Nano là kích thước từ 1 đến vài trăm nanomet, nơi vật liệu có các đặc tính hóa học, nhiệt, điện, từ, quang khác biệt so với vật liệu có kích thước lớn. Khoa học nano nghiên cứu và thao tác vật liệu ở quy mô nguyên tử, trong khi công nghệ nano tập trung vào thiết kế và ứng dụng vật liệu này. Các vật liệu nano có khả năng cải thiện nhiều thuộc tính vật lý, hóa học nhờ vào kích thước và hiệu ứng lượng tử.

1. 1

2. 2

3. NANO?
 Viết tắt của nanomét (nm)
 1 nm = 10-9 m (một phần tỷ mét)
 Trong 1 nm có thể đặt 10 nguyên tử đứng cạnh nhau
 nano là từ chỉ kích thước
không phải chỉ tính chất
3

4. VẬT LIỆU NANO (Nanomaterials)?
 Là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống... có kích
thước nano (khoảng từ 1 đến vài trăm nm, tức cỡ
nguyên tử, phân tử hay đại phân tử - macromolecule).
 Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất
hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác... rất đặc biệt,
khác hẳn các vật liệu có kích thước lớn.
4

5. KHOA HỌC NANO (Nanoscience)?
 Là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và
sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu ở quy mô
nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô
đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của
chúng tại các quy mô lớn hơn.
 Ngành khoa học này liên quan đến nhiều ngành khoa
học khác như vật lý học, hóa học, sinh học.
5

6. CÔNG NGHỆ NANO (Nanotechnology)?
 Thiết kế, chế tạo, xác định tính chất và sử dụng vật liệu
nano.
6

7. TẠI SAO CÔNG NGHỆ NANO QUAN TRỌNG?
 Vì nhiều tính chất của vật liệu (điện, từ, nhiệt, cơ,
quang, xúc tác...) thường được cải tiến mạnh mẽ ở
kích thước nano và có thể đạt đến những đặc tính
khác thường hay tuyệt diệu.
7

8. ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO
TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?
 Ở kích thước nanomét, các quy luật của vật lý cổ điển
không còn ảnh hưởng đến vật liệu mà chỉ còn có ảnh
hưởng của hiệu ứng lượng tử, nhờ đó vật liệu sẽ có
những đặc tính hoàn thiện mà cho đến nay không
thể mơ ước được!
8

9. 9
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 nhỏ hơn kích thước này, tính
chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Đó là kích thước tới hạn.
• Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó
bằng hay nhỏ hơn kích thước tới hạn của các tính chất.
• Ví dụ điện trở của kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích
thước vĩ mô. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ
hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại
(vài đến 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.

10. Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu
Tính chất Độ dài tới hạn (nm)
Điện
Bước sóng điện tử
Quãng đường tự do trung bình
Hiệu ứng đường ngầm
10-100
1-100
1-10
Từ
Vách đô men
Quãng đường tán xạ spin
10-100
1-100
Quang
Hố lượng tử
Độ dài suy giảm
Độ sâu bề mặt kim loại
1-100
10-100
10-100
Siêu dẫn
Độ dài liên kết cặp Cooper
Độ thẩm thấu Meisner
0.1-100
1-100
Cơ
Tương tác bất định xứ
Biên hạt
Bán kính khởi động đứt vỡ
Sai hỏng mầm
Độ nhăn bề mặt
1-1000
1-10
1-100
0.1-10
1-10
Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10
Siêu phân tử
Độ dài Kuhn
Cấu trúc nhị cấp
Cấu trúc tam cấp
1-100
1-10
10-1000
Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10
10

11.  Kích thước của chúng đủ nhỏ để có thể so sánh với với các kích thước
tới hạn (Bảng 1) của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu.
 Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với kích
thước của vật liệu, nhưng vật liệu nano có kích thước xấp xỉ hay bé hơn
kích thước tới hạn, nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân
này.
Ví dụ: Vật liệu sắt từ được hình thành từ những domain, trong lòng một
domain, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại
không nhất thiết phải song song với mômen từ của nguyên tử ở một
domain khác. Giữa hai domain có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách
domain. Độ dày của vách domain phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà
có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích
thước bằng độ dày vách domain thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính
chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở domain này tác
động lên nguyên tử ở domain khác.
ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO
TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?
11

12.  Diện tích bề mặt & năng lượng tự do bề mặt rất lớn.
12
ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO
TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?

