Phần thứ nhất
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
HÓA HỌC CHẤT KEO
============
CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI HỆ KEO
1.1. KHÁI QUÁT VỀ HOÁ HỌC CHẤT KEO
Hoá học chất keo là khoa học nghiên cứu đặc tính của các hệ phân tán dị thể đặc biệt được
gọi là hệ keo (hoặc dung dịch keo) và các quá trình xảy ra trong các hệ này. Những hệ này rất
phổ biến trong tự nhiên và có ý nghĩa to lớn trong kĩ thuật. Để nghiên cứu các hệ này cần
những phương pháp nghiên cứu đặc biệt và những dụng cụ đặc biệt như kính siêu vi, kính hiển
vi điện tử, máy siêu li tâm, các loại máy điện di....
Hệ keo (dung dịch keo) là hệ phân tán dị thể bao gồm pha phân tán (chất tan) - được chia
nhỏ đến dạng tập hợp các phân tử, nguyên tử, ion (kích thước hạt khoảng 10-9 - 10-7 m) và được
phân bố trong môi trường phân tán đồng nhất (dung môi).
Cần lưu ý rằng thuật ngữ “chất keo” ở đây không chỉ đơn thuần dùng để chỉ những chất có
tính chất dính, mà là vật chất ở vào trạng thái keo. Tên gọi chất keo chỉ mang tính lịch sử, còn
bản chất của vấn đề là các tính chất hoá lý của vật chất ở vào trạng thái keo - tức là trạng thái
phân tán rất cao. Theo đối tượng nghiên cứu của môn học này thì danh từ “Hoá học chất keo”
mà ta đang gọi nên thay bằng “Hoá lý học các hệ phân tán keo” cho phù hợp hơn.
Vào những năm 40 của thế kỷ 19, nhà bác học ý Selmi là người đầu tiên lưu ý đến tính chất
bất thường của một số dung dịch mà ngày nay gọi là dung dịch keo. Việc nghiên cứu hoá học
chất keo được bắt đầu vào những năm 60 của thế kỷ 19 khi Graham dùng màng động vật tách
được những chất có tính dính như gelatin, gôm arabic, tinh bột. Ông đã gọi dung dịch các chất
này là dung dịch keo (colloid) đi từ chữ Latinh colla có nghĩa là hồ dán. Hiện nay, việc nghiên
cứu các dung dịch cao phân tử như anbumin, xenlulozơ, cao su và nhiều chất cao phân tử khác,
đã tách thành môn học riêng là hoá học các chất cao phân tử.
Hệ keo là hệ dị thể có bề mặt phân cách pha rất lớn nên chúng không bền về mặt nhiệt động,
có hiện tượng phân tán ánh sáng. Trong dung dịch, các hạt keo mang điện nên có các hiện
tượng điện động học. Ngoài ra, các hiện tượng bề mặt như sức căng bề mặt, hiện tượng thấm
ướt, chất hoạt động bề mặt ...có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu các hệ thống keo.
1.2. KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ PHÂN TÁN
Để làm số đo cho hệ phân tán có thể dùng kích thước hạt a (đối với hạt cầu thì a là đường
kính d, với hạt lập phương thì a là chiều dài cạnh l, với hạt có hình khác thì a có giá trị hiệu
dụng) hay nghịch đảo của a là D = 1/a; D được gọi là độ phân tán. Cũng có thể dùng bề mặt
riêng Sr là bề mặt của tất cả các hạt được quy về một đơn vị thể tích pha phân tán. Kích thước
hạt a càng nhỏ thì D, Sr càng lớn.
Sự phụ thuộc của bề mặt riêng vào kích thước hạt được biểu diễn trên hình 1.1. Tuỳ theo
kích thước hạt người ta phân biệt các hệ phân tán phân tử (a < 10-9 m), các hệ keo (10-9m < a <
10-7m) và các hệ phân tán thô (a > 10-7m).
Bảng 1.1. Sự thay đổi bề mặt riêng khi chia nhỏ 1cm3 chất.
1
Chiều dài
cạnh 1, cm
1
101
102
103
104
105
106
107
108 (1 Å)
Độ phân
tán D, cm1
1
101
102
103
104
105
106
107
108
1
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
S
Hình 1.1.
Sự phụ thuộc của bề
mặt riêng vào kích thước hạt.
Số hạt
(Lập phương)
Diện tích bề
mặt một hạt,
cm2
6
6.102
6.104
6.106
6.108
6.1010
6.1012
6.1014
6.1016
Tổng diện tích bề
mặt riêng, cm2
6
6.101
6.102
6.103
6.104
6.105
6.106
6.107
6.108 = 6.104m2
Dung dÞch ph©n tö
dung dÞch keo
HÖ ph©n t¸n th«
a
109 -107 (m)
1.3. PHÂN LOẠI CÁC HỆ KEO
Đối tượng của hoá học chất keo rất nhiều và rất phức tạp nên cần có sự phân loại thích đáng
làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, cho đến nay vẫn chưa có
được cách phân loại thoả đáng bao quát hết mọi tính chất của hệ phân tán. Sau đây là một số
cách phân loại tương đối phổ biến hơn cả.
1.3.1. Phân loại theo kích thước hạt
Sự phân loại theo kích thước hạt được ghi ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Sự phân loại các hệ phân tán theo kích thước hạt.
Hệ phân tán
Kích thước hạt (cm)
Đặc điểm
7
Dung dịch phân tử
Hệ đồng thể (một pha)
< 10
7
5
Dung dịch keo
Đi qua giấy lọc, khó nhìn thấy
10  10
bằng kính hiển vi thường
5
Hệ phân tán thô
Không đi qua giấy lọc, nhìn
> 10
thấy bằng kính hiển vi thường
Những hệ keo có kích thước hạt keo đồng nhất được gọi là hệ đơn phân tán, những hệ keo
có kích thước hạt keo to nhỏ khác nhau được gọi là hệ đa phân tán.
Didentop (Siedentopf) và Xíchmonđi (Zigmondy) đề nghị gọi các hệ có kích thước hạt keo
thấy được bằng kính hiển vi thường (a > 0,2 micron) là hệ micron, còn các hệ có kích thước hạt
keo không thấy được bằng kính hiển vi thường (a < 0,2 micron) là hệ siêu micron. Hệ siêu
micron lại được phân thành supmicron (0,005 < a < 0,2 micron - nhìn thấy nhờ kính siêu vi) và
2
amicron (a < 0,05 micron - kính siêu vi cũng không phát hiện thấy). Cách phân loại này không
phản ánh bản chất của hệ keo và nói chung các hệ keo thường gặp là các hệ đa phân tán nên
cách này ít được sử dụng.
1.3.2 Phân loại theo trạng thái tập hợp
Cách phân loại này do Otvan (Ostwald) đề nghị. Có 3 trạng thái tập hợp khí (K), lỏng (L),
Rắn (R) cho pha phân tán cũng như cho môi trường phân tán nên có 9 loại hệ phân tán. Trừ hệ
khí - khí là hệ phân tán phân tử, 8 hệ phân tán còn lại đều là các hệ dị thể.
Bảng 1.3. Sự phân loại hệ phân tán theo trạng thái tập hợp của Otvan.
Số
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Pha
phân tán
Khí
Lỏng
Rắn
Khí
Lỏng
Rắn
Khí
Lỏng
Rắn
Môi trường
phân tán
Khí
Khí
Khí
Lỏng
Lỏng
Lỏng
Rắn
Rắn
Rắn
Kí hiệu hệ
K/K
L/K
R/K
K/L
L/L
R/L
K/R
L/R
R/R
Tên gọi hệ
Ví dụ
Dung dịch khí
Sol khí
Sol khí
Bọt
Nhũ tương
Huyền phù
Vật xốp
Nhũ tương rắn
Dung dịch rắn
Không khí
Mây, sương mù
Khói, bụi
Bọt xà phòng
Sữa, mủ cao su
Nước phù sa
Đá bọt, xỉ
Chất hấp phụ xốp
Hợp kim
Trong hoá học chất keo, những hệ chứa các hạt có độ phân tán keo và môi trường phân tán
loãng (khí hay lỏng) được gọi là sol. Sol có nguồn gốc từ thuật ngữ solutio, có nghĩa là dung
dịch (dung dịch keo). Các hệ L/K và R/K có tên là aerosol (sol khí), các hệ K/L, L/L, R/L gọi
là liosol (sol lỏng). Những sol lỏng có môi trường phân tán là nước, rượu, ete... được gọi tương
ứng là hidrosol, ancolsol, etesol...Danh từ acganosol được dùng để chỉ các sol có môi trường
phân tán lỏng là dung môi hữu cơ. Những hệ dị thể K/L, L/L, R/L có tên là bọt, nhũ tương,
huyền phù tương ứng.
Phương pháp này tương đối hợp lý và hiện nay được dùng khá phổ biến. Do ở độ phân tán
cao, các hệ có cùng môi trường phân tán có tính chất tương đối giống nhau nên để đơn giản,
các hệ keo chỉ được phân loại theo trạng thái tập hợp của môi trường phân tán mà thôi.
1.3.3. Phân loại theo tương tác giữa các hạt
Tuỳ theo tương tác giữa các hạt phân tán, các hệ được phân chia thành hệ phân tán tự do và
phân tán liên kết.
Hệ phân tán tự do: là các hệ không có cấu thể, các hạt tồn tại độc lập nhau và chúng chuyển
động hỗn loạn. Thuộc loại hệ này có các aerosol, liosol, huyền phù và nhũ tương rất loãng.
Hệ phân tán liên kết: (hình 1.2) là hệ gồm các hạt liên kết với nhau bằng các lực phân tử
tạo nên trong môi trường phân tán một mạng lưới không gian (gọi là cấu thể). Khi đó các hạt
dính lại với nhau tại các điểm tiếp xúc tạo thành mạng lưới không gian gọi là gel. Tuỳ theo số
điểm tiếp xúc của mỗi hạt gel có thể ở dạng liên kết lỏng lẻo (a, c) hoặc sắp xếp đặc khít (b), ví
dụ như huyền phù đậm đặc (kem), nhũ tương đậm đặc (bọt). Các hạt cũng có thể kết dính với
nhau để lại các lỗ xốp gọi là các hệ mao quản (d, e), ví dụ như gỗ, da, giấy, các loại màng.
oo
oo
ooooooooo
oooo o
OOOO ooo oooooooo
o
OO
O
OO ooooo ooo
O O OO
OO OOOO oo oo ooooooo
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
3
Hình 1.2. Các hệ phân tán liên kết.
a, c - Gen lỏng lẻo; b - Gen đặc khít; d, e - Các hệ mao quản.
1.3.4. Phân loại theo tương tác giữa pha phân tán và môi trường phân tán
Theo Xichmondi khi cho kết tủa khô (thu được bằng cách làm bay hơi cẩn thận dung dịch
keo) hoà tan vào môi trường phân tán: nếu sự hoà hợp tự xảy ra cho dung dịch keo thì hệ được
gọi là thuận nghịch, còn sự hoà tan không tự xảy ra thì gọi là hệ bất thuận nghịch.
Frendlich (Freundlich) cho rằng tính thuận nghịch hay bất thuận nghịch của hệ keo cần được
xác định bằng tương tác giữa tướng phân tán và môi trường phân tán. Trong hệ keo thuận
nghịch có sự tương tác giữa pha phân tán với các phân tử môi trường nên chúng hoà tan trong
môi trường đó, ông đề nghị gọi các hệ keo này là hệ keo ưa lưu. Trong hệ keo bất thuận nghịch
pha phân tán không tự ý tương tác giữa các phân tử môi trường nên chúng không hòa tan trong
môi trường này, ông đề nghị gọi chúng là hệ keo ghét lưu, môi trường phân tán là nước thì các
hệ này được gọi tương ứng là ưa nước và ghét nước.
Các hệ keo điển hình đều là các hệ keo ghét lưu (trừ một vài trường hợp đặc biệt). Vì khi
thành lập một hệ keo, bề mặt phân cách pha của hệ keo tăng lên rất nhiều làm cho năng lượng
tự do bề mặt cũng tăng lên, do đó quá trình không tự ý xảy ra được. Cũng cần chú ý rằng, cách
phân loại này chỉ có thể dùng cho những hệ có môi trường phân tán lỏng mà thôi.
1.4. VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA CỦA HOÁ KEO TRONG ĐỜI SỐNG VÀ KĨ THUẬT
Các hệ keo rất phổ biến trong tự nhiên và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong kĩ thuật hiện đại.
Trong công nghiệp hầu như nghành nào cũng có liên quan đến hoá học chất keo.
Các hiện tượng khí tượng có liên quan chặt chẽ với các vấn đề của hoá học chất keo: mây và
sương mù là những hệ keo L/K trong đó pha lỏng là các hạt nước có kích thước rất nhỏ và
thường là mang điện. Mưa, tuyết là những hiện tượng gắn liền với các quá trình hoá keo.
Việc tạo thành các vùng châu thổ tại những chỗ cửa sông nối liền với biển được giải thích
bằng sự keo tụ các hạt keo chứa trong nước sông khi gặp các ion chứa trong nước biển.
Hoá học chất keo có ý nghĩa to lớn trong thổ nhưỡng học, canh tác học. Đất là một hệ thống
keo phức tạp, hình dạng, kích thước cũng như bản chất của các hạt keo đất quyết định khả năng
thấm ướt, khả năng hấp thụ của đất. Đất cát gồm hạt lớn không giữ nước, đất sét gồm hạt mịn
giữ nước tốt, sự có mặt của các ion kim loại kiềm làm tăng độ phân tán và tính ưa nước của
đất, còn ion Ca2+ thì làm keo đất keo tụ và làm giảm tính ưa nước, do đó bón vôi cho đất làm
cho đất giảm khả năng giữ nước.
Kĩ nghệ đồ gốm sử dụng nguồn nguyên liệu là khoáng sét - dạng huyền phù đậm đặc của vật
liệu alumiosilicat hydrat hoá. Phẩm chất của nguyên liệu tuỳ thuộc vào tính chất hoá lý của các
hạt chứa trong nguyên liệu đó. Chính điều này quyết định chất lượng của các sản phẩm gốm
sứ. Đối với việc chế tạo vật liệu composit như gốm kim loại (cermet) việc hiểu biết về hoá keo,
về cơ học cấu trúc là rất cần thiết. Hiện nay mới xuất hiện công nghệ dưới micro (công nghệ
nanomet) liên quan đến kích thước hạt siêu mịn cỡ 10-9m.
Các nghành sản xuất như giấy, nhuộm, thuộc da có liên quan nhiều đến các quá trình keo.
Nhuộm sợi, thuộc da là làm cho các hạt keo (phẩm nhuộm, chất thuộc da) khuyếch tán vào vải,
vào da và bị keo tụ trên bề mặt các vật liệu này.
Trong ngành cao su, chất dẻo thì các quá trình keo cũng có vai trò đáng kể. Nhiều quá trình
điều chế polime được tiến hành ở dạng nhũ tương. Bản chất chất dẻo cũng là các hệ keo với sự
có mặt các chất độn ở dạng các hạt rất nhỏ (dạng keo).
Nhiều quá trình bào chế thuốc là những quá trình keo, ví dụ chế tạo các loại dựơc phẩm dưới
dạng huyền phù, nhũ tương, kem, dầu, cao. Khi đưa thuốc vào cơ thể dưới dạng keo có hai ưu
điểm: định chỗ được tác dụng của nó và làm cho thuốc có tác dụng lâu dài.
Trong nghiên cứu cũng như trong công nghiệp hóa học, chất xúc tác dạng keo có tác dụng
tốt hơn nhiều so với dạng hạt lớn.
4
Các quá trình khử nước trong dầu mỏ, phá vỡ huyền phù trong những sản phẩm mà khi chế
tạo cần rửa bằng nước, các quá trình tuyển khoáng...đều là những quá trình keo.
==================================
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ
VÀ TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO
Các hạt keo có kích thước trung gian giữa các phân tử và các hạt thô. Để có vật chất ở trạng
thái phân tán keo có thể dùng 2 phương pháp:
Thứ nhất: chia nhỏ vật chất rắn hoặc lỏng đến kích thước keo rồi phân tán chúng trong môi
trường phân tán (thường có sẵn chất ổn định) - đó là phương pháp phân tán.
Thứ hai: liên kết các phân tử, nguyên tử, ion thành các tập hợp có kích thước keo - đó là
phương pháp ngưng tụ.
Để tạo được dung dịch keo cần có hai điều kiện cơ bản sau:
1. Pha phân tán không tan hoặc tan không đáng kể trong môi trường phân tán.
2. Trong hệ cần có chất ổn định để giữ cho các hạt keo không liên kết lại thành những tập
hợp lớn. Những chất làm bền này có thể được đưa từ bên ngoài vào, cũng có thể được tạo
thành do phản ứng hoá học xảy ra trong hệ.
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO
2.1.1. Điều chế dung dịch keo bằng phương pháp phân tán
a. Nguyên tắc: Dùng năng lượng (cơ, điện, từ, sóng siêu âm...) để chia nhỏ vật chất thô rồi
phân bố chúng vào môi trường phân tán đồng nhất nào đó đã có sẵn chất làm bền. Năng lượng
này chủ yếu dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử, nguyên tử, ion trong pha phân tán.
Nếu gọi A là năng lượng dùng trong sự phân tán để cho bề mặt phân cách pha giữa pha phân
tán và môi trường phân tán tăng lên một lượng  S thì năng lượng phân tán riêng E được tính
A
. Về thực chất, năng lượng phân tán A được dùng để thắng lực ma sát
S
(năng lượng biến dạng đàn hồi q) và để làm tăng năng lượng bề mặt bề mặt của hệ  S.  . Như
vậy A = q +  S .  .
theo công thức: E =
Trước khi có sự phá vỡ vật chất, công của sự biến dạng đàn hồi được giữ dưới dạng thế năng
đàn hồi, còn khi vật chất bị phá vỡ, phần năng lượng này chuyển thành nhiệt. Vì công không có
ích q cũng là một loại công của lực phân tử nên E và  tỷ lệ với nhau. Do đó ta có thể viết:
E=
A
= k. 
S
(với k là hệ số tỷ lệ).
(2.1)
Cần chú ý rằng công sử dụng thực tế thường nhỏ hơn giá trị thu được khi tính toán theo lý
thuyết. Điều này được giải thích bằng hiệu ứng Rebinđia: trong quá trình phân tán, do tác dụng
của lực bên ngoài, ở những chỗ khiếm khuyết của bề mặt vật chất cần phân tán thường xuất
hiện các khe nứt, chúng làm giảm độ chắc chắn của vật rắn, Nếu lực tác dụng nhỏ thì những
chỗ nứt này sẽ liền lại khi thôi tác dụng. Nếu lực tác dụng lớn thì vật rắn bị phá vỡ ở những chỗ
nứt này. Nhờ thế, sự phân tán xảy ra dễ dàng hơn và công cần để chia nhỏ thường bé hơn giá
trị tính theo lý thuyết khi dựa vào cấu tạo của vật rắn. Nếu trong hệ có chất điện ly hay chất
hoạt động bề mặt thì những chất này hấp phụ lên bề mặt vật rắn và xen vào các khe nứt đó, vật
rắn càng dễ vỡ hơn.
Bằng phương pháp phân tán, thông thường ta chỉ thu được các hệ với những hạt có kích
thước > 60  . Sở dĩ như vậy vì song song với quá trình phân tán còn có qúa trình ngược lại, đó
5
là quá trình dính kết các hạt lại với nhau. Để ngăn ngừa quá trình này cần thêm chất ổn định
vào trong hệ. Tuy vậy, ở trường hợp này cũng chỉ thu được các hệ có kích thước hạt > 1  .
Có nhiều phương pháp phân tán. Phân tán bằng cơ học hoặc bằng siêu âm là hai phương
pháp cơ bản nhất. Ngoài ra, phương pháp cho kim loại bay hơi trong hồ quang điện để chế tạo
các sol kim loại và phương pháp keo tán (pepti hóa) cũng thuộc loại này.
b. Phương pháp phân tán bằng cơ học
Nguyên liệu đầu là một hệ phân tán thô, thu được bằng một cách nào đó - chẳng hạn đập
nhỏ. Quá trình phân tán nhỏ hơn được thực hiện trong môi trường lỏng trong những cối say
tròn hoặc các cối xay keo*. Trong các cối xay này, các hạt thô chịu các lực va đập mạnh mẽ và
vỡ ra thành các hạt mịn hơn, nhờ có chất làm bền có sẵn trong môi trường, hệ phân tán thu
được có thể bền vững. Nếu sử dụng cối xay tròn để nghiền nhỏ vật thể, trong môi trường không
khí hạt thu được thường không bé hơn 60  ; trong môi trường phân tán lỏng (có thêm chất làm
bền) hạt thu được có thể đạt tới độ phân tán keo.
c. Phương pháp phân tán bằng sóng siêu âm
Trong phương pháp này người ta sử dụng sóng siêu âm có tần số trên 20.000 Hz để phân tán
các vật thể có độ bền cơ học thấp như các hạt nhựa, lưu huỳnh, graphit, các kim loại nhẹ trong
môi trường hữu cơ. Cũng có thể dùng sóng siêu âm để làm keo tán những kết tủa mới hình
thành (sự pepti hoá bằng siêu âm) với các chất cao phân tử, phương pháp này thường dẫn đến
sự phá vỡ phân tử nên ít được sử dụng.
Sóng siêu âm thường đựơc tạo ra bằng dao động tử áp điện, biến doa động cao tần thành dao
động cơ cao tần. Nguyên tắc làm việc là bản áp điện, trên đó cho tác dụng một điện thế cao tần,
đặt trong một chất lỏng có hằng số điện môi thấp (ví dụ dầu biến thế), qua dầu này sóng siêu
âm truyền vào bình chứa chất cần phân tán.
Cơ chế của sự phân tán vật rắn bằng sóng siêu âm còn ít được nghiên cứu. Có thể là dưới tác
dụng của sóng siêu âm, trong hệ xuất hiện các chỗ nén và chỗ dãn (năng lượng) kế tiếp nhau
rất nhanh, nhờ thế mà vật chất được phân tán. Cần lưu rằng trong những điều kiện nhất định,
siêu âm có thể gây ra sự keo tụ. Sự keo tụ xảy ra tại các nút sóng, tại đó có sự dồn nén các hạt.
Kết quả dẫn đến một cân bằng động, nghĩa là tốc độ keo tụ trở nên bằng tốc độ phân tán.
d. Phương pháp phân tán bằng hồ quang điện
Phương pháp này thường được sử dụng để điều chế sol kim lọai. Để tạo hồ quang, dùng
dòng điện 1 chiều cỡ 30 - 100V, cường độ 5 - 10A cho chạy qua 2 điện cực bằng kim loại cần
chế tạo sol nhúng trong bình nước được làm lạnh bởi nước đá. Khi hai điện cực tiến đến gần
nhau ở một khoảng cách nhất định thì giữa hai cực phát sinh hồ quang. Khi hồ quang được tạo
thành kim loại bay hơi rồi gặp môi trường lạnh ngưng tụ lại thành hạt. Hệ phân tán sẽ bền vững
nếu cho sẵc vào đó chất ổn định. Như vậy, phương pháp này vừa là phương pháp phân tán, vừa
là phương pháp ngưng tụ.
e. Phương pháp phân tán bằng keo tán
Khi làm tan kết tủa do sự keo tụ gây ra tức là ta đã thực hiện sự keo tán. Như vậy keo tán là
quá trình ngược lại với sự keo tụ. Quá trình keo tán có thể tiến hành bằng 4 cách khác nhau:
+ Keo tán bằng cách rửa kết tủa: thực chất là quá trình tách loại chất điện ly keo tụ. Trong
quá trình này, lớp điện kép quanh hạt keo dãn rộng ra, nhờ đó lực đẩy tĩnh điện trội hơn lực hút
phân tử và các hạt sẽ tách rời nhau rồi phân bố vào môi trường. Trong quá trình phân tích, quá
trình này là không có lợi vì khi rửa kết tủa, một phần kết tủa bị mất đi do sự keo tán.
+ Keo tán bằng chất điện ly: xảy ra khi thêm chất điện ly chứa ion có thể tham gia xây dựng
mạng lưới phân tử của pha phân tán hoặc bị hấp thụ vào bề mặt hạt. Ví dụ kết tủa Fe(OH)3 có
thể keo tán bằng FeCl3. Do sự thuỷ phân không hoàn toàn tạo ra FeOCl là chất ổn định cho sol
Fe(OH)3. Như vậy FeCl3 đã keo tán kết tủa Fe(OH)3.
+ Keo tán bằng chất hoạt động bề mặt (HĐBM): các chất HĐBM và các chất cao phân tử
có thể bị hấp phụ trên bề mặt các hạt keo và truyền cho nó điện tích hay lớp vỏ solvat hoá bền
6
vững có tác dụng keo tán. Ví dụ: keo tán Fe(OH)3 bằng xà phòng, bằng alizarin và keo tán bột
cao lanh có độ phân tán cao, ưa nước bằng axit humic...
+ Keo tán bằng chất hoá học: thường xảy ra khi chất thêm vào hệ có phản ứng hoá học với
kết tủa tạo ra chất điện ly có tác dụng ổn định cho pha phân tán. Chẳng hạn keo tán Fe(OH)3,
bằng HCl thì có phản ứng tạo ra FeOCl là chất ổn định cho sol Fe(OH)3.
2.1.2. Điều chế dung dịch keo bằng phương pháp ngưng tụ
a. Nguyên tắc
Phương pháp ngưng tụ là quá trình ngược lại với phương pháp phân tán. Hạt keo hình thành
do sự ngưng tụ các phân tử, nguyên tử hay ion lại thành những hạt có kích thước keo. Phương
pháp này cho phép nhận được các hệ keo từ môi trường đồng thể. Sự xuất hiện pha mới xảy ra
trong môi trường quá bão hoà khi nồng độ chất vượt quá nồng độ cân bằng trong điều kiện cho
sẵn. Quá trình xảy ra phải giữ không cho hạt lớn lên quá giới hạn cần thiết (kích thước keo),
nếu không ta sẽ thu được những hệ vi dị thể hoặc hệ phân tán thô và pha phân tán sẽ kết tủa.
Lý thuyết về sự tạo pha phân tán mới cho thấy quá trình ngưng tụ tạo pha mới chính là sự
kết tinh. Sự kết tinh gồm 2 giai đoạn:
1. Giai đoạn tạo mầm trong dung dịch quá bão hoà.
Tốc độ tạo mầm tỷ lệ với nồng độ quá bão hoà:
v1 = k.
Cq  Cb
Cb
(2.2)
trong đó: k là hệ số tỷ lệ
Cq là nồng độ dung dịch quá bão hoà
Cb là nồng độ dung dịch bão hoà
Hiệu số (Cq – Cb) đặc trưng cho khả năng tạo tinh thể của pha phân tán, còn Cb đặc trưng
cho khả năng tương tác của nó với môi trường. Nếu Cq - Cb càng lớn và Cb càng bé thì tốc độ
tạo nấm v1 sẽ càng lớn và số mầm thu được sẽ càng nhiều và ta có thể thu được các hạt keo
càng nhỏ, bởi vì hầu như phần lớn lượng chất có khả năng tạo tinh thể được phân bố cho một
lượng mầm rất lớn đóng vai trò quan trọng và là các trung tâm kết tinh, chỉ còn lại một lượng
nhỏ dành cho sự lớn lên của các mầm.
2. Giai đoạn phát triển mầm
Trong giai đoạn này, những tinh thể lớn dần từ các mầm ban đầu. Tốc độ lớn lên của mầm
phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
v2 =
DS
.(Cq - Cb)

(2.3)
Trong đó: D là hệ số khuyếch tán
S là diện tích bề mặt tinh thể
 là chiều dày lớp dung dịch mà qua đó xảy ra sự khuyếch tán (từ Cb ở bề
mặt đến Cq trong dung dịch quá bão hòa)
Do sự phát triển mầm, độ bão hòa của dung dịch giảm vì lượng chất tan chuyển dần vào tinh
thể đồng thời sự hoà tan của các tinh thể (hạt keo) cũng giảm do kích thước của chúng tăng.
Khi điều chế dung dịch keo thì v1 phải lớn và v2 phải nhỏ, vì chỉ trong trường hợp đó thì mới
hình thành nhiều tinh thể nhỏ ứng với kích thước của hạt keo và hệ thu được sẽ gần đơn phân
tán. Người ta có thể điều khiển quá trình kết tinh để thu được những hệ keo với độ phân tán cần
thiết bằng cách đưa một số mầm nhất định từ ngoài vào hệ để sự kết tinh chỉ xảy ra trên các
mầm đó và đưa các chất ức chế vào hệ để kìm hãm từng giai đoạn một.
Sự ngưng tụ có thể xảy ra trực tiếp, hoặc bằng cách thay dung môi, hoặc bằng phản ứng hoá
học.
b. Ngưng tụ trực tiếp
Phương pháp này xảy ra khi pha hơi đi vào môi trường lạnh đột ngột. Điều này giải thích sự
hình thành sương mù khi hơi nước gặp không khí lạnh từ mặt đất vào buổi sáng mùa đông. Ở
trong phòng thí nghiệm người ta có thể điều chế được sol Hg, S, Se, Te khi cho hơi các nguyên
tố này vào nước lạnh. Bằng phương pháp hồ quang nói ở trên người ta có thể điều chế được các
7
sol Cu, Ag, Au, Pt trong môi trường nước, rượu, glixerin hay benzen. Để tăng độ bền vững của
sol người ta phải thêm các chất ổn định, thường là chất điện ly. Cấu tạo của các hạt keo loại
này còn chưa được biết rõ. Người ta giả thiết rằng chất ổn định là các oxít hình thành khi hơi
của chúng tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ cao.
c. Phương pháp thay thế dung môi
Cho pha phân tán hòa tan vào một dung môi thích hợp, trong đó có sẵn chất ổn định. Sau đó
nếu pha phân tán không tan vào một dung môi thứ 2 mà trong dung môi này, dung môi thứ
nhất lại có thể hoà tan hoàn toàn, thì người ta trộn lẫn một lượng dung dịch của chất tan trong
dung môi 1 vào một lượng lớn dung môi 2. Do tính chất không tan được trong dung môi 2, các
phân tử của pha phân tan sẽ ngưng tụ lại thành hạt và ổn định trong môi trường mới nhờ chất
ổn định có sẵn. Ví dụ colofan hoặc lưu huỳnh là những chất tan trong rượu nhưng không tan
trong nước. Nếu lấy một ít dung dịch các chất trên ở trong rượu cho vào một lượng lớn nước,
do tính không tan trong nước colofan hoặc lưu huỳnh sẽ ngưng tụ lại thành các hạt sol.
d. Phương pháp dùng phản ứng hoá học
Hầu hết các dạng phản ứng hóa học đều được sử dụng để điều chế các dung dịch keo. Tuy
nhiên sự hình thành sol đòi hỏi phải thực hiện trong những điều kiện khắt khe về nồng độ chất
phản ứng, thứ tự trộn lẫn, nhiệt độ và các điều kiện khác nữa. Sau đây là một số ví dụ:
Phản ứng trao đổi: thường được sử dụng để điều chế các sol sunfua, iođua. Ví dụ sol asen
sunfua hình thành trong phản ứng:
2H3AsO3 + 3H2S  As2S3 + 6H2O
Phản ứng khử: Ví dụ kinh điển của phương pháp này là việc điều chế sol vàng bằng cách
khử axit HAuCl4 bằng H2O2 hoặc chất khí khác (phương pháp Xichmondi):
2HAuCl4 + H2O2  2Au + 8HCl + 3O2
(Một số phản ứng tương tự đã được thực hiện từ thời trung cổ).
Phản ứng oxi hoá: Ví dụ oxi hoá H2S trong nước ta thu được sol lưu huỳnh:
2H2S + O2 (khí)  2S + 2H2O
Phản ứng thuỷ phân: Phản ứng này thường được sử dụng để điều chế sol kim loại nặng Ví
dụ sol Fe(OH)3 có thể điều chế theo phản ứng:
FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)3 + 3HCl
Các hệ keo ghét lưu là không bền, dễ keo tụ. Để làm tăng độ bền vững của sol, trong quá
trình điều chế người ta phải thêm chất bảo vệ hạt keo, thường là chất điện li.
2.2. TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO
Dung dịch keo hoặc dung dịch cao phân tử thường chứa các tạp chất phân tử lượng thấp hay
các chất điện ly. Muốn loại bỏ chúng người ta dùng các phương pháp thẩm tích, điện thẩm và
siêu lọc.
2.2.1. Thẩm tích
Để thẩm tích, người ta dùng thẩm tích kế. Đó là một túi làm bằng chất bán thấm trong đó có
chứa dung dịch keo cần tinh chế. Túi này được nhúng vào bình chứa dung môi sạch. Do sự
chênh lệch hóa thế ở hai bên màng, tạp chất sẽ thoát ra ngoài theo chiều mũi tên về phía dung
môi, nếu liên tục thay mới dung môi ta có thể đạt được việc loại bỏ hết các tạp chất có khối
lượng phân tử thấp. Trong trường hợp cần giữ lại một chất khối lượng phân tử thấp nào đó thì
người ta dùng chính dung dịch đó làm môi trường ngoài. Đó chính là trường hợp lọc máu để
loại độc tố (muối, urê...). Nếu loại tất cả thành phần phân tử lượng thấp ra khỏi máu thì tế bào
lại bị phá huỷ. Để làm màng trước đây dùng bong bóng bò, lợn, hiện nay dùng màng colođion
chế từ nitrat xenlulozơ hoặc màng xenlophan (giấy bóng kính) chế từ hiđrat xenlulozơ.
Sơ đồ dụng cụ thẩm tích được trình bày trên hình 2.1
DD keo
Dung m«i
Mµng
8
Hình 2.1. Sơ đồ dụng cụ thẩm tích .
2.2.2. Điện thẩm tích
Vì tạp chất thường là các chất điện ly, do đó có thể sử dụng điện trường để làm tăng tốc độ
thẩm tích. Sơ đồ dụng cụ điện thẩm tích được trình bày trên hình 2.2.
+
1. Khu giữa chứa dung dịch keo
2. Màng
3. Khu catôt chứa dung môi
4. Que khuấy
5. Khu anot chứa dung môi
Hình 2.2. Sơ đồ dụng cụ điện thẩm tích.
Dung dịch keo đổ vào khu giữa (1) được ngăn cách với khu catot (3) và khu anot (5) chứa
dung môi bởi màng (2). Dưới tác dụng của điện trường các ion đi về các điện cực. Ở đây cũng
có thể sử dụng màng colođion và xenlophan, nhưng các màng xenlulozơ có nhược điểm là
điện trở cao làm giảm tốc độ thẩm tích, do đó người ta dùng màng chế từ nhựa trao đổi ion.
Điện thẩm tích chỉ có hiệu quả khi sol đã đựơc tinh chế sơ bộ bằng thẩm tích, khi có thể sử
dụng điện trường mạnh mà không sợ hệ nóng nên nhiều (có thể dẫn tới việc phân huỷ các đối
tượng sinh học cần tinh chế).
2.2.3 Siêu lọc Sơ đồ dụng cụ siêu lọc được trình bày trên hình 2.3.
1
2
2
4
3
5
1. Áp kế.
2. Màng siêu lọc.
3. Dung dịch keo.
4. Dung môi tách ra.
1
2
3
4
Hình 2.3. Sơ đồ dụng cụ siêu lọc
Siêu lọc là phương pháp làm sạch và đồng thời tách pha phân tán khỏi dung môi và các chất
khối lượng phân tử thấp bằng cách ép qua màng lọc dưới áp suất.
Để so sánh, trên hình 1.7 trình bày sơ đồ về giới hạn kích thước của hệ phân tán, các lỗ
màng lọc và giới hạn phát hiện của các dụng cụ quang học.
1. Mắt thường
2. Hiển vi UV
Ph©n tÝch R¬nghen
HiÓn vi electron
H¹t keo
Vi khuÈn
Siªu vi
HiÓn vi
2
KÝnh
1
quang häc
lóp
Ph©n tÝch sa l¾ng
Siªu läc
(Mµng)
10-3
10-2
10-1
R©y
GiÊy
läc
1
10
102
103  
H×nh 2.4: S¬ ®å giíi h¹n kÝch th­íc cña hÖ ph©n t¸n.
CHƯƠNG 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
9
CÁC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ
3.1.1. Một số khái niệm cơ bản
Hấp phụ là quá trình chất chứa các phân tử chất khí, lỏng hay chất hoà tan lên bề mặt phân
cách pha. Bề mặt phân cách pha có thể là khí - lỏng, khí - rắn hay lỏng - lỏng, lỏng - rắn...
Vì sự hấp phụ diễn ra trên bề mặt phân cách pha cho nên có ý nghĩa to lớn đối với các hệ
thống keo là những hệ có bề mặt phân cách pha rất phát triển.
Trong quá trình hấp phụ, người ta phân biệt: vật hấp phụ và chất bị hấp phụ. Chất có bề mặt
trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất (vật) hấp phụ; còn chất được tích luỹ trên bề mặt gọi là
chất bị hấp phụ.
Nếu chất bị hấp phụ xuyên qua lớp bề mặt đi sâu vào thể tích chất hấp phụ giống như sự hòa
tan thì hiện tượng gọi là sự hấp thụ. Hấp phụ và hấp thụ gọi chung là hấp thu.
Lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt hoặc trên một đơn vị khối lượng
chất hấp phụ được gọi là đại lượng hấp phụ ký hiệu a. Lượng nhiệt giải phóng ra trong quá
trình hấp phụ được gọi là nhiệt hấp phụ. Quá trình ngược lại với hấp phụ gọi là sự giải hấp: nó
giống như sự khuyếch tán, có xu hướng phân bố đều đặn chất bị hấp phụ vào môi trường do
chuyển động nhiệt gây ra. Sau một thời gian tốc độ quá trình hấp phụ bằng tốc độ quá trình giải
hấp phụ, khi đó trong hệ thiết lập một cân bằng hấp phụ.
Đối với một hệ xác định, đồ thị biểu diễn đại lượng hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ C trong
thể tích hoặc áp suất P và nhiệt độ T, a = f(T, P) hoặc a = f(T, C). Đường biểu diễn a = f(P)
hoặc a = f(C) ở T = const được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt.
Tại vùng có P hay C thấp thì a tỷ lệ bậc thấp với P, C.
Tại vùng có P hay C cao thì a = amax không phụ thuộc vào P, C nữa vì quá trình hấp phụ đã
đạt bão hoà.
a
C
Hình 3.1. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt
Tuỳ theo bản chất của lực hấp phụ người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
+ Hấp phụ vật lý: lực hấp phụ là lực phân tử (lực Vandecvan). Do nhiệt hấp phụ vật lý
thường bé khoảng 2 - 6 kcal/mol nên quá trình này là quá trình thuận nghịch.
+ Hấp phụ hóa học: lực hấp phụ có bản chất hóa học. Do nhiệt hấp phụ hóa học thường lớn
hơn cỡ một vài chục kcal/mol nên quá trình này là quá trình bất thuận nghịch.
Trong công nghiệp người ta thường sử dụng các chất hấp phụ có bề mặt riêng lớn như
silicagen (SiO2), alumogen (Al2O3), zeolit (alumosilicat hidrat hoá tinh thể), than hoạt tính.
Chất hấp phụ được sử dụng vào mục đích sấy khô (silicagen), tẩy màu (cao lanh, than hoạt
tính), tách chất (zeolit), chất mang xúc tác (SiO2, Al2O3)...
Trong chương này chúng ta chủ yếu xét quá trình hấp phụ lý học, vì nó có vai trò quan trọng
với các hệ keo.
3.1.2. Các phương trình hấp phụ
3.1.2.1. Phương trình Frendlich
10
Frendrich nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ (áp suất của chất khí) đến đại lượng hấp
phụ ở nhiệt độ không đổi nhận thấy rằng: các đường hấp phụ đẳng nhiệt có dạng gần giống với
1 nhánh của đường parabol nên ông đã đề nghị công thức thực nghiện sau:
Với chất khí:
a = x/m = k.P1/n
Với chất tan trong dung dịch a = x/m = k.C1/n
(3.1)
Trong đó: x là số mol chất bị hấp phụ.
m là khối lượng vật hấp phụ (gam).
P là áp suất cân bằng của khí (C là nồng độ cân bằng của chất tan) quanh vật hấp phụ.
k và n là các hằng số đặc trưng cho khả năng hấp phụ của từng chất.
Tại vùng có P hay C thấp thì a tỷ lệ bậc thấp với P, C. Tại vùng có P hay C cao thì a = amax
không phụ thuộc vào P, C nữa vì quá trình hấp phụ đã đạt bão hoà.
a
lga
C
lgC
Hình 3.1. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich
Có thể tìm các hằng số trong phương trình Frendlich từ đồ thị bằng cách lấy lg 2 vế để
chuyển về dạng đường thẳng: lga = lgk+ /n.lgP. (Phương trình bậc nhất dạng y = ax + b).
3.1.2.2. Phương trình Langmuir
Khi nghiên cứu về sự hấp phụ của chất khí trên bề mặt vật rắn. Langmuir đã đưa ra lý thuyết
về sự hấp phụ lý học đơn phân tử dựa trên các giả thiết sau:
1. Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra.
2. Sự hấp phụ xảy ra trên các hoá trị tự do của các nguyên tử hay phân tử trên bề mặt vật hấp
phụ.
3. Vì bán kính tác dụng của lực hoá trị bé nên mỗi hóa trị tự do chỉ hấp phụ một phân tử nghĩa là trên bề mặt vật hấp phụ chỉ hình thành một lớp hấp phụ đơn phân tử.
4. Phân tử bị hấp phụ chỉ bị giữ trên bề mặt vật hấp phụ một thời gian nhất định: sau đó do
thăng giáng về năng lượng, nó bị rứt ra - đó là sự giải hấp phụ. Khi tốc độ giải hấp phụ bằng
tốc độ hấp phụ, khi đó trong hệ thiết lập một cân bằng hấp phụ.
5. Lực tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt vật hấp phụ được bỏ qua.
Tại thời điểm t, áp suất chẩt bị hấp phụ trong pha khí là P. Xét một đơn vị diện tích bề mặt
vật hấp phụ, phần bề mặt (đã bị che phủ bởi V thể tích chất bị hấp phụ ở điều kiện tiêu chuẩn).
là  thì (1 -  ) sẽ là phần bề mặt tự do. Gọi amax là đại lượng hấp phụ cực đại khi 100% bề mặt
bị che phủ (thể tích đơn lớp) thì  = a/amax
Vì tốc độ hấp phụ tỷ lệ với áp suất và phần bề mặt tự do nên ta có tốc độ quá trình hấp phụ
là: vhp = kP.(1 -  ) ; còn tốc độ giải hấp tỷ lệ với phần bề mặt bị che phủ nên: vphp = k’. 
Ở trạng thái cân bằng tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp, ta có vhp = vphp:
kP.(1 -  ) = k’.  ( ở đây k và k’ tương ứng là hằng số hấp phụ và giải hấp).

k
Như vậy:
= P;
1
k'
k

bP
Đặt b =
=>
= Bp
=>  =
(3.2)
k'
1
1  bP
Ta có  = a/amax
nên a = amax.
bP
1  bP
(3.3)
11
Hệ thức (3.1) là phương trình hấp phụ đẳng nhiệt do Langmuir thiết lập áp dụng cho sự hấp
phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất. Đại lượng b =
k
có ý nghĩa của hằng số cân bằng hấp
k'
phụ được gọi là hệ số hấp phụ, nó tăng theo hàm số mũ với nhiệt hấp phụ ở áp suất thấp.
+ Khi áp suất thấp: ta có bP << 1
=> (1 + bP) = 1 => a = amax.bP
(3.4)
Hệ thức (3.1) mô tả sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng hấp phụ vào áp suất.
+ Khi áp suất cao: ta có bP >> 1
=> (1 + bP) = bP => => a = amax.
(3.5)
Hệ thức (3.5) ứng với sự hấp phụ cực đại.
Biết Vm ta có thể tính được diện tích bề mặt của chất hấp phụ theo hệ thức:
S=
Vm
.N0.Am.10-20, m2/g
22414
Trong đó: Vm - thể tích hấp phụ cực đại tính bằng cm3 ở 00C và 1atm; N0 - số Avogađro;
Am - diện tích chiếm bởi một phân tử bị hấp phụ trên bề mặt. Đối với nitơ lỏng (-1950C), Am =
16,2. Đối với benzen Am = 102.
a
amax
P
Hình 3.2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
3.1.2.3. Phương trình BET
Ở một số trường hợp, đường hấp phụ đẳng nhiệt không tiệm cận với đường nằm ngang
mà có dạng hình chữ s ngược.
a
C
Hình 3.3. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt dạng hình chữ s ngược.
Có 2 khả năng cho trường hợp này:
Một là: với các vật hấp phụ xốp, các phân tử chất bị hấp phụ có thể bị ngưng tụ trong các lỗ
xốp mao quản của vật hấp phụ, ở đó áp suất hơi bão hoà bé hơn áp suất hơi bão hoà của nó ở
trên bề mặt thoáng. Đây là sự ngưng tụ mao quản.
Hai là: theo Poliani, trong một số trường hợp, bán kính tác dụng của lực phân tử lớn hơn
bán kính tác dụng của lực hoá trị dư trong thuyết Langmuir, khi đó sự hấp phụ không chỉ tạo
lớp hấp phụ đơn phân tử mà thành nhiều lớp phân tử chồng lên nhau (lớp đa phân tử).
Brunaoe, Emet và Tele đã khái quát hoá các lý luận của Langmuir và Poliani và đưa ra
phương trình hấp phụ đẳng nhiệt cho quá trình này như sau:
P
1
C 1 P
=
+
.
V ( Po  P)
Vm.C
Vm.C Po
Trong đó: Po là áp suất hơi bão hoà
12
(3.7)
V là thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất đã cho.
Vm là thể tích khí bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử.
C là thừa số năng lượng với C = e  / R
Theo các tác giả này thì miền tạo lớp đơn phân tử là từ gốc toạ độ đến điểm uốn, còn sau đó
là sự hấp phụ lớp đa phân tử.
3.2. CÁC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ CƠ BẢN
3.2.1. Sự hấp phụ trên giới hạn dung dịch khí
a. Sức căng bề mặt
Nếu so sánh một phân tử nước nằm trong thể tích và một phân tử nước nằm trên bề mặt ta sẽ
thấy phân tử nước nằm trong thể tích tương tác (hút) đồng đều với các phân tử xung quanh (lực
hút hiển thị bằng các mũi tên), còn phân tử nước nằm trên bề mặt chỉ tương tác với các phân tử
phía dưới, còn ở phía trên các hoá trị tự do không được bão hoà, người ta nói các phân tử bề
mặt có năng lượng tự do cao hơn so với trong thể tích.
Giả thiết có một cốc nước với bề mặt phân cách pha nước - không khí (hình 3.4 )
Kh«ng khÝ
N­íc
Hình 3.4. Sức căng bề măt nước
Sự chênh lệch về năng lượng tự do  G của các phân tử bề mặt (so với thể tích) quy về một
đơn vị diện tích bề mặt gọi là sức căng bề mặt, ký hiệu  :
 =
G
S
(3.8)
Vì  G = -A là công tiêu tốn, do đó có thể định nghĩa sức căng bề mặt là công tiêu tốn để
tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt (dấu - chỉ công phải tiêu tốn chống lại sức hút để đưa các
phân tử từ thể tích ra bề mặt). Như vậy, sự tạo ra bề mặt là không lợi về năng lượng. Hệ dị thể
luôn luôn có khuynh hướng thu hẹp bề mặt. Về mặt hình học, đối với một thể tích xác định, bề
mặt bé nhất là mặt cầu, điều này giải thích tại sao giọt nước có hình cầu.
Vì công bằng lực nhân với độ dài, do đó có thể viết:
 =
G
= [J]/[m2 ] = [N].[m]/[m2 ] = [N]/[m] = 105dyn/100cm = 103dyn.cm-1
S
(3.9)
Như vậy, trong hệ đơn vị SI sức căng bề mặt có thứ nguyên J.m-2 hoặc N.m-1 (trong hệ CGS
thứ nguyên của  là ec.cm-2 hoặc dyn.cm-1.
Từ (3.9) có thể định nghĩa sức căng bề mặt là lực tác dụng nên một đơn vị độ dài.
Để hiểu rõ bản chất của lực này, ta tưởng tượng có một màng nước xà phòng được tạo ra
trên một khung cứng hình chữ U và một thanh ngang di động có độ dài l (hình 3.5)
=f
=1
Hình 3.5. Sức căng bề mặt trên màng nước xà phòng.
13
Nếu giả thiết thanh ngang có thể di chuyển tự do không ma sát thì màng nước sẽ co lại theo
chiều mũi tên để giảm bề mặt (có lợi về năng lượng). Lực tác dụng trên một đơn vị độ dài
chính là sức căng bề mặt. Ta có:  = f/2l.
Hệ số 2 được đưa vào vì lực f tác dụng nên cả 2 mặt (trước và sau) của màng. Vậy có định
nghĩa thứ 2 tương đương với định nghĩa thứ nhất: Sức căng bề mặt là lực tác dụng trên một đơn
vị độ dài của bề mặt, tiếp tuyến với bề mặt và hướng theo chiều giảm diện tích bề mặt.
Trong các chất lỏng ở điều kiện thường (không kể Hg), nước có sức căng bề mặt lớn nhất.
Vì sức căng bề mặt  có nguồn gốc từ lực hút giữ các phân tử, do đó  (lỏng) <  (rắn); 
giảm khi nhiệt độ tăng.
Ta có thể đư ra một phép tính gần đúng về tương quan giữa sức căng bề mặt và nhiệt bay
hơi (đặc trưng cho lực hút giữa các phân tử).
Bảng 3.1. Sức căng bề mặt của một số chất.
Chất lỏng
 (20oC), N.m-1 (*)
Kim loại, muối nóng chảy
, N.m-1
n-hexan
18,4.10-3
Hg (20oC)
472.10-3
C2H5OH
22,0.10-3
Ag (970oC)
800.10-3
Xyclohexan
26,5.10-3
NaCl (1000oC)
98.10-3
Benzen
28,9.10-3
BaSO4 (25oC)
1250.10-3
H2 O
72,75.10-3
CaF2 (25oC)
2500.10-3
Giả thiết có 1m3 chất được phân chia thành phân tử tự do, năng lượng tiêu tốn cho quá trình
này là nhiệt hoá hơn  H. Mặt khác nếu giả thiết các phân tử hình lập phương có cạnh l thì ta
sẽ nhận được 1/l3 hình lập phương, mỗi hình lập phương có diện tích bề mặt là 6l2, tổng diện
tích bề mặt S = 6l2.1/l3 = 6/l, công hình thành bề mặt S là S.  , đó chính là nhiệt hoá hơi.
Ta có:
 H = 6  /l hay  =  H .l/6
(3.11)
Kích thước phân tử l có thể tính theo công thức: l = [V/No]1/3
(3.12)
Trong đó: V - thể tích mol của chất lỏng; No - số Avogađro.
Các kết quả tính toán  theo công thức (3.11) và giá trị thực nghiệm của một số chất lỏng
được đưa ra ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. So sánh sức căng bề mặt  tính toán và thực nghiệm
, N.m-1 (thực nghiệm)
H, J.m-3
l, m
 =  H .l/6
Nước
72,75.10-3
2,2.109
3,12.10-10
114.10-3
Clorofom
27,6.10-3
0,55.109
5,16.10-10
47,3.10-3
n-hexan
18,4.10-3
0,23.109
6.10-10
23.10-3
Benzen
28,9.10-3
0,34.109
5,28.10-10
29.10-3
Chất lỏng
(*)
V× 1N = 105 dyn; 1m = 102 cm nªn 1N.m-1 = 103 dyn.cm-1.
VÝ dô trong hÖ CGS  (n-hexan) = 18,4 ®yn.cm-1.
14
Từ bảng 3.2, nếu lưu ý đến tính gần đúng của phép tính thì có thể xem sự phù hợp giữa giá
trị  tính toán và thực nghiệm là khá tốt.
Phương pháp xác định sức căng bề mặt: Có nhiều phương pháp xác định sức căng bề
mặt, một trong số đó là phương pháp mao quản dựa trên hệ thức:  = r.d.gh/2 (3.13)
Người ta dùng một mao quản lần lượt nhúng vào hai chất lỏng khác nhau, trong đó một chất
làm chuẩn là nước (n) mà sức căng bề mặt đã biết chính xác, còn chất lỏng thứ 2 (x) là chất cần
đo. Viết hệ thức:  = r.d.gh/2 cho hai chất lỏng n và x ta có:
 n = r.dn.ghn/2
và  x = r.dx.ghx/2
Chia hai biểu thức này cho nhau ta được:
 x /  n = dxhx/dnhn
(3.14)
 n, dx, dn là các hằng số được xác định chính xác ở các nhiệt độ khác nhau (tra bảng), do đó
đo các độ cao hx và hn ta tính được  x , theo hệ thức (3.14). Sở dĩ người ta không sử dụng ngay
hệ thức (3.13) vì việc xác định bán kính mao quản thường kém chính xác.
Ví dụ 3: Xác định sức căng bề mặt của benzen ở 200C biết khi nhúng một ống mao quản vào
benzen cột chất lỏng dâng lên hx = 5cm, còn khi nhúng vào nước hn = 11,3cm
Giải: Thay vào hệ thức (3.14) các số liệu thực nghiệm hn, hx và số liệu tra bảng (ở 200C).
 n = 72,75dyn/cent; dn = 0,997g/cm3; dx = 0,899g/cm3
Ta được:  x = 72,75.
0,899.11,3
= 28,8 dyn/cm
0,997.5
b. Phương trình Gibbs
Phương trình Gibbs thiết lập mối liên hệ giữa lượng chất bị hấp phụ trên lớp bề mặt, nồng
d
độ chất tan trong dung dịch C, nhiệt độ T và biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ
dC
d
Cd
a==RTd ln C
RTdC
(3.15)
[ Thiết lập: Giả thiết có một dung dịch gồm 2 cấu tử: dung môi 1 và chất tan 2, có bề mặt tiếp
xúc s với khí quyển. Năng lượng tự do Gibbs của hệ có thể biểu diễn bởi hệ thức:
G =  s +  1 n1 +  2 n2
Trong đó :  - sức căng bề mặt;  1- hoá thể, ni - số mol cấu tử i
Lấy vi phân toàn phần ta có:
dG =  ds + sd  +  1dn1 + n1d  1 +  2dn2 + n2d  2
(3.15a)
Mặt khác, G là một hàm của nhiệt đọ, áp suất, diện tích bề mặt và số mol các cấu tử:
G = G(T, P, s, n1, n2).
do đó lấy vi phân toàn phần ta có:
dG = [  G/  T]Psni dT + [  G/  P]Tsni dP + [  G/  S]TPni dS + [  G/  n1]TPSn2 dn1 +
[  G/  n2]TPSn1 dn2
Nếu lưu ý đến các hệ thức nhiệt động học sau đây:
[  G/  T]Psni = -S(entropi); [  G/  P]Tsni = V (thể tích)
[  G/  S]TPni =  (sức căng bề mặt); [  G/  ni]TPSni =  i (hoá thể)
Thì ta có: dG = -SdT+ Vdp +  ds +  1dn1 +  2dn2
(3.15b)
So sánh (3.15a) và (3.15b) ta rút ra:
SdT- Vdp +  ds +  1dn1 +  2dn2 = 0
Ở T, P = const (2.18) trở thành:  ds +  1dn1 +  2dn2 = 0
(3.15c)
Bây giờ ta tưởng tượng chia dung dịch thành lớp bề mặt và lớp thể tích
Líp bÒ mÆt
15
Líp dung dÞch
n2
n1
n 02
n 10
Hình 3.6. Lớp bề mặt và lớp thể tích chất lỏng.
Gọi n10 và n20 là số mol cấu tử 1 và 2 trong lớp thể tích; n1 và n2 tương ứng là số mol trong
lớp bề mặt. Đối với lớp bề mặt có thể áp dụng hệ thức (3.15c) ; đối với lớp thể tích, vì s = 0
nên thay cho (3.15c) ta có: n10d  1 + n20 d  2 = 0
Từ đó suy ra: d  1 = -n20 d  2 /n10 thay d  1 vào ta được
sd  + (n2 -n1)n20 d  2/n10 = 0 hoặc - d  /d  2 = (n2 -n1)n20/n10/s
Tử số ở vế phải là hiệu giữa 2 đại lượng: n2 - số mol chất tan 2 (trong n1 mol dung môi) ở
trong lớp bề mặt; n20n1/n10 - số mol chất tan 2 trong lớp thể tích quy về n1 mol dung môi. Vậy
hiệu này là số mol dư của chất tan 2 ở trên bề mặt so với trong thể tích, nếu qui về 1 đơn vị
diện tích bề mặt thì đó chính là đại lượng hấp phụ, kí hiệu a. Vậy ta có: a = -d  /d  2
Đối với dung dịch loãng có nồng độ C theo nhiệt động học ta có:
 2 =  20 + RTlnC hay d  2 = RTdlnC.
d
Cd
Do đó:
a==]
RTd ln C
RTdC
c. Chất hoạt động bề mặt
Từ phương trình Gibbs (3.15) ta phân biệt 2 trường hợp sau đây:
d
Trường hợp 1: Ta thấy a > 0 khi
< 0 nghĩa là: sức căng bề mặt giảm khi nồng độ chất
dC
tan tăng. Còn a < 0 có nghĩa là nồng độ chất tan ở bề mặt cao hơn trong thể tích. Ta gọi đó là
sự hấp phụ dương. Các chất tan làm giảm sức căng bề mặt gọi là chất hoạt động bề mặt. Chất
hoạt động bề mặt thường là các chất hữu cơ mà phân tử gồm hai phần: Phần phân cực là nhóm
chức có mômen lưỡng cực lớn như nhóm: -COOH; -OH; NH2; -SH; - CN; -NO2; -NCS; -CHO;
-HSO3. Phần không phân cực là gốc hidrocacbon mạch thẳng hoặc mạch vòng.
d
Trường hợp 2. Ta thấy a < 0 khi
> 0 nghĩa là: sức căng bề mặt tăng khi nồng độ chất
dC
tan tăng. a < 0 có nghĩa là nồng độ chất tan ở bề mặt cao hơn trong thể tích. Ta gọi đó là sự hấp
phụ âm. Các chất làm tan làm tăng sức căng bề mặt được gọi là chất không hoạt động bề mặt.
phần lớn các chất này là các chất điện ly.
d. Phương trình Sitkopxky
Khi nồng độ chất HĐBM nhỏ,  của dung dịch giảm tỉ lệ bậc nhất với nồng độ C của chất
HĐBM và:  o -  =   = k.C
Trong đó: k là hệ số tỷ lệ
 o là sức căng bề mặt của dung môi
 là sức căng bề mặt của dung dịch
Khi nồng độ chất HĐBM lớn, tỉ lệ này không phải bậc nhất mà tuân theo phương trình
Sitkopxky:  o -  =   =  o.B.ln (C/A + 1)
(3.16)
o
Trong đó: B là hằng số ( thường có giá trị bằng 0,2 tạI 20 C) và ít phụ thuộc vào bản chất
của chất HĐBM; còn 1/A là hằng số mao quản và là đại lượng đặc trung cho từng chất HĐBM.
Phương trình này áp dung tốt cho các axits béo có mạch C không quá lớn. Phương trình
Sitkopxky dạng vi phân có thể được sử dụng để chuyển phương trình Gibbs thành phương trình
Langmua
e. Quy tắc Traube - Ducle
16
Thực nghiệm cho thấy độ HĐBM càng tăng khi mạch cacbon trong phân tử chất HĐBM
càng dài. Chẳng hạn, trong một dãy đồng đẳng (ví dụ dãy các axit béo) độ HĐBM tăng trung
bình 3,2 lần khi tăng thêm một nhóm CH2. Điều này được tổng kết trong quy tắc Traube Ducle sau đây: “ Khi chiều dài của các axit béo tăng theo cấp số cộng thì đại lượng Gibbs tăng
theo cấp số nhân”. Cần lưu ý rằng, ngoài các axit béo, quy tắc này còn nghiệm đúng cho các
dãy đồng đẳng khác của chất HĐBM như rượu, amin...Ngoài ra, nó chỉ đúng với dung môi là
nước (dung môi phân cực mạnh).
Quy tắc Traube - Ducle có thể giải thích như sau: Đối với chất HĐBM, mạch cacbon càng
dài thì tính không phân cực càng trội, độ tan trong nước (dung môi phân cực) càng giảm, do đó
các phân tử có khuynh hướng tập trung ở bề mặt làm cho sức căng bề mặt giảm. Điều này thấy
rõ khi so sánh độ tan trong nước của các axít sau đây:
Axit butyric C3H7COOH tan trong nước (hạn chế)
Axít valeric C4H7COOH ít tan (khoảng 4%)
Axit caproic C5H11COOH không tan.
f. Cấu tạo lớp bề mặt trên gianh giới dung dịch - khí
Khi các phân tử chất HĐBM tập trung ở bề mặt (hấp phụ dương) chúng tạo thành một lớp
màng trên bề mặt. Tuỳ theo nồng độ chất HĐBM các màng này có thể ở trạng thái khí (hai
chiều ) hoặc màng ngưng tụ (lỏng hoặc rắn).
o
o
o
oooooooooooooooooo
a)
b)
Hình 3.7. a. màng khí ;
b. màng ngưng tụ .
Ở nồng độ loãng, các phân tử chất HĐBM ở xa nhau, chuyển động tự do trên bề mặt (hai
chiều) tạo ra màng khí hai chiều, trong đó nhóm phân cực (chấm tròn) nằm trong nước, còn
nhóm không phân cực (đuôi thẳng) hướng ra không khí. Để giảm bớt năng lượng, các đuôi
hidrôcacbon không hướng thẳng góc bề mặt, mà nằm ngang trên bề mặt.
3.2.2. Sự hấp phụ trên giới hạn bề mặt rắn - dung dịch.
Đây là quá trình quan trọng nhất với hoá học chất keo, vì nó gắn liền với các hiện tượng và
ứng dụng của hệ keo.
a. Sự hấp phụ phân tử
Khi chất phân tán trong dung dịch dạng phân tử thì xảy ra sự hấp phụ phân tử. Chẳng hạn:
quá trình tảy trắng dầu thực vật bằng than hoạt tính, đất sét hoạt hoá....Lượng chất bị hấp phụ
được tính theo công thức: a =
V (Co  C ) 3
10
m
(3.17)
Trong đó: a là đại lượng hấp phụ (mol/gam)
V là thể tích dung dịch (lit)
Co là nồng độ chất tan trong dung dịch trước khi hấp phụ (mol/lít)
C là nồng độ chất tan trong dung dịch sau khi hấp phụ (mol/lít)
m là khối lượng vật hấp phụ (g)
Nếu biết bề mặt riêng của vật hấp phụ, lượng chất hấp phụ này sẽ được quy về một đơn vị
diện tích bề mặt (cm2).
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ phân tử, bao gồm:
Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ: với nồng độ loãng, sự phụ thuộc này có thể mô
tả bằng phương trình hấp phụ đằng nhiệt Frendlich hay phương trình Langmuir. Cũng có thể
dùng phương trình Gibbs, song vì thường không xác định được sức căng bề mặt  trên giới
hạn vật rắn-dung dịch nên không thể tính toán trực tiếp từ phương trình này được.
Ảnh hưởng của dung môi: Giữa môi trường và chất tan thường xảy ra sự cạnh tranh trong
quá trình hấp phụ lên bề mặt vật rắn. Về mặt nhiệt động họ, chất nào có  nhỏ hơn sẽ bị hấp
phụ mạnh hơn.
17
Ảnh hưởng của bản chất vật hấp phụ: bản chất và độ xốp của vật hấp phụ ảnh hưởng rất
lớn đến khả năng hấp phụ của nó. Vật hấp phụ càng xốp thì khả năng hấp phụ càng cao và
ngược lại. Chất hấp phụ phân cực sẽ hấp phụ tốt chất phân cực và ngược lại.
Ảnh hưởng của bản chất bị hấp phụ: Theo Rebiđia, nếu sự có mặt của chất bị hấp phụ có
tác dụng làm giảm càng nhiều sự khác biệt về độ phân cực trên bề mặt phân cách pha thì khả
năng bị hấp phụ của nó càng cao.
Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ: sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn nhiều
so với trong pha khí vì sự khuyếch tán ở đây diễn ra chậm hơn. Đặc biệt các chất bị hấp phụ có
kích thước rất lớn khó khuyếch tán vào các vật hấp phụ có đường kính lỗ xốp nhỏ, do đó cần
thời gian tiếp xúc dài để đạt được trạng thái cân bằng.
Khi tăng nhiệt độ, quá trình khuyếch tán tăng làm giảm thời gian đạt cân bằng, nhưng độ
hấp phụ bị giảm xuống do tăng quá trình hấp phụ các phân tử khỏi bề mặt vật hấp phụ. Tuy
nhiên, mức độ giảm ở đây thấp hơn so với trong pha khí.
b. Sự hấp phụ ion trong dung dịch các chất điện li
Các chất điện li là những chất không hoạt động bề mặt. Sự có mặt của chúng trong dung
d
dịch làm tăng sức căng bề mặt của dung dịch so với dung môi nguyên chất, khi đó
> 0 nên
dC
 < 0, nghĩa là trên bề mặt thoáng của dung dịch, chúng bị hấp phụ âm.
Khi cho vật hấp phụ rắn vào trong dung dịch sẽ xảy ra sự hấp phụ dương các ion chất điện li
lên bề mặt rắn của vật hấp phụ. Quá trình này thường có tính chất chọn lọc và mang đặc tính
trao đổi. Vật hấp phụ trao đổi với các ion dương được gọi là cationit; với các ion âm được gọi
là anionit; với các ion dương và ion âm (tuỳ thuộc vào phản ứng của môi trường ) được gọi là
vật hấp phụ lưỡng tính.
Mức độ hấp phụ ion phụ thuộc vào hóa trị, bán kính và mức độ solvat hóa của các ion.
Các cation hoá trị cao bị hấp phụ mạnh hơn các cation hoá trị thấp,
với các cation cùng hoá trị thì bán kính ion càng lớn sẽ bị hấp phụ càng mạnh (lớp vỏ solvat
hóa của chúng càng mỏng).
Do có khả năng hấp phụ trao đổi với các ion H+ và OH- chúng có thể làm thay đổi pH của
môi trường.
3.2.3. Hiện tượng thấm ướt
a. Sự thấm ướt
Khi cho một giọt chất lỏng lên trên bề mặt chất rắn, nếu các phân tử chất lỏng có tương tác
mạnh với các phân tử trên bề mặt rắn hơn là giữa các phân tử chất lỏng với nhau thì chất lỏng
sẽ chảy loang ra trên bề mặt rắn. Đó là sự thấm ướt. Mức độ thấm ướt của chất lỏng trên bề mặt
rắn được quyết định bởi tương quan giữa các sức căng bề mặt rắn - lỏng, rắn - khí và lỏng - khí
và được đặc trưng bởi góc thấm ướt (hay góc tiếp xúc ).
Hình 3.3. Biểu diễn mặt cắt của một giọt chất lỏng L trên bề mặt chất rắn R, H là pha hơi,
góc  tạo bởi đường tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng tại điểm tiếp xúc T với bề mặt chất rắn,
lấy về phía chất lỏng, được gọi là góc tiếp xúc. Tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha có 3 lực tác dụng,
đó là các sức căng bề mặt  giữa các cặp pha tương ứng.
Nếu xét cân bằng lực trên bề mặt chất rắn thì tổng hợp lực tại T phải bằng không nên ta có:
 RL +  LHcos  =  RH .
(3.18)
Khi cân bằng được thiết lập, giữa góc thấm ướt và sức căng bề mặt có một mốI liên hệ:
   13
cos  23
 12
Trong đó, 12, 13 vaì 23 lần lượt là sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng - không khí, rắn lỏng và rắn – khí.
12
2
18
23
1
13
3
Hình 3.8. Để thiết lập phương trình Young về góc tiếp xúc.



Hình 3.9. Các trường hợp thấm ướt không hoàn toàn
Phương trình (3.18) được gọi là phương trình Young. Vì  là các hằng số, do đó góc tiếp
xúc  cũng là hằng số đối với một cặp pha xác định. Đại lượng cos  được gọi là hệ số thấm
ướt, có thể nhận giá trị từ +1 đến -1. Nếu  < 900, cos  > 0 chất lỏng được gọi là thấm uớt bề
mặt. Nếu  > 900, cos  < 0 chất lỏng được gọi là không thấm ướt bề mặt.
Bề mặt thấm ướt được gọi là bề mặt ưa nước, bề mặt không thấm ướt nước được gọi là bề
mặt ghét nước. Tính ưa nước của bề mặt có thể thay đổi do xử lí hoá học, ta gọi đó là sự biến
tính bề mặt. Ví dụ: tính ghét nước của bề mặt tăng lên khi sử dụng xà phòng kim loại nặng
hoặc khi sử lý bằng các hợp chất cơ silic. Trong một số trường hợp tính ghét nước của bề mặt
là có lợi. Ví dụ khi ép nước qua màng xốp bề mặt mao quản càng ghét nước càng tiết kiệm
được năng lượng. Trong phương pháp tuyển nổi, người ta biến tính bề mặt các hạt quặng từ ưa
nước thành ghét nước. Trong đời sống hàng ngày, bề mặt các sợi len, sợi vải thường được biến
tính để tăng tính ghét nước, nhằm tăng thêm tính chống ướt cho quần ao. Trong đời sống sinh
vật, nhờ bộ lông có tính ghét nước mà vịt và một số loại chim khác có thể nổi trên nước.
Góc tiếp xúc là một hằng số cho những chất xác định. Dựa vào việc đo góc tiếp xúc ta có
thể kiểm tra độ sạch của bề mặt. Góc tiếp xúc của nước trên bề mặt một số chất rắn được ghi ở
bảng 3.3.
Bảng 3.3. Góc tiếp xúc  của nước trên một số bề mặt rắn.
Bề mặt rắn
, độ
Bề mặt rắn
, độ
Thủy tinh
0
Graphit
86
Xelofan
18
Polietylen (PE)
94
Màng poliamit
75
Parafin
110
Thép
60  90
b. Chất thấm ướt: Chất thấm ướt là chất khi thêm vào thì làm tăng tính thấm ướt của nước
trên bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt đều là chất thấm ướt.
Điều này được giải thích như sau: Giả thiết góc tiếp xúc của nước tinh khiết trên bề mặt nào
đó là  (hình 3.3) phù hợp với phương trình Young (3.18).
 RL +  LH. cos  =  RH
Nếu bây giờ thêm chất HĐBM vào pha lỏng thì sức căng bề mặt có liên quan đến pha lỏng
sẽ giảm, khi đó phương trình Young sẽ có dạng:  ' RL +  ' LHcos  ’ =  RH
(3.18b).
So sánh (3.18) và (3.18b) ta có:  RL +  LHcos  =  ' RL +  ' LHcos  ’
Vì  ' RL <  LH và  ' LH <  LH nên cos  ’ > cos  hoặc  ’ < 
19
Vậy sự có mặt của chất HĐBM làm giảm góc tiếp xúc, có nghĩa là tăng tính thấm ướt của
chất lỏng, ta gọi các chất HĐBM đó là chất thẩm ướt. Góc thẩm uớt có thể điều chỉnh đến giá
trị mong muốn bằng cách thay đổi nồng độ chất HĐBM (chất thấm ướt) trong pha lỏng. Chẳng
hạn, trong mực viết có mặt chất thấm ướt mà nồng độ được điều chỉnh sao cho góc tiếp xúc của
giọt mực trên giấy nằm trong giới hạn  = 900 - 1100 (khả năng thấm ướt kém), mực không
chảy loang trên giấy, nếu  < 900 tính thấm ướt quá mạnh, nét chữ bị nhoè.
c. Sự chảy loang: Sự chảy loang là trường hợp thấm ướt hoàn toàn của một giọt chất lỏng B
lên bề mặt một chất lỏng A thường là nước có sức căng bề mặt lớn hơn, kết quả là chất lỏng B
biến thành một màng mỏng trên bề mặt.
Trong quá trình chảy loang điểm tiếp xúc T giữa 3 pha A, B, H không đứng yên mà di động
theo hướng tăng diện tích tiếp xúc giữa 2 pha A và B (hình 3.10). Dễ dàng nhận thấy rằng điều
kiện chày loang là:  AH >  BH +  AB
hoặc S =  AH -  BH -  AB > 0
(3.19)
S trong hệ thức (3.19) được gọi là hệ số chảy loang.
BH
AH
T
H
AB
B
A
Hình 3.10. Sự chảy loang. A, B  pha lỏng; H  pha hơi.
Các chất này loang tốt trên bề mặt nước: rượu ROH, axít hữu cơ R-COOH, amin R-NH2;
các chất không chảy loang: dầu vazelin, dầu máy. Hệ số S càng lớn thì tốc độ chảy loang càng
lớn. Ví dụ: 1 giọt axit oleic trong 5 giây tạo thành một vòng tròn có bán kính 2m trên mặt
nước. Để làm tăng tốc độ chảy loang của những chất lỏng loang chậm người ta thường thêm
rượu vào.
================================
CHƯƠNG 4
TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN
Thuyết động học phân tử coi các hệ keo như là một trường hợp riêng của các dung dịch
thật: chất phân tán là chất tan, còn môi trường phân tán là dung môi. Điều này cho phép giải
thích các hiện tượng thẩm thấu, khuyếch tán, cân bằng sa lắng là những tính chất không đặc
trưng cho các hệ keo.
Sự khuếch tán chậm của hạt keo trong môi trường lỏng và khí cũng như áp suất thẩm thấu
của dung dịch keo có giá trị rất nhỏ là sự khác biệt cơ bản của dung dịch keo với dung dịch
thực. Tuy nhiên sự khác biệt này chỉ mang tính chất định lượng chứ không phải định tính.
Không có sự khác nhau về cơ bản các tính chất động học phân tử của dung dịch thật và dung
dịch keo.
20
Điều kiện cơ bản để áp dụng thuyết động học phân tử là các hạt trong hệ phải tương đối nhỏ
để có thể tham gia vào chuyển động nhiệt và hệ phải chứa một lượng lớn các hạt để có thể áp
dụng các định luật thống kê. Các hệ keo thoả mãn đầy đủ cả hai hai điều kiện này.
4.1. CHUYỂN ĐỘNG NHIỆT VÀ CHUYỂN ĐỘNG BRAO
Theo thuyết động học phân tử thì khí là một tập hợp các phân tử nằm trong trạng thái
chuyển động nhiệt hỗn loạn, khoảng các giữa các phân tử và trong khí rất lớn hơn so với kích
thước các phân tử và thể tích tổng cộng do các phân tử khí chiếm thì không đáng kể so với thể
tích chung của khí. Khi va chạm vào nhau, các phân tử khí thay đổi tốc độ và hướng chuyển
động, nhưng động năng trung bình của chúng thì chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bằng 3KT/2 (K là
hằng số Bonzman và T là nhiệt độ tuyệt đối).
Trong các chất rắn tinh thể thì các phân tử hay ion sắp xếp theo một trận tự nhất định,
tương ứng với giá trị năng lượng tự do thấp nhất và chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.
Các chất lỏng chiếm vị trí trung gian giữa chất rắn và chất khí. Về tỉ trọng chúng gần với
chẩt rắn vì khoảng cách giữa các giữa các phân tử trong chất lỏng cũng như trong chất rắn, xấp
xỉ bằng kích thước phân tử. Nhưng các phân tử các phân tử chất lỏng cũng giống như các phân
tử khí, có thể thay đổi chỗ của mình, tuy nhiên không ra khỏi phạm vi lực phân tử của các
phân tử bên cạnh và không vượt ra khỏi mặt thoáng.
Sự khuyếch tán của chất hoà tan trong chất lỏng được giải thích bằng lý thuyết lỗ hổng.
Theo Frenken thì trong chất lỏng có những lỗ hổng. Khi nhiệt độ tăng thì số lỗ hổng sẽ tăng
lên và số vùng trật tự giống tinh thể sẽ giảm đi. Khi chất rắn nóng chảy thì sự tăng thể tích là
nhờ các lỗ hổng đó tăng.
Có nhiều lỗ hổng và cạnh lỗ hổng có nhiều phân tử. Về mặt năng
lượng, những phân tử này hỗ thế năng hay nói cách khác có một
hàng rào năng lượng phân cách chúng với các trạng thái cân bằng
khác. Mỗi phân tử nếu có đủ năng lượng để vượt qua hàng rào
thế năng đó thì nó sẽ chiếm chỗ của lỗ hổng để chỗ cũ của mình
trở thành lỗ hổng mới và rồi một phân tử khác lại có thể chiếm lỗ
hổng đó.
Hình 4.1. Lỗ hổng.
Bằng cách đó các phân tử chất lỏng tham gia vào chuyển động nhiệt, đó là sự khuyếch tán.
Khi nhiệt độ tăng, tốc độ tự khuyếch tán tăng là vì các phân tử nằm bên cạnh lỗ hổng có khả
năng vượt hàng rào năng lượng nhiều hơn.
Chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng gồm các dao động xung quanh vị trí cân bằng
và những chuyển động tịnh tiến không lớn lắm. Do sự va chạm mạnh với các phân tử xung
quanh và do những va chạm bất ngờ trên quãng đường, phân tử có thể đi rất xa vị trí cân bằng
của nó. Chất lỏng sở dĩ khuyếch tán chậm hơn chất khí rất nhiều là do phân tử có những lúc
nằm ở trạng thái dao động xung quanh vị trí cân bằng.
Trong hệ keo và hệ di vị thể, chuyển động nhiệt được gọi là chuyển động Brao. Chuyển
động Brao của các hệ keo là do sự va chạm hỗn loạn giữa các phân tử của môi trường với các
hạt. Nếu hạt rất nhỏ thì số va chạm từ các phía thường không đều nhau và làm cho hạt chuyển
động hỗn loạn về các phía theo một quỹ đạo phức tạp. Nếu hạt tương đối lớn (khoảng 5  ) thì
chuyền động Brao sẽ mất đi. Ngoài chuyển động Brao tịnh tiến, các hạt còn tham gia vào
chuyển động Brao quay. Nguyên nhân cũng là do sự va chạm giữa hạt với các phân tử môi
trường. Năng lượng quay của hạt trung bình bằng động năng trung bình của chuyển động định
tiến.
Chuyển động của các hạt keo trong dung dịch rất phức tạp, chúng có thể thay đổi hướng đến
1020 lần trong một giây. Do đó, không thểóac định chính xác tuyệt đốI quãng đường đi thực
của hạt.
Thực nghiệm đo được tốc độ di chuyển của hạt gôm gút trong nước là 4  /gy. Lý thuyết
tính toán cho giá trị tốc độ di chuyển lớn hơn rất nhiều: 4000  /gy. (Theo nguyên tắc phân bố
0
0
0
00
0
0
00 000
00000
21
năng lượng đồng đều thì động năng của hạt phải bằng động năng của phân tử môi trường.
Nghĩa là: mh.Vh2/2 = mp.Vp2/2. (m là khối lượng, V là tốc độ và h là hạt, p là phân tử).
Sự sai khác quá đáng giữa lý thuyết và thực nghiệm được giải thích là do hạt chuyển động
theo hình chữ chi rất phức tạp mà những thiết bị hiện đại của chúng ta chưa cho phép quan sát
được. Trên thực tế người ta thường quan sát chuyển động của hạt trong những khoảng thời
gian đều nhau rồi lấy hình chiếu quãng đường đi của hạt trên một trục, vì ta chỉ cần biết
chuyển dịch trung bình của hạt theo một hướng nào đó là thôi.
Hình 4.2. Chuyển động rất phức tạp của các hạt keo trong dung dịch
Để tính toán người ta dùng đại lượng chuyển dịch bình phương trung bình của hạt:
 
 21   22   23  ...   2n
n
với  1,  2,  3 là hình chiếu của những chuyển dịch của hạt trên trục x trong những
khoảng thời gian như nhau và n là số lần mà ta đã lấy các đoạn  .
4.2. SỰ KHUYẾCH TÁN TRONG DUNG DỊCH THỰC VÀ DUNG DỊCH KEO
Khuyếch tán là quá trình làm đồng đều nồng độ phân tử ion hay các hạt keo trong hệ. Quá
trình đó tự ý xảy ra trong hệ do ảnh hưởng của chuyển động nhiệt. Hiện tượng khuyếch tán là
bất thuận nghịch và tiến hành cho đến khi nồng độ hoàn toàn đồng đều. Như vậy sự khuyếch
tán chỉ xảy ra trong hệ có nồng độ không đồng đều. Mức độ không đồng đều được đặc trưng
bằng gradien nồng độ (biến thiên nồng độ trên một đơn vị thể tích) nó quyết định mức độ và
hướng của quá trình.
4.2.1. Sự khuyếch tán trong dung dịch thực
Sự khuyếch tán trong dung dịch thực được mô tả bởi các định luật Fích 1,định luật Fích 2
và phương trình Anhxtanh.
a. Định luật Fích 1: Cho phép tính lượng chất khuyếch tán trong quá trình khuyếch tán.
Biểu thức của định luật Fích - 1: dm = - D.
Trong đó:
dc
.S.dt
dx
m là lượng chất khuyếch tán (mol)
D là hệ số khuyếch tán (phụ thuộc vào tính chất hạt và môi trường).
dc
là gradien nồng độ (mol/cm3 trên 1cm)
dx
S là bề mặt thẳng mà hạt khuyếch tán qua.
t là thời gian khuyếch tán.
S
x
Hình 4.3. Thiết lập Định luật Fích 1
Nếu gọi dòng khuyếch tán i là lượng chất chuyển qua một đơn vị bề mặt thẳng trong một
dm
dc
đơn vị thời gian thì: i =
= - D.
Sdt
dx
22
Nếu tạo cho gradien nồng độ không thay đổi theo thời gian thì i cũng sẽ không thay đồi theo
t và trong hệ sẽ thiết lập trạng thái dừng. Lúc đó:
m = - D.
dc
.S.t.
dx
Lấy
dc
= 1, S = 1, t = 1 thì: - D = m
dx
Vậy hệ số khuyếch tán D chính là lượng chất khuyếch tán qua một đơn vị bề mặt trong một
đơn vị thời gian khi mà gradien nồng độ bằng 1. Thứ nguyên của D là cm2/gy.
Đối với hệ phân tán keo hay vi dị thể, vì tốc độ khuyếch tán rất nhỏ nên đơn vị thời gian lấy
là ngày đêm chứ không phải giây.
b. Định luật Fích 2: Cho phép xác định sự thay đổi của nồng độ chất khuyếch tán theo thờI
gian trong quá trình khuyếch tán.
Nếu trong hệ không thiết lập trạng thái dừng thì i là hàm số của x và t và khi đó ta có định
luật Fích - 2:
dC
d 2C
 D 2
dt
dx
Định luật này áp dụng không chỉ cho sự khuyếch tán theo chiều x mà cho cả sự khuyếch tán
dC
 D.  .C
dt
d2
d2
d2
(Trong đó:  là toán tử Laplace Δ  2  2  2 )
dx
dy
dz
trong không gian 3 chiều, nghĩa là:
c. Phương trình Anhxtanh
Phương trình này đưa ra sự phụ thuộc của D vào nhiệt độ tuyệt đối T, độ nhớt của môi
trường phân tán  và kích thước hạt keo r:
RT 1
K.T
.
=
N B
B
B là hệ số ma sát, với hạt hình cầu thì B = 6   r.
Ở đây  là độ nhớt môi trường và r là bán kính hạt; K là hằng số Bonzman
D=
Với hệ keo, kích thước hạt r lớn nên dung dịch keo có hệ số khuyếch tán nhỏ hơn nhiều so với
dung dịch phân tử.
Phương trình này cho phép ta xác định được kích thước hạt cũng như trọng lượng phân tử.
Từ D =
KT
6
 r=
KT
và M = H  r3  (với  là tỷ trọng của tướng phân tán).
6 .D
Các phương pháp xác định hệ số khuyếch tán đều dựa trên nguyên tắc chung là cho dung
dịch tiếp xúc với dung môi thế nào cho giữa chúng có một biên giới phân cách rõ rệt. Để hệ
này đứng yên ở nhiệt độ không đổi trong điều kiện hoàn toàn không có rung động và đối lưu:
sau một thời gian đo sự phân bố nồng độ. Việc này thực hiện bằng cách đem phân tích những
lượng nhỏ dung dịch tại các lớp xa dần biên giới phân cách, hoặc bằng cách đo sự thay đổi
màu sắc, đo độ hấp thụ ánh sáng, hoặc đo chiết suất dung dịch theo chiều cao cột chất
lỏng.....Từ đó suy ra D.
4.2.2. Sự khuyếch tán trong dung dịch keo - Phương trình Anhxtanh-Smolukhopsky
Các định luật Fích và phương trình Anhxtanh áp dụng cho sự khuyếch tán trong dung dịch
thật. Nguyên nhân của sự khuyếch tán ở đây là chuyển động nhiệt. Trong các hệ keo thì
nguyên nhân của sự khuyếch tán ở đây là chuyển động Brao.
Năm 1905 Anhxtanh và năm 1906 Smolukhopsky đã thiết lập mối quan hệ giữa sự khuyếch
tán và chuyển động Brao, tức là thiết lập mối liên hệ giữa hệ số khuyếch tán D và giá trị
chuyển dịch bình phương trung bình.


