Chuyên ngành Vật liệu tiên tiến và cấu trúc nano môn Vật liệu kỹ thuật | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

CHUYÊN NGÀNH
VẬT LIỆU TIÊN TIẾN VÀ CẤU TRÚC NANO .edu.vn 1
VẬT LIỆU TIÊN TIẾ
1. Vật liệu cấu trúc nano 2. Vật liệu y sinh 3. Vật liệu thông minh  Vật liệu áp điện  Vật liệu từ  Vật liệu
 Vật liệu nhớ hình … 2
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO 3
Định nghĩa, Phân loại
Tính chất đặc trưng
Một số công nghệ chế tạo điển hình…
Ưu nhược điểm 4 1. Định nghĩa
Viết tắt của nanomet (nm): 1nm=10-9m
Nano là từ chỉ kích thước theo 1 chiều nào đó chứ không phải tính chất 5 1. Định nghĩa
Vật liệu cấu trúc nano
Là vật liệu có tổ chức, cấu trúc… có kích thước nano
Có tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ, quang… đặc biệt hơn các vật liệu có kích thước lớn 6 1. Định nghĩa
 Khoa học nano: nghiên cứu về các hiện tượng, sự vật có kích thước và cấu trúc nano
 Công nghệ nano: thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ
thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước cỡ nm
 Vật liệu nano: VL có cấu trúc các hạt, các sợi, ống, hay các tấm mỏng,.. có kích
thước rất nhỏ khoảng từ 1 – 100 nm 7 1. Định nghĩa
Khoa học và kỹ thuật nano: 8 1. Định nghĩa Nano
Lịch sử ra đời 9 2. Phân loại Theo hình dạng:
(a) Vật liệu nano 0-D: đám nano
(b)Vật liệu nano 1-D: 1 chiều có kích thước nano, dây, ống
(c)Vật liệu nano 2-D: 2 chiều có kích thước nano, màng mỏng
(d) Vật liệu nano 3-D: 3 chiều có kích thước nano 10 2. Phân loại Theo hình dạng: 11 2. Phân loại Theo hình dạng:
Gleiter H., Acta Mater., 48, 2000, p. 1-29] 12 2. Phân loại
Theo nhóm vật liệu:
(1)VL nano carbon: Fullerenes (C60), carbon nanotubes (CNTs), sợi nano carbon, carbon black, graphene (Gr)
(2) VL nano vô cơ: kim loại, oxit, bán dẫn, gốm có cấu trúc nano
(3)VL nano hữu cơ: nhựa, polymer
(4)VL nano compozit : Vật liệu compozit nền/cốt ở dạng nano (cốt sợi, hạt, ống, tấm nano) 13 2. Phân loại 14
Vật liệu nano được ứng dụng:
▪Chống xước; lớp phủ bảo vệ ▪Thiết bị điên jtwr ▪Thực phẩm, mỹ phẩm ▪Bảo vệ môi trường ▪Dụng cụ thể thao ▪Cảm biến
▪Thiết bị tích trữ năng lượng 15 3. Ứng dụng
Điện tử học lượng tử, quang học phi tuyến, quang tử học, cảm biến, lưu giữ thông tin, chất
hấp phụ, xúc tác, pin mặt trời, …
Ứng dụng mới: Thiệt bị , chế tạo nano, nano y sinh, xúc tác nano… 16
Công nghệ nano tạo ra sản phẩm: Nhẹ hơn, bền hơn, nhanh hơn, nhỏ gọn hơn và tăng tuổi thọ của sản phẩm 17 3. Ứng dụng Y sinh 18
Công nghiệp thực phẩm 19 3. Ứng dụng Sinh học
Sử dụng vật liệu và thiết bị công nghệ nano để nghiên cứu hệ sinh học
 Công nghệ DNA nano hay bộ máy họat động của tế bào; Vi sinh vật Tế bào cây
 Hạt nano sử dụng làm phương tiện vận
chuyển thuốc chữa bệnh hướng đích hoặc làm cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học 20 3. Ứng dụng Công nghiệp ô tô 21 3. Ứng dụng
Công nghiệp hàng không: 22 3. Ứng dụng Công nghiệp điện tử
Thiết bị nhỏ gọn, siêu mỏng, dẻo, 23 3. Ứng dụng Năng lượng
 Năng lượng tái tạo: vật liệu có khả năng tái tạo năng lượng từ nguồn năng lượng tự nhiên:
mặt trời, năng lượng gió, nhiệt, khí ga,…\
 Nhiên liệu hóa thạch: các lớp chống ăn mòn cho các thiết bị thăm dò dầu khí.
