ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
KHOA HÓA HỌC
-------------------------------------------

PHAN MINH HƢƠNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO OXIT SẮT
TỪ Fe3O4 BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH
CHIẾT NƢỚC RONG NÂU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: HÓA DƢỢC


ĐÀ NẴNG, 2017
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
KHOA HÓA HỌC
-------------------------------------------

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO OXIT SẮT
TỪ Fe3O4 BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH
CHIẾT NƢỚC RONG NÂU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: HÓA DƢỢC

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI
SINH VIÊN THỰ HIỆN: PHAN MINH HƢƠNG
LỚP: 13 CHD

NIÊN KHÓA 2013 - 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HOÁ

NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: PHAN MINH HƢƠNG
Lớp: 13CHD
Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp hạt oxit sắt từ Fe3O4 bằng tác nhân khử dịch
chiết nước rong nâu
1. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị: rong nâu, dung dịch sắt III clorua, cốc thuỷ
tinh, bình định mức,giấy lọc, phễu lọc, pipet, máy khuấy từ, bếp điện…
2. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu quá trình điều chế nano oxit sắt từ từ dung dịch FeCl3 và dịch
chiết rong nâu.
3. Giáo viên hƣớng dẫn: PGS. TS. Lê Tự Hải
4. Ngày giao đề tài: Tháng 9 năm 2016
5. Ngày hoàn thành: Tháng 4 năm 2017


Chủ nhiệm Khoa


Giáo viên hƣớng dẫn

PGS. TS. Lê Tự Hải

PGS. TS. Lê Tự Hải

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày 28 tháng 4 năm 2017
Kết quả điểm đánh giá: .............
Ngày

tháng

năm 2017

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình hồn thành khố luận tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ,
hỗ trợ và tạo điều kiện tìm tài liệu, hố chất, dụng cụ của rất nhiều thầy cô và anh
chị. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong khoa Hố, đặc biệt là sự hƣớng
dẫn tận tình của PGS. TS. Lê Tự Hải, cơ Võ Thị Kiều Oanh – Phịng thí nghiệm
phƣơng pháp, chị Trần Thị Quỳnh Trang – Học viên Cao học, đã giúp đỡ tơi hồn
thành tốt khố luận tốt nghiệp này.
Đà Nẵng, ngày …… tháng …. Năm 2017
Sinh viên thực hiện

Phan Minh Hƣơng



DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CHĐBM

Chất hoạt động bề mặt

EDX

Phổ tán sắc năng lƣợng tia X

FTIR

Phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier

SEM

Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử quét

TEM

Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử truyền qua

UV – VIS

Quang phổ hấp thụ phân tử

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X



DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

Trang

1.1

Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu

5

1.2

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

6

1.3

Khoảng cách giữa các ion đƣợc ký hiệu p, q, r, s b, c, d, e,

18

bảng

hằng số mạng a, tham số oxi u (đại lƣợng đặc trƣng cho độ
dịch chuyển của các ion oxi khỏi vị trí mạng lý tƣởng có

giá trị 3/8102).

1.4

Giá trị tích phân tƣơng tác trao đổi AB của một số chất

18

ferrite

3.1

Kết quả xác định độ ẩm trong rong nâu

40

3.2

Kết quả xác định hàm lƣợng tro trong rong nâu

40


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Tên hình

Trang


các hình
1.1

Sơ đồ của kính hiển vi đầu dị qt STM

4

1.2

Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4

13

1.3

Những tính chất quan trọng của hạt nano oxit sắt từ cho

14

các ứng dụng y sinh và công nghệ sinh học. (A) siêu
thuận từ; (B) có hiệu ứng nhiệt dƣới một từ trƣờng xoay
chiều; (C) tính linh hoạt trong các q trình tổng hợp và
tạo lớp phủ với những polyme sinh học; (D) tỷ lệ bề
mặt/ thể tích cao do kích thƣớc nano của hạt
1.4

Những ví dụ về hạt nano từ tính phủ polysacarit đƣợc

15


gắn thêm các thụ thể đa chức năng
1.5

Các gốc hóa học phổ biến cho việc giữ chặt polyme và

15

các nhóm chức tại bề mặt của hạt nano oxit sắt từ
1.6

Một vài dạng cấu hình sắp xếp ion trong mạng spinel

17

tƣơng ứng với các tƣơng tác trao đổi, ion A và B là các
ion kim loại tƣơng ứng với vị trí tứ diện và bát diện.
Vòng tròn lớn là ion oxi.