M
S=
1 cm2
C1
C gi¶m L1
C2
N
L2
Hình 4.4. Thí nghiệm để thiết lập định luật Fích 2
23
Để thiểt lập mối liên hệ đó, ta hãy hình dung một ống chứa đầy dung dịch keo, tiết diện
1cm2. Nồng độ hạt trong ống giảm đi từ trái sang phải, như vậy sự khuyếch tán cũng xảy ra
theo con đường đó. Ta cắt ngang ống dung dịch lấy 2 lớp 1 và 2 cón bề dày là  ngăn cách
nhau bởi mặt phằng MN. Nồng độ trung bình trong mỗi lớp là C1 và C2
Ta lấy  là giá trị chuyển dịch bình phương trung bình trong thời gian t song song với
chiều khuyếch tán. Nhờ có chuyển động Brao hỗn loạn, số hạt chuyển qua MN trong khoảng
1
1
 C1; Từ lớp 2 sang lớp 1 là: m1 =  C2
2
2
1
Rõ ràng lượng chất khuyếch tán qua MN bằng: m = m1 - m2 =  (C1 - C2)
2
C  C 2  dC
dC
1
dC
Theo hình vẽ ta có: 1

 C 1 - C 2  -
 m  - 2

dx
dx
2
dx
dC
2
Theo định luật Fích-1 thì khi S = 1cm2 ta có: m   D. .t  D 
   2DT
dx
2t
Ta thấy  tỉ lệ với t chứ không phải tỷ lệ với t như trong các chuyển động đều. Thay D vào
thời gian t từ lớp 1 sang lớp 2 là:
phương trình ta được:  
m1 =
2kTt
kTt

6r
3r
Đây là biểu thức của phương trình Anhxtanh-Smolukhopsky.
Stetbe áp dụng phương trình này đo  thực nghiệm của một hạt keo vàng dưới kính hiển vi
trong các khoảng thời gian bằng nhau rồi đối chiếu với  lý thuyết. Kết quả đo trên hạt keo
vàng có kích thước hạt d = 44m  là:
Bảng 4 -2: Độ chuyển dịch bình phương trung bình của hạt keo vàng:
Thời gian quan sát (giây)
Giá trị  thực nghiệm (  )
Giá trị  lý thuyết (  )
1
4,3
4,1
2
5,8
5,8
3
6,6
7,6
4
8,3
8,3
Các kiểm định khác cũng cho kết quả khá mỹ mãn.
4.3. ÁP SUẤT THẨM THẤU CỦA DUNG DỊCH KEO
Theo Vanhop áp suất thẩm thấu của các dung dịch thật được biểu thị vào phương trình sau:
P=
m/M
C
RT =
RT
V
M
Trong đó:
m là lượng chất tan (gam).
M là trọng lượng phân tử.
V là thể tích hệ.
T là nhiệt độ tuyệt đối.
C là nồng độ theo trọng lượng.
Phương trình này có thể áp dụng được cả cho dung dịch keo:
m/
RT
P=
RT =
= kT
V .N
Trong đó:
24
là khối lượng 1 hạt (gam),
N là số Avôgađrô
 là nồng độ hạt,
N
k là hằng số Bonzman.
Vì khối lượng và kích thước hạt keo rất lớn so với phân tử nên ở cùng một nồng độ trọng
lượng như nhau thì số hạt trong dung dịch keo rất nhỏ so với dung dịch thật. Áp suất thẩm thấu
chỉ phụ thuộc vào số lượng hạt chứ không phụ thuộc vào bản chất và kích thước hạt. Chẳng
hạn có 2 dung dịch ở cùng một nhiệt độ, áp suất thẩm thấu của mỗi dung dịch là:
P1 =  1.
RT
và
N
P2 =  2
RT
N
Chia 2 phương trình này cho nhau thì P1/P2 =  1/  2
Rõ ràng vì thế mà áp suất thẩm thấu của dung dịch keo rất nhỏ so với dung dịch thật.
Điều cần chú ý là các dung dịch keo có khả năng keo tụ làm cho số hạt trong hệ giảm nên
áp suất thẩm thấu của dung dịch keo cũng dễ bị thay đổi. Nếu 2 dung dịch keo có cùng nồng
độ trọng lượng mà chỉ khác nhau về kích thước hạt thì:
C /(4 / 3) 3 3
P1/P2 =  1/  2 =
.r1 /r2 = r23/r13
C /(4 / 3)
Với  là tỷ trọng của tướng phân tán.
Vì áp suất thẩm thấu tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 3 của bán kính nên khi kích thước hạt
thay đổi rất ít thì áp suất thẩm thấu cũng thay đổi rất nhiều.
4.4. SỰ SA LẮNG TRONG HỆ KEO
4.4.1. Độ bền sa lắng
Các hạt sol hay huyền phù có tỷ trọng khác với môi trường phân tán thường bị ảnh hưởng
lớn của lực trọng trường, nên chúng có thể lắng xuống dưới hay nổi lên trên mặt sol. Khi
nghiên cứu sự khuyếch tán, chúng ta đã không lưu ý đến ảnh hưởng của trọng trường.
Như đã biết hạt có kích thước < 5m  có trọng lượng nhỏ nên ít chịu ảnh hưởng của lực
trọng trường, lại có chuyển động Brao và có khả năng khuyếch tán, do đó các hạt này trong
môi trường phân tán thường ở vào trạng thái lơ lửng và phân bố đồng đều trong toàn hệ.
Những hệ có hạt không sa lắng do ảnh hưởng của trọng trường gọi là các hệ bền vững sa lắng
hay bền vững động học (lực khuyếch tán lớn hơn hẳn trọng lực). Ngược lại, những hệ phân tán
thô có hạt >5m  là những hệ không bền vững sa lắng (trọng lực lớn hơn lực khuyếch tán).
Như vây, độ bền vững sa lắng phụ thuộc vào kích thước hạt của tướng phân tán. Hệ phân
tán cao (khí, dung dịch thật) là hệ bền vững sa lắng cao; hệ phân tán thô có độ bền vững sa
lắng thấp; các hệ keo chiếm vị trí trung gian. Có 2 trường hợp sa lắng:
a) Mỗi hạt sa lắng độc lập, không liên kết với các hạt khác, sự sa lắng xảy ra chậm. Hệ này
thuộc về hệ bền vững liên kết.
b) Các hạt keo tụ lại, liên kết lại với nhau dưới tác dụng của lực phân tử và sa lắng rất nhanh
từng cụm một. Đây là hệ không bền vững liên kết.
Ở đây ta xét trường hợp thứ nhất.
Để biết sự sa lắng và sự khuyếch tán ảnh hưởng như thế nào đến độ bền vững sa lắng ta so
sánh dòng khuyếch tán:
ikt = - D
dc
dc
= -KT/B.
dx
dx
và dòng sa lắng:
is = u.C
(với u là tốc độ sa lắng và C là nồng độ)
Nếu hạt sa lắng với tốc độ không đổi thì lực ma sát B.u sẽ tăng bằng lực trọng trường mg.
Nghĩa là: u = mg/B. (Ở đây: m là khối lượng hiệu dụng của hạt , g là gia tốc trọng trường, B là
hệ số ma sát giữa hạt keo và môi trường phân tán) .
25
1cm 2
Ch
ik
h
is
C0
u
h=0
Hình 4.5. Cân bằng sa lắng - khuyếch tán
mg
V (  o) g
.C =
.C
B
B
Với V là thể tích hạt,  ,  o là tỷ trọng của tướng phân tán và môi trường phân tán.
Do đó: is = u.C =
Lấy tỷ số giữa dòng khuyếch tán và dòng sa lắng ta có:
is
mg
C
V (  o)
C
=.dx.
=dx.
ikt
KT
dC
KT
dC
is
<< 1; thực tế chỉ có sự sa lắng và hệ có độ bền vững thấp.
ikt
is
Nếu is << ikt thì
>>1; thực tế chỉ có sự khuyếch tán và hệ có độ bền vững sa lắng cao.
ikt
Nếu is >> ikt thì
4.4.2. Cân bắng sa lắng
is
mg
C
=.dx.
cho thấy nếu tướng phân tán phân bố đồng đều trong hệ
ikt
KT
dC
dc
(chẳng hạn nhờ sự lắc, khuấy) thì lúc sự sa lắng sẽ chiếm ưu thế vì
= 0. Nhưng dần dần, do
dx
dc
sự sa lắng, gía trị
tăng nên đáng kể, còn sự sa lắng thì giảm dần và quá trình tiếp tục như
dx
Phương trình
vậy cho đến khi cân bằng và is = ikt, các hạt ngừng sa lắng và ở đây gradien nồng độ thay đổi
theo chiều cao nên thay phương x bằng chiều cao h.
Như vậy:
-
mg
C
.dx.
=1
KT
dC
 -
dC
mg
=
dh
C
KT
Lấy tích phân từ C0 đến Ch và từ 0 đến h ta được:
Ch
dC h m.g


dh
C 0 k .T
C0
 ln C 0  ln C h 
C
m.g

h => h = e mgh/kT
k .T
C0
Nếu thay đổi nồng độ C bằng đại lượng tỷ lệ với nó là áp suất p thì Po/Ph = emgh/KT
Đây chính là biểu thức định luật phân bố các phân tử khí theo chiều cao của Laplace.
Như vậy: Các hệ keo cũng tuân theo các định luật động học phân tử như chất khí và dung
dịch thật.
Vì nồng độ C tỷ lệ với nồng độ hạt  nên ta có thể viết:  o/  = emgh/KT
Đây là phương trình cân bằng sa lắng áp dụng cho các hệ sa phân tán, ở đây sự sa lắng và sự
khuyếch tán tương đương nhau nếu các hạt được phân bố theo chiều cao.
KT . ln(o / h)
Ta cũng có thể tác ra h: h =
. Phương trình này cho phép tính chiều cao cần
mg
thiết để nồng độ hạt  h ở đây giảm đi  o/  h lần so với nồng độ  o.
26
4.4.3. Phương pháp phân tích sa lắng
Sự sa lắng xảy ra khi các hạt trong huyền phù rơi tự do xuống đáy bình do ảnh hưởng của
trọng lực. Đo tốc độ sa lắng, ta có thể tính được kích thước hạt. Phương pháp này được gọi là
phương pháp phân tích sa lắng.
Trong huyền phù, hạt sa lắng do tác dụng của trọng lực. Theo Acsimet thì trọng lực của hạt
trong chất lỏng được tính bằng công thức: f = V(  -  o)g
Trong đó: V là thể tích của hạt,  và  o là tỷ trọng của tướng phân tán và môi trường phân
tán, g là gia tốc trọng trường.
Lực cản sự sa lắng là lực ma sát: f = B.u . Trong đó u là tốc độ hạt, B là hệ số ma sát.
Nếu hạt là hình cầu thì: V = 4/3  r3 và B = 6  r
Hạt chuyển động theo chiều chuyển động nhanh dần, lúc đầu
vì tốc độ nhỏ lên lực ma sát rất nhỏ so với trọng lực. Khi tốc độ
tăng dần, lực ma sát cũng tăng dần, cho đến khi bằng giá trị của
trọng lực, lúc này hạt sẽ sa lắng với tốc độ không đổi, lúc đó
f = f’ và 4/3  r3 (  -  o)g = 6  r
Tốc độ sa lắng u sẽ bằng: u = 2/9(  -  o)g .r2
h
Bán kính hạt được tính theo công thức:
r = 9u / 2(  o) g
Các phương trình này chỉ áp dụng được cho những huyền phù
hạt với kích thước từ 5 - 100  vì đối với những hạt này, thời
gian cần để đạt tốc độ sa lắng không đổi là rất nhỏ,
Hình 4.6. Dụng cụ dùng
do đó không ảnh hưởng đến kết quả.
để phân tích sa lắng
Còn các hạt có r > 100  sa lắng rất nhanh và các hệ có hạt với r < 5  dễ thiết lập cân bằng
phân bố nên những phương trình trên không áp dụng được.
P
B
Hình 4.7. Đường sa lắng của hệ
đơn phân tán
tB
t
Điểm B ứng với thời gian huyền phù sa lắng hoàn toàn tức là thời gian mà hạt đi đựơc
quãng đường từ bề mặt huyền phù đến đáy bình.
Giả sử sau một thời gian t nào đó, biên giới giữa lớp dung môi sạch và lớp huyền phù đậm
đặc di chuyển được một quãng đường H thì:
u = H/t và r = k. H / t với k = 9 / 2(  o) g
Đối với hệ đa phân tán: Vì tốc độ của các hạt không đều nhau nên biên giới phân cách giữa
2 lớp không rõ rệt, ở đây ta phải xác định tốc độ tích luỹ hạt, tức là thiết lập sự phụ thuộc
lượng chất đã sa lắng P vào thời gian t. Đồ thị của hàm số P = f(t) được gọi là đường cong sa
lắng và có dạng (hình 4. 8).
Trên đường cong này thường có một đoạn thẳng OB ứng với thời gian t1 là thời gian sa lắng
hoàn toàn của các hạt lớn nhất. Từ t1 (min) ta tính được rmax theo công thức ở trên:
r = 9u / 2(  o) g
27
Bán kính các hạt nhỏ nhất được tính dựa theo thời gian tmax. Ở thời điểm này sự sa lắng
ngừng hẳn. Những hạt sa lắng cuối cùng là những hạt có bán kính nhỏ nhất. Theo đường cong
này ta có thể xác định được lượng hạt có bán kính từ rn đến rm tuỳ ý.
P
B
Hình 4.8. Đường sa lắng
của hệ đa phân tán.
t
tB
Từ đường cong sa lắng ta có thể xây dựng được đường cong phân bố như sau (hình 4.9).
O
Trong đó: Q là lượng tương đối của từng phần huyền phù.
Q
.r  Q là lượng từng phần
r
của huyền phù được biểu diễn bằng bề mặt hình chữ nhật.
Trục hoành ghi giá trị bán kính của các hạt và trục tung ghi gía trị  Q/  r tương ứng.
Phần cực đại trên đường cong là phần của loại hạt có nhiều nhất trong huyền phù đa phân
tán.
Đường cong phân bố là đặc trưng quan trọng trong các hệ đa phân tán. Nếu khoảng bán
kính càng hẹp và cực đại của đường cong càng cao thì hệ càng gần với đơn phân tán và ngược
lại.
Q
r
Hình 4. 9. Các loại đường phân bố:
1- Hệ gần như đơn phân tán
2- Hệ đa phân tán
3 - Hệ hạt có r nhỏ nhiều
1
3
4
2
4 - Hệ chứa hạt có r lớn nhiều
r
Về mặt thực nghiệm, sự phân tích sa lắng có thể được tiến hành trên cân Figreropski hay
dụng cụ Víchne.
Các phương pháp phân tích sa lắng được sử dụng giới hạn trong 3 điều kiện:
1. Phương trình cơ bản dùng trong phương pháp này chỉ chính xác cho hạt hình cầu, nếu hạt
không phải hình cầu thì r thu được là bán kính hiệu dụng.
2. Các hạt không bị solvat hoá.
3. Các hạt sa lắng độc lập, giữa chúng không tạo nên liên kết.
==============
CHƯƠNG 5
TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC HỆ KEO
28
Trong chương này, chúng ta nghiên cứu những hiện tượng và quy luật xảy ra khi chiếu tia
sáng vào hệ keo và áp dụng những quy luật này để giải thích các hiện tượng quang học của hệ
keo.
Khi chiếu một tia sáng vào hệ thống keo thì các hạt của tướng phân tán sẽ phân tán ánh
sáng, hoặc hấp thụ ánh sáng, hoặc đồng thời vừa phân tán vừa hấp thụ ánh sáng. Ở đây chúng
ta bỏ qua các hiệu ứng quang học do môi trường phân tán gây ra mà chỉ lưu ý đến các hiện
tuợng do hạt của tuớng phân tán gây ra.
5.1. SỰ PHÂN TÁN ÁNH SÁNG
Năm 1869 Tanhđan (Tyndahl) cho một chùm tia sáng mạnh chiếu qua dung dịch keo và
thấy một dải ánh sáng hình nón mờ đục. Hiện tượng này goị là hiện tượng Tanhđan và hình
nón mờ đục được gọi là hình nón Tanhđan.
Có thể giải thích hiện tượng Tanhđan như sau: tia sáng trên đường đi của nó gặp những hạt
của tướng phân tán và tuỳ thuộc vào hệ thức giữa độ dài sóng của tia sáng và kích thước của
hạt mà hiện tượng xảy ra sẽ khác nhau:
a) Nếu kích thước của hạt lớn hơn độ dài sóng thì ánh sáng sẽ phản xạ trên bề mặt hạt dưới
tác các góc xác định. Hiện tượng này quan sát được trong các hệ phân tán thô như huyền phù,
hoặc trong không khí có những hạt bụi lớn.
b) Nếu các hạt có kích thước nhỏ hơn độ dài sóng thì xảy ra sự nhiễu xạ. Sự nhiễu xạ ánh
sáng bởi các hạt không dẫn điện là hiện tượng đặc trưng nhất cho các hệ thống keo.
Do kết quả của sự nhiễu xạ, tia sáng phân tán có đặc điểm khác với tia sáng phản xạ là nó
toả ra mọi hướng (trong khi đó tia sáng phản xạ chỉ toả ra chỉ theo một hướng xác định mà
thôi). Cường độ ánh sáng phân tán theo các hướng khác nhau có khác nhau.
Đối với hạt hình cầu, không dẫn điện, nhỏ so với độ dài sóng của tia tới và cách nhau một
quãng khá lớn (hệ loãng), Raylây đưa ra một phương trình để tính cường độ ánh sáng phân tán
của một đơn vị thể tích dung dịch chứa hạt là:
Ipt = 24  3 .[(n12-n22)/(n12+2n22)].  V2I0/  4
(5.1)
Trong đó n1, n2 là chiết suất của tướng phân tán và môi trường phân tán;  là nồng độ hạt; V
là thể tích mỗi hạt;  là độ dài sóng của tia sáng tới; I0 là cường độ của ánh sáng tới.
Phương trình Raylây nghiệm đúng với những hạt nhỏ hơn 0,1 độ dài sóng, tức là nhỏ hơn
40-50  m đối với ánh sáng trắng. Với những hạt lớn hơn thì Ipt tỉ lệ nghịch với  có luỹ thừa
nhỏ hơn 4. Khi các hạt có kích thước lớn hơn  thì chỉ số luỹ thừa bằng không và hiện tượng
phân tán ánh sáng chuyển thành phản xạ ánh sáng, không phụ thuộc vào độ dài sóng nữa.
Từ phương trình Raylây ta có thể rút ra những kết luận sau:
1. Khi hạt có kích thước nhất định, Tpt tỉ lệ thuận với nồng độ sol; nhưng khi nồng độ rất lớn
thì ánh sáng bị phân tán nhiều lần (sự phân tán thứ cấp) và phương trình Raylây cần phải được
bổ chính.
2. Ipt tỷ lệ thuận với V2 và do đó với hạt hình cầu thì với r6. Khi nồng độ trọng lượng không
đổi, độ phân tán của sol càng cao thì ánh sáng phân tán càng yếu.
Chẳng hạn lúc đầu Ipt = k  V2I0. Khi nồng độ trọng lượng không đổi, còn thể tích hạt sau
khi chia nhỏ, giảm đi x lần thì Ipt cũng xẽ giảm đi x lần: Ipt = k.x.  .(V/x)2.I0 = k  V2I0/x
3. Vì Ipt tỷ lệ nghịch với  nên trong ánh sáng trắng những tia có sóng ngắn (xanh) bị phân
tán mạnh nhất. Nếu cho một tia sáng trắng đi qua hệ keo chứa các hạt không dẫn điện, nhìn
ngang thấy hệ có màu xanh, nhìn thẳng thấy hệ có màu đỏ.
4. Nếu chiết suất của tướng phân tán và môi trường phân tán chênh lệch nhau nhiều thì ánh
sáng sẽ phân tán mạnh và hệ sẽ đục.
5. Sự phân tán ánh sáng trong các dung dịch thật là rất yếu và các phân tử có thể tích rất
nhỏ, tích số  V2 trong phương trình Raylây không đáng kể. Nhưng sự phân tán ánh sáng có
thể xảy ra mạnh khi chiếu qua dung dịch một tia sáng có  rất ngắn như tia rơnghen.
29
Đối với trường hợp của các hạt keo dẫn điện, ngoài hiện tượng phân tán ánh sáng trên bề
mặt hạt, (tuân theo phuơng trình Raylây mà hiệu ứng này thường bé) còn có hiện tượng hấp
thụ ánh sáng, thường thì hiệu ứng này mạnh hơn hiệu ứng trên. Xét toàn bộ, do cả hai hiệu ứng
này chồng lên nhau, vì thế với các hạt keo dẫn điện, việc áp dụng phương trình Raylây không
còn nghiệm đúng nữa.
5.2. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
Khi có sự hấp thụ đặc biệt một tia sáng nào đó, sự phụ thuộc giữa Ipt vào V2 và  4 bị phá
vỡ, mức độ phân cực của ánh sáng cũng thay đổi theo. Với hạt dẫn điện, từ trường biến thiên
của sóng ánh sáng làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng, do đó trong hạt xuất hiện một
dòng điện xoay chiều có tần số của sóng điện từ. Vì có dòng điện đó, điện năng biến thành
nhiệt năng. Đó là sự hấp thụ ánh sáng. Ngoài ra các hạt keo còn có khả năng phản xạ ánh sáng,
vì những lý do này phương trình Raylây không áp dụng được cho các hạt keo dẫn điện và
cường độ ánh sáng phân tán trên hạt dẫn điện sẽ đi qua cực đại khi độ dài sóng ánh sáng giảm
đi. Sự phân tán ánh sáng của sol Au với kích thước trung bình của hạt là 360A0.
Năm 1760 Lămbe nghiên cứu sự phụ thuộc giữa cường độ tia ló và chiều dày của môi
trường mà ánh sáng đi qua và ông đã đưa ra biểu thức sau:
I = I0.e-kd
(5.2)
I và I0 là cường độ của tia ló và tia tới.
k là hệ số hấp thụ
d là chiều dày của lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua.
Nghĩa là: Nếu chiều dày của lớp dung dịch tăng theo cấp số cộng thì cường độ của tia ló
giảm theo cấp số nhân, hay nói cách khác: các lớp bằng nhau trong hệ đều hấp thụ một lượng
ánh sáng bằng nhau (nếu tưởng tượng hệ có thể tách ra thành nhiều lớp nhỏ bằng nhau).
Bia cho thấy rằng hệ số hấp thụ của dung dịch với dung môi hoàn toàn không màu và trong
suốt, tỷ lệ với nồng độ mol của chất tan có khả năng hấp thụ ánh sáng: k = K.C
Đưa hệ số hấp thụ mol K vào môi trường Lămbe ta được định luật Lămbe-Bia: I = I0.e-KCd
“Cường độ tia ló phụ thuộc vào chiều dày lớp dung dịch và vào nồng độ chất tan”.
Lấy Ln phương trình Lămbe-Bia ta được mật độ quang học E của dung dịch: E = Ln(I0/I) =
Kcd
Biểu thức I/I0 = D được gọi là độ trong suốt tương đối của dung dịch.
Nếu viết biểu thức của định luật Lămbe-Bia dưới dạng :
(I - I0)/I0 = 1- e-Kcd = A
(5.3)
Thì A được gọi là độ hấp thụ tương đối của dung dịch.
Hệ số hấp thụ mol K không phụ thuộc vào nồng độ nhưng phụ thuộc vào độ dài sóng của
ánh sáng bị hấp thụ vào nhiệt độ và vào bản chất của dung môi.
I0
I
Hình 5.1. Sơ đồ nghiên cứu sự phụ thuộc giữa cường độ tia ló
và chiều dày của môi trường mà ánh sáng đi qua.
Định luật Lămbe-Bia được thiết lập cho các dung dịch thật nhưng có thể áp dụng được cho
những dung dịch keo nếu như có độ phân tán cao, nồng độ sol không lớn lắm và lớp dung dịch
quan sát không dày lắm.
30
Kích thước hạt cũng có ảnh hưởng gián tiếp đến sự hấp thụ ánh sáng do hiện tượng phân tán
ánh sáng gây ra. Tia sáng trắng đi qua dung dịch keo bị phân tán mất một phần ánh sáng
(chính là những sóng ngắn mà ta tưởng là chúng bị hấp thụ). Sự hấp thụ trong trường hợp này
được gọi là sự hấp thụ giả (khi tia sáng bị hấp thụ thật thì quang năng chuyển thành nhiệt
năng). Vì thế nói chung ta có thể viết:
I = I0.e-(K+K’)C..d
(5.4)
K’ là hệ số hấp thụ giả do sự phân tán ánh sáng gây ra.
Do kích thước hạt có ảnh hưởng đến sự phân tán ánh sáng nên K’ = f(r) với r là kích thước hạt.
Nếu K = 0 thì sol không hấp thụ ánh sáng và:
I = I0.e-K’C.d = I0.e-K’’C.d/  4
(5.5)
4
(là vì theo Raylây thì sự phân tán ánh sáng tỉ lệ nghịch với  ).
5.3. MÀU SẮC CỦA CÁC HỆ THỐNG KEO
Các hệ thống keo thường có màu sắc. Những đá quý có màu là vì trong đá có một lượng rât
nhỏ kim loại nặng hoặc oxít của chúng phân tán dưới dạng keo. Trong ngọc đỏ tía có hợp chất
của sắt, trong ngọc bích có hợp chất crôm, trong thuỷ tinh đỏ có một ít tạp chất vàng (10 4%). Ta thường gặp các sol kim loại có màu đậm là vì tỷ trọng và chiết suất của môi trường
phân tán và tướng phân tán rất khác nhau.
Nguyên nhân có màu của các hệ keo rất phức tạp. Bản chất của tướng phân tán và môi
trường phân tán, độ phân tán của hạt, hình dạng và cấu tạo của chúng đều ảnh hưởng đến màu
sắc hệ keo vì các yếu tố này đều ảnh hưởng đến sự hấp thụ và phân tán ánh sáng. Ngoài ra màu
sắc của hệ keo còn phụ thuộc vào điều kiện quan sát và cách điều chế chúng.
Các sol á kim, không hấp thụ chọn lọc ánh sáng, có màu vàng da cam khi nhìn thẳng và
màu xanh da trời khi ta nhìn ngang.
Đối với sol kim loại thì cả sự phân tán và hấp thụ ánh sáng đều ảnh hưởng đến màu sắc của
chúng. Mỗi sol kim loại có thể có nhiều màu tuỳ thuộc vào kích thước của hạt. Ví dụ: Sol Au
có độ phân tán thô hấp thụ ánh sáng rất ít (phần lớn là sóng dài) và phân tán ánh sáng mạnh
(nhất là sóng dài) nên có màu đỏ khi nhìn ngang và màu xanh ra trời khi nhìn thẳng; sol Au ở
độ phân tán cao thì ngược lại, còn ở độ phân tán cao hơn nữa, sol Au có màu vàng gần như
màu của dung dịch thật.
Chính độ phân tán và hình dạng của hạt keo là hai yếu tố có ảnh hưởng rất lớn lên tính chất
quang học và màu sắc của các hệ thống keo.
5.4. DỤNG CỤ QUANG HỌC ĐỂ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KEO
5.4.1. Kính hiển vi
Các hạt keo không quan sát được trong kính hiển vi là vì kích thước của chúng nhỏ hơn khả
năng phân chiết của kính hiển vi. Khả năng phân chiết là khoảng cách ngắn nhất giữa 2 điểm

mà ta có thể phân biệt được: d =
. Trong đó  là độ dài sóng, n là chiết suất của
2n. sin( / 2)
môi trường,  là góc tạo thành do 2 tia sáng tời ngoài cùng.
Với ánh snág thường có  = 400 - 700m  thì kính hiển vi tốt nhất cũng chỉ cho phép thấy
các hạt có kích thước cỡ 0,2  . Ngay cả ánh sáng tử ngoại cũng chỉ đưa khả năng chiết suất
đến 0,1  và đây cũng chỉ mới là giới hạn trên của kích thước hạt keo.
Năm 1903 Didentôp và Xichmônđi đã phát minh ra kính siêu vi. Họ dùng ánh sáng chiếu
ngang qua dung dịch keo dưới kính hiển vi thường, để ánh sáng không lọt vào ống kính.
Người quan sát sẽ thấy trên nền tối, các hạt keo là những chấm sáng. Như vậy có thể đếm
được số hạt và quan sát được sự chuyển động của chúng nếu chúng có trong dung dịch.
A
M
31
*
A
L3
K
Hình 5.2. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của kính siêu vi.
Nếu biểt nồng độ trọng lượng C% của dung dịch, ta tìm được khối lượng i hạt m (vì đếm
được số hạt là N) rồi từ đó suy ra thể tích của hạt: V = m/  (  là tỷ trọng của tướng phân tán).
Với hạt hình cầu thì: r = (3V/4  )1/3, còn với hạt lập phương thì: l = (V)1/3.
Nếu hạt hình cầu thì điểm sáng có cường độ không đổi khi nó chuyển động (tịnh tiến và
quay), nếu hạt hình que, hình kim hay hình tấm thì khi chuyển động nó nhấp nháy.
5.4.2. Kính hiển vi điện tử
Kính hiển vi điện tử có độ phóng đại đến 10 vạn lần. Với việc dùng chùm e có độ dài sóng
0,02 - 0,05A0 thì khả năng phân chiết có thể đạt tới 5 - 10A0 và do đó có thể quan sát cũng như
chụp ảnh được các hạt keo. Trong kính hiển vi điện tử chùm tia sáng được hội tụ bằng thấu
kính điện tử chứ không phải thấu kính thuỷ tinh như kính hiển vi điện tử thường. Nhờ có kính
hiển vi điện tử mà, ta có thể thấy được các hạt cực kỳ nhỏ với mọi đặc sắc về hình dáng và cấu
tạo của chúng.
5.4.3. Đục kế
Vì hạt keo có thể phân tán ánh sáng nên ta có thể phán đoán về nồng độ hạt bằng cách so
sánh sự phân tán ánh sáng của dung dịch keo với một dung dịch keo tiêu chuẩn có nồng độ hạt
đã biết với giả thiểt rằng các hạt của 2 dung dịch hoàn toàn giống nhau. Những dụng cụ dùng
để xác định nồng độ hạt của dung dịch keo theo nguyên tắc này.
Xuất phát từ phương trình Raylây ra rút được:
V2 = V1.(h1/h2) hay C2 = C1.(h1/h2)
Trong đó V1, V2 là thể tích hạt trong dung dịch 1 và 2; C1, C2 là nồng độ thể tích tướng phân
tán trong các dung dịch 1 và 2; h1, h2 là chiều cao cột dung dịch 1 và 2.
Nếu 2 dung dịch chứa các hạt với kích thước khác nhau thì cần phải có sự bổ chính.
=====================
CHƯƠNG 6
TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG KEO
6.1. CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC
6.1.1. Các hiện tượng điện động học loại 1
Năm 1808, giáo sư Reit làm thí nghiệm như sau: Cắm 2 ống thuỷ tinh trên một tấm đất sét
ngào, đổ nước đều và cắm hai điện cực vào 2 ống rồi cho dòng điện một chiều chạy qua. Một
lát sau, ông thấy ống cắm cực dương đục còn ống cắm cực âm vẫn trong nhưng mực nước có
cao hơn trong ống có cắm cực dương một ít. Quá trình vận chuyển các hạt keo chứng tỏ nó
tích điện âm và được gọi là sự điện di. Những nghiên cứu tiếp theo cho thấy trong điện trường
các hạt vận chuyển với tốc độ đều, điện trường càng mạnh và hằng số điện môi của môi trường
càng lớn thì tốc độ này sẽ càng lớn.
Song song với quá trình vận chuyển hạt keo còn có sự vận chuyển của các phần tử môi
trường - quá trình đó gọi là sự điện thẩm. Tốc độ của nó cũng là tốc độ đều và tăng khi điện
trường và hằng số điện môi của môi trường tăng.
32
3
+
1
2
+
+ +
+ +
+
SiO2
+ +
+ Cat«t
+
§Êt sÐt
Hình 6.1. Mô hình thí nghiệm của Rêit về sự điện di.
+
M
D
C
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Hình 6.2. Mô hình thí nghiệm của Rêit về sự điện thẩm.
Nguyên nhân của hiện tượng điện di và điện thẩm là chất phân tán và môi trường phân tán
đều tích điện và tích điện ngược dấu nhau. Chúng được gọi là các hiện tượng điện động học
loại 1.
6.1.2. Các hiện tượng điện động học loại 2
Năm 1878 Đocc (Dorm), thấy rằng khi cho sa lắng các hạt trong chất lỏng, ví dụ cát trong
nước, thì tại hai điện cực đặt ở 2 độ cao của cột nước sẽ xuất hiện điện thế. Hiện tượng này
ngược lại với sự điện di được gọi là hiệu ứng Dooc và thế xuất hiện là thế sa lắng (thế Dooc).
Năm 1959, Quynhcơ (Quincke) cho chất lỏng chảy qua một màng xốp và hai bên màng đặt
2 điện cực, thấy ở đây cũng xuất hiện một điện thế. Hiện tượng này ngược với sự điện thẩm và
được gọi là hiệu ứng chảy, thế xuất hiện là thế chảy (thế Quynhcơ).
Hiệu ứng Đooc và hiệu ứng Quynhcơ được gọi là các hiện tượng điện động học loại 2.
Bốn hiện tượng động học trên đều gắn liền với sự có mặt của một lớp điện kép trên bề mặt
phân cách tướng của hệ phân tán, sự xuất hiện lớp điện kép theo quan điểm hiện đại là do sự
hấp thụ chọn lọc một trong các ion có trong dung dịch hoặc là do các phân tử trên bề mặt rắn
ion hoá.
6.2. CẤU TẠO CỦA LỚP KÉP
Để đơn giản, ta xem lớp keo như một lớp phẳng mặc dù thực tế bề mặt hạt keo có độ cong
rất lớn. Tuy nhiên vì bề dày của lớp keo rất nhỏ so với bán kính hạt nên giả thiết này có thể
chấp nhận được. Về cơ bản, lớp kép gồm các ion cùng dấu gắn tương đối chặt vào bề mặt
tướng phân tán (thường là rắn) mà ta thường gọi là lớp ion QĐTH và một lượng ion khác
ngược dấu tương đương, nằm trong tướng lỏng gần bề mặt phân cách gọi là ion nghịch (lớp
ion bù) . Tuy vậy lớp kép có cấu tạo như thế nào, nhất là lớp ion nghịch, thì vẫn còn là điều
chưa rõ ràng.
6.2.1. Thuyết Hemhon (Helmholtz)
Thuyểt này xem xét lớp kép như một tụ điện phẳng hoàn chỉnh. Thế hiệu của lớp kép giống
như thế trong tụ điện phẳng. Mật độ điện tích bề mặt:
 = C.  0 =  0 /(4  d)
Trong đó C là điện dung lớp kép;  là hằng số điện môi; 0 là thế nhiệt động (hiệu số điện
thế giữa tướng rắn và lỏng); d là khoảng cách giữa 2 lớp.
33


+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
x
Hình 6.3. Cấu tạo lớp kếp như một tụ điện phẳng theo Helmholtz
Thuyết Hemhon lần đầu tiên đưa ra được mô hình về cấu tạo lớp kép, nhưng nhược điểm
của mô hình này là không thể giải thích được các hiện tượng điện động học. Gọi AB là bề mặt
trượt, tại đó tướng lỏng và tướng rắn chuyển dịch tương đối so với nhau thì nếu bề mặt này
nằm bên ngoài lớp kép thì giá trị thế 0 rất lớn hơn so với giá trị người ta đo được dựa vào tốc
độ điện di hay tốc độ điện thấm. Hơn nữa, gía trị thế đo được này lại phụ thuộc vào các yếu tố
rất xa lạ với thế .
6.2.2. Thuyết Guy - Sepmen (Gouy -Chapman)
Hai ông này cho rằng các ion nghịch có cấu tạo khuyếch tán ở trong lớp kép. Cấu tạo này
được xác được xác định bằng 2 yếu tố: điện trường của bề mặt vật rắn có xu hướng kéo các
ion nghịch đến gần bề mặt rắn và chuyển động nhiệt có xu hướng làm các ion nghịch này phân
bố đều vào thể tích dung dịch. Kết quả là nồng độ các ion nghịch giảm từ bề mặt rắn đến phía
trong dung dịch, tại đó nồng độ của nó bằng nồng độ các ion cùng loại.
Xuất phát từ phương trình Poatxông:  = - 4  / 
Với  là toán tử Laplace;  là hằng số điện môi;  là thế tại điểm có mật điện tích thể tích
là  .
Guy và Sepmen đã tính được biến thiên của  theo x, nghĩa là tính được d/dx, ở đây x là
khoảng cách tính từ bề mặt rắn tích điện đi sâu vào dung dịch, vì thế các trục y, z thì  là hằng
số:
d/dx = - (8  RTC /  )1/2(eFZ/2RT - e-FZ/2RT)
Trong đó C là nồng độ chất điện ly trơ; Z là hoá trị của ion.
Trong trường hợp  bé thì FZ/2RT << 1 nên phương trình sẽ có dạng đơn giản hơn:
d/dx = -(8  F2Z2C/  RT)1/2. = -x
 A
Lớp điện kép và bước nhảy thế

theo mô hình Gouy  Chapman.
AB  Bề mặt trượt.

0  Thế nhiệt động học.
  Thế điện động học.
+
+
+
+
+
+
+
+
 +
+
B
x
Hình 6.4. Cấu tạo khuyếch tán của lớp kép theo Gouy -Chapman
Rõ ràng là:
1. Đường biểu diễn của  theo x là đường cong.
2. Khi Z và C càng lớn thì độ dốc của đường biểu diễn càng lớn.
34
Cấu tạo của lớp điện kép theo kiểu khuyếch tán như vậy, về bản chất, giống thuyết khí
quyển ion của Đơbai và Hucken. Do vậy bề dày của lớp kép của Guy và Sepmen cũng được
xác định bằng 1/x, nghĩa là:
1/x = (  RT/8  F2Zi2Ci)1/2
Ci và Zi là nồng độ và hoá trị của các ion i có trong dung dịch. Khi 2 đại lượng này có giá trị
càng lớn thì bề dày của lớp kép càng mỏng.
Trong lớp kép, số các điện tích dương bằng số các điện tích âm, do đó để tính các mật độ
điện tích các ion quyết định thể hiện trên bề mặt phân cách. Trong trường hợp  0 bé (sử dụng
các phép tính gần đúng) ta có thể dùng phương trình có dạng đơn giản sau:
 =  .  0/4 
So sánh công thức này với công thức của tụ điện phẳng
C = p/V =  /4  d
Một lần nữa ta lại thấy rằng  chính là nghịch đảo của bề dày lớp kép. Đối với lớp kép, điện
dung C có thể được biểu thị ở dưới dạng điện dung vi phân hay dung tích phân: d  /d0 hay
 /0. Với thế bé, 2 giá trị này trùng nhau và: C =  /0
Ưu và nhược của thuyết Guy - Sepmen:
Cấu tạo của lớp kép kiểu Guy và Sepmen giải thích tốt các hiện tượng điện động học. Tại bề
mặt trượt AB cách bề mặt rắn một đoạn  thế không phải bằng 0, mà bằng một giá trị nào đó
bé hơn 0 , mà trong thực nghiệm có thể đo đựơc, có tên là thế điện động học, hay thế. 
Nếu thế nhiệt động học 0 chỉ phụ thuộc vào cá ion cùng loại với ion quyết định thế hiệu thì
thế điện học.  .lại phụ thuộc vào mọi ion ở trong hệ. Chẳng hạn khi thêm chất điện ly vào
dung dịch thì lớp keo sẽ bị nén lại, do đó thế  giảm đi. Khi nồng độ chất điện ly thêm vào rất
lớn thì lớp kép có thể bị nén lại cho đến khi bằng  và lúc đó  = 0. Vậy cấu tạo của lớp kép
kiểu Guy - Sepmen; tuy nhiên nhay cả ở đây thì thế.  cũng giảm theo đường cong chứ không
phải thẳng.
Giá trị điện dung C thu được tính theo công thức lý thuyết lớn hơn rất nhiều so với giá trị
thực nghiệm đo được. Nguyên nhân của điều này là do thuyết Guy- Sepmen không lưu ý đến
thể tích ion mà chỉ xem chúng như những điện tích điểm, có thể tiến gần đến bề mặt phân cách
tướng bao nhiêu cũng được. Ngoài ra thuyết Guy - Sepmen cũng chưa chú ý đến tương tác
phân tử giữa bề mặt rắn và các ion nghịch (ngoài tương tác tĩnh điện); chính vì thế mà lý
thuyết này không giải thích được hiện tượng đối dấu điện của các hạt keo khi thêm vào hệ chất
điện ly có ion ngược dấu với bề mặt có giá trị cao; nó cũng không giải thích được hiện tượng
các ion cùng hoá trị có ảnh hưởng khác nhau đến giá trị của thế.
6.2.3. Thuyết Stec (Stern)
Để khắc phục các nhược điểm trên, Stec đưa ra lý thuyết về cấu tạo lớp kép trong đó các ion
có kích thước xác định và do đó tâm điểm của nó không thể tiến đến cách bề mặt một khoảng
bé hơn bán kính ion và giữa ion và bề mặt có một tương tác đặc biệt không có tính chất điện.
Tương tác này do trường lực phân tử gây ra tại một khoảng rất bé cách bề mặt.
Trên cơ sở giả thiết này, Stec cho rằng lớp ion nghịch đầu tiên (và cả một số lớp ion nghịch
đầu tiên ) bị hút vào bề mặt bởi điện trường và trường lực hấp phụ. Phần này tạo nên một tụ
điện phẳng giống như trong thuyết Hêmhôn- được gọi là lớp Hêmhôm hay lớp Stec, tại đây thế
giảm đột ngột và theo đường thẳng. Phần ion nghịch còn lại tạo nên lớp khuyếch tán của lớp
kép (hay còn gọi là lớp Guy) như kiểu thuyết Guy - Sepmen, tại đây thế giảm từ từ.
Nếu mật độ điện tích của 2 phần ion nghịch đó là  1 và  2 thì mật độ điện tích bề mặt  sẽ
là:  =  1 +  2
Trong đó:
 1 được tính toán trên cơ sở thuyết hấp thụ đẳng nhiệt Lăngmua,
 2 được tính toán theo thuyết Guy - Sepmen.
Biểu thức xác định của  sẽ là:  = ....
35
Trong tổng số ở vế phải, thừa số thứ nhất biến thiên theo nồng độ mạnh hơn thừa số thứ 2,
nên khi pha loãng  1 sẽ giảm nhanh hơn  2, và cấu tạo lớp kép giống thuyết Guy - Sepmen.
Khi làm đậm đặc dung dịch  1 sẽ tăng nhanh hơn  2 , cấu tạo lớp kép tiến tới giống thuyết
Hêmhôn.
Bề mặt trượt AB trong thuyết này có người cho rằng là bề mặt phân cách giữa lớp Stec và
lớp Guy, cũng có người cho đó thuộc lớp Guy.
Điện dung của lớp điện kép C được xác định như là điện dung của 2 tụ điện sắp xếp nối tiếp
nhau và :
C = Cm.Cd/(Cm+Dd) với Cm =  /(0 - d)
Trong đó:
Cm là điện dung của tụ điện phẳng
Cd là điện dung của lớp khuyếch tán.
Cm phụ thuộc vào đặc tính của ion nằm trong lớp Stec nên có giá trị gần như không đổi, còn
Cd phụ thuộc vào nồng độ của chất điện ly. Với dung dịch loãng thì C  Cd còn với dung dịch
đặc thì C  Cm.


A

 (1)


1


(2)
2

B
Hình 6.5. Cấu tạo khuyếch tán của lớp kép theo Stec.
Các giá trị điện dung lớp kép, khi tính toán có lưu ý đến bán kính ion trong thuyết Stec, rất
gần với giá trị thực nghiệm.
6.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN THẾ ĐIỆN ĐỘNG HỌC
6.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly trơ
Chất điện trơ là chất điện ly không chứa những ion có thể xây dựng lưới tinh thể của nhân,
những chất này không thể làm thay đổi thế 0 , còn thế... thì giảm khi nồng độ của chúng tăng,
đó là do phần khuyếch tán của lớp kép bị nén lại. Nếu chất điện ly thêm vào không có ion
chung với chất điện ly làm bền thì sẽ có sự trao đổi ion nghịch theo một hệ thức tương đương
về điện. Nếu xảy ra cả sự hấp thụ Stéc thì sự trao đổi ion sẽ rất phức tạp và nếu thế hấp thụ của
ion thêm vào lớn thì có thể sinh ra sự đổi dấu điện của hạt keo.
6.3.2. Ảnh hưởng của chất điện ly không trơ
Khi thêm chất điện ly chứa ion có thể xây dựng lưới tinh thể của nhân thì nếu ion đó là ion
cùng loại với ion QĐTH, thế 0 lúc đầu tăng lên, do đó  cũng tăng lên, nhưng ion cùng loại
với ion nghịch thì lại có tác dụng nén lớp khuyếch tán, do đó khi tiếp tục tăng nồng độ chất
điện ly, thế  lại giảm xuống. Nếu ion có khả năng xây dựng lưới tinh thể của nhân là không
cùng dấu điện với ion QĐTH thì có thể xảy ra sự đối dấu điện của hạt keo.
6.3.3. Ảnh hưởng của sự pha loãng và làm đậm đặc sol
Khi pha loãng, lớp keo dãn ra, do đó  tăng lên. Cũng có trường hợp gây lên sự phản hấp
phụ ion quyết định thế hiệu, do đó 0 giảm xuống và kéo theo sự giảm của  . Khi làm đậm
đặc thì tác dụng ngược lại.

36
A

1

Hình 6.6. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện ly đến chiều dày của lớp kép
và giá tri thế điện động học 
6.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng thì chuyển động nhiệt của ion tăng, phần khuyếch tán của lớp keo tăng, do
đó thế tăng. Mặt khác sự phản hấp thụ ion quyết định thế hiệu cũng có thể xảy ra và do đó làm
cho 0 và thế  giảm. Khi giảm nhiệt độ thì tác dụng sẽ ngược lại.
6.3.5. Ảnh hưởng của môi trường phân tán
Các hiện tượng điện động học và do đó sự tồn tại của lớp kép chỉ có trong môi trường phân
cực. Nếu độ phân cực của môi trường càng bé thì giá trị của thế  càng nhỏ.
6.4. BIỂU THỨC TOÁN HỌC CỦA THẾ 
Các hiện tượng điện động học được giải thích bằng sự xuất hiện tại bề mặt phân cách tướng
một lớp điện kép. Xuất phát từ các luận điểm:
1) Điện tích của chất lỏng và tướng rắn ngược dấu nhau và sắp xếp song song, tạo lên lớp
kép.
2) Bề dày lớp kép xấp xỉ kích thước phân tử.
3) Trong các hiện tượng điện động học, lớp chất lỏng kế cận bề mặt rắn bất động, còn chất
lỏng bên ngoài chất này thì chuyển động, giữa hai lớp này có thể áp dụng quy luật về sự ma
sát.
4) Sự chuyển động của chất lỏng là theo kiểu chảy dòng và tuân theo các phương trình thuỷ
động học.
5) Lớp kép có thể xem như một tụ điện phẳng.
6) Tướng rắn là chất điện môi, chất lỏng có thể dẫn điện,
Ta có thể lập phương trình nêu lên mối quan hệ giữa  và tốc độ điện ly hay tốc độ điện
thẩm (phương trình Smolukhôpski) như sau:
H
u=
4
Trong đó u là tốc độ chảy; H là građien thế; H = E/L; E là điện thế đặt tiếp tuyến với lớp
kép; L là khoảng cách giữa các điện cực.
Để tính  ta dùng công thức:  = 4 .u / H
Nếu đo được giá trị của u trong sự điện di hay điện thẩm ta sẽ tính được thế điện động học
 .
6.5. CẤU TẠO CỦA HẠT KEO
Toàn bộ hệ thống gồm có một nhân (thường có cấu tạo tinh thể) và lớp keo bao quanh được
gọi là mixen hay hạt keo.
Những ion có khả năng xây dựng mạng lưới tinh thể của nhân được hấp thụ lên bề mặt của
nhân làm ion quyết định thế hiệu; các ion ngược dấu được giữ bởi lực hút tĩnh điện của các ion
QĐTH được gọi là các ion nghịch (ion bù) và chúng tạo nên lớp hấp thụ cùng lớp khuyếch tán.
Nhân cùng các ion QĐTH được gọi là nhân mixen.
37
Khi hạt keo chuyển động chỉ có nhân và một phần ion nghịch thuộc lớp hấp thụ là chuyển
động, phần này được gọi là granun hay ion keo vì nó tích điện và chuyển dịch toàn bộ ở trong
điện trường; phần các ion nghịch thuộc lớp khuyếch tán sẽ bất động một cách tương đối.
Ví dụ 1: Công thức của hạt keo AgI âm:
[m AgI ]. nI-. (n - x)K+. xK+
nhân
ion ion bù lớp ion bù lớp
QĐTH hấp thụ
khuyếch tán
<---------------->
nhân mixen
<------------------------------>
granun
Ví dụ 2: Công thức hạt keo H2SiO3 âm sẽ là:
[m SiO2.m’H2O]. nSiO3-. 2(n - x)H+ . 2xH+
<-----------------> ion ion bù
ion bù
nhân
QĐTH lớp hấp thụ lớp khuyếch tán
<----------------------------->
nhân mixen
<--------------------------------------->
granun
Ví dụ 3: Phân tử cơ giới đất có kích thước từ một 1mµ đến 100 mµ được gọi là hạt keo đất.
Keo đất được hình thành do các hạt khoáng trong đất vị vỡ nhỏ trong quá trình phong hoá
vật lý hoặc do sự ngưng tụ các phân tử và các ion trong đất. Keo đất có vai trò to lớn trong
việc tạo nên khả năng hấp phụ của đất, gắn kết các phần tử cơ giới thành đoàn lạp làm cho đất
tơi xốp, và làm thay đổi nhiều đặc tính lý hoá học của đất.
Lớp điện kép
Lớp điện bù
Mixen keo
Hạt keo
Ion trao đổi
Ion không di chuyển
Ion quyết định thế hiệu
Vi lạp
Br
K
+
K+
-
Nhân
1 2
KBr Br -
Br
-
38
4
K+
K+
K+
K+
3
K+
===========================
39
CHƯƠNG 7
ĐỘ BỀN VỮNG VÀ SỰ KEO TỤ
CỦA HỆ THỐNG KEO GHÉT LƯU
7.1. LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC MIXEN
Độ bền vững của một hệ keo tức là khả năng của nó duy trì được trạng thái phân tán không
đổi theo thời gian.
Các hệ kéo khác với dung dịch thật cũng như các dung dịch cao phân tử, là có bề mặt riêng
rất lớn, cho nên chúng là những hệ không cân bằng nhiệt động học và do đó không bền vững
tập hợp. Chính vì vậy, làm cho các hệ keo bền vững là một vấn đề quan trọng của hoá keo và
sự keo tụ là một hiện tượng hết sức quan trọng và đặc trưng cho các hệ keo.
Tính không ổn định của các hệ keo thể hiện bằng 2 cách:
1) Số hạt giảm đi do kết quả của sự tái kết tinh xảy ra trong hệ
2) Các hạt liên kết lại với nhau tạo thành những tập hợp
Khi trong hệ có đồng thời những hạt nhỏ và hạt lớn thì hạt nhỏ tan dần và những hạt lớn lớn
lên, hệ keo sẽ bị phá vỡ. Vì các tướng phân tán thường có độ hoà tan nhỏ nên sự phá vỡ các hệ
keo bằng cách tái kết tinh xảy ra rất chậm, do đó hiện tượng này được gọi là sự già của hệ keo.
Nói chung trường hợp này ít gặp.
Sự keo tụ xảy ra trong hệ keo có nghĩa là các hạt trực tiếp kết dính lại với nhau khi chúng
va chạm vào nhau. Nhưng không phải bất cứ sự va chạm nào cũng đưa đến sự kết dính mà một
tỷ lệ nhất định va chạm có hiệu quả phụ thuộc vào tính chất bề mặt của các hạt. Khi thêm một
lượng nhỏ chất hấp phụ vào hệ keo, những tính chất bề mặt thay đổi mạnh và hiệu quả của các
va chạm cũng thay đổi. Khi hầu hết các va chạm đều dẫn đến sự liên kết thì ta gọi đó là sự keo
tụ nhanh. Còn khi không phải các va chạm đều có hiệu quả ta gọi đó là sự keo tụ chậm.
Khi 2 mixen tiến lại gần nhau, năng lượng tương tác của chúng thay đổi như sau:
U
2
3
U2
O
U3
U1
r
1
Hình 7.1. Ảnh hưởng của khoảng cách đến thế năng tương tác giữa hai hạt
- Đường1: biểu thị sự thay đổi năng lượng hút (phân tử) giữa các hạt.
- Đường 2: biểu thị sự thay đổi năng lượng đẩy tĩnh điện giữa 2 lớp điện kép của 2 hạt.
- Đường 3: là sự tổng hợp của 2 đường cong trên. Ở khoảng cách trung bình (khoảng 10-5
cm) ứng với chiều dày của bầu khí quyển ion, đường cong nằm phía trên trục hoành, ở đây lực
đẩy tĩnh điện lớn hơn lực hút phân tử. Ở khoảng cách lớn hơn (khoảng 10-7cm) lực hút phân tử
lại chiếm ưu thế, đường cong nằm dưới trục hoành.
Điểm mà đường cong cắt trục tung ứng với sự tiếp xúc vật lý giữa 2 hạt. Đó là trạng thái
bền nhất của hệ, lúc này năng lượng tự do ít nhất. Vì khoảng cách giữa 2 hạt ở vùng cực tiểu
này rất nhỏ nên các hạt liên kết lại với nhau bởi lực Vandevan; hệ có độ bền vững cơ học cao
và một vài tính chất giống như vật rắn. Vùng cực đại ứng với sự keo tụ chậm: khi va chạm vào
nhau, không phải tất cả các hạt đều liên kết lại. Cực tiểu bên phải được nhiều nhà nghiên cứu
40
dùng để giải thích hiện tượng sol - gel thuận nghịch: đó là quá trình gen biến thành sol khi
khấy lắc, và sau khi để yên, sol lại biến thành gel.
Những khái niệm về lực hút phân tử và lực đẩy tĩnh điện là cơ sở của lý thuyết về sự bền
vững và sự keo tụ hiện nay. Tuy nhiên sự solvat hoá và yếu tố cơ học cấu thế cũng còn được
dùng để giải thích độ bền vững của các hệ keo.
7.2 SỰ KEO TỤ CÁC DUNG DỊCH KEO BẰNG CHẤT ĐIỆN LY
Khi các yêu tố làm bền không có hoặc mất đi, hệ bị keo tụ. Các hệ keo có thể keo tụ tại
nhiều yếu tố như thời gian (sự già), thay đổi nồng độ của tướng phân tán, thay đổi nhiệt độ, tác
dụng của cơ học, ánh sáng, chất điện ly...Quan trọng và có ý nghĩa nhất là sự keo tụ bằng chất
điện ly.
Hầu hết các chất điện ly đều có khả năng keo tụ. Có thể phát hiện sự keo tụ bằng sự thay
đổi màu của sol, sự vẩn đục, sự kết tủa...Giá trị ngưỡng keo tụ phụ thuộc vào nồng độ của sol
nên nó chỉ là một đại lượng tương đối với chất điện ly đã cho.
Khả năng keo tụ của một chất điện ly được đặc trưng bằng nồng độ tối thiểu của nó cần
để keo tụ son với một tốc độ nhất định. Đại lượng này được gọi là “ ngưỡng keo tụ” và biểu
thị bằng mM/lít. Đại lượng này thường chỉ có giá trị tương đối. Ví dụ, khi đo ngưỡng keo tụ
của các cation hoá trị I, II, III đối với sự keo tụ sol As2S3 thì các tác giả khác nhau cho các số
liệu khác nhau như sau:
Bảng 4.1. Ngưỡng keo tụ của các cation hoá trị I, II, III đối với sự keo tụ sol As2S3
Hoá trị cation
I
II
III
 (theo Sounze)
350
20
1
 (theo Freindlich)
531
07
1
 (theo Linder)
1500
20
1
Sự keo tụ dưới tác dụng của chất điện ly tuân theo quy tắc Sunde- Hacđi: Chỉ có những
ion tích điện ngược dấu với hạt keo mới có khả năng keo tụ và khả năng keo tụ càng lớn nếu
hoá trị của chúng càng cao.
Bằng tính toán lý thuyết, Đeriagin là Lanđao cho thấy rằng hàng rào năng lượng ngăn cách
các hạt sẽ mất đi khi nồng độ chất điện ly keo tụ đạt được ngưỡng keo tụ  được tính theo
công thức:
 = C.  3(KT)5/A2e6Z6
Trong đó: A là hằng số Vandevan; e là điện tích điện tử; Z là hoá trị của ion keo tụ trong
chất điện ly; C là hằng số phụ thuộc ít nhiều vào tính chất bất đối xứng của chất điện ly, nghĩa
là vào hệ thức giữa điện tích của cation và anion.
Như vậy, ngưỡng keo tụ phụ thuộc vào hằng số Vandevan A, hằng số điện môi  , nhiệt độ
T, hoá trị Z của ion keo tụ chứ không phụ thuộc vào thế nhiệt động học 0 . Các ion cùng dấu
với nhân không làm thay đổi gì mấy, chỉ ảnh hưởng một ít qua C mà thôi.
Ảnh hưởng của kích thước và mức độ hydrat hoá đến khả năng keo tụ của các cation và
anion là ngược nhau. Các ion hữu cơ có khả năng keo tụ mạnh hơn nhiều so với các ion vô cơ
cùng hoá trị là vì các ion hữu cơ có khả năng hấp thụ cao.
Kết quả nghiên cứu cho thấy sự bắt đầu keo tụ xảy ra không phải tại điểm đẳng nhiệt (tại đó
thế  của hạt bằng 0) và bắt đầu ở thế  tới hạn, ít phụ thuộc vào dạng chất điện ly keo tụ (với
nhiều hệ, có giá trị cỡ 30mV)
Bảng 4.2. Ngưỡng thế k của son As2S2 và Fe2O3.
41
Sol
Chất điện li
Nồng độ, mđlg/l
k, mV
As2S2 (keo âm)
KCl
40,00
44
BaCl2
1,00
26
AlCl3
0,15
25
Th(NO3)4
0,20
27
KCl
100,00
34
NaOH
7,50
31
K2SO4
6,60
32
K2CrO4
6,50
32
K3Fe(CN)6
0,65
30
Fe2O3 (keo dương)
Tác dụng keo tụ của chất điện ly có thể hình dung như sau: Khi thêm chất điện ly vào hệ,
các ion ngược dấu với hạt keo tức là đồng dấu với ion nghịch làm cho nồng độ của ion nghịch
tăng lên, do đó lớp kép bị nén lại, dẫn đến thế  giảm. Khi thế  đạt đến giá trị tới hạn, các
hạt keo liên kết lại với nhau và hệ bị keo tụ. Sở dĩ như vậy vì lúc đó lớp kép mỏng, do đó các
hạt có thể tiến lại gần nhau ở khoảng cách nhỏ mà tại đó lực hút phân tử mạnh hơn lực đẩy
tĩnh điện nên các hạt dễ liên kết lại với nhau.
7.3. ĐỘNG HỌC CỦA SỰ KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY
Để nghiên cứu động học của sự keo tụ, bằng thực nghiệm, ta phải xác định sự thay đổi nồng
độ hạt trong quá trình sol keo tụ. Tốt hơn hết là đếm số hạt bằng kính siêu vi, nhưng việc xác
định nồng độ hạt bằng kính siêu vi là rất lâu mà sự keo tụ lại xảy ra rất nhanh. Do đó ở từng
thời điểm người ta thêm chất làm bền vào trong hệ đang keo tụ để làm cho sự keo tụ dừng lại
hẳn, khi đó đếm số hạt trong sol sẽ không thay đổi nữa và có thể đếm số hạt bằng kính siêu vi.
Chất làm bền có thể là gelatin.
Theo Smolukhôpski, tốc độ của sự keo tụ nhanh phụ thuộc vào:
1) Nồng độ hạt ban đầu là  0
2) Cường độ của chuyển động Brao, đặc trưng bằng hệ số khuyếch tán D.
3) Bán kính hoạt động của lực hút của hạt R, hoặc khoảng cách d giữa trung tâm hai hạt keo
khi liên kết xảy ra.
Khi keo tụ nhanh, các hạt đơn va chạm vào nhau, tạo thành hạt đôi, sau đó hạt đôi va chạm
lại với nhau tạo thành hạt 3...Cũng có thể cả ba hoặc trên ba hạt đơn giản hay phức tạp cùng va
chạm vào nhau, nhưng vì sác xuất của chính bé hơn có thể bỏ qua, vì vậy phản ứng liên kết
của các hạt được xem như xảy ra theo kiểu bậc 2.
Gọi  1,  2,  3...là nồng độ hạt đơn, đôi, ba...ở thời gian t = 0, ta có:
 1 =  0;  2 =  3 =  4 = ...... = 0
Sau thời gian t, ta có tổng số hạt   trong một đơn vị thể tích là:
  =  1 +  2 +  3 + ... <  0
Vì quá trình keo tụ xảy ra theo kiểu bậc 2 nên: - d  D/dt = k(   )2
Trong đó: k là hằng số tốc độ của quá trình keo tụ , nó phụ thuộc vào R và hệ số khuyếch
tán D (k = 8  DR = 4  D d)
Lấy tích phân phương trình -d  D/(   )2 = kdt từ t = 0 đến t và   =  0 đến  
42
Ta có: 1/   - 1/ 0 = kt
=>
  =  0/(1+k  0t) =  0/(1+4  d  0tD)
Phương trình này cho phép tính tổng số hạt có trong son sau thời gian t. Ở đây có hai đại
lượng khó xác định là d và D, để tránh dùng chúng có thể dựa vào thời gian bán keo tụ t1/2 (sau
thời gian này số hạt trong hệ giảm đi một nửa). Nghĩa là: t = t1/2 thì   =  0/2
Vậy:  0/2 =  0/(1+4  d  0t1/2D) =  0/(1+k  0t1/2)
Suy ra: k  0t1/2 = 1 suy ra: k 0 = 1/t1/2 suy ra:   =  0/(1+t/t1/2)
Rõ ràng có thể tính t1/2 nếu biết  0 và   ở những thời điểm t khác nhau. Thực nghiệm
cho thấy trong quá trình keo tụ nhanh, t1/2 là không đổi với mỗi hệ keo. Mặt khác nếu biết t1/2
và  0 có thể tính được   ở những thời gian t bất kỳ.
Đối với sự keo tụ chậm, cần đưa thêm đại lượng đặc trưng cho hiệu quả của sự va chạm,
vào phương trình trên   =  0/(1+k  0t.  )
Với trường hợp này kết quả giữa thực nghiệm và lý thuyết không được phù hợp cho lắm và
t1/2 cũng không ổn định mà tăng theo thời gian, sự keo tụ như bị chậm lại.
7.4. HIỆN TƯỢNG ĐẶC BIỆT KHI KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY
7.4.1. Hiện tượng thứ nhất
Khi thêm dần một lượng ion keo tụ hóa trị cao (thường có khả năng hấp thụ mạnh) vào
dung dịch keo như Fe3+, Al3+, Th4+ thì lúc đầu sol vẫn bền vững, sau đó sol keo tụ ở một
khoảng nồng độ nhất định, rồi nếu tiếp tục cho nồng độ ion keo tụ cao hơn nữa, sol lại phục
hồi và bền vững rồi cuối cùng khi cho thêm ion keo tụ nữa sol lại bị keo tụ. Hiện tượng này
được gọi là hiện tượng đổi dấu điện của hạt keo.
-
- 0
tới hạn
II
I
C1
C2
III
C3
IV
C4
C5
tới hạn
+
Hình 7.2: Biến thiên  theo nồng độ chất điện ly hóa trị cao
Nó được giải thích như sau: Khi lượng ion keo tụ hoá trị cao thêm vào còn nhỏ thì  < 
tới hạn, sol sẽ bền vững (vùng I); tại C = C1 thì  =  tới hạn và sol bắt đầu keo tụ (vùng I I).
Trong vùng này khi C tăng từ C1 đến C2 thì  thay đổi từ 1 tới hạn này đên một tới hạn khác,
có dấu ngược lại hạt keo sẽ đổi dấu điện. Hiện tượng này xảy ra do ở C > C1, các ion nghịch
hoá trị cao bị hấp thụ một lượng lớn trên bề mặt hạt keo, làm cho hạt keo đổi dấu; lúc này ion
nghịch trở thành ion quyết định thế hiệu, thế  lại cao hơn  tới hạn và hệ keo lại trở nên bền
vững trong khoảng nồng độ chất điện ly keo tụ C2 < C < C3; với C > C3 thì sự hấp phụ đã trở
thành bão hoà, chất điện ly trở thành chất điện ly trơ, nó có tác dụng nén lớp kép làm thế giảm
đến tới hạn mới, từ C = C4 sol sẽ bị keo tụ hoàn toàn (vùng IV)
Thực chất hiện tượng đổi dấu điện của hạt keo không phải là do bản thân các cation hoá trị
cao gây nên mà do chính sản phẩm thuỷ phân của chúng.
7.4.2. Hiện tượng thứ hai
43
Trong kỹ thuật thường dùng vài chất điện ly để gây keo tụ. Nếu dùng 2 chất điện ly thấy có
3 trường hợp xảy ra:
a) Hai chất điện ly có tác dụng độc lập: khả năng keo tụ của từng chất điện ly không thay
đổi trong hỗn hợp và tác dụng keo tụ được xác định bằng tác dụng tổng cộng
b) Hai chất điện ly phản tác dụng nhau: Sự có mặt của chất điện ly này làm giảm tác dụng
keo tụ của chất điện ly kia và ngược lại.
c) Hai chất điện ly tăng cường tác dụng của nhau. Đây là tác dụng hỗ trợ.
7.4.3. Hiện tượng thứ ba
Các hệ keo điển hình thường rất nhạy cảm với tác dụng của chất điện ly. Nhưng nếu trước
khi thêm một chất điện ly keo tụ, ta thêm vào hệ một chất cao phân tử lên bề mặt hạt keo làm
cho độ bền vững của hạt keo được tăng lên.
Hiện tượng này gọi là hiện tượng bảo vệ. Để đánh giá tác dụng bảo vệ của chất cao phân tử,
người ta dùng khái niệm “số vàng”. Đó là số nguyên chất cao phân tử cần phải thêm vào 10ml
sol vàng để bảo vệ không cho nó biến thành màu xanh (keo tụ) khi thêm 1ml dung dịch NaCl
10%.
7.4.4. Hiện tượng thứ tư
Sự keo tụ dị thể và sự keo tụ tương hỗ. Sự keo tụ dị thể là quá trình trong đó các hạt của hệ
phân tán dính kết vào một bề mặt không cùng loại với chúng. Nguyên nhân của điều này là do
chất làm bền bị tách khỏi hạt keo và hấp thụ lên bề mặt lạ. Sở dĩ như vậy là vì giữa chất làm
bền và bề mặt lạ có tồn tại lực hấp phụ hóa học hay chúng có điện tích ngược dấu nên hút lẫn
nhau.
Sự keo tụ tương hỗ là sự keo tụ xảy ra của 2 loại sol có điện tích ngược dấu gặp nhau. Ở
một số trường hợp hai loại sol cùng dấu điện của hạt cũng gây keo tụ tương hỗ.
7.4.5. Hiện tượng thứ năm
Sự keo tụ dưới tác dụng của các yếu tố vật lý như:
- Thời gian: Khi để lâu một hệ keo cũng có thể tự keo tụ: đây là sự keo tụ tự phát.
- Tác dụng của cơ học như khuấy, khi bơm chúng qua các ống dẫn...
- Pha loãng và làm đậm đặc sol.
- Đun nóng hay làm lạnh.
Ngoài ra còn có các yếu tố khác như ánh sáng, sự phóng xạ, tia tử ngoại, tia rơnghen, điện
trường, siêu âm đều có khả năng tác dụng lên hệ keo và gây ra sự keo tụ.
========================
CHƯƠNG 8
TÍNH CHẤT CƠ HỌC CẤU THỂ
CỦA HỆ THỐNG KEO
Các hệ thống keo cũng như mọi vật thể khác có những tính chất cơ học xác định: tính nhớt,
tính dẻo, tính đàn hồi, tính vững chắc. Các tính chất này gắn liền với cấu tạo của hệ thống keo
nên thường gọi là các tính chất cơ học cấu thể. Nghiên cứu tính chất cơ học cấu thể (còn gọi là
tính chất lưu biến) của hệ keo ta có thể xác định tính chất của các cấu thể được hình thành
trong hệ. Điều này có ý nghĩa thực tế rất to lớn: đất, đất xét, xi măng, chất màu, sơn, bột ngào
có nhiều tính chất cơ học cấu thể đặc biệt.
8.1. SỰ HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CẤU THỂ TRONG CÁC HỆ THỐNG
KEO
44
Theo Rêbinđia, cấu thể của các hệ keo phân tán có thể chia thành cấu thể keo tụ (sol - gel
thuận nghịch) và cấu thể ngưng tụ kết tinh (phá vỡ bất thận nghịch).
8.1.1. Cấu thể keo tụ
a. Sự hình thành cấu thể keo tụ: Cấu thể keo tụ hình thành là do sự giảm tính bền vững
nhiệt động học của hệ phân tán. Nếu các yếu tố bền vững không mất hoàn toàn, các hạt chỉ
dính kết lại thành một số chỗ nào đó mà thôi, tạo nên lưới không gian, ta có gel. Những chỗ
yếu đó thường là các đầu hạt (hình). Tại chỗ tiếp xúc vẫn còn một lớp chất mỏng lỏng, làm
cho cấu thể kém vững chắc và có tính dẻo và trong một số trường hợp nó có tính đàn hồi.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành gel:
1. Nồng độ tướng phân tán: Khi tăng nồng độ hạt, số va chạm tăng lên, do đó tốc độ tạo gel
cũng tăng lên.
2. Kích thước hạt: sự giảm kích thước hạt khi nồng độ trọng lượng không đổi cũng xúc tiến
sự tạo nên gel.
3. Hình dạng hạt: Hạt càng bất đối xứng thì càng dễ tạo gel. Những chỗ yếu trên bề mặt các
hạt này là đầu, góc, cạnh của các hạt, tại đó lớp điện kép và lớp vỏ solvat hoá kép phát triển
nhất. Với những hệ chứa các hạt này thì để tạo gel, chỉ cần nồng độ nhiều lần bé hơn so với hệ
chứa hạt hình cầu.
4. Yếu tố lạ có trong hệ: chẳng hạn sơn dầu gồm các sắc tố ưa nước trong dầu, nếu trong hệ
có mặt một lượng nhỏ nước thì sẽ làm cho sơn dễ bị tạo thành lưới chặt chẽ, có tính chất gel.
5. Nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, thời gian để tạo gel giảm đi. Tuy nhiên theo sự tăng của nhiệt
độ, vì chuyển động nhiệt (thực chất là chuyển động Brao) tăng, gel ghét lưu có thể chuyển
thành chất lỏng cấu thể, rồi sau khi vẫn tăng nhiệt độ, hệ có thể lại trở thành chất lỏng không
có cấu thể.
6. Tác dụng cơ học: sự khuấy, lắc có thể ngăn cản sự tạo thành gel. Cũng có một số trường
hợp, với hệ không bền vững tập hợp chứa các hạt rất bất đối xứng, sự tạo gel lại xảy ra rất dễ
dàng khi khuấy nhẹ và đều (vì như thế các hạt được định hướng dễ dàng).
1.
2.
3.
4.
Hạt keo.
Chỗ tiếp xúc.
Lớp màng chát lỏng mỏng.
Môi trường phân tán.
3
2
4
1
Hình 8.1. Sự tạo thành gel
b. Tính chất của cấu thể keo tụ:
1. Tính sol-gel thuận nghịch: đó là khả năng của hệ khi đã bị phá vỡ vì một lực cơ học nào
đó, lại có thể tự ý phôi hồi cấu thể trong một đơn vị thời gian; tức là ra có cân bằng sau: solgel. Hiện tượng này thường gặp trong tự nhiên; ở một số đất, nguyên sinh chất trong tế bào...
2. Những hệ cấu thể keo tụ có độ vững chắc kém, có tính dẻo và ít nhiều tính chất đàn hồi.
Tính đàn hồi trong hệ, theo Rebiađia, có thể giải thích bằng biến thiên entrôpi của hệ do sự
định hướng lại các nguyên tố cấu thể theo sự thay đổi hình dạng của cấu thể. Ở đây nguyên tố
cấu thể là các hạt keo.
3. Những hệ có cấu thể keo tụ thể hiện tính tự biến dạng, nghĩa là khả năng phát triển chậm
sự biến dạng mà lưới không gian không bị phá vỡ.
4. Hệ có cấu thể keo tụ thường có hiện tượng teo: Đó là khả năng tự ý giảm kích thước gen,
làm thoát môi trường phân tán ra khỏi các mặt lưới. Nguyên nhân là do lúc đầu trong sự tạo
45
thành gen, giữa các nguyên tố cấu thể, số điểm tiếp xúc còn khá ít, dần dần do sự sắp xếp lại
các hạt (nhờ sự chuyển động nhiệt ) số điểm tiếp xúc tăng lên, gel bị nén lại, đẩy một phần môi
trường ra ngoài. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự teo.
5. Hệ cấu thể keo tụ có tính trương: đó là khả năng hấp thụ môi trường phân tán vào gen
khô, làm cho thể tích của nó tăng lên. Sự trương nở là quá trinh ngược lại với sự teo. Cả 2 quá
trình này đều đặc trưng cho các hệ cao phân tử.
M«i tr­êng
ph©n t¸n
gen
Gen ®∙ bÞ teo
a)
b)
Hình 8.2. Sự teo.
8.1.2. Cấu thể ngưng tụ kết tinh
Là cấu thể trong đó liên kết giữa các hạt là liên kết hoá trị. Loại cấu thể này không có tính
chất sol-gel thuận nghịch, tính dẻo, tính đàn hồi, mà thể hiện tính dòn. Tính vững chắc của hệ
này lớn hơn hệ cấu thể keo tụ rất nhiều. Cả tính teo và tính trương cũng không có trong hệ này.
Ví dụ về loại hệ này có thể lấy hyđrosol H2SiO3.
8.2. ĐỘ NHỚT CỦA HỆ THỐNG KEO
8.2.1. Khái niệm độ nhớt
Đối với dung dịch thật: khi tác dụng một lực không lớn lắm vào lớp lỏng một nằm song
song với mặt thoáng theo phương của mặt thoáng thì ví dụ lớp mỏng kế tiếp nằm dưới cũng sẽ
nối tiếp nhau do di chuyển với tốc độ giảm dần. Độ giảm tốc độ này tỷ lệ với khoảng cách x.
Khi sự di chuyển của các lớp đã trở nên đều thì lực ma sát nội sẽ bằng về trị số, nhưng ngược
về chiều với lực bên ngoài F, tỷ lệ với bề mặt S trên đó ta tác dụng 1 lực và với građien tốc độ
giữa các lớp du/dx.
F =  .S.du/dx. (phương trình niuton)
Hệ số tỷ lệ  chính là độ nhớt (phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng) của chất lỏng đang
xét, nó
Theo Poaday thì tốc độ thể tích V của chất lỏng chảy qua một ống mao quản dài l có bán
kính r và hiệu số áp suất của hai đầu ống là P khi sự chảy là sư chảy dòng được tính theo công
thức: V =  r4p/8  l (phương trình Poaday)
Từ đó rút ra biểu thức tính độ nhớt  là:  =  r4p/8Vl
8.2.2. Độ nhớt của hệ keo
Đối với dung dịch keo: sự chảy của sol khác với sự chảy của chất lỏng nguyên chất hay của
dung dịch chất phân tử bé là ở chỗ trong môi trường phân tán có những hạt keo lơ lửng mà
kích thứơc lớn hơn kích thước phân tử rất nhiều. Chính các hạt keo đã làm cho đường đi của
các phân tử trong sự chảy lạc đi và gây nên sự chảy cuộn. Các hạt keo làm tăng gradien tốc độ
trung bình theo hướng vuông góc với phương chảy, do đó độ nhớt của sol hơi cao hơn độ nhớt
của môi trường.
Đặc điểm của các sol là không tuân theo phương trình Niuton và phương trình Poaday. Độ
nhớt không phải là đặc trưng không đổi của hệ mà phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm, ví dụ
vào tốc độ chảy của sol trong nhớt kế, vào hình dạng và kích thước của nhớt kế.
Dùng nhớt kế mao quản, có thể phát hiện chất lỏng Niuton (tuân theo phương trình Niuton)
và chất lỏng phi Niuton (không tuân theo phương trình Niuton). Nếu viết phương trình Poaday
dưới dạng:
 =  r4p.Pt/(8Vl) = kPt
Trong đó V là thể tích chất lỏng chảy được trong thời gian t thì:
46
- Nếu tích Pt không phụ thuộc vào P ta có chất lỏng Niuton.
- Nếu tích Pt không phụ thuộc vào P ta có chất lỏng phi Niuton.
Các hệ cấu thể cũng không tuân theo định luật Niuton. Độ nhớt của hệ keo cấu thể phụ
thuộc rất nhiều vào điều kiện xác định nó; nhất là vào gradien tốc độ lúc xác định. Mặt khác dù
cho sự xác định độ nhớt được tiến hành trong những điều kiện giống hệt nhau, với cùng một
nhớt kế, các giá trị thu được qua các lần đo vẫn khác nhau, phụ thuộc vào lịch sử và thời gian
chế tạo và tồn tại của sol đó.
8.2.3. Sự phụ thuộc của độ nhớt vào nồng độ
Độ nhớt của các hệ keo luôn lớn hơn của môi trường phân tán nguyên chất. Năm 1908,
Anhxtanh đã đưa ra phương trình sau đây để nêu lên quan hệ của độ nhớt của hệ vào nồng độ
tướng phân tán:  =  0. (1+2,5  )
 0 là độ nhớt của môi trường phân tán
 là nồng độ thể tích của tướng phân tán trong 1ml
Phương trình này chỉ đúng trong các điều kiện:
a) Các hạt keo là rắn, hình cầu
b) Nồng độ tướng phân tán tương đối bé
c) Giữa các hạt không có tương tác.
d) Chất lỏng chảy dòng
e) Hạt phải lớn hơn phân tử môi trường và bé hơn rãnh chảy.
Hệ số  trong phương trình trên phụ thuộc vào hình dạng hạt.
Dưới dạng tổng quát ta có:  =  0(1+  )
Hay còn viết:  /  0 - 1 = (  -  0)/  0 =  = n  /Vhệ
Trong đó:
n là số hạt tổng quát có trong hệ
 là thể tích một hạt
Vhệ là thể tích hệ (ml)
Tỷ lệ (  -  0)/  0 được gọi là độ nhớt riêng
Từ đó:  riêng =  tương đối - 1 = 
Theo phương trình Anhxtanh thì giá trị độ nhớt không phụ thuộc vào phân tử của hệ.
Các trường hợp phương trình Anhxtanh không nghiệm đúng là:
1) Khi các hạt có hình dạng bất đối xứng (hình que hay tâm) thì độ nhớt thực của hệ luôn
lớn hơn là giá trị tính được từ phương trình Anhxtanh. Nguyên nhân là do chất lỏng nằm trong
vùng thể tích quay của hạt (vốn có chuyển động Brao quay mạnh) gắn liền với hạt. Do đó có
sự tăng biểu kiến thể tích tướng phân tán trong hệ, điều đó làm tăng độ nhớt của hệ.
2) Khi hệ có nồng độ tướng phân tán đậm đặc thì cũng có sự sai khác về độ nhớt giữa
thực tế với lý thuyết. Nguyên nhân là do chất lỏng ở gần các hạt tạo ra những dòng nhỏ, cản
trở lẫn nhau, làm cho chuyển động của toàn hệ bị cản trở. Còn trong những hệ có nồng độ bé,
các dòng nhỏ quanh các hạt ít ảnh hưởng lẫn nhau và đến tốc tộ chuyển động của hệ. Cũng có
ý kiến cho rằng sự solvat hoá của các hạt là nguyên nhân gây ra sự sai khác trên.
3) Nếu giữa các hạt trong hệ có sự tương tác thì trong hệ sẽ hình thành cấu thể sốp, có
một lượng môi trường bị giam hãm làm cho độ nhớt của hệ tăng lên rất nhiều.
Trường hợp các hạt có điện tích cùng dấu, chúng đẩy nhau là cho  tăng. Sự tăng này là do
trên bề mặt hạt có lớp điện kép. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng độ nhớt.
47
Smôlukhôpski đưa ra phương trình sau đây nên lên
mối quan hệ giữa độ nhớt riêng với thế của hạt:
2
 riêng = 2,5  [1+1/   r2.(  / 2 ) ]
Trong đó:  là độ dẫn điện riêng;  là hằng số
điện môi
Ở trạng thái đẳng điện của sol(   0 ) phương trình
này sẽ chuyển thành phương trình Anhxtanh.
================================
48
CHƯƠNG 9
CÁC HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG
PHÂN TÁN KHÍ - LỎNG - RẮN
Các hệ phân tán với môi trường phân tán là khí, lỏng hay rắn sẽ xét ở đây có thể có độ phân
tán keo hay chỉ là hệ vi dị thể.
9.1. HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ
Những phân tán với môi trường phan tán khí được gọi là các aerosol. Độ phân tán của các
hệ này thấp hơn các hệ keo. Kích thước và hình dạng hạt của hệ phụ thuộc vào phương pháp
điều chế và trạng thái tập hợp của tướng phân tán
- Nếu tướng phân tán là lỏng ta có sương mù (a = 10-5-10-3..)
- Nếu tướng phân tán là rắn ta có khối: bao gồm 2 loại là bụi (a > 10-3..) và khí thực (a = 107
-10-3 ) bao gồm các hạt tro, mồ hóng, các hạt nước … tạo ra khi chất bị đốt cháy).
Aerosol có đặc điểm khác liosol là:
a) Aerosol luôn là hệ loãng
b) Giá trị độ nhớt của môi trường rất bé
c) Sự sa lắng xảy ra nhanh
d) Xung quanh hạt không có lớp điện kép
Các tính chất của aerosol bao gồm:
9.1.1. Tính chất quang học của aerosol
Aerosol cũng tuân theo các định luật Raylây và Lambe-Bia về sự phân tán và hấp thụ ánh
sáng. Nhưng sự phân tán ánh sáng của aerosol lớn hơn của liosol rất nhiều vì chiết suất của
tướng phân tán và môi trường phân tán ở đây rất khác nhau.
9.1.2. Tính chất động học phân tử của aerosol
Vì aerosol là hệ loãng và môi trường có độ nhớt nhỏ nên sự sa lắng trong các hệ này chỉ
tuân theo phương trình Stốc nếu kích thước a của hạt lớn hơn quãng đường tự do trung bình 
của các phân tử khí, tức là khi a/  > 1.
Còn với những hạt nhỏ hơn thì sự sa lắng xảy ra nhanh hơn so với tính toán của định luật
Stôc và nó tuân theo phương trình khác:
f = 6   r2u/(0,3502.4,5  ) hay B = 6   r2/(0,3502.4,5  )
Trong đó:
f là lực ma sát
B là hệ số ma sát
 là quãng đường tự do trung bình của phân tử khí (của môi trường)
Chuyển động Brao trong aerosol cũng tuân theo các định luật như của liosol.
Ngoài ra trong aerosol còn có các hiện tượng nhiệt di, kết tủa nhiệt và quang di. Các hiện
tượng này chỉ liên quan đến tính chất động học phân tử và đặc trưng chỉ với các aerosol.
Nhiệt di: là hiện tượng các hạt aerosol tự ý rời khỏi các vật nóng.
Kết tủa nhiệt: là hiện tượng các hạt aerosol bám lên những vùng lạnh của vật được làm
nóng không đều.
Nhiệt di và kết tủa nhiệt là do các lực bức xạ gây ra
Quang di: là hiện tượng di chuyển của các hạt aerosol khi chúng được chiếu sáng từng
phía. Đây là trường hợp riêng của hiện tượng nhiệt di. Quang di phụ thuộc vào hình dạng, kích
thước, độ trong suốt và chiết suất của hạt.
9.1.3. Tính chất điện của aerosol
Nói chung các hạt trong aerosol không thể xuất hiện lớp điện kép như trong liosol. Ở một số
trường hợp nhất định, các hạt aerosol có thể mang điện tích không lớn lắm là vì:
- Do sự định hướng các phân tử lưỡng cực trong hạt.
49
- Do sự hấp phụ các ion khí có trong môi trường lên bề mặt của hạt
- Khi thành lập hay phá vỡ những điểm tiếp xúc giữa các hạt với nhau hay giữa hạt vơi
một bề mặt nào đó.
9.1.4. Độ bền vững tập hợp của các aerosol
Các aerosol thường bền vững sa lắng do có độ phân tán cao, song lại không bền vững tập
hợp vì quá trình keo tụ sảy ra rất mạnh. Các aerosol thường chỉ tồn tại trong thời gian ngắn,
các hệ có hạt khá lớn hoặc khá nhỏ thường rất kém bền vững, vì những hạt lớn có tốc độ sa
lắng cao, còn những hạt nhỏ thì chuyển động Brao mạnh nên dễ va chạm vào nhau và liên kết
lại. Tốc độ keo tụ của aerosol rất phụ thuộc vào nồng độ hạt. Ngoài ra các yếu tố khác như độ
đa phân tán, hình dạng hạt, sự khác nhau về điện tích giữa các hạt, sự khuấy trộn, sóng điện từ,
dòng đối lưu... cũng là những tác nhân gây keo tụ.
9.1.5. Điều chế và phá huỷ aerosol
Các aerosol có thể điều chế bằng phương pháp
phân tán (tán nhỏ, mài, nghiền, làm nổ hay phun
chất lỏng thành bụi) hoặc bằng phương pháp
ngưng tụ (chủ yếu ngưng tụ hơn quá bão hòa).
Trong kỹ thuật đôi khi cần phải phá huỷ aerosol để
tách lấy tướng phân tán. Chẳng hạn tách các sản
phẩm quý từ khói của lò luyện kim, tinh chế khí
hoặc không khí, làm tiêu tan mây, sương mù hoặc
làm mưa nhân tạo. Aerosol có thể phá huỷ bằng
keo tụ, dùng tác dụng của sóng siêu âm, tác dụng
của điện trường, đưa mầm vào hệ...
9.1.6. Ý nghĩa thực tế của aerosol
Mây, sương mù ảnh hưởng lớn đến sự mưa, nắng và khí hậu của từng vùng, và do đó ảnh
hưởng đến nông nghiệp. Khói, bụi trong công nghiệp, sương mù trong khí hậu là những trạng
thái aerosol cần phải phá vỡ vì chúng gây tác hại cho con người.
Nhiều chất trong kỹ thuật được sử dụng ở dạng aerosol như chất đổt đưa vào lò dạng
aerosol, quá trình quét vôi, sơn, nhuộm màu dưới dạng phun các chất thành hạt nhỏ; thuốc trừ
sâu, thuốc diệt nấm, diệt cỏ đều được phun dưới dạng aerosol, trong quốc phòng có thể nguỵ
trang bằng aerosol.
9.2 HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN LỎNG
Thuộc loại này có huyền phù, nhũ tương và bọt. Đây là các hệ vi dị thể.
9.2.1 Huyền phù
Huyền phù là hệ có môi trường phân tán lỏng, tướng phân tán rắn, kích thước hạt lớn hơn
kích thước keo, các hạt của huyền phù có thể nhìn thấy được trong kính hiển vi
Hưyền phù cũng hấp thụ và phân tán ánh sáng, không bền vững sa lắng. Hạt huyền phù
không có chuyển động Brao, không có khả năng khuyếch tán và không có áp suất thẩm thấu.
Nhưng các hạt huyền phù cũng có lớp vỏ solvat hoá hay lớp điện kép trên bề mặt hạt. Khi có
50
mặt chất điện ly, chúng bị keo tụ; hiện tượng sol - gen thuận nghịch trong huyền phù xảy ra
mạnh hơn trong sol ghét lưu.
9.2.2. Nhũ tương
Nhũ tương là hệ có tướng phân tán và môi trường phân lỏng cũng là lỏng. Chính vì vậy hạt
nhũ tương bao giờ cũng có hình cầu.
Điều kiện để tạo thành nhũ tương là:
- Hai chất lỏng không tan hay tan rất ít vào nhau
- Trong hệ cần có chất ổn định gọi là chất nhũ hóa.
1. Phân loại nhũ tương
a. Phân loại theo bản chất của tướng phân tán và môi trường phân tán
Nếu tướng phân tán là chất lỏng không phân cực (dầu), còn môi trường phân tán là chất
lỏng phân cực (nước) ta có nhũ tương thuận hay nhũ tương loại 1 và ký hiệu là D/N (dầu trong
nước). Ngược lại ta có nhũ tương nghịch hay nhũ tương loại 2, Ký hiệu N/D (nước trong dầu)
Có thể phân biệt 2 loại này bằng cách khảo sát khả năng thấm ướt với bề mặt ưa nước hay
ghét nước, khả năng trộn lẫn của chúng với nước và dầu, khả năng hòa tan phẩm màu của
tướng phân tán hay môi trường phân tán, đo độ dẫn điện...
b. Phân loại theo nồng độ tướng phân tán
- Nhũ tương loãng: nồng độ pha phân tán < 0,1%, chúng có độ phân tán cao (a  10-5...)
- Nhũ tương đậm đặc: nồng độ pha phân tán < 74%, ở đây các hạt vẫn giữ nguyên dạng
hình cầu và độ bền vững của chúng do chất nhũ hoá quyết định.
- Nhũ tương đậm đặc cao độ: nồng độ pha phân tán > 74%, hạt bị biến dạng thành hình khối
đa diện, sắp xếp chặt sát với nhau và ngăn cách nhau bởi lớp môi trường rất mỏng. Hệ có tính
chất cơ học giống gel và hiển nhiên các hạt không thể sa lắng được.
2. Độ bền vững tập hợp và bản chất của chất nhũ hoá
Nhũ tương là hệ không bền vững tập hợp vì có năng lượng tự do lớn; các hạt nhũ tương tự ý
liên kết lại với nhau lại thành tập hợp và cuối cùng hệ tách ra thành 2 lớp.
Để đánh giá độ bền vững của nhũ tương ta xét tốc độ phân lớp của nhũ tương, thời gian tồn
tại của nhũ tương và thời gian sống của từng hạt.
(a)
(b)
o
o
o
o
N
oo N
D
D oo
o
oo
o
o
o
o
o
oooo
ooo
o
o
o
o
o
o
o
o
oo oo
ooo
o
o
ooooo
oo ooo
o
o
o
o
D
o
o
o
N
o
o
o
oo
o o
o
o
o
o
o
oo ooo oo o
o
o
D
oo
o oo
o
oo
oo
o
D
o
o
o
oo
oo
oo
o
N
o
(c)
o
o
o
oo
o
oo
o
D
N
oo
o
o
o
oo o o ooo o oooo
o
oo
oo
o
o
o
o
oo
N
(d)
Hình 9.2. Chất nhũ hóa.
a, b,  bột rắn thấm nước tốt
c, d  bột rắn thấm dầu tốt
a, d  hệ bền;
b, c  hệ không bền.
Độ bền vững của nhũ tương phụ thuộc vào bản chất và nồng độ chất nhũ hoá. Nguyên nhân
là do chất nhũ hoá hấp phụ lên bề mặt làm cho sức căng bề mặt của hạt giảm và gây ra lực đẩy
giữa các hạt. Cũng vì thế bản chất của nhũ hoá còn quyết định loại nhũ tương là D/N hay N/D.
Các chất nhũ hoá thường dùng là chất HĐBM, xà phòng, chất CPT hay các tinh bột sắn.
3. Sự đảo tướng
51
Đây là hiện tượng đặc trưng cho nhũ tương: nếu thêm vào nhũ tương một lượng rất lớn chất
HĐBM có tác dụng ổn định cho nhũ tương loại ngược lại với nó thì sẽ xảy ra sự đảo tướng:
tướng phân tán chuyển thành môi trường phân tán và ngược lại (hình 9.3).
D/N
N/D
CaCl2
Hình 9.3. Sự đảo pha nhũ tương: Pha dầu:
9.2.3. Bọt
Là hệ phân tán khí trong môi trường phân tán lỏng. Độ phân tán của bọt rất thô, các hạt có
kích thước cỡ mm hay c.. .Các hạt bọt chiụ sự nén của các hạt bên cạnh nên bị mất dạng hình
cầu, trở thành những hình đa diện phân cách bởi một màng rất mỏng của môi trường phân tán.
Màng trong bọt thường có màu sắc, đó là hiện tượng giao thoa gây ra; điều đó chứng tỏ
Láng
KhÝ
ChÊt t¹o bät
Hình 9.4. Cấu tạo của bọt
chiều dày màng tương đương với bước sóng ánh sáng.
Bọt chỉ tạo thành khi trong hệ có chất tạo bọt. Các chất HĐBM có khả năng tạo bọt như
rượu có mạch hydrôcacbon dài, axít béo, xà phòng và các chất tẩy rửa, sapônin...
Độ bền vững của bọt phụ thuộc vào bản chất, nồng độ chất tạo bọt và các yếu tố bên ngoài.
Độ bền của bọt được đánh giá bằng thời gian sống của từng bọt hay của cả cột bọt.
Bọt có thể điều chế bằng cách sục khí vào dung dịch chất tạo bọt hay khuấy lắc dung dịch
chất tạo bọt.
Bọt được ứng dụng trong quá trình tuyến nổi làm giàu quặng và là yếu tố quan trọng trong
quá trình tẩy rửa.
9.3. HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN RẮN
+ Nếu chất phân tán là khí (khí/rắn) ta có bọt rắn. Trong tự nhiên gặp ở đá bọt (được dùng
làm đa mài và bê tông bọt), còn trong công nghiệp gặp ở vật liệu thuỷ tinh bọt, bê tông bọt,
cao su bọt, nhựa xốp.
+ Nếu chất phân tán là lỏng (lỏng/rắn) ta có nhũ tương rắn: rất ít gặp.
+ Nếu chất phân tán là rắn (rắn/rắn) như là thuỷ tinh màu, men sứ, các đá quý, các loại hợp
kim.
Những hệ này có thể hấp thụ và phân tán ánh sáng, nhưng không có tính chất động học
và keo tụ như các hệ phân tán khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
52
1. Trần Văn Nhân (Chủ biên), Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế. Hóa lí tập 2. NXB Giáo
dục, 1998.
2. Mai Long. Hóa lý. NXB Y học và Thể dục thể thao, Hà Nội, 1970.
3. Nguyễn Đình Huề. Giáo trình Hóa lý. NXB Giáo dục, 2000.
4. Trần Hiệp Hải, Nguyễn Văn Duệ. Bài tập hóa lí. NXB Giáo dục. 1985.
5. E.V. Kiseleva, G.S. Caretnhicop, L.V. Cudơriasôp. Bài tập hóa lí (bản dịch). NXB Đại học
và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1973.
6. Nguyễn Sinh Hoa. Giáo trình hóa keo. NXB Xây dựng, Hà Nội, 1998.
7. Lê Nguyên Tảo. Giáo trình hóa học chất keo. Khoa Hóa, ĐHTH Hà NộI, 1972.
8. Nguyễn Thị Thu. Hóa keo. NXB đại học Sư phạm, 2002
9. Lâm Ngọc Thiềm (Chủ biên), Trần Hiệp Hải, Nguyễn Thị Thu. Bài tập hóa lý cơ sở. NXB
Khoa học và Kĩ thuật, Hà Nội, 2003.
10. Nguyễn Hữu Phú. Hóa lý và hóa keo. NXB Giáo dục.2001.
11. S.S. Voiutski. Hóa học chất keo, tập 1,2 (bản dịch). NXB Đại học và Trung học chuyên
nghiệp, Hà Nội, 1973.
pháön thæï hai
HOÏA KEO ÆÏNG
DUÛNG
CHƯƠNG 10
HÓA KEO TRONG THỔ NHƯỠNG
(HỆ KEO ĐẤT)
10.1. KHÁI QUÁT
Keo đất là một ví dụ rất điển hình của hệ keo. Đất là một hệ keo phức tạp: tính chất, hình
dạng cũng như bản chất của các hạt keo đất quyết định khả năng hấp thụ của đất. Chính vì thế
mà hoá học chất keo có ý nghĩa to lớn trong thổ nhưỡng học.
Trong thổ nhưỡng học, phần tử cơ giới đất có kích thước từ 10-6-10-4 mm được gọi là hạt
keo đất, vì nó thể hiện các tính chất của hạt keo. Các hạt keo đất thường lơ lửng trong dung
dịch đất tạo thành hệ thống keo. Một hệ thống keo gồm có mixen keo và dung dịch giữa các
mixen. Các hạt keo đất không tan và cũng không kết tủa trong nước; với kích thước nhỏ, hạt
keo có thể lọt qua giấy lọc thông thường, nhưng các hạt keo không bị thẩm tách nghĩa là
không thấm được qua màng động vật.
Keo đất được hình thành do các hạt khoáng trong đất bị vỡ nhỏ trong quá trình phong hóa
vật lý, hoặc do sự ngưng tụ các phân tử và các ion trong đất. Keo đất có vai trò to lớn trong
việc tạo nên khả năng hấp phụ của đất, gắn kết các phân tử cơ giới thành đoàn lạp làm cho đất
tơi xốp và làm thay đổi nhiều đặc tính vật lý, hóa lý của đất.
Đặc tính cơ bản của keo đất:
53
- Keo đất có tổng diện tích bề mặt trong 1 đơn vị thể tích lớn. Chúng có rất nhiều hạt nhỏ, vì
vậy tổng diện tích của tất cả các bề mặt của toàn bộ các hạt nhỏ ấy sẽ rất lớn.
- Keo đất có năng lượng bề mặt. Vì chúng ở trong dung dịch và chuyển động trong đó nên
chịu tác động các lực xung quanh lên bề mặt tạo nên một năng lượng bề mặt lớn.
- Keo đất thường mang điện dương, điện âm hoặc lưỡng tính.
- Keo đất có thể ngưng tụ khi có tác dụng của môi trường chứa chất điện giải, nhất là các
ion hóa trị cao, hoặc ngưng tụ do mất nước khi gặp môi trường quá nóng, hoặc ngưng tự do
các keo trái dấu gặp nhau.
10.2. CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CỦA KEO ĐẤT
10.2.1. Cấu tạo
Dùng phương pháp nhiễu xạ tia X giải phẫu hạt keo, người ta thấy keo đất có thể là dạng
tinh thể hoặc vô định hình. Tướng phân tán của hệ keo gọi là mixen keo. Chất phân tán giữa
các mixen gọi là dung dịch ngoài. Mixen keo có cấu tạo 3 lớp:
10.2.1.1. Nhân Mixen (nhân keo)
Là tập hợp những phân tử vô cơ, hữu cơ hay hữu cơ – vô cơ, có cấu trúc tinh thể hoặc vô
định hình. Nhân mixen có thể là những axit mùn, hiđroxit sắt, oxit sắt, oxit nhôm, axit silisic,
kali bromua và những phần tử khoáng thứ sinh.
Tính chất và sự phân ly của nhân mixen là yếu tố quyết định dấu điện tích của keo.
10.2.1.2. Lớp ion tạo điện thế (lớp ion quyết định thế hiệu: ion QĐTH)
Là lớp ion mang điện tích trên bề mặt nhân mixen, tạo thành do sự phân ly của nhân keo
(nhân mixen) hay do những nguồn gốc mang điện khác. Dấu điện tích của keo chính là dấu
của lớp ion tạo điện thế, nếu lớp này là các ion âm (-) thì đó là keo âm. Ví dụ: keo silic, keo
hữu cơ…Nếu là các ion dương (+) thì đó là keo dương, như keo hiđroxit sắt, nhôm trong môi
trường axit…
Nhân keo + lớp ion tạo điện thế = hạt keo
(10.1)
10.2.1.3. Lớp ion bù (lớp ion nghịch)
Vì hạt keo mang điện của lớp ion tạo điện thế, chúng có sức hút tĩnh điện, nên đã hút một
lớp ion trái dấu bao bọc bên ngoài lớp ion tạo điện thế, tạo thành lớp ion bù.
Lớp ion bù với lớp ion tạo điện thế thành lớp điện kép. Dựa vào vị trí của chúng so với nhân
mixen, lớp ion bù còn được gọi là tầng ngoài của lớp điện kép.
Do lực hút tĩnh điện của hạt keo phụ thuộc vào khoảng cách với lớp ion tạo điện thế nên
chúng chịu những lực hút tĩnh điện khác nhau. Lớp ion bù phân bố thành lớp ion cố định (hay
lớp hấp phụ) và lớp ion khuyếch tán.
a. Lớp ion cố định: gồm phần lớn ion nằm sát lớp ion tạo điện thế, chịu lực hút tĩnh điện
mạnh, do đó bám chặt hơn lên hạt keo và hầu như không di chuyển.
Hạt keo (1) + lớp ion cố định của lớp ion bù = phần tử keo
(10.2)
Điện thế vốn có của keo là lượng điện của lớp ion tạo điện thế, do bản thân nhân keo tạo
nên. Nhưng vì lớp ion cố định bám rất chặt lên bề mặt hạt keo và tạo thành một khối với nó
nên đã trung hòa một phần điện tích ban đầu vốn có của nó, do đó lượng điện thực tế của keo
chính là lượng điện do phần tử keo (2) mang, bằng tổng lượng điện tích của lớp ion tạo điện
thế và lượng điện tích trái dấu của tầng ion cố định.
b. Lớp ion khuếch tán: gồm những ion cách xa lớp ion tạo điện thế của lớp ion bù, chịu lực
hút tĩnh điện yếu nên dễ dàng di chuyển ra ngoài dung dịch giữa các mixen keo. Những ion
khuyếch tán có thể trao đổi với các ion cùng dấu ở trong dung dịch tiếp xúc với hạt keo, tác
động trao đổi của keo xảy ra chính ở lớp ion khuyếch tán này, nên còn gọi lớp ion này là lớp
ion trao đổi.
Phần tử keo (2) với lớp ion khuyếch tán = nhân keo + lớp ion QĐTH + lớp ion bù =
mixen keo
(10.3)
Để dễ hình dung ta chia 1 mixen keo thành 3 phần như sau:
54
- Nhân mixen
- Lớp ion bên trong (lớp ion tạo điện thế)
- Lớp ion ngoài (lớp ion bù)
Lớp ion bù
Lớp ion
khuếch tán
Lớp
điện kép
Mixen keo
Lớp
ion
Lớp ion tạo
điện cố
thế định
Phần
tử
keoHạt
keo
Nhân mixen
Hình 10.1. Cấu tạo hạt keo đất
10.2.2. Phân loại keo đất
10.2.2.1. Phân loại theo nguồn gốc hình thành
Dựa vào nguồn gốc hình thành, keo đất được chia làm 3 loại:
a. Keo vô cơ: Đó là các keo có nguồn gốc từ các loại khoáng sét và hiđroxit sắt, nhôm. Ví
dụ: keo monmoriloit, caolinit…thường là những chất vô cơ có cấu tạo tinh thể, là những
khoáng thuộc loại aluminosilicat. Hoặc cũng có thể là những khoáng vô định hình như tập hợp
các phân tử sắt, nhôm hiđroxit, các phân tử axit silisic…
b. Keo hữu cơ: các loại keo được hình thành từ các chất hữu cơ chủ yếu là keo mùn ( axit
humic, axit fulvic) và các muối của nó, hoặc từ những chất hữu cơ thông thường như
xenlulozơ, protein, lignin…Các keo hữu cơ, vì có các nhóm định chức (-COOH, -OH, NH2…), nên có khả năng hấp phụ trao đổi cation (do ion H+ trong các nhóm này có thể bị thay
thế bằng các cation khác).
Các chất mùn khi kết hợp với các bazơ trong đất tạo ra các muối và khi tương tác với dung
dịch đất lại có thể trao đổi với các cation khác trong dung dịch:
COO
R
COOK
Ca
COO
+ 2KCl
R
+ CaCl2
(10.4)
COOK
c. Keo phức vô cơ - hữu cơ: dạng keo này phổ biến nhất ở trong đất. Dấu điện tích của keo
phức mang cũng như lượng điện tích của chúng phụ thuộc vào bản chất vô cơ và hữu cơ, vào
tỷ lệ kết hợp của chúng và vào phản ứng của môi trường.
10.2.2.2. Phân loại theo dấu điện tích của hạt keo
Dựa vào dấu điện tích, keo đất được chia làm 3 loại:
a. Keo âm: là những keo đất có lớp ion tạo điện thế mang dấu âm, lớp ion bù của chúng
là các cation - gọi là acidoit. Keo này có nguồn gốc từ khoáng sét, keo hữu cơ. Do sự thay đổi
lượng điện tích chúng mang, mà ta chia keo âm thành 2 loại:
* Keo mang điện âm thường xuyên: là những keo âm có lượng điện tích ổn định,
không thay đổi theo phản ứng của môi trường. Sự trao đổi đồng tinh thể ở các khoáng sét làm
cho keo này mang điện âm vĩnh cửu. Ví dụ:s ự trao đổi giữa Al3+ với Si4+ ở mạng lưới tinh thể
4 mặt, giữa Mg2+ với Al3+ ở thể 8 mặt.
55
o- -
4+
O Si O
Al3+
--
Mg2+
O- - Al3+OH
O- - Al3+ O- O- - Mg2+OH
Lượng trao đổi đồng tinh thể này chỉ phụ thuộc vào bản chất tinh thể của khoáng sét, không
phụ thuộc vào pH của môi trường, nên lượng điện âm này là cố định.
* Keo mang điện âm tức thời: đó là những keo có lượng điện tích thay đổi phụ thuộc
vào pH của môi trường. Sự phân ly ra ion H+ của các nhóm -COOH, -OH ở keo hữu cơ, cũng
như của nhóm -OH ở trên mạng lưới tinh thể của khoáng sét đều phụ thuộc vào pH của môi
trường. Khi pH càng cao thì H+ phân ly càng nhiều, lượng điện âm càng lớn và ngược lại. Quá
trình này được biểu diễn:
COO
R
COOK
Ca + 2KCl
COO
R
+ CaCl2
COOK
Nếu pH tăng, tức là OH  tăng thì phản ứng phân ly trên càng mạnh nên lượng điện âm tăng
lên và ngược lại.
b. Keo dương: là những keo đất có lớp ion tạo điện thế mang điện dương, lớp ion bù của
chúng là anion - gọi là bazoit. Trong điều kiện pH của môi trường thấp, keo setquioxyt (R2O3)
ngậm nước mang điện dương, keo caolinit mang điện dương do sự phân ly ion OH  .
c. Keo lưỡng tính: là những keo có lớp ion bù có thể đổi dấu từ điện âm sang điện dương
và ngược lại do pH của môi trường thay đổi (gọi là amphidoit). Một số keo lưỡng tính điển
hình trong đất là: keo hiđroxyt sắt Fe và keo hiđroxyt nhôm Al…
* Trong môi trường axit:
Fe(OH)3 + H 
[Fe(OH)2] + + H2O
Keo dương
+
Al(OH)3 + H
[Al(OH)2] + + H2O
Keo dương
* Trong môi trường bazơ:
Fe(OH)3 + OH 
[Fe(OH)2O]  + H2O
(pH = 7.1) Keo âm