 Năng lượng hạt nhân: các vật liệu nanocomposite sử dụng cho việc che chắn phóng xạ
 Tích trữ năng lượng: pin Li-on, tụ điện, thùng nhiên liệu, …  Phân phối năng lượng:
truyền tải điện, siêu dẫn, mạng điện,…
 Sử dụng năng lượng: vật liệu cách nhiệt, điều hòa, chiếu sáng, …. 24
4. Các phương pháp chế tạo 25
4. Các phương pháp chế tạo
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp:
- PP từ trên xuống (top-down): tạo hạt kích thước nano từ
các hạt có kích thước lớn hơn
- PP từ dưới lên (bottom-up): hình thành hạt nano từ các nguyên tử 26
4. Các phương pháp chế tạo
Vật liệu nano
Phương pháp từ trên xuống
Phương pháp từ dưới lên ( top - down) ( bottom – up)
1. Tổng hợp hóa hơi; Tổng hợp pha rắn 2. Kết tủa; (Nghiền cơ học) 3. Sol-Gel; 4. Thủy Nhiệt 5. Plasma; 27
4. Các phương pháp chế tạo Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm PP từ trên
-Chế tạo từ VL kích thước lớn - -
Phân bố kích thước hạt lớn (10- xuống
Không yêu cầu khắt khe về độ
1000nm) - Hình dạng, kích thước hạt sạch không đồng nhất -
Điều khiển chế độ phủ khó khăn - Dễ bị nhiễm bẩn tạp
PP từ dưới lên - Hạt, sợi, ống nhỏ mịn - Năng suất thấp
- Thông số phun phủ dễ điều
- Yêu cầu độ sạch vật liệu cao khiển
- Phân bố kích thước trong
khoảng biến động nhỏ (1-10 nm) 28
4. Các phương pháp chế tạo
4.1. Chế tạo VL nano bằng nghiền cơ học
Nghiền cơ học: là phương pháp tổng hợp pha rắn tạo ra vật liệu có kích thước nm (kim loại, hợp kim, gốm)
Giảm kích thước hạt, thay đổi hình dạng, hợp kim hóa….
Nghiền: bi WC hoặc thép không gỉ
Ưu điểm: Đơn giản, dụng cụ dễ chế tạo, chế tạo khối lượng lớn
Nhược điểm: Dễ bị nhiễm bẩn, khó đạt kích thước nhỏ, khó đồng đều 29
4.1. Chế tạo VL nano bằng nghiền cơ học  Cơ chế quá trình nghiền: d: bán kích hạt t: thời gian nghiền k: hằng số 30
4.1. Chế tạo VL nano bằng nghiền cơ học 31
4.2 Chế tạo nano bằng pha lỏng 32
4.2 Chế tạo nano bằng pha lỏng
Phương pháp sol-gel: là kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra vật liệu có hình dạng mong
muốn ở nhiệt độ thấp
Phân tán
Thủy phân
➢ Sol là một dạng huyền phù chứa các phân tử có đường kính ~
1÷100nm phân tán trong chất lỏng,
Dung dịch ( Sol ) Bay hơi,
➢ Gel là một dạng chất rắn - nửa rắn trong đó vẫn còn giữ dung hóa già
Gel ( Keo )
môi trong hệ chất rắn dưới dạng chất keo hoặc polyme. T o Vật liệu 33
4.2 Chế tạo nano bằng pha lỏng
Phương pháp sol-gel: là kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp Thủy phân
Ng ư ng tụ tạo keo
M: Kim loại; R: gốc axit,… 34
4.2 Chế tạo nano bằng pha lỏng
Phương pháp sol-gel:
https://www.youtube.com/watch?v=RCGavOWKYxk 35