1.7

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu hạt nano Fe3O4 có

19

kích thƣớc 9,6 nm

1.8

Các phần tử mang thuốc trong mạch máu (1) thấm qua


21

mạch máu bệnh lý (2) vào khoảng trống khối u (3) và
giải phóng thuốc ở đó (4) với nồng độ thuốc cao
1.9

Hình thái về rong lục

23

1.10

Hình thái về rong đỏ

23

1.11

Hình thái về rong nâu

23


2.1

Mơ hình ngun lý của TEM so với kính hiển vi quang

34

học

2.2

Ảnh mơ hình nhiễu xạ tia X

35

2.4

Sơ đồ ngun lý đo phổ hồng ngoại

37

2.5

Nguyên tắc tán xạ tia X dùng trong phổ EDX

38

2.6

Quy trình thực nghiệm

39

3.1

Sự biến đổi màu sắc của dung dịch trong quá trình tạo

42


nano oxit sắt từ với sự thay đổi thời gian chiết rong nâu
3.2

Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian chiết đến quá

42

trình tạo nano oxit sắt từ
3.3

Sự biến đổi màu sắc của dung dịch trong quá trình tạo

44

nano oxit sắt từ với sự thay đổi tỉ lệ rắn/ lỏng
3.4

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

44

trình tạo nano oxit sắt từ
3.5

Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích dịch chiết

46

rong nâu đến quá trình tạo nano oxit sắt từ
3.6


Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình

47

tạo nano oxit sắt từ

3.7

Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình

48

tạo nano oxit sắt từ

3.8

Ảnh TEM của hạt nano oxit sắt từ

49

3.9

Kết quả đo XRD của mẫu nano oxit sắt từ

50

3.10

Kết quả đo SEM của mẫu nano oxit sắt từ


50

3.11

Kết quả đo EDX của mẫu nano oxit sắt từ

51

3.12

Phổ FTIR của dịch chiết rong nâu

51

3.13

Phổ FTIR của nano oxit sắt từ tổng hợp bằng tác

52

nhân khử dịch chiết nƣớc rong nâu


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................................... 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................................. 2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................... 2
CHƢƠNG 1 .......................................................................................................................... 4
TỔNG QUAN ....................................................................................................................... 4
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NANO ................................................................................................ 4
1.1.1. Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano ............................................................. 4
1.1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano............................................................................ 5
1.1.3. Vật liệu nano ................................................................................................................ 7
1.1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano .................................................................... 8
1.1.5. Ứng dụng của công nghệ nano .................................................................................... 9
1.2. HẠT NANO OXIT SẮT TỪ ........................................................................................ 10
1.2.1. Giới thiệu về oxit sắt từ ............................................................................................. 10
1.2.2. Khả năng và cơ chế kháng khuẩn của oxit sắt từ ....................................................... 11
1.2.3. Giới thiệu về hạt nano oxit sắt từ ............................................................................... 12
1.2.4. Tính chất của các hạt nano oxit sắt từ ........................................................................ 13
1.2.5. Tính chất của hạt nano oxit sắt từ .............................................................................. 17
1.2.7. Một số ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ .................................................................. 19
1.3. TỔNG QUAN VỀ RONG NÂU .................................................................................. 22
1.3.1. Giới thiệu về rong nâu ............................................................................................... 22
1.3.2. Phân bố, sinh học và sinh thái của rong nâu .............................................................. 24
1.3.3. Thành phần hóa học ................................................................................................... 24
1.3.4. Tác dụng dƣợc lý – công dụng................................................................................... 26


1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NANO OXIT SẮT TỪ TRONG NƢỚC VÀ TRÊN THẾ
GIỚI ..................................................................................................................................... 27
1.4.1. Trong nƣớc................................................................................................................. 27
1.4.2. Trên thế giới ............................................................................................................... 27
CHƢƠNG 2 ........................................................................................................................ 29
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................. 29
2.1. NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT ........................................................... 29