Al(OH)3 + OH
[Al(OH)2O]  + H2O
(pH =8.1)
Keo âm
Keo từ trạng thái mang điện dương chuyển sang trạng thái mang điện âm do sự thay đổi của
pH thì phải qua trạng thái không mang điện. Giá trị pH mà ở đó keo không mang điện gọi là
điểm đẳng điện của keo. Ví dụ, keo Al(OH)3 có điểm đẳng điện pH = 8,1.
Bảng 10.1: Điểm đẳng điện của keo sắt, nhôm
Loại keo
Al(OH)3 vô định hình
Beierlit - Al(OH)3
Gibsit - Al(OH)3
Korund - Al2O3
Điểm đẳng điện
8.1
6.0 - 7.1
4.8
2.2
10.2.3. Tính chất của keo đất
56
Loại keo
Fe(OH)3 vô định hình
Limonit -2Fe2O3.3H2O
Gơtit - FeO(OH)
Hematit - Fe2O3
Điểm đẳng điện
8.5
3.6
3.2
2.1
a. Keo đất có tỷ diện lớn và có năng lượng bề mặt, nên có khả năng hấp phụ rất lớn.
Năng lượng bề mặt của keo đất sinh ra ngay trên bề mặt tiếp xúc giữa hạt keo đất với dung
dịch đất. Trên 1 ha, độ sâu 0 - 20 cm chứa 10% những hạt keo có kích thước 10-8 m thì tổng
thể tích bề mặt tầng đất là 7000 ha.
b. Keo đất mang điện tích: đây là điểm đặc biệt và quan trọng cho nên nó có thể tham gia
vào rất nhiều phản ứng trao đổi và các phản ứng hóa học khác.
c. Tính ưa nước và kỵ nước: do keo đất tích điện nên chúng không chỉ hút các ion mang
điện mà cả những phân tử có cực. Vì những phân tử nước có tính lưỡng cực nên thường bị các
keo hấp thu. Nếu là keo âm thì đầu của cực dương H+ tiếp xúc với keo và ngược lại, nếu là keo
dương thì đầu của cực âm OH- tiếp xúc với keo. Kết quả là một màng các phân tử H2O được
sắp xếp xung quanh hạt keo.
Quá trình này còn gọi là quá trình hyđrat hóa của keo. Mức độ hyđrat hóa của keo - tức là
độ dày của màng nước phụ thuộc vào bản chất của keo và độ lớn điện tích mà keo mang. Dựa
vào mức độ hyđrat hóa, keo đất chia làm 2 nhóm:
- Keo ưa nước có mức độ hyđrat hóa cao, màng nước bao xung quanh dày gồm nhiều phân
tử nước lưỡng cực, như: keo axit humic, fulvic, keo axit silisic…
- Keo không ưa nước có mức độ hyđrat hóa thấp: keo hiđroxyt sắt, nhôm, keo caolinit
…màng nước bao xung quanh mỏng.
10.3. TÍNH TỤ KEO VÀ SỰ TÁN KEO
10.3.1. Sự tụ keo
Đó là sự chuyển keo ở trạng thái phân tán (trạng thái sol) sang trạng thái ngưng tụ (trạng
thái gel). Quá trình tụ keo là do keo mất các màng nước hoặc do keo trở nên trung hòa điện
tích khi kết hợp với các phần tử (hạt keo) có điện tích ngược dấu.
Trong đất, các cation có khả năng làm tụ keo. Khả năng này phụ thuộc vào nồng độ, hóa trị
và bán kính thủy hóa của của các ion. Có thể xếp khả năng làm tụ keo theo dãy sau:
Li+ < Na+ < NH4+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < H+ < Al3+ < Fe3+
Nhìn chung, khả năng tụ keo của những ion có hóa trị II lớn gấp 25 lần so với các ion hóa
trị I. Khả năng tụ keo của những cation hóa trị III lớn gấp 30 lần các cation hóa trị II.
- Ngưỡng đông tụ: là nồng độ cần thiết của chất điện ly (trong đất là những cation) để
keo đất chuyển từ trạng thái sol sang trạng thái gel. Ngưỡng đông tụ phụ thuộc vào tính chất
của keo, độ lớn điện tích và mức độ phân ly của chất điện ly.
- Keo đông tụ thuận nghịch: là những keo đã đông tụ lại có khả năng chuyển sang
trạng thái sol. Những keo ưa nước thường bị các cation hóa trị I có mức độ hyđrat hóa mạnh
cướp dần màng nước và trung hòa điện tích do liên kết với các keo ngược dấu.
- Keo đông tụ không thuận nghịch (keo đông tụ một chiều): là những keo đất sau
khi đông tụ không còn khả năng chuyển sang trạng thái sol. Những keo không ưa nước bị
những cation hóa trị II và III trung hòa điện tích và đông tụ lại.
10.3.2. Khả năng tán keo
Đó là khả năng chống lại sự gắn kết những phần tử keo lại với nhau trong dung dịch do ảnh
hưởng của chất điện phân, phản ứng của môi trường…giữ cho keo ở trạng thái phân tán (trạng
thái sol của keo). Keo ở trạng thái này gọi là keo tán hay sol keo. Keo có mức độ hyđrat hóa
càng mạnh – keo ưa nước, thì càng bền vững ở trạng thái sol.
10.4. VAI TRÒ CỦA KEO ĐẤT
Nước tạo cho môi trường cho các hạt keo đất hình thành và hoạt động. Những hạt keo đất
có kích thước rất nhỏ, tạo nên một hệ hoá học cả vô cơ và hữu cơ, tích điện âm hay dương, keo
âm là của axit silixic, các humat (chất mùn), các keo khoáng sét dương là của hyđroxit sắt và
hyđroxit nhôm.
57
Hàm lượng keo trong đất nói chung phụ thuộc vào các chất mùn và khoáng sét. Lượng
chất mùn và khoáng sét càng nhiều thì càng có nhiều keo đất. Trong đất cát, keo chiếm tỷ lệ 2
– 3% trọng lượng đất, trong đất thịt là 10 – 30 %.
Vì có khả năng hấp phụ mà keo đất lưu giũ được dưỡng chất để chúng không bị rửa
trôi, đồng thời có tác dụng điều tiết nồng độ dưỡng chất, nhất là các chất muối chứa những ion
K+, Mg2+, Ca2+, NO3-, H2PO4-… để cây không “ngột” vì đậm muối.
Keo đất có nhiều ảnh hưởng quan trọng đối với tính chất hoá lý đặc trưng của đất, tạo
nên độ phì nhiêu cho đất (thông qua việc hoàn thiện thành phần cơ giới của đất). Ta thấy
những loại đất có thành phần cơ giới nặng hơn sẽ giàu chất dinh dưõng hơn. Hàng loạt những
tính chất vật lý của đất như: độ cứng, tính dính, độ dẻo, độ xốp, độ trữ ẩm, chế độ không khí
đều phụ thuộc thành phần cơ giới - mà các tính chất này lại ảnh hưởng rất mạnh đến sự sinh
trưởng của cây. Như vậy, đủ biết vai trò to lớn của hệ keo đối với sự sinh trưởng và phát triển
của cây trồng và năng suất thu hoạch sản phẩm.
=========================
58
Bài tham khảo:
KEO ĐẤT-TRUNG TÂM HOẠT ĐỘNG SỐNG
CỦA SINH THÁI MÔI TRƯỜNG ĐẤT
1. KEO ĐẤT: VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA
Keo đất là những hạt vật chất có kích thước 1-100µm và có khả năng phân tán trong
môi trường đất. Do kích thước của chúng rất nhỏ nên có thể chui qua giấy lọc. Tuy nhiên,
chúng không bị thẩm tách nghĩa là không thấm qua màng động vật được.
Nếu ta gọi đất là thịt, kết cấu đất là xương, nước và dung dịch đất là máu thì các hạt keo đất
đóng vai trò là những trung tâm hoạt động sống, trong phép nhân cách hoá có thể xem nó là
“quả tim” của môi trường sinh thái đất. Nhà khoa học người Áo F.Corniu coi trọng trạng thái
keo của vật chất trên bề mặt thạch quyển. Còn V.I Vernadski thì cho rằng keo là trạng thái đặc
trưng của “địa quyển nhiệt động thái” lớp bề mặt.
2. THÀNH PHẦN, CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA KEO ĐẤT
2.1. Thành phần keo đất
Keo đất có thành phần cơ bản của 4 loại chủ yếu sau đây:
a. Keo silicate.
+ Keo sét 1:1: Keo sét 1:1 gồm chủ yếu là nhóm kaolinite, ngoài ra còn có halloysite,
nacrite và dickite. Các phiến sét của khoáng 1:1 cấu tạo bởi một lớp tứ điện sllic kết hợp với
một lớp bát diện nhôm bằng cầu nối Oxigen.
+ Keo sét 2:1: Các phiến sét của khoáng 2:1 cấu tạo bởi hai lớp tứ điện sillic và xen
giữa là phần gibbsite
Ba loại khoáng chủ yếu thuộc loại này bao gồm :
1. Nhóm Smectite (khoáng có thể trương nở)
2. Nhóm Vermiculite (khoáng trương nở có giới hạn)
3. Nhóm Illite (khoáng không trương nở)
b. Keo hydroxid Fe, Al
- Gibbsite Al(OH) 3 là một loại keo hydroxit Al được tìm thấy do sự phong hóa của
khoáng nguyên sinh aluminosilicat.
- Geothite ( FeOOH ) và hematite (-Fe2O3) cũng là 2 loại keo hydroxit Fe thường tìm
thấy trong đất, được tạo thành do khoáng silicate nguyên sinh có chứa nhiều sắt
c. Keo vô cơ và keo vô định hình allophane, imogilite
Trong tro núi lửa thường chứa một lượng đáng kể 2 loại keo này với thành phần cơ bản
là SiO2.Al2O3.nH2O kết tủa ở dạng vô định hình.
d. Keo hữu cơ
Chất mùn của đất là một loại keo hữu cơ có sự sắp xếp giống như khoáng sét, bao gồm
keo mang điện tích và được bao chung quanh bởi các cation, điện tích âm trên khoáng sét gia
tăng và có thể lên đến 400-500 Cmol(+)/kg trên đất trung tính đến kiềm.
2.2. Phân loại
Có thể phân loại hệ keo đất gồm: keo vô cơ và keo hữu cơ:
a. Keo vô cơ: thường là những chất cô cơ có cấu tạo tinh thể như kaolinit, mongmorilonit…đó
là những khoáng thuộc loại aluminosilicat. Keo vô cơ còn có thể là những khoáng vô định
hình như tập hợp các phân tử sắt, nhôm hyđroxit; các phân tử axit silicic…keo đất thường
59
mang điện thường âm hoăc dương hoặc lưỡng tính, nhìn chung keo dương thường ít xuất hiện
hơn so keo âm. Chẳng hạn:
+ Ở môi trường axit:
H+
[Al(OH)3]n  [Aln(OH)3n-1]+
keo dương
H+
[Fe(OH)3]n

[Fen(OH)3n-1]+
+ OH-
+ OH-
keo dương
+ Ở môi trường kiềm:
OH[Al(OH)3]n  [AlnO(OH)3n-1]−
(pH = 8,1)
[Fe(OH)3]n

+ H+
[Fen O(OH)3n-1]− + H+
(pH = 7,1)
Vì đất có xu hướng chua dần, nên trong nhiều loại đất, các keo vô định hình của sắt,
nhôm hyđroxit thường là keo dương.
b. Keo hữu cơ: thường là keo mùn (axit humic, axit funvic và các muối của nó thường tích
điện âm và có khả năng hấp phụ trao đổi cation do có nhóm –COOH. Ion H+ trong các nhóm
này có thể bị thay thế bằng các cation khác.
Các chất mùn khi kết hợp với các bazơ trong đất tạo ra các muối và khi tương tác với
dung dịch đất lại có thể trao đổi với các cation khác trong dung dịch:
COO
COOK
Ca + 2KCl 
R
COO
R
+ CaCl2
COOK
2. 3. Cấu tạo hạt keo đất
- Nếu giải phẫu hạt keo vô cùng nhỏ bé thì người ta thấy chúng cũng có các phần:
+ Trong cùng là nhân, thường là hợp chất vô cơ hay hữu cơ. Có thể là axit silisic
hoặc oxit Fe, oxit nhôm hoặc KBr.
+ Tiếp vùng thứ hai một lớp mang điện, thường là điện âm (sẽ là keo âm) gọi là lớp
ion quyết định thế hiệu của keo.
+ Lớp kế tiếp thứ 3: là lớp ion mang điện trái dấu với lớp thứ 2. Đặc tính của lớp
ion này là cố định và được mang tên là ion không di chuyển.
+ Lớp thứ 4: là lớp ion trao đổi có điện cùng dấu, cùng điện với lớp thứ 3 nhưng có
khả năng trao đổi với môi trường bên ngoài bởi vì lực liên kết đối với nó kém bền vững so với
lớp thứ 3.
Một số danh từ của cấu tạo hạt keo:
- Lớp 3 và 4 được gọi chung là lớp điện bù.
- Lớp 2, 3, 4 được gọi chung là lớp điện kép.
- Lớp 1 là lớp nhân keo.
- Phần nhân cùng lớp ion quyết định thì được gọi là phần vi lạp.
- Phần vi lạp cùng với lớp ion không di chuyển gọi là hạt keo.
- Toàn bộ từ nhân cho đến lớp ion trao đổi được gọi là mixen keo.
60
Lí p
Ion bï
Lí
p
Lí p
Ön
®i
x¸ c
Nh©n mixen
g
ph©
n
t¸ n
eo
bï
uÕ
ch
én
t®
bÊ
®Þn
h
Õ
TiÓu
ion
ion
th
nk
p
kÐ
Mi
xe
kh
Granul
Hình 10.2. Cấu tạo hạt keo đất
2.4. Đặc tính cơ bản của keo đất
- Keo đất có tổng diện tích bề mặt trong một đơn vị thể tích lớn. Chúng có rất nhều hạt
nhỏ vì vậy tổng diện tích của tất cả các bề mặt của toàn bộ các hạt nhỏ ấy sẽ rất lớn.
- Có năng lượng bề mặt. Vì chúng ở trong dung dịch và chuyển động trong đó nên chịu
tác động các lực xung quanh lên bề mặt tạo nên một năng lượng bề mặt lớn.
- Keo đất thường mang điện, hoặc âm hoặc dương hoặc lưỡng tính.
- Có thể ngưng tụ khi có tác dụng của môi trường chứa chất điện giải, nhất là các ion
hoá trị cao, hoặc ngưng tụ do mất nước khi môi trường quá nóng, hoặc do ngưng tụ do các hạt
keo trái dấu.
3. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CỦA KEO ĐẤT
3.1. Hấp phụ cơ học
Hấp phụ cơ học xuất hiện khi lọc nước tự nhiên hoặc nhân tạo. Khe hở mao quản và phi
mao quản giữ lại các hạt tạp chất trong nước có đường kính lớn hơn đường kính khe hở, làm
nước sạch hơn. Đó là nguyên nhân làm nước ngầm sạch.
3.2. Hấp phụ sinh học
Hấp phụ sinh học xảy ra khi có mặt động thực vật vi sinh vật. Trong quá trình sống của
mình các vi sinh vật này lấy các chất khoáng hữu cơ, vô cơ một cách chọn lọc, tuỳ từng loài.
Sau khi các sinh vật chết đi, môi trường sinh thái (MTST) đất được làm giàu nhờ sản phẩm
của chúng. Ví dụ: vi khuẩn cố định đạm lấy N khí trời cho MTST đất. Các động vật thải ra
chất giàu nitơ, phospho…và các nguyên tố vi lượng khác. Quá trình sống và kể cả khi chết đi
đã làm đất giàu lên, hoạt tính môi trường mạnh hơn
3.3. Hấp phụ phân tử
Hấp phụ phân tử xuất hiện trên bề mặt hạt keo khi giữa chúng và môi trường đất có chênh
lệch nồng độ phân tử. Nguyên nhân là do năng lượng bề mặt. Vật chất nào làm giảm sức căng
bề mặt ngoài dung dịch đất, thì sẽ bị hấp phụ vào bề mặt hạt keo. Ngược lại, vật chất nào làm
tăng sức căng bề mặt ngoài dung dịch đất sẽ bị đẩy ra khỏi hạt keo đất. Các phân tử nhỏ của
môi trường đất có thể hút phân tử đất cũng có thể hút các phân tử khí, hơi nước và các phân tử
chất lỏng. Các phân tử cũng có thể hấp phụ những phân tử không phân ly thành các ion của
các vật chất rắn dưới dạng phân tử.
Ví dụ: khi dung dịch dầu thấm qua đất thì các phân tử trong dầu bị hấp thụ, hoặc một
dung dịch mực màu thấm qua môi trường đất, bị chúng giữ lại một số lớp phân tử mang màu
nên mực bị nhạt màu. Đó là khả năng hấp phụ của đất với môi trường nước. Còn với môi
trường khí, đất cũng có khả năng đó. Về khả năng này cũng có thể xếp theo thứ tự yếu dần:
H2Ohơi > NH3 > CO2 > N2
61
3.4. Hấp phụ trao đổi (hấp phụ ion)
Trong đất có những hạt nhỏ đường kính < 0,001 mm gọi là hạt keo đất, lớp ion mang điện
tích quanh hạt keo (lớp điện trao đổi) có khả năng kết hợp với các ion trái dấu là cơ sở để tạo
thành tính hấp phụ của đất. Như ta đã nói ở phần cấu tạo hạt keo: keo có thể là keo âm, keo
dương, keo lưỡng tính. Với lớp ion bên ngoài có thể dương hoặc âm nên có thể xảy ra sự hấp
phụ trao đổi ion dương hay âm.
Quan hệ giữa tính hấp phụ của đất với nồng độ các ion ngoài dung dịch đất là quan hệ trao
đổi: khi nồng độ các ion trong dung dịch tăng cao (lúc bón phân) thì hạt keo đất sẽ hấp phụ các
ion và khi nồng độ ion trong dung dịch giảm đến một giới hạn nhất định thì các ion từ hạt keo
đất được giải phóng ra ngoài. Như vậy, tính hấp phụ của đất có chức năng giữ và điều hòa chất
dinh dưỡng trong đất rất cần cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Ðất có nhiều mùn,
nhiều sét thì khả năng hấp phụ cao.
3.4.1. Hấp phụ trao đổi cation
Nguyên lý: dạng hấp phụ này chỉ xảy ra trên bề mặt tiếp xúc của keo âm (lớp trao đổi là ion
dương). Ví dụ: xung quanh keo đất có Ca2+ sẽ được trao đổi với một cation trong dung dịch
đất trên bề mặt tiếp xúc, chẳng hạn, với H+ mới xâm nhập vào dung dịch đất. Sự trao đổi này
là hoạt tính rất đặc trưng của keo đất và của MTST đất, không có ở bất kì một môi trường nào
khác. Nó cũng giốn như sự trao đổi của rễ cây với dung dịch đất trong môi trường, nhưng về
nguyên lý thì khác nhau rất nhiều. Có thể biểu diễn quá trình trên theo sơ đồ sau:
HCl xâm nhập
Ca2+
Ca
Ca2+
2+
Ca2+
Ca
CO3
2-
Ca
2+
2+
Ca2+
CaCO3 CO32Ca2+
Ca2+
2+
2-
Ca2+
Ca
H+
H+
2+
CO32CaCO3 CO32-
+ 4HCl
Ca
CO3
Ca
2+
Ca2+
CO32-
H+
+ 2CaCl2
H+
Ca2+
Ca2+
Dung dịch đất
Dung dịch đất
Hình 10.3. Sơ đồ trao đổi của hạt keo đất với HCl xâm nhập
b. Các quy luật của sự trao đổi
+ Trao đổi theo đương lượng: một đương lượng gam của 1 cation chỉ trao đổi được với
một và chỉ một đương lượng của 1 cation khác mà thôi. Tương tự 2 đương lượng gam thì trao
đổi được với 2 đương lượng. Ví dụ: Quá trình trao đổi sau:
(KĐ)Ca2+ + 2NaCl  (KĐ)2Na+ + CaCl2
Một đương lượng gồm Ca hoá trị II chỉ đổi đựơc một đương lượng gam của Na+ (tức là 2
cation Na hoá trị I) hay 40g Ca trao đổi với 46g Na
+ Trao đổi cation theo chiều thuận nghịch: ví dụ canxi trong dung dịch đất có thể trao
đổi với H+ trên bề mặt keo đất:
(KĐ)2H+
+
CaCl2  (KĐ)Ca2+
+
2HCl
+
và cũng tất nhiên H trong dung dịch đất cũng trao đổi được với Ca2+ trên bề mặt keo đất:
(KĐ)Ca2+
+ 2HCl  (KĐ)2H+
+ CaCl2
+ Cường độ trao đổi hoạt tính phụ thuộc vào:
- Hoá trị càng cao thì cation trao đổi càng mạnh.
62
- Nếu cùng hoá trị cation nào có bán kính lớn (tức màng thuỷ hoá bé) trao đổi mạnh
hơn - vì lực hấp phụ theo định luật Culong, F giảm theo bình theo bình phương bán kính
1 Fc Fa.
).
e R 2c
(F= .
- H+ là một cation đặc biệt vì màng thuỷ hoá rất mỏng nên khả năng trao đổi không
những hơn khả năng ion hoá trị I mà cao hơn cả cation hoá trị II.
+ Khả năng trao đổi phụ thuộc nồng độ cation trong dung dịch đất bao quanh hạt keo. Nếu
nồng độ càng cao thì khả năng trao đổi càng mạnh.
c. Dung tích hấp phụ trao đổi cation
+ Khả năng hấp phụ của môi trường đất được đặc trưng bởi dung tích hấp phụ trao đổi
cation của keo đất.
+ Dung tích hấp phụ là tổng số cation hấp phụ trong 100g đất, đơn vị là meq/100g (hay
ly đương lượng: lđlg/100g) - kí hiệu T. Tổng số cation này bao gồm cả cation kiềm, kiềm thổ
(S) và cation H+ (H).
Vậy: T = S + H
Giá trị của T phụ thuộc vào:
- Thành phần keo: T keo monmorilonite = 350 meq/100 > Ilit = 30 – 40 (meq/100) >
kaolinite = 5 –15 (meq/100).
- Thành phần cấp hạt: sét > thịt > cát.
- pH môi trường : pH tăng thì T tăng.
- Mỗi vùng MTST đất có một T nhất định.
d. Độ no kiềm của môi trường đất
Để đặc trưng cho phản ứng và thành phần của cation trong môi trường đất người ta đưa
ra khái niệm độ no kiềm. Đó là tỷ lệ phần trăm giữa lượng cation kiềm kiềm thổ trên tổng số
cation:
V(%) =
S  100
S 100

T
SH
V càng lớn độ no kiềm của môi trường đất càng lớn.
V < 50%:
đói kiềm
50% < V < 70%: trung bình.
V > 70%:
no kiềm.
3.4.2. Sự hấp phụ anion của keo đất
Sự hấp phụ xảy ra ở keo dương (vì lớp ion trao đổi trên bề mặt hạt keo là âm còn lớp
quyết định thế là dương). Sự hấp phụ này không nhiều vì đa số keo đất là keo âm còn keo
dương quá ít. Tuy vậy tính hấp phụ này có mấy đặc trưng sau:
a. Về khả năng hấp phụ có thể có bất đẳng thức sau
H2PO4– > HCO3– > SCN– > SO42– > Cl– > NO3–
b. Có thể chia ba nhóm theo khả năng hấp phụ
+ Nhóm 1: hấp phụ mạnh: PO4–, HPO42– , H2PO4–. Do khả năng tạo kết tủa mạnh khi kết
hợp Al3+, Fe3+, Ca2+ hoặc trao đổi OH– trên bề mặt keo cao.
+ Nhóm 2: không bị hấp phụ . Ví dụ: Cl– , NO3– và NO2– vì chúng là những muối dễ tan
(không kết tủa) vì vậy chúng dễ bị rửa trôi.
Tuy nhiên, các nhà khoa học cho rằng nếu môi trường đất quá chua thì một lượng nhỏ
anion sẽ bị hấp phụ vào đất. Ví dụ pH = 3,3 lượng Cl– hấp phụ sẽ là 1,1 meq/100g
+ Nhóm 3: là nhóm trung gian giữa nhóm 1 và 2, gồm có SO42–, SO32–, HCO3– , CO32–,
SiO32–. Trong trường hợp có Ca2+ thì SO42– sẽ hấp phụ nhiều hơn để tạo thành CaSO4 hoặc
CaSO4.2H2O (thạch cao).
Khả năng hấp phụ anion phụ thuộc pH môi trường đất. Đất chua sẽ hấp phụ nhiều anion.
3.5. Hấp phụ hoá học của môi trường đất
63
Là sự hình thành các kết tủa hợp chất hoá học từ các chất dễ tan ban đầu trong dung dịch
đất. Dạng hấp thu hoá học là do trong đất có những phản ứng hoá học xảy ra, làm biến đổi một
số chất tan thành dạng kết tủa ở lại trong phần rắn của đất (không bị rửa trôi). Chẳng hạn:
- Khi photphat I canxi hidrocacbonat trong đất, phản ứng sẽ tạo nên photphat II hoặc III
canxi không tan.
Ca(H2PO4)2 + Ca(HCO3)2 = 2H2CO3 + 2CaHPO4
Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2 = 4H2CO3 + Ca3(PO4)2
- Ở đất chua và đất đỏ có nhiều nhôm, sắt thì sự hấp thu hoá học của axit H3PO4 chủ yếu
sẽ diễn ra theo hướng tạo thành photphat của sắt nhôm ít tan:
Fe(OH)3 + H3PO4 = FePO4  + 3H2O
Al(OH)3 + H3PO4 = AlPO4  + 3H2O
Do đó, phản ứng của môi trường đất (pH của dung dịch đất) có ảnh hưởng rõ rệt
đến sự hấp thu hoá học. Nhờ quả trình này mà các hợp chất mới tạo thành được hấp phụ trong
môi trường đất (không bị rửa trôi).
Sự hấp thu này chỉ có lợi trong trường hợp đất có nhiều sắt, nhôm di động. Nhờ đó cây
không bị ngộ độc do hàm lượng cao của các ion này. Tuy nhiên, trong trường hợp này lân dễ
tan chuyển thành dạng kết tủa, cây trồng sẽ thiếu lân, hiệu suất phân lân sẽ giảm sút. Tuy
nhiên cũng
Tóm lại, trong các kiểu hấp phụ kể trên thì hấp phụ trao đổi là đặc trưng nhất cho hoạt
tính MTST đất. Do nó mà môi trường sinh thái đất mới dự trữ thức ăn đủ cho sinh vật và năng
lượng cho môi trường .
4. TÍNH CHẤT CHUA KIỀM CỦA ĐẤT
4.1. Phản ứng môi trường thông qua dung dịch đất
Phản ứng môi trường tức là sự biểu hiện tính chua, kiềm hay trung tính được xác định
bởi nồng độ ion [H+] hoặc [OH–]. Nó có tính chất quyết định đến hoạt tính MTST đất.
Trong nước nguyên chất: H2O  H+ + OH– và nồng độ của chúng [H+] = [OH–] = 10-7
(ion gam/lít).
Khi thêm axit vào môi trường dung dịch sẽ có [H+] tăng và >10-7, môi trường sẽ chua.
Nếu thêm lượng kiềm vào dung dịch đất, dung dịch sẽ có [OH–] > 10-7 (ion gam/lít), môi
trường sẽ kiềm.
Người ta thay pH = - lg[H+] và vì vậy nếu pH > 7, môi trường sẽ kiềm, pH < 7 môi
trường sẽ chua.
4.2. Nguyên nhân gây chua môi trường đất
+ Do đặc tính từng loại môi trường đất: đất phèn chua, đất bazan ít chua, đất nhiều
CaCO3 không chua. Ví dụ: Đất phèn chua bởi chứa nhiều axit H2SO4 do:
2S + 3O2 + 2H2O  2H2SO4 + Q nhiệt lượng.
+ Do thực vật lấy dinh dưỡng K+, Ca2+, Mg2+, Na+, vì vậy trong môi trường đất chỉ còn
+
lại H , mà càng nhiều H+ thì đất lại càng chua.
+ Do mưa nhiều, các cation kiềm và kiềm thổ, OH– bị trôi còn lại Al3+, Fe3+ và H+. Cả 3
loại ion này đều gây chua cho đất.
+ Do chất hữu cơ bị phân giải trong môi trường yếm khí tạo nhiều axit hữu cơ.
+ Do trình độ phân ly của các axit hữu cơ và vô cơ các bazơ, MTST đất đã tạo ra nhiều
H+ hoặc ít OH–.
+ Do quá nhiều Al3+, Fe2+ trong môi trường đất.
4.3. Độ chua của môi trường đất
Độ chua này chia ra 2 loại: độ chua hoạt tính và độ chua tiềm tàng. Trong độ chua tiềm
tàng lại chia làm 2 loại nữa đó là: độ chua trao đổi và độ chua thuỷ phân.
4.3.1. Độ chua hoạt tính
64
Tạo nên bởi lượng ion H+ có sẵn trong dung dịch đất. Muốn đo độ chua này người ta phải
rút dung dịch bằng nước cất, tỷ lệ đất nước 1: 1,25 và đơn vị đại lượng để đo là pH gọi là
pHH2O (pH nước) đo bằng máy đo pH.
Môi trường đất vùng nhiệt đới nói chung và Việt Nam nói riêng đều chua, pHH2O = 4,5 –
5,5 thậm chí ở đất phèn pHH2O) = 2,0 – 4,5 ; còn đất phù sa sông Hồng pHH2O = 7.
4.3.2. Độ chua tiềm tàng
Trên bề mặt hạt keo đất thường có thêm H+ và Al3+. Nếu cho tác dụng 1 muối vào keo
đất thì Al3+ và H+ sẽ bị giải phóng vào dung dịch đất. Nếu dung 2 loại muối khác nhau để tác
dụng vào keo đất, thì sẽ tạo nên 2 độ chua khác nhau.
a. Độ chua trao đổi
Là loại độ chua sinh ra trong môi trường đất khi dung muối trung tính, ví dụ: KCl hoặc
NaCl, tác động vào keo đất để giải phóng vào dung dịch đất thêm 1 lượng H+ và Al3+. Các
cation mới này cùng với các cation H+, Al3+ có sẵn trong dung dịch đất sẽ tạo nên độ chua trao
đổi (sinh ra từ phản ứng trao đổi nên gọi là độ chua trao đổi). Điều đó giải trình như sau: K+ từ
muối KCl vào đổi chỗ cho H+ và Al3+ trong keo đất để rồi H+, Al3+ đi vào dung dịch đất và gây
chua ở đó. Đơn vị đại lượng này là pHHCl. Vì vậy pHHCl thường nhỏ hơn pHH2O ở cùng một
điều kiện. Đo độ chua này bằng pH kế, sau xử lý mẫu 10 – 15 phút.
Người ta cũng có thể dùng đơn vị thứ 2 là meq/100g, nhưng điều kiện là muốn cho phản
ứng trao đổi xảy ra hết thì phải sau 1 giờ.
b. Độ chua thuỷ phân
Là độ chua sinh ra trong môi trường đất khi dùng một muối của axit yếu và bazơ mạnh
tác động vào keo đất.
Ví dụ: natriacetat (mạnh hơn muối trung tính) để đẩy hầu hết các cation H+, Al3+ mới
sinh ra cùng với các cation H+, Al3+ có sẵn (hoạt tính) trong dung dịch đã tạo nên độ chua rất
lớn, nhiều lần hơn độ chua trao đổi và độ chua hoạt tính. Quá trình đó được biểu diễn:
NaCH3COO + H2O => CH3COOH + NaOH.
CH3COOH hầu như không phân ly nên không sinh ra H+ còn.
phân ly hoàn toàn
NaOH
OH– + Na+ (dung dịch sẽ có pH = 8,2 – 8,5).
Na+ sẽ đẩy tất cả H+, Al3+ trên bề mặt các hạt keo vào dung dịch đất.
Đơn vị độ chua thuỷ phân tính bằng meq/100g. thường độ chua thuỷ phân của đất phèn
rất lớn: 14 – 18 meq/100g. Còn đất đồi cũng khá lớn: 9- 17 meq/100g.
4.4. Phản ứng chua của môi trường đất thông qua dung dịch đất
Phản ứng chua của môi trường đất thông qua dung dịch đất là do môi trường đất tăng
thêm nhiều OH– từ các quá trình:
* Chứa nhiều cation kiềm K+ và Na+ để khi hợp nước sẽ thành KOH và NaOH.
* Đất mặn chứa nhiều muối Na+ hấp phụ để tạo ra NaOH.
* Đất giàu cation kiềm thổ Ca2+, Mg2+ ở các vùng đất đá vôi hoặc đất có trầm tích
vỏ sò.
Nhờ có OH- trong dung dịch nên tính kiềm cao pH ≥ 7. Phản ứng kiềm ở môi
trường đất Việt Nam rất ít thấy.
4.5. Ảnh hưởng chua độ chua kiềm đến thực vật
Tính chất chua kiềm của đất (pH của đất) có ảnh hưởng trực tiếp sự phát triển đến sự
phát triển thực vật và vi sinh vật, đến tốc độ và chiều hướng của các quá trình sinh hoá, hoá
học trong đất. Sự đồng hoá các chất dinh dưỡng của thực vật, hoạt động của vi sinh vật đất, sự
khoáng hoá các chất hữu cơ, quá trình phân huỷ các chất khoáng và sự hoà tan các hợp chất
khó tan, việc kết tụ và phân tán keo và những quá trình hoá lý khác, phần lớn phụ thuộc pH
của đất. Mặt khác, cây trồng và phân bón có thể làm thay đổi pH của đất như axit hoá hoặc
kiềm hoá đất. Nồng độ của ion H+ trong dung dịch đựơc biểu thị bằng pH (pH = - lg[H+] )
65
5. TÍNH ĐỆM CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẤT
5.1. Định nghĩa
Tính đệm là đặc tính của môi trường đất, thông qua dung dịch đất, biểu hiện khả năng
của nó giữ cho pH môi trường ít thay đổi khi có một lượng OH– hay H+, Al3+ xâm nhập vào
môi trường.
5.2. Vai trò
Tính đệm có một ý nghĩa quan trọng, giữ cho pH môi trường sinh thái đất ít thay đổi,
hạn chế ảnh hưởng xấu, tác động đột ngột của các tác nhân môi trường mà các tác động đó hạn
chế các hoạt động, đặc biệt là hoạt động sinh học. Mặt khác, nó giúp ta tính toán nhu cầu bón
vôi cải tạo đất chua. Nếu tính đệm cao thì lượng vôi bón phải tăng hơn. Đó là nguyên nhân
chính tạo ra khả năng tự làm sạch của MTST đất.
5.3. Nguyên nhân
5.3.1. Do môi trường đất có khả năng trao đổi cation giữa keo đất và dung dich đất
Trên bề mặt hạt keo luôn luôn có cả H+ lẫn các cation kiềm và kiềm thổ K+, Na+, Ca2+,
Mg2+…Vì vậy nếu có một trường hợp nào đó định làm tăng độ chua (tăng OH-) thì sẽ có hiện
tượng trao đổi ngay lập tức. Chẳng hạn, quá trình xâm nhập axit có thể biểu diễn theo sơ đồ
sau:
H2SO4
xâm nhập
K+ Ca2+
H2SO4
H+
Mg2+
Na+ K Đ
+2H+ + SO42Dung dịch đất
K+ 2H+
H+
Na+ KĐ
Mg2+
+
Ca2+ + SO42--
Dung dịch đất
Hình 10.4. Sơ đồ trao đổi của hạt keo đất với H2SO4 xâm nhập
5.3.2. Do trong môi trường đất có sẵn các axit amin, các axit humic, fulvic.
Ví dụ: môi trường đất có sẵn các axit amin, khi có xâm nhập của:
+ Axit HCl (HCl bị liên kết với NH2 thành NH3Cl trong axit)
HCl
xâm nhập
HCl
NH2
RCH
COOH
Dung dịch đất
+ H+ + Cl-
NH3Cl
R
CH
COOH
Dung dịch đất
Hình 10.5. Sơ đồ trao đổi của hạt keo đất có axit amin với HCl xâm nhập
66
+ Bazơ: Đó là khi xuất hiện NaOH thì Na+ sẽ bị H+ của nhóm COOH trao đổi.
NaOH
xâm nhập
NaOH
NH2
RCH
+
+ Na + OH
NH2
-
R
CH
COOH
Dung dịch đất
+ H2 O
COONa
Dung dịch đất
Hình 10.6. Sơ đồ trao đổi của hạt keo đất có axit amin với NaOH xâm nhập
+ Đối với axit humic và fulvic (axit mùn) có chứa nhóm định chức HOOC-R-OH nên
khi có một bazơ hay một axit xâm nhập vào dung dịch đất thì các cation kiềm hoặc gốc axit
của chất mới xâm nhập bị đưa vào liên kết thay thế OH- hay H+ của nhóm định chức của mùn.
Sơ đồ biểu diễn như sau:
Axit HCl
xâm nhập
HCl
OH
Cl
+
R
-
+ H + Cl
R
COOH
Dung dịch đất
+ H2 O
COOH
Dung dịch đất
Hình 10.7. Sơ đồ trao đổi của hạt keo đất có axit humic với HCl xâm nhập
+ Khi bazơ xâm nhập: NaOH
xâm nhập
NaOH
OH
OH
+
R
+ Na + OH
COOH
Dung dịch đất
-
R
+ H2 O
COONa
Dung dịch đất
Hình 10.8. Sơ đồ trao đổi của hạt keo đất có axit humic với NaOH xâm nhập
5.3.3. Do môi trường đất có chứa nhiều Al3+ (có khả năng đệm OH-) mà không có khả
năng đệm H+). Theo R.K.S Copin và Prenmen (1964), lúc pH < 4,1 có hiện tượng thuỷ hóa,
với sự xuất hiện 6 phân tử nước bao quanh. Nếu lúc này xuất hiện trong dung dịch đất lượng
kiềm thì 2 cation nhóm thuỷ hóa ấy thành Al hoá trị +4 (Al4+)
OHH2 O
H2 O 3 +
H2 O
H2 O 4 +
Al
H2O Al
H2 O
H2O Al
H2O
2
+2OH
H2O
H2 O
H2 O
OHH2 O
H2 O
H2 O
67
Sau đó: 2H+ + 2OH- -->H2O để giải phóng ra 2H+; 2H+ này liên kết với 2OH- mới xuất
hiện thành 2H2O, nên môi trường vẫn không bị thay đổi.
Trong trường hợp tăng thêm lượng bazơ xâm nhập nghĩa là tăng lượng OH- thì 4 cation
Al3+ thuỷ hoá sẽ kết hợp với nhau tạo thành cation nhôm hoá trị dương 6Al3+), và giải phóng ra
6H+ để trung hoà với 6OH- và làm cho môi trường không thay đổi.
5.3.4. Nguyên nhân cuối cùng là do môi trường chứa các chất kiềm, có khả năng trung hòa
axit. Nếu thêm lượng axit vào các chất kiềm này sẽ trung hoà axit mới xâm nhập, làm môi
trường không thay đổi.
5.4. Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính đệm
- Số lượng keo: càng nhiều tính đệm càng cao.
- Thành phần keo tính đệm giảm theo: keo mùn > keo monmorilonite > keo kaolinite >
keo illite.
6. ĐẶC TÍNH OXIHÓA - KHỬ CỦA MÔI TRƯỜNG SINH THÁI ĐẤT
6.1. Vai trò của oxihoá – khử
Đây là một quá trình phổ biến trong hầu hết MTST đất. Nó được xác định bởi sự trao
đổi cho và nhường điện tử. Sự oxihoa là quá trình chất khử nhường điện tử. Còn sự khử là quá
trình làm mất điện tử của chất oxihoa. Phản ứng oxihoa - khử liên quan mật thiết đến quá trình
sống và hoạt động của sinh vật, sự phân giải chất hữu cơ và chu trình sinh học trong môi
trường đất, cũng như một số phản ứng hoá học khác, biểu hiện mức độ hoạt động của môi
trường đất.
6.2. Phản ứng oxihoa – Khử
Trong môi trường đất thường tồn tại các cặp oxihoa – khử sau:
Chất oxihoa
Chất khử
( ký hiệu Ox)
(ký hiệu Red)
CO2
e
CH4, CO
NO-, NO32-
e
N2, NH3
SO42-
e
H2 S
PO43-
e
PH3
Fe3+
e
Fe2+
Mn6+, Mn4+, Mn3+
e
Mn2+
Cu2+
e
Cu
Sinh vật háo khí
e
Vi sinh vật yếm khí
6.3. Các vi sinh vật háo khí tham gia vào quá trình oxihoa-khử
Dưới đây là các loại vi sinh thường gặp
a. Vi sinh vật háo khí:
+ Nitrosmonas và Nitrosoccus giúp cho phản ứng:
NH3 + 1,5O2 → NO2− + H+ + H2O
+ Nitrobacter giúp cho quá trình:
NO2- + 0,5O2 → NO3−
+ Thiobaccillus feroxidans, sphaerotilus, gallionnelle tham gia vào:
68
Fe2+ + H+ + 0,25O2 → Fe3+ + 0,5H2O
+ Thiobacillus thiodans, thiobacillus thioparus. Thobacillus Novellus tham gia vào:
H2S + 0,5O2 → S + H2O
S + 1,5O2 + H2O → SO42- + 2H+
b. Vi sinh vật yếm khí:
+ Thiobacillis denitrificans tham gia vào quá trình:
Hợp chất S → NO3− → N2
+ Psedomonas denitrificans tham gia vào quá trình:
Chất hữu cơ → NO3−→ N2
+ Methanobacterium, methanospirilium, methanococus, methannosarcia tham
gia quá trình:
Axit hữu cơ, CO → CO2 → CH4
+ Desulfovibrio tham gia vào quá trình:
H2 + Hữu cơ → SO42- → S2O32- → H2S
6.4. Quá trình oxihoa – khử của các ion kim loại điển hình
Đại diện cho quá trình này gồm các cation sắt, mangan
a. Quá trình oxihoa – khử Fe:
+ Phản ứng oxihoa: quá trình xảy ra trong điều kiện háo khí, các cation Fe2+ được oxihoa
thành Fe3+: Fe2+ - 1e → Fe3+
Ở điều kiện phản ứng môi trường đất trung tính thì quá trình này xảy ra mang đậm tính
hoá học. Nếu trong điều kiện môi trường hơi chua hoặc chua thì quá trình trên có sự tham gia
xúc tác của vi sinh vật mà đại diện là thiobaccillus feroxidans, metallogenium. Nhờ có vi sinh
vật mà các quá trình đó tăng tốc độ phản ứng.
+ Phản ứng khử: ở điều kiện yếm khí, ngược lại vớiháo khí, cation Fe3+ sẽ chuyển thành
Fe2+:
Fe3+ +1e → Fe2+
Quá trình này không tách rời với tác dụng của hệ vi sinh vật.
b. Quá trình OXH – Khử Mangan:
Trong môi trường đất yếm khí mang tính axit, cation Mn6+ sẽ bị khử thành Mn4+, sau
đó thành Mn2+, điều này thường xảy ra trong ruộng lúa.
Ngược lại trong môi trường đất có phản ứng háo khí, cation Mn2+ lạI dễ bị oxh thành
4+
Mn , mà chua cần sự tham gia của vi sinh vật. Trong môi trường pH = 5,5 – 8,0 (vai trò của
vi sinh vật rất rõ).
Chú ý:
Một điều gần như là khẳng định rằng tất cả các phản ứng oxihoa-khử đều có sự tham
gia của vi sinh vật.
Bất kì điều kiện nào dù là khử hay oxy hoá thì các tàn tích chất hữu cơ đều bị phân giải,
chỉ khác nhau là quá trình cho ra các sản phẩm khác nhau và khác nhau về tốc độ phân giải.
Trong điều kiện khử: chất hữu cơ phân giải chậm, sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O và
các chất khoáng.
Để đặc trưng cho phản ứng oxy hoá khử, người ta chọn đại lượng điện thế oxy hoá khử,
kí hiệu Eh, đơn vị Mv
Eh(Mv) = Eo + 59lg
Ox
Re d 
Trong đó Eo là điện thế tiêu chuẩn là thế hiệu phát sinh ở 2 cực cắm trong 1 dung dịch
của chất oxyhoá và khử nồng độ 1N
Ví dụ: Eo của Fe3+/Fe2+ = 770Mv; còn [Red] và [Ox] được tính bằng meq.
Trong môi trường đất, dạng oxy hoá khử phổ biến nhất là Fe3+/Fe2+. Tất nhiên dạng vi sinh
vật háo khí/ vi sinh vật yếm khí cũng nhiều nhưng tính toán không đơn giản. Vì vậy người ta
thường lấy Eh của môi trường là Eh của Fe3+/Fe2+.
69
c. Các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến quá trình oxy hoá khử
+ Nồng độ oxy trong môi trường đất (oxy trong không khí của đất và oxy hoà tan trong
dung dịch).
+ Những chất bài tiết trong quá trình hoạt động của vi sinh và cường độ hoạt động của
chúng.
+ Các cặp oxy hoá khử và chất khử có mặt trong môi trường. Cặp nào có nồng độ cao cặp
đó có ảnh hưởng lớn đền hoạt tính môi trường.
Trong 3 yếu tố trên thì 2 yếu tố đầu có tính quyết định.
Độ ẩm môi trường: đất càng ẩm, Eh càng giảm và ngược lại.Ở gần rễ cây, có tính oxy hoá
mạnh, Eh tăng và ngược lại. Ví dụ: gần rễ lúa mì Eh giảm, nhưng gần rễ lúa nước Eh tăng. Quá
trình cày bừa làm tăng Eh, ngập nước Eh giảm.
7. PHƯƠNG PHÁP NÔNG HÓA CẢI TẠO MÔI TRƯỜNG ĐẤT
Ở nước ta đất chua chiếm một diện tích khá lớn. Loại đất chua thường chứa nhiều ion H+,
Al3+ và chỉ có một lượng nhỏ Ca2+, Mg2+ ở trạng thái hấp phụ.
Đa số cây trồng và vi sinh vật đất phát triển tốt ở phản ứng trung tính hoặc ít chua (Ph =
6 ÷ 7). Nếu phản ứng kiềm hoặc chua quá sẽ gây nên ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của
chúng.
7.1. Cải tạo đất chua
a. Tác dụng của vôi với đất
Để khử độ chua, tức là cải tạo đất, nhà nông ta thường bón vôi, rất đơn giản, mà hiệu
quả. Nguyên liệu để cải tạo đất chua thường là CaCO3 hay CaO. Chất CaCO3 trong đá vôi
thực tế không tan trong nước nguyên chất, nhưng tan trong dung dịch đất có chứa axit
cacbinic;
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2.
Với sự có mặt của H2CO3, Ca(HCO3)2 thể hiện là muối kiềm thuỷ phân:
Ca(HCO3)2 + 2H2O = Ca(OH)2 +2H2O + 2CO2.
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH-.
Trong dung dịch đất chứa Ca(HCO3), nồng độ ion OH- và Ca2+ tăng lên. Các ion Ca2+
trao đổI với những H+ ở trạng thái hấp phụ và độ chua được trung hòa:
H+
KĐ H+ + Ca(OH)2
H+

Ca2+
KĐ + 2H2O
H+
Đá vôi trong dung dịch đất cũng tương tác với axit humic, các axit hữu cơ khác trong
đất chua và axit nitric do quá trình nitrat hoá tạo ra:
2RCOOH + CaCO3 = (RCOOO)2Ca + H2O + CO2.
2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2.
Ngoài đá vôi, người ta còn dùng Ca(OH)2 để khử chua. Khi dùng đá vôi hay đôlômit
cần phải nghiền nhỏ. Theo khả năng trung hoà độ chua thì 1 tấn Ca(OH)2 tương đương với
1,35 tấn CaCO3. Nhưng khi sử dụng Ca(OH)2 cần đảm bảo kĩ thuật, bón vôi trước khi gieo
trồng để khỏi ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển bình thường cây cây trồng.
b. Lượng vôi cần bón: việc bón vôi hợp lí đòi hỏi phải tính toán lượng vôi phù hợp với các
đặc tính của đất và cây trồng.
+ Lượng vôi cần thiết để làm giảm độ chua cao của lớp đất trông trọt cho đến phản
ứng ít chua thuận lợi cho đa số cây trồng được gọi là lượng vôi đầy đủ hoặc tiêu chuẩn. Lượng
vôi này phụ thuộc vào độ chua của đất và có thể xác định lượng vôi đầy đủ một cách chính xác
hơn bằng cách dựa vào độ chua thuỷ phân .
70
Bằng cách này, để tính lượng vôi (tấn CaCO3/ 1ha), Người ta nhân giá trị độ chua
thuỷ phân (H) biểu thị thành mđlg/100g đất vớI hệ số 1,5:
Lượng CaCO3 = H x 1,5 tấn/ha.
Công thức trên nhận được từ những tính toán sau :
+ Để trung hoà 1mđlg H+ trong 100g đất thì cần 50mg CaCO3.
Suy ra 1000g đất thì cần 500mg CaCO3
+ Trong khối lượng lớp đất trồng trọt 3.106 kg cần
500  3  10 9
mCaCO3 =
(g/ha)
1000
+ mCaCO3 cần để trung hoà độ chua thuỷ phân bằng 1mđlg H+ là:
500  3  10 6
mCaCO3 =
(tấn/ha)
10 9
+ Đối với đất có độ chua thuỷ phân là H mđlg/100g đất ta có:
H  500  3.10 6
= H x 1,5.
10 9
Qua nghiên cứu việc bón vôi cho thấy: để đạt được phản ứng ít chua (phù hợp với đa
số cây trồng) chỉ cần bón 2/3 lượng vôi tính theo độ chua thuỷ phân.
Nếu sử dụng phân vôi không phải CaCO3 mà là MgCO3 hoặc CaO, Ca(OH)2 thì khi
tính lượng vôi phải nhân với hệ số sau: 0,84 đối với MgCO3; 0,74 đối với Ca(OH)2; 0,56 đối
với CaO.
Khi sử dụng các nguyên liệu vôi có tạp chất cần phải hiệu chỉnh theo công thức:
Lượng CaCO3
% lượng CaCO3 trong nguyên liệu
+ Tính lượng vôi theo giá trị pHKCl và thành phần cơ giới của đất.
Đất
Cát pha và á
sét nhẹ
Á sét trung
bình
4,5
4,6
pHKCl
4,8
5,0
5,2
Lượng CaCO3 (tấn/ha)
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
2,0
2,0
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,5
5,4
5,6
Chẳng hạn, lượng CaCO3 tìm được theo pHKCl bằng 4 tấn CaCO3. Nếu dùng đá vôi chứa
80% CaCO3 thì lượng đá vôi cần là:
4  100
= 5 tấn/ha
80
Những lượng vôi trong bảng trên xấp xỉ bằng 75% độ chua thuỷ phân của đất.
7.2. Cải tạo đất kiềm
+ Để cải tạo đất kiềm người ta dùng nguyên liệu thạch cao. Phản ứng giữa đất kiềm và thạch
cao:
Na+
KĐ Na+ + CaSO4
Ca2+
Ca2+

KĐ
Ca
2+
+ Na2SO4
Sự thay thế Na+ bằng Ca2+ ở lớp ion bù của keo đất ngăn cản được khả năng tạo ra
Na2CO3 và làm cho pH giảm xuống.
Bón thạch cao vào đất kiềm, phần nào còn diễn ra phản ứng giữa thạch cao với
Na2CO3 trong dung dịch đất.
71
Để tránh sự hóa mặn đất do các sản phẩm phản ứng (Na2SO4), việc bón thạch cao hợp
lí thường kết hợp với biện pháp rửa mặn.
+ Lượng thạch cao cần bón:
Để trung hòa độ kiềm, người ta bón vào đất một lượng thạch cao đủ để thay thế lượng
+
dư Na hấp phụ bằng Ca2+. Người ta xác định lượng thạch cao cần bón tùy thuộc vào hàm
lượng Na+ hấp phụ, theo công thức:
Lượng CaSO4.2H2O (tấn/ha) = 0,086(Na - 0,05T)Hd
Ở đây:
0,086 :1 mđlg CaSO4.2H2O (gam)
H
: độ sâu của lớp đất trồng trọt (cm)
d
: khối lượng riêng của lớp đất trồng.
Na
: tổng lượng Na+ trao đổi (mđlg/100g đất)
T
: dung lượng hấp phụ cation.
Khi tính lượng CaSO4.2H2O cần bón trong các nguyên liệu thạch cao khác nhau, thường
phảI xác định thành phần trăm của CaSO4.2H2O trong nguyên liệu và tính theo công thức:
Lượng CaSO4.2H2O x 100
% CaSO4.2H2O trong nguyên liệu thạch cao sử dụng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Huy Bá, Sinh thái môi trường đất, NXB ĐHQGTPHCM.
2. Lê Thanh Bồn, Giáo trình Thổ nhưỡng học, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội, 2006.
3. Nguyễn Mười (chủ biên), Trần Nguyên Chính, Đỗ Nguyên Hải, Hoàng Văn Mùa, Phạm
Thanh Nga, Đào Châu Thu, Giáo trình thổ nhưỡng học, Nhà xuất bản Nông Nghiệp Hà
Nội, 2005.
4. PGS.TS Nguyễn Xuân Thành (chủ biên), GS.TS Nguyễn Như Thanh, GS.TSKH Dương
Đức Tiến, Vi sinh vật học nông nghiệp, Hà Nội, 2005
============================
72
CHƯƠNG 11
HẤP PHỤ VÀ ỨNG DỤNG
11.1. LÝ THUYẾT HẤP PHỤ
* Hiện tượng hấp phụ: là quá trình tập trung các phân tử khí, lỏng, rắn hoặc chất hoà tan
lên bề mặt phân cách pha (khí/rắn, khí/lỏng, lỏng/rắn...)
* Quá trình hập phụ gồm :
chất bị hấp phụ
+ chất bị hấp phụ (adsorbent)
+ vật hấp phụ (adsorbate)
vật hấp phụ
* Phân loại quá trình hấp phụ :
+ Hấp phụ vật lý (physiccal adsorption): các phân tử khí bị hút vào bề mặt của chất
hấp phụ đó là nhờ lực liên kết giữa các phân tử (lực Van der Waals) hay còn gọi là lực hấp
phụ. Hấp phụ vật lý là quá trình toả nhiệt, khả năng hấp phụ phụ thuộc vào độ lớn của lực liên
kết, lượng nhiệt toả ra khoảng 2 đến 20kJ/g.mol.
Quá trình hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch. Tính chất thuận nghịch của quá
trình hấp phụ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi cần thu hồi chất bị hấp phụ có giá trị hoặc khi
cần hoàn nguyên chất hấp phụ đã bão hoà để tái sử dụng. Bằng cách hạ thấp áp suất riêng của
chất khí cần hấp phụ trong hỗn hợp khí hoặc thay đổi nhiệt độ, khí đã bị hấp phụ nhanh chóng
được giải hấp mà bản chất hoá học của nó không bị thay đổi. Hơn nữa hấp phụ vật lý có tốc độ
hấp phụ rất nhanh.
+ Hấp phụ hoá học (chemisorption): là kết quả của các phản ứng hoá học giữa chất
bị hấp phụ với vật liệu hấp phụ. Lực hấp phụ lúc này có bản chất của liên kết hoá học nên nó
lớn hơn rất nhiều so với lực hấp phụ trong hấp phụ vật lý, lượng nhiệt toả ra khoảng 20 đến
400 kJ/g.mol nên năng lượng cần cung cấp cho quá trình hấp phụ giữa chất bị hấp phụ với
phân tử chất bị hấp phụ là ít hơn rất đáng kể.
Quá trình hấp phụ hoá học là quá trình bất thuận nghịch, quá trình giải hấp khó nên khi
cần khi cần giải thoát khí đã bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ hoá học thì bản chất của khí bị
thay đổi. Vì vậy, muốn thu hồi khí có giá trị hoặc hoàn nguyên chất hấp phụ để tái sử dụng thì
phải chọn vật liệu hấp phụ nào có tính chất hấp phụ vật lý là chủ yếu.
* Khả năng hấp phụ của một chất đặc trưng bởi đại lượng hấp phụ (kí hiệu a hoặc A):
đó là lượng chất bị hấp phụ (mol, mmol, g) trên một đơn vị diện tích bề mặt (1cm2) hoặc một
đơn vị khối lượng (1g) của vật hấp phụ.
11.2. HẤP PHỤ VÀ XÚC TÁC
11.2.1. Sự hấp phụ hoá học của các khí trên bề mặt kim loại
Sự hấp phụ hoá học của các khí trên kim loại là vấn đề rất được quan tâm, đặc biệt, khi
nghiên cứu về các xúc tác kim loại. Các nguyên tử bề mặt kim loại có các AO còn trống, do đó
dễ dàng tiếp nhận các electron của các tiểu phân AO chất bị hấp phụ. Hấp phụ hoá học của
hydro trên Ni là một trường hợp rất điển hình của hấp phụ hoá học trên kim loại. Khi phân tử
H2 tiến gần bề mặt Ni, thoạt tiên, xảy ra sự hấp phụ vật lý mà không đòi hỏi cung cấp năng
lượng và sau đó chuyển từ hấp phụ vật lý sang hấp phụ hoá học thông qua một trạng thái
chuyển tiếp. Các hợp chất của lưu huỳnh, nitơ và clo thường có một cặp electron chưa ghép
đôi nên chúng dễ bị hấp phụ mạnh trên kim loại. Oxy và nitơ khi hấp phụ thường bị phân ly
thành nguyên tử, tuy nhiên ở nhiệt độ thấp và dưới những điều kiện khác biệt thì chúng vẫn
giữ được cấu hình phân tử của chúng.
73
Về mặt định tính, từ những kết quả thực nghiệm nhận được cho đến nay, người ta có thể
sắp xếp khả năng hấp phụ hoá học của các khí trên kim loại theo trật tự sau đây:
O2 > C2H2 > C2H4 > CO >H2 > CO2 >N2.
Như vậy oxy là khí hấp phụ hoá học mạnh nhất, còn nitơ thì ngược lại.
Khả năng hấp phụ hoá học của các kim loại phụ thuộc vào bản chất hoá học của chúng.
Một kim loại rất hoạt động có thể hấp phụ hoá học tất cả các khí, kể cả nitơ. Một số khác chỉ
hấp phụ oxy. Nhiều kim loại chiếm vị trí trung gian, nghĩa là hấp phụ hoá học các phân tử từ
oxy đến hydro. Riêng vàng không hấp phụ oxy.
Các kim loại chuyển tiếp có một hoặc một số electron d chưa cặp đôi ở vòng ngoài nên
chúng thể hiện khả năng hấp phụ hoá học mạnh, còn các kim loại không chuyển tiếp chỉ có các
electron hoá trị s hoặc p nên khả năng hấp phụ yếu. Người ta cho rằng, electron d chưa cặp đôi
là nhân tố cần thiết giữa chất tham gia hấp phụ với kim loai bề mặt để hình thành một trạng
thái “liên kết yếu” rồi sau đó chuyển sang “liên kết mạnh”. Vai trò của các trạng thái trung
gian đó là làm giảm năng lượng hoạt hoá của quá trình hấp phụ, trong khi đó năng lượng hoạt
hoá khá cao đối với các kim loại không có các electron d chưa cặp đôi.
Đối với các khí như CO và O2 sự hình thành các “tiền tố hấp phụ” (trạng thái hấp phụ
liên kết yếu) là không đòi hỏi, do đó chúng dễ dàng hấp phụ hoá học trên hầu hết các kim loại.
Về mặt định lượng các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng, có một mối liên quan nào
đó giữa khả năng hấp phụ hoá học (lực hấp phụ hoá học) với entalpy hình thành (entalpy sinh)
của các hợp chất hoá học của kim loại.
Ví dụ, khả năng hấp phụ của oxy trên các kim loại tương ứng với khả năng hình thành
các oxyt kim loại. Oxy không hấp phụ trên vàng nên cũng không tìm thấy oxyt của vàng trong
thực tế. Đối với nitơ, hydro, oxyt nitơ…cũng có nhận xét tương tự.
Do đó, để tìm một tiêu chuẩn định lượng về hấp phụ hoá học người ta thường so sánh ái
lực hấp phụ hoá học với entalpy hình thành của các hợp chất tương ứng.
Khả năng hấp phụ hoá học được xác định thực nghiệm bằng entalpy phân tử (mol) hấp
phụ: đó là hiệu ứng nhiệt xảy ra trong quá trình chuyển một mol chất từ trang thái khí sang
trạng thái hấp phụ hoá học. Đối với các phân tử không phân ly, entalpy hấp phụ hoá học tương
ứng với entalpy liên kết, nếu phân tử X2 tham gia hấp phụ hoá học phân ly thì:
DMX = ½(- ΔHhp + DXX)
Trong đó:
DMX: entalpy liên kết M-X
DXX : entalpy phân tử X-X
ΔHhp: entalpy hấp phụ hoá học
11.2.2. Quy tắc Volcano
Trong một phản ứng đơn phân tử, hoạt tính xúc tác nghịch biến với lực hấp phụ hoá học
của chất phản ứng trong điều kiện sự hấp phụ xảy ra đủ mạnh sao cho phần bề mặt hấp phụ
khá lớn.
Nếu chất phản ứng bị hấp phụ quá mạnh, liên kết giữa nó với bề mặt qúa bền vững,
không dễ dàng phá vỡ thì chất đó trở thành chất độc xúc tác. Ngược lại, nếu phân tử bị hấp
phụ quá yếu phần bề mặt hấp phụ quá nhỏ thì tốc độ phản ứng cũng cực kỳ nhỏ. Bây giờ, tốc
độ phản ứng lại đồng biến với lực hấp phụ.
Trường hợp phản ứng lưỡng phân tử, tốc độ phản ứng có thể được xác định:
V = k.θA.θB
Trong đó: θA: phần bề mặt được chiếm bởi các phân tử chất A.
θB: phần bề mặt được chiếm bởi các phân tử chất B.
k : hệ số tốc độ.
V sẽ cực đại khi θA = θB
V phụ thuộc vào θ, và phụ thuộc vào k nghĩa là phụ thuộc vào lực hấp phụ (- ΔHhp) vì
trong k chứa đại lượng exp[- ΔHhp].
74
11.2.3. Xúc tác axit rắn và xúc tác lưỡng chức trong công nghiệp dầu mỏ
Hầu hết khí thiên nhiên được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu trong đời sống và công
nghiệp như:
- Nhiên liệu cho máy bay, ôtô và động cơ diesel.
- Nhiên liệu đốt nóng trong công nghiệp và gia đình.
- Nguyên liệu đầu để sản xuất hoá chất.
- Nguyên liệu đầu để sản xuất khí hydro và “khí thành phố”.
- Dầu nhờn, dầu thuỷ lực và mỡ.
Vì vậy nhiệm vụ của công nghiệp dầu mỏ là phân chia và tái tạo các công đoạn dầu mỏ
thành các sản phẩm có chất lượng đáp ứng các ứng dụng trên. Trong phần này chúng ta quan
tâm đến phần cracking xúc tác của dầu nặng và reforming xúc tác để sản xuất nhiên liệu có chỉ
số octan cao dùng cho ôtô và máy bay.
Crăcking xúc tác: Mục đích chính của cracking xúc tác là bẻ gãy các hydrocacbon có
trọng lượng phân tử lớn thành các hydrocacbon có phân tử lượng thấp hơn có thể sử dụng làm
nhiên liệu.
Cracking phân đoạn trong dầu mỏ có nhiệt độ sôi trong khoảng 490 - 800K. Trước kia,
quá trình này được thực hiện theo công nghệ không xúc tác (cracking nhiệt), nhưng hiệu qủa
thấp vì sản phẩm chứa nhiều hydrocacbon phân tử thấp, chỉ số octan chỉ khoảng 70-80. Trong
những năm 1930, cracking nhiệt được thay thế bởi cracking xúc tác. Xúc tác là aluminosilicat
tự nhiên. Sau đại chiến thứ II xúc tác đó được thay thế bởi aluminosilicat tinh thể tổng hợp
[zeolit: (Me+)x.(AlO2)x.(SiO2)y.zH2O: với x, y, z là các hệ số tương ứng].
Một vấn đề nan giải thường xảy ra trong công nghiệp cracking xúc tác: tạo cốc trên bề
mặt xúc tác làm giảm hoạt tính xúc tác. Nguyên nhân là do oxyt cacbon bị phân huỷ hoặc bị
khử do có mặt H2, hoặc có sự dehydro hoá các nguồn hydrocacbon. Tuy nhiên, lớp phủ cacbon
đó dễ dàng bị đốt cháy để làm sạch bề mặt và hoàn nguyên hoạt tính xúc tác. Ngoài ra, xúc tác
cracking chứa thêm một lượng nhỏ kim loại quý để thúc đẩy phản ứng oxy hoá (phản ứng đốt
cháy) bảo đảm rằng sản phẩm cháy là CO2 chứ không phải là CO để giảm sự ô nhiễm của môi
trường.
Hiện nay, xúc tác được sử dụng gồm zeolit Y được trao đổi với các cation kim loại đất
hiếm, 1 – 5% zeolit H-ZSM-5, vận hành liên tục trong hệ thống phản ứng, thời gian tiếp xúc
với các chất phản ứng (hydrocacbon) chỉ một vài giây. Sau đó, xúc tác được tách ra, hoàn
nguyên và tái sử dụng.
Reforming xúc tác: sản phẩm cracking xúc tác kim loại không có chỉ số octan đủ cao đáp
ứng yêu cầu của các động cơ có tỉ số nén cao. Do đó, năm 1949 người ta đã phát hiện rằng, kết
hợp một xúc tác kim loại với một xúc tác axit tạo nên một hệ xúc tác rất hiệu quả để chuyển
hoá naphta thành các sản phẩm mong muốn. Xúc tác đó được gọi là xúc tác lưỡng chức năng.
Các phản ứng mong muốn cần thực hiện bao gồm:
- Dehydro hoá các hydrocacbon vòng no thành vòng thơm.
- Mở rộng vòng của các dẫn xuất xyclopentan thành xyclohexan.
- Đồng phân hoá n-ankan thành isoankan.
- Dehydro đóng vòng của ankan thành vòng no, sau đó thành vòng thơm.
Những phản ứng kể trên được thực hiên theo cách sau đây: trên xúc tác kim loại (thường
là Pt), ankan và xycloankan bị dehydro hoá thành anken và hydro. Anken sau đó chuyển sang
xúc tác axit qua pha khí và trở thành ion cacbocaction; trên xúc tác axit, cacbocation bị phân
bố lại cấu trúc hoặc đóng vòng hoặc mở vòng, tiếp tục dịch chuyển trở lại qua xúc tác kim
loại, bị hydro hoá để tạo ra sản phẩm.
Xúc tác lưỡng chức năng có một số ưu điểm so với xúc tác cracking. Trước hết, nó hoạt
động thấp hơn, ít bị giảm hoạt tính vì sự tạo cốc bề mặt. Hơn nữa, nó làm việc trong sự có mặt
của hydro nên bảo đảm các tấm kim loại luôn được sạch, không dễ dàng nhiễm bẩn vì muội
cacbon. Trong hai thập kỷ qua đã có rất nhiều sự cải tiến, phát triển về xúc tác lưỡng chức
75
năng: cải tiến chức năng axit bằng cách thay thế aluminosilicat chứa 10% oxyt nhôm bằng
cách biến tính bởi các hợp chất flo hoặc clo để tăng độ axit. η-Al2O3 được thay thế cho γAl2O3. Gần đây, người ta đã biết cách đưa thêm một vài kim loại khác để giảm hiện tượng tạo
cốc.
Sở dĩ bạch kim là kim loại được chọn làm xúc tác reforming, bởi vì Pt phân ly dễ dàng
hydro, anken không bị hấp phụ mạnh trên Pt và Pt không xúc tác đáng kể cho phản ứng hydro
phân. Pt có thể isome hoá ankan không cần chức năng axit, nhưng có lẽ hoạt tính hydro phân
thấp là nguyên nhân thành công của việc sử dụng Pt làm xúc tác reforming. Phản ứng hydro
phân tạo ra các muội cacbon bám vào bề mặt kim loại bởi các liên kết bội giữa kim loại –
cacbon. Do đó, mọi yếu tố làm giảm hoạt tính hydro phân đến làm tăng tuổi thọ của xúc tác
reforming.
Khoảng giữa những năm 1960 – 1970 hãng UOP, Mỹ đã phát hiện rằng: thêm Re vào
xúc tác reforming Pt/Al2O3 làm tăng tuổi thọ đáng kể của xúc tác. Tác dụng của Re là làm
giảm tốc độ tạo gốc. Ngoài ra, các nguyên tố Ge, Sn, và Pb cũng có tác dụng tương tự.
Xúc tác reforming điển hình chứa 0,3% Pt và 0,3% Re trên η-Al2O3 axit hoá và tạo hạt.
Pt phân tán thành từng cụm nguyên tử có kích thước ≈ 0,1 nm, mỗi một cụm chứa ≈ 50 nguyên
tử, độ phân tán gần bằng 1. Xúc tác như thế rất nhạy với chất độc sunfua vì các tiểu phân Pt rất
bé. Do vậy, hàm lượng của sunfua không được quá 1ppm.
11.2.4. Xúc tác trong quá trình tổng hợp và oxy hoá amoniac
Tổng hợp amoniac: Phản ứng tổng hợp NH3: N2 + 3H2 → 2NH3 là một phản ứng toả
nhiệt. Để đạt được một hiệu suất cân bằng cao nhất cần phải thực hiện phản ứng ở nhiêt độ
thấp và áp suất cao. Như vậy, người ta cần tìm kiếm một chất xúc tác tốt (hoạt động ổn định)
để chuyển hệ phản ứng đến trạng thái cân bằng ở nhiệt độ thấp nhất có thể.
Việc tìm kiếm một xúc tác như thế đã được Haber, Bosch, và Miltash tiến hành một cách
cố gắng và kiên trì tại phòng thí nghiệm trong khoảng những năm 1905-1910. Các kết quả
nghiên cứu cho thấy rằng: một số kim loại có hoạt tính xúc tác như vonfram, urani, sắt, ruteni
và osmi, nhưng chúng có thời gian hoạt động ngắn. Để kéo dài tuổi thọ của xúc tác Fe trong
phản ứng tổng hợp NH3 người ta sử dụng Al2O3 và K2O làm chất trợ xúc tác.
Ngày nay, xúc tác cho tổng hợp NH3 được điều chế từ quặng manhetit nóng chảy có một
lượng lớn chất trợ xúc tác cần thiết. Sau khi đóng rắn, vật liệu được đập và sàng để nhận được
các hạt có kích thước thích hợp (quặng manhetit gồm các ion oxyt: ion Fe2+ và Fe3+).
Xúc tác cho tổng hợp amoniac chứa 0.8% oxyt kali, 0,3% oxyt magie, 2,0% oxyt canxi,
2,5% oxyt nhôm, 0,4% oxyt silic và một số hàm lượng rất nhỏ (vết) của oxyt titan, zirconi và
vanadi. Vai trò chủ đạo của oxyt nhôm là ổn định các tinh thể sắt, không cho chúng tụ hợp lại
với nhau thành tinh thể lớn. Trong trường hợp này Al2O3 được gọi là chất trợ xúc tác hình học.
Oxyt kali đóng một vai trò khác: nó làm tăng hoạt tính của bề mặt sắt và được gán cho chức
năng trợ xúc tác electronic.
Xúc tác sắt cũng như mọi xúc tác kim loại khác là rất nhạy với chất độc như các hợp
chất chứa oxy (H2O, CO, CO2). Chúng oxy hoá 4 phần bề mặt xúc tác. Các hợp chất sunfua
cũng là những chất độc nguy hiểm: 0,01% của hợp chất sunfua trong phần nguyên liệu cũng đã
làm ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác.
Oxy hoá amoniac: Oxy hoá chọn lọc amoniac thành oxyt nitơ (NO) được thực hiện bằng
cách cho một hỗn hợp khí phản ứng qua một xúc tác kim loại ở nhiệt độ khoảng 10200K. Oxyt
nitơ tiếp tục oxy hoá đến dioxyt nitơ (NO2); NO2 sau đó được hấp phụ trong nước tạo thành
axit nitric:
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
2NO + O2 → 2NO2
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
76
Bằng phát minh đầu tiên về xúc tác cho phản ứng này được cấp cho Kuhlmann vào năm
1938. Chất xúc tác được sử dụng là muội bạch kim (Pt). Để chuyển khí qua xúc tác dễ dàng,
người ta chế tạo xúc tác dạng các lưới mịn của hợp kim Pt.
Vì làm việc ở nhiệt độ cao nên xúc tác Pt dần dần bị hư hỏng. Để hạn chế điều đó người
ta sử dụng một hợp kim của Pt có 10% Rh. Vật liệu này tốt hơn hẳn Pt nguyên chất.
11.3. HẤP PHỤ VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG
11.3.1. Hấp phụ trong xử lý ô nhiễm khí
Trong mọi lĩnh vực của nền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải cũng như
trong sinh hoạt hàng ngày của con người, đâu đâu ta cũng bắt gặp quá trình đốt cháy nhiên liệu
trong các nguồn cố định như lò nhiên liệu, lò luyện kim loại, lò gạch, lò xi măng, v.v... hay các
nguồn di động như ôtô, xe máy, tầu thuỷ, máy bay, v.v... Đó chính là nguồn phát thải vào khí
quyển những loại khí độc phổ biến nhất.
Ngoài ra, các nhà máy hoá chất, nhà máy phân bón, thuốc trừ sâu, các nhà thiêu đốt khí
đã thải vào khí quyển nhiều loại khí, hơi độc hại đặc trưng cho mỗi loại công nghệ riêng biệt
rồi khí thải từ các khu công nghiệp lớn nhỏ đều gây ô nhiễm môi trường không khí.
Chính vì thế, việc xử lí khí thải từ các nhà máy, xí nghiệp, các khu công nghiệp và các
phương tiện giao thông trước khi thải chúng ra ngoài không khí là đặc biệt cần thiết và là vấn
đề chung của toàn nhân loại.
Có nhiều phương pháp để xử lí khí thải như: phương pháp sinh hoc, phương pháp hấp
phụ bằng chất lỏng, bằng chất rắn... Phương pháp làm sạch không khí bằng phương pháp hấp
phụ trên vật liệu rắn được sử dụng rộng rãi để khử mùi các khí thải từ các nhà máy thực phẩm,
sản xuất da, nhà máy nhuộm hay các thiết bị gia công khí tự nhiên, cũng như khi sản xuất keo
dán, v.v... Hiệu quả làm sạch không khí bằng phương pháp hấp phụ có thể đạt được tới 98% và
chất ô nhiễm giảm đi tới 90%.
Vật liệu hấp phụ thường dạng hạt có kích thước từ 6-10 mm xuống đến 2.10-5mm và có
độ rỗng lớn, được hình thành do những mạch mao quản li ti nằm bên trong khối vật liệu. Kích
thước lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng làm cho vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ được chất
này hoặc chất khác, tức là có tính chọn lọc. Chẳng hạn:
- Nếu đường kính mao quản là 3.10-6 mm thì vật liệu có thể hấp phụ các chất như H2O,
NH3.
- Nếu đường kính mao quản tăng lên đến 4.10-6 mm thì các loại phân tử lớn như SO2,
H2S, C2H4, C2H6, C2H5OH đều có thể bị hấp phụ .
- Nếu đường kính mao quản tăng lên đến 5.10-6 mm thì vật liệu còn hấp phụ được parafin
và cả các hydrocacbon mạch vòng.
Do chứa nhiều mao quản nên bề mặt tiếp xúc của vật liệu rất lớn. Vật liệu hấp phụ có thể
là than hoạt tính, than xơ dừa, silicagen, zeolit, v.v...
Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ phổ biến nhất. Than hoạt tính có thể hấp phụ các chất
sau:
1- Hơi axit, rượu, benzol, toluol, etylaxetat với mức độ hấp phụ =50% trọng lượng
bản thân nó.
2- Axeton, acrolein, Cl2, H2S, với mức độ 10-25%.
3- CO2, etylen với mức độ thấp.
Bảng 11.1: Các số liệu kỹ thuật của các chất hấp phụ thông dụng
Khối lượng đơn
Đường kính lỗ
Thể tích lỗ rỗng
Bề mặt lỗ
Vật liệu
vị đổ đống,
3
rỗng, m
tổng cộng, cm /g
rỗng, m2/g
kg/m3
Than hoạt tính
0.6 - 0.8
380 - 600
(20 - 40) 10-10
500 - 1500
-10
Silicagen
400 - 900
(30 - 200) 10
200 - 600
 0.4
Alumogel
1000
90. 10-10
175
0,39
77
Để lọc sạch khí thải từ các hệ thống thông gió, hiện nay trong công nghiệp người ta
thường hay dùng vật liệu hấp phụ mới là than lọc phân tử MSC (Molecul Sieve Carbon) có
tính năng rất tốt do Nhật Bản sản xuất.
Bảng 11.2: Số liệu kỹ thuật của than MSC do Nhật Bản sản xuất.
Các loại MSC
Thông số
MSC-A
MSC-5A
MSC-B
-10
Kích thước lỗ rỗng
5.10
4.10-10
6.10-10
Khối lượng đơn vị đổ đống, kg/m3
520
640
510
Khối lượng đơn vị thực, kg/m3
1800
1800
1800
Thể lỗ rỗng tổng cộng, cm3/g
0.56
0.34
0.59
MSC-C
7.10-10
500
1800
0.61
11.3.2. Hấp phụ trong xử lý ô nhiễm nước
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường nước là vấn đề rất đáng quan tâm. Ô nhiễm môi
trường nước gây ra những ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và sinh vật. Chúng ta biết
rằng, khi kim loại nặng thâm nhập vào cơ thể đều có khả năng tích lũy lâu dài và nơi tấn công
mạnh nhất là vào trung tâm enzym, làm vô hoạt enzym dẫn tới làm rối loạn các quá trình
chuyển hóa trong cơ thể, mắc bệnh ung thư và gây độc tính cao đối với não, có thể dẫn đến tử
vong,... Để xử lý nước thải, về mặt khoa học người ta dùng các phương pháp: cơ học, hoá học,
hoá lí học, sinh học. Về mặt công nghệ các phương pháp trên được gộp lại thành các công
đoạn:
+ Xử lý cấp một: gồm phương pháp cơ học.
+ Xử lý cấp hai: gồm phương pháp hoá lí, hoá học và sinh học.
+ Xử lý cấp ba: gồm sự kết hợp các phương pháp hoá học, sinh học để khử triệt để nitơ,
photpho còn lại sau xử lí cấp hai hoặc các chất gây ô nhiễm khác.
Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp vì phương
pháp này rất vạn năng. Phương pháp này làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa
tan sau khi xử lý sinh học, cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm lượng
rất nhỏ các chất đó. Những chất này không phân hủy bằng con đường sinh học và thường có
độc tính cao. Nếu các chất cần khử bị hấp phụ tốt và khi lượng hấp phụ không lớn thì việc ứng
dụng phương pháp này là hợp lý hơn cả.
Những chất hấp phụ có thể là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, keo nhôm một số chất tổng
hợp hoặc chất thải trong sản xuất như xỉ tro, xỉ mạt sắt ...trong số này than hoạt tính dùng phổ
biến nhất. Than hoạt tính có hai dạng: dạng bột và dạng hạt đều được dùng để hấp phụ. Các
chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất màu đều bị than hấp phụ. Luợng chất hấp phụ tuỳ thuộc
vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này
có thể hấp phụ được 58-59% các chất hữu cơ mang màu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ
được là phenol, alkyl benzen, ...Đã có những ứng dụng dùng than hoạt tính hấp phụ thuỷ ngân
và những thuốc nhuộm khó phân huỷ, nhưng tốn kém, làm cho quá trình không kinh tế.
Trong xử lý nước thải, khi các chất được hấp phụ bằng than hoạt tính, đường hấp phụ đẳng
nhiệt của hệ này có dạng lồi, còn khi sử dụng các chất hấp phụ kém, đường hấp phụ có dạng
lõm. Các đường hấp phụ đẳng nhiệt của các chất nằm trong nước thải thường được xác định
bằng thực nghiệm. Tuy nhiên cũng có thể tính gần đúng theo công thức sau:
a
aKWC
VH 2O  KWC
V
a- độ hấp phụ riêng, mmol/l
a∞- độ hấp phụ riêng cực đại mmol/l
78
Kw- tích số ion của nước: KW 
Ka
55.5
Ka- hằng số cân bằng của quá trình hấp phụ.
VH2O, Vi-thể tích mol của nước và của chất bị hấp phụ.
Cp- nồng độ cân bằng, mmol/l.
Nếu trong nước thải có một số cấu tử thì để xác định khả năng hấp phụ chúng cùng một lúc,
người ta sẽ xác định năng lượng tự do vi phân chuẩn ∆F0 và xác định hiệu số giữa giá trị cực
đại và cực tiểu của nó:
- khi ∆F0 max - ∆Fmin ≤ 10.5KJ/mol - có khả năng hấp phụ đồng thời tất cả các cấu tử ;
- Khi điều kiện trên không được đảm bảo thì phải tiến hành làm sạch theo nhiều bậc nối
tiếp nhau
Tốc độ quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ, bản chất và cấu trúc của các chất tan,
nhiệt độ của nước, loại và tính chất của các chất hấp phụ.
Quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
- Di chuyển chất cần hấp phụ từ vùng khuyếch tán ngoài nước thải tới bề mặt hấp
phụ.
- Thực hiện quá trình hấp phụ.
- Di chuyển chất bên trong hạt chất hấp phụ (vùng khuyếch tán trong).
Trong đó, tốc độ của chính quá trình hấp phụ là lớn và không hạn định tốc độ chung của
quá trình. Do đó, giai đoạn quyết định vận tốc quá trình ở đây là giai đoạn khuyếch tán ngoài
hay khuyếch tán trong. Trong một số trường hợp, quá trình hấp phụ đươc hạn định bởi cả hai
giai đoạn này.
Trong vùng khuyếch tán ngoài, tốc độ chuyển khối chủ yếu do cường độ xoáy của dòng
quyết định, nghĩa là trước hết phụ thuộc vào vận tốc dòng chất lỏng.
Trong vùng khuyếch tán trong, cường độ chuyển khối phụ thuộc vào loại, kích thước
mao quản của chất hấp thụ, hình dạng và kích thước hạt của nó, kích thước phân tử của chất bị
hấp thụ, hệ số dẫn khối.
Khi xác định chế độ tối ưu cho quá trình hấp phụ làm sạch nước thải, cần tính đến tất cả
những điều kiện trên. Hợp lý nhất là tiến hành quá trình ở chế độ thủy động mà nó được hạn
định trong vùng khuyếch tán trong. Khi thay đổi cấu trúc của chất hấp thụ và giảm kích thước
hạt có thể giảm trở lực của vùng đó.
Quá trình làm sạch nước thải bằng hấp phụ được tiến hành ở điều kiện khuấy trộn liên
tục chất hấp phụ với nước thải, hoặc lọc nước thải qua lớp chất hấp phụ, hay trong các hệ
thống thiết bị làm việc gián đoạn và liên tục. Khi tiến hành quá trình này người ta thường sử
dụng than hoạt tính ở dạng hạt kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 0,1mm.
Quá trình hấp phụ có thể tiến hành 1 bậc hoặc nhiều bậc. Hấp phụ 1 bậc ở trạng thái
tĩnh được ứng dụng trong trường hợp khi chất hấp phụ có giá thành thấp.
a. Hấp phụ trong điều kiện tĩnh
Chất hấp phụ được giữ ở trạng thái lơ lửng trong nước nhờ khuấy trộn. Ở đây không có sự
dịch chuyển tương đối giữa dung dịch cơ bản của nước so với hạt chất hấp phụ. Thời gian tiếp
xúc giữa nước và chất hấp phụ thường bằng 0.7 – 0.8 phần thời gian cân bằng tổng cộng và
phải xác định bằng thực nghiệm. Để xác định thời gian tiếp xúc, ta phải dựng đồ thị ∆C = f(t)
theo tọa độ vuông góc: trục hoành là thời gian t, trục tung là ∆C = Co – C, trong đó Co là nồng
độ ban đầu của chất bẩn còn lại trong nước sau khoảng thời gian tiếp xúc t.
Ta có nồng độ chất bẩn còn lại trong nước :
Ccb 
Q.C
Q  K hp  m
(1)
Nếu cho chất hấp phụ nối tiếp vào nước với liều lượng không đổi ở mổi lần hấp phụ thì
nồng độ cân bằng của chất bẩn trong nước sau lần thứ n sẽ là :
79
Cn  (
Q
) n .Co
Q  K.hp  m
(2)
Từ phương trình (2) ta thấy: nếu hấp phụ nhiều lần nối tiếp thì sẽ sử dụng triệt để khả năng
hấp phụ của chất rắn và giảm được chi phí về chất hấp phụ.
Nếu lượng nước thải ít thì chỉ cần nhiều lần hấp phụ trong một bể phản ứng- hấp phụ, khi
đó sau mỗi thời gian t (tức là thời gian cần thiết để dạt trạng thái cân bằng, cho chất bẩn kịp
phân bố trong chất hấp phụ và trong nước) rồi cho lắng để tách ra. Tiếp tục cho đợt chất hấp
phụ mới vào.
Nếu lưu lượng nước thải lớn thì thực hiện hấp phụ nhiều bậc nối tiếp xuôi dòng.
Hấp phụ nhiều bậc ngược dòng:
Như trên đã thấy, nên sử dụng phương pháp hấp phụ để xử lý nước loãng ít đậm đặc.
Trong đó việc phân bố chất bẩn giữa chất hấp phụ và nước theo quy luật phân bố. Nồng độ cân
bằng Ccb sẽ rất nhỏ so với nồng độ ban đầu của chất bẩn trong nước C0.
Nếu sau khi đạt được trạng thái cân bằng trong nước, người ta lại tăng nồng độ chất bẩn
tới giá trị C cao hơn Ccb thì chất hấp phụ lại tiếp tục thu hồi chất bẩn từ trong nước cho tới khi
đạt được nồng độ cân bằng mới Ccb2 > Ccb1 .
Nếu lại tăng lần thứ 3 nồng độ chất bẩn trong nước C > Ccb2 thì lại được trạng thái cân
bằng mới Ccb3 > Ccb2.
Như vậy, cứ mỗi lần tăng nồng độ C thì lại có thêm một lượng chất bẩn bị hấp phụ để
đạt tới trạng thái cân bằng mới với nồng độ cân bằng mới lớn hơn. Do đó nếu cứ tăng nồng độ
chất bẩn trong nước thải C thì sẽ có thời điểm mà chất hấp phụ không thể thu hồi thêm được
chất bẩn. Trong trường hợp này nồng độ C0 là nồng độ cân bằng. Độ bão hòa giới hạn của
chất hấp phụ trong điều kiện vừa rồi sẽ là : agh = Khp.Co.
Hiện tượng trên sẽ được ứng dụng trong các trạm hấp phụ ngược dòng. Khi đó chất hấp
phụ tinh khiết sẽ được cho vào bậc cuối cùng thứ n, còn nước thì từ bậc trước chảy tới với
nồng độ chất bẩn nhỏ nhất Cn-1.
Chất hấp phụ đã chứa một ít chất bẩn ở bậc cuối sau khi tách khỏi nước lại đưa về bậc
trước, ở đó nước vào với nồng độ Cn-2 > Cn-1. Quá trình được lặp lại cho tới bậc1, ở đó nước
vào với nồng độ ban đầu Co.
b. Hấp phụ trong điều kiện động
Cơ chế hấp phụ trong điều kiện động cũng như trong điều kiện tĩnh, song hấp phụ động
có nhiều ưu điểm hơn về công nghệ và quản lý như:
- Cho hiệu suất xử lý tin cậy và ổn định.
- Khi hoàn nguyên không phải đưa vật liệu hấp phụ khỏi bể lỏng, do đó cho phép dễ
dàng tự động hóa và điều khiển từ xa.
- Cho phép sử dụng tối đa dung tích vật liệu hấp phụ khi cho nước chảy qua. Nồng độ
chất bẩn giảm dần từ Co ở tiết diện vào tới C= C min ≈ 0 ở tiết diện ra.
Động lực học của quá trình hấp phụ khi lọc nước qua lớp vật liệu hấp phụ như sau: nếu
cho nước thải ( chứa các chất bẩn dễ bị hấp phụ nghĩa là đường cong hấp phụ dẳng nhiệt của
nó có điểm uốn) lọc qua lớp than hoạt tính (kí hiệu là Ho chẳng hạn), tất cả các chất bẩn trong
nước sẽ bị hấp phụ vào lớp vật liệu Ho này; qua phần còn lại của vật liệu sẽ là nước sạch.
Nước sạch này sẽ làm đầy dung tích các lỗ của các hạt vật liệu sạch và cả khe hở giữa chúng.
Khi đợt nước tiếp theo chảy qua Ho (Ho đã hấp phụ một lượng nhỏ chất bẩn nào đó) thì tốc độ
hấp phụ bổ sung sẽ nhỏ hơn tốc độ hấp phụ ở chính lớp vật liệu đó lúc ban đầu còn sạch. Sự
hấp phụ triệt để và hoàn toàn chất bẩn hòa tan trong đợt nước này sẽ kết thúc thêm một khoảng
dài hơn kể từ lớp vật liệu ban đầu. Qua một thời gian nào đó lớp vật liệu ban đầu sẽ bão hòa
tới trạng thái cân bằng với nồng độ Co của nước vào và tất nhiên lớp đó sẽ không tham gia vào
quá trình hấp phụ nữa. Khi qua lớp vật liệu ban đầu nước thải không thay đổi về nồng độ. Ở
đây kết thúc giai đoạn đầu quá trình hấp phụ chất bẩn trong nước.
80
Ở giai đoạn 2, khi thời gian tiếp xúc của dung dịch lớp vật liệu hấp phụ là t > t0. Điều
kiện hấp phụ chất bẩn vẫn không thay đổi ở mỗi thời điểm lọc. Do vậy khoảng chiều cao Ho
dần dần chuyển tới cuối lớp lọc (H0→H) phần chiều cao lớp vật liệu lọc còn lại là (H- H0), gọi
là lớp công tác.
Khoảng đã bão hòa chất bẩn Ho gọi là lớp chết công tác. Chiều cao lớp vật liệu càng
nhỏ thì chất bẩn sẽ xuất hiện ở nước lọc càng sớm. Ở giai đoạn đầu của quá trình, sự phụ thuộc
giữa thời gian công tác của lớp lọc với chiều cao của lớp lọc sẽ là một đường cong lõm.
Ở giai đoạn hai của quá trình hấp phụ động, khi những đường cong phân bố chất bẩn
lặp lại giống nhau do điều kiện bão hòa tương tự nhau cho nên sự phụ thuộc giữa thời gian tác
dụng bảo vệ và chiều cao lớp vật liệu là một đường thẳng tức là theo tỷ lệ thuận .
Tốc độ lọc tùy thuộc nồng độ chất bẩn hòa tan trong nước thải và thường dao động
trong khoảng từ 2-3 đến 5-6m3/m2h. Hợp lý nhất là cho nước lọc từ dưới lên trên tháp, vì như
vậy nước sẽ làm một cách điều hòa toàn bộ tiết diện ngang của tháp và đẩy các bọt không khí
hoặc khí khác lẫn trong lớp vật liệu lọc. Nếu từ nước thải tách ra một lượng khí khá lớn thì
trước khi dẫn vào tháp hấp phụ phải cho qua các thiết bị khử khí.
Vật liệu hấp thụ thường có dạng hình cầu hoặc nhiều dạng khác với kích thước từ 1,5-2
mm đến 4-5 mm.Nếu kích thước nhỏ hơn thì tổn thất áp lực khi lọc lại tăng lên.
Trong tháp, lớp vật liệu hấp phụ được đặt trên một tấm lưới có lỗ. Thường có đường
kính các lỗ là 5-10 mm và cách nhau 10-20 mm. Trên tấm lưới là một lớp đỡ bằng đá dăm
hoặc sỏi với chiều cao khoảng 400-500 mm để giữ cho vật liệu hấp phụ khỏi lọt qua lưới và
tạo cho dòng nước phân phối đều theo toàn bộ thiết diện ngang của lớp vật liệu. Lớp vật liệu
trên cùng cũng phải được phủ bằng một lớp đá dăm hoặc sỏi theo thứ tự kích thước ngược lại
với lớp đá dưới cùng và cũng được ép dưới một lưới để ngăn ngừa không cho hạt vật liệu hấp
phụ trôi khỏi tháp theo nước khi tốc độ lọc tăng lên hoặc do các bọt khí tách ra từ nước nổi lên
(bọt không khí hoặc CO2). Điều kiện để sử dụng tháp hấp phụ với lớp vật liệu lọc cố định là
trong nước thải hoàn toàn không có tạp chất lơ lửng (đặc biệt là tạp chất khoáng), vì nếu có tạp
chất đó sẽ hình thành một lớp bùn mỏng làm tăng tổn thất áp lực khi lọc và phải một thời gian
lâu mới sử dụng được khả năng hấp phụ của vật liệu. Nếu rửa lớp bùn đó sẽ làm nước thải rất
bẩn và phải dẫn nước đó đi xử lý lại. Nếu trong nước thải hàm lượng các chất lơ lửng vô cơ là
10-15mg/l thì sẽ ảnh hưởng rõ tới sự làm việc của tháp hấp phụ. Vì vậy nếu trong nước hàm
lượng chất lơ lửng nằm trong giới hạn cho phép sử dụng lọc cơ học trước (lọc cát áp lực, lọc
tiếp xúc) thì sẽ tăng hiệu quả thấp hấp phụ sau đó rất nhiều.
Tháp lọc với than hoạt tính bất động thường được sử dụng khi xử lý phục hồi nước thải
các phân xưởng với mục đích thu hồi các sản phẩm quí tinh khiết. Sau khi lớp vật liệu hấp phụ
bão hòa tức là xuất hiện chất bẩn trong nước lọc thì không cho nước chảy vào nữa, tiếp tục xả
hết nước khỏi tháp và tiến hành hoàn nguyên vật liệu hấp phụ.
Hấp phụ trao đổi ion
Thực chất của phương pháp hấp phụ trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên
bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với
nhau. Các vật liệu trao đổi ion được gọi là các ionit, chúng hoàn toàn khômg tan trong nước.
Phương pháp này được dùng làm sạch nước nói chung, trong đó có nước thải, loại ra
khỏi nước các kim loại như Zn, Cu, Cr, Ni, Hg, Pb,Mn...cũng như các hợp chất chứa As, P,
xianua và cả chất phóng xạ. Phương pháp này dùng làm mềm nước, loại các ion Ca2+, và Mg2+
ra khỏi nước cứng
Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ, hữu cơ và các chất tổng hợp.
- Các chất vô cơ:
+ Các chất trao đổi ion có nguồn gốc tự nhiên gồm có zeolit, đất sét, nhôm silicat và
hiđroxit apatit
+ Các chất vô cơ tổng hợp có khả năng trao đổi ion là silicagen, pecmutit, các oxit khó
tan và hiđroxit kim loại như nhôm, crom, ziniconi.
81
- Các chất hữu cơ:
+ Các chất hữu cơ tự nhiên có khả năng này gồm mùn có trong đất, các chất dẫn xuất
sulfo từ than, các chất điện li cao phân tử...Nói chung, các chất ionit hữu cơ tự nhiên có độ bền
cơ học, hóa học thấp, dung lượng trao đổi không lớn
+ Các chất hữu cơ tổng hợp trao đổi ion rất đa dạng. Chúng là chất cao phân tử, có bề
mặt riêng lớn. Các gốc hiđro của chúng tạo thành mạng lưới không gian với các nhóm chức
năng trao đổi ion cố định. Các loại nhựa tổng hợp cũng có tính chất trao đổi ion và được chia
thành hai loại: nhựa anionit và nhựa cationit. Nhựa anionit có độ bền nhiệt kém hơn nhựa
cationit. Cả hai loại nhựa này thường được tạo hình ở dạng hạt và khi sử dụng được chứa trong
cột để xử lý khi nước đi qua.
Hấp phụ bằng vật liệu keo tụ
Quá trình lắng cơ học cho phép tách được các hạt rắn huyền phù có kích thước ≥ 10-2mm,
còn những hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được, do vậy, ta phải làm tăng kích thước
các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng
được. Muốn vậy, cần trung hoà điện tích của chúng và liên kết chúng lại với nhau. Qúa trình
trung hoà điện tích của chúng được gọi quá trính đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn
từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ
Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt có nguồn gốc
silic và các hợp chất hữu cơ mang điện tích âm, các hạt hidrôxit sắt và các hidrôxit nhôm
mang điện tích dương. Khi thế nhiệt động của dung dịch nước bị phá vỡ, các hạt mang điện
tích này sẽ kết lại với nhau thành những tổ hợp các nguyên tử, phân tử hay các ion tự do. Các
tổ hợp chính là các hạt “bông keo”. Có hai loại bông keo: loại kị nước và loại ưa nước. Loại ưa
nước thường ngậm thêm các phân tử nước cùng vi khuẩn, virut...
Loại keo kị nước đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước nói chung và xử lý nước thải
nói riêng. Các chất đông tụ thường dùng trong mục đích này là các muối sắt hoặc muối nhôm
hoặc hỗn hợp của chúng.
Các muối nhôm gồm có:Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, kAl(SO4)2.12H2O
trong số này phổ biến nhất là Al2(SO4)3 vì chất này hoà tan tốt trong nước, giá rẻ và hiệu quả
đông tụ cao ở pH = 5-7,5. Dùng phèn nhôm thì phản ứng phosphat kết lắng như sau :
Al2(SO4)3 + PO4-3  2AlPO4 + 3SO4-3 . pH tối ưu = 5,6 – 8. Đây cũng là phản ứng khử P
trong nước thải.
Các muối sắt dùng làm keo tụ là Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, Fe2(SO4)3.7H2O và
FeCl3. Chúng có nhiều ưu điểm hơn so với muối nhôm trong việc làm đông tụ các chất lơ lửng
của nước, vì :
-Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp
-Khoảng pH tác dụng rộng hơn
-Tạo kích thước và độ bền bông keo lớn hơn
-Có thể khử được mùi vị khi có H2S
Nhưng muối sắt cũng có nhược điểm: chúng tạo thành phức hoà tan có màu làm cho
nước có màu.
Dùng vôi để loại các muối bicacbonat, cacbonat, phosphat và magiê. Dùng muối clorua
hoặc sulfat sắt (III) để loại phosphat: FeCl3 + H2O + PO4-3  FePO4 + 3Cl- + H2O
Những chất kết tủa lắng thành bùn và trong bùn có chứa nhiều hợp chất khó tan. Việc
sử dụng bùn làm phân bón cần phải xem xét, cân nhắc, vì bùn này có thể khó tiêu hoá đối với
cây trồng.
Trong quá trình tạo thành bông keo của hiđroxit nhôm hoặc sắt, người ta thường thêm
chất trợ đông tụ. Các chất trợ đông tụ này là tinh bột, các ête, xenlulozơ, đioxitxilic hoạt
tính...với liều lượng 1-5 mg/l. Ngoài ra người ta còn dùng các chất trợ đông tụ tổng hợp. Chất
hay dùng nhất là polyacrylamit. Việc dùng các chất bổ trợ này làm giảm liều lượng các chất
đông tụ, giảm thời gian quá trình đông tụ và nâng cao được tốc độ lắng các bông keo.
82
Bài tham khảo:
XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM ASEN
1. Tác động của Asen đối với sức khoẻ con người và sinh vật
Asen là chất rất độc hại tồn tại ở dạng asenat hoặc asenit ở trong nước, có thể gây 19 loại
bệnh khác nhau, trong đó có các bệnh nan y như da, phổi.
Asen ảnh hưởng đối với thực vật như là một chất ngăn cản quá trình trao đổi chất, làm giảm
năng suất cây trồng.
Sự nhiễm độc asen được gọi là arsennicosis. Đó là một tai họa môi trường đối với sức khoẻ
con người. Những biểu hiện của bệnh nhiễm độc As là chứng sạm da (melanosis), dày biểu bì
(kerarosis), từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da, viêm răng, khớp. Hiện tại trên thế giới chưa
có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc As.
2. Công nghệ xử lý nước ô nhiễm do Asen
Khi nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý loại bỏ As, trước tiên phải căn cứ vào trạng thái tồn
tại, mức độ hay nồng độ của nó trong nước, các yếu tố về điều kiện địa phương…
Các phương pháp chủ yếu loại bỏ Asen trong nước bao gồm: keo tụ, kết tủa- lắng hay keo
tụ-kết tủa-lắng, ôxi hoá, sử dụng ánh sáng mặt trời hay ôxi hoá quang hoá, hấp phụ, trao đổi
ion, lọc qua lớp vật liệu lọc, lọc màng, phương pháp sinh học và cây trồng, sử dụng kết hợp
các phương pháp trên.
Cần nhấn mạnh rằng TCCP về hàm lượng As trong nước ăn uống sinh hoạt theo TC
505/BYT năm 1992 là 0,05 mg/l, nhưng do độc tính cao của As nên qui định theo TC
1329/BYT năm 2002 là 0,01 mg/l tức là như qui định của tổ chức y tế thế giới (WHO),
Mỹ(USEPA), Cộng đồng Châu Âu(EU). Dưới đây là một số công nghệ xử lý nước ô nhiễm As
ở các nước và Việt nam.
2.1. Trao đổi ion:
Đây là quá trình trao đổi ion trong pha rắn và pha lỏng mà không làm thay đổi cấu trúc của
chất rắn. Có thể loại bỏ các ion Asenat [As(V)] trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với
vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-). Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể
sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi đã bão hoà Asen. Nồng độ
Asen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb. Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức
tạp, giá thành cao, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ.
2.2. Cộng kết tủa-lắng-lọc
Quá trình xử lý nước ô nhiễm As đồng thời với quá trình xử lý Fe hoặc Mn có sẵn trong
nước ngầm tự nhiên. Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất, bằng cách bơm nước ngầm từ
giếng khoan, sau đó làm thoáng để oxi hóa Fe, Mn tạo thành hidroxit sắt và mangan kết tủa.
Asen(III) được oxi hoá đồng thời thành Asen (V), có khả năng hấp phụ lên bề mặt của các
bông keo tụ hidroxit Fe hay Mn và lắng xuống đáy bể, hay bị giữ lại trên bề mặt hạt cát trong
bể lọc. Nghiên cứu của trung tâm KTMT ĐT và KCN (CEETIA) thuộc trường Đại học Xây
dựng và trung tâm CNMT và PTBV (CETASD) thuộc trường Đại học Tự nhiên năm 2000 –
2002 cho thấy công nghệ hiện đại có tại các nhà máy nước ở Hà Nội, chủ yếu để xử lý sắt và
Mn, cho phép loại bỏ 50 – 80 % As có trong nước ngầm mạch sâu khu vực Hà Nội. Nghiên
cứu gần đây của CETASD và viện công nghệ môi trường Liên bang Thụy Sĩ cho thấy đối với
các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi có hàm lượng Fe cao trong nước ngầm, mô
hình làm thoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm)- được sử
dụng phổ biến ở hộ gia đình Việt Nam hiện nay - cho phép loại bỏ tới 80% As trong nước
ngầm cùng với việc loại bỏ Fe và Mn. Những nghiên cứu này cũng đã chỉ rằng hàm lượng As
trong nước sau khi xử lý bằng phương pháp trên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất
khác trong nước nguồn và trong đa số trường hợp, không cho phép đạt nồng độ As thấp dưới
tiêu chuẩn, do vậy cần tiếp tục xử lý bằng các phương pháp khác.
83
2.3. Keo tụ bằng hoá chất
Phương pháp keo tụ đơn giản nhất là sử dụng vôi sống(CaO) hoặc vôi tôi [Ca(OH)2] để khử
As. Hiệu suất đạt khoảng 40-70%. Keo tụ bằng vôi đạt hiệu suất khử As cao với pH > 10,5,
với nồng độ As ban đầu khoảng 0,05 mg/l. Có thể sử dụng khử As kết hợp làm mềm nước.
Tuy vậy, phương pháp này khó cho phép đạt được nồng độ As trong nước sau xử lý xuống tới
0,01mg/l. Một hạn chế của phương pháp sử dụng vôi là tạo ra một lượng cặn lớn sau xử lý.
Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp keo tụ, kết tủa bằng sunfat nhôm hay clorua sắt.
2.4. Hấp phụ bằng nhôm và oxit nhôm hoạt hoá
Nhôm hoạt hoá được sử dụng có hiệu quả để xử lý nước có hàm lượng chất rắn hoà tan cao.
Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất của Selen, Florua, Clorua, Sunfat với hàm lượng
cao, chúng có thể cạnh tranh hấp phụ. Nhôm hoạt hoá có tính lựa chọn cao đối với As(V), vì
vậy mỗi lần xử lý có thể giảm tới 5 – 10% khả năng hấp phụ. Cần hoàn nguyên và thay thế vật
liệu lọc sau khi sử dụng. Cột lọc hấp phụ với nhôm hoạt hoá dùng cho giếng khoan bơm tay
được thiết kế bởi các nhà khoa học Ấn Độ. Các chuyên gia đã chọn nhôm hoạt hoá làm vật
liệu hấp phụ, dựa trên đặc tính lựa chọn và công suất hấp phụ cao đối với Asen, khả năng hoàn
nguyên, nguồn cung cấp sẵn có và bỏ qua được yêu cầu sử dụng hoá chất. Phương pháp này
tương đối thuận lợi, nhất là cho các vùng nông thôn nghèo. Chỉ cần đổ nước giếng cần xử lý
qua lớp vật liệu lọc. Thời gian làm việc của thiết bị phụ thuộc vào chất lượng nước và hàm
lượng sắt trong nước nguồn. Hàm lượng Fe trong nước nguồn càng cao, hiệu suất khử As càng
cao và chu kì làm việc trước khi hoàn nguyên càng tăng.
Công ty Project Earth Industries đã chế tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn
gốc từ nhôm, có khả năng tách As ở hai dạng tồn tại phổ biến ở trong nước là As(III) và
As(V).Vật liệu hấp phụ này có đặc tính hoá học, điện tích bề mặt và độ rỗng cao, có khả năng
hấp phụ cao hơn 10 lần so với các vật liệu thông thường khi có mặt các ion cạnh tranh. Cường
độ hấp phụ nhanh, cho phép đạt hiệu suất cao, lượng As sau xử lý đạt dưới mức giới hạn tìm
thấy của thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm. Loại vật liệu này cũng đã được thử nghiệm
tính không độc hại theo tiêu chuẩn của cơ quan BVMT Mỹ và đã được thử nghiệm ở Ấn Độ và
Bangladesh (1998,1999). Thiết bị khử As của PEI được lắp đặt ở Lalpur, Chakdah, Tây
Bengal với công suất 1.000 l/ngđ, thiết bị thử nghiệm cho phép giảm As từ giá trị trung bình
ban đầu xuống dưới 50 ppb (tiêu chuẩn nước uống của Bangladesh)
2.5. Hấp phụ bằng vật liệu Laterite
Laterite là một loại đất axit có màu đỏ, rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới. Thành phần chủ
yếu là các hidroxit sắt và nhôm, hoặc các oxit ngậm nước của chúng, và một lượng nhỏ các
hợp chất của mangan và titan. Ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương,
có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang điện tích âm, như Asenic. Có thể đưa Laterite trực tiếp
vào nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng, cũng có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ
trong bể lọc.Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại Ấn Độ cho thấyđể xử lý Asenic với nồng độ
cao trong nước ngầm bằng Laterite theo tỉ lệ 5g Laterite/100ml H2O thì hiệu suất xử lý đạt 5090%. Hiệu suất có thể đạt cao hơn khi xử lý Laterite trước bằng dung dịch HNO3 0,01M.
2.6. Sử dụng hidroxit sắt hay viên sắt có chứa Clo
Hidroxit sắt dạng hạt được sử dụng trong cột hấp phụ. Công nghệ này kết hợp những ưu
điểm của phương pháp keo tụ - lọc (có hiệu suất xử lý cao và lượng cặn sinh ra ít) với phương
pháp nhôm hoạt hoá, có ưu điểm là đơn giản. Hạt hidroxit sắt được sản xuất từ dung dịch
FeCl3 bằng cách cho phản ứng với dung dịch NaOH. Kết tủa tạo thành được rửa sạch, tách
nước bằng quay ly tâm và tạo hạt dưới áp suất cao. Vật liệu này có khả năng hấp phụ cao.
Nồng độ As trong nước trước xử lý 100- 180 mg/l, sau xử lý đạt < 10 mg/l.
Khi đưa những viên sắt có chứa clo vào trong nước, Clo có tác dụng làm chất oxi hoá,
chuyển As(III) thành As(V). Sau đó As(V) sẽ bị hấp phụ lên các bông hidroxit sắt đã tạo
thành. Sau đó khuấy trộn, để lắng rồi gạn nước trong hoặc lọc qua ống lọc. Cặn lắng chứa As
84
được thải ra bãi phế thải. Asen ở đây được chuyển sang thể bay hơi AsH3 và khuếch tán vào
không khí.
So sánh hiệu quả khử As bằng thiết bị keo tụ - lắng (Jar Test) với ba loại phèn keo tụ khác
nhau: FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3 cho thấy FeCl3 cho phép đạt hiệu suất khử As cao nhất: hơn
90%.
Sử dụng mạt sắt kết hợp với cát:công nghệ này do các chuyên gia trường Đại học
Connecticcut (Mỹ) đưa ra. Người ta sử dụng cột lọc với vật liệu hấp phụ bằng mạt sắt trộn lẫn
với cát thạch anh. Nước ngầm được trộn lẫn với Sunfat Bari và lọc qua cột lọc. Mạt sắt là các
ion sắt hoá trị 0, khử As vô cơ thành dạng kết tủa cùng với sắt, hỗn hợp kết tủa, hay kết hợp
với sunfat tạo Pyrit Asen. Thiết bị này có thể được lắp đặt như một thiết bị xử lý riêng biệt,
hay lắp đặt như một chi tiết trong thiết bị xử lý nước giếng khoan. Lượng As trong nước sau
xử lý đạt dưới 27mg/lít.
2.7. Công nghệ lọc
Lọc qua lớp cát: As được loại bỏ khỏi nước trong bể lọc cát là nhờ sự đồng kết tủa với
Fe(III) trên bề mặt của các hạt cát và không gian giữa các lỗ rỗng trong lớp cát. Fe(II) ở dạng
hoà tan trong nước, sẽ bị oxi hoá bởi oxi của không khí để tạo thành Fe(III). Hidroxit Fe(III) sẽ
bị hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng. As(V) và As(III) trong
nước sẽ hấp phụ vào lớp Fe(OH)3 đó và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc. Kết quả, nước ra khỏi bể
lọc đã được giải phóng khỏi sắt và Asen.
Lọc qua màng lọc: Sử dụng các màng bán thấm chỉ cho phép nước và một số chất hoà tan
đi qua, để làm sạch nước. Công nghệ lọc màng cho phép có thể tách bất cứ loại chất rắn hoà
tan nào ra khỏi nước, kể cả Asen. Tuy nhiên, phương pháp này thường rất đắt và do đó thường
được sử dụng trong nhưng trường hợp cần thiết, bắt buộc, khó áp dụng các phương pháp khác
như khử muối, loại bỏ một số ion như Asen. Có nhiều loại màng lọc được sử dụng như vi lọc,
thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc và lọc nano.
Hiệu suất và chi phí cho quá trình lọc màng phụ thuộc vào chất lượng nguồn nước sau xử
lý. Thông thường, nếu nước nguồn càng bị ô nhiễm, yêu cầu chất lượng nước sau xử lý càng
cao, thì màng lọc càng dễ bị tắc bởi các tạp chất bẩn, cặn lắng và cặn sinh vật ( tảo, rêu, vi sinh
vật…)
Kết hợp hấp phụ, lọc với trồng cây hay oxi hoá với lọc cát và trồng cây: Một số loài thực
vật như thuỷ trúc (Cyperus Alt ernifolius hay cây Thalia dealbata) hoặc khoai nước Colocasia
Esculenta cũng cho hiệu suất loại bỏ As khỏi nước.
Để tránh nhiễm độc Asen cần áp dụng các biện pháp tổng thể, từ quy hoạch, quản lý đến
phát triển các công nghệ sản xuất, xử lý ô nhiễm phù hợp, cho đến tuyên truyền, giáo dục và
các giải pháp y tế, chăm sóc sức khoẻ cộng đồng.
Cần phải phân loại, khoanh vùng theo diện ô nhiễm và phân loại theo mức độ và nồng độ ô
nhiễm bởi As. Dựa vào điều kiện cụ thể của mỗi địa phương, cần lựa chọn công nghệ xử lý As
trong nước cho phù hợp.
Bài đọc thêm:
XÀ PHÒNG - CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TIÊU BIỂU
1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI
Xà phòng theo nghĩa hẹp là muối của monoaxit béo. Xà phòng có phân tử tương đối lớn, có
tính chất hoạt động bề mặt và do đó có nhiều tính chất quan trọng trong đời sống và kỹ thuật.
Muối của các axit béo này gọi là xà phòng thường.
Thông thường người ta hiểu xà phòng với nghĩa rộng hơn, tức là gọi là tất cả các chất tẩy
rửa là xà phòng. Sở dĩ gọi là xà phòng, vì tất cả các chất tẩy rửa đều có cấu tạo phân tử, tính
chất lý, hóa học, công dụng kỹ thuật tương tự như xà phòng thường.
85
Phân tử các xà phòng nói chung đều gồm hai phần: phần ưa lưu là phần phân cực, phần ghét
lưu là phần không phân cực. Phần ưu lưu thường là các nhóm cacboxyl (-COOH), sunfuric (OSO 32 ), sunfonic (-SO 32 ), các nhóm chứa nitơ và nhóm etilen oxit (-CH2-O-CH2-) kèm theo
nhóm OH. Phần ghét lưu gồm: mạch parafin thẳng hoặc nhánh, vòng benzen hoặc naphtalen
với gốc ankyl. Phần ưa lưu có thể nằm ở một đầu hoặc ở hai đầu hoặc ở giữa phân tử của xà
phòng.
Theo cấu tạo phân tử, xà phòng được chi làm bốn nhóm sau:
1.1. Xà phòng anion hoạt động
Phân tử của xà phòng thuộc nhóm này có một hoặc một số nhóm chức. Khi hòa tan trong
nước các nhóm chức có khả năng phân ly thành cation kim loại và anion hữu cơ. Các anion
hữu cơ quyết định tính hòa tan của xà phòng.
Ví dụ:
Xà phòng natri stearat:
C17H35COONa
Xà phòng natri oleat:
C17H33COONa
Xà phòng ankyl sunfonat:
CnH2n+1SO3Me
Xà phòng ankyl aryl sunfonat: CnH2n+1C6H4SO3Me
Trong đó: Me là cation hóa trị 1 (Na  , K  , NH 4 )
Các sunfoaxit là những axit mạnh, nên không chỉ các muối của chúng với các cation hóa trị
1 mà cả muối với các cation hóa trị cao đều tan khá tốt trong nước tạo thành dung dịch nước
với tất cả các tính chất đặc trưng của dung dịch xà phòng. Đó cũng là ưu điểm của loại xà
phòng sunfo so với các xà phòng thường. Chúng có thể dùng làm chất tẩy rửa trong nước cứng
và cả trong môi trường axit.
1.2. Xà phòng cation họat động
Phân tử của các chất này khi tan trong nước các nhóm chức phân ly thành anion vô cơ và
cation hữu cơ. Các cation này quyết định tính chất hòa tan và các tính chất khác của xà phòng.
Ví dụ:
Xà phòng octadexyl amoniclorua:
C18 H 37 NH 3  Cl
Xà phòng xetyltrimentyl amoniclorua: C16 H 33 (CH 3 ) 3 N Cl
Xà phòng xetyl piridin clorua:
C16 H 33 N  C 6 H 4 Cl
1.3. Xà phòng lưỡng tính
Phân tử của loại xà phòng này khi tan trong nước sẽ phân ly thành anion hay cation hoạt
động là tuỳ thuộc vào độ pH của môi trường. Khi môi trường là axit chúng sẽ là cation hoạt
động, khi môi trường là bazơ chúng sẽ là anion hoạt động.
1.4. Xà phòng không ion hóa
Bên cạnh các xà phòng mà phân tử của chún phân ly trong dung dịch nước thành các
ion còn có các xà phòng mà phân tử của chúng không có khả năng ion hóa. Phân tử của loại xà
phòng này gồm một mạch hiđrocacbon dài và nhóm ưu lưu phân cực chút ít như nhóm
hiđroxyl hoặc các nhóm este. Ví dụ về xà phòng không ion hóa là các hợp chất nhận được từ
sự tương tác của các rượu cao phân tử (hoặc các ankylphenol) với một số phân tử etilen oxit:
CnH2n+1OH + m(CH2-CH2)
 CnH2n+1(OCH2CH2)mOH
O
2. CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG
2.1. Tính hòa tan trong nước
Tính chất hoà tan có vai trò quyết định mọi tính chất khác của xà phòng. Tính hòa tan của
xà phòng phụ thuộc vào bản chất và vị trí của nhóm phân cực, chiều dài mạch hiđrocacbon,
nhiệt độ và bản chất cation kim loại
Xà phòng thường là muối của axit béo có mạch hiđrocacbon chứa chứa từ 10 đến 22
nguyên tử cacbon, khi hòa tan trong nước tạo thành axit béo. Muối của các axit này với các
kim loại kiềm như: natri panmitat ( C15 H 31 COONa), natri stearat ( C17 H 35 COONa ), nitrat oleat
( C17 H 33 COONa ) thường hòa tan tốt trong nước. Muối chứa các ion kim loại có hóa trị cao hơn
86
như: canxi, magiê, nhôm, sắt,… không tan trong nước nhưng tạo thành hệ bán keo trong môi
trường hidrocacbon.
2.2. Tính chất hoạt động bề mặt
Dung dịch xà phòng trong nước có nồng độ ở lớp bề mặt lớn hơn trong thể tích. Khi tan
trong nước, các nhóm phân cực trong phân tử xà phòng có ái lực với nước quay vào nước, còn
mạch hidrocacbon hướng vào pha khí. Trên bề mặt dung dịch lúc này tạo thành lớp hấp phụ
định hướng. Bề mặt phân cách nước – không khí trước đây được thay thế bằng bề mặt phân
cách hyđrocácbon – không khí. Sức căng bề mặt hyđrocacbon thấp hơn nhiều so với sức căng
bề mặt của nuớc, điều này giải thích vì sao khi hòa tan xà phòng vào nước, sức căng bề mặt
nước lại giảm.
Như vậy, các xà phòng đều là chất hoạt động bề mặt. Tính hoạt động bề mặt của chúng do
bản chất của nhóm phân cực và chiều dài mạch hiđrocacbon quyết định.
2.3. Khả năng thấm ướt
Sự thấm ướt rất quan trọng đối với các quá trình tẩy rửa. Các bề mặt ưa nước như thủy tinh,
silicat, xenlulozơ, tinh bột, các axít,...thấm ướt nước rất tốt. Các bề mặt kị nước như parafin,
dầu mỡ, lưu huỳnh,...thì thấm ướt nước rất kém. Các loại vải sợi sạch thấm ướt nước dễ dàng,
nhưng nước lại khó thấm vào bên trong sợi vải vì nước có sức căng bề mặt lớn ( H 2O = 72,5
erg/cm 2 ). Khi vải sợi bị bám dầu mỡ thì laị càng khó thấm ướt. Muốn khắc phục điều này cần
phải có một chất hoạt động bề mặt để làm giảm sức căng bề mặt của nước. Trong quá trình tẩy
rửa vải thì xà phòng đóng vai trò chất hoạt động bề mặt. Sự thấm ướt của nước vào sợi tuân
theo phương trình thấm ướt Young:
 RK = RL + LK cos 
Trong đó các kí hiệu R, L và K và các pha rắn lỏng và khí tương ứng,  là góc thấm ướt.
Khi thêm chất hoạt động vào dung dịch thì  R L và  L K sẽ giảm, do đó cos  tăng, nghĩa là
sự thấm ướt tăng lên
Khả năng thấm ướt phụ thuộc vào nồng độ chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ, vị trí và bản
chất nhóm phân cực và vào cấu tạo của mạch hođrocacbon
2.4. Khả năng tạo bọt
Sự tạo bọt kèm theo sự tăng bề mặt phân cách lỏng – khí rất mạnh, vì sự tạo bọt chỉ có
thể xảy ra khi sức căng bề mặt nhỏ. Nước tinh khiết không tạo bọt, muốn tạo bọt được phải có
mặt của chất hoạt động bề mặt. Xà phòng là chất giúp cho sự tạo bọt trong nước. Trong qúa
trình tẩy rửa, bọt góp phần vào việc tách và giữ chất bẩn trong nước giặt, ngăn cản sự bám trở
lại mặt vải, dụng cụ cần rửa.
2.5. Trạng thái của xà phòng trong dung dịch
Dung dịch xà phòng có thể tồn tại ở dạng ion, phân tử hoặc mixen. Mixen xà phòng là tập
hợp của các phân tử xà phòng phân ly hoặc không phân ly.
Trong dung dịch loãng xà phòng tồn tại ở dạng phân tử hoặc ion (hình 11.2). Khi tăng nồng
độ đến một giá trị nhất định, thì trong dung dịch bắt đầu hình thành các mixen hình cầu (hình
11.2a) và nồng độ khi đó là nồng độ tới hạn tạo mixen. Trong mixen hinh cầu, các phần
hiđrocacbon do lực đẩy phân tử làm chúng quay đầu vào nhau, còn các nhóm phân cực phân li
cùng dấu làm cho chúng quay ra ngoài.
Khi nồng độ dung dịch xà phòng tiếp tục tăng thì mixen có cấu tạo khác. Các mạch
hidrocacbon bắt đầu nằm song song với nhau và dẫn đến mixen hình cầu trở thành mixen hình
tấm (hình 11.2.b). Mixen hình tấm có thể phát triển theo hai hướng, nên có thể có kích thước
rất lớn.
Tại nồng độ tới hạn tạo mixen, các tính chất như: sức căng bề mặt, chiết suất, độ nhớt, độ
dẫn điện,… đều thay đổi đột ngột do sự có mặt của mixen. Vì vậy, nồng độ tới hạn tạo mixen
được xác định nhờ đo giá trị của một trong các tính chất đó. Ở nồng độ tới hạn tạo mixen thì
khả năng tẩy rửa của xà phòng là cao nhất. Nồng độ tới hạn tạo mixen phụ thuộc vào nhiều
87
yếu tố. Nó giảm khi khối lượng phân tử xà phòng tăng và khi cho chất điện li vào hệ, ngược lại
nó khi nhiệt độ tăng.
2.6. Khả năng hòa tan keo
Nhiều chất hữu cơ không tan trong nước như các hidrocacbon, một số phẩm màu,… nhưng
chúng có khả năng hòa tan trong dung dịch xà phòng khá đậm đặc và tạo thành dung dịch
trong suốt, bền vững nhiệt động học. Sự hòa tan benzene trong dung dịch xà phòng đặc là một
ví dụ minh hoạ. Hiện tượng này được gọi là sự hòa tan keo.
Theo quan điểm hiện đại, sự hòa tan keo được giải thích như sau: khi hòa tan keo, chất hữu
cơ lách vào bên trong mixen và phân bố vào giữa các thành phần mạch hidrocacbon của các
phân tử xà phòng. Quan điểm này đã được chứng minh qua các công trình nghiên cứu bằng tia
Roentgen.
Hiện tượng hòa tan keo có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp polime hóa các
hidrocacbon không no trong nhũ tương để điều chế sơn hoặc cao su tổng hợp. Các kết quả
nghiên cứu cho thấy quá trình polime hóa không xảy ra ở trong các giọt hircacbon không no
mà là bên trong hoặc trên bề mặt các mixen xà phòng, nơi có sự hòa tan các hirocacbon không
no đó.
Xà phòng trong môi trường hidrocacbon có khả năng làm hòa tan nước dầu mỡ, đó gọi là
hòa tan keo ngược. Hiện tượng này có ý nghĩa to lớn trong công nghiệp thực phẩm.
Sự tách các chất bẩn rắn hoặc lỏng khỏi bề mặt sợi vải bằng nước sạch thì rất khó khăn, kể
cả ở điều kiện cho nhiệt độ cao và tác động cơ học mạnh mẽ. Quá trình tách chất bẩn trở nên
dễ dàng nếu như khi giặt ta dùng dung dịch xà phòng.
Tác dụng tẩy rửa của xà phòng gắn liền với nhiều hiệu ứng khác nhau:
88
+ Khi có mặt xà phòng trong nước thì sức căng của dung dịch giảm xuống, nhờ vậy mà
làm tăng được tính thấm ướt của sợi vải đối với chất lỏng tẩy rửa. Chất lỏng xâm nhập sâu vào
các mao quản của vải mà nước nguyên chất thì không thể vào được.
+ Các phân tử xà phòng hấp thụ trên bề mặt của sợi và của các chất bẩn rắn hoặc lỏng,
tạo nên lớp hấp phụ hidrat hóa.Tác dụng này làm tách các hạt chất bẩn khỏi bề mặt vải và
chuyển chúng vào lòng chất tẩy rửa.
+ Các màng hấp phụ trên bề mặt hạt bẩn tạo cho hạt có độ bền vững liên kết, cản trở sự
bám trở lại mặt vải hoặc liên kết với nhau.
Khả năng tẩy rửa của xà phòng thường chỉ có ở nồng độ cao hơn nồng độ tới hạn tạo
mixen. Điều đó chứng tỏ có khả năng tẩy rửa của xà phong có liên quan đến sự hòa tan keo
của chất bẩn dầu mỡ trong mixen.
Dung dịch xà phòng dễ tạo bọt. Một phần chất bẩn sẽ thấm ướt kém sẽ dính vào bề mặt
bọt khí giống như trong quá trình tuyển nổi quặng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Trần Thị Bính, Phùng Tiến Đạt, Lê Viết Phùng, Phạm Văn Thường, Hoá học công nghệ và
môi trường. Nhà xuất bản Giáo dục, 1999.
2. Trần Ngọc Chấn, Ô nhiễm không khí và xử lí khí thải-tập3, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội, 2000.
3. Hoàng Kim Cơ (chủ biên), Kỹ thuật môi trường, NXB khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001.
4. Phạm Ngọc Đăng, Môi trường không khí, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2005.
5. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga. Giáo trình Công nghệ xử lý nước thải. NXB Khoa học và kỹ
thuật.
6. Trần Hiếu Nhuệ, Thoát nước và xử lý nước thải công nghiệp, NXB khoa học và kỹ thuật,
2005
7. Nguyễn Hữu Phú, Hấp phụ và xúc tác trên bề mặt vật liệu mao quản, NXB Khoa học và kỹ
thuật,
8. Louis Hồ Tấn Tài, Các sản phẩm tẩy rửa và chăm sóc cá nhân, NXB Dunod, Paris – Pháp,
1999.
9. S.S. Voiutski. Hóa học chất keo, tập 1,2 (bản dịch). NXB Đại học và Trung học chuyên
nghi p, Hà N i, 1973.
89
pháön thæï ba
CÄNG NGHÃÛ NANO
CHƯƠNG 12.
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TƯƠNG LAI
CỦA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO
Hiện nay mới xuất hiện công nghệ dưới micron, công nghệ nanomet liên quan đến kích
thước hạt siêu mịn cỡ 10-9 m. Cần nhớ rằng các hạt keo có kích thước từ 10-7 đến 10-9 m. Rất
nhiều vấn đề trong hóa keo được ứng dụng trong công nghệ nano .
12.1. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO
Nano có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp (nanos) có nghĩa là nhỏ bé. Tiền tố nano xuất hiện
trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ những sinh
vật rất nhỏ với đường kính 200 nm. Vào năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ
công nghệ nano hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai. Hiện tại,
theo sự thừa nhận của đông đảo các nhà khoa học thì kích thước nano được lựa chọn trong
khoảng từ 0,1nm – 100nm. (1 nm = 10-9 m). Nanomet (kí hiệu: nm) bằng một phần tỷ mét
(1/1.000.000.000 m), một đơn vị đo lường để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ
nhất của vật chất là nguyên tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử:
1 nm, vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trùng: 25.000 nm, sợi tóc:100.000
nm, đầu cây kim: 1 triệu nm và chiều cao con người: gần 2 tỷ nm
Khoa học nano (nanoscience) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và can
thiệp vào vật liệu ở các quy mô nguyên tử, phân tử, và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính
chất của vật liệu khác hẳn so với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ
nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100 nm”. Định nghĩa này
đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị
vi lỏng và các vật liệu đang được tiến hành ở quy mô  m.
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa công nghệ
nano là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử”.
Nói tóm lại, công nghệ nano là khoa học, kỹ thuật và thao tác liên quan tới các hệ thống có
kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hoá hoặc tính toán
đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống các tính
chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của công nghệ nano bao
gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ
chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao.
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO
Khoa học và công nghệ nano mở rộng một thế giới mới cho con người, nhưng thật ra
chúng đã là một “ngành” rất xa xưa của thiên nhiên. Trước đây khi chưa có sự sống, trái đất
90
trơ trụi như một hành tinh chết. Cách đây khoảng 3,5 tỷ năm tế bào mang sự sống sống đầu
tiên xuất hiện, trải qua hàng triệu năm tạo hoá tạo ra muôn loài sinh linh biết thích ứng với
môi trường sống xung quanh, cho đến sự xuất hiện của loài linh trưởng homo sapiens có ý
thức và linh hồntrong đó có con người- đỉnh cao của quá trình tiến hoá với trí thông minh kỳ
diệu - là động vật duy nhất có trí tuệ mới xuất hiện cách đây vài triệu năm. Ta tự hỏi tự nhiên
đã phát triển loại công nghệ nào để thay đổi trái đất từ chỗ trơ trụi đến trạng thái vô cùng
phong phú với các hệ sinh thái cực kì đa dạng. Sinh học hiện tại, nhất là sinh học phân tử đã
chứng tỏ rằng công nghệ của tự nhiên để tạo ra sự sống phát triển như ngày nay là một quá
trình tiến hóa hàng tỷ năm dựa trên việc phát triển các loại phân tử của sự sống thành các loại
máy móc, mà ta có thể gọi là máy nano vì kích thước của các loại phân tử cỡ nanomét tiếp
nhận những nhiệm vụ xử lý vật liệu di truyền[8].
Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm.
10 nguyên tử H xếp liền nhau dài 1 nm.
Vào khoảng 400 năm trước công nguyên, Dermocrt đưa vào khái niệm “nguyên tử” để
chỉ những thành phần nhỏ nhất của vật chất mà theo tiếng Hy Lạp cổ có nghĩa là “không chia
nhỏ được” . Từ nano được sử dụng để diễn tả đơn vị đo đạc bằng 1 phần tỷ. Trong hệ thống đo
đạc có nghĩa là 1/tỷ mét (1nm) hoặc 1/triệu nm với đơn vị này chúng ta đã đi vào lĩnh vực của
nguyên tử hay phân tử[3]. Tuy nhiên, mãi đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một
cách có hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và
ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu.
Các hạt nano kim loại như vàng, bạc khi trộn vào thủy tinh làm cho các sản phẩm từ
thủy tinh có màu sắc khác nhau. Các hiện tượng đó là do có sự cộng hưởng plasmon bề mặt do
các 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 dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Khác với các hạt kim
loại có kích thước lớn, dao động ở hạt kim loại có kích thước nano sẽ không bị dập tắt do kích
thước hạt nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình, điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh
sáng kích thích. Các điện tử tự do trong hạt nano dao động tập thể với nhau tương tác với bức
xạ sóng điện từ, trong quá trình dao động các điện tử sẽ sắp xếp lại hạt nano làm cho hạt nano
bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện, do vậy làm xuất hiện tần số cộng hưởng, và
còn phụ thuộc vào các yếu tố hình dáng, độ lớn hạt, môi trường xung quanh, mật độ hạt... mà
các hạt nano thể hiện các màu sắc khác nhau. Ngoài tính chất quang, hạt nano còn có tính chất
điện, tính chất từ mạnh, nhiệt độ nóng chảy của hạt nano tỉ lệ thuận với kích thước hạt, kích
thước hạt giảm thì nhiệt độ nóng chảy giảm, ví dụ: hạt vàng 2 nm có nhiệt độ nóng chảy là
500oC, 6 nm có nhiệt độ nóng chảy là 950oC.
Đến năm 1905, trong luận văn tiến sĩ của AlBert Einsteen có đề tài: “Một phương pháp
mới để xác định kích cỡ phân tử đường”, ông đã tính được đường kính của phân tử đường vào
khoảng 1nm[1].
Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908 khi Lohmann
sử dụng nó để chỉ những sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm[7].
91
Năm 1931, Max Knoll và Ernst Ruska phát minh ra kính hiển vi điện tử có thể tạo ảnh
của những vật nhỏ hơn 1nm[1].
Năm 1959, giáo sư Richard Feynman đọc bài giảng nổi tiếng của ông về khả năng thu
nhỏ lại: “There’s plenty of Room at the Bottm” , đề ra một thuyết táo bạo: “Thay vì phân chia
vật chất, tại sao chúng ta không đi từ cái vô cùng nhỏ?” Sau bài giảng của ông, không ít người
trong thính giả hoang mang. Nhưng thầy Feynman không đùa, thầy nói chuyện nghiêm túc.
Ông đặt vấn đề làm sao có thể chứa toàn bộ 24 quyển Bách khoa Từ điển Britannica với tổng
cộng 25.000 trang giấy trên đầu cây kim có đường kính 1,5 mm. Theo Feynman, khả năng này
hiện hữu. Thính giả ngơ ngác, vì ở năm 1959 dụng cụ điện tử tiên tiến nhất là cái tivi điều
khiển bằng ống chân không mà mỗi lần bật lên phải đợi vài phút hình ảnh mới xuất hiện. Cũng
ở thời điểm này, ông chủ hãng Sony (Nhật Bản), Morita Akio, vừa tung ra thị trường thế giới
đài radio bán dẫn (transistor radio) bỏ túi dùng pin. Từ cái radio to đùng với kỹ thuật thu nhỏ
(miniaturization) đương thời. Có phải là vấn đề của Feynman đưa ra là một chuyện không
tưởng? Feynmam trấn an người nghe là ông không “xạo sự”, tất cả những điều ông nói đều là
khả thi, theo đúng và nằm trong phạm vi cho phép của những quy luật vật lý. Như vậy,
Feynmam đã thuyết phục thính giả của ông bằng cách nào?
- Ông giải thích bằng con số rất đơn giản. Muốn đặt 25.000 trang giấy trên mặt của đầu kim
ta chỉ cần thu nhỏ 25.000 ngàn lần toàn bộ bách khoa từ điển. Có nghĩa là những chữ in cũng
phải thu nhỏ 25.000 lần. Trong các mẫu tự, dấu chấm trên đầu chữ “i” là ký hiệu nhỏ nhất. Sau
khi thu nhỏ 25.000 lần, dấu chấm vẫn còn có một kích cỡ của tập hợp 1000 nguyên tử. Con số
1000 nguyên tử còn rất to và cho rất nhiều lựa chọn để con người thao tác bằng một phương
pháp vật lý nào đó. Feynmam tiếp tục luận điểm của mình. Ông phỏng chừng có 24 triệu
quyển sách trong thư viện trên toàn thế giới. Nếu tất cả được thu nhỏ 25.000 lần thì toàn thể
