có màu xanh lục, nhưng khi nhìn ánh sáng từ trong
cốc đi qua thành cốc thì nó mang màu đỏ. Sau khi phân tích với những phép phân
tích hiện đại ngày nay, người ta thấy rằng trong cốc đó có các hạt nano vàng, bạc
4
với kích thước 70nm tỉ phần mol là 14:1. [1]
Tuy vậy, mãi đến năm 1857 thì việc nghiên cứu về tính chất và ứng dụng cũng
như các phương pháp chế tạo của hạt nano kim loại mới thực sự bắt đầu. Song
song với việc nghiên cứu, các nhà khoa học tìm ra phương pháp chế tạo và hiểu
được nhiều hơn nữa các tính chất thú vị khác của hạt nano. Trong số đó là việc
thay đổi màu sắc phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của hạt nano. Điển hình
như, ánh sáng phản xạ lên bề mặt của vàng khối màu vàng, nhưng ánh sáng truyền
qua lại có màu xanh nước biển. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy còn được
gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại có mang điện tử
tự do mới hấp thụ được ánh sáng ở vùng khả kiến mới xuất hiện hiện tượng quang
học thú vị ở trên.[1]
Hiện nay, hạt nano kim loại đang là nền tảng của khoa học cơng nghệ hiện đại.
Đến nay, nó đã thu hút nhiều sự nghiên cứu lớn nhỏ và chuyên sâu trong các lĩnh
vực cảm biến, năng lượng, sinh học…Nhiều hạt nano hợp kim và kim loại quý với
thành phần hóa học và các đặc điểm hình thái khác nhau đã được tổng hợp và sản
xuất. Điều này chứng tỏ rằng hạt nano kim loại sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến sự
phát triển của khoa học công nghệ trong tương lai.
1.1.3. Đặc điểm và tính chất.
1.1.3.1. Đặc điểm.
Hiệu ứng bề mặt: Vật liệu khi đạt đến một kích thước nhỏ thì tỉ số nguyên tử trên
bề mặt vật liệu và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Nếu xét vật liệu là một
hạt nano hình cầu. Gọi ns là số nguyên tử bề mặt và n là số ngun tử tổng của vật
liệu thì ta có ns = 4 n2/3. Như vậy, nếu gọi f là tỉ số của số nguyên tử trên bề mặt và
số nguyên tử tổng thì ta có f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của
ngun tử và r là bán kính của hạt nano. Vì vậy, tỉ số f tăng lên khi giảm kích
thước của vật liệu.
Sự khác biệt về tính chất của những nguyên tử trên bề mặt và những nguyên tử
trong vật liệu làm cho tính chất của vật liệu dự theo kích thước cũng bị ảnh hưởng
theo. Những hiệu ứng liên quan đên các nguyên tử ở bề mặt được gọi là hiệu ứng
5
bề mặt. Hiệu ứng này được thấy rõ khi kích thước vật liệu đạt đến nanomet. Vì ở
kích thước này giá trị tỉ số f ở trên được tăng lên rất nhiều. Hạt càng bé thì hiệu
ứng bề mặt này càng lớn và ngược lại. Điều này chứng tỏ rằng sự thay đổi về tính
chất của hiệu ứng khơng có tính đột biến và ln có tác dụng với tất cả kích thước.
Như vậy, cả vật liệu khối cũng có hiệu ứng bề mặt, nhưng điều khác biệt là nó quá
nhỏ nên thường bị bỏ qua.[1]
Hiệu ứng bề mặt có tác động lớn đến các tính chất của vật liệu ở kích thước nano.
Nó làm nên sự khác biệt giữa vật liệu nano và vật liệu khối. Kích thước vật liệu
càng nhỏ số nguyên tử bề mặt tăng. Diện tích tiếp xúc vật liệu tăng, vì vậy khả
năng phản ứng của vật liệu nano cao.