2.1.1. Nguyên liệu ................................................................................................................ 29
2.1.2. Dụng cụ và hóa chất................................................................................................... 29
2.2. XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ HĨA LÝ ..................................................................... 29
2.2.1. Xác định độ ẩm .......................................................................................................... 29
2.2.2. Xác định hàm lƣợng tro ............................................................................................. 30
2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ RONG
NÂU ..................................................................................................................................... 31
2.3.1. Khảo sát thời gian chiết ............................................................................................. 31
2.3.2. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng ................................................................................................ 32
2.4. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO NANO OXIT
SẮT TỪ ............................................................................................................................... 32
2.4.1. Khảo sát tỉ lệ thể tích dịch chiết rong nâu với dung dịch FeCl3 ...................................... 32
2.4.2. Khảo sát nhiệt độ tạo nano oxit sắt từ ........................................................................... 32
2.4.3. Khảo sát thời gian tạo nano oxit sắt từ .......................................................................... 32
2.5.1. Phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS) .................................................................................. 33
2.5.2. Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................................... 33
2.5.3. Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................................. 34
2.5.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD).......................................................................................... 35
2.5.5. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FTIR) ........................................ 36
2.5.6. Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX)..................................................... 37
2.6. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP HẠT NANO OXIT SẮT TỪ .. 38
CHƢƠNG 3 ........................................................................................................................ 40
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................... 40
3.1. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ HĨA LÍ .................................................... 40
3.1.1. Xác định độ ẩm .......................................................................................................... 40


3.1.2. Xác định hàm lƣợng tro ............................................................................................. 40
3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT
RONG NÂU ........................................................................................................................ 41

3.2.1. Khảo sát thời gian chiết ............................................................................................. 41
3.2.2. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng (tỉ lệ R/L) ............................................................................... 43
3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TỔNG
HỢP NANO OXIT SẮT TỪ ............................................................................................... 45
3.3.1. Ảnh hƣởng giữa tỉ lệ thể tích dịch chiết rong nâu .......................................................... 45
3.3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tạo nano oxit sắt từ .............................................................. 47
3.3.3. Ảnh hƣởng của thời gian tạo nano oxit sắt từ ................................................................ 48
3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG CỦA HẠT NANO OXIT SẮT TỪ Fe3O4 .... 49
3.5. CƠ CHẾ TẠO NANO OXIT SẮT TỪ BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT
NƢỚC RONG NÂU ............................................................................................................ 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 54
KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 54
KIẾN NGHỊ ......................................................................................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Khoa học công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới và đang
phát triển rất nhanh chóng hiện nay. Vật liệu đƣợc chế tạo bằng công nghệ này thể
hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thƣớc. Khoa học và công nghệ nano
trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật. Hiện
nay, nhiều quốc gia trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu
tƣ phát triển. Ƣớc tính tổng đầu tƣ cho lĩnh vực cơng nghệ nano trên tồn thế giới
xấp xỉ 3 tỷ đơla và đã có hàng trăm sản phẩm của cơng nghệ nano đƣợc thƣơng mại,
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ y tế, năng lƣợng và môi trƣờng.
Trong công nghệ nano, nghiên cứu các hạt nano là một khía cạnh quan trọng.

Tùy theo yêu cầu và mục đích sử dụng của chúng là nghiên cứu trong phịng thí
nghiệm, hay trên cơ thể ngƣời từ đó mà xác lập các thơng số nhƣ kích thƣớc, hình
dạng, các tính chất từ, tính độc hại và độ bền cơ học của hạt…
Trong xu hƣớng phát triển của công nghệ nano, hạt nano từ tính Fe3O4 là loại
vật liệu đƣợc nghiên cứu rất nhiều trong nƣớc và quốc tế bởi nó có rất nhiều ứng
dụng trong đời sống.
Có rất nhiều phƣơng pháp điều chế nano oxit sắt từ, nhƣng phƣơng pháp hóa
học đƣợc xem là rẻ tiền và ít rủi ro nhất. Trong đó, tổng hợp nano từ dịch chiết thực
vật có ƣu điểm là không độc hại, hiệu suất tƣơng đối tốt và điều kiện rất dễ thực
hiện so với các phƣơng pháp khác.
Rong nâu đƣợc biết đến nhƣ là thực phẩm nhiều dinh dƣỡng, nguồn cung cấp
các nguyên tố vi lƣợng và vitamin cần thiết cho hoạt động sống của con ngƣời.
Rong nâu chứa các thành phần có hoạt tính sinh học phong phú và đa dạng nhƣ
chống oxi hóa, kháng khuẩn, kháng nấm, chống đông tụ và chống bức xạ UV – B,
khả năng làm lành vết thƣơng và tái tạo tế bào. Hiện nay, một hƣớng nghiên cứu
đƣợc các nhà hóa học quan tâm đó là sử dụng dung dịch chiết từ rong nâu để sinh
tổng hợp các hạt nano oxit sắt từ, mà khơng sử dụng hóa chất để bảo vệ các hạt
nano. Với những lý do trên, tôi xin chọn đề tài nghiên cứu với nội dung “Nghiên


