Tính chất của các hạt nano trên cơ sở các vật liệu bán dẫn (27/06/2019)
Trong các loại vật liệu nano, các hạt nano được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm cả về nghiên cứu cơ bản, cũng như nghiên cứu ứng dụng trong khoa học sự sống, phục vụ con người. Cho đến nay đã có hàng trăm công trình về lĩnh vực này.
Các hạt nano từ tính có rất nhiều ứng dụng như: dẫn truyền thuốc; tăng thân nhiệt cát cứ diệt tế bào ung thư; tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân; phân tách và chọn lọc tế bào;.làm các cảm biến sinh học; ứng dụng trong xử lý môi trường, hấp phụ các ion kim loại nặng độc hại như As trong nước, làm sạch nước bị ô nhiễm.
Đối với các chất bán dẫn, khi kích thước của hạt nano bán dẫn giảm xuống vào cỡ bán kính Bohr của exciton, chuyển động của các electron và lỗ trống bị giam giữ trong hạt nano. Trong điều kiện đó, năng lượng của các hạt bị lượng tử hoá và các vùng năng lượng sẽ bị tách thành các mức năng lượng gián đoạn. Đó là hiệu ứng kích thước lượng tử hay hiệu ứng giam giữ lượng tử. Do hiệu ứng này mà các vật liệu cấu trúc nano có một loạt tính chất đặc biệt, mà các vật liệu trước đây không thể có được. Các nhà nghiên cứu phát hiện thấy rằng khi giảm kích thước tính chất cơ học, độ bền nhiệt, tính chất quang, điện từ có những thay đổi rõ rệt so với vật liệu khối.
Các hạt nano bán dẫn được ứng dụng trong sinh học, y dược học vì các nguyên nhân sau: - Phát sáng rất mạnh và bước sóng bức xạ (màu sắc) phụ thuộc vào kích thước hạt, do đó có thể biến đổi màu sắc liên tục bằng cách thay đổi kích thước. Có thể dùng một nguồn sáng để kích thích phát sáng đồng thời nhiều màu sắc khác nhau.
- Có kích thước tương tự các phân tử sinh học, do đó có thể tích hợp công nghệ nano với công nghệ sinh học.
Các hạt nano bán dẫn, kim loại được ứng dụng để đánh dấu, mã hóa, tạo ảnh các vật thể sinh học, phát hiện các phân tử DNA, các khối u bướu, ung thư, virút, truyền dẫn thuốc, khử độc, khử trùng, diệt khuẩn, làm sạch môi trường, chế tạo cảm biến thông minh, v.v...
Hạt nano ZnS:Mn và ZnS:Mn/ZnS: Được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt, phương pahsp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp hóa siêu âm, phương pháp micelle đảo, chế tạo bằng quá trình đun sôi dung môi, kỹ thuật pha tạp-tạo hạt nhân.
Hạt nano CdSe và CdSe/ZnS: Chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp phân huỷ nhiệt các tiềnchất hữu cơ - kim loại trong hỗn hợp hai chất hữu cơ phân tử rất lớn là TOPO và HAD, các hạt nano CdSe có thể được chế tạo với sự hỗ trợ của vi sóng, chế tạo các hạt nano CdSe bằng phương pháp hóa siêu âm, hạt nano CdSe cũng được chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm ..Các hạt nano bán dẫn thường được dùng để đánh dấu các đối tượng sinh học, cảm biến sinh học thông minh
Về các hạt nano từ tính Fe3O4: Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ô-xít sắt. Vi nhũ tương (microemulsion) cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nano này. Trong phương pháp polyol các hạt nanô được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol. Phương pháp phân hủy nhiệt các tiền chất hữu cơ phân li tiền chất chứa sắt trong môi trường chất hoạt hóa bề mặt ở nhiệt độ cao có thể tạo ra các hạt nanô ôxít sắt đồng nhất, kích thước như mong muốn và kết tinh tốt. Phương pháp hóa siêu âm là các phản ứng hóa học được hỗ trợ bởi sóng siêu âm cũng được dùng để tạo hạt nanô ôxít sắt
Theo đánh giá của PGS TS Nguyễn Ngọc Long và các cộng sự, những vấn đề liên quan đến hạt nano được nghiên cứu rất mạnh trên thế giới. Tại Việt Nam, đã có một số kết quả đáng khích lệ trong nghiên cứu cơ bản, nhưng kết quả trong nghiên cứu ứng dụng mới chỉ là bước khởi đầu. Đặc biệt là chưa có các nghiên cứu ứng dụng các hạt nano trong y sinh học như phát hiện tế bào ung thư, virut viêm gan B, v.v...
Năm 2008, với nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ theo Nghị định thư, PGS TS Nguyễn Ngọc Long, Trường Đại học KHTN, Đại học quốc gia Hà Nội và các cộng sự đã tiến hành nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp các hạt nano trên cơ sở các vật liệu từ, vật liệu bán dẫn và kim loại bằng các phương pháp mới, hiện đại (phương pháp hóa-siêu âm, phương pháp điện hóa-siêu âm, các phương pháp hóa). Tìm hiểu khả năng ứng dụng và bước đầu thử nghiệm ứng dụng một số loại hạt nano trong sinh, y học. Trong đó, nhóm đã tiến hành nghiên cứu hình thái học, tính chất cấu trúc, tính chất hấp thụ, phát quang, tính chất từ…của các hạt nano đã được tạo ra. Hoạt hóa bề mặt các hạt nano
Nghiên cứu chi tiết các tính chất của các hạt nano được tạo ra về hình thái học được quan sát trên các thiết bị SEM, TEM, HRTEM. Tính chất cấu trúc được khảo sát bằng nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ electron, giản đồ chuyển đổi Fourier. Tính chất quang (hấp thụ, huỳnh quang, kích thích huỳnh quang) được nghiên cứu trên các phổ kế hiện đại trong khoảng nhiệt độ từ 10 K đến nhiệt độ phòng. Tính chất từ được xác định trên thiết bị VSM
Kết quả cho thấy: Các hạt nano kim loại vàng thể hiện rất mạnh hiệu ứng hấp thụ cộng hưởng với dao động của tập thể electron trên bề mặt hạt (hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt), vị trí đỉnh hấp thụ thay đổi theo kích thước, hình dạng của hạt nano. Trong các hạt nano bán dẫn ZnS, CdSe, CdSe/ZnS bờ hấp thụ dịch chuyển về phía năng lượng cao (dịch chuyển xanh) khi kích thước của hạt giảm, thể hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh. Các hạt nano từ Fe3O4 thể hiện tính siêu thuận từ. Các kết quả nhận được là tin cậy. Một số kết quả là mới, hiện đại, đạt trình độ quốc tế, có ý nghĩa khoa học đã được công bố trên tạp chí quốc tế có uy tín trong danh mục SCI.
Trần Phước