13.  Chuyển động nhiệt.
 Tính riêng biệt của vật liệu (từng nguyên tử hay
phân tử riêng lẻ).
13
ĐIỀU GÌ LÀM CHO VẬT LIỆU NANO
TRỞ NÊN ĐẶC BIỆT?

14. LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO
 1959: Richard Feymann
(nhà Vật lý Mỹ, Nobel Vật
lý) đọc diễn văn tại Hội nghị
hàng năm của Hội Vật lý
Hoa kỳ, đề xuất ý kiến hãy
học tập các hệ sinh học để
chế tạo các thiết bị có kích
thước thu nhỏ đến nguyên
tử, phân tử.
14

15. 15
Chuỗi ADN 2,5 nm

16. LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO
 1974: thuật ngữ “nanotechnology” được Norio
Taniguchi (University of Tokyo) dùng lần đầu tiên.
 1981: Kính hiển vi chui hầm quét (Scanning
Tunnelling Microscopy - STM) được phát minh
(Nobel Vật lý 1986) cho phép thấy được từng nguyên
tử.
16

17. LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO
 1985: Phát minh ra fullerence
C60 có cấu trúc như quả bóng
(bucky ball), đường kính 0,7
nm, bề mặt quả bóng là các
hình 6 cạnh hoặc 5 cạnh gồm
các nguyên tử C ghép lại.
Fullerence có những tính chất
hóa lý rất đặc biệt.
C60 (Buckeyball)
Curl, Kroto, Smalley
1996 Nobel Prize
17

18. 18
Robert F. Curl Jr.
Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley
C60 – Buckminsterfullerene
Nobel Prize in Chemistry 1996
“for their discovery of fullerenes”

19. LỊCH SỬ CỦA KHOA HỌC NANO
 1990: Hội nghị quốc tế đầu tiên về vật liệu nano
được tổ chức tại California, Mỹ.
 1991: Sumio Iijima phát minh ra ống nano
cacbon.
19

20. 20

21. FULLERENCE
 Là những quả cầu rỗng, rất cứng làm từ các
nguyên tử cacbon.
 Ngoài C60 tìm thấy năm 1985, người ta còn tìm
thấy C70, C80, C120... Hình dạng của các fullerence
này không còn giống quả bóng nữa mà to, dài
hơn, giống quả bóng bầu dục, đôi khi bị méo.
21

22. FULLERENCE
 Hoàn cảnh phát hiện: Phóng hồ quang điện giữa hai
điện cực graphit (20 V, 60 A) trong khí He ở áp suất
khoảng 200 mmHg. Trong muội than bị bốc bay rơi
xuống, có 15% fullerence
 Ứng dụng: Mang dược phẩm đưa vào cơ thể, mang
xúc tác thực hiện phản ứng điều chế kim cương nhân
tạo, làm chất phủ tạo bề mặt cứng như kim cương,
làm vật liệu bôi trơn nano, pha tạp để thành chất bán
dẫn, dẫn điện, siêu dẫn ...
22

23. Tên fullerene hay buckminster fullerene được đặt để tưởng nhớ kiến trúc sư
Richard Buckminster Fuller (1895 - 1983), người phát minh ra kiến trúc mái vòm
(geodesic dome). Đây là kiểu kiến trúc bằng vật liệu nhẹ nhưng cấu trúc rất vững
mạnh, có diện tích bên trong rất lớn mà không cần có sự chống đỡ nào khác bên
trong. Kiến trúc mái vòm được xây dựng lần đầu tiên năm 1958 ở Baton Rouge –
bang Louisiana, Hoa Kỳ; đến nay đã có hơn 300.000 kiến trúc mái vòm được xây
dựng trên thế giới.
23

24. ỐNG NANO CACBON
 Có thể đơn lớp hay đa lớp. Vỏ
ống gồm các nguyên tử C xếp
thành hình 6 cạnh đều đặn, hai
đầu ống giống như có 2 nửa
quả cầu fullerence đậy kín lại
 Đường kính: 1,5  25 nm
 Chiều dài: vài nm đến vài cm
24

25. 25
Carbon Nanotubes
Sumio Iijima - 1991

26. ỐNG NANO CACBON
 Hoàn cảnh phát hiện: tương tự fullerence.
 Rất nhẹ, bền và cứng: nhẹ hơn thép 6 lần, bền hơn thép
200 lần.
 Có thể xem là tạo thành từ các tấm graphit được cuốn
lại thành ống.
 Tùy thuộc cách cuốn tấm graphit mà ống nano cacbon
là chất dẫn hay chất bán dẫn. Khả năng dẫn điện không
bị ảnh hưởng khi ống bị biến dạng.
26