2

cứu tổng hợp nano oxit sắt từ Fe3O4 bằng tác nhân khử dịch chiết nƣớc rong
nâu ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá khả năng tổng hợp nano oxit sắt từ bằng tác nhân khử là dịch chiết
nƣớc rong nâu.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Rong nâu đƣợc thu hái ở khu vực ven biển Nguyễn Tất Thành – thành phố Đà
Nẵng.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
- Tìm hiểu thơng tin, tƣ liệu về rong nâu, oxit sắt từ, nano oxit sắt từ và các
vấn đề liên quan đến đề tài.
- Xử lý các thông tin về lý thuyết có thể sử dụng đƣợc để đƣa ra các vấn đề
cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm
- Phƣơng pháp chiết tách: phƣơng pháp chƣng ninh sử dụng dung môi là nƣớc.
- Phƣơng pháp xác định các thơng số hóa lý của rong nâu: độ ẩm, hàm lƣợng
tro.
- Phƣơng pháp phân tích cơng cụ: phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử
(UV-VIS).
- Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử quét (Scanning electron Microscope – SEM);
hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscope – TEM); phƣơng
pháp nhiễu xạ tia X (X–ray diffraction – XRD), phƣơng pháp đo từ trễ EDX.
- Phƣơng pháp khảo sát khả năng kháng khuẩn của hạt nano oxit sắt từ
trên các loại vi khuẩn.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu này giúp cho chúng ta hiểu biết rõ hơn về phƣơng pháp điều chế
hạt nano oxit sắt từ bằng phƣơng pháp hóa học xanh, an tồn, ít tốn kém.


3

- Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có rất nhiều ở nƣớc ta là rong nâu, để tổng
hợp hạt nano oxit sắt từ.
- Trên cơ sở của nghiên cứu này có thể tiến hành tổng hợp nano oxit sắt từ trên
quy mơ lớn, từ đó sản xuất chất kháng khuẩn và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khác.



4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NANO
1.1.1. Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano
Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành cơng 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 thƣớc trên quy mô nanomet (1 nm = 10−9 m).
Năm 1959, khái niệm về công nghệ nano đƣợc nhà vật lý ngƣời Mỹ Richard
Feynman nhắc đến khi ông đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thƣớc siêu
nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời
của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dị qt (SPM hay
STM) có khả năng quan sát đến kích thƣớc vài nguyên tử hay phân tử, con ngƣời có
thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano.

Hình 1.1. Sơ đồ của kính hiển vi đầu dị qt STM
Cơng nghệ nano có khả năng sẽ làm thay đổi một cách toàn diện bộ mặt cuộc
sống của chúng ta. Nhiều quốc gia trên thế giới đã quan tâm và đặt ra mục tiêu
nghiên cứu phát triển và ứng dụng cơng nghệ nano, nhƣ là một địn bẩy thúc đẩy sự
phát triển của nền kinh tế, cùng các ngành khoa học công nghệ khác, vốn đã phát
triển nhƣ công nghệ thông tin, công nghệ sinh học. Đối tƣợng chính để nghiên cứu
trong cơng nghệ nano là vật liệu nano.


5

1.1.2. Cơ sở khoa học của cơng nghệ nano
Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano:

a. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều ngun tử, các hiệu ứng lƣợng tử đƣợc
trung bình hóa với rất nhiều ngun tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể
bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhƣng các cấu trúc nano có ít ngun tử hơn thì
các tính chất lƣợng tử thể hiện rõ ràng hơn.
b. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số nguyên tử trên bề mặt và tổng số
nguyên tử (gọi là tỉ số f) của vật liệu gia tăng (Bảng 1.1). Do nguyên tử trên bề mặt
có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật
liệu nên khi kích thƣớc vật liệu giảm bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thƣớc
của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Hiệu ứng bề mặt ln có
tác dụng với tất cả các giá trị của kích thƣớc, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và
ngƣợc lại. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano là tƣơng đối dễ
dàng. Bảng 1.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu.
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu
Đƣờng kính Số ngun Tỉ số ngun tử Năng lƣợng bề Năng lƣợng bề mặt/
hạt (nm)

tử

trên bề mặt (%) mặt (erg/mol) Năng lƣợng tổng(%)

