Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của hạt nano pt bằng phương pháp ăn mòn laser

DANH MUC C ̣ Á C BẢ NG V

DANH MUC C ̣ Á C HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VI

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4

1.1. Tổng quan về platin 4

1.1.1. Giới thiệu về platin 4

1.1.2. Tính chất vật lý 5

1.1.3. Tính chất hóa học 5

1.1.4. Hạt nano platin. 6

1.1.5. Một số ứng dụng của hạt nano platin 7

1.2. Phương pháp ăn mòn laser để chế tạo vật liệu nano 7

1.2.1. Quá trình ăn mòn laser 7

1.2.2. Cơ chế phương pháp ăn mòn laser 8

1.2.3. Mô hình hoá cơ chế phương pháp ăn mòn laser 10

1.2.4. Cơ chế ăn mòn laser trong chất lỏng. 13

1.3. Khái quát về vi khuẩn 16

1.4. Cơ chế diệt khuẩn của nano Pt 18

CHƯƠNG 2. CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng laser Nd:YAG 20

2.1.1. Sơ đồ hệ ăn mòn laser 20

2.1.2. Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 21

2.1.2.1. Cấu tạo. 21

2.1.2.2. Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230 22

2.2. Các hóa chất sử dụng 23

2.2.1. Platin 23

2.2.2. Nước cất 23

2.2.3. Ethanol 23

2.3. Quy trình chế tạo hạt nano kim loại 244

2.4. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 25

pdf61 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 28/02/2022 | Lượt xem: 120 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của hạt nano pt bằng phương pháp ăn mòn laser, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
phát tán mạnh vật chất và mối liên hệ giữa các thông số của quá trình ăn mòn. 11 Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về vấn đề này, với nhiều mô hình khác nhau về cơ chế phương pháp ăn mòn laser như: mô hình động lực học phân tử, mô hình Monte Carlo Trong luận văn, chúng tôi xin giới thiệu về mô hình hoá cơ chế phương pháp ăn mòn laser theo mô hình động lực học phân tử. Phương pháp mô hình động lực học phân tử (MD) cho phép thực hiện phân tích chi tiết quá trình phương pháp ăn mòn laser trong đó các thông số nhiệt động lực học của hệ có thể được xác định theo động lực học vi mô ở mức độ phân tử. Khả năng này của mô hình động lực học phân tử sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về cơ chế phát tán mạnh vật chất trong quá trình phương pháp ăn mòn laser. Leonid V và các cộng sự đã xây dựng thành công mô hình động lực học phân tử để mô tả cơ chế phương pháp ăn mòn laser [40]. Hình 1.4 mô phỏng đám vật chất trên bề mặt vật liệu bị ăn mòn theo mô hình động lực học phân tử. Theo các nhà khoa học, đám vật chất được phát tán là tập hợp của các hạt lơ lửng có dạng hình cầu. Hình 1.4: Ảnh chụp nhanh của 60 triệu nguyên tử trong thời gian mô phỏng 4 ps, 40 ps, và 70 ps sau khi xung laser 100 fs chạm vào bề mặt tấm kim loại. Màu sắc biểu thị động năng của các nguyên tử và là thước đo cho nhiệt độ [41]. 