27. 27
Nếu các tấm nano cuộn lại sao cho đường ziczac nằm dọc theo
trục của ống nano, thì ống sẽ có tính dẫn kim loại.
Nếu đường ghế bành nằm dọc theo trục của ống nano thì ống
có tính bán dẫn.
Đường ziczac
Trục của ống nano
nếu cuộn tấm nano
từ phải qua trái hay
ngược lại
Trục của ống nano nếu cuộn tấm
nano từ dưới lên hay ngược lại
Đường ghế
bành

28. ỐNG NANO CACBON
Ứng dụng:
 Làm dây dẫn lượng tử  các linh điện tử rất nhỏ
 Làm nguồn phát điện tử: Một bó ống nano cacbon,
chỉ cần hiệu thế khoảng vài chục Volt là phát ra e theo
hiệu ứng trường.
(Nguồn phát e hiện nay trong đèn hình, ống phát tia X:
Dùng sợi W nung nóng cho phát ra nhiệt e và dùng
hiệu thế cao hàng ngàn Volt để tăng tốc. Rất nóng và
cồng kềnh)
28

29. ỐNG NANO CACBON
Ứng dụng:
 Làm chất độn, trộn với polyme làm composit
nhẹ, bền hóa, bền cơ dùng trong sản xuất các
động cơ hay làm nanocomposit dẫn điện
 Làm pin nhiên liệu: chứa hydro (10 lít hydro /
1 gam sợi).
29

30. ỐNG NANO CACBON
 Hiện nay, chưa có phương pháp điều chế nào
cho phép sản xuất chỉ một loại ống nano như
cần thiết, mà chúng phải được phân loại bằng
tay từ một hỗn hợp.
 Các ống nano đa lớp hiện được tổng hợp từ các
hợp chất vô cơ; các ống có chiều dài đến 1
micromet đã được tạo thành từ WS2 và MoS2.
30

31. 31

32. 32

33. BOTTOM UP:
 (Từ nhỏ lên to) là quá
trình lắp ráp của các
phân tử nano trong tự
nhiên:
- Tất cả các sinh vật đều
bắt đầu từ một tế bào.
Con người cũng bắt từ
một tế bào, cho đến khi
trưởng thành có khoảng
100 ngàn tỷ tế bào.
- Tất cả các chất thải của
tự nhiên đều được tái
chế, không gây ô nhiễm
môi trường.
TOP DOWN:
 (Từ to xuống nhỏ) là các
công nghệ mà từ trước
đến nay loài người đang
thực hiện: Muốn có hạt
gạo phải phá rừng, muốn
làm nhà phải phá núi để
có xi măng. Để chế tạo vi
mạch điện tử: phải xây
nhà máy hóa chất to lớn
điều chế SiH4 tinh khiết,
từ đó chế tạo các khối lớn
Si đa tinh thể, rồi đơn tinh
thể, sau đó cắt mỏng và
xử lý phức tạp để tạo
chip: vô cùng ô nhiễm.
33

34. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU
NANO
Có 4 nhóm phương pháp chính
 Mỗi phương pháp có các ưu nhược điểm riêng
 Có phương pháp chỉ có thể áp dụng với một số vật
liệu nhất định
1. Phương pháp hoá ướt (wet chemical)
2. Phương pháp cơ học (mechanical)
3. Phương pháp bốc bay
4. Phương pháp hình thành từ pha khí
34

35. Phương pháp hoá ướt (wet chemical)
 Gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo
(colloidal chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel,
đồng kết tủa.
 Theo phương pháp này, các dung dịch chứa các ion khác
nhau được trộn với nhau theo một thành phần thích hợp.
 Dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, các vật liệu nano được
kết tủa từ dung dịch.
 Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu
nano.
35

36. Ưu nhược điểm của phương pháp hóa ướt
 Ưu điểm:
 Các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, có thể là vật
liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại.
 Rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật
liệu.
 Nhược điểm:
 Tương tác của các hợp chất với các phân tử nước có thể
có gây một số khó khăn
 Phương pháp sol-gel có hiệu suất không cao.
36

37. Phương pháp cơ học (mechanical)
 Gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học.
 Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền
đến kích thước nhỏ hơn.
 Các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành
tinh hay máy nghiền quay.
 Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không
phải là hữu cơ, ví dụ: kim loại.
37