10

30000

20

4,08.1011


7,6

5

4000

40

8,16.1011

14,3

2

250

80

2,04.1011

35,3

1

30

90

9,23.1012


82,2

c. Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích
thƣớc. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thƣớc này thì tính chất của nó hồn tồn bị


6

thay đổi. Ngƣời ta gọi đó là kích thƣớc tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là
do kích thƣớc của nó có thể so sánh đƣợc với kích thƣớc tới hạn của các tính chất
của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thƣớc
vĩ mơ mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thƣớc của vật liệu xuống nhỏ
hơn quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thƣờng có giá trị
từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm khơng cịn đúng nữa. Lúc đó điện trở của
vật có kích thƣớc nano sẽ tuân theo các quy tắc lƣợng tử. Không phải bất cứ vật liệu
nào có kích thƣớc nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà
nó đƣợc nghiên cứu. Bảng 1.2 cho biết độ dài tới hạn của một số tính chất của vật
liệu.
Các tính chất khác nhƣ tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính
chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà ngƣời ta
gọi ngành khoa học và cơng nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
Bảng 1.2. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu
Lĩnh vực

Tính chất
Bƣớc sóng điện tử

Tính chất điện


Qng đƣờng tự do trung bình khơng đàn
hồi
Hiệu ứng đƣờng ngầm

Tính chất từ

10 – 100
1 – 100
1 – 10

Độ dày vách domain

10 – 100

Quãng đƣờng tán xạ spin

1 – 100

Hố lƣợng tử

1 – 100

Tính chất quang Độ dài suy giảm

Tính siêu dẫn

Độ dài tới hạn (nm)

10 – 100


Độ sâu bề mặt kim loại

10 – 100

Độ dài liên kết cặp Cooper

0,1 – 100

Độ thẩm thấu Meisner

1 – 100


7

Tƣơng tác bất định xứ

Tính chất cơ

Xúc tác

Siêu phân tử

1 – 1000

Biên hạt

1 – 10

Bán kính khởi động đứt vỡ


1 – 100

Sai hỏng mầm

0,1 – 10

Độ nhăn bề mặt

1 – 10

Hình học topo bề mặt

1 – 10

Độ dài Kuhn

1 – 100

Cấu trúc nhị cấp

1 – 10

Cấu trúc tam cấp

10 – 1000

1.1.3. Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomet.
Về trạng thái của vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái rắn, lỏng và khí.

Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó
mới đến chất lỏng và khí.
* Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân ra thành các loại sau:
- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thƣớc nano, khơng cịn
chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano.
- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thƣớc nano,
điện tử đƣợc tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano.
- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano, hai
chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.
Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thƣớc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
* Về tính chất vật liệu nano gồm:
- Vật liệu nano kim loại


8

- Vật liệu nano bán dẫn
- Vật liệu nano từ tính
- Vật liệu nano sinh học…
1.1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano
Vật liệu nano đƣợc chế tạo bằng hai phƣơng pháp: phƣơng pháp từ trên xuống
(top – down) và phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom – up). Phƣơng pháp từ trên xuống
là phƣơng pháp tạo hạt kích thƣớc nano từ các hạt có kích thƣớc lớn hơn; phƣơng
pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử, ion.
a. Phương pháp đi từ trên xuống (top – down)
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ
chức hạt thơ thành cỡ hạt kích thƣớc nano. Đây là các phƣơng pháp đơn giản, rẻ
tiền nhƣng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá

lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu).
Phƣơng pháp nghiền: vật liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi
đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là
nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các
viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu
đƣợc là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
Phƣơng pháp biến dạng: nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn (có thể >10) mà
khơng làm phá huỷ vật liệu, đó là các phƣơng pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể
đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào từng trƣờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn
hơn nhiệt độ kết tinh lại thì đƣợc gọi là biến dạng nóng, cịn ngƣợc lại thì đƣợc gọi
là biến dạng nguội. Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano một chiều hoặc hai chiều.
Ngoài ra, hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp quang khắc để tạo ra các
cấu trúc nano.
b. Phương pháp đi từ dưới lên (bottom – up)
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phƣơng pháp
từ dƣới lên đƣợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của sản
phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đƣợc chế