sách viết biểu hiện tri thức của loài người trên quả đất sẽ được “in” vỏn vẹn trên trang giấy
A4! Feynmam còn nói đến khả năng làm những sợ dây dẫn điện phân tử và linh kiện điện tử
như transistor ở thang phân tử. Ông nói đến công cụ lớn làm nên những công cụ nhỏ hơn và
nhỏ hơn nữa để giúp con người di dời, thao tác và điều khiển nguyên tử và phân tử theo ý
mình.
- Mục đích bài nói chuyện của Feynmam không phải chỉ dừng ở kỹ thuật thu nhỏ mà còn
phát hoạ những khả năng hình thành một nền công nghệ mới trong đó con người có thể di
chuyển, chồng chập các loại nguyên tử, phân tử để thiết kế một công cụ cực kỳ nhỏ ở thang vi
mô hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trúc phân tử của nó. Và cũng vào năm này ông đã
đưa ra khái niệm “cái nguyên tử và phân tử đơn giản có kích thước khoảng 0,1 nanomét” lần
đầu tiên. [6]
Năm 1965, Gordon Moore, một trong những nhà sáng lập của công ty Intet (Mỹ) bằng
trực giác của một nhà khoa học đã tiên đoán là cứ mỗi năm hai mật độ của các transitor được
nhồi vào một con chip cho máy vi tính sẽ tăng gấp đôi nhờ và kỹ thuật chế biến thu nhỏ và đặc
tính của nguyên tố silicon, chip này đủ “thông minh” làm công việc đơn giản cộng trừ nhân
chia thay cho cái bài toán Tàu. Đây là bước đầu thành công cho thấy sự tiến bộ của sự thu nhỏ
từ cm đến mm; người ta đặt cái tên “Định luật Moore” cho sự tiên liệu này[6].
Năm 1968, Alfred Y.Cho và John Arthur của Bell Laboratories cùng với các đồng
nghiệp của họ phát minh ra phương pháp epitaxy chùm phân tử (Molecular beam epitaxy, viết
tắt là MBE) là các kỹ thuật để cắt từng lớp nguyên tử ra khỏi bề mặt[1].
MBE là thuật ngữ chỉ một kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm
phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao, để thu được các màng mỏng
đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của lớp đế, được ứng dụng nhiều trong vật lý
chất rắn, khoa học và công nghệ vật liệu, đặc biệt trong công nghệ bán dẫn chế tạo các màng
đơn tinh thể với chất lượng rất cao độ dày có thể thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục
nanomet.
92
Kỹ thuật MBE được thực hiện như sau: các vật liệu nguồn được đốt đến bay hơi với tốc
độ chậm và được dẫn tới đế (đế là một lớp đơn tinh thể được giữ lạnh có tác dụng như một lớp
mầm để lớp màng phát triển lên trong quá trình ngưng đọng), nếu là màng hợp chất thì các
chất sẽ phản ứng với nhau trên bề mặt đế để phát triển thành đơn tinh thể. Các chùm nguyên
tử, phân tử của các vật liệu nguồn sẽ không phản ứng với nhau cho đến khi chúng kết hợp với
nhau trên đế, đây là lí do chính của tên gọi chùm phân tử. Để kiểm soát quá trình mọc màng
thì trong quá trình hình thành màng, người ta dùng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử phản xạ năng
lượng, quá trình này cho phép kiểm soát sự phát triển của màng với độ chính xác từng lớp
nguyên tử. Kỹ thuật MBE chỉ có thể được thực hiện trong môi trường chân không siêu cao (áp
suất thấp hơn 10-9 Torr).
Với sự phát triển của công nghệ nano hiện nay, MBE là một trong những kỹ thuật chủ
đạo của công nghệ nano để chế tạo các vật liệu nano.
Năm 1974, Norio Taniguchi đề xướng ra thuật ngữ “công nghệ nano” để gọi các
phương pháp chế tạo nhỏ hơn 1 nm và bắt đầu được giới khoa học thế giới sử dụng[1].
Mặc dù biết rằng vật chất tồn tại trên quy mô
nano, các nhà khoa học không thể phân tích được
nano qua kính hiển vi. Khi được phóng đại lên 10.000
lần, chúng ta không thể nhìn thấy được gì nữa cả.
Bước đột biến bắt đầu xảy ra vào năm 1981, khi nhà
nghiên cứu thuộc IBM Zurich (Thụy Sỹ), G.Binning
và H.Rohrer tuyên bố với thế giới là hai ông đã phát
minh ra kính hiển vi có khả năng quan sát trọn vẹn
nguyên tử. Công nghệ này giúp họ phân tích được các
hai nhà khoa học Gerd Binning và
loại vật chất nhỏ tí hon, từ đó xác định hình dạng của
Heinrich Rohrer cùng phát minh
vật chất bằng cách cảm nhận thay vì quan sát, tương
của họ - kính hiển vi STM
tự như khi người mù đọc chữ Braille, chỉ có đều ở
kích thước nguyên tử[4].
Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ nano là kính hiển vi quét
sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM). STM được hai nhà
khoa học Gerd Binning và Heinrich Rohrer thuộc công ty IBM phát minh vào năm 1981, nhờ
ứng dụng to lớn của phát minh này mà đến năm 1986, hai ông đã nhận được giải Nobel vật lý.
STM bao gồm một đầu dò cực nhỏ có thể quét trên bề mặt, đầu dò này chỉ cách bề mặt của vật
cần quan sát vào khoảng vài nguyên tử và đầu dò có cấu trúc tinh vi cho hiệu ứng cơ lượng tử
xảy ra. Khi đầu dò được quét trên bề mặt, nhờ hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vượt
qua khoảng không gian giữa bề mặt của vật liệu và đầu dò. Kỹ thuật này làm cho một máy tính
có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân tử và nguyên tử của vật chất. STM có
một hạn chế là kính hiển vi này chỉ nghiên cứu được những mẫu dẫn điện vì cần có sự di
chuyển của điện tử giữa mũi nhọn máy quét và mẫu.[7]
Năm 1985, Robort F.Cut Jr, Harold W.Kroto và Richard E.Smalley phát minh ra
Buckminster_Fulleren (quả cầu Bucky có đường kính khoảng 1 nm) [1] đây là lần đầu tiên các
nhà khoa học tạo ra các loại carbon siêu nhỏ dưới dạng rắn. Buckyball là những phân tử hình
cầu rỗng, trong đó các nguyên tử carbon ở đỉnh gắn kết với nhau thành các hình ngũ giác và
lục giác, tương tự như các mặt của một quả bóng đá. Chúng có thể chịu đựng nhiệt độ và áp
suất cao, đồng thời rất bền và dẫn điện tốt. Đặc tính này
khiến Buckyball được ứng dụng phổ biến trong các thiết
bị nano như các nhiệt kế. Trong họ buckyball, dạng nổi
tiếng nhất là C60 - một khối cầu hình quả bóng với 60
nguyên tử carbon[8].
Năm 1985, Harold Kroto (University of Sussex,
Anh Quốc), James R.Health, Sean O’Brien, Robert Curl
93
và Richard Smalley (Rice University), đã khám phá ra phân tử chứa 60 nguyên tử cacbon gọi
tắt là C60. Kroto, Curl và Smalley đã nhận được giải thưởng Nobel về lĩnh vực hoá học năm
1996 vì đã tìm ra loại hợp chất này.
Giáo sư Kroto là một nhà nghiên cứu thiên văn. Vào thập niên 70, ông đã có một chương
trình nghiên cứu những chuỗi dài các nguyên tử cacbon trong các đám mây bụi giữa các vì
sao. Ông liên lạc với nhóm của Curl và Smalley và dùng quang phổ kế lazer của nhóm này để
mô phỏng điều kiện hình thành của các chuỗi cacbon trong đám mây vũ trụ. Họ không những
có thể tái tạo những chuỗi cacbon mà còn tình cờ khám phá ra một phân tử rất bền chứa chính
xác 60 nguyên tử cacbon.
Sự khám phá C60 cho cacbon có một dạng thù hình thứ tư. Sau khi nhận diện C60 từ
quang phổ hấp thụ, Kroto, Curl và Smalley tiến hành tạo mô hình cho cấu trúc của nó. Trong
quá trình này, các ông nhận ra rằng các nguyên tố cacbon không thể sắp phẳng theo kiểu lục
giác tổ ong của than chì, nhưng có thể sắp xếp thành một quả cầu tròn trong đó hình lục giác
xen kẽ với các hình ngũ giác giống như trái bóng đá với đường kính khoảng 1 nm. Phân tử này
được đặt tên là buckminster fullerene. Sở dĩ nó có tên như vậy vì cấu trúc của nó giống cấu
trúc mái vòm hình cầu do kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller thiết kế.Fulleren là một
dạng thù hình thứ 4 của cacbon ngoài than, graphit và kim cương. Nó có dạng hình cầu rỗng,
hình ống hoặc dạng tinh thể. Fulleren hình cầu được gọi là buckyball (quả cầu bucky), còn
dạng hình trụ gọi là ống nano cacbon (carbon nanotubes, buckytubes).[Dạng C60 đã được Eiji
Osawa (thuộc Đại học Kỹ thuật Toyohashi) tiên đoán trước vào năm 1970. Ông chú ý rằng cấu
trúc của một phân tử corannulene là một tập hợp có hình dạng quả bóng đá nhỏ, và ông đã giả
thiết rằng một quả bóng tròn trĩnh cũng có thể tồn tại. Ý kiến của ông được đăng trên một tờ
báo tiếng Nhật nhưng nó không được biết đến ở châu Âu và châu Mĩ.
Quả cầu bucky có nhiều kích cỡ. Loại nhỏ nhất gồm 20 nguyên tử cacbon, loại lớn nhất
có 540 nguyên tử cacbon, nhưng dạng phổ biến là C60 và C70.
Từ khi xuất hiện hợp chất C60, người ta nghĩ ngay đến việc áp dụng thực tiễn của C60,
người ta kết hợp C60 với potassium (K) để tạo ra chất siêu dẫn hữu cơ ở nhiệt độ 18K. Một số
nhà nghiên cứu sinh học hy vọng có thể dùng C60 để điều chế dược phẩm trị liệu bệnh AIDS.
Một trong những ứng dụng có tầm quan trọng đặc biệt là đặc tính photovoltaic của C60,
tức là khả năng biến năng lượng mặt trời thành điện còn gọi là pin mặt trời. Loại pin này được
chế tạo từ C60 và polimer dẫn điện. Mặc dù hiệu suất chuyển hoán năng lượng vẫn chưa bì kịp
pin mặt trời silicon đang được phổ biến trên thương trường, loại pin mặt trời hữu cơ này sẽ cho
những đặc điểm không có ở silicon như dễ gia công, giá rẻ, nhẹ, mỏng và mềm.
Năm 1986, kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope - AFM) là một thiết
bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác
nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu, có thể quan sát ở độ phân giải
nanomet. AFM được phát minh bởi Gerd Binning, Calvin Quate và Christoph Gerber. Thiết bị
này hoạt động trên nguyên lý sử dụng một đầu dò có kích cỡ ở đầu là một nguyên tử được
rung và quét qua bề mặt của vật liệu, dựa vào việc ghi nhận lực tương tác giữa đầu dò này với
các nguyên tử bề mặt, các nhà khoa học có thể xây dựng lại ảnh bề mặt của vật liệu, từ các
hình thái học cho đến ảnh ba chiều của bề mặt.
Kính hiển vi AFM có một ưu điểm là nó có thể áp dụng cho mọi bề mặt, không nhất
thiết phải dẫn điện, do không cần có dòng điện giữa đầu đo và mẫu vật.
94
Năm 1986, K.Erich Drexler cho xuất bản cuốn sách mang tính tương lai học “Engines
of Creation” (những cổ máy đầy sức sáng tạo). Cuốn sách này làm cho thuật ngữ công nghệ
nano trở nên đại chúng hơn[1]. Trong tác phẩm này dựa trên các thành tựu đã đạt được của
công nghệ nano, tác giả đã cụ thể hoá những ý tưởng của Feynman và hơn thế nữa tác giả đã
đưa ra những tư tưởng mới về ngành công nghệ mới mẻ này. Ví dụ mở đầu, Drexler đã vạch ra
tính cách mạng của công nghệ nano ở chỗ là khác với các công nghệ của các thời đại trước đây
đều là loại công nghệ “từ to xuống nhỏ” hay còn gọi là công nghệ khối to hoặc công nghệ từ
trên xuống với công nghệ nano thì ngược lại “từ nhỏ lên to” hay còn gọi là công nghệ phân tử
hoặc là công nghệ từ dưới lên. Dựa trên các kết quả mới của sinh học phân tử, ông đã trình bày
khá chi tiết các loại máy nano mà ngày nay thường gọi là các Nanobot, mà cũng chính ở đây
đã xãy ra một cuộc tranh cãi kéo dài cho đến ngày hôm nay.
Ngày 9 tháng 11 năm 1989 đã khởi đầu một kỉ nguyên mới - kỉ nguyên công nghệ nano.
Đó là sự kiện xãy ra khi hai nhà khoa học Don Eigler và Erhead Schweizer đã thao tác có chủ
định từng nguyên tử để tạo nên một cấu trúc, một logo IBM đơn giản tại một khu vực yên tĩnh
của trung tâm nghiên cứu Almaden của IBM ở San Jose, California. Điều làm cho logo này trở
nên rất đặc biệt là hai nhà khoa học đã di chuyển 35 nguyên tử Xenon để tạo ra 3 mẫu tự
“IBM” [1]. Chiều ngang của toàn thể 3 mẫu tự này chỉ có 3 nanomet. Đây là mẫu tự nhỏ nhất
của thế giới loài người!
Năm 1991, tiến sĩ Sumio Iijima một
nghiên cứu viên của công ty NEC tại Tsukuba
(Nhật Bản) trong một lần nghiên cứu fulleren đã
tình cờ phát hiện qua kính hiển vi điện tử ống
nano cacbon - “người em họ” của C60. Trong
khi C60 có hình dạng quả bóng đá thì ống nano
có hình dạng như quả mướp dài với đường kính
vài nanomet và chiều dài có thể lên đến vài
ống nano cacbon
trăm milimet. Với đường kính vài nm, ống nano
cacbon nhỏ hơn sợi tóc 100000 lần. Cấu trúc
hình ống của ống nano cacbon có cơ tính và điện tính khác thường đã làm kinh ngạc nhiều nhà
khoa học trong các cơ quan nghiên cứu, đại học và doanh nghiệp trên thế giới. Ống nano
carbon có nhiều tính năng tuyệt diệu: độ dẫn nhiệt cao, dẫn điện tốt, khi pha tạp có thể trở
thành siêu dẫn, độ bền cao hơn thép rất nhiều, chịu nhiệt độ cao rất tốt. Trước mắt ống nano
carbon được nghiên cứu ứng dụng có độ tích hợp cao, các bộ nhớ lớn. Ống nano carbon cũng
được dùng để chế tạo các loại composite siêu bền…[3]
95
Trong tự nhiên ống nano carbon tồn tại ở nhiều hình dạng,
phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chúng.
Việc chế tạo ống nano có thể thực hiện bằng cách phóng điện hồ quang hoặc dùng laser
trên vật liệu gốc chứa cacbon hoặc phun vật liệu này qua một lò ở nhiệt độ 800 - 1200oC. Tuỳ
vào điều kiện chế tạo và vật liệu gốc mà người ta có thể tạo ra ống nano cacbon đơn lớp hay đa
lớp. Người ta đã định được độ bền và độ cứng của ống nano cacbon, ống nano bền hơn thép
100 lần nhưng nhẹ hơn thép 6 lần.Với dạng hình ống dài và cơ tính lý tưởng, ống nano cacbon
được cho vào các loại polimer để tạo những sản phẩm nano composite. Người ta cho rằng ống
nano cacbon là chất độn tốt nhất cho polymer nano-composite.
Vài phần trăm ống nano cacbon có thể gia tăng độ bền, độ cứng và độ dai của polymer
lên nhiều lần.Điện tính và đặc tính điện tử của ống nano đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà
vật lý và thiết kế điện tử vi mạch. Nhờ ở dạng hình ống mà các electron tự do pi trong ống có
thể tải điện nhưng ít chịu sự phân tán electron. Ống nano có khả năng tải điện hữu hiệu vì ít
phát nhiệt. Nhờ đặc tính này mà năm 1998, nhóm của Cee Dekker tại trường Đại học Tổng
hợp Delft Hà Lan phát minh ra transistor từ ống nano cacbon. Transistor này có kích thước
nhỏ hơn transistor làm từ silicon và ít phát nhiệt hơn.Một đặc tính khác của ống nano cacbon
là sự phát xạ trường. Khi điện thế được áp đặt vào một đầu của ống nano, đầu kia sẽ liên tục
phát ra electron. Ống nano cacbon ưu việt hơn các vật liệu có đặc tính phát xạ trường khác là
do nó có thể vận hành ở điện thế thấp, phát xạ trong một thời gian dài mà không bị tổn hại.
Đặc tính này được người ta ứng dụng vào việc sản xuất màn hình tivi và vi tính.
Ngoài ra ống nano còn cho nhiều ứng dụng khác như dùng trong bộ cảm ứng để phát
hiện ánh sáng, nhiệt, sóng điện từ hoặc những hoá chất độc hại với độ nhạy rất cao. Ống nano
tự thân hoặc kết hợp với polymer dẫn điện để biến thành cơ bắp nhân tạo. Cơ bắp nhân tạo là
một mô phỏng của cơ bắp sinh vật biến đổi điện năng thành cơ năng, khi có một dòng điện
chạy qua, cơ bắp sẽ cho một tác lực. Cơ bắp nhân tạo là một trong những bộ phận quan trọng
tạo thành con rôbôt hoặc hệ thống cơ điện vi mô.
Năm 1993, Warren Kobinett của Đại học Bắc Carolina và R.Stanley Willians của Đại
học California tại Los Angeles kết nối một kính hiển vi điện tử quét với một hệ video recorder,
cho phép “nhìn thấy” “cảm thấy” được các nguyên tử trong một thực tế ảo[1].
Năm 1998, nhóm của Cu Decker tại trường Đại học tổng hợp Delft Hà Lan phát minh
ra transister từ ống nano carbon[1].
Năm 1999, nhóm James M.Tour ở Đại học Rice và Mark A.Reed ở Đại học Yale cho
thấy các phân tử riêng lẻ có thể hoạt động như là các đóng ngắt mạch[1].
96
Năm 2000, Eigler và các nhà nghiên cứu của hãng IBM chế tại “gương lượng tử”. Chuyên
gia máy tính Bill Joy cảnh bảo thế giới trước hiểm hoạ của công nghệ nano[1].
Năm 2001, lần đầu tiên các nhà khoa học đã ghép thành công một cầu nối điện bằng protein giữa
các tế bào thần kinh và các tinh thể nano bán dẫn. TạI đại học Texas ở Austin (Mỹ) đã tạo ra các tinh
thể cadmiumsulfid có đường kính cỡ 3 nanomet. Người ta sử dụng “dây protein” để nối. Phần đầu
của sợi dây protein nối với một tế bào thần kinh và phần kia được gắn với một tinh thể nano
cadmiumsulfid (thông qua một điểm nối bằng lưu huỳnh)...Mục đích lớn nhất của thí nghiệm này là
quan sát được cường độ của các xung điện do các tế bào thần kinh gây ra trong não. Thành quả này
được ứng dụng để theo dõi hoạt động của não bộ và chữa trị một số bệnh về suy giảm chức năng của
tế bào thần kinh.
Hình 2 - Hình ảnh một tế bào thần kinh phóng to
Cũng năm 2001, người ta đã phát hiện tính siêu dẫn của C70, một dạng tinh thể carbon có
hình như quả bóng. Trước đó, năm 1995, C60 cũng đã được xác nhận là có đặc tính này ở
nhiệt độ cao: 40 độ K (-233 độ C)
.
Hình 3 - Cấu trúc của một tinh thể C70
Hendrik Schoen, thuộc Phòng thí nghiệm Bell ở Murray Hill, New Jersey (Mỹ), và cộng
sự đã giải được mã bí mật của C70. Đầu tiên họ phỏng đoán, sở dĩ C70 không thể siêu dẫn vì
mẫu thử có quá nhiều lỗi, dẫn tới sự xô lệch về cấu trúc, làm cản trở các điện tử chạy qua. Bởi
vậy, nhóm khoa học đã dành mọi nỗ lực để "trồng" một tinh thể với cấu trúc cực sạch. Với
mẫu thử này, ở nhiệt độ 7 độ K, người ta đã xác định được tính siêu dẫn của C70. Khả năng
siêu dẫn của carbon ở nhiệt độ cao có ý nghĩa trong ngành điện tử.
5. Một số thành tựu công nghệ nano nổi bật năm 2002
5.4 Hạt nano chuyển chì và cadmium ra khỏi cơ thể (2002)
Các nhà khoa học Đức mới chế tạo thành công hạt nano đường kính 100 nanomét (1
nanomet = 1 phần tỷ met). Hạt nano này rỗng ruột, vỏ có nhiều lỗ hổng với đường kính 10,4
nanomet, đủ cho các ion chì và cadmium lọt qua. Người ta sử dụng nó trong y học, bằng cách
dùng nó để đem chất độc kim loại ra ngoài.
97
Hình 4 - Hạt nano rỗng hoạt động theo nguyên tắc mô phỏng màng tế bào
Thành tựu này của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hóa học Max - Plank, Postdam (Đức),
ngay lập tức được giới y học đón nhận nồng nhiệt.
Nhóm khoa học dẫn đầu bởi Sascha General đã lấy màng tế bào để thiết kế hạt nano rỗng,
tế bào có những "rãnh protein", thực chất là những lỗ hổng, cho phép một số ion nhất định
(của khoáng chất hòa tan) đi qua.
5.5 Chế tạo sợi nano carbon dài nhất thế giới (2002)
Các nhà khoa học Mỹ mới chế tạo thành công sợi nano carbon dài 20 centimet - một kỷ
lục đáng kinh ngạc nếu ta biết rằng sợi này chỉ mảnh cỡ vài phần nghìn đường kính sợi tóc.
Thành tựu này là bước tiến mới trong kỹ thuật nano, nhằm chế tạo chip bán dẫn mạnh hơn cho
máy tính tương lai.
Hình 5 - Sợi nano carbon mảnh cỡ vài phần nghìn đường kính sợi tóc
Bằng phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (CVD - Chemical Vapour Deposition), lần đầu
tiên nhóm nghiên cứu đã tạo ra các sợi nano dài 20 centimét. Nhờ chất xúc tác là lưu huỳnh và
hydro, các phân tử carbon đã liên kết với nhau thành chuỗi cực mảnh mà không bị đứt.
5.6 Động cơ siêu nhỏ làm từ một sợi ADN (2002)
Nhà nghiên cứu Weihong Tan, Đại học Florida (Mỹ), đã tạo ra một động cơ nano từ một phân tử
ADN đơn lẻ. Đây không phải động cơ nano đầu tiên trên thế giới, nhưng là chiếc đầu tiên được làm từ
một đơn phân tử duy nhất. Theo Tan, loại động cơ làm từ một đơn phân tử ADN sẽ dễ kiểm soát và có
hiệu suất cao hơn.
98
Hình 6 - Động cơ siêu nhỏ làm từ một sợi ADN
Động cơ nano sẽ giúp mang thuốc tới vùng cơ thể bị bệnh. Tại đây, động cơ sẽ gắn các
phân tử thuốc vào màng tế bào ung thư. Với sự chính xác ở cấp độ phân tử, Tan hy vọng loại
bỏ được hiện tượng thuốc bị gắn nhầm địa chỉ vào những tế bào lành
5. Một số thành tựu công nghệ nano nổi bật năm 2003
Ra đời rotor điện nhỏ nhất thế giới (2003)
Các nhà khoa học Mỹ vừa sáng chế ra một rotor điện nhỏ bằng 1/250 sợi tóc của con
người. Đây được coi là bước đột phá trên mặt trận công nghệ nano.
Thiết bị bao gồm một lưỡi dao bằng vàng gắn vào một trục làm bằng ống nano carbon.
Hai đầu của trục được mắc vào 2 điện cực silicon đioxide. Dòng điện chạy qua điện cực truyền
vào ống nano dẫn điện và làm quay lưỡi dao. Ba điện cực khác - 2 cái đặt 2 bên đầu trục, một
cái đặt bên dưới sẽ cung cấp lượng điện bổ sung. Điều này có nghĩa tốc độ lưỡi dao, hướng và
vị trí của nó sẽ được điều khiển một cách chính xác.
Trước đây người ta đã chế tạo ra một thiết bị nano nhỏ nhất thế giới, là công tắc bio làm
từ phân tử ADN và chạy bằng hóa chất. Nhưng rotor điện lại có ưu điểm hơn hẳn bio, là một
thiết bị điện - hoá chất, nó có thể chịu đựng được sự biến đổi nhiệt độ cao, hoạt động được
trong chân không và chịu đựng môi trường hoá chất. Thiết bị tí hon này được gắn vào một
chip silicon và có thể ứng dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau.
5. Một số thành tựu công nghệ nano nổi bật năm 2005
Điều chế Silic đioxit (2005) [6]
Hình15- ảnh SEM và TEM của hạt nano và lưới (xốp) nano của ZnS
Tiến bộ lớn thứ hai của Trung Quốc năm 2005 liên quan đến đặc tính tổng hợp và dẫn
thuốc của khối cầu Silic đioxit rỗng thủng lỗ (đường kính lỗ từ 2-50 nm) có kích thước và hình
thái giống hệt nhau. J.L. Shi và đồng nghiệp đã trình bày phương pháp để thiết kế hệ thống
phân phát thuốc được điều khiển bằng kích thích nhằm che các lỗ mở của khối cầu Silic đioxit
chứa đầy thuốc. Với kích thước đồng nhất 200nm, những “phương tiện vận tải” nhỏ này có thể
vận chuyển thuốc một cách an toàn trong hệ thống tuần hoàn của người và dưới tác động của
từ trường bên ngoài do thầy thuốc điều khiển, giải phóng thuốc ở tốc độ được kiểm soát ở vị
trí đặc biệt cần điều trị.
Vào tháng 11 năm 2007, Intel tung ra thị trường thế giới một transistor mới với kích cỡ 45
nanomét dùng một nguyên tố gọi là hafnium để thay thế sillicon. Transistor nhỏ đến mức
người ta có thể xếp 2000 transistor trong một khoảng không gian dày bằng sợ tóc. Hàng tỷ
99
transistor được tập tích trong một chip vi tính cũng chỉ to vài cm 2 . Muốn nhìn thấy transistor
này ta cần kính hiển vi điện tử với độ phóng đại vài trăm nghìn lần[2].
TƯƠNG LAI CỦA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO
7. Tiềm năng to lớn của công nghệ nano
Mới đây, một cuộc triển lãm tổ chức tại viện bảo tàng nghệ thuật Los Angeles (Mỹ) có tên
gọi “Nano” đã kết hợp thành công giữa nghệ thuật và nguyên tử. Qua các tác phẩm trưng bày,
khách ghé thăm có thể tự mình khám phá phương pháp di chuyển phân tử. Đây là dự án của
một nhóm các chuyên gia khoa học nano, nghệ thuật truyền thông, và nhân văn thuộc ĐH
Califonia (Los Angeles). Mục đích của triển lãm này là giúp cho khán giả tìm hiểu công nghệ
nano bằng cảm nhận, ngay cả khi họ không nhìn thấy gì. Victoria Vesna, chủ nhiệm khoa thiết
kế /Nghệ thuật truyền thông thuộc ĐH California, cho biết: “Ngành khoa học mới mẻ này sẽ
giúp chúng ta nâng cao nhận thức về thực tại, từ một loại hình văn hóa thuần ảo đến loại hình
dựa vào cảm nhận liên kết” [4]. Hiện nay, công nghệ nano đang là một thách thức đối với
chiến lược phát triển khoa học ở nhiều nước, đặc biệt là những nước có nền khoa học phát
triển như Mỹ, Đức, Pháp và Nhật Bản. Công nghệ nano đang tạo ra nhiều điều kỳ diệu đến nỗi
người ta xem nó như một cuộc cách mạng trong Thế kỷ 21. Bằng công nghệ nano, người ta có
thể “nhét” tất cả thông tin của 27 cuốn Từ điển Bách khoa toàn thư của Anh nằm gọn trong
một thiết bị chỉ bằng sợ tóc. Người ta cũng có thể chế tạo ra những con robot mà mắt thường
không nhìn thấy được và còn vô số điều kỳ diệu khác mà con người có thể khai thác nhờ công
nghệ nano[5].
Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của các
ngành khoa học. Dưới đây là một số lĩnh vực đang hướng đến ứng dụng mạnh mẽ công nghệ
nano.
Máy tính nano được thiết kế bằng việc sắp xếp những nguyên tử mới có khả năng lưu trữ,
xử lý thông tin với tốc độ lớn hơn hiện nay hiện nay rất nhiều và đặc biệt giá thành rẻ
Các ống nano cũng có thể làm sợi tóc thắp sáng bóng đèn, do vậy mà chúng đang được
phát triển để thay thế các bóng điện, các bảng hiển thị thông tin, màn hình máy tính, điện thoại
di động.
Các ống nano cũng cực kỳ vững chắc, có sức mạnh gấp mười lần thép và đặc biệt là
kháng nhiệt, điều này có thể giúp con người sản xuất ra hàng loạt thiết bị cho ngành sản xuất
xe hơi, máy bay và tàu vũ trụ.
Y học: Robot nano đi vào cơ thể để chữa bệnh
Hình 16- Robot nano đi sâu vào cơ thể và tìm diệt những tế bào gây bệnh
Robot nano có thể dùng để chiến đấu chống virus, vi trùng. Chúng có thể đảm nhiệm là
một nhà phẫu thuật hoàn hảo, được huy động để thực hiện kiểm soát hệ mao mạch và tiêu diệt
các tế bào gây bệnh.
Lợi ích chính của loại robot trong y học này là có thể phát hiện những dị dạng của tế bào
và sửa chữa nó.
100
Trong công nghệ dược phẩm và hóa sinh, ứng dụng công nghệ nano, người ta có thể bào
chế ra nhiều loại thuốc trên cơ sở cấu trúc nano để có thể tập trung chính xác vào khu vực cơ
thể cần dùng đến thuốc.
Đặc biệt, công nghệ nano trong tương lai còn có thể cho phép tạo ra những vật chất gần
giống với cơ thể con người nhằm dùng thay thế những cơ thể bị hỏng của con người.
Năng lượng: Pin nano-năng lượng sạch và rẻ. Nhờ công nghệ nano, những loại pin mới có khả
năng quang hợp nhân tạo sẽ giúp con người sản xuất năng lượng sạch. Hơn nữa, các màng nano (với
chi phí sản xuất rất thấp) hứa hẹn có thể hấp thụ được nhiều năng lượng mặt trời hơn quang điện hiện
nay. Việc này có thể khởi động cho một cuộc cách mạng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời.
Môi trường: để giải quyết những vấn đề môi sinh, người ta có thể tạo ra những màng lọc các
phân tử gây ô nhiễm nhỏ bé nhất. Công nghệ nano này giờ đây đang được áp dụng khá phổ biến
ở Pháp để lọc nước thải.
Những ứng dụng gần hơn với đời sống thường ngày là hiện nay một số công ty đã bắt tay
vào sản xuất hạt nano dùng trong sơn, kính che nắng và ống carbon dùng trong công nghiệp
điện tử.
Các ống carbon này có thể sử dụng trong nhiều mặt hàng thông dụng như transitor, điện
thoại di động, xe hơi và cả những mặt hàng mỹ phẩm.
Quốc phòng: Quân đội nano
Quốc phòng cũng là một lĩnh vực đang rất chú ý đến nghiên cứu công nghệ nano.
Giới quân sự Mỹ giờ đây đặc biệt quan tâm đến công nghệ này.
Vì những thiết bị kỹ thuật siêu nhỏ có thể trở thành vũ khí nguy hiểm hơn cả bom nguyên tử.
Với một đội quân vô hình và sự nhân bản, robot siêu nhỏ có thể tiêu diệt kẻ thù chỉ trong chớp
nhoáng.
5.12 LOC – Phòng thí nghiệm trên một con chip [13]
Đúng như tên gọi, LOC là ghép các chữ đầu của Laboratory On a Chip tức là cả một
phòng thí nghiệm nằm gọn trên một con chip.
Xét cụ thể một LOC chế tạo theo công nghệ MEMS mà hãng STMicroelectronics (Ý)
công bố vào đầu năm 2004; nhiệm vụ của LOC này là xét nghiệm phân tích gen.
Các bộ phận đều làm trên phiến silic. Ở diện tích làm PCR (nhân bản AND) có một dãy
12 kênh nhỏ, mỗi kênh 150 x 200 micromet ở bên trong silic.
Các điện trở để làm nóng dung dịch chạy trong kênh cũng nằm trong silic. Dung dịch
gồm hỗn hợp ADN cần phân tích, ADN mồi và enzim được dẫn vào các kênh, ở đấy nhờ các
điện trở, dung dịch được làm nóng lên theo trình tự ba bước và theo nhiều chu kỳ để nhân bản
ADN lên nhiều lần. Sau đó dung dịch được đưa sang khu vực nhận dạng gọi tên, đã bố trí các
đầu dò có gắn ADN biết trước. Các cảm biến sẽ trực tiếp theo dõi các chuỗi xoắn kép được
hình thành ở đầu dò nào và thông tin được trực tiếp đưa vào máy tính. Việc so sánh, chỉ ra tên
của ADN và các đặc điểm do chương trình xử lý cài đặt sẵn ở máy tính.
Nhờ LOC, phép phân tích ADN rất phức tạp có thể thực hiện ở hiện trường, trong quân
sự và hình sự hiện nay rất hay dùng.
2- Mặt trái của công nghệ nano [5]
Khi cuộc cách mạng về công nghệ nano đã đạt được những thành tựu đáng kể thì
Bên cạnh những lợi ích,công nghệ nano cũng tiềm ẩn những nguy cơ độc hại đối với môi
trường. Các nhà môi trường lo ngại rằng sử dụng công nghệ vật liệu cỡ phân tử này sẽ tạo ra
các chất gây ô nhiễm có kích thước siêu nhỏ. Chúng có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con
người, môi trường và rất khó kiểm soát. Các nhà môi trường cho rằng ống nanocacbon mà
người ta cho rằng có thể thay thế silicon trong các transitor siêu nhỏ rất giống sợi amiang độc
hại, họ lo ngại chúng sẽ gây hại cho phổi nếu bị tích tụ với số lượng lớn. Việc thử nghiệm các
hạt nano với tư cách chất dẫn thuốc trong máu để điều trị ung thư và một số bệnh khác cho
thấy chúng dễ dàng phân tán độc tố, ảnh hưởng xấu đến não bộ.
101
một số người tỏ vẻ lo ngại về tác động của nó đối với sức khỏe con người và môi trường. Năm
2002, cục bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã tổ chức cuộc họp tại Texas để đưa ra những mối lo
ngại của họ.
Ưu điểm của công nghệ nano lại chính là hạn chế của nó. Vật chất ở cấp độ nm có
những biến đổi lớn về đặc tính lí hóa cũng như tính chất điện tử và từ trường. Một số chất khi
ở kích thước lớn thì không độc hại nhưng khi ở kích thước nano thì lại rất độc. Một số nghiên
cứu cho thấy các hạt nano cacbon là độc hại. Các phân tử này có thể vượt qua hàng rào bảo vệ
cơ thể, xâm nhập vào cơ thể. Các phân tử nano độc hại khác có thể vào đường hô hấp theo
máu phân tán ra toàn cơ thể. Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng phân tử nano có thể
tích hợp vào dây chuyền thực phẩm thông qua vi khuẩn và tích tụ trong gan các loài động vật
thí nghiệm. Hạt nano đang được sử dụng trong các sản phẩm trong ngành mĩ phẩm. Khi các
hạt nano cacbon thấm vào da có thể gây viêm da. Các hạt nano cacbon có thể gây hại đến sức
khỏe con người và tác động xấu đến môi trường sống của con người.
Người ta vẫn chưa hiểu rõ cách thức mà các hạt kích thước nano có thể tương tác với
những vật liệu khác, không chỉ với các mô của cơ thể. Chẳng hạn thạch anh an toàn khi ở dạng
lớn nhưng những người thợ mỏ khi tiếp xúc với bụi thạch anh có nguy cơ bị bệnh nhiễm bụi
silic làm thương tổn các mô phổi mỏng mảnh, những hạt bụi nhỏ được thải ra từ khói công
nghiệp, xe cộ mà chúng ta hít phải hàng ngày cũng có kích cỡ nano gây ra nhiều bệnh về
đường hô hấp.
Chiu-Wing Lam, nhà nghiên cứu thuộc trung tâm NASA, đã báo cáo kết quả về tác động
của các ống nano đến các mô phổi của chuột. Sau 90 ngày quan sát, ông thấy theo thời gian
các ống nano có khuynh hướng tụ lại thành bó, và bị các tế bào miễn dịch sẽ tập trung bao
quanh để thải bỏ chúng ra khỏi cơ thể. Quá trình này sẽ gây hư hại cho mô phổi ban đầu, để lại
mô có vết sẹo.
David Warheit thuộc hãng Dupont ở Newark, Delaware đã báo cáo một nghiên cứu tương
tự, ông thấy ống nano đã tụ lại với nhau nhiều để cản trở đường hô hấp khiến cho chuột ngạt
thở.
Ngoài lo ngại về những tác động trực tiếp đến sức khỏe, người ta còn quan tâm đến tác
động của ống nano đối với môi trường. Mark Wiesner, kỹ sư môi trường thuộc CBEN đã tìm
hiểu xem những ống nano di chuyển như thế nào một khi chúng lọt vào nước ngầm. Những
ống nano cacbon có diện tích bề mặt lớn nếu như các phân tử chất ô nhiễm có thể bám lên bề
mặt đó thì tình trạng ô nhiễm trở nên xấu hơn do chúng sẽ lan xa hơn và rộng hơn. Ngược lại,
việc liên kết vào ống nano cũng có thể làm trung hòa các chất gây ô nhiễm, làm giảm nguy hại
do chúng gây ra.
9. Hướng phát triển công nghệ nano [12]
Có thể nói Mỹ là quốc gia đi đầu trong việc phát triển khoa học - công nghệ nano. Mỹ đã
dành 3,7 tỷ USD đầu tư cho CNNN giai đoạn 2005-2008. Năm 2004, Mỹ đầu tư gần 1 tỷ USD
và dự kiến sẽ vượt 1 tỷ USD vào cuối năm 2005. Hai trung tâm nghiên cứu công nghệ nano
được xây dựng, trên dưới một chục các viện sáng kiến được thành lập đã chứng tỏ mối quan
tâm của chính phủ Mỹ. Theo sau là các nước liên minh châu Âu, cũng có các chương trình hợp
tác chiến lược, xây dựng mạng lưới thông tin để chia sẻ tài nguyên và kinh nghiệm trong việc
khai thác các ứng dụng của nano. Ngoài Anh và Pháp là những nước dành đầu tư lớn cho KHCN NN, tại EU, có thể coi Đức là một ví dụ điển hình nữa về đầu tư mạnh cho KH-CN NN.
Sức hút của công nghệ nano đã lôi kéo nhiều nước Châu Á khác, Nhật Bản là nước đầu
tư mạnh cho KH-CN NN hàng đầu thế giới, và đã dẫn đầu thế giới về số vốn đầu tư cho ngành
công nghệ này 1,6 tỷ đô la năm 2003. Năm 2004 đạt 900 triệu USD và sẽ tăng lên 950 triệu
USD vào cuối năm 2005. Mặc dù Chính phủ Nhật Bản hỗ trợ mạnh cho nghiên cứu CNNN với
một phạm vi rộng, nhưng nước này đã nhận ra được thế mạnh của mình là ở cơ sở hạ tầng và
chế tạo dụng cụ. Nhật Bản cũng đặc biệt tập trung vào việc thương mại hoá CNNN. Gần đây,
102
Nhật Bản đã tiến hành một loạt các sáng kiến nhằm hỗ trợ cho các doanh nghiệp Nhật Bản và
phát triển các chiến lược nhằm hình thành những ngành công nghiệp liên quan tới CNNN mới.
Tiếp đến là Trung Quốc, một cường quốc kinh tế trẻ, chắc hẳn sẽ không bỏ qua một cơ
hội phát triển dựa trên tiềm năng của ngành công nghệ nano này . Trung Quốc đã có các trung
tâm nghiên cứu quốc gia, cùng các chương trình đào tạo có hệ thống . Mặc dù trên số liệu
thông kê, số vốn đầu tư của Trung Quốc chỉ bằng 1/3 so với Mỹ, tuy nhiên số lượng nhà
nghiên cứu của Trung Quốc lại gấp đôi Mỹ, và không quên, mỗi năm đất nước này đào tạo
trên 3250.000 kỹ sư. Đây là một lực lượng hùng hậu, phục vụ cho nền công nghiệp, cũng như
khoa học, kỹ thuật của Trung Quốc.
Ấn Độ cũng bắt đầu hướng sự chú ý vào CNNN. Bộ Khoa học và Công nghệ nước này
tuyên bố sẽ đầu tư 20 triệu USD trong giai đoạn 5 năm (2004-2009) cho Sáng kiến Công nghệ
và Khoa học Vật liệu nano.
Hàn Quốc đang tập trung vào lĩnh vực điện tử nano với sự tham gia quan trọng của
ngành công nghiệp. Theo Kế hoạch 10 năm về Thúc đẩy Công nghệ nano (2001-2010), Hàn
Quốc cam kết sẽ tài trợ 1,3 tỷ USD cho R&D công nghệ nano, trong đó 66% là của Chính phủ
và phần còn lại là của khu vực tư nhân.
Đài Loan cũng chủ trương hướng tới lĩnh vực điện tử nano dựa trên thế mạnh của nền
công nghiệp điện tử . Cơ quan điều hành tài trợ Chính phủ cho CNNN của Đài Loan, dự định
xây dựng 3 công viên nghiên cứu công nghệ, trong đó 2 công viên sẽ tập trung vào nghiên cứu
CNNN.
Tại khu vực Đông Nam Á, ngoài Singapo đặc biệt chú trọng tới CNNN sinh học dựa
trên lợi thế về công nghệ sinh học của nước này, Thái Lan cũng đang ấp ủ dự thảo một kế
hoạch chiến lược 10 năm để thúc đẩy R&D công nghệ nano với tham vọng trở thành nước dẫn
đầu ASEAN về R&D công nghệ nano.
11. Tài liệu tham khảo
1.http://vietsciences1.free.fr/vietscience/docbao/khoahockythuat/congnghenanocarbon.htm
2.http://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology
3. Jack Uldrich – Deb Newberry, Hà Xuân Vinh dịch, công nghệ nano đầu tư và đầu tư mạo
hiểm, nhà xuất bản trẻ, năm 2006, trang 142-144
4.http://niemtin.free.fr/xuatkhaunano.htm
5.http://www.vnexpress.net/vietnam/khoa-hoc/cho-cong-nghe/2005/04/3b9dcc84/
6. http://huynh.thegioiblog.com/print?id=1254
7.http://congdongtinhoc.com/diendan/archive/index.php?t-613.html
8. TS. Trần Mạnh Lục , cơ sở lý thuyết hóa học chất keo, 2008
9. http://vi.wikipedia.org/wiki/%E1%BB%90ng_nan%C3%B4_c%C3%A1cbon
10.http://tim.vietbao.vn/t%C3%A1c_d%E1%BB%A5ng_di%E1%BB%87t_khu%E1%BA%A
9n/
11.http://www.vinachem.com.vn/XBPViewContent.asp?DetailXBPID=1898&CateXBPDetail
ID=135&CateXBPID=1&Year=2005
12. http://www.fotech.org/forum/lofiversion/index.php/t5844.html
13. Vũ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh, công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử, nguyên
tử, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội – 2004.
103
CHƯƠNG 13: VẬT LIÊU NANO
12.2. VẬT LIỆU NANO
Trong khoa học vật liệu, hiệu ứng lá sen chỉ sự không thấm nước của bề mặt một số lá cây,
điển hình là lá sen. Nước bị đẩy lùi khỏi bề mặt của lá nhờ các sợi lông nhỏ mịn trên bề mặt.
Sen là loài nổi tiếng về sự sạch sẽ, dù mọc trong môi trường bùn lầy. Khi trời mưa to hay nhỏ,
chỉ thấy trên lá sen những giọt nước tròn to lăn xuống, lá không bao giờ ướt, hơn nữa sau mưa,
lá lại xanh, sạch hơn. Dùng kính hiển vi điện tử quét quan sát kĩ thấy bề mặt lá sen không phải
phẳng phiu mà trái lại có rất nhiều cột nhỏ nhô lên, kích thước mỗi cột cỡ nanomet, đầu cột lại
xù xì. Các cột cách nhau cỡ micromet, giữa các cột bề mặt lá sen lại rất bằng phẳng. Vậy là ở
đây có cấu trúc hai lần gồ ghề, gồ ghề ở từng đầu cột và gồ ghề do có nhiều cột. Chưa chắc
chất liệu của lá sen là quan trọng cho tính không thấm ướt, tự làm sạch. Thật vậy, người ta thử
làm một bề mặt bằng đồng rất trơn tru, trên bề mặt đó cho nổi lên các cột cũng bằng đồng
nhưng đầu cột lại ráp. Kết quả bề mặt không thấm ướt thật, góc ướt đến trên 1500, nếu có các
hạt nước li ti trên bề mặt, chúng dễ dàng co cụm lại thành những giọt nước to, hình cầu và lăn
xuống cuốn đi bụi bẩn và vi trùng. Vậy cơ chế không thấm ướt, tự làm sạch là do cấu trúc của
bề mặt. Thay đổi cấu trúc một chút là có thể chuyển từ không thấm ướt sang thấm ướt hoàn
toàn.
Kết quả nghiên cứu chứng tỏ có sự liên quan chặt chẽ giữa cấu trúc micro của các hợp chất
hóa học trên bề mặt lá sen với khả năng chống bị ướt và tự làm sạch khỏi chất làm ô nhiễm.
Người ta đã mô phỏng hiệu ứng này để tạo ra các vật liệu tự làm sạch, siêu kị nước dựa trên
hiệu ứng này của tự nhiên. Chúng được ứng dụng để chế tạo sơn, ngói lợp mái nhà, vải hay
các bề mặt khác cần tự làm sạch.
Vật liệu nano (nano materials) là đối tượng nghiến cứu của khoa học và công nghệ nano, nó
là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây.
Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học. Trước những năm 90 không có
bằng sáng chế nào thuộc về công nghệ nano, đến năm 1999 tăng lên 45, năm 2001 có đến 180
bằng sáng chế.Theo “The Nano Tech Report” - một nghiên cứu về công nghệ nano-đã tìm ra
rằng thuật ngữ công nghệ nano đã được đề cập đến 1800 lần trong các bài báo và tạp chí
chuyên nghành năm 2000.
Hình 12.1 : Số các công trình khoa học và bằng phát minh sáng
chế tăng theo cấp số mũ theo thời gian.
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều có kích thước nanomet.Vật liệu
nano là đối tượng của hai lĩnh vực khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực
này lại với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải dài trong một khoảng rộng, từ vài nm đến
vài trăm nm.
104
Các tính chất vật lý, hoá học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu
vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì các tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi
đó là kích thước tới hạn và tính chất đặc biệt của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của nó
rất nhỏ bé có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Vì vậy, với
kích thước nhỏ bé của mình thì vật liệu nano nằm giữa tính lượng tử của nguyên tử và tính
chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối thì độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với
độ lớn của vật liệu, nhưng với vật liệu nano thì điều này hoàn toàn không đúng, bởi vì độ dài
tới hạn của các tính chất vật liệu khối và độ lớn của vật liệu là tương đương nhau. Và các tính
chất lạ cũng bắt đầu xuất hiện từ nguyên nhân này. Các tính chất khác như tính chất điện, tính
chất từ, tính chất quang và các tính chất hoá học khác cũng đều có độ dài tới hạn trong khoảng
nm.
Về trạng thái, người ta phân loại vật liệu nano rắn, lỏng, khí. Vật liệu nano được tập
trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.
Về tính chất vật liệu, người ta phân loại như sau: vật liệu nano kim loại, bán dẫn, từ
tính, sinh học …
Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: vật liệu nano không chiều:
cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử (ví dụ: đám nano,
hạt nano…); vật liệu nano một chiều: hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do một
chiều (ví dụ: dây nano, ống nano…); vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó có một chiều
có kích thước nano, hai chiều tự do (ví dụ: màng nano...)
Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần
có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều hay hai chiều đan xen
lẫn nhau.
1) Khái niệm
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất 1 chiều có kích thước nanomet.Vật liệu
nano là đối tượng của hai lĩnh vực khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực
này lại với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải dài trong một khoảng rộng, từ vài nm đến
vài trăm nm.
Vật liệu nano (nano materials) là đối tượng nghiến cứu của khoa học và công nghệ
nano, nó là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần
đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học:
Hình 1: Số các công trình khoa học và bằng phát minh sáng chế tăng theo cấp số mũ theo
thời gian.
3) Tính chất thú vị của vật liệu nano
Các tính chất vật lý, hoá học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu
vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì các tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi
đó là kích thước tới hạn.
105
Và tính chất đặc biệt của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của nó rất nhỏ bé có thể
so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Vì vậy, với kích thước nhỏ
bé của mình thì vật liệu nano nằm giữa tính lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật
liệu. Đối với vật liệu khối thì độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu,
nhưng với vật liệu nano thì điều này hoàn toàn không đúng, bởi vì độ dài tới hạn của các tính
chất vật liệu khối và độ lớn của vật liệu là tương đương nhau. Và các tính chất lạ cũng bắt đầu
xuất hiện từ nguyên nhân này. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất
quang và các tính chất hoá học khác cũng đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Và 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.
3. Phân loại vật liệu nano: [14]
Về trạng thái, người ta phân loại vật liệu nano rắn, lỏng, khí. Vật liệu nano được tập
trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.
Về tính chất vật liệu, người ta phân loại như sau: Vật liệu nano kim loại, bán dẫn, từ
tính, sinh học …
Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: Vật liệu nano không
chiều: cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử ( Ví dụ: đám
nano, hạt nano…); Vật liệu nano một chiều: hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do
một chiều (Ví dụ: dây nano, ống nano…); Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó có một
chiều có kích thước nano, hai chiều tự do (Ví dụ: màng nano...)
Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần
có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều hay hai chiều đan xen
lẫn nhau.
3.1-Vật liệu nano không chiều
3.1.1- Hạt nano
Hạt nano có diện tích mặt ngoài rất lớn, có thể gây nên các hiệu quả bất ngờ khi làm
phân tán và bao phủ chúng ở thang nano trong hay trên các linh kiện, vật liệu. Khi phủ các bột
hạt tinh thể nano làm tăng độ bền và tính dẻo dễ nén theo khuôn của một số gốm, composite,
hợp kim…[1]
Vì kích thước nhỏ bé của những hạt nano nên chúng có thể sẽ làm ra những chất xúc tác
tốt. Trong sản xuất sơn, người ta cho các hạt nano vào các loại sơn sẽ làm cho chúng nhẹ hơn,
độ bám dính tốt hơn nên làm cho chúng bền hơn, không bị rêu mốc. Các lớp sơn phủ bên
ngoài mỏng hơn, nhẹ hơn nên được sử dụng trên máy bay làm giảm tải trọng của máy bay.
Hoặc có thể làm giảm các chất dung môi của sơn, mang lại nhiều lợi ích cho môi trường. Kính
được phủ các hạt nano sẽ không dính nước, sẽ rất có lợi nếu dùng loại kính này trong xây
dựng và chế tạo ô tô. Công ty Nippon của Nhật bản hiện nay đang phủ lên gương phản chiếu
trên những xe hơi cao cấp với những hạt nano dioxide titan không dính nước. Ứng dụng này
có nghĩa là chúng ta có thể tạo ra loại gương phản chiếu chống lại sương mù. Đặc biệt, sử
dụng các hạt nano để xử lí sợi sẽ có được loại vải không dính nước và không bám bụi. [1] [2]
Công nghệ mực in nano phân giải cao hoạt động theo kĩ thuật phân tán ướt để giảm
kích thước hạt chất màu dùng trong máy in. Nhờ giảm kích thước hạt chất màu dưới 30nm,
màu sắc ít bị tác động bởi phản xạ ánh sáng, đồng thời có độ phân giải cao hơn. Nhờ công
nghệ này, những người sử dụng có thể in ảnh kĩ thuật số. Hiện nay, công ty Hewlett đã đưa ra
thị trường loại máy in Cook 1 của họ. Loại máy này có khả năng phun một lượng rất lớn hạt
nano, loại mực này cải thiện tốc độ, độ phân giải, và dải màu của những máy in tốt nhất hiện
nay. Mặt khác, công ty Xerox đang nghiên cứu một công nghệ tương tự nhưng chỉ cho thị
trường máy photocoppy. [1] [2]
Không quân Hoa Kỳ đang phát triển những loại dầu nhớt nano. Những loại dầu này đã
chứng tỏ hoạt động được ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với dầu nhớt thường. Khi đạt đến độ cao
106
những hạt nano khó bị tan chảy hoặc khó bị vón lại hơn. Đó cũng chính là những hạt đồng
nano thêm vào để bôi trơn cho động cơ và giảm dự bào mòn động cơ. [2]
Chất chống nắng và mĩ phẩm: nhiều loại mĩ phẩm chứa các hạt nano để phục vụ thẩm
mĩ và bảo vệ da. Titan dioxit và kẽm oxit nano dã được sử dụng trong một số chất chống nắng
do chúng hấp thụ và phản xạ các tia tử ngoại và trong suốt dưới ánh sáng hữu hình. Loại kem
này trong suốt với phần bước sóng dài của ánh sáng (đỏ, da cam…) nên da dễ bắt màu nâu
đẹp. [13]
Khi được chia nhỏ ở trạng thái phân tử có kích thước vài nanomet, các hạt nano vàng sẽ
thay đổi màu sắc, chuyển từ màu vàng sang màu đỏ hoặc tím nhạt, do phân tử nano vàng
không hấp thụ ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng quang phổ như các miếng vàng khối
bình thường. Phân tử vàng ở kích thước nhỏ hơn 5nm có thể tham gia phản ứng oxi hóa với
cacbon đioxit (CO) tạo ra khí cacbonic (CO2) và tham gia phản ứng ở nhiệt độ thấp. Vì vậy
trên thực tế các nhà sản xuất có thể chế tạo các ống khí thải bằng các phân tử vàng để tránh
việc thải khí CO và có thể oxi hóa lượng nhiên liệu chưa cháy hết. [7]
Cấu trúc phân tử nano vàng
Một lĩnh vực khác không kém phần ý nghĩa là sinh học và y học. Các phân tử vàng có đặc tính
tự phát nhiệt dưới tác dụng của bức xạ lazer. Đặc tính này có thể sử dụng luân phiên hay bổ
sung cho liệu pháp tia X trong việc chữa trị một số bệnh ung thư. Các nhà khoa học đã nghiên
cứu sự phá hủy các mô khỏe mạnh bằng cách sử dụng các viên thuốc trị ung thư bên trong
khối u. Để đưa những chất này vào đúng vị trí, các nhà khoa học đã tạo ra những viên nhộng
nhỏ với kích thước vài nanomet. Vỏ ngoài của viên nhộng được cấu tạo bởi nhiều lớp polimer
rất mỏng đặt lên nhau, cho phép chúng vượt qua lớp màng bên ngoài màng tế bào một cách dễ
dàng. Trên bề mặt viên nhộng là những phân tử nano được sử dụng từ những nguyên tử vàng
và bạc. Khi đã hấp thụ vào trong khối u, viên nhộng sẽ di chuyển bằng tia hồng ngoại. Sức
nóng này sẽ đẩy những phân tử vàng và bạc di chuyển khiến viên nhộng vỡ ra và phá vỡ cấu
trúc của các tế bào ác tính. Y tế nano ngày nay đang nhằm vào mục tiêu bức xúc đối với sức
khỏe con người, có nguyên nhân từ gen,các bệnh hiện nay như HIV/AIDS, ung thư, tim mạch,
tiểu đường, béo phì, liệt rung, mất trí nhớ. [1] [7]
107
Nano bạc
Trong y học, những lĩnh vực như chẩn đoán bệnh, cung cấp dược phẩm theo mục tiêu và
chiếu, chụp hình phân tử đang được tăng cường nghiên cứu.Các sản phẩm chứa các hạt nano
liên quan tới y học đã có trên thị trường Mỹ. Công nghệ nano đã
khai thác tính chất chống vi trùng nổi tiếng của bạc, nhằm chế tạo ra đồ băng bó vết thương có
chứa bạc tinh thể nano cung cấp ion bạc trong một khoảng thời gian liên tục để tạo ra phương
pháp chống vi khuẩn cho 150 nguồn bệnh khác nhau. [1]
3.1.2- Đám nano [10]
Các đám nguyên tử là một trạng thái trung gian giữa các nguyên tử đơn lẻ và vật liệu
dạng khối. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và khẳng định các đám Pt ở kích thước nano có
tính thuận từ mạnh, rất khác so với tính chất của Pt khi ở dạng khối. Những vật liệu như thế
này có thể ứng dụng và phát triển hơn trong tương lai cho những ứng dụng cao cấp khác.
3.1.3- Chấm lượng tử [1][4]
Gọi là chấm lượng tử vì nó chỉ có một hạt ( bán dẫn, kim loại, polimer ) có band kính
một vài nano mét. Một chấm lượng tử có hành vi như một nguyên tử, tức là trong nó có một số
mức năng lượng mà ở đó có thể điền vào một điện tử. Chọn hai mức xác định, khi điện tử ở
mức trên ta có trạng thái 1, khi điện tử ở mức dưới ta có trạng thái 0. như thế chấm lượng tử có
2 trạng thái (0, 1) tức là có thể dùng ghi một bit như tranzito. Các chấm lượng tử đã được
nghiên cứu kĩ từ nhiều năm nay và đã được chế thử với các chip gọi là chip nano. điều quan
trọng là độ tích hợp của các chip nano rất cao. Nếu mỗi chấm có kích thước 10 nm thì trên một
chip với điện tích một cm2 sẽ có 1012 chấm tức là có thể dùng để xử lí, ghi 1000 Gigabit. Nếu
các chấm lượng tử được chế tạo ở mức tinh vi mỗi chiều chỉ 1nm mà lại sắp xếp cả 3 chiều thì
một linh kiện một cm2 sẽ lưu trữ được 1000 tỉ bit.
Một trong những ý tưởng nano về chấm lượng tử là chế tạo hàng tỉ tế bào pin mặt trời ở
kích thước nano mét thay vì dùng từng mảng nguyên liệu như hiện nay. Nhóm của giáo sư
Martin Green (University of New SouthWales, Australia) lần đầu tiên chế tạo thành công trong
phòng thí nghiệm pin mặt trời silicon mang cấu trúc chấm lượng tử với hiệu suất đạt gần đến
con số lí thuyết 31%. Chấm lượng tử silicon thật ra là tinh thể nano silicon. Tiến sĩ Arhtur
Nozik thuộc Viện Nghiên cứu Năng lượng Tái sinh (Mỹ) cũng đã chế tạo thành công tập hợp
chấm lượng tử silicon. Mỗi chấm có bán kính khoảng 7nm, chứa 50 đến 70 nguyên tử silicon.
Thông thường 1 quang tử đánh bật một điện tử, nhưng ở thứ nguyên nano cực nhỏ này, một
quang tử khi va chạm vào chấm điện tử sẽ có thể sinh ra 2 đến 3 điện tử tự do. Kết quả là ta có
nhiều điện tử để tạo ra dòng điện. Theo Nozik, nhờ vào hiệu ứng đa điện tử của chấm lượng tử
silicon hiệu suất có thể đạt hơn 60%, gấp đôi con số lí thuyết.
3.2- Vật liệu nano một chiều
3.2.2- Sợi nano [3]
Sợi nano ngày càng đóng vai trò quan trọng làm các thành phần kết nối và các thành
phần hoạt động trong các thiết bị kích thước nano. Một phương diện quan trọng của sợi nano
liên quan đến việc tự lắp ráp các nguyên tử riêng lẽ thành cấu trúc nano 1D độc nhất này theo
kiểu điều khiển được. Việc tổng hợp sợi nano có thành phần, kích cỡ, độ tinh khiết và độ kết
tinh điều chỉnh được đòi hỏi phải tìm hiểu một cách đúng đắn về các quá trình tạo nhân và
phát triển ở phạm vi vi mô. Đã tìm ra cách để phát triển sợi nano bán dẫn như phá hủy lazer,
lắng đọng bốc hơi hóa học và phương pháp dùng khuôn.
Wagner trong một số nghiên cứu của ông về sự phát triển của các tinh thể dạng sợi đơn
tinh thể lớn công bố năm 1960 đã đề xuất cơ chế thông qua phản ứng liên quan đến quá trình
gọi là hơi, lỏng, rắn. Cơ chế của ông được chấp nhận rộng rãi và áp dụng để giải thích sự phát
triển của các sợi nano Si, Ge và các sợi nano khác. Bằng cách sử dụng phương pháp VLS, Lee
và cộng sự đã tổng hợp và được với số lượng lớn sợi nano chất bán dẫn có kích cỡ đồng nhất,
rất dài và tinh khiết cao. Ngoài ra, họ còn công bố việc tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang
của sợi nano GaAs. Sợi nano GaAs có chiều dài lên tới hàng chục micromet và đường kính
108
trong khoảng từ 10 đến 120nm. Wang và các cộng sự đã tổng hợp được sợi nano Si có kích cỡ
đồng đều nhau, đường kính từ khoảng 9 đến 12nm. Hầu hết các sợi nano hầu như thẳng.
Sợi nano nhờ có hiệu ứng kìm giữ lượng tử cũng như sự định hướng mạng của sợi nano
nên có tính chất hấp phụ phổ riêng mạnh mẽ và khả năng phát quang hóa mép phổ tương đối
mạnh.
Tự sợi nano có thể được sử dụng làm khung để tạo thành sợi nano của các vật liệu khác.
Bề mặt của sợi nano có thể được phủ trực tiếp bằng các vỏ bảo vệ làm từ một vật liệu khác để
tạo thành cáp nano đồng trục. sau đó tán sợi nano ban đầu có thể tạo thành nanotube của vật
liệu phủ bên trên.
Sợi nano bán dẫn gần đây đã được dùng làm khối cầu thành để lắp ráp nhiều loại thiết
bị nano như FETs, diode p-n, transitor tiếp xúc mặt lưỡng cực, bộ biến đổi bổ sung.
Sợi nano cũng được sử dụng nhiều nhờ những tính năng của nó. Người ta đã sử dụng
chúng trong công nghiệp dệt. Tại triển lãm BaseWorld 2008, Richart Miller đã giới thiệu đồng
hồ bỏ túi đầu tiên trên thế giới sử dụng những quả cầu và đĩa liên kết bằng phi kim mà cụ thể
là sợi nano cacbon được tổng hợp dưới áp suất 7500N/cm2 và nhiệt độ 20000C.
Ngoài ra, từ thiên nhiên người ta đã chế tạo ra nhiều vật liệu gọi là vật liệu phỏng sinh
học. Từ ống, sợi nano cacbon người ta đã chế ra được vật liệu có tính kết dính khô theo kiểu
bàn chân tắc kè. Bắt chước cấu trúc không bị thấm ướt của lá sen làm vật liệu không thấm ướt,
tự làm sạch. Người ta đã bán ra trên thị trường loại polimer có gia công bề mặt để nổi lên
nhiều cột nhỏ cỡ nano. Tạo màu cho sợi dệt bằng cánh phỏng theo cấu trúc của cánh bướm.
Những lớp vảy trên cánh bướm tạo màu theo giao thoa và nhiễu xạ. Những lớp ở vảy tạo màu
theo giao thoa giống như ở bong bóng xà phòng. Những lớp vảy xếp thành hàng, thành dãy
cách đều nhau tạo màu theo nhiễu xạ. Các chất có chiết suất khác nhau làm thay đổi quang lộ
khác nhau tạo nên màu sắc khác nhau. Tạo màu theo cánh bướm làm cho màu sắc ít phai, ít
phải dùng nhiều hóa chất có hại cho môi trường và màu sắc tạo ra lung linh rất đẹp. [9]
Ống nano và sợi nano có mũi nhọn vật liệu hứa hẹn cho các ứng dụng làm thiết bị phát
xạ trường cathode lạnh.
3.3- Vật liệu nano hai chiều
3.3.1- Màng nano [3]
Màng nano có 2 loại màng chính đó là màng mỏng nano đơn lớp và màng nhị phân.
Màng mỏng đơn lớp nano là màng mỏng nano được hình thành bằng cách tự lắp ghép
có qui luật trên bề mặt của thể rắn. Màng mỏng hữu cơ hình thành từ cấu trúc của phân tử hữu
cơ. Cấu trúc này bao gốm những thành phần cơ bản:
- Phần đầu là những phần quan trọng nhất có khả năng hấp thụ tạo liên kết tạo liên kết
với bề mặt của đế phủ, là tiền đề để tạo thành màng nano đơn lớp.
- Phần thứ hai là mạch ankyl dài, nhờ cấu trúc mạch ankyl này đã tạo được màng
mỏng nano do lực liên kết Van der Waals.
- Phần cuối là nhóm chức năng đóng vai trò hoạt hóa bề mặt màng nano mỏng. Nhóm
chức này được gắn gộp vào thành phần phân tử hữu cơ tùy theo nhu cầu ứng dụng
của màng mỏng.
Ta có SAM là một màng mỏng hữu cơ như thế. Nó là một màng mỏng đơn lớp hình thành bởi
phân tử hữu cơ có khả năng hấp phụ trên bề mặt của chất rắn, phần đuôi của chất hữu cơ này
có thể tác dụng tương hỗ với các siêu phân tử hình thành bề mặt hoạt tính chức năng. SAM
hữu cơ silane được hình thành từ tương tác giữa nhóm –OH trên bề mặt đế và phân tử hữu cơ
silane, và SAM alkannethiols có nhiều tính bền vững cao trong môi trường. Sam còn có nhiều
loại khác như màng SAM- ankyl, SAM- dopamine, SAM-AP. SAM- ankyl tạo màng mỏng
nano hữu cơ trên bề mặt silicon, bảo vệ bề mặt silicon mà còn tạo bề mặt hoạt tính có chức
năng theo yêu cầu. SAM- dopamine là phương pháp tạo hạt nano rất hiệu quả như tạo hạt nano
từ tính, hạt ligand sinh học. Màng SAM- AP được dùng để bảo vệ bề mặt của các vật thể kim
loại dễ bị oxi hóa. [3]
109
Màng nhị phân tử có chất hoạt động bề mặt tiêu biểu cho phân tử lưỡng cực tính, có
thể chia ra hai phần đầu và đuôi. Theo tính chất ion của phần đầu có thể chia thành chất hoạt
động bề mặt ion dương, ion âm hay không ion. Trong dung dịch nước ở nồng độ micell tới
hạn, các chất hoạt động bề mặt có thể hấp phụ lên bề mặt tấm phẳng hình thành màng nhị phân
tử hoặc micell bề mặt. Vì vậy, ta có thể chế tạo được các vật liệu nano rất đa dạng nhờ các
màng nhị phân tử làm môi trường phản ứng. Theo điện tích bề mặt màng mỏng và tính chất
bên trong của màng nhị phân tử ta có thể hòa tan nhiều chất hữu cơhay ion hoạt tính vào đó.
Ngoài ra ta có thể điều khiển được thành phần hóa học và điện tích bề mặt của màng nhị phân
để thu được trên bề mặt dạng màng mỏng nano cao phân tử. Trong môi trường màng cao phân
tử tự lắp ghép, ta có thể chế tạo màng mỏng nano zeolit. Ta có thể dùng màng zeolit làm
sensor và màng chức năng phản ứng nhưng phải chế tạo thành màng có độ dày nm và tính
đẳng hướng cao, thuần nhất và không có khiếm khuyết. [3]
Các màng xốp nano được tạo ra từ kĩ thuật nano có thước siêu nhỏ, có khả năng rất lớn
trong việc trừ khử các chất độc hại. Các màng xốp nano này có chức năng như một cái sàng
với những lỗ rất nhỏ có kích thước nano.
Xốp silic nano có khả năng phát quang tốt và thay đổi màu sắc, ánh sáng đã được sử
dụng để chế tạo thành công các linh kiện quang điện tử như diot phát quang hay lazer, các vi
mạch, vi siêu mạch, các mạch tích hợp quang điện, chế tạo màn hình, đèn điện tử…
Chất keo sinh học bít lối vào lỗ của màng xốp
Ngoài ra, người ta còn ứng dụng miếng xốp nano để phục chế các tác phẩm nghệ thuật
cũng như ứng dụng trong trang điểm, tẩy rửa và trong công nghệ sinh học.
3.4- Vật liệu nanocomposite [1] [3]
Vật liệu nanocomposite là loại vật liệu nano có ứng dụng rộng rãi cả trong kĩ thuật lẫn
dân dụng. Nanocomposite bao gồm cả ba nền kim loại, nền gốm và nền polimer.
Nanocomposite được chế tạo bằng cách đưa vật liệu vô cơ cấu trúc lớp có kích thước nm như
khoáng sét tự nhiên vào polimer. Nanocomposite cứng hơn, bền hơn và có độ hấp thụ nước
thấp hơn. Những vật liệu mới dưới dạng nanocomposite có thể dùng để chế tạo chất ức chế tia
tử ngoại, vật liệu khử trùng, vật liệu chống cháy và các ứng dụng khác.Những vật liệu
nanocomposite đã được ứng dụng trong các ngành công nghiệp như công nghiệp tơ sợi có thể
sử dụng chức năng chống cháy, ức chế tia tử ngoại để sản xuất ra nhiều loại vải tốt hơn, công
nghiệp thực phẩm dược phẩm sử dung khả năng không thấm nước để làm bao gói. Ngoài ra,
người ta còn sử dụng vật liệu nanocomposite trong sản xuất lốp xe bằng cách trộn đất sét với
kích thước nano với nhựa hay cao su tổng hợp để tạo ra bề mặt kín khít làm lốp nhẹ, rẻ và mát
hơn.
Nanocomposite có thể được coi như là cấu trúc rắn có khoảng cách lặp lại cới kích
thước thang độ nano giữa các pha khác nhau. Các vật liệu này thường bao gồm hai hoặc nhiều
pha vô cơ/ hữu cơ dưới dạng tổ hợp với điều kiện ít nhất một trong số các pha phải có kích
thước nano. Người ta đã áp dụng công nghệ tạo ra vật liệu nanocomposite để phát triển
creamic có tính năng cao có triển vọng cho các ứng dụng kỹ thuật như turbin chạy bằng khí
đốt hiệu quả cao, vật liệu hàng không vũ trụ, ô tô… Việc phân tán các hạt kim loại pha thứ hai
110
vào trong ceramic làm tăng tính chất cơ học của chúng. Sự đa dạng về tính chất bao gồm tính
chất từ, điện và quang có thể được điều chỉnh trong composite do ảnh hưởng về kích cỡ của
việc phân tán kim loại kích cỡ nano. Độ bền đứt gãy, độ dai và độ cứng được nâng cao do việc
tinh chế cấu trúc micro bằng việc phân tán nano. Công nghệ nanocomposite có thể ứng dụng
cho các ceramic chức năng như vật liệu chứa sắt điện, vật liệu áp điện, vật liệu điện trở biến
đổi và vật liệu dẫn ion.
Tính chất của các vật liệu gốm có thể được nâng cao bằng công nghệ nanocomposite.
Phương pháp này dựa trên việc điều chỉnh thụ động cấu trúc micro bằng cách sát nhập phân
tán thứ hai cỡ nanomet vào trong vật liệu gốm. Đây là phương pháp hoàn toàn mới để tạo ra
vật liệu gốm có tính chất cơ học tốt như độ bền và độ dai cao.
Sợi nanocomposite được ứng dụng trong sự ghi từ lợi dụng tính trễ của các vật liệu sắt
từ: sự từ hóa dư của băng hoặc của đĩa từ là một bản ghi của cường độ trường cực đại mà vật
liệu phải chịu cường độ và hướng của trường ứng dụng.
Một số chiến lược đang được đề xuất nhằm chế tạo hạt nano có cấu trúc nhiều lớp vỏ,
với mỗi lớp có chứa nhiều vật liệu khác nhau. Các lớp vỏ rỗng này có thể được độn bằng các
vật liệu khác nhau tạo ra composite đa lớp vỏ. Những cấu trúc này có thể ứng dụng trong trong
ghi từ, như là vật liệu xúc tác dạng nhiều lớp, hoặc cung cấp thuốc. Trong các ứng dụng của
các hệ thống phân tán thuốc, lớp phía ngoài tương thích sinh học và lõi bên trong chứa thuốc
là rất cần thiết, phương pháp hạt đa dạng lớp sẽ là chủ đạo.
Những năm gần đây, người ta chú trọng đến việc chế tạo cấu trúc nano dị thể mà có thể
phục vụ cho vật liệu đa chức năng và về cơ bản đáp ứng được yêu cầu của nanocomposite
chức năng. Chúng không thuộc phạm vi nanocamposite khối, nhưng chúng sẽ có những ứng
dụng quan trọng như là cảm biến kích thước nano, các thiets bị nano điện và quang, máy dò
nano, hệ thống điện cơ học nano, chất gia cường đặc biệt và môi trường truyền thuốc. Người ta
đang quan tâm đặt biệt đến hệ vật liệu dạng lớp trong đó các lớp nguyên tử của các thành phần
vật liệu khác nhau có thể được gắn vào trong nhiều hình học khác nhau ở kích thước nano.
Sản phẩm nổi tiếng trong công nghệ nano là “earogel”, là vật liệu siêu nhẹ, nhẹ hơn
1000 lần nhờ chứa 98% không khí và tập hợp hàng tỉ các bóng khí nano trong môi trường silic,
nhưng lại có khả năng làm khít gấp 40 lần so với bất cứ sợi thủy tinh nào. Ngoài ra, earogel
còn có khả năng cách nhiệt. Nó từng được đề nghị dùng để chế tạo lốp cho tàu thám hiểm sao
Hỏa.
Earogel
111
CHƯƠNG 14:
NANO VÀ MÔI TRƯỜNG
Môi trường là vấn đề toàn cầu đối với nhân loại. Với sự phát triển của công nghệ nano,
nó đã đem lại những lợi ích cũng như những mặt trái của nó về vấn đề môi trường.
1- Những lợi ích của công nghệ nano đối với môi trường
Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Những hạt
bụi phân tán thành trạng thái sương mù trong thành phố, theo Hiệp hội Phổi Hoa Kỳ thì vấn đề
này đã ảnh hưởng đến sức khỏe của một nửa cư dân Hoa Kỳ. Một nghiên cứu của Johns
Hopkins đã phỏng đoán rằng hạt bụi và những hạt bồ hóng trên cả nước góp phần vào những
cái chết non của hai mươi đến hai trăm người mỗi năm.
Công ty Engelhard, ở bang New Jersey, đang phát triển một loại chất xúc tác để oxy hóa
dầu diesel, họ dùng những lớp platin, palladi, và những kim loại quý khác ở kích thước nano
để loại bỏ những hạt bụi độc hại trong không khí. Nếu quá trình này thành công, những lời
cảnh báo về khói mù ở phần lớn thành phố trên thế giới có lẽ trở thành một chuyện quá khứ.
Thực tế là, công ty Oxonica của Anh Quốc đã lập kế hoạch để thử ngiệm một loại hạt nano,
hạt này được thêm vào nhiên liệu ở Hồng Kông và sáu thành phố Châu Á khác vào cuối năm
2002. (Nên nhớ rằng, những nhà ngiên cứu ở Hồng Kông đã thí ngiệm với việc thêm vào
những hạt nano đioxide titanium để lắng tụ những chất ô nhiễm lại).
Tuy nhiên, công ty Engelhard không chỉ nghiên cứu cải tiến chất xúc tác, mà họ còn tạo
ra những bộ lọc nano mới. Ví dụ, vào năm 2004 có khả năng là họ sẽ phát triển một loại sản
phẩm mà nó có thể giúp cho những công ty dầu mỏ làm sạch những kho dự trữ hơi đốt tự
nhiên bị ô nhiễm bởi nitrogen (sự dư thừa quá mức của nitrogen sẽ làm giảm khả năng phát
nhiệt của hơi đốt). Bộ lọc với những lỗ nhỏ li ti kích thước nano sẽ giữ lại nguyên tử nitrogen,
chúng có khả năng giảm lượng nitrogen trong những mỏ khí đến mức phần lớn những khí ga
dự trữ bị ô nhiễm có thể trở nên dùng được. Có khoảng chừng 15% mỏ khí rơi vào tình trạng
này, đây là một số lượng không nhỏ trong ngành công nhiệp dầu mỏ và hơi đốt. Sản phẩm này
cũng có ích với khách hàng, họ sẽ được lợi từ việc giá thành hơi đốt và dầu mỏ giảm xuống
cũng như việc hơi đốt cháy hiệu quả hơn.
Những bộ lọc nano cải tiến cũng sẽ giúp ngành công nghiệp dược phẩm chế tạo ra
những loại thuốc tinh khiết. Công ty Argonide đặt ở Stanford bang Florida, đã chứng minh
rằng những bộ lọc của họ có thể lọc được những loại vi khuẩn nhỏ bằng 30 nanomet và đạt
được độ tinh khiết của nước là 99,99999%. Những nghiên cứu ở trường Đại học North
Carolina mới đây đã phát triển một loại màng lọc ngược, những màng này được cải tiến rất
nhiều để tạo ra những bộ lọc nano có thể dùng cho nhiều mục đích, bao gồm những sự cố tràn
dầu. Những màng lọc ngược này có những đặc tính kỳ lạ là giữ lại những hạt nhỏ hơn trong
khi cho phép những hạt lớn hơn đi qua. (Chúng ta hãy suy nghĩ như thế này: nếu những lỗ trên
tấm lưới là đủ nhỏ sẽ cho phép nó giữ lại một quả bóng bàn, thì nó cũng sẽ giữ lại quả bóng
chày hoặc bóng rổ. Tuy nhiên, những màng lọc ngược có thể giữ lại phân tử có kích thước quả
bóng bàn nhưng lại cho phép những phân tử có kích thước quả bóng rổ đi qua). Tính chất này
về mặt lý thuyết có thể cho phép một bộ lọc nano tương lai bắt giữ những phân tử độc hại bé
xíu trong một sự cố tràn dầu trong khi cho phép những phân tử không độc đi qua được. Những
màng lọc trên sẽ được ứng dụng ngay lập tức trong nhiều lĩnh vực, như thiết bị hỗ trợ cho nhà
cung cấp khí đốt tự nhiên và nhà máy lọc dầu.
Nhiều nhà môi trường cho rằng công nghệ nano đã mở đầu cho một nền công nghệ
xanh. Khi công nghệ nano được ứng dụng để thay đổi cơ cấu năng lượng, với năng lượng tái
tạo mà trước hết là vấn đề mặt trời tăng dần thì đó chính là một đóng góp quan trọng vào việc
giải quyết các vấn đề môi trường và cụ thể là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu. Các quá trình
vật lí và hóa học ở thang nano quyết định hiện tượng thu gom hoặc phát tán các chất dinh
dưỡng hoặc các chất gây độc hại. Các cấu trúc keo hoặc xon khí là các vị trí mà ở đó xảy ra
112
tương tác phức tạp với vi khuẩn để biến một tập hợp rộng rãi các hợp chất vô cơ và hữu cơ
thành có tính hữu dụng sinh học nhiều hoặc ít. Các hạt nano có mặt ngoài hoạt tính cao có thể
hấp thụ hoặc vận chuyển chất gây ô nhiễm thành dạng keo huyền phù hay xon khí. Các hạt này
cũng tham gia vào quá trình hóa học phức tạp trong khí quyển hoặc trong đất mà ta có thể lựa
chọn để khắc phục hoặc làm giảm nhẹ các thảm họa môi trường. [1]
Nhờ công nghệ nano chúng ta có thể tạo ra các sản phẩm và qui trình xanh ngay từ lúc
ban đầu. Công nghệ có nhiều khả năng thao tác bằng tay trên vật liệu, làm biến đổi thuộc tính
của các vật liệu, mở ra khả năng tạo ra những sản phẩm và qui trình giảm thiểu chất độc hại,
tăng tính bền và cải thiện hiệu suất năng lượng. Ví dụ như ông Jame Hutchison sử dụng phân
tử DNA theo một qui trình mới lạ có thể tạo ra những mô hình kích thước nano trên con chip
silicon và bề mặt khác. Ngoài ra một số nhà khoa học ở Mĩ đã chế tạo thành công những cảm
biến có kích thước nano có thể phát hiện ra các chất gây ô nhiễm với nồng độ phần tỉ. [8]
Hơn nữa công nghệ nano rất hiệu quả và sạch sẽ, nó chỉ dùng đến những nguyên tử
đúng theo nhu cầu. Không giống như nhiều quá trình sản xuất ngày nay đã dùng những hóa
chất và dung môi không cần thiết và phức tạp để tổng hợp vật liệu cũng như tạo ra sản phẩm
mới, công nghệ nano chỉ dùng những gì hoàn toàn cần thiết. Công nghệ nano là ngành sản xuất
cực kì xanh. [2]
Những nhà nghiên cứu của trường Đại học Lehigh cũng đã thử nghiệm thành công
những hạt nano để khử độc cyanid, họ còn đưa ra những loại hạt nano khác có thể sử dụng
theo cách tương tự để chống lại những hóa chất và tác nhân chết người khác. Ngoài việc làm
cho nước an toàn hơn, những hạt nano còn có thể bảo vệ nguồn nước. Công nghệ này còn có
thể loại trừ khả năng khủng bố sinh học bằng cách gây ô nhiễm môi trường cung cấp nước. [2]
Pha các hạt nano oxit cesium vào mazut làm cho nhiệt độ đốt cháy các hạt bụi khói
giảm xuống làm giảm ô nhiễm khí thải.
Vật liệu lọc nano là sản phẩm phù hợp với hiện tại. So với các màng lọc khác màng lọc
nano có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu về chất lượng xử lí nước. Ưu điểm của nó là không
cần đưa thêm 1 loại hóa chất hay vi sinh nào vào nước nhưng vẫn lấy đi được những tạp chất.
Công nghệ lọc nano đang trở thành giải pháp hữu hiệu nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm trong
nước thải, đặc biệt là nước có độ cứng, chứa COD, asen, sunphat. Ngoài ra, các nhà khoa học
đã khám phá ra phương pháp sử dụng công nghệ nano để lọc thạch tín từ nước uống. Phát
minh của họ bao gồm những tương tác từ trường giữa các mảnh rỉ sét có kích thước nhỏ hơn
5000 lần so với chiều dài sợi tóc. [11]
Khi trộn những mảnh gỉ nói trên với nước nhiễm thạch tín, các nhà khoa học phát hiện thạch
tín bám quanh các mảnh oxit sắt khi chúng bị hút ra khỏi nước bằng nam châm, nhờ đó làm
giảm lượng thạch tín trong nước. [11]
Các hạt bụi sắt nano có tính oxi hóa cao, khi bơm hạt sắt nano hòa trong một chất lỏng