Hiệu ứng kích thước: Với hiệu ứng kích thước của vật liệu, hiệu ứng này làm vật
liệu nano thể hiện các tính chất hóa/ lý/ quang học khác biệt so với vật liệu truyền
thống. Một vật liệu thì tính chất của vật liệu sẽ có một độ dài đặc trưng. Kích
thước của vật liệu giảm đi sẽ kéo theo các chuyển động và tính chất của điện tử
thay đổi, điều này làm xảy ra các hiệu ứng lượng tử. Có thể giải thích như thế này:
đối với một vật liệu kích thước bình thường sẽ gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu
ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều ngun tử và có thể bỏ qua các
thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng đối với các cấu trúc nano sẽ có ít ngun tử hơn
thì làm cho các tính chất lượng tử xuất hiện rõ hơn. Đâycịn gọi là hiện tượng
chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử. Tính chất vận chuyển của
điện tử thay đổi do ảnh hưởng của kích thước tới hạn, tức là các yếu tố chiều dài
đặc trưng.[3]
Hiện tượng cộng hưởng từ bề mặt: được định nghĩa là sự dao động của điện tử
tự do ở bề mặt hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới. Khi tần số dao động
của các electron trùng với tần số dao động của ánh sáng tới thì xảy ra hiện tượng
cộng hưởng từ bề mặt.
Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR): là một đặc tính quang học nổi bật
nhất của hạt nano kim loại. Nó là một tập hợp dao động của các điện tử được kích
thích bởi trường điện tử của ánh sáng. Khi kích thước của vật liệu nano kim loại
6
nhỏ hơn bước sóng tới của bức xạ tới, thì cũng là lúc hiện tượng này xuất hiện. [4]
Hạt nano kim loại được xem là một mạng tinh thể của các lõi ion có tính dẫn điện
electron chuyển động gần như tự do bên trong hạt nano. Khi hạt này được chiếu
sáng, trường điện từ ánh sáng này tác dụng lên sự dẫn truyền này, các electron di
chuyển về phía bề mặt của hạt nano. Khi các điện tử bị giới hạn bên trong hạt
nano thì hai điện tích âm và dương sẽ được tích ở hai đầu đối diện nhau, tạo ra
một lưỡng cực điện. Lưỡng cực này tạo ra một điện trường bên trong hạt nano
ngược với điện trường của ánh sáng, điều này buộc các electron trở lại vị trí cân
bằng. Nếu các electron bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng và điện trường sau đó
bị loại bỏ, chúng sẽ dao động với một tần số nhất định gọi là tần số cộng hưởng.[4]
Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng
số nguyên tử của vật liệu càng tăng. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất
khác biệt so với tính chất của các nguyên tử bên trong lòng vật liệu nên khi kích
thước của vật liệu giảm đi thì hiệu ứng liên quan đến các nguyên tử bề mặt hay
còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên. Hiệu ứng bề mặt ln có tác dụng với tất cả
các kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Tức là, sẽ khơng
có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt,
tuy nhiên do có kích thước lớn nên hiệu ứng này nhỏ và thường được bỏ qua.
Hình 1. 1: Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt
7
1.1.3.2. Tính chất.
Tính chất quang học: Ở phần đầu ta có nhắc đến chiếc cốc Lycurgus, nó một sản
phẩm ứng dụng của tính chất quang học của hạt nano kim loại. Tính chất này làm
cho cá sản phẩm từ thủy tinh có trộn hạt nano vàng và hạt nano bạc của người La
Mã có màu sắc khác nhau. Bắt nguồn từ hiệu ứng plasmon bề mặt do các 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 dưới tác động của điện từ trường bên ngoài như
ánh sáng.
Hạt nano kim loại do sự dao động của các điện tử dẫn đến q trình tương tác với
bức xạ sóng điện từ. Khi dao động, điện tử phân bố lại trong hạt nano làm cho nó
bị phân cực tạo lưỡng cực điện. Vì thế, xảy ra một tần số cộng hưởng phụ thuộc
vào nhiều yếu tố. Nhưng các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất là hình dáng, độ lớn của
hạt nano và mơi trường xung quanh. Tính chất quang cũng bị ảnh hưởng bởi mật
độ hạt nano. Nếu mật độ nhỏ thì có thể xem như là hạt tự do, ngược lại nếu mật độ
cao thì phải tính ảnh hưởng của sự tương tác giữa các hạt.[1]
Tính chất từ: Các kim loại quý như vàng, bạc,... có tính nghịch từ ở trạng thái
khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ
khơng tồn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính
sắt từ ở trạng thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, côban, niken thì khi kích
thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận
từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và khơng
có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hồn tồn bằng
khơng. Tính chất này bị ảnh hưởng bởi các yếu hình dạng, kích thước, thành phần,
cấu trúc core-shell của hạt vật liệu nano kim loại .[5]
Tính chất nhiệt: Trong một vật liệu nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào mức độ
liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể của vật liệu. Trong một tinh thể,
mỗi nguyên tử sẽ có các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Điều
này có sự khác biệt giữa các nguyên tử trên bề mặt và các nguyên tử bên trong vật
liệu. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của
8