9

tạo từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý,
phƣơng pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.
- Phƣơng pháp vật lý: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử
hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng
pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phƣơng pháp
chuyển pha: vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc
trạng thái vơ định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vơ định hình – tinh thể
(kết tinh) (phƣơng pháp nguội nhanh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để tạo
các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứngmáy tính.

- Phƣơng pháp hóa học: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phƣơng
pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà ngƣời ta
phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân
loại các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha
lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol – gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,... ). Phƣơng pháp
này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
- Phƣơng pháp kết hợp: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên
tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí,... Phƣơng pháp này có thể
tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
1.1.5. Ứng dụng của công nghệ nano
Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng
và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thƣớc của các thiết bị, hệ thống
đến kích thƣớc cực nhỏ. Cơng nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và
quy trình sản xuất truyền thống gây ơ nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết
kiệm năng lƣợng, giảm tác động đến môi trƣờng. Công nghệ nano đƣợc xem là cuộc
cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh
học, năng lƣợng, môi trƣờng, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn
xã hội.
Trong y sinh học: các hạt nano đƣợc xem nhƣ là các robot nano thâm nhập
vào cơ thể giúp con ngƣời có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào. Hiện nay,


10

con ngƣời đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn
đốn bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thƣ…
Năng lƣợng: nâng cao chất lƣợng của pin năng lƣợng mặt trời, tăng tính hiệu
quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận
chuyển điện đƣờng dài…
Điện tử – cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh,

chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi
thơng tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ –
siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…
Môi trƣờng: chế tạo ra màng lọc nano lọc đƣợc các phân tử gây ô nhiễm; các
chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hồn tồn…
1.2. HẠT NANO OXIT SẮT TỪ
1.2.1. Giới thiệu về oxit sắt từ
- Công thức: Fe3O4 hay FeO.Fe2O3
- Khối lƣợng phân tử: 231,533 g/mol
- Cấu hình electron:
Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2

↑↓

↑

↑

↑

↑

3d6

↑↓
4s2

Fe2+: 1s22s22p63s23p63d6
↑↓


↑

↑

↑

3d6

↑
4s0

Fe3+: 1s22s22p63s23p63d5
↑

↑

↑

3d5

↑

↑
4s0

a. Tính chất vật lý
- Dạng tinh thể lập phƣơng hay dạng bột vô định hình, màu đen
- Thành phần chủ yếu trong quặng magnetite



11

- Không tan trong nƣớc và dung môi hữu cơ. Tan trong dung dịch axit lỗng
(chậm). Khơng tan trong dung dịch kiềm.
- Nhiệt độ nóng chảy: tnc = 1538oC
b. Tính chất hóa học
Fe3O4 là một oxit hỗn hợp của FeO và Fe2O3 nên thể hiện tính chất đồng thời
của Fe2+ và Fe3+. Tuy nhiên, do tính tan của Fe3O4 kém nên chỉ thể hiện tính chất
khi hịa tan thành ion bởi axit.
* Tác dụng với axit
- Với HCl: phản ứng xảy ra nhanh khi nồng độ của HCl

10% và đun nóng

Fe3O4 + 8HCl → FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
- Với H2SO4 loãng (

10%):

Fe3O4 + 4H2SO4 → FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H2O
- Với H2SO4 đặc nóng:
2Fe3O4 + 10H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 10H2O
- Với HNO3: tùy theo điều kiện sẽ sinh ra khí NO hoặc NO2
Fe3O4 + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO2↑ + 5H2O
8Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO↑ + 4H2O
* Tác dụng với oxi:
4Fe3O4 + O2 → 6Fe2O3
* Tác dụng với các chất khử thông thƣờng: C, CO, H2, Al (phản ứng ở nhiệt
độ cao)
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 2C → 3Fe + 2CO2
Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3
1.2.2. Khả năng và cơ chế kháng khuẩn của oxit sắt từ
Oxit sắt thơng thƣờng thì khơng có khả năng kháng khuẩn. Một vài nghiên
cứu về ảnh hƣởng của chúng lên vi khuẩn cho thấy oxit sắt từ có khả năng ức chế
hoạt động của vi khuẩn. Từ đó, các hạt nano oxit sắt từ đã đƣợc ứng dụng nhiều