thích hợp xuống gần các hố chôn rác thì các hạt này bị oxi hóa, nó làm cho nhiều chất hữu cơ
cùng tham gia quá trình oxi hóa bị phân hủy và không còn gây độc hoặc bị kìm giữ mà không
khuếch tán lan trong nền đất. Những hạt nano chứa 99,9% sắt và 0,1% paladi được bơm vào
mạch nước ngầm để loại bỏ các chất gây ung thư hòa tan trong nước và đất trồng. công ty
113
Trane đặt tại bang New Jersey đã thử nghiệm các hạt nano trong giếng mẫu và nhận thấy
chúng có thể làm giảm lượng chất độc hại trong nước tới 96%. Nếu những hạt nano này có khả
năng khử độc, chúng có thể được cải tiến thếm nữa để đáp ứng cho việc khử ô nhiễm nước,
đồng thời làm giảm đi nhu cầu mua sắm những thiết bị xử lí nước đắt tiền và giảm những nhà
máy tinh chế nước ( kể cả năng lượng để vận hành chúng). Điều này sẽ có ảnh hưởng trên toàn
cầu, đặc biệt là ở những nước đang phát triển, khu vực có nhiều bệnh tật lây truyền qua nguồn
nước và chính là những nơi có giá thành xử lý nước khá cao. [2]
Những hạt nano mới có lẽ đáp ứng được những vấn đề vô hiệu hóa dư lượng thuốc trừ
sâu và những hóa chất dùng trong công nghiệp khác. Chúng gây tác hại cho thiên nhiên trên
toàn thế giới. [2]
Với công nghệ nano, người ta đã nghĩ đến biện pháp lọc nước mặn thành nước ngọt
bằng phương pháp mới phát minh gọi là phương pháp “chảy qua điện dung”. Nhờ công nghệ
nano có thể dùng ống nano cacbon dẫn điện tốt mà diện tích tiếp xúc cực lớn ( chỉ cần 1g ống
nano cacbon có thể có diện tích tiếp xúc 1000 m2) để làm điện cực. Đáng chú ý là phương
pháp thẩm thấu ngược người ta rút nước ra khỏi muối, còn phương pháp “chảy qua điện dung”
người ta lại rút muối ra khỏi nước và nước ngọt được lọc từ phương pháp này có giá thành
thấp hơn so với ở các thành phố Châu Âu. Hiện nay có nhiều điểm xung đột trên thế giới mà
nguyên nhân tranh chấp là thiếu hụt nước. Nếu những hệ thống lọc nano có thể lọc muối trong
nước ra thì có thể giảm lượng nước sử dụng, hoặc nếu công nghệ sinh học nano có thể giúp
chúng ta trồng cây trong điều kiện khô hạn hoặc nhiễm mặn, những cư dân trong vùng tranh
chấp trên sẽ không còn phải chiến đấu để kiểm soát nguồn nước khan hiếm nữa. Phần lớn
xung đột trên toàn cầu sẽ tránh khỏi. [1] [2]
Người ta còn nghiên cứu những loại vật liệu nano 3 chiều, chúng có thể được chế tạo để
bao bọc các ion phóng xạ trong chất thải hạt nhân. Những vật liệu này có thể nhốt chất phóng
xạ biệt lập trong một vật liệu không còn gây hại. Trên thực tế người ta dùng nhiều lớp vật liệu
nano để đảm bảo an toàn, giảm khả năng bị rạn nứt rò rỉ. Ngay cả người ta còn dùng những vật
liệu có tính chất phóng xạ đặc biệt, cũng như những cảm biến, và khả năng truyền tín hiệu vô
tuyến để chỉ thị tình trạng của khối chất thải một cách liên tục. Nếu được như vậy, tỷ lệ năng
lượng điện sản xuất từ những nhà máy điện hạt nhân sẽ tăng lên rất nhiều, đặc biệt nếu vấn đề
hóc búa về việc tích trữ chất thải hạt nhân có thể giải quyết một cách hoàn hảo. [2]
Công nghệ nano mở ra con đường tạo ra tế bào năng lượng mặt trời không tốn kém
cũng như cải tiến hiệu suất và giảm giá thành của tế bào nhiên liệu, được xem là nguồn năng
lượng cho xe hơi và xe tải trong tương lai. Đồng thời những nghiên cứu ở cấp độ nano đang
hướng tới những công cụ có khả năng loại bỏ vật liệu độc hại và làm sạch các địa điểm có chất
thải độc hại. [1]
Công nghệ nano còn giảm thiểu giá thành xử lí môi trường ở địa điểm bị ô nhiễm. thêm
một khoảng tiết kiệm chi phí làm sạch môi trường của công ty. Bất kì cở sở kinh doanh hoặc
thành phố nào phải đối phó với vấn đề nước ngầm hoặc làm sạch môi trường, hoặc dang xem
xét phê phán một địa điểm công nghiệp cũ kĩ đều cần biết đến công nghệ này vì nó có khả
năng trả lại cho chúng ta nhiều vùng đất sản xuất. [2]
114
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vũ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh, Công nghệ nano- Điều khiển đến từng phân tử nguyên
tử, nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật, xuất bản năm 2004
2. Jack Uldrich – Ded Newberry, Công nghệ nano- Đầu tư và đầu tư mạo hiểm, Nhà xuất bản
Trẻ, xuất bản năm 2006.
3. Nguyễn Đức Nghĩa, Hóa học nano- Công nghệ nền và vật liệu nguồn, Nhà xuất bản khoa
học tự nhiên và công nghệ, xuất bản năm 2007.
4. Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến: Từ polimer dẫn điện đến ống than nano, Nhà xuất bản
Trẻ, xuất bản năm 2008.
5. http://www.duc-anh.com/Vietnam/Vi-tinh/2002/09/3B9C0013/
6. http://www.fotech.org/forum/index.php?showtopic=5845
7. http://www.hoahocvietnam.com/Home/Cong-nghe-Nano/Nano-vang-va-ung-dung-thuctien.html
8. http://www.khoahoc.com.vn/pop_print.asp?news_id=15312
9. http://lonelyakitek.wordpress.com/2007/12/10/cong-ngh%E1%BB%87-nano-vav%E1%BA%ADt
10. http://www.vatlyvietnam.org/home/modules.php?name=News&file=article&sid=146
11. http://ftu-forum.net/forums/showthread.php?t=4075
12. http://www.binhduongnews.com/detail.aspx?Item=3083
13. http://www.a0th.org/html/index.php?name=News&file=article&sid=58&theme=Printer
14. http://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87_nano
CHƯƠNG 15:
NANO TRONG Y SINH HỌC
Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của các
ngành khoa học. Đặc biệt, ngành công nghệ mới này đang tạo ra một cuộc cánh mạng trong
những ứng dụng y sinh học nhờ vào những khả năng giúp con người can thiệp tại kích thước
nanomet (1nanomet bằng 1/triệu mm) bằng những vật liệu nano được sử dụng trong chẫn đoán
và điều trị bệnh.
Vật liệu Nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được
với các độ dài tới hạn của tính chất và đối tượng ta nghiên cứu: kích thước của tế bào (10-100
µm), virus (20-450 nm), prôtêin (5-50 nm), gen (2 nm chiều rộng và 10-100 nm chiều dài).
Với kích thước nhỏ bé, cộng thêm cách ‘‘ngụy trang’’ giống như các thực thể sinh học khác và
có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus.
15.1. HẠT TỪ NANO TỪ TÍNH
Hạt từ tính là thành phần quan trọng nhất trong nước từ, tính chất đặc biệt của nước từ phụ
thuộc chủ yếu vào tính chất của hạt từ. Hạt từ có kích thước từ vài nanomet đến vài chục
nanomet. Cơ chế cơ bản đảm bảo cho sự bền vững của chất lỏng từ là chuyển động Brown của
các hạt sắt từ. Chỉ có các hạt có kích thước đủ bé mới nhờ chuyển động Brown mà không bị
lắng xuống trong trường trọng lực. Tuy nhiên nếu kích thước thích hợp của các hạt sắt từ cỡ
khoảng từ 30–100 A0. Các hạt sắt từ có thể hút lẫn nhau tạo thành hạt lớn hơn và lắng xuống,
nên để ngăn ngừa hiện tượng này cũng như để hạn chế các tác dụng hoá học khác, trên bề mặt
các hạt sắt từ có phủ một lớp chất ổn định. Đối với nước từ, các hạt từ tính là sắt từ hoặc siêu
thuận từ. Chúng được tạo thành từ các hợp chất của các kim loại chuyển tiếp hoặc kim loại đất
115
hiếm. Nước từ thường được dùng nhất là hạt oxit sắt  -Fe2O3 (maghemite), Fe3O4 (magnetite)
vì từ độ bão hoà (từ độ khi từ trường ngoài lớn) lớn, rẻ tiền, ổn định khi làm việc.
2.3. Sử dụng hạt từ nano để tách từ [5]
Công nghệ nano, có thể chế tạo được các hạt từ đều đặn, kích thước nhỏ hơn, tuỳ trường hợp
có thể chọn một kích cỡ nào đó thường là trong phạm vi từ 300 nm đến 10 nm. Oxyt sắt có
nhiều ưu điểm vì tương thích với cơ thể sống.
Ở phạm vi này các hạt oxyt sắt là siêu thuận từ khi có từ trường ngoài các hạt bị từ hoá mạnh
để phân tách nhưng khi không có từ trường ngoài các hạt không có từ dư đáng kể, không vốn
cục. Các hạt từ được bọc bởi một lớp rất mỏng chất thích nghi sinh học có dạng như những
viên bi cực nhỏ. Các viên bi này được chức năng hoá nghĩa là được xử lý hoá sinh bề mặt sao
cho viên bi có xu hướng liên kết với một loại tế bào đích nào đó.
Theo nguyên tắc trên, đã có nhiều cách làm hạt từ nano dùng cho mục đích đánh dấu sinh
học, và phát hiện này đã có bán rộng rãi trên thị trường. Một kiểu hạt từ nano để đánh dấu
thuộc loại mới nhất và tối ưu là hạt từ oxyt sắt Fe3O4. Quanh hạt oxyt này có một lớp vàng
mỏng với hai tác dụng: một là bảo vệ cho hạt Fe3O4 khỏi bị thoái hoá khi nằm trong môi
trường ướt, đồng thời vàng thích nghi sinh học với cơ thể sống. Một đặc điểm nữa là vàng rất
có ái lực với lưu huỳnh nên nếu cho các hạt từ bọc vàng vào dung dịch có chứa các phân tử
thiol là loại phân tử chuỗi dài một đầu có lưu huỳnh thì đầu lưu huỳnh của thiol sẽ bám vào
vàng. Còn đầu kia là một gốc hữu cơ dễ dàng xử lý để tạo nên liên kết với một loại tế bào đích
hoặc phân tử đích nào đó.
Có thể dùng các hạt từ tính làm cảm biến cực nhạy để phát hiện một hay nhiều loại AND nào
đó. Mục đích là tìm xem có một loại ADN nào đó không. Người ta gắn các đầu dò AND trên
một mặt đế. Đó là các nhánh đơn AND của loại cần tìm nếu trong chất cần thử có AND thuộc
loại như gắn giá đế chúng kết hợp lại. Trong chất cần thử còn có các hạt từ nano được chức
năng hoá, tức là có gắn các phân tử có xu hướng bám vào AND cần tìm. Chúng sẽ bám vào
AND vừa kết hợp tạo thành. Do hạt từ lại gần nên cảm biến từ điện trở chỉ thị biến thiên dòng
điện nhờ đó phát hiện được AND cần tìm. Theo nguyên tắc của cảm biến này người ta đã chế
tạo chip có cảm biến từ điện trở, trên đó là nhiều ô, mỗi ô có nhiều đầu dò AND cùng loại. Bộ
dụng cụ kiểm tra AND này cho phép phát hiện nhiều loại AND cùng một lúc.
2.4. Dùng hạt từ nano để khử độc [5]
Các nhà nghiên cứu ở Đại học Chicago (Mỹ) đã sử dụng cách đánh dấu dẫn đường bằng các
hạt từ để khử độc cho người thở phải khí độc. Khi bị tấn công bằng khí độc, các phân tử khí
độc qua đường hô hấp xâm nhập vào mạch máu. Muốn khử chất độc này, người ta dùng các
hạt từ nhỏ, ngoài phủ một lớp chất mà các phân tử khí độc dễ bị bám dính. Tiêm dung dịch
vào các hạt này vào máu, các phân tử khí độc trong máu sẽ bám dính vào các hạt từ. Dùng từ
trường ngoài có thể kéo các hạt từ có dính các phân tử khí độc để đưa ra ngoài, khử hết độc
trong máu.
3. PHÂN TÁCH TẾ BÀO [6]
Trong sinh dược học, đôi khi người ta cần phải tách một loại tế bào đặc biệt nào đó ra khỏi
các tế bào khác. Hạt từ nano có tính tương hợp sinh học (biocompatible) được dùng để làm
điều đó. Quá trình này gồm hai giai đoạn: dán nhãn cho tế bào (labelling) bằng các hạt nano
từ; và phân tách các tế bào được dán nhãn bằng các dụng cụ phân tách. Các hạt nano từ được
phủ bởi một loại hoá chất, thường được dùng là chất hoạt hoá bề mặt (surfactant) để làm tăng
độ tương hợp sinh học và tăng khả năng ổn định trong dung dịch của hạt nano.Cơ chế dán
nhãn tế bào giống như cơ chế mà các kháng thể nhận ra các kháng nguyên trong cơ thể. Ví dụ
nếu ta phủ một lớp hoá chất miễn dịch đặc hiệu ngoài hạt nano thì chúng có thể bám vào các tế
bào máu, các tế bào ung thư, vi khuẩn hoặc các thể golgi. Để phân tách các tế bào được đánh
dấu, người ta dùng một dụng cụ tạo ra gradient từ trường bằng cách đặt một thanh nam châm
116
chẳng hạn để hút các hạt nano từ đang liên kết với các tế bào và bằng cách đó các tế bào được
tách khỏi các tế bào khác không được đánh dấu.
4. DẪN TRUYỀN THUỐC [6]
Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hoá trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi
vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ bị phân bố không tập trung nên các tế bào khoẻ bị ảnh
hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc
đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên
cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính.
Có hai lợi ít cơ bản là:
+ Thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của
thuốc.
+ Giảm lượng thuốc điều trị.
Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Thông thường
hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi
vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào
một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/ hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá
trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất
sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuếch tán hoặc sự thay đổi của
nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như phân tách tế
bào.
Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất
là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc phải vượt
qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có sự trợ giúp của hạt nano từ có kích thước 1020 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc ứng dụng phương pháp này đối
với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn.
9. PHÁT HIỆN SỚM UNG THƯ VÚ VÀ VIRUS [5]
Phương pháp đuốc phân tử: Cách dùng các hạt từ nano, làm cho chúng có chức năng tìm
và kết dính với tế bào ung thư tạo ra tương phản ở ảnh cộng hưởng từ hạt nhân là một phương
pháp mới và có hiệu quả để phát hiện ung thư ở những giai đoạn rất sớm ở những bộ phận nằm
sâu bên trong cơ thể.
Người ta chọn nucleotid phân tử lượng thấp (oligonucleotid) có trật tự các mối nối y như của
gen ung thư vú. Nối vào hai đầu của nucleotid này hai phân tử khác nhau: phân tử huỳnh
quang và phân tử dập tắt hai phân tử này nối với nhau tạo thành cái cặp tóc. Phân tử huỳnh
quang khi đã nối với phân tử dập tắt thì dù có bị kích thích (bằng tia hồng ngoại) cũng không
phát ánh sáng ra ngoài vì ánh sáng phân tử huỳnh quang phát ra bị phân tử dập tắt hấp thụ.
Đây là cái đuốc chưa thấp sáng được. Tuy nhiên khi có các đầu dò cặp tóc này vào cơ thể của
người bị ung thư vú, nucleotid của cặp tóc bám ngay vào các chuỗi gen của tế bào ung thư vú
và khi bám vào như vậy mối nối của hai phân tử huỳnh quang và dập tắt hở ra. Bây giờ nếu
kích thích bằng hồng ngoại phân tử huỳnh quang sẽ phát sáng: đuốc phân tử được thắp sáng.
Vì vậy sau khi đưa thuốc vào cơ thể, dùng bút hồng ngoại chiếu vào vú, nếu có ánh sáng phát
ra là có ung thư.
Phương pháp đuốc phân tử còn có thể dùng để phát hiện nhiều loại ung thư khác ở gần da và
phát hiện nhiều loại virus. Chọn nucleotid thích hợp với gen ở virus cần tìm. Trộn các phân tử
đuốc này với chất nghi là tác nhân gây bệnh. Nếu thực sự có virus gây bệnh thì chiếu hồng
ngoại vào, các phân tử đuốc sẽ sáng lên. Với phương pháp đuốc phân tử chỉ cần vài giờ là xác
định được có hay không có virus gây hại. Nhà khoa học Gang Bao ở Georgia Tech và Đại học
Emory (Mỹ) nay đã lập một công ty tên là Vivonetise để kinh doanh các sản phẩm làm từ các
kỹ thuật phát hiện sớm ung thư và virus này.
117
Phương pháp tăng nhiệt cục bộ: các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào
bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính. Nguyên tắc
hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô
mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số
để làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt
độ khoảng 420C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Nghiên cứu về
kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến
kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu đó là việc
dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường
ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng
cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô. Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát
nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Tần số và
biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = (0,05-1,2) MHz, H < 0,02 T.
Mật độ hạt nano cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3. Vật liệu dùng để làm hạt nano thường là
magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí nghiệm
được tiến hành với các hạt siêu thuận từ.
15.2. NANO
DÙNG PROTEIN LÀ LIPIT ĐỂ LÀM CẢM BIẾN NANO SINH HỌC [5]
Cho đến nay không có cảm biến nào nhạy bằng cảm biến sinh học sẵn ở động thực vật.
Trong sinh học, có rất nhiều loại protein làm nhiệm vụ đóng mở, tức là chuyển mạch trên cơ
sở protein. Đơn giản nhất là chuyển mạch ion trên màng lipit. Bản thân màng lipit là màng
cách điện tốt (cách điện ion), các ion như ion natri, ion clo không chui qua màng lipit được.
Nhưng có những màng lipit có chứa thêm các protein hình ống lại lại cho phép ion một loại
nào đó chui qua, vì ống đó là một kênh dẫn ion. Hơn nữa miệng các ống của protein này có
tính chất hút một vài loại phân tử nhất định. Lúc bị hút, phân tử sẽ đậy kín miệng lại, kênh dẫn
ion bị đóng. Như vậy, màng lipit có thêm các protein này là một kênh dẫn ion đóng mở được.
Thực tế trong tự nhiên có các protein là kênh ion, lúc mở có khả năng cho đến hàng triệu ion
đi qua trong một giây ứng với dòng điện cỡ từ picoampe đến nanoampe (10-12–10-9 ampe). Kỹ
thuật đo lường ngày nay dễ dàng đo được dòng điện nhỏ như thế. Qua việc đo dòng điện ion
qua màng, ta dễ dàng xác định lúc nào kênh ion mở, lúc nào kênh ion đóng. Như vậy ta có thể
xác định miệng ống của kênh ion có bị đậy lại hay không với độ chính xác đến từng phân tử.
Công nghệ nano đã lợi dụng cơ chế đóng mở kênh ion này để làm cảm biến. Nhưng phải giải
quyết các vấn đề: làm thế nào tạo ra được cơ chế cảm nhận có chọn lọc và rất nhạy? Làm thế
nào để cảm biến nhỏ nhưng dễ thao tác chứ không cồng kềnh phức tạp?
Để thấy cách giải quyết cụ thể, ta xét cấu tạo và cách làm cảm biến để phát hiện hormon
trong máu.
Trước hết trong tự nhiên có một loại protein ở vi khuẩn tên là gramicidin có ống dẫn ion tốt.
Cấu tạo của ống này là hai nữa ống ghép lại với nhau ở giữa bằng lực liên kết hydro tương đối
yếu. Vì vậy dễ tách cho hai ống rời nhau, nhưng khi hai nữa ống rời nhau xích lại gần nhau
chúng có thể tự động nối lại. Vì lực liên kết giữa hai ống yếu nên khi nối lại với nhau, hai ống
chỉ thẳng hàng được một thời gian ngắn, cỡ 0,1 đến 1 giây. Do dao động nhiệt chúng lại có thể
tách nhau ra thành hai nữa rồi sau đó một thời gian lại nối lai với nhau. Chiều dài của mỗi ống
của kênh dẫn ion vào cỡ 4 nm, tức là nữa ống dài cỡ 2 nm.
Màng lipit hai lớp cũng có chiều dày cỡ 4 nm, tức là bề dày của một lớp cũng vào khoảng 2
nm, đúng bằng chiều dài của nữa ống kênh dẫn ion ở gramicidin. Người ta cấy thêm các
gramicidin vào màng hai lớp lipit. Sau khi cấy vào màng lipit, do dao động nhiệt, các ống dẫn
ion để tách ra làm hai, các nữa ống dễ dịch chuyển theo kiểu khuếch tán ở trong từng lớp của
màng lipit. Xét riêng ra thì cứ mỗi lần hai nữa ống ở hai lớp thẳng hàng nhau, lúc đó ion mới
chạy qua được, kênh dẫn ion thông. Việc thông kênh này chỉ được một lát, cỡ 0,1 đến 1 giây,
118
sau đó do khuếch tán nhiệt hai ống lại mở ra v.v… Vậy màng lipit có hai lớp chứa các nữa ống
như trên có sự đóng mở ngẫu nhiên của các kênh dẫn ion. Nhưng phải điều khiển được sự
đóng mở đó mới dùng màng lipit làm cảm biến được.
Các nhà công nghệ nano phải làm thêm nhiều mưu mẹo, có thể tóm tắt như sau:
- Dùng lá vàng làm điện cực và dùng các phân tử hình sợi dài cỡ 4 nm gần tất cả các nữa ống
dẫn ion ở lớp dưới với lá vàng. Cũng dùng những phân tử hình sợi gắn lớp dưới của màng lipit
với bề mặt lá vàng. Như vậy giữa lớp dưới của màng lipit và lá vàng có một khoảng cách cỡ 4
nm, đó sẽ là bình chứa ion.
- Người ta gắn các protein đặc biệt gọi là cảm thụ (receptor) với các nữa ống dẫn ion còn cơ
động ở lớp trên của màng lipit. Đồng thời có các protein cảm thụ được gắn chặt với màng lipit
không chuyển động được nhờ các phân tử lipit đặc biệt xuyên qua màng bám vào tận đế.
Thường dùng các kháng thể (antibody) để làm protein cảm nhận. Ta biết rằng khi có yếu tố
gây hại như vi trùng, độc tố vào cơ thể, cơ thể cho ra các kháng thể để thăm dò, nhằm đối phó,
chống cự. Mỗi loại kháng thể cảm nhận được một số yếu tố lạ nhất định, nếu thấy có sẽ bám
vào đấy để báo hiệu cho cơ thể biết. Cảm biến được đặt trong dung dịch.
Kết quả là các nữa ống cơ động này cũng bị cố định ở những vị trí nhất định, không còn cơ
hội thẳng hàng với các nữa ống ở lớp dưới nữa. Tất cả các kênh dẫn ion có ở màng lipit đều bị
khoá lại, dòng điện qua màng lipit do được gần bằng không. Cảm biến làm việc theo cách này
rất nhạy vì chỉ cần một hormon là một kênh ion bị khoá lại, số ion chạy qua màng từ lưu
thượng hàng triệu ion trong một giây đã bị giảm xuống gần như đến không.
Cấu tạo cảm biến mô tả như trên có vẻ quá phức tạp, quá tinh vi. Nhưng thực ra để chế tạo
không phải người ta làm các công việc như sắp đặt các phân tử lipit để có màng hai lớp, nối
ghép từng protein dẫn ion, từng protein cảm nhận v.v… Cũng bắt chước tự nhiên người ta chỉ
tạo điều kiện cho các nguyên tử, phân tử tự lắp ráp lại theo những trình tự nhất định để cuối
cùng có được cấu tạo toàn bộ của cảm biến mong muốn. Công nghệ nano rất cao cường ở chỗ
thực hiện nhiều thao tác cực kỳ tinh vi phức tạp một cách đơn giản nhanh chóng vì hàng triệu,
hàng tỉ nguyên tử, phân tử tự mình sắp xếp.
8. CÂN AND [5]
Gọi là cân nhưng thưc sự nhỏ xíu, nhìn qua kính hiển vi mới thấy được chi tiết. Cân có nhiều
lá mỏng đàn hồi gắn trên một thanh cứng. Trên mỗi lá người ta dính một loạt nhánh của AND
cùng loại đã biết trước tức là cùng có trật tự A, G, C, T như nhau. Toàn bộ cân được đặt trong
dung dịch các nhánh của AND cần xác định, nếu có những nhánh phù hợp với trật tự AGCT
của các nhánh dính ở lá mỏng đàn hồi, chúng sẽ kết dính vào đấy để thành những chuỗi xoắn
kép. Lá đàn hồi có các nhánh AND bám vào sẽ nặng hơn, cong xuống. Kỹ thuật vi điện cơ cho
phép làm nhiều lá đàn hồi nhỏ xíu vào cỡ micromet trên một tấm sillic và làm được các hệ
quang học cực kỳ tinh vi cho thấy lá đàn hồi nào bị cong vì nặng do có thân nhánh AND bắm
vào, nhờ đó biết ngay được AND thuộc loại gì.
4. VIỆC KHÁM BỆNH [2]
Công ty Nanophere ở ngoại ô Chicago, Mỹ, thông báo rằng trong khoảng thời gian từ năm
2004 đến 2005 công ty sẽ đưa ra thị trường những hệ thống chẩn đoán dùng những cám biến
nano để dò tìm sự hiện diện của bệnh than, bệnh đậu mùa, và nhiều chứng bệnh khác nhanh
hơn mười lần thiết bị tốt nhất hiện nay và chính xác hơn 100 lần, thì nhu cầu gửi bệnh phẩm
đến phòng xét nghiệm sẽ giảm đi. Công ty Nanophere hy vọng triển khai hệ thống này dưới
dạng thiết bị cầm tay, chúng sử dụng những thành phần DNA tương ứng và liên kết với DNA
của bệnh nhân để xét nghiệm hàng trăm (hoặc hàng nghìn) tác nhân gây bệnh khác nhau cùng
một lúc. Ta hình dung đó là hệ thống nhiều ổ khoá và chìa khoá ở kích thước nano, với một bề
mặt có nhiều chìa khoá trên đó. Những DNA của bệnh nhân, hoặc là ‘‘những ổ khoá’’ tiếp xúc
với bề mặt trên. Việc tiếp cận sẽ có bao nhiêu ổ khoá được mở. Nanophere không chỉ là một
119
công ty làm việc với những thiết bị như thế. Agilent, Motorola, SurroMed, Molecular
Nanosystems, Danish – based Cantion, và Berlin – based Scienion là một vài công ty cũng
đang hoạt động trong công nghệ tương tự.
2. DÙNG HẠT NANO ĐỂ THỬ CÓ THAI HAY KHÔNG? [5]
Hạt vàng kích thước nano có đặc điểm là có sự hấp thụ cộng hưởng plasmon khi chiếu ánh
sáng vào nên có màu hồng thấm. Người ta cho các hạt vàng nano bám dính lên các hạt laxtex
(nhựa) dính với kháng thể nhạy với chorionic gonadotrophin, đó là một loại hoocmôn luôn có
ở trong nước tiểu của phụ nữ có thai. Khi cho các hạt micro và nano này vào nước tiểu, nếu là
nước tiểu của người phụ nữ có thai thì các hạt này tụ họp quanh hoocmôn, nhờ đó quan sát ta
thấy có những chỗ tích tụ màu hồng (do hạt vàng nano sinh ra). Như vậy, qua màu sắc của
dung dịch thử biết được có thai hay không.
7. AND VÀ CHỐNG KHỦNG BỐ SINH HỌC [5]
Công nghệ nano đã đưa ra một số phương pháp, nói đúng hơn là một số dụng cụ kiểm tra rất
nhỏ gọn để phát hiện bi trùng dựa vào đặc điểm AND là keo dán thông minh. Nguyên tắc như
sau: ta biết rằng AND của mỗi loại vi trùng là vân tay để nhận biết được vi trùng đó. Đặc trưng
của vân tay này là các thứ tự A, T, G, C ở chuỗi xoắn kép. Vì vậy muốn kiểm tra có vi trùng
của một số bệnh lây lan nào đó hay không, người ta lấy AND của các loại vi trùng đó, tách các
chuỗi xoắn của chúng ra thành các chuỗi xoắn đơn và dính ở đầu mỗi chuỗi xoắn đơn đó có
một hạt vàng. Mỗi loại chuỗi xoắn đơn ứng với một loại kích thước của hạt vàng, nói chung
vào cỡ nanomet. Khi cho các chuỗi xoắn đơn dính hạt vàng này vào dung dịch trong ống
nghiệm, các chuỗi xoắn đơn chuyển động rời rạc với nhau, các hạt vàng cũng phân bố đều
trong dung dịch. Nhìn vào ống nghiệm đựng dung dịch ta thấy dung dịch có màu nâu hồng.
Giả sử có mẫu nghi là chứa vi trùng bệnh than để gây bệnh. Bằng các phương pháp hoá sinh
gọn nhẹ người ta lấy AND ở mẫu này, tách ra thành các chuỗi đơn, dính các hạt vàng nano,
vào đầu chuỗi rồi đổ vào ống nghiệm. Nếu có vi trùng bệnh than thật thì các chuỗi xoắn kép
đơn ứng với vi trùng bệnh than đã có sẵn trong dung dịch. Các chuỗi xoắn kép đơn phù hợp
nhau này sẽ kết dính tạo ra các chuỗi xoắn kép . Lúc đó các hạt vàng gắn vào chuỗi sẽ khít
nhau từng đôi một. Do đặc điểm tán xạ ánh sáng phụ thuộc vào kích thước hạt nên lúc các hạt
vàng rời rạc dung dịch trong ống nghiệm có màu nâu hồng, bây giờ có các hạt vàng kết liền
nhau từng đôi một lớn gần gấp đôi, dung dịch có màu xanh. Như vậy quan sát thay đổi màu
sắc của ống nghiệm, dễ dành xác định ở mẫu có hay không có loại vi trùng lây lan mà ta quan
tâm. Việc này rất cần thiết cho việc xác định nhanh ở hiện trường.
3. DIỆT KHỐI U UNG THƯ BẰNG ĐẠN NANO [5]
Lâu nay để chữa ung thư có cách phẫu thuật cắt bỏ khối ung thư hoặc là uống thuốc, chiếu
xạ … để chữa trị, thực phẩm cũng là nhằm trừ khử các tế bào ung thư. Việc phẩu thuật có
nhiều nguy hiểm, dễ bị cắt sót cũng như cắt lạm sang chỗ lành. Việc uống thuốc, chiếu xạ
cũng vậy, tiêu diệt được các tế bào ung thư nhưng ít nhiều cũng tiêu diệt cả tế bào lành.
Các nhà khoa học ở Đại học Rice (Houston, Mỹ) đã sáng chế ra loại ‘‘đạn nano’’ chỉ bắn
tiêu diệt các tế bào ung thư, không động chạm đến tế bào lành. Mỗi viên đạn thực chất là một
hạt nano oxyt sillic (SiO2) có bọc lớp vàng mỏng và có dính chất để khi vào cơ thể chỉ nhằm
đến dính vào các tế bào ung thư. Sau đó, dùng tia hồng ngoại chiếu vào. Tia hồng ngoại là
sóng điện tử, dể xuyên sâu vào cơ thể và gặp vỏ vàng của hạt sillic thì làm cho vỏ này nóng
lên (tương tự như nung nóng kim loại bằng lò cao tần) phá hoại tế bào mà các hạt nano bám
vào tức là chỉ phá hoại các tế bào ung thư. Những thí nghiệm ban đầu cho thấy chiếu hồng
ngoại trong vài phút các tế bào ung thư đã bị trừ khử bởi nhiệt sinh ra ở các viên đạn nano.
120
Hình 1: Nano vàng
5. VIỆC PHÂN TÁN THUỐC TRONG CƠ THỂ [2]
Trong số những tiến bộ thú vị nhất suốt năm 2004 đến 2005 là một công ty có tên là C Sixty,
ở Houston bang Texas, công ty đang nghiên cứu một thiết bị được ví như một ‘‘giá đỡ phân
tử’’. Tâm của giá đỡ là một cấu trúc carbon với những loại thuốc và những đầu dò protein gắn
vào, loại thiết bị cỡ nano này có thể được tiêm vào cơ thể, và nó có thể lắp chính xác và dễ
dàng vào hốc của một virus AIDS và phá huỷ khả năng sinh sản của nó. Thiết bị cũng giúp cải
thiện rất nhiều những loại thuốc hiện có trên thị trường, bởi vì nó không độc hại cũng như
không gây ra những tác dụng phụ rất xấu mà nhiều loại thuốc hiện nay gây ra. Hơn thế những
thiết bị nano này có tiện lợi là có thể sửa đổi nhanh chóng và dễ dàng. Điều này rất quan trọng,
bởi vì nhiều loại thuốc điều trị AIDS ngày nay chỉ có hiệu quả trong thời gian ngắn trước khi
virus kháng thuốc. Nếu những loại thuốc mới có thể cho vào những thiết bị nano trong tương
lai, khả năng của virus kháng thuốc và truyền bệnh sẽ bị vô hiệu hoá.
Những nhà nghiên cứu khác ở bang Texes đang nghiên cứu một loại ‘‘bom thông minh’’
điều trị ung thư ở kích thước nano. Những nhà nghiên cứu đặt duy nhất một nguyên tử
actinium-225 có hoạt tính phóng xạ cao bên trong một cái lồng làm bằng carbon và nitrogen
có kích thước nano. Rồi họ gắn vào bên ngoài lồng một protein mà protein này chỉ gắn chặt
vào những tế bào ung thư. Khi xảy ra gắn kết giữa protein và tế bào ung thư, chiếc lồng sẽ tan
rã và chất phóng xạ được phóng thích mà chỉ tiêu diệt mỗi một tế bào ung thư đó
Những thử nghiệm sơ bộ đã chứng tỏ rằng loại bom thông minh này có thể tiêu diệt những tế
bào ung thư bạch cầu, ung thư vú, ung thư buồng trứng, và ung thư tuyến tiền liệt. Và mặc dù
ở thời điểm công bố thử nghiệm này chỉ là thử nghiệm trên chuột, kết quả chứng tỏ rằng
những con chuột được điều trị với phương pháp trên đã sống sót đến ba trăm ngày (và không
còn dấu hiệu ung thư) so với thời gian sống trung bình bốn mươi ngày của những con chuột bị
ung thư mà không được điều trị.
Tejal Desai, nhà nghiên cứu hàng đầu của trường Đại học Boston, Mỹ, đã tạo ra một hộp
sillic bé xíu để chứa những tế bào tuyến tụy lấy từ động vật. Một chiếc hộp được cấy dưới da
những người mắc bệnh đái tháo đường, nó được bao phủ bởi loại vật liệu với những lỗ chân
lông đủ lớn để cho phép những phân tử đường glucose đi qua nhưng đủ nhỏ để giữ những
kháng thể có hại bên ngoài. Khi những tế bào tuyến tụy nhận thấy quá nhiều đường glucose
trong máu, chúng sẽ phóng thích insuline, những phân tử insuline cũng đủ nhỏ để thoát ra
những lỗ chân lông đó.
Một công ty khác là Angstrom Medica đang phát triển các loại tinh thể nano có kích thước,
hình dạng và độ tinh khiết khác nhau để có thể hoà lẫn với những tế bào của cơ thế, từ đó giúp
cho xương tăng trưởng.
Một thiết bị kích thước nano mới, giống như một bong bóng hơi thu nhỏ lại, có thể gói gọn
một loại thuốc hen suyển và giúp nó vào phổi nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Kết quả thu được của tất cả những tiến bộ này trong việc khám phá ra thuốc, chẩn đoán bệnh
tật, và lưu chuyển thuốc trong cơ thể là ngưòi bệnh sẽ trải qua sự điều trị càng sớm càng tốt,
vì như vậy chúng ta sẽ ít bị can thiệp sâu hơn, ít tốn kén hơn, và sau cùng là hiệu quả điều trị
cao hơn.
1. NANO SELEN - DƯỢC PHẨM VITAMIN [2]
Selen là chất độc hại cho cơ thể. Có trên 2000 mẩu mã selen được bán ở trên thị trường
nhưng loại nào cũng được xếp vào chất độc. Tuy nhiên cơ thể lại cần có một vi lượng selen.
121
Nghiên cứu ở Đại học Khoa học Công nghệ Trung Quốc (USTC) cho thấy 72% người trên trái
đất thiếu selen trong cơ thể do đất đai thực phẩm … không cung cấp đủ dạng selen mà cơ thể
có thể hấp thụ được. Thiếu selen sẽ sinh ra nhiều bệnh. Nhưng selen mà cơ thể hấp thụ được
rất khác với selen có ở thị trường. Phân tích kỹ thì thấy trong nhân sâm, trong một số cây
thuốc quý có selen mà cơ thể hấp thụ được.
Nhờ công nghệ nano, các nhà khoa học Trung Quốc đã chế tạo được loại selen có tên là nano
selen, có thể dùng như một loại vitamin uống vào cơ thể sẽ tăng lượng selen cho cơ thể đang
thiếu. Loại thuốc nano selen hiện nay do hãng Stone Nano Port (Trung Quốc) chế tạo mới bắt
đầu cung cấp cho Thượng Hải. Hãng này đã đầu tư 217 triệu đô la để phát triển sản xuất nhằm
đến năm 2005 sẽ tung ra sản phẩm nano selen ra rộng rãi trên thị trường, bán như một loại
vitamin.
6. THUỐC VÀ DƯỢC PHẨM ĂN KIÊNG [2]
Một trong những viễn cảnh tốt đẹp do công nghệ nano đưa đến trong suốt năm 2006 - 2008
là sự xuất hiện những ‘‘quầy thuốc lưu động’’. Những quầy thuốc này, chúng là những thiết bị
rất nhỏ, cỡ micromet có thể cấy dưới da, chúng sẽ mang hàng tá những loại thuốc khác nhau ở
dạng những hạt nano, thiết bị này có thể phóng thích các loại thuốc đều đặn trong thời gian dài
nhờ mạch điện tử điều khiển. (Cơ quan quản lý thuốc và thực phẩm Mỹ - FDA có thể trì hoãn
việc giới thiệu nhiều loại hạt nano cho đến khi họ xác định được không có ảnh hưởng có hại
nào cho con người).
Những bệnh nhân cao tuổi, những người phần lớn dùng từ hai đến bốn mươi loại thuốc khác
nhau mỗi ngày, có thể nhẹ bớt việc phải nhớ thời gian uống thuốc và phối hợp các loại thuốc
với nhau.
Kết quả của những công nghệ mới này sẽ tác động mạnh mẽ đến những hiệu thuốc và hơn
200.000 dược sĩ, đó là khối lượng và chức năng công việc của chúng sẽ thay đổi rõ rệt.
Nhưng nhà nghiên cứu của chính phủ hiện nay đang nghiên cứu tạo ra loại hạt nano tăng
cường mùi vị (mỗi loại phân tử tăng cường một vị khác nhau, chất mùi này được thêm vào
những thực phẩm ít năng lượng để tăng thêm mùi vị thơm ngon). Những chất tăng cường mùi
vị này sẽ được tung ra thị trường giữa những năm 2006 -2008. Như vậy, con người có thể
dùng những liều thuốc với thành phần tự nhiên ít hơn nhưng hiệu quả hơn mà không phải ăn
những sản phẩm không ưu thích hoặc không có mùi vị gì.
Song song với vấn đề này, thị trường cung cấp thức ăn kiêng có khả năng trổi dậy trong giai
đoạn này. Một công ty ở Israel là Nutralease đang nghiên cứu phát triển những hạt nano có thể
phân phối chất nutraceutical (một thành phần hữu cơ mang tính bảo vệ sức khoẻ) trong cơ thể
để tăng cường sức khoẻ. Những hạt nano đáp ứng yêu cầu bảo vệ những phân tử nutraceutical
cho đến khi chúng đến đúng nơi cần, tức là trái tim hoặc ruột già, phụ thuộc vào bộ phận nào
bị đau. Ví dụ như, phytosterol, một sản phẩm chiết xuất từ dầu đậu nành, đã chứng minh thành
công trong việc giảm 15% cholesterol trong người bệnh sau bốn tuần. Hiện nay công ty
Nutralease đang có kế hoạch phân phối trực tiếp phytosterol đến người bệnh dưới dạng viên
hoặc bổ sung vào nước uống. Công ty Nutralease còn nghiên cứu phát triển một loại hạt nano
để mang lycopen, một sắc tố đỏ chiết xuất từ quả cà chua, chất này đã được chứng minh là
giảm thiểu nguy cơ ung thư vú và tuyến tiền liệt. Nếu thành công, thì những người có nguy cơ
cao mắc các chứng ung thư sẽ có thể được phòng chống một cách đơn giản với việc dùng một
loại nước uống có chứa những hạt nano này.
7. MỘT VÀI ỨNG DỤNG MỚI DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ NANO [8]
2.6. Bình sữa khử trùng Nano Silver của Mummybear [7]
122
Hình 9
Hình 11.
Bộ sản phẩm Nano Silver thiết thực đối với con trẻ như: bình sữa, dụng cụ cọ rửa bình sữa,
bàn chải răng, ca uống nước, ống hút nước có van đóng mở tự động, hộp đựng thức ăn…hội tự
nhiều ưu điểm. Tính năng hữu ích và nổi trội nhất là việc tiết kiệm thời gian và an toàn cho trẻ
nhỏ với bình Mummy Nano Silver không cần luộc bình mà vẫn bảo quản thực phẩm lâu và tiệt
khuẩn, ức chế sự phát triển của các vi khuẩn. Đặc biệt, cơ chế hoạt động của Nano Silver sẽ
tiêu diệt 99,9% khuẩn Staphylococci và Escherichia Coli (E.Coli) gây nên bệnh ung thư và
tiêu chảy kiết lị. Kết quả thí nghiệm của Viện nghiên cứu hóa học Hàn Quốc khi so sánh sự
sinh trưởng của lượng khuẩn E.Coli bằng nhau đặt trong bình sữa thường và bình sữa Silver
Nano sau 5h, kết quả cho thấy lượng khuẩn trong bình sữa thường tăng 84,6% còn bình sữa
Silver Nano giảm 44,6% lượng khuẩn đường ruột này.
Trong phẫu thuật thẩm mỹ, đang hình thành ngành Cosmetic Nano Surgery (tạm dịch Nano
phẫu thuật thẩm mỹ). Các ứng dụng công nghệ nano đang phát triển trong vi phẫu thuật thẩm
mỹ để bóc mỡ thừa, căng da, xóa nếp nhăn, đổi màu tóc... Các loại kem bôi da chứa hạt nano
giúp thay đổi màu da hay ngăn chặn tia tử ngoại dễ gây ung thư da.
Ngành công nghệ mới có tên Nano-bio (tạm dịch là sinh học nano) đang hình thành, sẽ tạo ra
những vật liệu mới tạo mô xương, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con người như da,
băng thông minh…
Ngành phỏng sinh học nano hướng đến việc chế tạo những vật liệu mô phỏng các khả năng
đặc biệt của các loài động thực vật trong tự nhiên. Ví dụ: hiện tượng lá sen luôn sạch sẽ và
không bao giờ ướt là do cấu trúc bề mặt có các cột nhỏ cỡ nanomet, cách nhau khoảng vài
micromet tạo nên bề mặt không thấm nước. Barthlott đã nghiên cứu và chứng minh sự liên
quan giữa cấu trúc micro và các hợp chất hoá học trên bề mặt lá sen với khả năng chống bị ướt
và tự làm sạch khỏi chất làm ô nhiễm. Nước rơi lên bề mặt lá sẽ lăn những giọt hình cầu, cuốn
đi bùn bẩn và vi trùng. Từ đó các nhà khoa học đã sản xuất ra vật liệu polyme mô phỏng cấu
trúc của lá sen, có khả năng không thấm nước, mang lại nhiều ứng dụng trong y tế và đời sống.
8. GIẢI PHÁP HIỆU QUẢ
Mới đây, Nicholas Kotov (Đại học Michigan) cùng các đồng nghiệp Đại học Y khoa
Texas, Galveston (UTMB) lần đầu tiên đã ghép nối thành công màng mỏng các hạt nano
quang điện với một tế bào thần kinh. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra kết quả này bằng cách
phát triển một quy trình xây dựng một hệ màng siêu mỏng xen kẽ trên mặt một đế thủy tinh.
Lớp đầu tiên là lớp các hạt nano bán dẫn Hg-Te, lớp thứ hai là lớp tích điện dương polyme.
Lớp thứ ba là một lớp đất sét và phủ một lớp có tính tương thích sinh học (acid amin) với cấu
trúc và cuối cùng là một lớp neuron thần kinh được cấy ghép lên đỉnh. Khi ánh sáng chiếu vào
lớp màng Hg-Te, chúng làm bật ra các điện tử và di chuyển lên lớp polyme. Khi dòng điện
chạy đến lớp màng neuron ở trên đỉnh, chúng khử sự phân cực tế bào tới một điểm mà ở đó nó
bị "đốt" và tạo ra các xung thần kinh đến tế bào thần kinh.
Các nhà nghiên cứu trước đó đã cho ánh sáng truyền qua các tế bào thần kinh sử dụng sillic
nhưng các vật liệu nano lại cho khả năng hoạt tính mạnh hơn và tạo ra sự kém ổn định,
"Chúng ta hoàn toàn có thể điều chỉnh các đặc trưng điện của màng hạt nano để tạo ra các
thuộc tính như là nhạy màu sắc, và các kích thích khác nhau, là những tính chất mà bạn mong
123
muốn nếu bạn muốn tạo ra các võng mạc nhân tạo, một trong những mục tiêu lớn nhất của đề
tài này" - Todd Pappas, tác giả chính, phát biểu - "Bạn không thể làm được thế với sillic.
Ngoài ra, silic là một vật liệu khối - các linh kiện Sillic có tính tương thích kích thước với các
tế bào". Các nhà nghiên cứu nói rằng mặc dù một võng mạc nhân tạo trên thực tế vẫn còn là
một lĩnh vực ứng dụng xa vời, nhưng kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng trong nhiều ứng
dụng khác ít phức tạp hơn. Những ứng dụng đó bao gồm các cách để kết nối với chân tay nhân
tạo và các bộ phận giả, các công cụ mới cho chụp ảnh và chẩn đoán. " Điều tuyệt vời trong
thành tựu này là các vật liệu này có thể được kích hoạt từ xa mà không cần dùng một sợi dây
kết nối nào. Tất cả những gì bạn cần phải làm là làm sao đưa ánh sáng đến vật liệu’’Massould Motamedi, Giám đốc Trung tâm Kỹ thuật Y Sinh (UTMB), đồng tác giả của công
trình cho biết - "Tôi cảm thấy là càng ngày các công cụ nano sẽ càng đưa đến cho các lĩnh vực
y tế và sinh học nhiều ứng dụng mới, mà thậm chí khó mà tưởng tượng được" [18].
PHẦN 4 ỨNG DỤNGVẬT LIỆU NANO TRONG HOÁ
HỌC
2. PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU NANO HỮU CƠ DẠNG GEL [13]
Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Bách khoa Rensselaer đã tạo ra các vật liệu nano hữu cơ
dạng gel có thể được sử dụng để kết bao các sản phẩm dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm và
để tạo ra các cấu trúc sinh học 3-D cho kỹ thuật mô. Nhờ sử dụng dầu oliu và 6 dung môi lỏng
khác, các nhà khoa học đã bổ sung một enzym đơn để hoạt hóa hóa học một loại đường nhằm
biến các chất lỏng thành các gel hữu cơ.
Nhà nghiên cứu Jonathan Dordick thuộc Viện Bách khoa Rensselaer cho biết, họ đang sử
dụng một cấu hình tự nhiên nhằm tạo ra các vật liệu nano mới có tính thuận nghịch và thân
thiện môi trường. Ông cho biết thêm, tầm quan trọng của nghiên cứu này là khả năng sử dụng
một loại enzym, tồn tại tự nhiên để vừa tạo nên các gel hữu cơ có chức năng hó a học, vừa
đảo ngược quá trình và phá vỡ các gel này thành những cấu hình tương hợp sinh học.
Trong nhiều thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã hoạt hóa đường nhờ sử dụng một enzym
đơn, một biện pháp tạo ra hợp chất tự lắp ghép thành các màng sợi 3-D với đường kính gần 50
nanomet. Khi các sợi này bị kẹt lại, một số lượng dung môi tập hợp lại với nhau và mắc nối
thành khối 10 nghìn phân tử.
Theo Dordick, các vật liệu gel hữu cơ có thể được sử dụng làm các cấu trúc tương hợp sinh
học cho kỹ thuật mô và thiết kế các tấm màng. Vật liệu này còn được ứng dụng trong dược
phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm.
Dordick cho biết, hiện nay, các nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục tìm kiếm những công cụ tự
nhiên để tạo ra những vật liệu mà không cần phải tạo ra các hợp chất mới dễ gây hại cho con
người và môi trường.
3. CHẤT PHỤ GIA NHIÊN LIỆU NANO [15]
Chất phụ gia nhiên liệu nhãn hiệu nano chính là sản phẩm ứng dụng kĩ thuật vi nhũ hóa cấp
độ nanomet vào trong dầu xăng, dầu diezel thích hợp để tạo ra chất phụ gia dầu đốt thế hệ mới
với nhiều công năng. Chất phụ gia này thông qua tác dụng nổ nhỏ cấp độ nanomet làm cho
dầu đốt bị hóa mù lần thức hai rồi trộn đều với không khí để làm cho quá trình cháy của dầu
càng triệt để hơn. Sản phẩm này có thể được ứng dụng rộng rãi vào xăng và dầu diezel trong
ngành công nghiệp. Chỉ cần pha thêm một lượng rất nhỏ nhưng lại tạo ra tác dụng tăng cường
đáng kể động lực của xe, máy, đồng thời giảm thiểu rõ rệt mức tiêu hao dầu đốt, nâng cao tính
năng của động cơ và giảm thiểu nhiều lần khí thải độc hại sau ống xả của máy.
3.1. Ưu điểm của chất phụ gia nano
Nâng cao tính năng chống nổ, hạ thấp yêu cầu của động cơ về trị số octan. Đối với loại xe
chạy xăng, căn cứ vào quy phạm đo kiểm (CRC) E-15-92 để chứng minh rằng nếu sử dụng
chất phụ gia dầu đốt nano thì có khả năng giảm thấp ngay lập tức 4 điểm yêu cầu của động cơ
124
đối với trị số octan, đồng thời than đọng trong buồng đốt được tẩy rửa sạch thì động cơ còn có
thể hạ thấp được 2 điểm trị số octan, làm cho xăng có mã hiệu thấp vẫn thể hiện được những
ưu điểm ngang bằng hoặc thậm chí tốt hơn cả xăng có mã hiệu cao.
Nâng cao tính năng động lực: Sau khi cho chất phụ gia nano vào trong dầu đốt thì nó sẽ
nhanh chóng khuếch tán và tạo thành dạng hạt nước hình cầu kích cỡ 6 nanomét. Căn cứ vào lí
thuyết về nổ nhỏ thì những hạt này có thể cùng xảy ra bốc hơi và nổ với quá trình hoạt động
của động cơ nhờ nổ làm tan những giọt sương dầu đốt, lần hóa mù thứ hai trở thành hạt dầu
cấp độ nanomet, làm cho hoàn toàn trộn lẫn với không khí, từ đó triệt để loại trừ sự sai lệch
mang tính chu kì trong hoạt động của pittông. Nhờ vậy nâng cao đáng kể tính năng động lực.
Theo quy phạm đo kiểm, sản phẩm này có thể nâng cao đến 20 – 28% tính năng động lực.
Tiết kiệm dầu đốt: Kết quả thử nghiệm tại các công ty của Trung Quốc như Công ty dầu mỏ
Đại Liên, Tập đoàn hàng không Cáp Nhĩ Tân, Tổng công ty ô tô Cáp Nhĩ Tân, Công ty TNHH
Tacxi Bắc Kinh, Trung tâm giám sát tiết kiệm năng lượng Liêu Ninh đều chứng tỏ chất phụ
gia dầu đốt nano có khả năng tiết kiệm dầu 10% trở lên nhờ dầu đốt được hóa mù triệt để, gây
tác dụng nâng cao hoạt tính vật lí, hiệu suất dầu đốt được tăng cường rõ rệt làm cho năng
lượng do dầu giải phóng ra theo đơn vị được tăng cao, chỉ cần mở cửa dầu rất nhỏ cũng có thể
đạt được công suất động cơ tương đương.
Giảm thiểu khí thải: Căn cứ vào tiêu chuẩn quy phạm đo kiểm về bảo vệ môI trường của Nhà
nước để tiến hành đo kiểm trên hàng chục loại xe cho thấy có khả năng giảm thiểu khí thải từ
40% trở lên, mức cao nhất là giảm được 95%. Những chất ô nhiễm gây hại do xe chạy xăng
thải ra chủ yếu bao gồm cacbuahydrô, oxitcacbon, oxit nitơ. Những chất ô nhiễm do xe chạy
dầu diezel thải ra chủ yếu là khói FSN, hạt PM10, oxit nitơ Nox. Chất phụ gia này không
những có thể giảm thiểu lượng xả thải chất ô nhiễm độc hại như cacbuahydrô, oxit cacbon,
khói FSN, hạt PM10 mà còn có công hiệu đặc biệt đối với việc khắc phục oxit nitơ đang là
những điểm nóng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường.
Cải thiện tính năng xe máy: Nhờ có công năng độc đáo là loại trừ được hiện tượng sai lệch
mang tính chu kì khi đốt cháy nên sản phẩm này có khả năng triệt tiêu phần lớn hiện tượng
động cơ bị rung khi nổ, làm cho xe không bị rung, lắc và giảm tiếng ồn. Hiện tượng nổ nhỏ
diễn ra trước khi cháy còn có khả năng làm cho than đọng trong buồng đốt bị đánh tơi và tan
ra, sau đó nhờ tác động của phản ứng giữa nước và khí than làm cho nó bị cháy thêm để tạo
thành cacbonic và nước thải ra ngoài, tạo cho động cơ một môi trường vận hành lí tưởng, do
đó kéo dài tuổi thọ của động cơ, giảm số lần sửa chữa cũng như chi phí sửa chữa. Nếu pha
thêm chất phụ gia nano sẽ nâng cao tốc độ chạy vòng quay nhỏ, tăng thêm sức mạnh cho xe
máy khi tăng tốc.
Không ăn mòn động cơ xe máy: Từng hạt nước bé li ti trong chất phụ gia dầu đốt nano đều
bị bao bọc bởi màng môi chất có cường độ rất cao. Chính màng mỏng này ngăn cách giữa hạt
nước với dầu đốt sự tiếp xúc với bề mặt xilanh và bề mặt đường dẫn dầu, hoàn toàn không có
cơ hội để chất phụ gia được chứa nước ở dạng “tự do”. Nói cách khác, không thể xảy ra hiện
tượng ăn mòn hoặc phá hủy màng bôi trơn. Ngoài ra, trong xăng và dầu diezel không thể hoàn
toàn tránh khỏi chứa khoảng 100–200 ppm nước hòa tan, trở thành tạp chất. Khi thiết kế đã cố
ý tạo cho sản phẩm này có khả năng hút phần nước tự do có hại đó và tận dụng nó vào việc
có ích, đồng thời giảm thiểu khả năng gây hại của phần nước này. Như vậy, chất phụ
gia dầu đốt nano không hề có tác dụng ăn mòn đối với xe, mà ngược lại nó còn giảm
thiểu được hiện tượng ăn mòn của nước hòa tan trong dầu đốt đối với xe máy.
3.2. Phạm vi sử dụng
Chất phụ gia nhiên liệu nano được sử dụng rất rộng rãi, có thể sử dụng cho tất cả các loại
xe máy lắp động cơ 2 thì hoặc 4 thì, kể cả xe du lịch, xe tải, xe bus, máy kéo, xe mô tô, tàu
hỏa, tàu thuyền, nồi hơi đốt dầu, các loại thiết bị động cơ đều có thể sử dụng sản phẩm này.
3.3. Những điều chú ý khi sử dụng chất phụ gia nhiên liệu nano
125
Sản phẩm không phải là chất dễ cháy nổ, nhưng không để lâu dài dưới ánh sáng mạnh mà
nên bảo quản nơi khô, thoáng, râm mát và phải đậy kín, nhiệt độ bảo quản dưới 450.
Sản phẩm không có tính độc hại, nhưng nếu tiếp xúc trực tiếp thì làn da sẽ bị kích thích mức
độ nhẹ. Nếu để sản phẩm này bắn vào mắt thì nên dùng thật nhiều nước sạch để rửa mắt, nếu
cần thì phải nhờ đến bác sĩ.
Không được ăn uống sản phẩm này, để xa nơi trẻ em chơi. Không pha sản phẩm này, cần
chú ý không để cho lọ hoặc vòng cao su rơi vào trong thùng xăng dầu.
Sản phẩm này
có tính năng tẩy sạch khá mạnh nên trong lần đầu pha sản phẩm này vào trong một thùng dầu,
nếu thấy xảy ra hiện tượng dầu cung cấp không được thông suốt, tăng tốc không đủ lực… thì
phải thay chiếc lõi lọc dầu nhớt hay tẩy rửa bộ chế hòa khí. Đó là cách tận hưởng những hiệu
quả kinh tế, ví dụ lượng dầu tiêu hao giảm, sức mạnh của động cơ tăng cao… do chất phụ gia
này mang
lại.
Sau khi
sử dụng sản phẩm này thì tốc độ khi chạy vòng quay nhỏ có thể tăng cao, nên điều chỉnh trở về
tốc độ chạy vòng quay nhỏ như tiêu chuẩn của nhà máy chế tạo hoặc thấp hơn, lấy tiêu chuẩn
tốc độ ổn định làm tiêu chuẩn để đánh giá, nhờ vậy tăng cao hệ số tiết kiệm xăng dầu.
4. XỬ LÝ CHẤT THẢI ĐỘC HẠI BẰNG CÔNG NGHỆ NANO
Dưới tác dụng của ánh sáng khuyếch tán, vật liệu bán dẫn có kích thước nano có thể phá vỡ
các liên kết hữu cơ độc hại. Khai thác khả năng này, các nhà khoa học đã ứng dụng vật liệu
bán dẫn TiO2 để làm sạch môi trường.
Từ năm 1996, các viện thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, bao
gồm Viện Vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học, Viện Hoá học, Phân viện vật liệu tại thành
phố Hồ Chí Minh, viên kỹ thuật nhiệt đới đã hợp tác sử dụng công nghệ nano để nghiên cứu
vật liệu bán dẫn này. Để tập trung vào nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ TiO2 có kích
thước hạt nano lên một loại vật liệu khác, dùng để phân huỷ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm
như khói xe cộ, khói thuốc lá và các hoá chất độc trong nước thải, thuốc trừ sâu… nhờ tác
động khuyếch tán của ánh sáng.
Dựa vào các nghiên cứu cơ bản, hiện nay, các nhà khoa học đã thiết kế và chế thử thành
công tấm panen quang xúc TiO2 có cấu trúc nano xốp để đưa vào một số thiết bị làm sạch môi
trường như máy khử mùi, làm sạch không khí, hệ thống lọc nước.
Đi đầu trong hiệu ứng quang xúc tác mạnh của vật liệu bán dẫn TiO2 để làm sạch môi
trường là Nhật Bản và Mỹ. Rất nhiều các sản phẩm mới đã ra đời như gạch men có khả năng
tự làm sạch và diệt vi khuẩn dùng cho các bệnh viện, hệ thống lọc nước sử dụng ánh sáng tử
ngoại và TiO2 để khử các chất độc hữu cơ còn sót lại trong nước sau khi đã xử lý bằng các
phương pháp thông thường, thiết bị làm sạch không khí và mùi…
TiO2 là vật liệu rất bền, không độc hại, rẻ tiền và có thể chế tạo ở Việt Nam. Vật liệu này đã
được sử dụng rộng rải trong cuộc sống. Tuy vậy, việc sử dụng tính chất quang xúc tác của
TiO2 hạt siêu min (hạt có kích thước vài chục nano) để làm sạch môi trường còn là vấn đề mới
mẻ ở nước ta.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Mạnh Lục. Cơ sở lý thuyết hoá học hoá keo. Đà Nẵng -2008.
2. Jack Uldrich – Deb Newberry. Công nghệ nano đầu tư và đầu tư mạo hiểm. Nhà xuất
bản trẻ 2006.
3. http://www.hoahocvietnam.com/Home/Cong - nghe - Nano/Tinh - chat - moi-cua-ongNano-cacbon.html.
5. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh. Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử,
nguyên tử. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội – 2004.
6. http://yeuphohoa.net/4r/index.php?showtopic=1730.
7
126
. http://www.thienthancompany.com/resource/cnts/UngdungCNTs-ASTET_CO.
8. http://nanovietnam.org/forums/showthread.php?t=63.
12.
http://www.vinachem.com.vn/XBPViewContent.asp?DetailXBPID
=
1530
&
CateXBPDetailID=116&CateXBPID=1&Year=2004
13.
http://www.vinachem.com.vn/XBPViewContent.asp?DetailXBPID
=
2122
&
CateXBPDetailID=161&CateXBPID=1&Year=2006.
14. http://vietbao.vn/Khoa-hoc /Xu - ly - chat - thai - doc - hai - bang - cong - nghenano/10717915/188/.
15. http://thegioinano.com/nanoviet/content/view/32/22/
16. http://nanovietnam.org/forums/showthread.php?p=301
17. http://www.vnexpress.net/GL/Khoa-hoc/2005/12/3B9E4C43/
18. http://www.vista.gov.vn/pls/portal/PORTAL.wwv_media.show?p_id = 415474 &p
_settingssiteid=33&p_siteid=33&p_type=basetext&p_textid=415475
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
Phương pháp hóa học chế tạo các hạt nano là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion,
tương tự phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hoá keo. Theo phương pháp này, các dung
dịch chứa các ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của
nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện
nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa chất ban đầu bị phân rã. Sau các quá trình
lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. Chúng ta có thể phân loại các phương pháp hóa học
thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha khí (phương pháp kết tủa từ khí hơi, nhiệt phân,
nổ điện, đốt laser, …). và từ pha lỏng (phương pháp kết tủa từ dung dịch, sol – gel ...)
12.3.1. Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha khí
Nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và nhiệt phân laser là những kĩ thuật rất tốt để tạo ra trực tiếp
và liên tục các hạt nano từ tính bằng cách hình thành vật liệu nano từ pha khí. Sự khác biệt
giữa nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và nhiệt phân laser là ở trạng thái cuối cùng của vật liệu.
Trong phương pháp nhiệt phân bụi hơi chất lỏng, chất rắn được hình thành khi chất lỏng
dung dịch được phun vào một chuỗi các bình phản ứng, ở đó quá trình chất lỏng bốc bay, chất
rắn ngưng tụ, quá trình làm khô và nhiệt phân xảy ra ở mỗi hạt chất lỏng. Kết quả thu được
hạt nano kết tụ thành từng đám, là chất rắn xốp. Phương pháp này được dùng để chế tạo vật
liệu đơn giản như carbon, silicon.
12.3.2. Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha lỏng
a. Phương pháp tổng hợp sol-gel: phương pháp này sử dụng các phương tiện hoá học để
tạo ra các hợp chất được phối trộn kỹ, sau đó thuỷ phân chúng thành các chất gel. Các gel này
có thể được kết lắng trên bất cứ bề mặt hoặc hình dạng nào với độ dày có thể kiểm soát. Khi
được gia nhiệt, các gel này sẽ phân huỷ và bay hơi, để lại một lớp màng mỏng. Kỹ thuật này
rất thích hợp để phủ những diện tích lớn với những hợp chất nano được xác định rõ ràng.
Hạt keo là những hạt nhỏ cỡ từ vài chục cho đến một trăm micromet. Khi những hạt nhỏ
như vậy lơ lửng trong một chất lỏng, người ta gọi huyền phù đó là sol (lỏng). Sol không có
hình dạng riêng, nó có hình thù của bình đựng. Khi sol biến đổi chuyển sang trạng thái đông
đặc để có hình dạng riêng thì gọi là gel. Gel là một hệ rắn “bán cứng” chứa dung môi trong
mạng lưới sau khi gel hoá (tức là ngưng tụ sol đến khi độ nhớt của hệ tăng lên một cách đột
ngột). Sol được hình thành bằng cách phân tán các tiểu phân rắn trong dung môi hoặc đi từ các
phản ứng hoá học giữa tiền chất và dung môi, mang bản chất của phản ứng thuỷ phân:
MOR + H2O = MOH + ROH
Gel được hình thành tiếp theo bằng phản ứng ngưng tụ:
127
MOH + ROM = MOM + ROH
MOH + HOM = MOM + H2O
Gel được chia thành hai loại:
+ Gel keo được hình thành từ sol của oxit, hyđroxit, muối của kim loại theo các phản
ứng đồng kết tủa, trộn sol với dung dịch.
+ Gel polyme hình thành từ các sol đi từ tiền chất hữu cơ phản ứng ngưng tụ tạo thành
không gian 3 chiều và đến một thời điểm nào đó, độ nhớt của hệ tăng lên đột ngột.
Vậy quá trình hình thành sol – gel là quá trình hình thành dung dịch huyền phù của chất
keo (sol) rồi biến hoá để đông keo lại (gel). Quá trình này được dùng để làm bột mịn với các
hạt bột mịn có dạng hình cầu, làm màng mỏng để phủ lên bề mặt, làm gốm sứ thủy tinh, làm
các màng xốp tức màng có nhiều lỗ nhỏ. Khi đổ sol vào khuôn, do chuyển hóa từ sol ta có gel
ướt, gel ướt có hình dạng của cái khuôn. Nếu tiếp tục làm bay hơi hết nước trong gel ta có
những gel khô.Từ gel khô tiếp tục nung nóng, ta có gốm đặc vì các hạt sau khi đã hết nước
dưới ảnh hưởng của nhiệt độ liên kết chặt chẽ với nhau. Nếu ở trạng thái gel ướt ta rút nước đi
trong điều kiện tới hạn, sẽ có được vật liệu chứa rất nhiều lỗ trống nên khối lượng riêng của
vật liệu rất thấp và ta gọi vật liệu này là gel khí. Điều chỉnh độ nhớt của sol thích hợp, từ sol có
thể kéo ra sợi, nung nóng lên có được sợi gốm vì cấu tạo của sợi là gồm nhiều hạt nhỏ liên kết
lại.
So với các phương pháp khác, phương pháp sol – gel có thể kiểm soát được tính chất của
gel tạo thành và như vậy là kiểm soát được tính chất của sản phẩm. Và việc này được thực
hiện nhờ sự kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình như kiểu tiền chất, dung môi, hàm
lượng nước, nồng độ tiền chất, pH, nhiệt độ… Ngoài ra, phương pháp sol – gel còn có ưu điểm
trong việc điều chế chất xúc tác với độ đồng nhất cao và giá thành sản xuất rẻ, có khả năng
cạnh tranh.
Hiện nay, phương pháp sol – gel là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để tạo ra các vật liệu
khối, màng mỏng có cấu trúc nano, bột với độ mịn cao hoặc dạng sợi có cấu trúc đa tinh thể
hay vô định hình mà các phương pháp khác khó thực hiện được. Ưu điểm của phương pháp
này là rẻ tiền, có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu và các vật liệu có thể chế tạo
được rất đa dạng (vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại). Nhưng nó cũng có nhược điểm là hiệu suất
không cao, các hợp chất có thể liên kết với phân tử nước không nhiều.
Ví dụ, khi sản xuất bột nano oxyt zirconi, ban đầu phải chuẩn bị sol bằng cách cho nitric
zirconi hòa tan trong axit nitric, phải cho thêm chất có hoạt tính bề mặt là sol ytri vào thì mới
điều khiển được việc tạo ra những hạt hình cầu ở trong gel. Từ đó xử lý gel, ta có bột nano
oxyt zirconi. Sơ đồ của quá trình đó như sau :
Zr(OH)4 + HNO3  sol  sol ytri  gel  bột
b. Phương pháp kết tủa từ dung dịch: khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão
hoà tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ
phát triển thông qua quá trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm
cho đến khi mầm trở thành hạt nano. Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta phân tách
hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế
sự hình thành của những mầm mới. Các phương pháp sau đây là phương pháp kết tủa từ dung
dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt, …
Phương pháp đồng kết tủa: là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo
các hạt oxit sắt. Hydroxit sắt bị oxi hoá một phần bằng một chất oxi hoá khác hoặc tạo hạt từ
Fe2+ và Fe3+ trong dung môi nước. Kích thước hạt (4-15 nm) và điện tích bề mặt được điều
khiển bằng độ pH và ion trong dung dịch.
Chẳng hạn, các hạt oxit sắt từ tính đã được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa dùng dung
dịch chứa hỗn hợp Fe2+ và Fe3+ với tỷ lệ mol thích hợp phản ứng với dung dịch NH4OH trong môi
trường không khí và môi trường bảo vệ. Kết quả tạo được các hạt nano từ tính với kích thước khác
nhau (~ 10 – 30 nm) bằng cách thay đổi nồng độ các chất tham gia phản ứng. Các phép đo nhiễu
128
xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua xác định được các hạt là Fe3O4 với
kích thước hạt phân bố khá đồng nhất. Các phép đo từ độ theo từ trường và theo nhiệt độ bằng từ
kế mẫu rung cho thấy phần lớn các mẫu phụ thuộc vào kích thước hạt, thể hiện tính chất sắt từ tại
nhiệt độ thấp và tính siêu thuận từ tại vùng nhiệt độ phòng (giá trị độ bão hòa có thể đạt tới 80
emu/g). Việc làm khớp đường cong từ độ theo hàm Langevin với hàm phân bố kích thước hạt cho
kết quả khá phù hợp với các phép đo khác. Nghiên cứu tiếp theo là các hạt nano từ tính đã được
bao bọc bởi một hay hai lớp phân tử các chất hoạt hóa bề mặt là Oleic axit và Oleic axit/Sodium
Dodecyl Sulfat theo mong muốn để phân tán chúng vào các dung môi phân cực và không phân
cực. Đối với một lớp Oleic axit, phép phân tích cho thấy chỉ có một lớp nguyên tử Oleic bao bọc
xung quanh hạt với liên kết giữa chúng là liên kết ion (xác định từ phép đo phổ hấp thụ hồng
ngoại).
Phương pháp nhũ tương (microemulsion): là phương pháp được dùng khá phổ biến để
tạo hạt nano. Các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử chất hoạt hoá bề mặt trong dầu
(các mixen). Do sự giới hạn về không gian của các phân tử chất hoạt hóa bề mặt, sự hình
thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước hạt
có thể từ 4 - 12 nm với độ sai khác khoảng 0,2 - 0,3 nm.Với phương pháp này, người ta có thể
chế tạo hạt oxit sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh oxi hóa và tăng tính tương hợp sinh học.
Phương pháp polyol (sử dụng các nhóm rượu đa chức): là phương pháp thường dùng
để chế tạo các hạt nano kim loại như Pd, Au, Co, Ni, Fe… Các hạt nano kim loại được hình
thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol. Polyol có tác dụng như một dung
môi hoặc trong một số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Tác nhân khử ion kim loại
Ag+, Au+ . Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử
dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích đẩy nhau hoặc
dùng phương pháp bao bọc bằng chất hoạt hóa bề mặt. Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị
giới hạn bởi một số chất khử. Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương
pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano
Ag, Au, Pt, Pd,.. với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo bằng phương pháp này.
Hiện nay, trong công nghệ nano có 2 phương thức chính để tạo thành vật liệu nano là:
Phương pháp từ trên xuống dưới (top-down) chia nhỏ vật chất có kích thước lớn để cuối cùng
tạo ra được đơn vị có kích thước nano.
Phương pháp từ dưới lên (bottom- up) lắp ghép các hạt cỡ phân tử hay nguyên tử lại để thu
được kích thước nano.
Như vậy thì đối với các nhà hóa học thì sẽ tiếp cận vấn đề theo phương pháp từ dưới lên. Và
chủ yếu là sử dụng phương pháp sol-gel.
1) Phương pháp từ trên xuống [2], [5]
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn về kích thước
nano.
Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng
lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao.
Phân loại: Trong phương pháp từ trên xuống có thể phân ra làm 4 phương pháp sau:
+) Phương pháp cơ học
+) Phương pháp biến dạng
+) Phương pháp ăn mòn laser
+) Phương pháp quang khắc
a) Phương pháp cơ học [3], [8], [14] (phương pháp nghiền) phát triển từ rất sớm, phương
pháp thô sơ,cổ xưa nhưng thực tế trong một số trường hợp lại là rất hiệu quả trong việc chế tạo
bột cho công nghệ nano hiện đại.
129
Thời cổ xưa.người ta lấy các hòn bi to, cứng và nặng cho vào bên trong một cái trống hình trụ
cũng làm bằng vật liệu cứng. Cho vật liệu vào trống và cho trống quay. Với tốc độ quay thích
hợp thì có các tác dụng:
Bi quay theo trống đến một độ cao, rơi xuống đập nhỏ vật liệu.
Bi lăn trên mặt trống, có tác dụng nghiền và trộn.
Có khi bên trong ống người ta cho khí trơ và nóng để chovật liệu khô dòn dễ nghiền, có khi
cho khí có tác dụng oxy hóa để làm các bột oxyt nano. Quá trình nghiền có thể kéo dài hàng
chục đến hàng trăm giờ. Phương pháp nghiền thích hợp để làm bột nano oxyt kim loại. Bột
này dùng làm bột màu, làm tụ điện, làm mực in.
Ngày nay, người ta dùng máy nghiền, máy nghiền này 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). Dùng
để chế tạo chất lỏng từ dùng cho các ứng dụng vật lí như truyền động từ môi trường không khí
vào buồng chân không, làm chất dẫn điện trong các loa công suất cao…
Trong những nghiên cứu đầu tiên về chất lỏng từ, vật liệu từ tính oxit sắt Fe3O4, được nghiền
cùng với chất hoạt hoá bề mặt (axit Oleic) và dung môi (dầu, hexan). Chất hoạt hoá bề mặt
giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau khi
nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt
tương đối đồng nhất. 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.
Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản,dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với
một lượng lớn vật liệu.
Nhược điểm của nó là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, tính
đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano,
dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ.
Chất lỏng từ chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý.
Ứng dụng chế tạo bột nano ZrO2 [14], ta dùng hai loại nguyên liệu trộn vào nhau là clorua
zircon (ZrCl4) và oxyt magie (MgO). Khi nghiền hai loại nguyên liệu này, phản ứng xảy ra là:
ZrCl4 + MgO = ZrO2 + 2MgCl2
Bột nano ZrO2 là mục tiêu của việc chế tạo, còn MgCl2 là không cần thiết. Tuy nhiên trong
quá trình nghiền khi ZrO2 bị nghiền nhỏ rất dễ bị vón cục lại. Chính MgCl2 có tác dụng chống
vón cục cho ZrO2. Vì vậy cứ nghiền bi cho cả hai loại hạt này ngày càng nhỏ lại, nhỏ đến mức
nano cần thiết, cuối cùng đem rửa sạch sẽ chỉ còn lại các hạt nano ZrO2 không bị vón cục.
b) Phương pháp biến dạng [14] có thể là đùn thủy lực, tuốt, cán, ép. Nhiệt độ có thể được
điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phòng thì
được gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng
nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều
dày nm).
c) Phương pháp ăn mòn laser [7] vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung
dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng
xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác
dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10
nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10,
12, 14 với nồng độ từ 0,001 M đến 0,1 M.
d) Phương pháp quang khắc (lithography) để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp. 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 bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phương pháp
này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại.
2) Phương pháp từ dưới lên [2], [5]
130
Nguyên lý: Phương pháp từ dưới lên là quá trình ngược với phương pháp từ trên xuống dưới.
Trong phương pháp này thì 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 của nó và chất lượng sản phẩm
cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đều được chế tạo từ phưong
pháp này.
Phân loại: Trong phương pháp từ dưới lên có thể phân làm các phương pháp như sau:
+) Phương pháp vật lý
+) Phương pháp hóa học
+) Phương pháp kết hợp (kết hợp cả phương pháp vật lý và phương pháp hóa học)
a) Phương pháp vật lý [5] là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha.
Dùng các tác nhân vật lí như điện tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma, tia tử ngoại,
tia laser khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá
trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác
dụng khử ion thành kim loại. Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500 nm, độ
dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ chiếu vào dung dịch có chứa AgNO3 như là
nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu được
hạt nano bạc.
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).
a.1) Phương pháp bốc bay [3] (vacuum deposition): 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 bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phương pháp này không hiệu quả lắm để có
thể chế tạo ở quy mô thương mại.
a.2) Phương pháp phóng điện hồ quang hay hồ quang plasma [7], [8], [14]
Cho chất khí trơ thổi qua bình chân không với áp suất thấp, trong bình có hai điện cực nối với
một hiệu điện thế cỡ vài Von,. Khi ta mồi cho chúng phóng điện và có mặt của hồ quang giữa
hai điện cực. Khí giữa hai điện cực khi có hồ quang là rất nóng thực chất ở đây có các nguyên
tử đã bị mất điện tử trở thành các ion và điện tử tự do. Đó chính là plasma. Điện cực anôt bị
điện tử bắn phá làm cho các phần tử ở đó bốc bay lên, bị mất điện tử trở thành ion dương
hướng về anot. Do đó catod bị phủ lớp vật chất từ anot bay sang. Đồng thời có những hạt
không đến được catod nên rơi xuống dưới. Phải chọn chế độ phóng điện hồ quang hợp lý thì
mới có được các hạt nano mong muốn rơi xuống dưới hoặc hình thành ở catod. Chất làm điện
cực phải dẫn điện. Thành phần hóa học của chất làm điện cực không những ảnh hưởng quyết
định đến thành phần hóa học của các hạt nano được tạo ra mà còn ảnh hưởng đến việc tạo ra
hạt nano dạng gì, hiệu suất cao hay thấp.
Với phương pháp hồ quang plasma khó tạo ra vật liệu khối, chủ yếu là tạo ra một lớp bột mịn,
hạt nhỏ trên catod. Phương pháp này có đặc điểm là ban đầu không phải nguyên tử, phân tử
trung hòa đến catod mà là ion mang điện dương nhưng cuối cùng chúng cũng trở thành nguyên
tử trung hòa do ion dương thu nhận điện tử ở catod.
Một dạng tương tự với hồ quang plasma là ion hóa bằng ngọn lửa. Nếu phun vật liệu vào ngọn
lửa,các nguyên tử cũng bị ion hóa về nhiệt và cũng bị hút về điện cực âm để tạo ra vật liệu
nano.
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sử dụng phương pháp hồ quang để tổng hợp các cấu trúc nano
131
carbon [7]
a.3) Phương pháp chuyển pha (phương pháp nguội nhanh) [8], [14] 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).
Ở phương pháp nguội nhanh, người ta nấu chảy kim loại hay hợp kim rồi phun kim loại hợp
kim nóng chảy này vào nơi có nhiệt độ thấp và dễ tản nhiệt.
Thường dùng lò cao tần để làm nóng chảy kim loại hợp kim đặt trong một ống thuỷ tinh thạch
anh rồi cho khí trơ vào ống tạo áp suất phun lên bề mặt một hình trụ bằng đồng phun lên rất
nhanh. Chọn chế độ thích hợp, khi trống đồng quay dòng kim loại hợp kim lỏng phun lên trên
mặt trống bị kéo theo và nguội đi cực nhanh và rắn lại thành một băng mỏng, bề dày chừng vài
chục micromet. (băng rộng hay hẹp tuỳ kích thước ngang của vòi phun).
Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy
tính.
a.4) Phương pháp quang khắc (lithography) [7] để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp. 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 bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phương pháp