38. Ưu nhược điểm của phương pháp cơ học
 Ưu điểm:
 Đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế
tạo với một lượng lớn vật liệu.
 Nhược điểm:
 Các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt
không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế
tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước
nhỏ.
38

39. Phương pháp bốc bay
 Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc
bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa
học.
 Các phương pháp này áp dụng hiệu quả để chế tạo
màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt tuy vậy người ta
cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano.
 Hạn chế: phương pháp này không hiệu quả lắm để có
thể chế tạo ở quy mô thương mại.
39

40. Phương pháp hình thành từ pha khí
 Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu
nano từ pha khí.
 Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ
điện (electro-explosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay
nhiệt độ cao, plasma.
 Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để
tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon.
 Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại
vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm
vì hiệu suất của chúng thấp.
 Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể
dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại
không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của
nó có thể đến 900o C.
 Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo
lồng carbon (fullerene) hoặc ống carbon, rất nhiều các
công ty dùng phương pháp này để chế tạo vật liệu nano ở
quy mô thương mại. 40

41. THUẬN LỢI CỦA KỸ THUẬT NANO
 Tạo được các hạt đồng nhất.
 Hoạt hóa hạt dễ dàng.
 Tạo sản phẩm có tính chất khác thường.
 Tạo được các chi tiết có cấu trúc nano với hình
dáng phong phú (hạt cầu, ống, móc, lớp...).
 Lắp ráp định hướng & có thể thực hiện các
quá trình chế tạo mới lạ.
41

42. HỨA HẸN CỦA KỸ THUẬT NANO
 Tạo được các thiết bị vô cùng nhẹ, kích thước thu nhỏ.
 Giảm tiêu hao năng lượng.
 Giảm ô nhiễm môi trường.
42

43. 43

44. CÁC LOẠI HẠT NANO
1. Vật liệu nano ba chiều
2. Vật liệu nano hai chiều
3. Vật liệu nano một chiều
44

45. 1- Vật liệu nano ba chiều
 Hạt có cả 3 chiều đều cỡ nm.
 Thường là hạt hình cầu.
 Tạo thành do quá trình polime hóa nhũ tương hay polime
hóa mixen, các quá trình sol-gel...
Ví dụ:
 Các hạt chất phát quang kích thước nano (oxonica)
dùng cho màn hình điện tử, xúc tác, dược phẩm, chấm
lượng tử.
 Các hạt từ; TiO2...
 ...
45

46. CHẤM LƯỢNG TỬ
(Quantum dots)
 Có thể là chất bán dẫn, kim loại hay polime...
 Gọi là “chấm” vì chúng là những hạt có bán kính
chỉ 1 hay một vài nm (kích thước nguyên tử)
46

47. Chấm lượng tử bán dẫn CdSe
Màu sắc thay đổi theo kích thứơc!
4 nm = 0.000004 mm
47

48.  Ở đây, chấm lượng tử là các tinh thể nano của chất bán dẫn
(ví dụ CdSe) phân tán trong nền polime. Khi được chiếu tia
hồng ngoại, chúng phát ra ánh sáng mạnh với màu sắc
riêng biệt phụ thuộc vào kích thước hạt  có thể tạo các
hạt CdSe kích thước khác nhau để có 12 màu sắc khác nhau
khi chiếu tia hồng ngoại.
Chấm lượng tử bán dẫn CdSe
48

49. Dung dịch của các hạt nano vàng cũng có màu sắc thay đổi theo kích thước!
Plasmon Band
@ ~ 520 nm
• Hoá học nano có nguồn gốc lâu đời
• Keo Au được dùng từ thời La mã cổ đại
• Được Faraday mô tả từ năm 1857
49

50. ỨNG DỤNG Y SINH CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ
 Đính vào phân tử dược phẩm để theo dõi đường đi của
thuốc
 Đính vào ADN, theo dõi và phân biệt các ADN
bằng màu sắc...
50

51. Các thiết bị nano nhỏ bé có
thể đi vào cơ thể để chữa trị
ung thư?
http://smalley.rice.edu/emplibrary/SA285-76.pdf
Hồng cầu và bạch cầu
6 - 10 m