12

trong y sinh học nhờ tính chất này. Các nghiên cứu chỉ ra rằng các hạt nano oxit sắt
từ có thể tƣơng tác với các tế bào vi khuẩn trực tiếp bằng cách phá vỡ hoặc thâm
nhập vào thành tế bào của vi khuẩn, tạo ra các sản phẩm thứ cấp gây gián đoạn việc
chuyển điện tử xuyên màng, hoặc gián tiếp là chất dẫn cho các chất có tính kháng
khuẩn. Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra động học của sự phát triển của vi khuẩn bị tác
động bởi oxit sắt từ dẫn đến có sự phát triển các dịng vi khuẩn bị ảnh hƣởng khơng
nhỏ.
Ví dụ, các hạt nano oxit sắt (có đƣờng kính trung bình khoảng 9 nm) có khả
năng làm giảm tỷ lệ sống của các vi khuẩn S.aureus trong chuỗi cấu trúc của nó
(chiều dài khoảng 100 – 200 nm). Ngƣời ta đã làm các thí nghiệm so sánh một mẫu
vi khuẩn khơng có chứa hạt nano oxit sắt từ và mẫu vi khuẩn có chứa hạt nano oxit
sắt từ, với nồng độ 3 mg/ mL, các hạt nano oxit sắt từ có khả năng làm giảm sự phát
triển tế bào ở mẫu vi khuẩn có mặt nano oxit sắt từ trong các khoảng thời gian 4
giờ, 12 giờ và 24 giờ.
Oxit sắt từ đƣợc biết nhờ tính chất kháng khuẩn và tính chất siêu thuận từ đặc
biệt, nhờ đó nó trở thành một ứng dụng to lớn trong ngành y dƣợc khi cho phép các
hạt nano có thể làm chất dẫn truyền thuốc vào bên trong cơ thể bằng cách bao phủ
bên ngồi nó với các hợp chất kháng khuẩn khác bằng một từ trƣờng.
1.2.3. Giới thiệu về hạt nano oxit sắt từ

Fe3O4 (magnetite) là hợp chất oxit phổ biến của nguyên tố sắt, vật liệu này
thuộc họ ferrite spinel có hai phân mạng từ không tƣơng đƣơng và tƣơng tác giữa
các phân mạng là phản sắt từ. Vật liệu Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo.
Cơng thức phân tử: FeO. Fe2O3 = Fe. Fe2O4
Mơ hình ion: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]B O42Các ion O2- hình thành nên mạng lập phƣơng tâm mặt với hằng số mạng a =
0,8398 nm. Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trong khoảng
trống giữa các ion O2-. Ion Fe2+ chiếm 1/4 ở vị trí bát diện và ion Fe3+ chiếm 1/8 ở
vị trí tứ diện và 1/4 ở vị trí bát diện. Cấu trúc này đƣợc mơ tả nhƣ Hình 1.2, trong


13

đó một ơ cơ bản bao gồm 8 ơ đơn vị và công thức Fe24O32 phân bố nhƣ sau: Fe3+8A[
Fe2+8 Fe3+8]BO32, trong đó A là vị trí tứ diện, B là vị trí bát diện.
Ion Oxy

Hình 1.2. Cấu trúc tinhthể của vật liệu Fe3O4
Fe3+ ở vị trí tứ diện (A)
Fe3+ và Fe2+ ở vị trí bát diện (B)
1.2.4. Tính chất của các hạt nano oxit sắt từ
Các hạt oxit sắt có từ tính ở kích thƣớc nano (MNPs), chủ yếu là magnetit
(Fe3O4) và maghemite (γ – Fe2O3) là một loại vật liệu quan trọng. MNPs cho thấy
một tiềm năng y sinh do tính chất đáng chú ý nhƣ siêu thuận từ và tƣơng thích sinh
học. Ngồi ra, việc dễ tổng hợp, tạo lớp phủ tiếp theo, chức năng hóa và tỷ lệ diện
tích bề mặt/ thể tích cao của MNPs cho thấy sự linh hoạt của nó (Hình 1.3 và 1.4).