này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại.
a.5) Phương pháp mạ điện [14] được dùng phổ biến chế tạo ra các lớp kim loại mỏng trên bề
mặt vật dẫn điện. Dung dịch điện phân, chất liệu ở điện cực, mật độ dòng điện, điện thế, nhiệt
độ… là những yếu tố quan trọng để có lớp mạ có chất lượng tốt. Cần một lớp vật liệu thông
thường nhưng mỏng, làm lớp lót để có ái lực nhằm thu hút một số nguyên tử, phân tử bám
vào. Cần lớp vật liệu đặc nhưng có cấu trúc hạt tinh thể rất nhỏ. Chọn chế độ mạ thích hợp có
thể có được lớp mạ dày, đặc với cấu trúc tinh thể là những hạt nhỏ, kích cỡ đến nanomet. Đây
là vật khối có các hạt tinh thể nano. Chọn chế độ lớp phủ hình thành ở điện cực không phải là
liên tục mà là gồm các hạt nano rời, liên kết yếu với nhau. Lớp phủ không thật đặc, bề mặt
không láng bóng mà có nhiều nhấp nhô vi mô. Dùng trực tiếp hoặc cạo ra lấy bột.
Việc mạ điện không phải đơn thuần mà phải chuyển vật liệu từ điện cực này sang điện cực kia
để tạo thành lớp mỏng. Rất nhiều trường hợp chất tạo ra lớp phủ lấy từ trong dung dịch, đó là
hỗn hợp các chất ở dạng lỏng.
b) Phương pháp hóa học [5] là phương pháp để chế tạo các hạt nano từ phát triển từ lâu, là
phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion, sử dụng phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong
hoá keo. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa các ion khác nhau được trộn với nhau
theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết
tủa từ dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một
hóa chất ban đầu bị phân rã. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano.
Chúng ta có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ
pha lỏng (phương pháp kết tủa từ dung dịch, sol-gel,...) và từ pha khí (phương pháp kết tủa từ
khí hơi, nhiệt phân, nổ điện, đốt laser, …).
b.1) Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha lỏng:
b.1.1) Phương pháp tổng hợp sol-gel [3], [8], [14] được biết từ đầu thế kỷ XIX trong việc
nghiên cứu điều chế thuỷ tinh từ silicalcoxit nhưng chỉ phát triển mạnh từ thập niên 50 – 60
của thế kỷ XX.
Phương pháp này sử dụng các phương tiện hoá học để tạo ra các hợp chất được phối trộn kỹ,
sau đó thuỷ phân chúng thành các chất gel. Các gel này có thể được kết lắng trên bất cứ bề mặt
hoặc hình dạng nào với độ dày có thể kiểm soát. Khi được gia nhiệt, các gel này sẽ phân huỷ
và bay hơi, để lại một lớp màng mỏng. Kỹ thuật này rất thích hợp để phủ những diện tích lớn
với những hợp chất nano được xác định rõ ràng.
Hạt keo là những hạt nhỏ cỡ từ vài chục cho đến một trăm micromet. Khi những hạt nhỏ như
vậy lơ lửng trong một chất lỏng, người ta gọi huyền phù đó là sol (lỏng). Sol không có hình
dạng riêng, nó có hình thù của bình đựng. Khi sol biến đổi chuyển sang trạng thái đông đặc để
132
có hình dạng riêng thì gọi là gel. Gel là một hệ rắn “bán cứng” chứa dung môi trong mạng lưới
sau khi gel hoá (tức là ngưng tụ sol đến khi độ nhớt của hệ tăng lên một cách đột ngột). Sol
được hình thành bằng cách phân tán các tiểu phân rắn trong dung môi hoặc đi từ các phản ứng
hoá học giữa tiền chất và dung môi, mang bản chất của phản ứng thuỷ phân:
MOR + H2O = MOH + ROH
Gel được hình thành tiếp theo bằng phản ứng ngưng tụ:
MOH + ROM = MOM + ROH
MOH + HOM = MOM + H2O
Gel được chia thành hai loại:
+ Gel keo được hình thành từ sol của oxit, hyđroxit, muối của kim loại theo các phản ứng
đồng kết tủa, trộn sol với dung dịch.
+ Gel polyme hình thành từ các sol đi từ tiền chất hữu cơ phản ứng ngưng tụ tạo
thành không gian 3 chiều và đến một thời điểm nào đó, độ nhớt của hệ tăng lên đột ngột.
Vậy quá trình hình thành sol – gel là quá trình hình thành dung dịch huyền phù của chất keo
(sol) rồi biến hoá để đông keo lại (gel). Quá trình này được dùng để làm bột mịn với các hạt
bột mịn có dạng hình cầu, làm màng mỏng để phủ lên bề mặt, làm gốm sứ thủy tinh, làm các
màng xốp tức màng có nhiều lỗ nhỏ.
Khi đổ sol vào khuôn do chuyển hóa từ sol ta có gel ướt, gel ướt có hình dạng của cái khuôn.
Nếu tiếp tục làm bay hơi hết nước trong gel ta có những gel khô. Từ gel khô tiếp tục nung
nóng, ta có gốm đặc vì các hạt sau khi đã hết nước dưới ảnh hưởng của nhiệt độ liên kết chặt
chẽ với nhau. Nếu ở trạng thái gel ướt ta rút nước đi trong điều kiện tới hạn, sẽ có được vật
liệu chứa rất nhiều lỗ trống nên khối lượng riêng của vật liệu rất thấp và ta gọi vật liệu này là
gel khí.
Điều chỉnh độ nhớt của sol thích hợp từ sol có thể kéo ra sợi, nung nóng lên có được sợi gốm
vì cấu tạo của sợi là gồm nhiều hạt nhỏ liên kết lại.
So với các phương pháp khác, phương pháp sol – gel có thể kiểm soát được tính chất của gel
tạo thành và như vậy là kiểm soát được tính chất của sản phẩm. Và việc này được thực hiện
nhờ sự kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình như kiểu tiền chất, dung môi, hàm lượng
nước, nồng độ tiền chất, pH, nhiệt độ… Ngoài ra, phương pháp sol – gel còn có ưu điểm trong
việc điều chế chất xúc tác với độ đồng nhất cao và giá thành sản xuất rẻ, có khả năng cạnh
tranh.
Hiện nay, phương pháp sol – gel là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi và tỏ ra có ưu việt để tạo ra
các vật liệu khối, màng mỏng có cấu trúc nano, bột với độ mịn cao hoặc dạng sợi có cấu trúc
đa tinh thể hay vô định hình mà các phương pháp khác khó thực hiện được.
Ưu điểm của phương pháp này là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là
vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại.
Đặc điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu.
Nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là 1 khó
khăn, Phương pháp Sol- gel thì không có hiệu suất cao.
Ứng dụng sản xuất bột nano oxyt zirconi [14], ban đầu phải chuẩn bị sol bằng cách cho nitric
zirconi hòa tan trong axit nitric, phải cho thêm chất có hoạt tính bề mặt là sol ytri vào thì mới
điều khiển được việc tạo ra những hạt hình cầu ở trong gel. Từ đó xử lý gel, ta có bột nano
oxyt zirconi. Sơ đồ của quá trình đó như sau :
Zr(OH)4 + HNO3  sol  sol ytri  gel  bột
b.1.2) Phương pháp kết tủa từ dung dịch [3] khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão
hoà tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ
phát triển thông qua quá trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm
cho đến khi mầm trở thành hạt nano. Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta phân tách
hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế
133
sự hình thành của những mầm mới. Các phương pháp sau đây là phương pháp kết tủa từ dung
dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt, …
+) Phương pháp đồng kết tủa [3], [6] là một trong những phương pháp thường được dùng để
tạo các hạt oxit sắt. Hydroxit sắt bị oxi hoá một phần bằng một chất oxi hoá khác hoặc tạo hạt
từ Fe2+ và Fe3+ trong dung môi nước. Kích thước hạt (4-15 nm) và điện tích bề mặt được điều
khiển bằng độ pH và ion trong dung dịch.
Ứng dụng sản xuất các hạt oxit sắt từ tính [14] đã được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa
dùng dung dịch chứa hỗn hợp Fe2+ v à Fe3+ với tỷ lệ mol thích hợp phản ứng với dung dịch
NH4OH trong môi trường không khí và môi trường bảo vệ. Lần đầu tiên có thể chế tạo được các
hạt nano từ tính với kích th ước khác nhau (~ 10 – 30 nm) bằng cách thay đổi nồng độ các chất
tham gia phản ứng. Các phép đo nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền
qua xác định được các hạt là Fe3O4 với kích thước hạt phân bố khá đồng nhất. Các phép đo từ độ
theo từ trường và theo nhiệt độ bằng từ kế mẫu rung cho thấy phần lớn các mẫu phụ thuộc vào
kích thước hạt, thể hiện tính chất sắt từ tại nhiệt độ thấp và tính siêu thuận từ tại vùng nhiệt độ
phòng (giá trị độ bão hòa có thể đạt tới 80 emu/g). Việc làm khớp đường cong từ độ theo hàm
Langevin với hàm phân bố kích thước hạt cho kết quả khá phù hợp với các phép đo khác. Tiếp
theo, các hạt nano từ tính đã được bao bọc bởi một hay hai lớp phân tử các chất hoạt hóa bề mặt là
Oleic axit và Oleic axit/Sodium Dodecyl Sulfat theo mong muốn để phân tán vào các dung môi
phân cực và không phân cực. Đối với một lớp Oleic axit, phép phân tích cho thấy chỉ có một lớp
nguyên tử Oleic bao bọc xung quanh hạt với liên kết giữa chúng là liên kết ion (xác định từ phép
đo phổ hấp thụ hồng ngoại).
+) Phương pháp nhũ tương (microemulsion) [3] là phương pháp được dùng khá phổ biến để
tạo hạt nano. Các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử chất hoạt hoá bề mặt trong dầu
(các mixen). Do sự giới hạn về không gian của các phân tử chất hoạt hóa bề mặt, sự hình
thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước hạt
có thể từ 4 - 12 nm với độ sai khác khoảng 0,2 - 0,3 nm.Với phương pháp này, người ta có thể
chế tạo hạt oxit sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh oxi hóa và tăng tính tương hợp sinh học.
+) Phương pháp polyol (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức) [3], là phương pháp
thường dùng để chế tạo các hạt nano kim loại như Pd, Au, Co, Ni, Fe… Các hạt nano kim loại
được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol. Polyol có tác dụng như
một dung môi hoặc trong một số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Tác nhân khử ion
kim loại Ag+, Au+ . Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám,
người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích đẩy
nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng
bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa
phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các
hạt nano Ag, Au, Pt, Pd,.. với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp
này.
+) Phương pháp phân ly nhiệt [3] sự phân ly của các hợp chất chứa sắt với sự có mặt của
một chất hoạt hoá bề mặt ở nhiệt độ cao cải thiện đáng kể chất lượng của các hạt nano.
Đặc điểm của phương pháp 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, phương pháp này rẻ tiền và có thể chế tạo được một
khối lượng lớn vật liệu.
Ưu điểm của phương pháp là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật
liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại.
Nhược điểm của phương pháp là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là một khó
khăn, phương pháp tổng hợp sol-gel không có hiệu suất cao.
Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano...
b.2) Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha khí [6], [8], [14]
Gồm các phương pháp sau:
134
+) Phương pháp nhiệt phân bụi hơi chất lỏng (flame pyrolysis)
+) Phương pháp nhiệt phân laser (laser ablation),
+) Phương pháp hồ quang plasma.
Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí, sự nhiệt phân bụi
hơi chất lỏng và nhiệt phân laser là những kĩ thuật rất tốt để tạo ra trực tiếp và liên tụ các hạt
nano từ tính. Sự khác biệt giữa nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và nhiệt phân laser ở trạng thái
cuối cùng của vật liệu.
b.2.1) Phương pháp nhiệt phân bụi hơi chất lỏng [6], [8] là phương pháp có từ rất lâu, hạt
nano thường kết tụ thành từng đám, nguyên tắc của phương pháp này là chất rắn được hình
thành khi chất lỏng dung dịch được phun vào một chuỗi các bình phản ứng, ở đó, quá trình
chất lỏng bốc bay, chất rắn ngưng tụ, quá trình làm khô và nhiệt phân xảy ra ở mỗi hạt chất
lỏng. Kết quả thu được là chất rắn xốp. Phương pháp này được dùng để chế tạo vật liệu đơn
giản như carbon, silicon.
b.2.2) Phương pháp nhiệt phân laser [6] sử dụng laser CO2 để khởi động và duy trì phản
ứng hoá học. Khi áp suất và năng lượng laser vượt quá ngưỡng nhất định, quá trình hình thành
hạt nano sẽ xảy ra. Kết quả là các hạt nano có kích thước rất nhỏ, độ đồng nhất cao và không
bị kết tụ.
b.2.3) Phương pháp khử sinh học[14] dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại. Người ta
cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc. Phương
pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn.
c. Phương pháp kết hợp [5] là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý
và hóa học như: điện phân, ngưng tụ hơi hoá chất... Phương pháp này có thể tạo các hạt nano,
dây nano, ống nano, màng nano, bột nano...
c.1) Phương pháp khử hóa lí [5] là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí
là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân
thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng,
các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc
này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ
rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch.
c.2) Phương pháp ngưng tụ hơi hoá chất [3], [8] khí nạp vào được cho phản ứng trong một
buồng phản ứng, các loại nguyên tử hình thành sẽ kết bám trên một chất nền. Thành phần cũng
như cách ngưng tụ của các sản phẩm phản ứng này có thể được điều chỉnh theo ý muốn. Chất
nền tạo thành một tấm khuôn mỏng mà trên đó lớp phủ đã ngưng tụ có thể phát triển tiếp theo
cách được kiểm soát.
III) Ứng dụng của một số phương pháp trên để tạo ra các vật liệu
1) Chế tạo nano tinh thể bán dẫn [9] ở Việt Nam bằng phương pháp hóa học
Chấm lượng tử (quantum dot) là tinh thể bán dẫn có đường kích một vài nanomet (một
nanomet bằng một phần tỷ của 1m). Cùng một chất nhưng những chấm lượng tử có kích thước
khác nhau sẽ phát xạ ra các màu khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại. Lợi dụng
tính chất này, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng chấm lượng tử để đánh dấu hàng hoá, chứng
từ hoặc tiền giấy nhằm chống làm giả, tiêm chấm lượng tử vào cơ thể động vật để quan sát,
chụp ảnh các cơ quan, tế bào... Ngoài ra, chấm lượng tử còn có tiềm năng được sử dụng để dò
ung thư, đưa thuốc tới tế bào ung thư...
Nhận thấy lợi ích của chấm lượng tử, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu đã bắt
đầu nghiên cứu, chế tạo những chấm này. Đây là một nghiên cứu rất táo bạo. Cụ thể là nhóm
đã tạo ra các chấm lượng tử CdSe (Cadimi selenua) kích cỡ 3,2-3,7 nm và CdS (Cadimi
Sulfua) với kích cỡ 2,6 - 3,2nm để làm những chấm
này.
Đây là một công cụ rất mạnh, rẻ tiền để chế tạo những
135
chấm lượng tử có kích thước mong muốn, rất phù hợp với các nước đang phát triển.
Không dừng lại đó, nghiên cứu còn tạo thành công các hạt cầu tinh thể SiO2. Với kích thước từ
vài chục tới vài trăm nanomet, SiO2 không phải là tinh thể bán dẫn nên không phát quang như
chấm lượng tử. Nó được chế tạo để mang các chấm lượng tử vào trong tế bào, làm hiện rõ hình
ảnh tế bào.
Ảnh các hạt cầu SiO2 do các nhà khoa học thuộc
học viện khoa học vật liệu chế tạo
2) Chế tạo ống nano cacbon [10], [11], [12]
Vật liệu cacbon có cấu trúc nano là một trong số các vật liệu mới hết sức hấp dẫn được phát
hiện, nghiên cứu và chế tạo trong thập niên cuối cùng của thế kỷ XX. Đây là vật liệu có chủng
loại đa dạng về cấu trúc và hình dạng, khác nhau về tính chất: cơ, lý, hoá. Nhưng chúng đều có
điểm giống nhau đều được cấu tạo từ nguyên tố C. Và ống nano cacbon là loại vật liệu được
quan tâm nghiên cứu nhiều nhất hiện nay.
Ảnh cấu trúc ống nano cacbon
Ngay từ những năm đầu mới ra đời, ống nano cacbon đã khẳng định được vị trí của mình “ nếu
thế giới nano có một ông vua, thì ống nano cacbon là chiếc gậy quyền uy của ông vua đó”. Vì
vậy mà nó thu hút được nhiều người nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc và các tính chất của ống
nano cacbon. Đặc biệt là khi phát hiện ra các tính chất ưu việt về cơ, lý tính của nó như: bền
hơn thép 100 lần nhưng lại nhẹ hơn 1/6 lần trọng lượng của thép, thì những nghiên cứu ngày
càng được đẩy mạnh với một tốc độ phi thường và đạt được nhiều kết quả kỳ diệu. Và một
nghiên cứu gần đây cho thấy các ống nano cacbon là vật liệu cứng nhất từ trước đến nay.
Hiện nay ở Việt Nam, Viện Công nghệ vật liệu đã thử nghiệm, chế tạo ống nano cacbon bằng
phương pháp lắng đọng hoá học (CVD) sử dụng hỗn hợp khí C2H2 + H2 và thiết bị không phải
mua mà do Viện tự chế tạo như: lò nung nhiệt độ cao, buồng phản ứng, ống thạch anh với hệ
van điều khiển lưu lượng khí một cách chính xác.
Sau nhiều lần thí nghiệm, vào tháng 10 năm 2002, lần đầu tiên Viện đã chế tạo thành công ống
nano cacbon sử dụng phương pháp tán xạ vi raman kết hợp với phương pháp hiển vi điện tử
quét. Viện đã xác định được vật liệu để chế tạo ông nano cacbon có kích thước khoảng 30 – 50
nm. Đây mới chỉ là thành công bước đầu, song nó mở ra một khả năng nghiên cứu phát triển
nhằm tiến tới chế tạo loại vật liệu quý giá này ở Việt Nam.
Ống nano cacbon là những vật liệu đầy hứa hẹn
cho
ứng dụng công nghệ cao vì những thuộc tính
hiếm
có của chúng về cơ khí, nhiệt độ, hóa học, quang
học và
điện năng. Sử dụng ống nano kim loại để chế tạo
loại
phim mỏng bán trong suốt, có tính dẫn cao, mềm
dẻo và
có nhiều loại màu, trông giống thủy tinh màu.
Ống nano cacbon thủy tinh màu
136
3) Chế tạo nano vàng [13] bằng phương pháp tổng hợp
Nhà khoa học Kattesh Katti trường đại học Missouri gần đây đã
khám phá ra phương pháp tổng hợp phân tử vàng nano chỉ sử
dụng
muối vàng, đậu nành và nước. Nghiên cứu của Katti có nhiều
ứng
dụng lớn trọng nhiều lĩnh vực
Phân tử nano vàng là những mảnh tí hon của vàng, nhỏ đến nổi
mà
chúng ta không thể thấy bằng mắt thường. Thông thường, phân
tử
nano được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học với
việc
sử dụng một vài hóa chất có tính độc hại với con người và môi
trường. Khám phá của Katti chỉ sử dụng những nguyên lý tự
nhiên để tổng hợp nên phân tử nano hứa hẹn sẽ cho phép những nhà nghiên cứu dược phẩm
triển khai việc sử dụng phân tử nano vào trong y học. Những nhà nghiên cứu tin rằng phân tử
nano vàng sẽ được sử dụng trong phát hiện và điều trị bệnh ung thư, những sản phẩm thiết bị
điện tử thông minh, điều trị những căn bệnh bẩm sinh về mắt và phát triển những động cơ thân
thiện với môi trường.
Katti phát biểu: “Để tạo ra hóa chất cần thiết cho sản xuất, bạn cần phải sản xuất loại hóa chất
nhân tạo khác, tạo ra một hệ quả lớn hơn, tác động xấu đến môi trường. Quy trình của chúng
tôi chỉ lấy những gì tự nhiên đang tồn tại và sử dụng nó để sản xuất bằng một kĩ thuật đã được
chứng minh, hứa hẹn mang lại nhiều tác động tích cực trong kĩ thuật và dược phẩm”. Khám
phá mới đã tạo được hưởng ứng lớn trên diễn đàn khoa học. Những nhà nghiên cứu đến từ
những nơi rất xa như Đức nhận xét về tính quan trọng của khám phá và dự đoán sẽ có nhiều
giá trị to lớn trong tương lai. Giáo sư Herbert W. Roesky, một nhà hóa học nổi tiếng thế giới,
trường đại học Goettingen, Đức nhận xét: “ khám phá của giáo sư Katti đặt bước khởi đầu cho
giới hạn tri thức mới là điểm chung của khoa học trồng trọt, hóa học và kĩ thuật nano.”
Nghiên cứu của Katti về lĩnh vực nanomedicine, biomedicine, phát hiện và điều trị ung thư và
quang ảnh đã đem về cho ông ta nhiều phần thưởng và danh hiệu. Danh hiệu gần nhất ông ta
nhận được là tặng thưởng “Outstanding Missourian”. Tặng thưởng có giá trị như “ sự công
nhận về công dân tài năng nhất của bang Missouri.
4) Chế tạo dây nano [12] bằng phương pháp vật lý
Các nhà nghiên cứu đã xây dựng được một
phương pháp vật lý đơn giản để có thể sản xuất
các
sợi nano vô định hình rất dài mà không đòi hỏi
các
chất xúc tác, các mẫu hay các quy trình phức tạp.
Không chỉ tạo ra các sợi nano, phương pháp này
còn
cho phép chế tạo các sợi nano trực tiếp từ các vật
liệu
có độ nóng chảy cao mà không thể chế tạo với
các
phương pháp khác.
Ảnh dây nano
Laser Spirning (tạm dịch là kĩ thuật kéo sợi bằng laser) là phương pháp sử dụng một nguồn
laser công suất lớn để tạo ra một lát cắt trên tấm vật liệu gốm ( ví dụ như ôxit sillic hoặc ôxit
nhôm ). Cách tiếp cận mới đảm bảo rằng chỉ một thể tích nhỏ của gốm bị chuyển thành trạng
thái lỏng của rìa lát cắt tại mỗi thời điểm.
Trong quá trình cắt, vòi phun siêu âm sẽ phun một dòng khí với tốc độ cực lớn vào vùng cắt.
Và phần vật liệu nóng chảy nhớt được tạo ra trong đó sẽ nhanh chóng bị kéo căng và làm lạnh
rất nhanh bằng dòng khí thổi trong quá trình kéo dãn, tạo ra cấu trúc bất trật tự của các dây
nano. Đây là một bước tiến rất đáng kể bởi vì bản chất vật lý của công nghệ này là cho phép
sản xuất hàng loạt các sợi nano vô định hình rất dài với nhiều thành phần khác nhau. Và những
ứng dụng của sợi này có thể tạo các vật liệu nanocomposite, các mẫu nano, các cảm biến hay
các kết cấu mới…
137
5) Chế tạo fulơren [14] bằng phương pháp phóng điện hồ quang:
Khi phóng điện khí giữa hai cực than bị ion hoá trở thành dẫn điện. Hồ quang plasma làm cho
than ở điện cực anod bị bốc bay và bám vào điện cực đối diện tức là bám vào catod. Fulơren
xuất hiện nhiều trong muội than rơi xuống. Tốt nhất là dùng graphit sạch để làm các điện cực.
Có nhiều loại Fulơren rơi xuống ở đây ta ví dụ
Fulơren C60 là cái lồng hình cầu, các phân tử này
tác
dụng nhau bằng lực VanderWalls tạo nên cấu trúc
lập
phương mặt theo kiểu xếp khít các quả cầu.
Ảnh
Fulơren C60
6) Chế tạo các hạt nano [12] của các vật liệu từ cứng một cách đơn giản bằng phương pháp
nghiền bi
Nhóm nghiên cứu được lãnh đạo bởI J. Ping Liu ( ĐạI học Texas, Hoa Kỳ) đã đạt được sự
thành công rực rỡ khi họ sử dụng kỹ thuật nghiền bi động năng cao đơn giản mà ở đó các hạt
bị treo trong một chất hoạt hoá bề mặt. Trong phương pháp này, các hạt có kích thước phân bố
trong một vùng khá hẹp (tính đồng nhất cao), do đó tạo ra lực kháng từ tốt ở nhiệt độ phòng.
Và vật liệu từ cứng mà chúng ta muốn nói đến ở đây là các hợp chất liên kim loạI: đất hiếm –
kim loại chuyển tiếp, dựa trên thành phần SmCo5 v à SmCo5.
Đây là loại vật liệu có dị hướng từ tinh thể rất cao
(đạt tới 20.106), do đó chúng có thể cho lực
kháng từ một giá trị từ trường ngược để khử từ độ
- cực lớn. Đây là một đặc tính quan trọng cho ứng
dụng. Tuy nhiên, do chứa nhiều đất hiếm (Sm)
nên chúng rất dễ bị ôxi hoá, và đặc tính này càng
tăng khi kích thước hạt giảm xuống. Điều này có
nghĩa là các phương pháp chế tạo truyền thống và
phương pháp hoá là ví dụ điển hình, không còn
thích hợp để ta sản xuất hạt nano phân tán.
Vì vậy, trong quá trình đi tìm giải pháp
cho vấn đề trên thì các nhà nghiên cứu trong nhóm của Liu đã chạm trán với rất nhiều khó
khăn. Nhưng cuốI cùng, Liu cùng với các cộng sự của ông đã vượt qua được rào cản này bằng
cách bổ sung thêm một chất hoạt hoá bề mặt vào trong hỗn hợp giúp cho các hạt mịn được lơ
lửng trong dung dịch và không liên kết lại với nhau. Từ đây, họ đã thẳng tiến tới thành công
trong việc tạo ra các hạt nano từ tính SmCo (rẻ tiền) chỉ bằng phương pháp nghiền các hạt từ
vật liệu khối với vật liệu nghiền bi.
Mặc khác, nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển kỹ thuật này, nó cho phép lựa chọn kích
thước hạt được tạo ra mà ở đó các hạt thô có kích thước 15 đến 25 nm được lựa chọn. Các hạt
này biểu hiện tính từ cứng ở nhiệt độ phòng với lực kháng từ rất lớn: “Trên thực tế, kỹ thuật
nghiền bi với sự hỗ trợ của chất hoạt hoá bề mặt có thể mở rộng để sản xuất bất kỳ loại hạt
nano nào”. Và cuối cùng, nhóm cũng đã thử nghiệm thành công kỹ thuật này với một loại vật
liệu từ cứng khác là NaFeB. Các hạt từ loại này có khả năng ứng dụng trong các nam châm
vĩnh cửu có cấu trúc nano, các media ghi từ, các chất lỏng từ và kỹ thuật điều trị y – sinh, ví dụ
như dẫn thuốc hay điều trị ung thư bằng đốt nóng thân nhiệt cục bộ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1) Http://home.vatlytuoitre.com/modules.php?name=News&file=article&sid=38.
2) Http://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%B4ng-ngh%E1%BB%87-nano.
138
3) Http://thegioinano.com/nanoviet/content/view/25/22.
4) Http://www.fotech.org/forum/lofiversion/index.php/t3776html.
5) Http://www.hatnang.com/archive/index.php?t-11301.htlm.
6)
Http://vietsciences.free.fr/thuctap_khoahoc/thanhtuukhoahoc/ungdungchetaonanotutinh.html.
7) Http://dost.danang.gov.vn/default.php/Action=news_detail&idx=79.
8) Http://www.h2vn.com/community/index.php?topic=5262.msg36427.
9) Http://dieuhanh.17.forumer.com/a/ch-to-nano-tinh-th-bn-dn-ti-vn_post35.html.
10) Http://congnghe360.com/thutu=108&load=2&.vip.
11)Http://www.sinhvienukraine.com/forum/index.php?showtopic=66&pid=520&mode=thread
ed&start.
12) Http://oshinano.blogspot.com/2005/08/vt-liu-cc-bon-c-cu-trc-nano-nhng-con.html.
13) Http://vatlieu.org/news-detail.asp?catid=65&msgid=567.
14) VŨ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh. Công nghệ nano, điều khiển đến từng phân tử nguyên
tử. Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật, Hà Nội – 2004,
ỐNG NANO CARBON
1.1. Lịch sử ống nano carbon [7]
Lâu nay ta vẫn biết nguyên tố carbon ký hiệu là C, tồn tại trong tự nhiên dưới ba dạng: dạng
vô định hình màu đen như than củi, than đá; dạng tinh thể graphit như ở chổi than của máy
điện và tinh thể kim cương như ở nhẫn đeo tay, vòng đeo cổ của phái nữ.
Tuy nhiên đến năm 1985, Robert Curt, Richard Smally và Harry Kroto đã tìm ra một dạng
thù hình mới của carbon – Fullerence C60 có dạng hình cầu, đường kính 0,7 nm được cấu
thành từ 60 nguyên tử carbon. Các nguyên tử carbon nằm ở 60 đỉnh của một hình gồm 90 cạnh
và 32 mặt được tạo thành từ 12 hình ngũ giác và 20 hình lục giác. Chúng tuân theo định lý
Euler cho khối đa diện:
f + v = e + 2 (1)
Trong đó f, v và e tương ứng là số đỉnh, số mặt và số cạnh của khối đa diện. Khoảng cách
trung bình giữa các nguyên tử carbon là 1,44 A0, gần bằng khoảng cách ytong graphite. Mỗi
nguyên tử carbon liên kết với 3 nguyên tử carbon khác có trạng thái lai hoá sp2. Với cấu trúc
rỗng đặc biệt C60 còn được gọi là Buckyball. Các dạng khác của fulleren là C70, C78, C76…
Hình 2: C60
Hình 3: Buckyball carbon structure
139
Hình 4: Ống xoắn cacbon Fulơren
Năm 1992 lại xảy ra một bất ngờ lớn khi S. Iijima trong khi quan sát kỹ bột than để tìm
fulơren đã phát hiện ra một dạng tinh thể kỳ lạ hơn của carbon, đó là ống nano carbon. Mới
nhìn dưới kính hiển vi điện tử thì đó là những ống rỗng dài và thẳng, đường kính chỉ cỡ 1,4
đến vài nanomet, còn chiều dài có thể đến micromet. Kể từ đó cho đến nay ống nano carbon đã
làm ngạc nhiên giới khoa học bởi những tính chất điện, tính chất cơ cùng nhiều tính chất hoá,
lý đặc biệt của nó.
Năm 2002, công ty Applied Nanotech (Austin, Texas) đã trình làng một loại màn hình
ống nano mười bốn inch (tương đương với màn hình ti vi hoặc máy vi tính) được sản xuất
bằng công nghệ giá thành thấp.
Vào tháng mười hai năm 2003, Samsung hy vọng đưa ra thi trường một loại màn hình
phẳng ống nano carbon ba mươi hai inch. Màn hình rõ nét đến độ mà có thể nhìn thấy rõ ràng
từ mọi góc độ trong phòng, sáng đến nỗi nó có thể nhìn được dưới ánh sáng mặt trời chiếu trực
tiếp, và sinh động đến nỗi mà rốt cuộc mắt người không thể phân biệt được độ phân giải bởi vì
nó quá mịn. Chỉ vài gam ống nano carbon (giá chỉ vài đô la) sắp sửa thay thế loại ống ca-tốt có
trong hầu hết màn hình tivi ngày nay. Khi sản phẩm màn hình mỏng hơn, nhẹ hơn, sáng hơn,
tốn ít năng lượng hơn và cho hình ảnh sắc nét hơn được đưa ra thi trường, thất khó hình dung
được công nghệ đèn catốt và plasma – và ngay cả công nghệ truyền hình độ phân giải cao
(HSTV) - sẽ cạnh tranh với loại màn hình mới này ra sao.
Năm 2004, những màn hình máy tính và màn hình máy tính bỏ túi (PDA) có thể bắt đầu
dùng ống nano carbon. Hiệu quả còn vượt qua những hình ảnh tốt đẹp. Những khoảng trống có
thêm được nhờ có những màn hình phẳng sẽ cho phép nhiều chỗ hơn cho bộ nhớ, từ đó tăng
thêm hiệu quả sử dụng máy tính.
Những thiết bị dùng cho phẫu thuật, quân sự, và xe hơi cũng bắt đầu dùng màn hình
phẳng dựa trên cơ sở ống nano carbon. Lý do là thực hiện công việc của họ tốt hơn nhưng lại
sử dụng năng lượng ít hơn nhiều. Nanoledge, công ty của Pháp đang dùng ống nano carbon
trong một loại vợt tennis, để làm chúng mạnh hơn và nhẹ hơn.
1.2. Cấu trúc ống nano carbon [5]
Về mặt cấu trúc, ống nano carbon bao gồm các lớp grahite dạng lục giác bao cuộn lại
thành hình trụ rỗng, đồng trục, hai đầu ống là hai nửa quả bóng fulơren úp lại, đường kính từ
vài đến chục nm, dài từ vài micromet đến vài trăm micromet thậm chí mm. Vỏ của ống bao
gồm các nguyên tử carbon sắp xếp đều dặn ở đỉnh của các hình lục giác đều.
Bản chất của liên kết trong ống nano carbon được giải thích bởi hoá học lượng tử, cụ
thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hoá học của ống nano carbon được cấu thành bởi các liên
kết sp2, tương tự với than chì. Cấu trúc liên kết này, mạnh hơn các liên kết sp3 ở trong kim
cương, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt. Các ống nano thông thường tự sắp xếp thành
140
các ‘‘sợi dây thừng’’ được giữ với nhau bởi lực Van der Waals. Dưới áp suất cao, các ống
nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp2 cho liên kết sp3, tạo ra khả năng sản sinh
ra các sợi dây khoẻ, độ dài không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao.
Ống nao carbon là dạng tồn tại mới của carbon. Có hai loại ống nano cacbon:
+ Ống nano carbon đơn tường (SWNTs) được tạo thành do một tấm graphen cuộn lại,
thường tồn tại dạng bó. Ống nano liên kết bằng lực Van Der Waals. Ống nano carbon đơn
tường có đường kính nhỏ hơn 5 nm. Bởi vậy, chúng có thể được xem như là các cấu trúc một
chiều.
+ Ống nano carbon đa tường (MWNTs) là các ống nano với các hình trụ graphen xếp lồng
vào nhau. Theo tính toán lý thuyết khoảng cách giữa hai lớp là d = 3,39 Ao. Giá trị này thì gần
với giá trị của graphite ‘’turbostratic’’ (d = 3,44 Ao). Ống nano carbon đa tường gồm nhiều
ống nano carbon đơn tường lồng vào nhau, khoảng cách giữa các ống nano carbon đơn tường
là 0,34–0,36 nm. Đường kính ngoài từ 2,5 đến vài chục nanomet.
5.8.6 Các phương pháp chế tạo ống nano carbon [13]
5.8.6.1 Phương pháp phóng điện hồ quang
Phương pháp phóng điện hồ quang với hai điện cực than đặt trong môi trường argon hay
hêli. Khi phóng điện, khí giữa hai cực than bị ion hóa trở thành dẫn điện. Đó là plasma, vì vậy
phương pháp này còn gọi là hồ quang plasma. Hồ quang plasma làm cho than ở điện cực anot
bị bốc bay và bám vào điện cực đối diện tức là bám vào catot. Ống nano carbon thường hình
thành và bám vào catot
5.8.6.2 Phương pháp phóng điện hồ quang có coban
Cũng là dùng phóng điện hồ quang hay hồ quang plasma nhưng có thêm vào khoảng 3%
coban thì kết quả hình thành ống nano carbon rất khác so với khi không có coban. Khi không
có coban, các ống nano carbon hình thành ở catot như là các thanh thẳng. Nhưng khi có thêm
coban, sản phẩm hình thành như mạng nhện với các sợi tơ to đến milimet nối từ catot đến
thành bình. Những sợi đó gồm nhiều ống nano carbon một vách kết lại, trong sợi có lẫn một ít
hạt coban rất nhỏ, một số carbon vô định hình to như cái túi …
5.8.6.3 Phương pháp dùng laze
Năm 1996, kỹ thuật bốc bay bằng laze hai xung cho được ống nano carbon với số lượng
hàng gam và hiệu suất trên 70%. Người ta cho tia laze chiếu vào một thanh graphit có pha các
hạt Co và Ni với tỉ lệ 50 : 50 kích thước hạt cỡ một micromet. Thanh graphit được đặt trong
môi trường khí trơ argon, tia laze chiếu vào làm graphit nóng đến 12000 C và graphit bị bốc
bay. Tiếp đó là gia công nhiệt ở 10000 C để lấy đi C60 và các fulơren khác. Dùng hai xung laze
kế tiếp gần nhau thì thu được nhiều ống nano carbon và chất lượng ống cũng tốt hơn vì xung
laze thứ nhất làm cho graphit bốc bay, trong hơi bốc bay đó có thể có một số hạt graphit, xung
laze tiếp theo phá vỡ các hạt đó tạo ra các nguyên tử carbon bay lên để nuôi cho các ống nano
carbon phát triển.
5.8.6.4 Phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition – Phủ bằng hơi hóa học)
Người ta cho acetylen phân hủy có xúc tác trên các hạt sắt ở 7000 C. Với phương pháp
này có tới bốn dạng carbon hình thành: lớp carbon vô định hình trên bề mặt chất xúc tác, sợi
carbon vô định hình, các lớp graphit phủ lên các hạt kim loại và ống nano carbon nhiều vách.
Các ống nano carbon này thướng có lớp vô định hình ở bên ngoài. Xử lý gia công nhiệt ở
25000 C trong khí argon, cấu trúc ống nano carbon rõ rệt hẳn ra.
5.8.6.5 Phương pháp nghiền bỉ
Tháng 3- 2004 nhóm nghiên cứu vật liệu nano ở Trung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học
vật liệu (ITIMS) phối hợp với Viện Vật lý kỹ thuật (IEP) ở Đại học Bách khoa Hà Nội đã
bước đầu chế tạo thành công ống nano carbon theo phương pháp nghiền bỉ. Vật liệu xuất phát
là than từ tre nứa và sọ dừa. Sau khi nghiền bỉ và đưa vào lò nung với chất xúc tác và nhiệt độ
thích hợp, từ bột than mịn đã hình thành ống nano carbon, các sợi nano và một vài sản phẩm
khác. Đặc biệt từ các hạt xúc tác mọc ra những ống nano carbon thẳng và dài đến hàng trăm
141
micromet. Quan sát ở kính hiển vi điện tử truyền qua thấy rõ trong đó có những ống nano
carbon kiểu một vách, có những sợi hình lỗ… Với vật liệu dễ kiếm và cách chế tạo rẻ tiền,
cách chế tạo ống nano carbon này có triển vọng thị trường chấp nhận được.
1.5. Vi khuẩn tạo ống nano carbon [16]
Nhóm nghiên cứu gồm có Myung, Yoo, Hur và Lee, đều tham gia nghiên cứu dưới sự chỉ
đạo của Min-Gyu Kim, thuộc phòng máy gia tốc Pohang, Hàn Quốc; Jongsun Maeng và
Takhee Lee đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju; Alice C. Dohnalkove và James K.
Fredrickson, thuộc phòng nghiên cứu quốc gia tây bắc Thái Bình Dương, Washington; và
Micheal
J.
Sadowsky
đến
từ
Đại
học
Minnesota.
Nhóm nghiên cứu gồm có Nosang V. Myung, phó giáo sư hóa học và kỹ thuật môi trường
thuộc đại học California, Riverside và đồng nghiệp của ông, tiến sĩ Bongyoung Yoo, đã phát
hiện ra các con vi khuẩn Shewanella có khả năng hỗ trợ cho việc hình thành các ống nano
arsenic-sulfide, với các tính chất hoá lý hoàn toàn khác biệt so với những gì mà xúc tác hóa
học tạo ra. Nhóm nghiên cứu cho rằng đây là lần đầu tiên các ống nano được tạo ra bằng các
cơ chế của sinh học, chứ không phải là các phản ứng hóa học. Nó mở cửa cho khả năng sản
xuất các vật liệu điện tử rẻ hơn và hoàn toàn thân thiện với môi trường. "Chúng tôi đã chỉ ra
rằng một lọ côn trùng cũng có thể tạo ra những cấu trúc nano hữu ích’’. PGS Myung nói .
"Các ống nano rất được quan tâm trong khoa học vật liệu vì tính chất hóa lý hữu ích của
chúng hoàn toàn có thể được tạo ra bằng các thay đổi đường kính cũng như kích cỡ của các
ống này".
Hình 6: Vi khuẩn Shewanella đang tạo các sợi nano carbon
Hai thành viên trong nhóm là Hor Gil và Ji-Hoon Lee đến từ học viện khoa học và công
nghệ Gwangju, Hàn Quốc, lần đầu đã phát hiện ra sự khác thường khi họ muốn hạn chế sự
nhiễm độc của thạch tín ( arsenic) bằng các sử dụng vi khuẩn có khả năng giảm thiểu thành
phần kim loại . Myung, người có chuyên môn trong lĩnh vực tổng hợp và chế tạo vật liệu điện
khí hóa, đã phân loại kết quả dị thường trên như một loại vật liệu nano.
Các ống nano arsenic-sulfide hoạt quang được tạo ra bởi vi khuẩn hoạt động như các kim
loại với các tính chất điện từ và quang dẫn độc đáo. Các nhà nghiên cứu cho rằng các đặc tính
này sẽ giúp cho việc chế tạo một thế bán dẫn mới trong điện tử nano và thiết bị quang điện.
Một số vấn đề vẫn chưa được sáng tỏ, như việc các vi khuẩn Shewanella có chứa nhóm chất
polysacarides, có khả năng tạo ra các khung mẫu cho việc hình thành các ống nano arsenic
sulfide, Myung nói. Sẽ có các ứng dụng to lớn và quan trọng hơn nếu tìm hiểu được cơ chế
của một vi khuẩn có khả năng tạo ra các ống nano cadmium sulfide hay các vật liệu trụ cột
trong công nghệ bán dẫn khác. “Đây mới chỉ là bước khởi đầu nhưng đầy hứa hẹn để cho các
khám phá và nghiên cứu trong tương lại ”. Ông nói “Mỗi loài trong nhóm Shewanella có thể
có các khả năng riêng biệt trong sản xuất ra ống nano carbon’’ .
1.3. Tính chất và ứng dụng của ống nano carbon [5]
142
Ống nano carbon có nhiều tính chất đặc biệt, chưa có vật liệu nào so sánh được: nhẹ
hơn thép 6 lần nhưng lại bền hơn thép cỡ 100 lần, chịu nhiệt độ cao (khoảng 28000C trong
chân không và khoảng 7000C trong môi trường không khí), có tính đàn hồi tốt (uốn cong gần
như gấp khúc nhưng vẫn còn tính đàn hồi, thả ra lại thẳng), dẫn nhiệt cao khoảng 6000 W/mK.
Vật liệu CNTs có diện tích bề mặt lớn (250 m2/gam),có khả năng phát xạ điện tử ở điện trường
thấp (cỡ vài V/  m) ứng với mật độ dòng phát xạ lớn (cỡ vài chục  A/cm2), độ dẫn điện thay
dổi theo cấu trúc và kích thước của ống, ở điều kiện này thì cách điện, thay đổi một chút trở
thành dẫn điện, thậm chí có thể trở thành siêu dẫn…
dùng làm đầu dò nano Ống nano cacbon rất nhỏ và cứng nên dùng làm đầu dò nano
như làm mũi nhọn ở đầu kính hiển vi quét đầu dò có thể thăm dò chụp ảnh chỗ lồi lõm sâu.
Nishijima và cộng sự đã phát triển một vi xử lí mới hợp nhất trong hợp chất SEM, để đính các
ống nano riêng lẻ vào các mũi của kính hiển vi đầu dò quét, sau này được dùng làm đầu dò cho
các mẫu sinh học và công nghiệp. Đường kính ống nhỏ và có dạng hình trụ cho phép chụp ảnh
các khe nứt hẹp và sâu, nâng cao độ phân giải khi so sánh với các mũi dò nano thông thường,
đặc biệt là với mẫu có độ cao lớn.
Mũi nhọn dùng để rà chụp từng nguyên tử, đầu mũi nhọn chỉ có 1 nguyên tử
Kim và Lieber đã chế tạo ra chiếc nhíp có kích thước nano được điều khiển bằng tương tác
tĩnh điện giữa hai ống nano trên một mũi đầu dò. Họ đã gắn các ống nano cacbon vào các điện
cực được chế tạo trên các mocropipette thủy tinh. Cho điện áp chạy qua các điện cực nhằm mở
và đóng các đầu tự do của ống nano, làm gắp được dễ dàng và điều khiển được các cụm, sợi
nano siêu hiển vi.
1.6.1. Lưu trữ Hydro trong ống nano carbon [7]
Lâu nay, ôtô chạy xăng gây ô nhiễm nghiêm trọng buộc các nhà khoa học phải tìm đến
các nguồn nhiên liệu sạch hơn, trong đó có hydro. Với hiệu suất năng lượng cao và không gây
ô nhiễm môi trường, Hydro đang có triển vọng là nguồn năng lượng sạch cho tương lai. Tuy
nhiên, việc chứa hydro lỏng trong các bình áp suất cao thường rất cồng kềnh và nguy hiểm,
việc lưu trữ Hydro một cách hiệu quả, kinh tế và an toàn cũng là một bài toán khó hiện nay.
Giải pháp có tính đột phá là dùng ống nano carbon rỗng, có đường kính gấp 2-3 lần
đường kính nguyên tử hydro. Dưới áp suất và nhiệt độ, hydro có thể chui vào trong ống, cũng
như vào khoảng trống giữa các ống. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon
chứa được nhiều hydro. Ống nano carbon đơn tường có nhiều chỗ còn trống, hydrro dễ chui
vào bên trong ống, bám vào thành ống cũng như xen giữa các ống.
Hình 7: Hydro chứa trong các ống nano carbon
143
Ý tưởng dùng ống nano carbon chứa hydro để làm pin nhiên liệu cũng được quan tâm
không kém. Hiện đã làm được pin nhiên liệu chứa hydrro làm từ ống nano carbon. Một gam
nano carbon có thể chứa 10 lít hydro, mật độ năng lượng điện là 16.000 Wh/kg. Mới đây,
nhóm khoa học Terry Baker, Đại học Northeatern (Mỹ) cho biết, họ có thể chế tạo pin nhiên
liệu với mật độ năng lượng 17.000 Wh/kg. Chỉ cần rót nữa lít vật liệu hydro này vào pin nhiên
liệu là đủ để máy tính xách tay 20 W hoạt động liên tục trong 1 tháng. Với các phương tiện
như máy ảnh, điện thoại, máy tính xách tay, pin nhiên liệu giúp người ta không phải nạp lại
bằng cách cắm điện, mà chỉ việc “đổ nhiên liệu vào”
1.6.2. Vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt [7]
Ống nano carbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt, do vậy đã có nhiều nghiên cứu chế tạo những
vật liệu composite giữa polime hay epoxy với ống nano carbon để tăng khả năng dẫn nhiệt.
Điều này vô cùng quan trọng trong công nghệ vi điện tử, những chip xử lý với tốc độ cao sẽ
toả nhiệt càng mạnh, vấn đề toả nhiệt cho chip luôn là một bài toán khó cho các hãng sản xuất
.
Tính chất hạn chế quang học là một tính chất rất quan trọng của ống nano cacbon đối
với các ứng dụng trong lazer năng lượng cao. Các ống nano composite có các polimer dẫn
dường như có các tính chất quang học và điện mới mẻ. Yoshino và cộng sự đã quan sát thấy
tính dẫn tăng lên tại nồng độ ống nano tương đối thấp trong các composite này và tính quang
dẫn được nâng cao, chứng tỏ có thể ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử. Composite sợi
cacbon trước đây nổi tiếng vì nhẹ, bền, ít tác dụng hóa học, nếu thay sợi cacbon bằng ống nano
cacbon thì chắc chắn sẽ làm vật liệu nhẹ hơn nhiều và được sử dụng trên máy bay để giảm
trọng lượng. Một hướng mới hiện nay là dùng ống nano cacbon để gia cường cho polymer
nhưng không phải để chế tạo ra cấu trúc nanocomposite mà để thay đổi tính chất quang điện
của polymer. Ví dụ như PPV sau khi được gia cường với ống nano cacbon độ dẫn điện tăng
lên 8 lần, bền cơ lí hơn PPMA.
Những thiết bị dùng trong phẫu thuật, xe hơi, và quân sự cũng sẽ bắt đầy dung màn hình
phẳng dựa trên cơ sở ống nano cacbon . Lý do là những hình ảnh rõ hơn sẽ cho phép các bác
sĩ, lái xe và phi công thực hiện công việc của họ tốt hơn nhưng lại sử dụng ít năng lượng hơn.
[2]
Ống nano cacbon có tính dẫn điện tốt, khi pha tạp có thể trở thành siêu dẫn. Magnesium
diboride (MgB2) - có giá rẻ, thành phần hóa học đơn giản và MgB2 là vật liệu siêu dẫn loại 2,
vì thế nó có 2 từ trường tới hạn và trường tới hạn trên là giá trị tới hạn triệt tiêu tính siêu dẫn,
còn giá trị tới hạn dưới (thấp hơn) là giá trị tới hạn mà trường ngoài có thể xuyên vào vật liệu
siêu dẫn.
Hình 5: Magnesium diboride (MgB2)
Mới đây, Serquis cùng các cộng sự đã lần đầu tiên thành công khi đồng thời tối ưu hoá 2
thông số trên bằng cách pha tạp vào vật liệu này các ống nano carbon có tường đôi (Double144
walled carbon nanotubes - DWNTs). Các mẫu khối MgB2 có chất lượng cao được chế tạo
bằng phương pháp xâm nhập hơi Mg ở Centro Aosmico Bariloche (Achentina) và sau đó pha
tạp các ống DWNTs, sau đó tiến hành đo các tính chất điện và từ bằng các thiết bị phổ thông
như từ kế ... trong từ trường xung ở phòng thí nghiệm từ trường cao (Los Alamos). Họ phát
hiện ra rằng, khoảng 3,5% nguyên tử các DWNTs pha tạp vào có thể tạo ra tính chất tối ưu cho
MgB2 với giá trị mật độ dòng tới hạn lên tới 5.104 A/cm2 (khi trường ngoài là 5 T) và từ
trường tới hạn trên lên tới 44 K (ở nhiệt độ 5 K). Một giá trị khác cũng được ghi lại là từ
trường tới hạn trên 41,9 T ở 4 K khi hàm lượng pha tạp là 10% nguyên tử. Điều này có nghĩa
là từ trường tới hạn được cải thiện tới 3 lần trong khi mật độ dòng tới hạn cũng được nâng lên
tới 2,5 lần. Các hàm lượng DWNTs được xác định chính xác bằng cách phân tích cấu trúc tinh
thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.
Theo công trình của nhóm công bố trên tạp chí Superconductor and Technology, số 20, trang
L12, các kết quả này có thể lý giải bằng 2 vai trò của DWNTs trong cấu trúc của MgB2. Đầu
tiên, đó là các ống nano carbon hòa tan một phần vào các ma trận MgB2, tác động như một
nguồn carbon làm tăng giá trị từ trường tới hạn lên giá trị cao nhất từng được quan sát. Thứ
hai, đó là tỉ phần của ống nano carbon giữ nguyên cấu trúc của nó, sẽ tác động như một tấm
hãm các lốc xoáy (vortex pinning centres) trong MgB2, do đó làm tăng đáng kể giá trị mật độ
dòng tới hạn. Điều này hoàn toàn có thể bởi đường kính ống cũng tương tự như chiều dài kết
hợp của siêu dẫn MgB2.Các nhà vật lý cũng cho rằng sự tăng cường này có thể mô tả bằng một
trong các mô hình lý thuyết đang được sử dụng như lý thuyết siêu dẫn 2 khe, như là MgB2. Và
một phần khác là sử dụng vật liệu này trong các ứng dụng thực tế như nam châm siêu dẫn.
Công trình này có thể là một hướng mở ra việc tạo ra các cuộn dây siêu dẫn có từ trường lớn
nhờ việc cải thiện giá trị từ trường tới hạn.
1.6.3. Cảm biến sinh học [7]
Các nhà khoa học thuộc NASA nghiên cứu và phát triển loại cảm biến sinh học theo một
hướng đặc biệt. Họ gắn hàng triệu các CNTs có kích thước từ 30 -50 nanomet lên bề mặt của
một con chip silicon. Khi các ống nano có gắn DNA được nhúng vào một dung dịch trong đó
có vô số những phân tử DNA được thả sẳn vào dung dịch trong đó có vô số những phân tử
DNA trên con chip hút những phân tử trong dung dịch và tự tăng thêm suất dẫn điện. Bằng
cách này các nhà khoa học hy vọng rằng có thể tạo ra một thiết bị cảm biến đa năng.
1.6.4 Làm siêu tụ điện (Electrochemical supcapacitos ) [7]
Siêu tụ điện có điên dung lớn và có nhiều khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử. Dung
lượng của một tụ điện phụ thuộc vào sự phân tách điện tích trên hai điện cực và điện tích trái
dấu trong chất điện phân. Với cấu trúc rỗng và diện tích mề mặt lớn của CNTs ( khoảng
1000g/cm2), nên khi áp một điện thế nhỏ vào thì một lượng lớn các điện tích được tiêm vào.
Các điện tích tiêm này được dùng để tích trữ năng lượng trong siêu tụ điện ống nano. Nhiều
tác giả đã chứng minh là có thể chế tạo siêu tụ điện với điện dung đạt được từ 15 F/g(CNT)
đến 200 F/g(CNT). Loại tụ này hoạt động ở nhiệt độ cao đến 3500 C và nếu chế tạo bằng ống
nano cacbon đơn thì có thể hoạt động đến 10000 C.
1.6.5 Làm nguồn phát ra điện [7]
Ống nano carbon chỉ cần tác dụng điện thế cỡ hàng chục vôn là đã phát ra điện tử theo hiệu
ứng trường. Trên thị trường đã bắt đầu có máy X – quang dùng cho y tế, rất nhỏ gọn, nhờ dùng
một bó ống nano carbon làm nguồn phát điện tử. Hãng Samsung đã làm thử đèn hình phẳng
gọn nhờ thay súng điện tử phát xạ trường, mỗi nguồn là một ống nano carbon với điện thế tác
dụng chỉ vài chục vôn. Đang có dự án làm cho các ống nano carbon tự sắp xếp ngay hàng
thẳng lối và khít nhau để thành một nguồn phẳng, phát ra điện tử theo một điện tích lớn, mỗi
sợi phát ra điện tử cho một phần tử ảnh (pixel) ở màn hình đặt gần sát đáy. Nhờ vào các phân
tử ảnh trên màn hình nhỏ và rất sáng (mật độ cỡ vài trăm miliampe trên một centimet vuông).
1.6.6. Chế tạo được ống nano cacbon để lọc dầu và nước bẩn [12]
145
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra một màng lọc bằng các ống nano cacbon có khả năng lọc
dầu và xử lý nguồn nước bị ô nhiễm. Các nhà khoa học từ lâu đã đánh giá cao ống nano
cacbon vì nó có độ bền cao và chịu nhiệt, nhưng vẫn chưa tập hợp được các ống nano vào
những thiết bị đủ lớn để con người có thể cầm được bằng tay.
Các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Bách khoa Rensselaer ở Troy, New York và Đại
học Tổng hợp Banaras Hindu, Ấn Độ đã tìm ra phương pháp chế tạo những cấu trúc có kích
thước lớn và cách sử dụng chúng.
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp một dung dịch benzen và feroxen (CH2)5Fe(CH2)5 - những
vật liệu cần thiết để tổ hợp ống nano cacbon trong một dòng khí agon, sau đó phun hỗn hợp
vào một ống thạch anh. Ống này được nung trong lò ở nhiệt độ 900oC.
Một tập hợp mật độ cao các ống nano cacbon được định hình ở bên trong thành ống thạch
anh, thành một vòng cacbon đen rỗng. Khi lấy được vòng này ra, nó có độ dài khoảng vài cm
và đường kính 1cm, được cấu tạo bởi hàng nghìn tỷ các ống nano cacbon. Mỗi ống nano
cacbon này có độ dài chỉ vài trăm micro mét.
Để kiểm tra khả năng lọc của vòng cacbon, họ bọc kín một đầu của vòng cacbon và đổ dầu
vào trong đó. Khi dầu chảy qua thành vòng cacbon, màng này lọc được các hyđrocacbon phức
tạp và lớn, một bước cần thiết để sản xuất xăng dầu.
Trong thí nghiệm thứ hai, họ tiến hành kiểm tra bộ lọc với nước bẩn. Người ta cho thêm vi
khuẩn E. coli, là vi khuẩn gây bệnh đường ruột, vào mẫu nước và cho nó chảy qua màng lọc.
Phân tích mẫu nước đã lọc thì thấy không còn vi khuẩn E. coli nữa. Đáng ngạc nhiên hơn, khi
sử dụng mẫu nước có virus polio (virus gây bệnh viêm tủy xám), nhỏ hơn rất nhiều, cũng thấy
không có một virus nào đi qua được bộ lọc.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu chưa so sánh sản phẩm này với các màng lọc ceramic hay
polyme thông thường, nên rất khó đánh giá được khả năng cạnh tranh của bộ lọc nano cacbon.
Đây mới chỉ là một nghiên cứu về cách lọc của ống nano cacbon. Tuy nhiên màng lọc này
đồng đều hơn các màng lọc thông thường, nên bộ lọc nano cacbon có khả năng đặc biệt để lọc
các loại hóa chất được lựa chọn hoặc các vi sinh vật. Thêm vào đó, màng lọc nano cacbon có
ưu điểm là chịu được nhiệt độ cao hơn các màng lọc polyme.
1.4. Tính chất mới của ống nano carbon [3]
Điều khiển trạng thái quay của phân tử CoPc (2005) [6]
Trung Quốc năm 2005 có một tiến bộ mới về công nghệ nano, đó là điều khiển trạng thái
quay của đơn phân tử CoPc, có tiềm năng lớn ứng dụng trong các thiết bị điện tử nano. Với sự
hỗ trợ của kính hiển vi hiệu ứng đường hầm chân không nhiệt độ thấp. Nhóm nghiên cứu ở
trường Đại học Công nghệ và Khoa học Trung Quốc
Hình 14- a) ảnh với độ phóng đại thấp của sản phẩm qua kính hiển vi quét điện tử
(SEM) cho thấy một số lượng lớn các cấu trúc nano giống như những chuỗi hạt.
b) ảnh với độ phóng đại lớn hơn của mẫu điển hình.
c) ảnh SEM của một mẫu MWCNT/Co3O4 NP với tiếp xúc Pt
146
(USTC) thực hiện thao tác tinh vi đơn phân tử trên tiểu thể màu Coban cho phép kiểm soát
trạng thái từ của một đơn phân tử. Lần đầu tiên, phản ứng hóa học được kích thích bên trong
đơn phân tử và các đặc tính vật lý của phân tử có thể bị biến đổi và điều khiển bằng cách sử
dụng các phản ứng hóa học chọn lọc.
1.7. Một vài hình ảnh về ống nano carbon
Hình 8.1a. Ống nano carbon đơn tường , ống nano carbon đa tường
Hình 8.1b. Ống nano carbon đơn tường (a), ống nano carbon đa tường (b)
147
Hình 8.7: Nano tubes
148
NANO Ở VIỆT NAM
Tại Việt Nam vài năm gần đây công nghệ nano được xác định là công nghệ mũi nhọn.
Hai lĩnh vực được nghiên cứu và ứng dụng mạnh nhất là vật lý học Nano và Hóa học Nano.
Nhiều chương trình giáo dục đào tạo về KH-CN NN cũng đã được tiến hành ở một số
trường đại học. Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) mới được thành lập, là
cơ sở đầu tiên trong cả nước có chuyên ngành đào tạo kỹ sư về CNNN. Đại học Quốc gia
Thành phố Hồ Chí Minh đã quyết định đưa CNNN vào chương trình đào tạo toán, lý, hóa,
sinh, công nghệ vật liệu từ năm 2004. Ngoài ra, trường Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí
Minh còn đầu tư 4,3 triệu USD để xây dựng một phòng thí nghiệm CNNN với các trang thiết
bị hiện đại. Đây là một trong những phòng thí nghiệm CNNN đầu tiên của Việt Nam, có
nhiệm vụ đào tạo nhân lực trong lĩnh vực vi điện tử và CNNN và đồng thời tổ chức nghiên cứu
nhằm ứng dụng lĩnh vực vi điện tử và CNNN vào trong công nghiệp.
Ngày 11/2/2006 tại trường Đại học bách khoa Hà Nội đã diễn ra trọng thể lễ khai
trương Phòng thí nghiệm Nghiên cứu và phát triển Công nghệ Vi hệ thống Cơ-điện tử
(MEMS) hợp tác giữa trường Đại học bách khoa Hà Nội và trường Đại học Ritsumakan, Nhật
Bản trong khuôn khổ Dự án tài trợ 450 nghìn USD của NEDO (Tổ chức phát triển Năng lượng
mới và Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản) cho trường ta. MEMS còn là lĩnh vực công nghệ
khá non trẻ nhưng đã và đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới. MEMS thực sự là hấp dẫn bởi
đây là lĩnh vực công nghệ cao có tính liên nghành như Vật lý, Cơ khí, Điện tử, Y sinh… cho
phép chế tạo các chủng loại linh kiện vi cảm biến ( micro sensor) và các bộ vi động ( micro
actuator) có kích thước cỡ nanomet, tiêu hao ít năng lượng, giá thành rẻ và có thể thích hợp
trong một vi hệ thống, bảo vệ môi trường sinh thái. Đây là trung tâm nghiên cứu có định
hướng và tiềm lực phát triển, hơn nữa phòng thí nghiệm này được đặt ở một trường đại học kỹ
thuật công nghệ hàng đầu Việt Nam như trường ĐHBKHN sẽ là cơ hội trở thành một cơ sở
khoa học công nghệ chất lượng cao góp phần đào tạo các chuyên gia về lĩnh vực MEMS
không chỉ cho ĐHBKHN mà còn cho các cơ sở khoa học khác ở Việt Nam.
Nhà nướcđã đầu tư khoảng 500 tỷ đồng cho việc mua sắm các trang thiết bị nghiên cứu
hiện đại nhất thế giới phục vụ cho nghiên cứu về công nghệ nano. Nhưng hầu hết nó lại phân
bố tại các viện nghiên cứu ở khắp ba miền, điều đó làm giảm hiệu quả sử dụng và liên kết
chức năng của các thiết bị thí nghiệm. Các trung tâm nghiên cứu về công nghệ nano lớn nhất
đó là: ĐH khoa học tự nhiên HN & TP. HCM. Đại học Bách khoa HN & TP. HCM, Viện khoa
học Việt Nam, Học viện kỹ thuật quân sự, Viện khoa học vật liệu, Viện vật lý, Viện Hóa
học…
Về nguồn nhân lực khi mà khoa học công nghệ Nano trở thành hướng nghiên cứu thời
thượng của thế giới thì hầu hết các GS, TS đầu ngành đều chuyển sang nghiên cứu nano, công
nghệ nano rất rộng mà có đủ chỗ cho tất cả. Số cán bộ nghiên cứu và phát triển công nghệ
nano có lợi thế hơn các ngành hoa học đã có trước ở Việt Nam đó là họ đều còn rất trẻ, tuổi
đời không quá 40 được đào tạo tại các trung tâm phát triển nano lớn nhất thế giới như ở Mỹ,
Nhật, Đức, Hàn Quốc… Rất nhiều nhà khoa học Việt Kiều có uy tín trên thế giới như GS
Nguyễn Chánh Khê, GS Từ Trung Chấn đã trở về nước. GS Khê lãnh đạo trung tâm nghiên
cứu nano mạnh nhất khu vực phía Nam, xây dựng những viên gạch đầu tiên đồng thời đưa một
số lĩnh vực công nghệ nano ở Việt Nam ngang tầm thế giới. GS Từ Trung Chân đã đầu tư xây
dựng nhà máy sử dụng công nghệ nano đầu tiên ở Việt Nam, mở đầu cho kỷ nguyên các nhà
máy ứng dụng công nghệ nano sản xuất các sản phẩm ưu thế cạnh tranh cao.
Năm 1997, tại Hội Nghị chất rắn toàn quốc ở Đồ Sơn (Hải Phòng), Hội Vật Lý Việt Nam đã
kêu gọi các nhà vật lý cả nước tập trung nghiên cứu công nghệ nano[9].
Nhiều cuộc hội thảo có sự tham gia của các chuyên gia quốc tế về CNNN đã được tổ
chức tại Việt Nam như Hội thảo quốc tế đầu tiên về Vật lý nano và CNNN được tổ chức năm
149
2002 tại Hà Nội, Khóa đào tạo vi công nghệ và CNNN Việt - Pháp được tổ chức vào năm
2003 Bước khởi đầu ấy phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ của thế giới, cho
phép nước ta nghĩ đến những đề án phát triển KH-CN NN quy mô lớn hơn, phục vụ dân sinh.
Trong chuyến đi thăm LETI tháng 10/2002 các nhà lãnh đạo chương trình MINATEC ở
Grenoble ngỏ ý mong muốn các nhà khoa học Việt Nam tham gia Trung tâm MINATEC ngay
từ những ngày đầu tiên này và sẽ đóng góp vào trung tâm bằng những tài năng trí tuệ của các
nhà khoa học trẻ Việt Nam. Sự ra đời của khoa học và công nghệ nano cùng với sự hợp tác
chân tình của các nhà khoa học Pháp ở Grenoble đang tạo ra cho các nhà khoa học Việt Nam
khả năng trực tiếp tham gia vào quá trình hình thành một lĩnh vực kỹ nghệ mới để góp phần
công nghiệp hoá đất nước theo hướng phát triển tri thức[10].
Năm 2004, Bộ khoa học - Công nghệ công bố hướng khoa học được Nhà nước ưu tiên phát
triển chính là công nghệ nano. Cũng trong năm đó Trường ĐH Công nghệ (ĐHQG Hà Nội)
được thành lập và khoa công nghệ nano bắt đầu tuyển sinh. Tuy chưa có chương trình đào tạo
ở bậc đại học nhưng ngay từ đầu phòng thí nghiệm nano ĐHQG - TPHCM đã phối hợp với
trường ĐH công nghệ (ĐHQG Hà Nội) tổ chức đào tạo thạc sĩ chuyên ngành “vật liệu” và
“linh kiện nano”, đến nay đã khai giảng khoá 2[9].
Ngày 22/10/2004, tại Hà Nội, hơn 200 nhà khoa học về vật lý nano của 12 nước và vùng
lãnh thổ là Mỹ, Nhật Bản, Canada, Hà Lan, Đan Mạch, Ba Lan, Thụy Sĩ, Pháp, Ấn Độ, Đài
Loan, Hàn Quốc và Việt Nam đã tham dự hội thảo quốc tế về vật lý và công nghệ nano 2004.
Hội thảo do Viện Khoa học Vật liệu, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường
Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) kết hợp với cơ quan nghiên cứu và phát triển
vũ trụ Á châu của Hoa Kỳ tổ chức. Qua gần 60 báo cáo tham luận, các nhà khoa học đã tập
trung vào thảo luận hai chủ đề lớn mà thế giới đang quan tâm: linh kiện và kích thước micro
và nano met 10-9 và các vật liệu thông minh ở kích thước nano met. Ở Việt Nam, công nghệ
nano đã được biết đến trong vài năm gần đây, vì vậy, hội thảo có ý nghĩa rất quan trọng đối
với các nhà khoa học Việt Nam, nhất là những cán bộ trẻ đang nghiên cứu về công nghệ nano.
Đây là cơ hội để họ được tiếp cận với những nguồn thông tin khoa học mới, trao đổi đào tạo
và định hướng nghiên cứu về lĩnh vực nano giữa các phòng thí nghiệm trong nước và quốc tế.
Công nghệ nano là công nghệ siêu nhỏ, đang được đầu tư nghiên cứu tại nhiều nước phát triển.
Các nhà khoa học cho rằng công nghệ nano sẽ là công nghệ của thế kỷ 21 và sẽ tạo ra một
bước nhảy vọt về khoa học công nghệ trong tương lai không xa.
Hội thảo quốc tế về công nghệ Nano tại Hà Nội
Đối với Việt Nam trong nổ lực đi tắt đón đầu, vào tháng 8/2006 tại Cần Thơ tổ chức hội
thảo khoa học toàn quốc về ứng dụng công nghệ nano, đăng đàn của nhiều nhà khoa học thế
giới[3]. Lâu nay, nano được xem là ngành nghiên cứu của những vật thể siêu nhỏ mà Việt
Nam chưa vương tới được. Song cuộc hội thảo quốc tế lần thứ nhất về công nghệ nano và ứng
dụng (IWNA 2007) do Đại học Quốc gia Thành phố Hồ chí Minh, Phòng thí nghiệm công
nghệ nano và Viện Minatec (Pháp) phối hợp tổ chức gần đây tại Vũng Tàu đã khẳng định Việt
Nam hiện đã có những cơ sở thực hiện ngành công nghệ cao này. IWNA 2007 thu hút hơn 200
nhà khoa học đến từ nhiều trường đại học, viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm và các công ty
của 18 nước trên thế giới, trong đó có các quốc gia có nền công nghệ tiên tiến như Mỹ, Pháp,
Hà Lan, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Singapore…Công nghệ nano hiện đang trở thành nguồn
150
động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho sự đổi mới công nghệ, tác động đến hầu hết các ngành khoa
học kỹ thuật, đặc biệt trong các lĩnh vực y tế, sức khoẻ môi trường, an ninh, công nghệ thông
tin, khoa học vật liệu xây dựng…[11]
Tại hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ V, tổ chức 12-14/12/2007 tại thành phố
Vũng Tàu , GS.VS Nguyễn Văn Hiệu kêu gọi sự hợp tác lớn và chặt chẽ hơn nữa để phát triển
ngành công nghệ nano. Sự hợp tác cần được thể hiện ở nhiều mặt khác nhau: giữa các nhà
khoa học, giữa các trung tâm nghiên cứu, giữa công ty với viện nghiên cứu, giữa cơ sở trong
và ngoài nước.
Trong bài phát biểu khai mạc hội nghị. GS.VS Hiệu nhấn mạnh: công nghệ nano cần sự
hợp tác của nhiều nhà khoa học khác nhau, từ nhà vật lý, hóa học, cho tới cả những nhà khoa
học sinh học, y học, …Và ông đi đến kết luận: “Hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ VI”
(sau 2 năm nữa) sẽ không còn mang tên là “Hội nghị vật lý chất rắn ” nữa mà sẽ mang một tên
hoàn toàn mới: “Hội nghị khoa học vật liệu và công nghệ nanô lần VI”. Mục tiêu của hội nghị
là có sự tham gia của nhiều nhà khoa học trong nước, kể cả các nhà sinh học, y học.
GS.VS cũng đề nghị có sự hợp tác lớn hơn nữa giữa các cơ sở nghiên cứu trong và ngoài
nước: các trường đại học, các viện nghiên cứu. Đặc biệt cần có sự liên kết với những cơ sở
ứng dụng. Tuy nhiên GS.VS cũng nhấn mạnh “sẽ hay hơn nếu các nhà khoa học tự mình
thành lập công ty để ứng dụng kết quả nghiên cứu – vì như vậy sẽ mang tính chủ đông hơn
trong ứng dụng (khi mà các công ty ở Việt Nam chưa chú ý đến các nghiên cứu khoa học).
Hơn nữa, các nhà khoa học sẽ thừa hưởng được nhiều hơn những thành quả do mình làm ra. ”
Kết thúc hội nghị là một bản thông báo về một hội nghị khoa học lớn hơn sẽ được tổ chức
vào giữa tháng 7 năm 2008, kỷ niệm ngày sinh nhật của GS.VS Nguyễn Văn Hiệu – một nhà
khoa học nổi tiếng, hàng đầu, một nhà lãnh đạo tuyệt vời trong giới khoa học Việt Nam,
người đã có những đóng góp vô cùng to lớn cho sự phát triển khoa học nước nhà.
NHỮNG THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ NANO TẠI VIỆT NAM
3.2. Khẩu trang nano diệt khuẩn [6]
Hình 14.
Các nhà nghiên cứu ở Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội vừa đưa ra giải pháp độc đáo:
dùng vật liệu nano TiO2 có tính diệt khuẩn mạnh để chế tạo khẩu trang. Ý tưởng này có thể
là giải pháp hiệu quả để đối phó dịch cúm gia cầm và SARS. Các hạt TiO2 cỡ nanomet (phần
tỷ mét), dưới tác động của ánh sáng sẽ phát sinh các tác nhân oxy hoá cực mạnh như H2O2, O2, OH -, mạnh gấp hàng trăm lần các chất oxy hoá quen thuộc hiện nay là clo, ozone. Nhờ đó,
nó có thể phân huỷ hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám vào
bề mặt thành những chất vô hại như khí carbonic và hơi nước. Từ đặc tính này, phó giáo sư
Phạm Văn Nho, phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng, khoa vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên
(Hà Nội) cho rằng có thể sử dụng vật liệu nano TiO2 trên nền sợi bông polyeste để làm lớp
giữa của khẩu trang, giúp giữ lại và tiêu diệt các loài vi khuẩn và virus độc hại như vi khuẩn
lao, virus SARS, H5N1... Ngoài ra, khả năng lọc cơ học này cũng có hạn, ngay cả với vật liệu
hoạt tính (như loại khẩu trang chuẩn để chống SARS hiện nay là N95). Vì vậy theo thời gian
sử dụng khẩu trang sẽ mất dần khả năng bảo vệ người dùng.
Kết quả thử nghiệm tại khoa sinh học, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội cho thấy vật liệu
nano TiO2 có khả năng diệt vi khuẩn E.Coli và Bacillus trong thời gian ít nhất là 3 ngày, và
thực tế sau 15 ngày, nó vẫn duy trì khả năng này. Phó giáo sư Nho cho biết theo lý thuyết hạt
151
nano TiO2 còn có thể diệt được virus, nhưng còn chờ các thử nghiệm thực tế. Phó giáo sư Nho
đang trình Bộ y tế xem xét ý tưởng này. Về tính an toàn của sản phẩm, phó giáo sư Nho cho
rằng lớp vật liệu chứa TiO2 nằm kẹp giữa hai lớp khác, không tiếp xúc trực tiếp với da người
nên không gây nguy hiểm. TiO2 từ lâu đã được biết đến là loại vật liệu an toàn, vẫn được sử
dụng trong sản xuất kem chống nắng, trong chế tạo quần áo khử mùi... Tuy hoạt động theo cơ
chế quang xúc tác, song phó giáo sư Nho cho biết ngay cả trong điều kiện bóng tối, vật liệu
vẫn phát huy tác dụng diệt khuẩn sau khi được kích hoạt ánh sáng. "Trên lý thuyết, khả năng
này là hàng tuần, và thực tế tôi đã chứng kiến thấy hàng giờ’’,phó giáo sư nói. Đây là lần đầu
tiên ở Việt Nam, vật liệu nano TiO2 được dùng để sản xuất khẩu trang diệt khuẩn [17].
6.2 Công bố kính hiển vi quét đầu dò (SPM) (2005) [5]
Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học vừa công bố kính hiển vi quét đầu dò SPM
(SPM là tên chung của một họ kính hiển vi hoạt động theo nguyên lý mới, dùng để nghiên cứu
đặc điểm bề mặt ở cấp độ cực nhỏ: nguyên tử. Kính hoạt động theo nguyên lý quét một mũi
dò nguyên tử trên một bề mặt mẫu ở khoảng cách nguyên tử. Hình ảnh sẽ được hiển thị trên
máy tính với hệ số phóng đại lớn ở dạng một chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều.). SPM khắc phục
được nhược điểm của 2 loại kính quen thuộc trong phòng thí nghiệm hiện nay là kính hiển vi
quang học và kính hiển vi điện tử. SPM có thể quan sát trực tiếp mọi chất liệu (như kim loại,
bán dẫn, sứ, hữu cơ, đại phân tử…) trong môi trường không khí, mà không đòi hỏi phải xử lý
trước…
Thiết bị thuộc loại cao cấp nhất được chế tạo tại nước ta, với giá thành rẻ hơn nhiều sản
phẩm nhập ngoại. Bước đột phá này đã mở rộng đường cho ngành công nghệ nano- sinh học
phân tử của Việt Nam. SPM có những ưu điểm hơn hẳn so với kính hiển vi quang học và kính
hiển vi điện tử. Kính quang học không thể phóng đại các mẫu vật nhỏ hơn 1 phần triệu mét,
như virus và phân tử, còn kính hiển vi điện tử lại kềnh càng và rất đắt tiền. Ngoài ra, với hai
loại kính này, mẫu vật phải được đặt trong buồng hút chân không. Vì thế, nhà nghiên cứu chỉ
nhìn được mẫu vật ở dạng không nguyên vẹn. Trong khi đó, SPM có thể quan sát trực tiếp mọi
chất liệu trong môi trường không khí, mà không đòi hỏi phải xử lý trước.
Tháng 3/2005 trong cuộc nghiệm thu cấp nhà nước sản phẩm này, Giáo sư Vũ Đình Cư,
Chủ tịch hội đồng nghiệm thu, đánh giá: “Đây là lần đầu tiên ở Việt nam tiến hành chế tạo
SPM cực kỳ tinh vi, nó chụp được hình một con vi rút vào cỡ 100 nanomét (1 nanomét = 1
phần tỷ mét) mà không cần dùng tới chân không…Đây là sự việc đáng ghi nhớ trong nền khoa
học công nghệ Việt Nam[12].
Hình 15. Chiếc kính hiển vi quét đầu dò.
-
152
2.5. Chế tạo nano tinh thể bán dẫn tại Việt Nam [11]
Hình 7.
Với kích thước vài nanomet nhưng những chấm lượng tử do các nhà khoa học Viện Vật liệu
(Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam ) chế tạo có tiềm năng ứng dụng lớn trong bảo mật và
nghiên cứu sinh học…
Chấm lượng tử (quantum dot) thực chất là tinh thể bán dẫn có đường kính một vài nanomet
(một nanomet bằng một phần tỷ của 1 m ). Cùng một chất nhưng những chấm lượng tử có kích
thước khác nhau sẽ phát xạ ra các màu khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại
Lợi dụng tính chất này, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng chấm lượng tử để đánh dấu
hàng hóa, chứng từ hoặc tiền giấy nhằm chống làm giả, tiêm chấm lượng tử vào cơ thể động
vật để quan sát, chụp ảnh các cơ quan, tế bào…Ngoài ra, chấm lượng tử còn có tiềm năng
được sử dụng để dò ung thư, đưa thuốc tới tế bào ung thư…
Cách đây 5 năm, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu đã bắt đầu nghiên cứu
chế tạo chấm lượng tử. Đây là một nghiên cứu rất táo bạo, trong điều kiện Việt Nam chưa có
nền công nghệ vi điện tử và thiết bị đắt tiền để chế tạo chấm lượng tử bằng phương pháp vật lý
như các nước phát triển.
Mặc dù vậy, cho tới nay nhóm nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả đáng khích lệ. Cụ thể
là nhóm đã tạo ra các chấm lượng tử CdSe (Cadimi selenua) kích cỡ 3, 2-3,7 nm và CdS
(Cadimi sulfua) với kích cỡ 2, 6-3,2nm. Theo PGS-TS Phạm Thu Nga, một thành viên của
nhóm, để làm những chấm này, họ đã dùng phương pháp hóa học. Đây là một công cụ rất
mạnh, rẻ tiền để chế tạo những chấm lượng tử có kích thước mong muốn, rất phù hợp với các
nước đang phát triển.
Không dừng lại đó, nhóm nghiên cứu còn tạo thành công các hạt cầu tinh thể SiO2, cũng
bằng phương pháp hóa học. Với kích thước từ vài chục tới vài trăm nanomet, SiO2 không phải
là tinh thể bán dẫn nên không phát quang như chấm lượng tử. Nó được chế tạo để mang các
chấm lượng tử vào trong tế bào, làm hiện rõ hình ảnh tế bào.
Theo TS Nga, để ứng dụng cho những mục đích như nêu trên, Việt Nam cần sản xuất được
chấm lượng tử và hạt cầu tinh thể với số lượng lớn. Đây chính là kế hoạch trong tương lai của
nhóm nghiên cứu. Việc sản xuất chấm lượng tử và hạt cầu tinh thể bằng phương pháp hóa học
tại Việt Nam sẽ giúp hạ giá thành rất nhiều so với sản phẩm cùng loại của nước ngoài. Được
biết, 100ml chấm lượng tử dùng để đánh dấu tế bào sinh vật do Công ty Quantum Dot của Mỹ
sản xuất có giá 600 đôla.
153
Hình 8.
2.8. Việt Nam nghiên cứu chế tạo và ứng dụng công nghệ lọc nano trong xử lý nước thải
bị ô nhiễm
Hiện nay trên thế giới, công nghệ nano đang được ứng dụng hết sức rộng rãi trong lĩnh vực
xử lý nước. Theo nhận định của các nhà khoa học, thế kỷ 21 là thế kỷ màng lọc. Nhưng ở Việt
Nam ta, công nghệ này còn rất mới và hầu như chưa thực sự đi vào cuộc sống. Lần đầu tiên,
một đề tài khoa học mang chủ đề “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu lọc nano từ Axetat
xenlulo và ứng dụng lọc nano trong quy trình xử lý nước sinh hoạt ô nhiễm” đã được thực hiện
tại Viện công nghệ môi trường – Viện KHCNVN và do TS Nguyễn Hoài Châu, Viện phó làm
chủ nhiệm. Đề tài đã được nghiệm thu và được đánh giá có tính hấp dẫn cao, phù hợp với thời
đại, tạo bước đột phá trong khoa học ứng dụng.
Qua nhiều nghiên cứu, người ta nhận thấy so với các màng vi lọc, siêu lọc và thẩm thấu
ngược, màng lọc nano có khả năng đáp ứng tốt các nhu cầu khắt khe nhất về chất lượng xử lý
nước. Nói về tác dụng của màng lọc nano, có thể tóm tắt là nhờ hiệu ứng điện tích bề mặt,