52. ỨNG DỤNG VẬT LÝ CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ
 Mỗi chấm lượng tử có hành vi như một nguyên tử,
tức trong nó có một số mức năng lượng có thể điền
điện tử. Chọn hai mức xác định, khi điện tử ở mức
trên ta có trạng thái 1, điện tử ở mức dưới: trạng
thái 0. Như vậy chấm lượng tử trở thành linh kiện
có hai trạng thái (0;1) có thể dùng để ghi 1 bit
thông tin trên các nanochip, giúp thu nhỏ các bộ vi
xử lý và bộ nhớ.
52

53. Các hạt nano kim loại
Khả năng phản ứng thay đổi theo kích thước!
Au Au
CO CO2
CO CO2
X
ỨNG DỤNG HOÁ HỌC CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ
53

54. GiẢI THÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HẠT
NANO DỰA VÀO CẤU TRÚC ĐiỆN TỬ
 Tinh thể càng nhỏ càng có ít AO đóng góp vào dãi năng lượng
MO, số mức năng lượng chung của tinh thể (các mức MO) sẽ ít
dần đi.
 Khi tinh thể trở nên rất nhỏ - như một “chấm”  không còn dãi
năng lượng liên tục, mà chỉ còn những mức năng lượng riêng
rẽ (lượng tử), nên mới có tên “chấm lượng tử”. Đồng thời, do
các mức năng lượng ít nên bước nhảy giữa các dãi tăng.
 Kích thước của tinh thể càng giảm, thì số mức năng lượng càng
giảm, bước nhảy càng tăng: Bước nhảy của tinh thể CdS đường
kính 11,5 nm là 1,8 eV nhưng tinh thể đường kính 1,2 nm có
bước nhảy là 3 eV.
 Chấm lượng tử có cấu trúc nano 3 chiều, nhưng các cấu trúc
nano 2 chiều (sợi lượng tử) hay 1 chiều (vách lượng tử hay film
lượng tử) cũng có các tính chất tương tự.
54

55. Bước nhảy của chất bán dẫn phụ thuộc kích thước của nó
55

56. 56
Màu sắc huỳnh quang từ hạt
nano phụ thuộc vào kích thước
của nó.
Ly Lycurgus, 300 A.D.
Các hạt nano của Au-Ag. Màu xanh khi
chiếu sáng từ bên ngoài và màu đỏ khi
chiếu sáng từ bên trong.

57. 2- Vật liệu nano hai chiều
Hạt có 2 chiều cỡ nm, chiều thứ ba dài hơn.
Ví dụ:
 Ống nano cacbon.
 Sợi nano nitrua bo (BN)…
57
Sợi kẽm oxit
Đường kính 3 nm X 80 nm
Carbon nanotube
1 nm

58. 3- Vật liệu nano một chiều
 Hạt có 1 chiều cỡ nm, hai chiều kia dài hơn.
 Dạng tấm.
Ví dụ:
 Silicat lớp (phyllosilicat) được kết hợp với các polime để
tạo nanocomposit có các tính chất chịu nhiệt, chống cháy,
chịu mài mòn, biến đổi các tính chất điện, quang... phụ
thuộc vào dạng polime được sử dụng.
58

59. CẤU TRÚC CỦA PHYLLOSILICAT
 Gồm các lớp hai
chiều, trong đó 1
tấm bát diện tâm Al
hay Mg kết hợp với
2 tấm tứ diện. Giữa
các lớp có các lỗ
trống đều đặn gọi là
hành lang, ở đó có
các ion IA hay IIA.
59

60. TẠO NANOCOMPOSIT VỚI SILICAT LỚP
Có 2 cách:
 (1) Các polime len lỏi vào các hành lang và xen
vào giữa các lớp (Hình b): Trước tiên, ion Na+
trong hành lang được thay thế bằng ion alkyl
amoni, sau đó trộn silicat với các polime nóng
chảy.
 (2) Dùng dung môi hòa tan polime, sau đó cho
silicat vào xử lý để tách silicat thành từng tấm đơn.
Polime hấp thụ lên các tấm. Khi dung môi bị tách
đi, các tấm tập hợp thành lớp có trật tự (Hình c).
60

61. 61

62. 62

63. 63

64. Ví dụ để hình dung về phản ứng tự lắp ráp
 Ankan thiol là phân tử có đầu tròn to và đuôi dài. Đầu là nhóm
thiol (nhóm sulfua hữu cơ dạng như hình cầu), đuôi là gốc
hydrocacbon dài khoảng 1-4 nm.
 Nhúng vào dung dịch đó một tấm mạ vàng.
64