màng lọc nano có khả năng bắt giữ các ion hóa trị cao trong khi các ion hóa trị I bị giữ lại
không đáng kể, dẫn đến kết quả khác biệt về nồng độ giữa nước đầu vào và nước đi qua màng.
Với những đặc tính hoạt động ưu việt như áp suất hoạt động thấp, tốc độ lọc cao, khả năng bắt
giữ chọn lọc các ion và hợp chất hữu cơ, chi phí vận hành và bảo dưỡng tương đối thấp, công
nghệ lọc nano thực sự trở thành giải pháp hữu hiệu nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước
thải, đặc biệt nước có nồng độ cứng, COD, asen, sunphat…
6.3 Chế tạo thành công sơn nano (2005) [10]
TS Trần Thị Đức và cộng sự tại Hà Nội vừa chế tạo thành công sơn nano. Sơn có tác
dụng diệt khuẩn, rêu, mốc…trên bề mặt vật được sơn. Nguyên liệu chính chế tạo sơn là những
hạt TiO2 cỡ chừng 8-25 nm. Do tinh thể treo lơ lửng mà không lắng đọng trong dung dịch nên
sơn còn được gọi là dung dịch huyền phù TiO2. Nhóm đi từ các phân tử chứa titan, chất ổn
định và chất kết dính vô cơ để khi phản ứng với nhau chúng tạo ra tinh thể TiO2 cỡ nano lơ
lửng trong dung dịch. Ban đầu, kích cỡ tinh thể mà nhóm tạo ra là vài trăm nanomet. Sau đó,
họ hoàn thiện dần công nghệ và thu nhỏ kích thước tinh thể xuống còn chừng vài nanomet. Đó
chính là loại sơn quang xúc tác PSA-01. Khi xịt lên bề mặt vật liệu, sơn tạo ra màng mỏng
TiO2 trong suốt với chiều dày từ vài trăm nanomet tới vài chục micromet. Còn đối với tường
trong và ngoài nhà, nhóm nghiên cứu đã chế tạo sơn quang xúc tác PSA-03 từ bột TiO2 cỡ
chừng 25 nanomet sẵn có trên thị trường. PSA-03 tạo ra lớp phủ trắng đục, có tác dụng diệt
khuẩn, diệt nấm mốc và khử mùi.
3.6. Thuốc BVTV nano bạc – Một tiến bộ của hóa lý Việt Nam [5]
154
Hình 17.
Từ lâu loài người đã biết đến tác dụng sát khuẩn mạnh của bạc, những chén bát, thìa, nĩa,
nồi niêu của người La Mã cổ, của các vua chúa phong kiến và ngay cả chiếc bi đông nhôm
tráng bạc của anh chiến sĩ giải phóng đã chứng minh điều đó. Tuy nhiên tác dụng này không
được ứng dụng rộng rãi vì nếu dùng bạc khối hay phủ bạc khối cũng là quá đắt.
Vài nét về nano bạc: Những năm gần đây, công nghệ nano ra đời không những tạo nên
bước nhảy đột phá trong ngành điện tử, tin học, y sinh học mà còn được ứng dụng rộng rãi
trong đời sống, gạc chữa bỏng được phủ nano bạc, nước rau sống, chất diệt khuẩn khử mùi
trong máy lạnh… Tại Việt Nam, gốm sứ Minh Long (Bình Dương) đã sử dụng công nghệ
nano làm nên chén bát khi rửa không cần xà phòng và từ hai năm nay phòng thí nghiệm nano
của Đại học Khoa học Tự nhiên cũng đang tập trung nghiên cứu sản xuất một số KIT thử
nhanh, thuốc BVTV từ nano bạc và đã tạo nên được những sản phẩm trừ bệnh, trừ nấm phổ
rộng, không độc hại cho người, động vật và môi trường, không tạo nên các dòng khuẩn, nấm,
virus kháng thuốc được coi là bước đột phá của ngành hóa lý Việt Nam.
Nano mét là một đơn vị đo lường chiều dài cực nhỏ, ký hiệu là nm, bằng 1 phần triệu mm.
Qua nghiên cứu thấy rằng, do sự tăng lên của nguyên tử bề mặt nên so với bạc khối, tác dụng
sát khuẩn của các hạt bạc siêu nhỏ có kích thước nano được nhân lên gấp bội, 1 gam nano bạc
có thể sát khuẩn cho hàng trăm mét vuông chất nền. Tất cả các vi sinh vật đều sử dụng enzym
để hấp thu, chuyển hóa oxy và các ion bạc đã phá hủy enzym khiến cho chúng bị “ngạt thở”.
MIFUM 0,6DD – Thuốc trừ nấm bệnh phổ thông.
Có thể tạo nên những hạt nano bạc bằng cách “nghiền” bạc khối, hoặc khử các ion bạc
+
Ag để tạo các nguyên tử bạc, để rồi chúng liên kết với nhau tạo thành các hạt nano. Tác giả
Bùi Huy Du, một nghiên cứu viên Hóa vô cơ đã lựa chọn phương pháp chiếu xạ đã được nhiều
phòng thí nghiệm trên thế giới tiến hành nhưng công nghệ và thông số lại được bí mật. Với sự
giúp đỡ của các nhà khoa học hạt nhân, sau 2 năm sản phẩm đa ra đời và như dự đoán, nano
bạc có hiệu lực sát khuẩn rất cao, với E.choli ở các nồng độ 5, 10, 20, 50 ppm, hiệu lực sát
khuẩn đạt 99,4 – 99,99% được Viện vắc xin thử nghiệm nhiều lần và khẳng định không độc
với động vật, môi trường.
Từ nguồn nguyên liệu trên, sản phẩm thuốc trừ bệnh cây MIFUM 0,6 DD được sản xuất
với nồng độ hạt nano bạc 1000 ppm và Chitosan 5000ppm. MIFUM 0,6DD được khảo nghiệm
trừ bệnh đạo ôn, lem lép hạt trên lúa thuộc địa bàn tỉnh Lâm Đồng và đã chứng tỏ ưu việt của
mình, cả 2 liều lượng, 0,5 lít MIFUM 0,6DD và 1 lít MIFUM 0,6DD/ha đều cho đạt hiệu quả
cao trong việc phòng trừ bệnh đạo ôn cổ bông, lem lép hạt trên lúa, nhất là trong giai đoạn 3-7
ngày sau khi phun.
Cũng từ hạt nano bạc của phòng thí nghiệm này, sản phẩm khử mùi hôi HiHi cũng đã được
sản xuất và thương mại hóa.
155
Thành công của nghiên cứu viên Bùi Huy Du, phòng thí nghiệm nano của Đại học Khoa
học tự nhiên đã mở ra khả năng liên kết đa ngành trong nghiên cứu, tạo nên các sản phẩm của
thời đại.
1. CÁC TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU
1.1. Khu công nghệ cao Tp. Hồ Chí Minh.
Tháng 2/2005, TSKH Nguyễn Chánh Khê- giám đốc Trung tâm nghiên cứu và phát
triển, Khu công nghệ cao TP. HCM đã quyết định xây dựng 2 phòng thí nghiệm đầu tiên trong
số 5 phòng thí nghiệm tại Khu công nghệ cao TP.HCM.
Đó là phòng thí nghiệm công nghệ nano và phông thí nghiệm bán dẫn, tập trung nghiên cứu
chiến lược những sản phẩm công nghệ cao có khả năng thương mại hóa liên quan đến than
ống, ứng dụng của hạt co khích thước nano, ứng dụng hạt nano vào năng lượng bán dẫn phát
sóng và công nghệ siêu vi điện tử ứng dụng vào sinh học. Ngoài ra, chế tạo chip nano có độ
lớn dưới 10 nm (nanomet)…
6.1 Chế tạo thành công than nano, đột phá vào công nghệ cao (2003) [1]
Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu thuộc khu Công nghệ cao
TP HCM vừa công bố chế tạo thành công than nano “lỏng”. Đây được xem là một bước đột
phá. Thành công đã mở đường cho Việt Nam tấn công vào thị trường sản xuất vi mạch máy
tính và linh kiện bán dẫn.
Thực chất, than nano là các hạt than bụi, than bồ hóng được tách rời thành dạng hạt có
kích thước nano (khoảng 25-75 nm). Tên gọi “lỏng” của vật liệu dùng để chỉ tính chất đặc biệt
của nó: khi được đặt trong môi trường điện ly, nó có khả năng lấp đầy chỗ trống trong môi
chất - tương tự như tính chất của chất lỏng. Do dùng những nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam
như than bùn, than đá, dầu dừa, than xơ dừa, dầu cặn… Do vậy, giá thành ống nano sản xuất
từ than nano “lỏng” sẽ rẻ hơn khoảng 7-10 lần so với sản phẩm đang được sản xuất trên thế
giới từ plasma (hiện có giá 350 USD/g). Việc triển khai nghiên cứu quy trình chế tạo than
nano “lỏng” bằng nguyên liệu trong nước được bắt đầu từ tháng 7/2003. Một ứng dụng quan
trọng của than nano “lỏng” là dùng để chế tạo ra các ống than nano (carbon nano tube).
Trung tâm Nghiên cứu thuộc Cơ quan Không gian Mỹ - NASA - đặt tại thung lũng
Silicon ở California (NASA Ames Research Center) và Trung tâm R&D thuộc Khu Công
nghệ cao TPHCM ký thỏa thuận hợp tác về việc ứng dụng sản phẩm carbon nano tube do
Trung tâm R&D sản xuất vào các lĩnh vực mũi nhọn của NASA.
Theo đó, NASA sẽ dùng carbon nano tube của VN để sản xuất đầu đọc của kính hiển vi
điện tử có độ phân giải nguyên tử (AFM tips). Đây là ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano
vào việc sản xuất thiết bị khoa học, mang lại siêu lợi nhuận. Bên cạnh đó, NASA đã quyết
định hợp tác để triển khai công nghệ phức chất nano (nano composite) của VN vào việc sản
xuất vỏ phi thuyền vũ trụ. NASA đã chọn sản phẩm carbon nano tube của VN sản xuất nhờ
các tính năng đồng đều, không nhiễm bẩn, giá trị ứng dụng cao và đặc biệt là giá thành rẻ hơn
so với các sản phẩm của Nhật Bản, Trung Quốc.
1.3. Khoa công nghệ hóa học thuộc trường Đại học Bách khoa TP. HCM
Khoa Công nghệ hóa học thuộc trường Đại học Bách khoa TPHCM cũng là nơi nghiên cứu
và đào tạo các cán bộ kỹ thuật nghiên cứu về công nghệ nano để đưa những ứng dụng của nó
vào cuộc sống và kỹ thuật. Các kỹ sư đào tạo, nghiên cứu, triển khai, tiếp nhận và chuyển giao
công nghệ trong các cơ sở nghiên cứu thuộc lĩnh vực Công Nghệ Hóa Học, Công Nghệ Sinh
Học, Công nghệ Thực Phẩm….
Tai Khu công nghệ cao đã thành lập:
Trung tâm nghiên cứu triển khai (2004).
Trung tâm đào tạo (2005).
Vườn ươm Công nghệ và Doanh nghiệp CNC (2006).
Dự kiến sẽ thành lập Quỹ đầu tư mạo hiểm nhằm hỗ trợ hoạt động ươm tạo công.
1.4. Phòng thí nghiệm công nghệ nano lớn nhất Việt Nam [1]
156
Hình 1.
Cán bộ phòng thí nghiệm công nghệ nano thuộc
ĐHQG TPHCM làm việc tại phòng chế tạo màng
(thin films deposition)
- Ngày 18/12, ĐHQG TPHCM đã khai trương phòng thí
nghiệm công nghệ nano với tổng kinh phí đầu tư 4,5 triệu
USD. Đây là cơ sở hiện đại và lớn nhất Việt Nam hoạt động
trong lĩnh vực khoa học và công nghệ micro nano.
- Phòng thí nghiệm hoạt động theo 3 nhiệm vụ chính: nghiên cứu, phát triển vật liệu và
công nghệ micro nano; đào tạo cán bộ về lĩnh vực này.
- Trong hoạt động nghiên cứu và ứng dụng, chuyên gia khoa học công nghệ trong và
ngoài nước có thể đến phòng thí nghiệm để thực hiện công trình nghiên cứu một cách độc lập,
hoặc cùng hợp tác nghiên cứu về micro nano.
- Ngoài ra, phòng thí nghiệm cũng được quyền hợp tác nghiên cứu và đào tạo sau đại học
với các tổ chức giáo dục, đào tạo nước ngoài thuộc lĩnh vực khoa học và công nghệ micro
nano. Thời gian qua phòng thí nghiệm đã thiết lập hợp tác quốc tế được với 13 trường, viện,
trung tâm nghiên cứu của các nước như Mỹ, Pháp, Hà Lan, Thụy Sĩ, Hàn Quốc, Singapore…
2. CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN
2.1. Khu công nghệ cao TPHCM hợp tác với Nasa [2]
Hình 2.
Hình 3.
Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê, Giám đốc trung tâm nghiên cứu và phát triển thuộc khu công
nghệ cao thành phố Hồ Chí Minh cho biết trung tâm vừa ký bản ghi nhớ về hợp tác ứng dụng
công nghệ nano với cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA).
Sau khi nghe báo cáo của tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê về thành quả nghiên cứu chế tạo
cacbon nano tubes tại hội nghị Nano Tech, diễn ra ở Mỹ vào cuối tháng 5 vừa qua, Nasa đã đề
nghị ông hợp tác sử dụng kết quả nghiên cứu trên vào 2 dự án của Nasa. Đó là dự án chế tạo
cacbon nanotubes để làm đầu lọc thông tin kính hiển vi điện tử có độ phân giải nguyên tử
(AFM Tip) và dự án sản xuất nano composite. Ở dự án thứ 2, vật liệu nano composite sản xuất
thành công sẽ được ứng dụng làm vỏ phi thuyền vũ trụ, vỏ máy bay.
2.3. Trung tâm R&D khu Công nghệ cao TP Hồ Chí Minh đã sản xuất được thành phẩm
0,2kg carbon nano tube bằng nguyên liệu và công nghệ mới của Việt Nam [10]
Hình 5.
157
Cuối năm 2007, Trung tâm có thể sản xuất đến 20 kg carbon nano tube. Ngoài ra, con chip
điện tử, pin nhiên liệu cũng sẽ là sản phẩm chủ lực của Trung tâm R&D.
Sản phẩm công nghệ cao của Việt Nam được săn lùng nhất hiện nay chính là carbon nano
tube. Nhiều công ty nổi tiếng về công nghệ cao trên thế giới muốn có một hợp đồng với Trung
tâm R&D để mua sản phẩm siêu lợi nhuận carbon nano tube do Việt Nam chế tạo.
Để làm ra vỏ phi thuyền vũ trụ, vũ khí chống khủng bố…thường cần đến hàng trăm tấn
carbon nano tube. Hiện chỉ có ở Mỹ, Nhật Bản và một số nước châu Âu mới sản xuất được sản
phẩm này nhưng với số lượng rất khiêm tốn. Riêng Mỹ chỉ sản xuất được khoảng 10kg/năm.
Tuy nhiên, một số mẫu phẩm nano sản xuất từ nước ngoài cho thấy chúng bị nhiễm bẩn,
không đồng đều, khó sử dụng mà giá thành lại rất cao.
Trải qua một thời gian nghiên cứu và chế tạo bằng những nguyên vật liệu sẵn có trong
nước, TS Nguyễn Chánh Khê và các cộng sự đã cho ra đời 0,2 kg nano tube thô đầu tiên và
khoảng 4-5 kg carbon nano tube bằng một công nghệ rất mới mà Trung tâm R&D đang làm
chủ và đã đăng ký bản quyền công nghệ tại Mỹ, cũng như đã được hội thảo nano quốc tế lớn
nhất Nanotech 2007 cho phép báo cáo vào tháng 5 sắp tới tại Santa Clara Convention Center.
Hiện nay, theo giá thành thế giới, 1 kg carbon nano tube có thể được bán với giá từ 100.000
– 800.000 USD. Tuy nhiên, theo TS Nguyễn Chánh Khê, sản phẩm của Việt Nam sẽ bán ra thị
trường với giá rẻ hơn nhưng chất lượng tốt hơn, chính vì thế rất nhiều hợp đồng hứa hẹn mang
về cho đất nước hàng triệu USD đang chờ đón ở phía trước.
Bên cạnh carbon nano tube, pin nhiện liệu do Việt Nam sản xuất – một trong những mũi
nhọn của ngành công nghệ cao cũng được thế giới quan tâm. Trong tương lai, pin nhiên liệu sẽ
thay thế dầu hỏa vốn là một nguồn năng lượng đang cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường
trầm trọng.
Hiện nay có khá nhiều công nghệ pin nhiên liệu đã được sản xuất trên thế giới nhằm phục
vụ cho nhu cầu năng lượng của xe cộ, nhà máy phát điện nhỏ. Tuy nhiên, những công nghệ
cho ra sức điện động lớn lại phải sử dụng ở nhiệt độ từ 700 – 1.000c.
Công nghệ pin nhiên liệu của Trung tâm R&D sử dụng than nano “lỏng” kết hợp với
carbon nano tube dạng Y, hoạt động ở nhiệt độ thường, rẻ hơn, có công suất cao hơn và chịu
nhiệt tốt hơn thương phẩm Nafion của Mỹ, đang được nhiều công ty Mỹ ngấp nghé đặt hàng
và muốn hợp tác sản xuất để thương mại hóa. Vật liệu này có thể kết hợp công nghệ sinh học
để làm ra pin nhiên liệu sinh học; hoặc kết hợp vật liệu nano bán dẫn để chế tạo pin mặt trời.
Hiện nay, Trung tâm R&D đang tiến hành thương thảo để ký hợp đồng trong tháng 5/2007
với IAN, AMD – hãng công nghệ cao lừng danh trong việc sản xuất con chíp và đang cạnh
tranh trực tiếp với Intel. Ngoài cuộc hội thảo Nanotech 2007 tại Santa Clara vào tháng 5/2007,
Việt Nam còn được mời báo cáo về những thành tựu trong công nghệ nano tại Carbon
Conferences diễn ra tại Washington vào tháng 7 này.
TS Khê và cộng sự như được “chắp cánh”, khi hai phòng thí nghiệm nano và bán dẫn được
TP đầu tư 190 tỷ đồng, xây dựng trên diện tích 4.000m2 tại Khu Công nghệ cao TP Hồ Chí
Minh đang vào giai đoạn hoàn thiện. Ở đó, có phòng sạch class 10.000 (540m2 ) và class
(60m2 ) sẽ là nơi làm việc lý tưởng của các cộng sự.
Theo TS Khê, từ những kg carbon nano tube đầu tiên, nếu thuận buồm xuôi gió, ông và
các cộng sự sẽ sản xuất 20 kg vào cuối năm 2007 để tung ra thị trường đang khan hiếm hiện
nay.
3. CÁC THÀNH TỰU ĐẠT ĐƯỢC
3.1. Xử lý chất thải độc hại bằng công nghệ nano [12]
Hình12
158
Dưới tác động của ánh sáng khuếch tán, vật liệu bán dẫn có kích thước nano có thể phá vỡ
các liên kết hữu cơ độc hại. Khai thác khả năng này, các nhà khoa học đã ứng dụng vật liệu
bán dẫn TiO2 để làm sạch môi trường.
Từ năm 1996, các viện thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia, bao
gồm Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học, Viện Hóa học, Phân viện Vật liệu tại TP
HCM, Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã hợp tác sử dụng công nghệ nano để nghiên cứu vật liệu bán
dẫn này. Đề tài tập trung vào nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ TiO2 có kích thước hạt
nano lên một số loại vật liệu khác nhau, dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm
như khói thải xe cộ, khói thuốc lá và các hóa chất độc trong nước thải, thuốc trừ sâu... nhờ tác
động khuếch tán của ánh sáng.
Dựa trên các kết quả nghiên cứu cơ bản, hiện nay, các nhà khoa học đã thiết kế và chế thử
thành công tấm panen quang xúc tác TiO2 có cấu trúc nano xốp để đưa vào một số thiết bị làm
sạch môi trường như máy khử mùi, làm sạch không khí, hệ thống lọc nước.
Ứng dụng trên thế giới.
Đi đầu trong ứng dụng hiệu ứng quang xúc tác mạnh của vật liệu bán dẫn TiO2 để làm sạch
môi trường là Nhật Bản và Mỹ. Rất nhiều các sản phẩm mới đã ra đời như gạch men có khả
năng tự làm sạch và diệt vi khuẩn dùng cho các bệnh viện, hệ thống lọc nước sử dụng ánh sáng
tử ngoại và TiO2 để khử các chất độc hữu cơ còn sót lại trong nước sau khi đã xử lý bằng các
phương pháp thông thường, thiết bị làm sạch không khí và mùi…
TiO2 là vật liệu rất bền, không độc hại, rẻ tiền và có thể chế tạo ở Việt Nam. Vật liệu này đã
được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Tuy vậy, việc sử dụng tính chất quang xúc tác của
TiO2 hạt siêu mịn (hạt có kích thước vài chục nano) để làm sạch môi trường còn là vấn đề rất
mới mẻ ở nước ta.
3.3. Chế tạo thành công than nano: Đột phá vào công nghệ cao [10]
Hình 15
- Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê, Giám đốc trung tâm nghiên cứu thuộc khu công nghệ cao
TP. HCM vừa công bố chế tạo thành công than nano “lỏng”. Đây được xem là một bước đột
phá, do trên thế giới chỉ có rất ít nước phát triển, chế tạo được loại vật liệu này.
- Than nano là các hạt than bụi, than bồ hóng được tách rời thành dạng hạt có kích thước
nano (khoảng 25 – 75nm, 1nm bằng 1 phần tỷ mét). Theo ông Khê, tên gọi “lỏng” của vật liệu
dùng để chỉ tính chất đặc biệt của nó: khi được đặt trong môi trường điện ly, nó có khả năng
lập đầy chỗ trống trong môi chất – tương tự như tính chất của chất lỏng.
- Một ứng dụng quan trọng của than nano “lỏng” là dùng để chế tạo ra các ống than nano
(carbon nano tube). Đây là các loại ống dẫn bằng carbon có đường kính nhỏ (chỉ vài phần triệu
159
mm). Việc sử dụng carbon nano tube thay cho dây kim loại cho phép nhà sản xuất tạo ra chíp
nhỏ hơn, tốc độ cao và giá rẻ hơn.
- Trong công nghệ bán dẫn, việc ứng dụng ống than nano hứa hẹn khả năng thay đổi
năng lượng của vùng cấm (band gap energy) và các hiện tượng tunneling xảy ra giữa ống than
nano và môi chất trung gian, từ đó đưa đến những cuộc cách mạng khoa học trong công nghệ
bán dẫn.
Phát minh của tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê là một bước đột phá mới, đưa Việt Nam đi tắt
đón đầu những xuất phát của công nghệ cao.
3.5. Nasa dùng carbon nano tube của Việt Nam làm vỏ phi thuyền [4]
Hình 16.
- Trung tâm nghiên cứu thuộc cơ quan không gian Mỹ - Nasa đặt tại thung lũng Silicon ở
Califonia (Nasa Ames Research Center) và trung tâm R & D thuộc khu công nghệ TP. HCM
ký thỏa thuận hợp tác về việc ứng dụng sản phẩm carbon nano tube do trung tâm R & D sản
xuất vào các lĩnh vực mũi nhọn của Nasa.
- Nasa sẽ dùng carbon nano tube của Việt Nam để sản xuất đầu đọc của kính hiển vi điện
tử có độ phân giải nguyên tử (AFM tips).
- Nasa đã quyết định hợp tác để triển khai công nghệ phức chất nano (nano composite)
của Việt Nam vào việc sản xuất vỏ phi thuyền vũ trụ.
- Nhờ các tính năng đồng đều, không nhiễm bẩn, có giá trị ứng dụng cao và đặc biệt là
giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm của Nhật Bản, Trung Quốc… Carbon nano tube được coi
là vật liệu trung tâm của thế kỷ, được bán trên thị trường thế giới với giá từ 100.000 USD –
800.000 USD/kg.
Nasa cũng đề nghị hợp tác với trung tâm R & D trong việc thường xuyên trao đổi, đào
tạo nhân lực, chia sẻ kinh nghiệm về công nghệ nano. Đây là một trong những thỏa thuận hợp
tác khoa học có ý nghĩa, nâng tầm ngành công nghệ cao Việt Nam khi được một cường quốc
về lĩnh vực này đánh giá cao, hợp tác, học hỏi và chia sẻ kinh nghiệm.
2.7. Tiến sĩ nano
Ở Đà Nẵng, vật liệu nano đã được dùng trong các khẩu trang, quần áo để diệt khuẩn của
Công ty thiết bị y tế Danameco, đặc biệt khi có dịch cúm gia cầm. Tuy nhiên, nano đó phải
mua từ nước ngoài với giá 700 USD cho 20gram nhưng nếu được sản xuất tại Đà Nẵng bằng
dây chuyền công nghệ và ứng dụng phát minh của TS Lâm thì sẽ giảm đáng kể chi phí. Hiện
tại, TS Lâm đang nghiên cứu sản xuất nano có khả năng lưu trữ khí metan để nâng cao hiệu
quả ứng dụng năng lượng biogas cho các công trình của GS – TS Bùi Văn Ga.
Vì vậy, thật bất ngờ một tiến sĩ (TS) ở Đà Nẵng sau thời gian dài tu nghiệp tại Pháp, cùng
với những tháng ngày thực địa tại nhà máy sản xuất nano hàng đầu của Nhật là Microphase
thuộc thành phố Tsukuba, khi trở về Việt Nam đã có thể hoàn chỉnh công nghệ tổng hợp số
lượng lớn nano carbon với thiết bị đơn giản, nguồn nguyên liệu có sẵn ở Việt Nam.
Nhân tố trung tâm của khoa học nano là hiệu ứng kích thước. Khi kích thước giảm tới nanomet
thì các hiệu ứng lượng tử xuất hiện, nên có thể thay đổi các đặc trưng của vật liệu như màu
sắc, nhiệt độ nóng chảy, các tính chất nhiệt, từ, điện, quang mà không cần thay đổi thành phần
hóa học, từ đó dẫn tới hình thành các tính chất mới, sản phẩm mới mà trước đây chưa từng
được khám phá, nghĩa là hàng loạt chất mới sẽ được tạo ra nằm ngoài danh mục bảng tuần
hoàn nguyên tố hóa học.
160
Để sản xuất ra nano cần chất men và chất xúc tác, qua hàng loạt cac quy trình và phản ứng hóa
học tới khi hình thành nano. Thế nhưng sau khi hình thành nano, đến nay các nhà khoa học
trên thế giới cũng chưa biết chất xúc tác sẽ bị đẩy đi đâu, điều đó dẫn đến kết quả nano ra đời
có thể tốt hoặc không tốt; người ta có thể đo đếm được nhưng không thể giải thích được vì sao
có hiện tượng đó. Bằng những nghiên cứu mới nhất, TS Lâm đã tìm ra được vị trí của chất xúc
tác sau khi phản ứng. Do vậy, để nano được tổng hợp hoàn toàn có chất lượng tốt thì quá trình
tổng hợp phải chọn chất men và chất xúc tác không tương tác (hoặc tương tác yếu) với nhau.
Đây là một phát hiện thực sự bất ngờ nhưng có ý nghĩa vô cùng to lớn trong công nghệ sản
xuất nano mà TS Lâm sẽ công bố trong công trình của mình.
Theo TS Lâm, công nghệ nano vẫn còn khá mới mẻ, nếu Việt Nam nắm bắt và chú trọng đầu
tư từ bây giờ thì sẽ đem lại những tiện ích không thể tính hết trong vòng 15-20 năm nữa.
LỜI KẾT
“Tình hình phát triển công nghệ nano ở Việt Nam hiện nay là muộn so với thế giới vì
nước ta còn rất nghèo, tiềm lực khoa học nhỏ bé nên không thể tiến nhanh như các nước tiên
tiến trên thế giới được. Muốn phát triển khoa học và công nghệ nano ở Việt Nam, ngoài sự
quan tâm đầu tư của nhà nước, rất cần sự tham gia của các doanh nghiệp khoa học và công
nghệ nano chỉ có thể phát triển mạnh khi ở trong nước có các nhà máy sản xuất các sản phẩm
của công nghệ nano”.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.
http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Phong-thi-nghiem-cong-nghe-nano-lon-nhatVN/10989316/188/
2.
http://thegioinano.com/
3.
http:// www.vatlyvietnam. org/forum/showthread.php?t=2527
4.
http:// www.bacbaphi.com.vn/entertainment/showthread.php?p=2180124
5.
http://vndghktnn.vietnamgateway. org/new.php?newsid=50610084658
6.
http://nanovietnam. org/forums/showthread.php?t=29
7.
http://vietbao.vn/kinh-te/binh-sua-khu-trung-nano-silver-cuamummybear/11015906/89/
8.
http://vietbao.vn/vi-tinh-vien-thong/viet-nam-che-tao-kinh-hien-vi-nhin-thay-omuc-nano/55061182/226/
9.
http://vietbao.vn/khoa-hoc/hoi-thao-quoc-te-ve-cong-nghe-nano-tai-hanoi/40052738/188/
10.
http://nguoivienxu.vietnamnet.vn/doisongvnx/hdvktrongnuoc/2005/07/471671/
11.
http:// www3.vietnamnet.vn/khoahoc/trongnuoc/2005/11/515950
12.
http://vietbao.vn/khoahoc/xu-ly-chat-thai-doc-hai-bang-cong-nghenano/10717915/188/
13.
http://vst.vista.gov.vn/home/database/an-pham-dien-tu/magazinename.2004-0526.5439/2004/2004-00001/Mltem.2004-05-31.1618/MArticle.2004-0603.4802/marticle-viewnanoviet/content/view/33/22/
5. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA NANO
VÀNG TRÊN CHẤT MANG Fe2O3 [4. Tạp chí hoá học. Tập 45 (6). Trang 671 -675. Năm
2007]
5.1. Mở đầu
Từ xưa vàng là kim loại kém hoạt động về mặt hoá học nên được dùng làm đồ trang sức, đúc
tượng, xây chùa chiền, trang trí nhà thờ mong các tạo vật tồn tại với thời gian. Trong kỹ thuật
hiện đại vàng được sử dụng làm chân các linh kiện điện tử nhằm tạo các mối tiếp xúc bền
161
vững. Tuy nhiên từ giữa những năm 1980 M. haruta và các cộng sự ở Viện nghiên cứu quốc
gia Osaka Nhật Bản đã phát hiện rằng vàng kim loại ở kích thước nanomet có khả năng xúc
tác cho phản ứng oxi hoá khí cacbon monoxit CO không chỉ ở nhiệt độ thường (20-300C) mà
cả ở nhiệt độ thấp (-700C). Phản ứng này vô cùng quan trọng để khử độc và chống cháy nổ
trong không gian kín, ít thoáng như dưới hầm mỏ, trong các thiết bị lặn, tàu ngầm, tàu vũ trụ
hoặc để tái tạo lượng CO2 nhằm ổn định hoạt động của các thiết bị lazer. Vì các hạt vàng kích
thước nanomet rất dễ kết hợp thành các hạt lớn hơn nên chúng thường được phân tán và cách
ly bằng các chất mang như Fe2O3, Co3O4, MnOx, NiO, TiO2, ZrO2… Mặt khác tương tác giữa
các chất này với vàng ở các mức độ khác nhau cũng ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của vật
liệu. Ở Việt Nam đã có công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác vàng trên chất mang
CeO2.
Ở đây sẽ trình bày chi tiết các kết quả chế tạo vật liệu vàng kích thước nanomet trên chất
mang sắt oxit Fe2O3, một loại vật liệu xúc tác được rất nhiều người quan tâm.
5.2 Hoá chất
Các hoá chất được dùng trong thực nghiệm là Fe(NO3)3.9H2O, HAuCl4.4H2O, HNO3 và
Na2CO3 đều có độ sạch P.A; nước dùng loại cất hai lần.
5.3 Thực nghiệm và kết quả
5.3.1 Phương pháp tổng hợp
Dung dịch chứa 20,0 mmol Fe(NO3)3 và HAuCl4 (tỉ lệ nguyên tử Au:Fe = 1:50) trong 40 ml
H2O được đỗ dần vào 30 ml H2O chứa 30,0 nm Na2CO3 với tốc độ 1,5-2 ml/phút trong điều
kiện khuấy liên tục. Giá trị pH của dung dịch nhận được nằm trong khoảng 7,0-8,2 và được
chỉnh bằng Na2CO3 hoặc HNO3. Sau khi để yên ở nhiệt độ phòng 4-5 giờ lọc lấy kết tủa. Rửa
kết tủa bằng nước nóng (~500C) đến hết ion Cl- ( thử với dung dịch AgNO3). Sấy kết tủa ở
500C trong 24 giờ. Mẫu được nung trong không khí lưu 4 giờ ở các nhiệt độ khác nhau và đem
phân tích để xác định cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và hoạt tính xúc tác. Các thao tác thí
nghiệm được thực hiên tối đa trong buồng tối.
5.2.2 Nghiên cứu quá trình phân tích nhiệt
Trên phổ phân tích nhiệt của mẫu trong khoảng từ 25–8000C trong không khí trên máy
Shimadzu DTA-50. Từ phổ nhiệt vi sai DTA có pic thu nhiệt đạt cực đại ở 670C. Trên 1200C
có một quá trình toả nhiệt kéo dài đến gần 4000C. Phổ nhiệt khối lượng TGA và nhiệt khối
lượng vi sai DrTGA cho thấy mẫu phân huỷ chủ yếu ở nhiệt độ dưới 1200C. Từ 1200C đến cỡ
2550C trọng lượng mẫu giảm rất nhỏ, sau đó trọng lượng mẫu giảm rất nhỏ, sau đó trọng
lượng mẫu hầu như không thay đổi. Từ các dữ liệu trên có thể thấy rằng nước ẩm bay hơi chủ
yếu ở nhiệt độ thấp (670C). Trên 670C xảy ra quá trình phân huỷ các hydroxit, muối cacbonat.
Giai đoạn từ 120 đến 2550C có thể tương ứng với quá trình chuyển hoá tiếp của các oxit sắt và
vàng. Sau 2550C mẫu chuyển về trạng thái ổn định dần.
5.2.3 Xác định cấu trúc phổ nhiễu xạ tia X
Trên phổ nhiễu xạ tia X của mẫu lưu 4 giờ ở 1200C, 2000C, 3000C, 4000C và 5000C trong
không khí chụp trên máy nhiễu xạ kế D-5000; tốc độ quét từ 20 đến 700 là 0,20 (20)/s riêng
trong vùng từ 34 đến 420 để xác định chính xác cấu trúc của vàng với hàm lượng nhỏ tốc độ
quét là 0,020 (20)/s. Ở 1200C sắt oxit tồn tại ở trạng thái vô định hình. Ở 2000C tinh thể
Hematite bắt đầu hình thành. Trên 3000C hầu như toàn bộ sắt oxit nằm ở dạng Hematite Fe2O3.
Pic tương ứng với kim loại vàng tại góc rõ nhất 2  = 38,20 cũng cao dần lên theo chiều tăng
của nhiệt độ từ 2000C đến 5000C.
Như vậy, khi tăng nhiệt độ từ 1200C đến 4000C thì song song với quá trình chuyển hoá oxit
sắt vô định hình sang dạng Hematite là quá trình chuyển hoá oxit vàng thành vàng kim loại.
5.2.4 Kết quả phân tích bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua
Mẫu bột sau khi nung được xác định kích thước hạt bằng máy TEM 1010 với độ phân giải 2
A0, điện thế 199 KV, độ phóng đại 30-600.000 lần. Từ các ảnh TEM ở 1200C, 2000C mẫu bột
chủ yếu nằm ở dạng vô định hình, các hạt chưa hình thành. Ở 3000C sắt oxit đã kết tinh ở dạng
162
Hematite. Các hạt Sắt oxit ở dạng cầu lồi. Hạt vàng có kích thước từ 1,2 đến 7,8 nm trong đó
tập trung nhất là 3,5 nm; 70% số hạt vàng có kích thước < 5 nm.
5.2.5 Xác định hoạt tính xúc tác của vàng trong chất nền sắt oxit
Theo M. Haruta và các cộng sự vàng trong chất mang sắt oxit có hoạt tính xúc tác lớn nhất ở
3000C. Kết quả xác định hoạt tính xúc tác của mẫu chế tạo ở nhiệt độ này cho phản ứng oxi
hoá khí CO và H2. Phản ứng được thực hiện trong buồng phản ứng cố định với dòng không
đổi. Khối lượng mẫu bột 100 mg, tốc độ dòng khí 33 ml/phút, thành phần hỗn hợp khí xác
định trên máy sắc ký khí với đầu đo TCD. Thấy 50% khí CO được chuyển hoá ở ~ 500C, còn
khí H2 ở ~ 1300C.
5.3 Kết luận
Đã khảo sát một số điều kiện tổng hợp vật liệu xúc tác vàng kích thước nanomet phân tán
trên chất mang Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa.
Đã chế tạo được xúc tác Au/Fe2O3. Kích thước hạt vàng trên mẫu nung ở 3000C nằm trong
khoảng 1,2-7,8 nm.
Đã xác định được nhiệt độ chuyển hoá 50% CO và H2 trên xúc tác Au/Fe2O3 nung ở 3000C
tương ứng là 44C và 1320C.
6. LẮNG ĐỌNG HOÁ HỌC CACBON TỪ PHA HƠI (CVD) VÀO VẬT LIỆU
GRAPHIT LỖ XỐP NANOMET TẠO PYROGRAPHIT TỶ TRỌNG CAO [9. Tạp chí
hoá học. Tập 45 (5). Trang 536 -541. Năm 2007.]
6.1 Mở đầu
Trong vài năm gần đây, công nghệ lắng đọng hoá học từ pha hơi (Chemical Vapour
Deposition – CVD) được phát triển rất mạnh để tạo ra nhiều loại vật liệu nano có đặc tính khác
nhau như: vật liệu nano các dạng: lớp mỏng (nanofilm), dạng ống (nanotube), dạng cầu
(fullerene)…
Đặc biệt vật liệu nano pyrographit có tỷ trọng cao, đặc sít được tổng hợp theo công nghệ
CVD có nhiều ưu điểm nổi bật: chịu nhiệt độ cao, bền xói mòn bỡi dòng khí nhiệt độ cao nên
được sử dụng trong nhiều chi tiết quan trọng của ngành hàng không vũ trụ chịu được ma sát
của khí quyển cũng như tiếp xúc với luồng lửa phụt.
Kết quả bước đầu nghiên cứu về quá trình CVD hạt nano cacbon từ pha hơi vào vật liệu
graphit xốp, sẽ góp phần tạo vật liệu đặc chủng chịu được nhiệt độ cao, bền xói mòn nhiệt
thường được sử dụng trong kỹ thuật chế tạo các khí cụ bay.
6.2 Phương pháp nghiên cứu
6.2.1 Phối liệu đầu
Bột graphit mịn, được tạo ra từ thỏi điện cực graphit, kết khối bằng nhựa phenolfocmandehit
được tổng hợp từ phenol (P), formalin (37%) và axit clohydric (P). Mẫu graphit xốp được gia
công trên máy ép thuỷ lực 40 tấn.
6.2.2 Hệ thống CVD
Quá trình CVD được thực hiện ở nhiệt độ cao (800–10000C) với hệ dị thể rắn – khí: graphit –
khí (butan, propan – argon) trong thời gian 7 giờ. Mẫu graphit được chế tạo ở nhiệt độ 1651700C trong thời gian 40 phút từ bột graphit có kích thước hạt khác nhau và hàm lượng keo kết
khối khác nhau. Trước khi CVD mẫu được phân huỷ nhiệt (PHN) trong môi trường argon tại
10000C với thời gian 2 giờ. Khi CVD điều chỉnh lưu lượng khí với tốc độ không đổi: 5
ml/phút.
6.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Đã sử dụng tổ hợp thiết bị hiển vi điện tử quét JSM-5410LV Scanning microscope JEOL
(Mỹ) của Đại học Quốc gia Hà Nội để chụp SEM phân tích vi cấu trúc của vật liệu theo vết cắt
và trên bề mặt (khi không được phép phá huỷ mẫu).
6.2.4 Phương pháp hấp phụ phân tích cấu trúc vật liệu
163
Cấu trúc xốp của vật liệu được xác định theo phương pháp hấp phụ bằng hệ thống máy
NOVA 2200 (Mỹ) tai Viện Hoá học - Vật liệu với các thông số về bề mặt riêng, đường đẳng
nhiệt hấp phụ, kích thước lỗ trung bình của vật liệu.
6.3 Kết quả và thảo luận
6.3.1 Tỷ trọng và độ xốp
Ba loại bột graphit sau khi tuyển 30 giây, 15 giây và thô còn lại sau khi tuyển. Có kích thước
quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) được trình bày trên bảng.
Thông số
Mẫu
Mẫu hạt tuyển
Mẫu hạt tuyển 15s
Mẫu hạt thô
Kích thước hạt trung
bình, micromet
76,7
92,6
124
Tỷ trọng, G/cm3
2,035
2,019
1,955
Bảng 1: Kích thước hạt graphit và tỷ trọng của mẫu phôi ban đầu trước khi PHN
Sau khi ép tạo hình các mẫu từ 3 loại bột graphit với hàm lượng nhựa và áp lực ép tạo phôi
như nhau (2000 kG/cm2), đã tiến hành khảo sát tỷ trọng biểu kiến của mẫu. Các kết quả nhận
được: kích thước hạt càng nhỏ thì mẫu sau khi ép có tỷ trọng càng cao, điều này hợp lý bởi vì
mẫu hạt nhỏ khi ép sẽ đặc khít hơn. Sau khi ép, phân huỷ nhiệt (PHN) và CVD các đặc tính cơ
bản như tỷ trọng, độ xốp hở, độ xốp kín của các mẫu.
Sau khi phân huỷ nhiệt tỷ trọng của các mẫu giảm đáng kể, do dưới tác dụng của nhiệt dộ
cao (~10000C), keo kết khối trong mẫu bị phân huỷ chỉ còn lại cacbon để tạo ra các lỗ xốp
mới. Sau khi CVD, độ xốp hở của các mẫu giảm đi rõ rệt, đồng thời tỷ trọng của mẫu cũng
tăng lên do các hạt cacbon được phân huỷ từ pha khí lắng đọng vào các lỗ xốp của mẫu và lấp
đầy các hạt cacbon kích thước nano do đó độ xốp kín cũng tăng lên.
Đặc tính
Mẫu số 1
Mẫu số 2
Mẫu số 3
PHN CVD PHN CVD PHN CVD
Kích thước hạt 76,7 76,7 92,6 92,6 124
124
trung
bình,
micromet
Hàm lượng keo kết 9,16 9,16 9,16 9,16 9,16 9,16
khối, %Kl
Tỷ trọng biểu kiến, 1,895 1,919 1,881 1,906 1,837 1,850
G/cm2
Độ xốp hở, %
7,32 1,12 7,17 0,84 11,23 1,58
14,16 9,79
15,01 7,66
Mẫu số 4
PHN CVD
92,6 92,6
4,80
4,80
1,801 1,916
15,04 4,68
Độ xốp kín,%
9,01
16,74 5,44
10,73
Độ xốp tổng,%
16,33 15,28 16,96 15,85 18,89 18,32 20,48 15,41
Bảng 2: những đặc tính cơ bản của các mẫu nghiên cứu
Kết quả trên bảng 2 cũng cho thấy mẫu số 2 và mẫu số 4 với cùng kích thước trung bình như
nhau nhưng thành phần nhựa khác nhau đã tạo ra lượng lỗ xốp hở khác nhau. Mặc dù tỷ trọng
sau khi phân huỷ nhiệt của mẫu số 4 nhỏ hơn so với tỷ trọng của mẫu số 2 sau khi PHN nhưng
mẫu số 4 sau khi PHN có độ xốp hở (15,04%)ao hơn so với mẫu số 2 sau khi PHN (7,17%).
164
Do vậy sau khi CVD mẫu số 4 có tỷ trọng cao hơn so với mẫu số 2 vì lượng hạt cacbon nano
lắng đọng vào trong không gian lỗ xốp hở nhiều hơn. Tuy nhiên lượng nhựa kết dính không
thể giảm xuống quá thấp, vì như vậy sẽ ảnh hưởng đến độ chắc đặc của mẫu khi ép.
6.3.2 Xác định kích thước bằng kính hiển vi điện tử quét
Sau khi PHN và qua CVD mẫu được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét với
ảnh SEM của mẫu số 1 và mẫu số 4. Sau khi PHN rất xốp, kích thước lỗ xốp rộng khoảng 180200 nm. Mẫu qua CVD cho các lỗ xốp cơ bản đã được điền kín bởi các hạt cacbon lắng đọng
từ hơi hoá học, các hạt cacbon trên bề mặt có kích thước khoảng 120-130 nm.
6.3.3 Kết quả phương pháp hấp phụ phân tích cấu trúc mẫu vật liệu
Mẫu
SBMR, m2/g
DLX, nm
Mẫu số 1 sau khi PHN
34,2756
23,2390
Mẫu số 1 sau khi CVD
14,3722
2,9681
Mẫu số 4 sau khi PHN
28,9772
22,4020
Mẫu số 4 sau khi CVD
8,8827
4,9543
Bảng 3: Kết quả phân tích bề mặt bằng phương pháp hấp phụ
Diện tích bề mặt riềng của mẫu sau CVD nhỏ hơn nhiều so với diện tích bề mặt riêng của
mẫu sau khi PHN và đường kính lỗ trung bình của mẫu CVD cũng nhỏ hơn đường kính lỗ
trung bình của mẫu PHN. Kết quả trên hoàn toàn phù hợp với các kết quả của phương pháp
kính hiển vi điện tử quét, vì các lỗ của mẫu CVD đã bị lấp đầy bởi các hạt cacbon nano lắng
đọng từ pha khí. Diện tích bề mặt riêng của mẫu sau CVD chứng minh rằng vật liệu
nanopyrographit chế luyện được là vật liệu đặc sít. Điều này được thể hiện rõ thêm trên giản
đồ hấp phụ và giải hấp phụ của mẫu CVD và mẫu PHN.
Mẫu PHN vẫn xốp nên đường hấp phụ đẳng nhiệt có dạng đúng theo các định luật hấp phụ,
đường hấp phụ và đường giải hấp phụ gần nhau, trong khi đó, đường hấp phụ đẳng nhiệt của
mẫu CVD thì lại có dạng hoàn toàn khác. Sau khi quá trình hấp phụ kết thúc, quá trình giải
hấp phụ không diễn ra như trong mẫu PHN, vùng trễ trên đường giải hấp phụ rất dài, chất hấp
phụ thoát ra khỏi mẫu rất khó khăn. Điều này có nghĩa là các lỗ mao quản trên mẫu CVD có
đường kính rất nhỏ nên áp suất hơi trên mao quản nhỏ, do đó khi giảm giá trị P/P0 cũng không
kéo được chất hấp phụ có dạng gần như là nằm ngang, chứng tỏ rằng mẫu CVD nanopygraphit
sít chặt.
6.4 Kết luận
Công nghệ lắng đọng hoá học (CVD) cacbon phân huỷ từ pha hơi được sử dụng để tạo ra vật
liệu nanopygraphit có độ đặc sít cao sẽ cho các đặc tính đặc biệt cho vật liệu. Phương pháp
kính kiển vi điển tử quét đã cho thấy rõ kích thước các hạt cacbon trên lỗ xốp, kích thước lỗ
xốp của vật liệu phôi graphit ban đầu, sau khi phân huỷ nhiệt và sau CVD. Các kết quả thu
được từ phương pháp hấp phụ phân tích cấu trúc xốp bằng thiết bị NOVA cũng minh chứng
thêm điều này. Các nghiên cứu đã chứng minh thêm điều này. Các nghiên cứu đã chứng tỏ vật
liệu nanopygraphit đặc sít đã được chế tạo và hứa hẹn mở rộng phạm vi ứng dụng trong thực
tiễn.
7. MẠ NANO - CHẾ TẠO MÀNG TỪ CỨNG FePt TRÊN ĐẾ n-Si [10. Tạp chí hoá học.
Tập 45 (4). Trang 448 -451. Năm 2007.]
7.1 Mở Đầu
Trong những năm gần đây, hợp kim FePt được đánh giá như là một vật liệu từ cứng hấp dẫn
hơn hẳn các hợp kim Co hai nguyên và ba nguyên quen thuộc về một số tính chất từ quan
trọng như độ kháng từ (Hc), hằng số dị hướng từ tinh thể (Kc), độ từ dư (Mr), tính năng lượng từ
(MH)max… đặc biệt khi được chế tạo ở dạng màng mỏng, dự kiến sử dụng trong lĩnh vực ghi
từ mật độ siêu cao trong tương lai hoặc để chế tạo các micro nam châm vĩnh cửu trên cơ sở vật
liệu tổng hợp nano công nghệ MEMS. Cũng như phần lớn các vật liệu tiên tiến khác, lúc đầu
165
thường được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng vật lý trong chân không cao (MBE, phún có
tần số Rf, lắng đọng lase xung), song để đáp ứng sự pháp triển nhanh chóng của công nghệ
tiểu hình hoá như MEMS, thì giá thành vật liệu dù là quý hiếm như hợp kim Pt sẽ không đáng
kể so với giá thành công nghệ chế tạo. Vì vậy nhiều phương pháp chế tạo đơn giản nhưng khá
hiệu quả ngày càng được chú ý như kỹ thuật tổng hợp hoá học ướt dựa trên cơ sở ‘’phản ứng
khử polyl’’ của các muối cơ kim loại cùng tên để tạo ra tập hợp hạt đơn phân tán FePt kích
thước nano tráng trên các đế thích hợp, hoặc còn đơn giản hơn nữa là kỹ thuật kết tủa điện hoá
- gọi tắt mạ nano như đã áp dụng thành công.
Phần này, sẽ trình bày một số kết quả bước đầu về việc chế tạo màng mảng từ cứng FePt tên
đế n-Si từ một dung dịch duy nhất chứa ion Pt4+ và Fe2+ bằng phương pháp mạ xung dòng.
7.2 Thực nghiệm
Dung dịch mạ có thành phần cơ bản như sau: H2[PtCl6] 1 nM/l; FeSO4 + FeCl2 0,1 M/l;
Na2SO4 0,525 M/l và phụ gia ức chế oxi hoá Fe2+. Hoá chất sử dụng có độ tinh khiết PA, hoà
tan trong nước cất hai lần, pH được điều chỉnh 3-3,5 bằng HCl. Đế n-Si được làm sạch và phủ
Cu lót trước khi mạ.
Việc đồng kết tủa Pt4+ và Fe2+ gặp những khó khăn nhất định. Thật vậy, điện thế kết tủa của
Pt từ dung dịch [Pt4+] 1 nM/l khoảng +0,816 V (NHE) dương khá xa so với Fe từ dung dịch
[Fe2+] 0,1 M/l khoảng -0,468 V (NHE). Vì vậy việc chọn chế độ mạ xung dòng để điều khiển
quá trình đồng kết tủa thuận lợi hơn chế độ mạ xung thế. Ngoài ra để đảm bảo quá trình đồng
kết tủa sau vùng dòng giới hạn của ion Fe2+, dung dịch mạ được chọn với tỷ lệ [Fe2+]/[Pt4+]
gần bằng 100 là thích hợp với điều kiện xung dòng, không khuấy và nhiệt độ phòng. Như vậy,
quá trình kết tủa của Pt hoàn toàn do khuếch tán quyết định. Bể mạ được nối với hệ điện hoá
đa chức năng IM6e (Zahner, Đức), tiến hành ở chế độ xung dòng catot hình chữ nhật chọn
xuất phát i1 = 0 mA/cm2, t1 = 0,2s sau đó nhảy lên nấc i2 =6 mA/cm2, t2 = 1s. Số chu kỳ lập lại
của xung là 200 (mẫu M1) và 40 (mẫu M2). Đáp ứng điện thế điện cực khi xung dòng là dao
động hình chữ nhật tương ứng giữa +0,8V đến -1,0V (SCE).
Thông thường thì màng hợp kim FePt chế tạo xong bằng phương pháp vật lý (rf – sputtering)
có cấu trúc mất trật tự fcc (lập phương tâm mặt) chưa có đặc trưng từ cứng (đường cong từ trễ
M-H với độ kháng từ Hc còn rất thấp), chỉ sau khi ủ nhiệt (Ta ~ 500-7000C) mới chuyển thành
pha trật tự fct (tứ diện tâm mặt – còn gọi là cấu trúc L10) điển hình từ cứng với độ kháng từ Hc
vượt trội. Màng kết tủa bằng phương pháp điện hoá trong điều kiện có thoát H2 kèm theo có
cải thiện qua trình chuyển pha fcc thành fct không? Phân tích cấu trúc và độ dày của màng
được xác định bằng nhiễu xạ tia X (XRD, Bruker D-5005 với tia CuK2, bước sóng bằng
1,54056). Hình thái học và thành phần hoá học của hợp kim được xác định bằng kính hiển vi
điện tử SEM có phân tích EDX (SEM 5410LV, Jeol). Các tính chất từ được đo trên từ kế
màng rung (VSM).
7.3 Kết quả và thảo luận
Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M1 (dày 117 nm) khi chưa ủ nhiệt và ủ nhiệt cho thấy trạng thái
kết tủa vô định hình ban đầu đặc trưng fcc với pic (111) duy nhất (2  ~ 40,80) chuyển sang
pha tinh thể khi nhiệt độ ủ tăng dần từ 5500C – 6500C với các pic fct (001), (110), (111), (200),
(201), và (112). Tỷ số pic (001)/pic (002) được xem là đặc trưng của độ trật tự hoá học L10
của từ cứng FePt liên quan đến đặc tính từ tăng vọt.
Các kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu M2 (dày 87 nm) theo nhiệt độ ủ tương tự hoàn
toàn với mẫu M1.
Mẫu Xung dòng
I2(t2)
M1
M2
166
6 mA/cm2(1s)
6 mA/cm2(1s)
Số
chu
Kỳ
200
40
Chiều
Thành
dày
phần
màng, nm màng
117
Fe55Pt45
87
Fe58Pt42
Tính chất từ cứng Hc
(ở Ta)
8,7 kOe (6500C)
11,52 kOe (6500C)
Bảng 1: Các thông số mạ xung dòng và tính chất từ cứng của màng FePt
7.4 Kết luận
Tuy chưa có điều kiện nghiên cứu hệ thống về mối quan hệ ảnh hưởng của chế độ điện phân
đến cấu trúc hoá học và biến thiên tính chất từ cứng của màng, song những kết quả thu được
trình bày ở bảng 1 cho phép rút ra những kết luận định hướng phù hợp với các tác giả khác
như sau:
Chế độ mạ xung dòng ở nồng độ dung dịch mạ nói trên cho phép khống chế thành phần hợp
kim FePt trong khoảng 40-65% nguyên tủ Fe (vì pha  3-FePt hình thành có thành phần Fe ~
45-67% nguyên tử Fe)
Sự chuyển pha fcc  fct xảy ra ở nhiệt độ ủ Ta = 550-6500C và tối ưu ở Ta = 6500C.
Độ kháng từ của màng FePt tăng từ Hc =8,7 kOe (mẫu M1) lên 11,52 kOe (mẫu M2) khi
giảm độ dày kết tủa từ 117 nm xuống 87 nm. Giá trị Hc = 11,52 kOe.
8. TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA Cu2O KÍCH THƯỚC NANO
[11.Tạp chí hoá học. Tập 45 (3). Trang 299 -303. Năm 2007.]
8.1 Mở đầu
Cùng với công nghệ phát triễn của công nghệ nano, Cu2O nano đã được sử dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau như: làm bộ cảm biến áp suất oxi màng mỏng, chất bán dẫn loại p, pin mặt
trời màng mỏng, nguyên liệu cho công nghệ dược phẩm và các thiết bị y tế… Ngoài ra, Cu2O
nano có diện tích bề mặt lớn nên nó là vật liệu đầy triển vọng làm xúc tác cho các phản ứng
hoá học. Cu2O nano đã được tổng hợp bằng một số phương pháp khác nhau như: Oxi hoá
nhiệt, thuỷ nhiệt, phân huỷ hoá học pha khí, khử điện hoá và chiếu tia  … Xin giới thiệu tổng
hợp Cu2O bằng phương pháp khử muối đồng (II) trong dung dịch bằng hidrazin khi có mặt các
chất hoạt động bề mặt khác nhau. Các đặc trưng của vật liệu được khảo sát bằng phương pháp
nhiễu xạ tia X (XRD), các phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử
truyền qua độ phân giải cao (HRTEM).
8.2 Thực nghiệm
8.2.1 Tổng hợp đồng (I) oxit
Cu2O nano được tổng hợp dựa trên phương pháp của tác giả WenZong Wang. Trong công
trình này, ngoài PEG còn sử dụng PVA và LA làm chất hoạt động bề mặt.
Cho một lượng chất hoạt động bề mặt (PEG: Polytylenglycol, PVA: Polyvinylancol, hoặc
LA: laurylsunfar) với lượng đã tính toán trước cho từng thí nghiệm và 0,179g CuCl2.2H2O vào
200 ml nước, khuấy đều hỗn hợp trên máy khuấy từ với tốc độ không đổi trong 15 phút. Sau
đó thêm từ từ một lượng KOH 6 M để thu được kết tủa màu xanh Cu(OH)2. Khuấy đều thêm
15 phút nữa, cho từ từ một lượng hidrazin (N2H4.H2O 100%) tính trước, khi kết tủa chuyển
hoàn toàn sang màu đỏ gạch thì ngừng khuấy, đem ly tâm và rữa vài lần bằng nước cất, sấy
khô ở 600C trong tủ sấy chân không khoảng 3 giờ. Sản phẩm được bảo quản trong không khí.
8.2.2 Phương pháp vật lý nghiên cứu đặc trưng vật liệu Cu2O nano
Sản phẩm thu được được nghiên cứu bằng các phương pháp sau:
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Sản phẩm được ghi nhiễu xạ D8 ADVANCE (Bruker-Đức, Khoa
Hoá học, ĐHKHTN) với bức xạ CuK  (  = 0,15406 nm, 40 kV, 40 mA), góc đo 25-800.
- Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu được ghi trên máy EM125 của Viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam, ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) được
ghi trên máy JEM-4000EX (ghi tại Đức).
8.3 Kết quả và thảo luận
8.3.1 Kết quả nhiễu xạ tia X
Giản đồ nhiễu xạ tia X thu được hoàn toàn trùng khớp với phổ của Cu2O trong thư viện phổ
chuẩn. Do đó có thể khẳng định sản phẩm thu được là Cu2O đơn pha, không bị lẫn tạp chất và
bền trong không khí. Kích thước hạt trung bình được tính theo công thức Debye-Scherrer:
167
D = 0,9 /  (  cos  )
Ký
mẫu
hiệu PVA, g
KOH, ml
N2H5OH,
ml
Thành phần Kích thước
pha
hạt, nm
PVA 1
0,200
1,2
1,2
Cu2O +Cu
24,3
PVA 2
0,200
1,2
1,0
Cu2O + Cu
25,3
PVA 3
0,200
1,2
0,8
Cu2O
26,6
PVA 4
0,200
1,2
0,6
Cu2O
30,2
PVA 5
0,150
1,2
0,8
Cu2O
27,4
PVA 6
0,250
1,2
0,8
Cu2O
21,1
PVA 7
0,300
1,2
0,8
Cu2O
20,6
Bảng 1: Kích thước hạt phụ thuộc vào lượng PVA và Hidrazin
Ký
mẫu
hiệu
PEG 1
PEG 2
PEG 3
PEG 4
PEG 5
PEG 6
PEG 7
PEG 8
PEG 9
PEG 10
Ký
hiệu
mẫu
LA 1
LA 2
LA 3
LA 4
LA 5
LA 6
LA 7
LA 8
LA 9
LA 10
LA 11
168
PPEGa, g
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
0.500
1.000
1.500
2.500
PEG (gam)
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,005
0,010
0,025
0,100
0,150
KOH,
ml
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
KOH (ml)
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
N2H5OH,
ml
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,1
0,2
0,2
0,2
0,2
N2H5OH,
(ml)
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Thành
phần pha
Cu2O+ Cu
Cu2O+ Cu
Cu2O+ Cu
Cu2O+ Cu
Cu2O
Cu2O+ Cu
Cu2O
Cu2O
Cu2O
Cu2O
Thành phần
pha
Cu2O+ Cu
Cu2O
Cu2O
Cu2O
Cu2O
Cu2O
Cu2O+ Cu
Cu2O+ Cu
Cu2O
Cu2O
Cu2O
Kích
thước hạt,
nm
17,9
19,9
19,9
20,0
25,8
38,0
31,5
30,9
27,8
25,5
Kích thước
hạt, nm
21,9
22,4
23,0
24,6
25,5
26,7
19,7
20,7
23,0
19,3
19,0
Bảng 2:
Kích
thước hạt
phụ thuộc
vào lượng
PEG và
hidrazin
Bảng 3: Kích thước hạt phụ thuộc vào lượng LA và hidrazin
Kết quả tính kích thước hạt cho các mẫu được trình trong bảng 1,2 và 3. Từ bảng 1, 2 và 3 ta
thấy kích thước trung bình dao động trong các khoảng tương ứng 20-30 nm, 18-32 nm và 1927 nm.
Lượng chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng lớn kích thước hạt trung bình. Việc sử dụng PVA
và LA là hiệu quả hơn so với PEG vì lượng PVA và LA đều sử dụng ít hơn nhiều so với PEG
nhưng sản phẩm thu lại có kích thước nhỏ hơn so với khi dùng PEG.
Lượng hidrazin cũng ảnh hưởng tới kích thước hạt trung bình của Cu2O. Trong môi trường
kiềm, hidrazin là chất khử mạnh:
CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2 + 2 NaCl
4Cu(OH)2 + N2H4 = 2Cu2O + N2 + 6H2O
Khi lượng hidrazin tăng thì kích thước hạt Cu2O giảm, đặc biệt khi dùng chất hoạt động bề
mặt là PEG. Tuy nhiên khi lượng hidrazin quá lớn thì sẽ thu được pha Cu kim loại (mẫu 1-2
bảng 1; mẫu 1-4 bảng 2; mẫu 1,7,8 bảng 3). Điều này là do Cu2O sinh ra tiếp tục bị khử bởi
hidrazin dư:
2Cu2O +N2H4 = 4Cu + N2 + 2H2O
Tuy nhiên, khi lượng hidrazin quá ít sẽ the được sản phẩm có lẫn CuO (mẫu 6 bảng 2). Ảnh
hưởng của hidrazin đến kích thước hạt trung bình của Cu2O còn phụ thuộc vào lưọng kiềm
trong dung dịch. Trong môi trường kiềm, hidrazin và chất khử mạnh, do đó lượng kiềm càng
tăng khử của hidrazin càng mạnh. Khi sử dụng chất hoạt động bề mặt PVA và LA, dùng 1,2
ml KOH 6 M. Nhưng khả năng bảo vệ của PEG là yếu hơn nên nếu giữ lượng kiềm này thì
quá trình khử xảy ra rất mạnh làm cho trong sản phẩm thu được có lẫn cả pha Cu kim loại. Do
vậy khi dùng PEG thì phải giảm lượng KOH xuống còn 0,6 ml.
Kết quả tối ưu khi sử dụng PVA là mẫu PVA7, khi sử dụng PEG là mẫu PEG10 còn khi
dùng LA thì mẫu tối ưu là LA11.
8.3.2 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao
(HRTEM)
Ảnh TEM của mẫu PEG10 cho thấy sản phẩm thu được không chỉ có dạng hạt mà còn có thể
có cỏ dạng sợi. Dạng hạt có đường kính khoảng 40 nm còn dạng sợi có đường kính khoảng 15
nm.
Ảnh HRTEM của mẫu PVA7 cho thấy một đơn thể Cu2O của mẫu PVA7 có đường kính 15
nm.
8.4 Kết luận
Đã tổng hợp được Cu2O nano khi sử dụng chất khử là hidrazin với các chất hoạt động bề mặt
khác nhau (PEG, PVA và LA).
Bằng phương pháp XRD, TEM và HRTEM cho thấy trong điều kiện tối ưu, sản phẩm là
Cu2O tinh khiết, ở dạng hạt có kích thước trung bình 20 nm hoặc ở dạng sợi có đường kính 15
nm.
169
MỤC LỤC
PHẦN THỨ NHẤT: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC CÁC HỆ PHÂN TÁN KEO…..01
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI HỆ KEO.................................................... 01
1.1. KHÁI QUÁT VỀ HOÁ HỌC CHẤT KEO ......................................................................01
1.2. KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ PHÂN TÁN.....................................................................................01
1.3. PHÂN LOẠI CÁC HỆ KEO..............................................................................................02
1.3.1. Phân loại theo kích thước hạt..........................................................................................02
1.3.2. Phân loại theo trạng thái tập hợp ....................................................................................03
1.3.3. Phân loại theo tương tác giữa các hạt..............................................................................03
1.3.4 Phân loại theo tương tác giữa pha phân tán và môi trường phân tán ..............................04
1.4 VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA CỦA HOÁ KEO TRONG ĐỜI SỐNG VÀ KĨ THUẬT ..........04
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO...05
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO ....................................................05
2.1.1 Điều chế dung dịch keo bằng phương pháp phân tán .......................................................05
a. Nguyên tắc ......................................................................................................... ...............05
b. Phương pháp phân tán bằng cơ học ...................................................................................06
c. Phương pháp phân tán bằng sóng siêu âm .........................................................................06
d. Phương pháp phân tán bằng hồ quang ...............................................................................06
e. Phương pháp phân tán bằng keo tán ..................................................................................06
2.1.2 Điều chế dung dịch keo bằng phương pháp ngưng tụ ......................................................07
a. Nguyên tắc .........................................................................................................................07
b. Ngưng tụ trực tiếp .............................................................................................................08
c. Phương pháp thay thế dung môi ........................................................................................08
d. Phương pháp dùng phản ứng hoá học ...............................................................................08
2.2. TINH CHẾ DUNG DỊCH KEO .........................................................................................08
2.2.1. Thẩm tích..........................................................................................................................08
2.2.2. Điện thẩm tích .................................................................................................................09
2.2.3. Siêu lọc .....................…...................................................................................................09
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ...................................10
3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ .................................................................................10
3.1.1. Một số khái niệm cơ bản ..................................................................................................10
3.1.2. Các phương trình hấp phụ ................................................................................................10
3.1.2.1. Phương trình Frendlich .................................................................................................10
3.1.2.2. Phương trình Langmuir .................................................................................................11
3.1.2.3. Phương trình BET .....…...............................................................................................12
3.2. CÁC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ CƠ BẢN ...........................................................................12
3.2.1 Sự hấp phụ trên giới hạn dung dịch khí.............................................................................12
a. Sức căng bề mặt ......................................................................................................................12
b. Phương trình Gibbs.................................................................................................................14
c. Chất hoạt động bề mặt.............................................................................................................15
d. Phương trình Sitkopxky .........................................................................................................16
e. Quy tắc Traube – Ducle .........................................................................................................16
f. Cấu tạo lớp bề mặt trên gianh giới dung dịch – khí ...............................................................16
3.2.2. Sự hấp phụ trên giới hạn bề mặt rắn - dung dịch..............................................................18
a. Sự hấp phụ phân tử .................................................................................................................18
b. Sự hấp phụ ion trong dung dịch các chất điện li ....................................................................19
170
3.2.3. Hiện tượng thấm ướt............................................. ...........................................................16
CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN...........20
4.1 CHUYỂN ĐỘNG NHIỆT VÀ CHUYỂN ĐỘNG BRAO .................................................20
4.2. SỰ KHUYẾCH TÁN TRONG DUNG DỊCH THỰC VÀ DUNG DỊCH KEO................22
4.2.1. Sự khuyếch tán trong dung dịch thực ..............................................................................22
a. Định luật Fích 1 .....................................................................................................................22
b. Định luật Fích 2 .....................................................................................................................22
c. Phương trình Anhxtanh..........................................................................................................23
4.2.2. Sự khuyếch tán trong dung dịch keo - Phương trình Anhxtanh-Smolukhopsky............23
4-3. ÁP SUẤT THẨM THẤU CỦA DUNG DỊCH KEO.........................................................24
4.4. SỰ SA LẮNG TRONG HỆ KEO.......................................................................................25
4.4.1. Độ bền sa lắng .................................................................................................................25
4.4.2. Cân bắng sa lắng .............................................................................................................26
4.4.3 .Phương pháp phân tích sa lắng .......................................................................................26
CHƯƠNG 5: TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC HỆ KEO .......................................28
5.1. SỰ PHÂN TÁN ÁNH SÁNG ............................................................................................28
5.2. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG................................................................................................29
5.3. MÀU SẮC CỦA CÁC HỆ THỐNG KEO........................................................................30
5.4. DỤNG CỤ QUANG HỌC ĐỂ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KEO ..................................31
5.4.1. Kính hiển vi và kính siêu vi…………………………………………………………….31
5.4.2. Kính hiển vi điện tử……………………………………………………………………32
5.4.3. Đục kế ………………………………………………………………………………….32
CHƯƠNG 6: TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG KEO ...............................................32
6.1. CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC .........................................................................32
6.1.1. Các hiện tượng điện động học loại 1……………………………………………………32
6.1.2. Các hiện tượng điện động học loại 2……………………………………………………33
6.2. CẤU TẠO CỦA LỚP KÉP ...............................................................................................33
6.2.1. Thuyết Hemhon (Helmholtz)…………………………………………………………...33
6.2.2. Thuyết Guy - Sepmen (Gouy -Chapman)………………………………………………34
6.2.3. Thuyết Stec (Stern)…………………………………………………………………….35
6.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN THẾ ĐIỆN ĐỘNG HỌC ..............................36
6.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly trơ…………………………………………………………36
6.3.2. Ảnh hưởng của chất điện ly không trơ…………………………………………...…….36
6.3.3. Ảnh hưởng của sự pha loãng và làm đậm đặc sol……………………………………..36
6.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ……………………………………………………………..….37
6.3.5. Ảnh hưởng của môi trường phân tán…………………………………………………...37
6.4. BIỂU THỨC TOÁN HỌC CỦA THẾ  ...........................................................................37
6.5. CẤU TẠO CỦA HẠT KEO ..............................................................................................37
CHƯƠNG 7: ĐỘ BỀN VỮNG VÀ SỰ KEO TỤ CỦA HỆ THỐNG KEO GHÉT LƯU..39
7.1. LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC MIXEN .........................................................................39
7.2. SỰ KEO TỤ CÁC DUNG DỊCH KEO BẰNG CHẤT ĐIỆN LY .................................. 40
7.3. ĐỘNG HỌC CỦA SỰ KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY..............................................41
7.4. HIỆN TƯỢNG ĐẶC BIỆT KHI KEO TỤ BẰNG CHẤT ĐIỆN LY ..............................42
7.4.1. Hiện tượng thứ nhất…………………………………………………………………….42
7.4.2. Hiện tượng thứ hai………………………………………………………….………… 42
7.4.3. Hiện tượng thứ ba…………………………………………………………………..….43
171
7.4.4. Hiện tượng thứ tư …………………………………………………………………..….43
7.4.5. Hiện tượng thứ năm……………………………………………………………..……..43
CHƯƠNG 8: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CẤU THỂ CỦA HỆ THỐNG KEO......................43
8.1. SỰ HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CẤU THỂ TRONG CÁC HỆ KEO………..43
8.1.1. Cấu thể keo tụ…………………………………………………………………………..44
8.1.2. Cấu thể ngưng tụ kết tinh ………………………………………………………………45
8.2. ĐỘ NHỚT CỦA HỆ THỐNG KEO..................................................................................45
8.2.1. Khái niệm độ nhớt ……………………………………………………………………...45
8.2.2. Độ nhớt của hệ keo ………………………………………………………….………….45
8.2.3. Sự phụ thuộc của độ nhớt vào nồng độ ………………………………………………..46
CHƯƠNG 9: CÁC HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ - LỎNG RẮN ....................................................................................................................................…..47
9.1. HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN KHÍ.......................................….......47
9.1.1. Tính chất quang học của aerosol………………………………………………………..47
9.1.2. Tính chất động học phân tử của aerosol………………………………………………..47
9.1.3. Tính chất điện của aerosol……………………………………………………………...47
9.1.4. Độ bền vững tập hợp của các aerosol…………………………………………………..48
9.1.5. Điều chế và phá huỷ aerosol……………………………………………………………48
9.1.6. Ý nghĩa thực tế của aerosol……………………………………………………………..48
9.2 HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN LỎNG..............................................48
9.2.1 Huyền phù………………………………………………………………………….……48
9.2.2. Nhũ tương ………………………………………………………………………….…..48
1. Phân loại nhũ tương…………………………………………………………………….…..48
2. Độ bền vững tập hợp và bản chất của chất nhũ hoá………………………………………..49
3. Sự đảo tướng……………………………………………………………………………….49
9.2.3. Bọt ……………………………………………………………………………………..50
9.3. HỆ PHÂN TÁN VỚI MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN RẮN................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………….50
PHẦN THỨ HAI: MỘT SỐ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA CÁC HỆ PHÂN TÁN KEO
CHƯƠNG 10: HÓA KEO TRONG THỔ NHƯỠNG (HỆ KEO ĐẤT) ………………….51
1.1. KHÁI QUÁT ……………………………………………………………………………..51
1.2. CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CỦA KEO ĐẤT …………………………..51
1.2.1. Cấu tạo …………………………………………………………………………………51
1.2.2. Phân loại keo đất . …………………….……………………………………………….53
1.2.3. Tính chất của keo đất …………………………………………………………………..54
1.3. TÍNH TỤ KEO VÀ SỰ TÁN KEO ……………………………………………………..54
1.3.1. Sự tụ keo ………………………………………………………………………………..55
1.3.2. Khả năng tán keo ……………………………………………………………………….55
1.4. VAI TRÒ CỦA KEO ĐẤT ………………………………………………………………55
Bài tham khảo: KEO ĐẤT-TRUNG TÂM HOẠT ĐỘNG SỐNG CỦA SINH THÁI MÔI
TRƯỜNG ĐẤT ……………………………………………………………………………….56
1. KEO ĐẤT: VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA ……………………………………………………...56
2. THÀNH PHẦN, CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA KEO ĐẤT …………………………...56
2.1. Thành phần keo đất..……………………………………………………………………...56
2.2. Phân loại …………………………………………………………………………….……56
172
2.3. Cấu tạo hạt keo đất ………………………………………………………………….……57
2.4. Đặc tính cơ bản của keo đất …………………………………………………….……….58
3. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CỦA KEO ĐẤT ………………………………………………...58
3.1. Hấp phụ cơ học ……………………………………………………………………….…58
3.2. Hấp phụ sinh học …………………………………………………………………….….58
3.3. Hấp phụ phân tử …………………………………………………………………….……58
3.4. Hấp phụ trao đổi (hấp phụ ion) ……………………………………………………….….59
3.5. Hấp phụ hoá học của môi trường đất……………………………………………………..60
4. TÍNH CHẤT CHUA KIỀM CỦA ĐẤT ……………………………………………….…..61
4.1. Phản ứng môi trường thông qua dung dịch đất …………………………………….…….61
4.2. Nguyên nhân gây chua môi trường đất …………………………………………….…….61
4.3. Độ chua của môi trường đất………………………………………………………………61
4.4. Phản ứng chua của môi trường đất thông qua dung dịch đất ……………………………62
4.5. Ảnh hưởng chua độ chua kiềm đến thực vật ……………………………………………..62
5. TÍNH ĐỆM CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẤT...…………………………………………………63
5.1. Định nghĩa ………………………………………..………………………………………63
5.2. Vai trò …………………………………………………………………………………….63
5.3. Nguyên nhân ……………………………………………………………………………..63
6. ĐẶC TÍNH OXIHÓA - KHỬ CỦA MÔI TRƯỜNG SINH THÁI ĐẤT …………………65
6.1. Vai trò của Oxihoa – Khử ………………………………………………………….……65
6.2. Phản ứng Oihoa – Khử ……………………………..……………………………………65
6.3. Các vi sinh vật háo khí tham gia vào quá trình Oihoa-Khử ……………………………..65
6.4. Quá trình Oxihóa – Khử của các ion kim loại điển hình ………………….…………….66
7. PHƯƠNG PHÁP NÔNG HÓA CẢI TẠO MÔI TRƯỜNG ĐẤT .………………………..67
7.1. Cải tạo đất chua …………………………………………………………………………..67
7.2. Cải tạo đất kiềm ………………………………………………………………………….68
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………....69
CHƯƠNG 11: HẤP PHỤ VÀ ỨNG DỤNG ……………………………………………….70
11.1. LÝ THUYẾT HẤP PHỤ ……………………………………………………………….70
11.2. HẤP PHỤ VÀ XÚC TÁC …..…………………………………………………………70
11.2.1. Sự hấp phụ hoá học của các khí trên bề mặt kim loại …………..……………………70
11.2.2. Quy tắc Volcano ………………………………………………………………………71
11.2.3. Xúc tác axit rắn và xúc tác lưỡng chức trong công nghiệp dầu mỏ …..………………72
11.2.4. Xúc tác trong quá trình tổng hợp và oxy hoá amoniac ……………………………….73
11.3. HẤP PHỤ VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG ………………………………………………74
11.3.1. Hấp phụ trong xử lý ô nhiễm khí …………………………………………..…………74
11.3.2. Hấp phu trong xử lý ô nhiễm nước …………………………...………………………75
Bài tham khảo: XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM ASEN …………………………………………80
1.Tác động của Asen đối với sức khoẻ con người và sinh vật …..……………..80
2.Công nghệ xử lý nước ô nhiễm do Asen …………………………………..……80
2.1.Trao đổi ion………………………………………………………………………80
2.2.Cộng kết tủa-lắng-lọc …………………………………………………………..80
2.3.Keo tụ bằng hoá chất …………………………………………………………...81
2.4.Hấp phụ bằng nhôm và oxit nhôm hoạt hoá ………………………………....81
2.5.Hấp phụ bằng vật liệu Laterite ……………………………………..…………81
2.6.Sử dụng hidroxit sắt hay viên sắt có chứa Clo………………………………. 81
2.7.Công nghệ lọc ………………………………………………………………..…82
Bài đọc thêm: XÀ PHÒNG - CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TIÊU BIỂU …………….82
1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI ………………………………………………….………82
173
1.1. Xà phòng anion hoạt động ………………………………………………………….……83
1.2. Xà phòng cation họat động ………………………………………………………………83
1.3. Xà phòng lưỡng tính ………………………………………………………………….…83
1.4. Xà phòng không ion hóa …………………………………………………………………83
2. CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG ………………………………………….83
2.1. Tính hòa tan trong nước ………………………………………………………………….83
2.2. Tính chất hoạt động bề mặt ………………………………………………………………84
2.3. Khả năng thấm ướt .………………………………………………………………………84
2.4. Khả năng tạo bọt …………………………………………………………………………84
2.5. Trạng thái của xà phòng trong dung dịch ………………………………………………..84
2.6. Khả năng hòa tan keo ……………………………………………………………………85
TÀI LIỆU THAM KHẢO.…………………………………………………………..86
CHƯƠNG 12: HÓA KEO VÀ CÔNG NGHỆ NANO …………………………………….87
12.1. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO ……………………………………………….87
12.2. VẬT LIỆU NANO………………………………………………………………………87
12.3. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO…………………………………………………88
12.4. PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO.........................................90
12.4.1. Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha khí ...........................................90
12.4.2. Phương pháp hóa học hình thành vật liệu nano từ pha lỏng..........................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………….92
CHƯƠNG 12
HÓA KEO VÀ CÔNG NGHỆ NANO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Jack Uldrich, Deb Newberry, Công nghệ nano - đầu tư và đầu tư mạo hiểm. NXB Trẻ,
Hà Nội, 2006.
2. Ngụy Hữu Tâm, Công nghệ nano - Hiện trạng - thách thức và những siêu ý tưởng.
NXB Khoa học và kỹ thuật, 2004.
3. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh; Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử nguyên tử,
NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2004.
4. Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến cho đến ống than nano, NXB Trẻ, năm 2008.
5. Tạp chí sinh học số, 9 - 2006
6. Tạp chí hoá học số, 4 - 2004
7.Tạp chí Khoa học công nghệ môi truờng, số 7, năm 2001.
8. Tạp chí Khoa học công nghệ môi trường, số 5, năm 2003.
9. Tạp chí Khoa học công nghệ môi trường, số 8, năm 2003.
10. Tạp chí khoa học công nghệ môi trường, số 11 - 2005
11. Tạp chí khoa học công nghệ môi trường, số 12 - 2005
12. Nguyen Huu Ly and Phan Hong Khoi, Preparation and characterization of carbon
nanotubes/polymers composites, Advances in Natural Sciences, 2005
13. X.M.Tao, Nanotechnology Center for Functional and Intelligent Textiles and Apparel,
Hong kong Polytechnic University, (Hong Kong, China). Nanotech Business Forum,
Bangkok, Thailand, 12 - 05 - 2004
14. Terry Turney, SCIRO, (Australia), Nanotech Business Forum , Bangkok, Thailand, 12 - 05
- 2004
174