65. Ví dụ để hình dung về phản ứng tự lắp ráp
 S có ái lực lớn với vàng nên đầu thiol quay bám vào vàng, đuôi
hydrocacbon hướng lên trên, song song nhau. Như vậy trên lá vàng
có một lớp đơn tinh thể các phân tử ankanthiol tự lắp ráp.
 Đây là phương pháp khắc nano: đế là Au, mực là ankanthiol, ngòi
bút được điều khiển bằng bộ quét áp điện.
65

66. A
• Kích thước hạt có thể được điều chỉnh bằng tỷ lệ HAuCl4 : alkanthiol
Au
S
S
S
S
SS
HAuCl4
C12H25SH
NaBH4
SO3
Au
S-S
S
S
S
Air Exposure S
S
Au
S
S
S
S
SS
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S-S
SO3
B
3.9 ± 0.6 nm 6.2 ± 1.0 nm 66

67. 67
THAO TÁC / ĐIỀU KHIỂN NGUYÊN TỬ,
PHÂN TỬ
1981: Kính hiển vi chui hầm quét (Scanning Tunneling Microscopy - STM)
được Binnig và Rohrer phát minh, cho phép thấy được và điều khiển từng
nguyên tử  Nobel Vật lý 1986.

68. • Trong các thí nghiệm STM, một đầu kim loại nhọn đường kính
khoảng 20 nm được đưa đến gần một bề mặt dẫn điện hay bán
dẫn. Một hiệu thế được đặt lên đầu nhọn và đầu nhọn được quét
qua bề mặt.
• Các electron từ bề mặt sẽ di chuyển sang đầu nhọn nhờ sự chui
hầm cơ lượng tử, tạo thành một dòng cỡ nanoampe. Dòng này
phụ thuộc mật độ của các trạng thái gần bề mặt và khoảng cách
giữa đầu nhọn với bề mặt.
• Ảnh của bề mặt được xây dựng bằng cách giữ cường độ dòng
không đổi và ghi lại những thay đổi về khoảng cách cần để giữ
dòng không đổi.
• Thông tin về thành phân hóa thu được bằng cách thay đổi hiệu
thế sao cho các electron từ các mức năng lượng khác nhau chui
hầm được. 68
KÍNH HiỂN VI CHUI HẦM QUÉT
(SCANNING TUNNELLING MICROSCOPY - STM)

69. 69
KÍNH HiỂN VI CHUI HẦM QUÉT
(SCANNING TUNNELLING MICROSCOPY - STM)
• Không chỉ vẽ được hình ảnh của bề mặt và các phân
tử trên bề mặt, STM còn có thể dùng để di chuyển
nguyên tử và phân tử trên bề mặt và làm các phân tử
phản ứng.
• Nếu đầu STM được đưa đến gần bề mặt hơn bình
thường, lực giữa nó và nguyên tử / phân tử trên bề mặt
sẽ tăng. Nếu lực này đủ lớn, thì khi đầu nhọn di chuyển
ngang qua bề mặt sẽ nhấc theo phân tử.

70. Atomic Manipulation
Scanning
Probe Tip
Atom

71. • Phát minh STM dẫn đến sự phát triển các kỹ thuật khác
tương tự ở mức độ phân giải nguyên tử, được biết chung
là kính hiển vi đầu dò quét (Scanning Probe
Microscopy).
• Được áp dụng rộng rãi nhất là kính hiển vi lực nguyên
tử (AFM - atomic force microscopy).
• AFM cũng có đầu rất nhọn tương tự STM, nhưng đầu dò
AFM được đưa gần bề mặt đủ để có thể đo được lực
tương tác giữa đầu dò và bề mặt.
• AFM thường được dùng để nghiên cứu các phân tử sinh
học và một số nhóm dùng đầu dò cải tiến để tách riêng các
phân tử đặc biệt, ví dụ các protein từ màng tế bào.
71
KÍNH HiỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
(ATOMIC FORCE MICROSCOPY - AFM)

72. TÀI LiỆU THAM KHẢO
 Leslay E. Smart, Elaine A. Moore. Solid state chemistry –
An introduction. Taylor and Francis Group, New York
(2005).
 Nguyễn Đức Nghĩa. Hóa học nano – công nghệ nền và
vật liệu nguồn. NXB Khoa học tự nhiên & Công nghệ, Hà
Nội (2007).
 Nguyễn Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh. Công nghệ nano
- điều khiển đến từng nguyên tử. NXB Khoa học & Kỹ
thuật, Hà Nội (2004).
72