12 Các quá trình chi tiết xảy ra trong quá trình phương pháp ăn mòn laser được mô phỏng bởi chuỗi liên tiếp các hình trong hình 1.5 Hình 1.5: Ảnh chụp nhanh từ mô hình MD của phương pháp ăn mòn laser vật liệu rắn minh họa cho các quá trình khác nhau của sự phát tán mạnh vật liệu [42]. Hình 1.5 thể hiện sự phụ thuộc mạnh của cơ chế phát ra vật chất vào các điều kiện bức xạ. Các mức độ khác nhau của quá trình được quan sát bao gồm: - Sự phân huỷ từng phân tử (Hình 1.5 a), xảy ra quá trình bốc bay nhẹ của các phân tử hay được gọi là sự phún xạ trong khoảng thời gian 50 ps. Quá trình này ứng với thông lượng laser thấp. 13 - Bùng nổ sự phân ly của một vùng bề mặt bị đốt quá nóng (Hình 1.5 b). Quá trình này xảy ra trong thời gian khoảng 100 ps. - Sự hình thành một lượng lớn các giọt vật chất do sự nóng chảy tức thời (Hình 1.5 c, d). - Sự phân tán mạnh của các mảnh nhỏ chất rắn bị vỡ ra do hiệu ứng quang hóa cơ học khi mật độ năng lượng laser lớn hơn (Hình 1.5 e). Khi mật độ năng lượng laser thấp. Hầu hết các đơn thức phân tử (monomer) được phát ra từ bề mặt bị nung nóng do bức xạ laser. Mô hình có thể cung cấp sự mô tả đầy đủ quá trình phát ra các phân tử. Một tính chất độc đáo của quá trình ăn mòn là hầu hết năng lượng của xung laser đều được hấp thụ bởi lớp vật liệu bề mặt bị bắn ra. Vì vậy, có rất ít sự phá hủy nhiệt đối với các lớp vật liệu xung quanh. 1.2.4. Cơ chế ăn mòn laser trong chất lỏng. Phương pháp ăn mòn laser được sử dụng để chế tạo màng mỏng khi nó được thực hiện trong chân không đôi khi trong môi trường khí trơ như Ar hay trong những chất khí đóng vai trò tác nhân hoá học như Amoniac hoặc Nitơ. Phương pháp ăn mòn laser cũng có thể thực hiện trong môi trường chất lỏng để tạo ra các hạt kích thước cỡ nano. Trong luận văn, chúng tôi trình bày việc tạo ra các hạt nano Platin bằng phương pháp ăn mòn laser trực tiếp từ một tấm kim loại trong dung dịch chứa chất lỏng hoặc chất hoạt động bề mặt với xung laser nano-giây năng lượng cao. Phương pháp cho phép tạo ra các hạt kích thước hạn chế cỡ nano với độ phân tán khá cao trong dung dịch. 14 Hình 1.6: Thí nghiệm chế tạo hạt nano platin bằng phương pháp ăn mòn laser Vật liệu ban đầu là một tấm Pt tinh khiết 99,9 % dày 1 mm, 10  10 mm2 đựng trong một cốc thủy tinh. Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như hình 1.6. 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. Hình 1.7. Minh họa quá trình chế tạo hạt nano kim loại bằng phương pháp ăn mòn laser 15 Cơ chế hình thành và lớn lên của hạt nano khi ăn mòn kim loại bằng laser xung trong chất lỏng được giải thích bằng mô hình của Mafune và các cộng sự [43]. Theo mô hình này chùm laser xung ăn mòn bia kim loại trong quá trình chiếu laser. Vật liệu ăn mòn, được gọi là đám vật chất (plume) tràn vào môi trường chất lỏng. Các hạt nhỏ như là các nguyên tử tự do hoặc cụm nguyên tử (cluster) va chạm với nhau và tạo thành hạt trong quá trình ăn mòn. Hình 1.8. Mô hình cơ chế ăn mòn laser trong môi trường chất lỏng. Trong vài xung đầu tiên, chỉ có môi trường chất lỏng bao quanh đám vật chất sinh ra và các mảnh kim loại trong đám vật chất này kết tụ tạo nên các hạt nano kim loại. Sau đó các hạt nano phân tán vào môi trường chất lỏng và những hạt này trở thành các tâm kết tụ cho các mảnh kim loại kế tiếp. Ở giai đoạn này có hai cơ chế đóng góp vào quá trình tạo hạt. Cơ chế thứ nhất là kết hạt trực tiếp của kim loại trong đám vật chất (plume) tương tự như trong giai đoạn đầu. Cơ chế thứ hai là sự thêm các nguyên tử hoặc cụm nguyên tử vào các hạt đã sinh ra trước đó và làm cho chúng tăng kích thước. Như vậy, khi cả hai cơ chế này xuất hiện sẽ dẫn đến phân bố kích thước mở rộng. Tốc độ tăng kích thước của các hạt nano tùy thuộc vào số hạt được tạo thành trong giai đoạn đầu và tính phân cực của phân tử môi trường chất lỏng. Trong chất lỏng, các hạt nano kim loại tích điện bề mặt. Do tương tác giữa 16 các phân tử môi trường chất lỏng và các hạt nano tích điện bề mặt, một lớp điện tích kép bao quanh bề mặt các hạt nano. Các phân tử có momen lưỡng cực cao tạo nên liên kết mạnh hơn với bề mặt hạt nano do đó lực đẩy tĩnh điện nhờ bao bọc bởi lớp điện tích kép sẽ ngăn cản sự tăng kích thước hạt tốt hơn. Ví dụ, các phân tử phân cực như là nước tạo nên một lớp điện tích kép mạnh bao quanh hạt nano Platin. Do tương tác điện giữa các mảnh trong đám vật chất và lớp điện tích này sự tăng kích thước bị hạn chế trong quá trình ăn mòn. Kết quả là các hạt nano kim loại được tạo thành. Tính phân cực thấp hơn của phân tử chất lỏng (ví dụ ethanol) tạo thành lớp điện tích kép yếu dẫn đến tăng kích thước hạt và kết tụ mạnh. Sau khi ăn mòn, quá trình tạo hạt dừng lại và sự kết tụ vẫn tiếp tục. Tốc độ kết tụ tùy thuộc vào sự tương tác của phân tử môi trường chất lỏng với các nguyên tử bề mặt của hạt nano và tương tác giữa các hạt nano với nhau. Tương tác bề mặt giữa các hạt nano có thể tạo thành một dung dịch keo bền vững hay là phân tán, kết tụ, kết nối và tạo thành cấu trúc giống như dây. Trong khi đó tương tác giữa các hạt nano với nhau phụ thuộc vào lực đẩy và lực hút giữa chúng, ví dụ lực hút Van der Waals gây nên kết tụ và lực đẩy tĩnh điện nhờ bao quanh bởi lớp điện tích kép ngăn cản kết tụ. 1.3. Khái quát về vi khuẩn Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, có cấu trúc tế bào đơn giản không có nhân (Prokaryote – sinh vật nhân sơ). Vi khuẩn hiện diện ở khắp mọi nơi trong đất, nước, không khí, kể cả những nơi có điều kiện sống khắc nghiệt như trên miệng núi lửa hay trên băng tuyết... Có rất nhiều chủng vi khuẩn, và mỗi chủng vi khuẩn đều có sự khác nhau về đặc tính và hình thái [44]. Vi khuẩn có nhiều hình dáng: vi khuẩn có nhiều hình dáng khác nhau và được gọi với tên gọi theo hình dạng của chúng như trực khuẩn (bacillus), hình cầu, xoắn khuẩn (spirillum), hình que, cầu khuẩn (coccus) hình dáng vi 17 khuẩn là một đặc điểm quan trọng để nhận dạng các chi được đặt tên theo hình dạng [44]. Hình 1.9. Vi khuẩn E.coli [44] Vi khuẩn có ích hoặc có hại cho môi trường, thực vật và động vật bao gồm cả con người. Một số tác nhân gây bệnh như bệnh uốn ván (tetanus), sốt thương hàn (typhoid fover), giang mai (syphilis), tả (cholera), lao (tuberculosis) Trong luận văn này, chúng tôi có sử dụng nano Pt để thử khả năng bất hoạt vi khuẩn E.coli, do đó chúng tôi sẽ trình bày sơ lược về loại vi khuẩn E.coli này. Vi khuẩn E.coli ❖ Phân loại khoa học: Ngành: Proteobacteria Lớp: Gamma Proteobacteria Bộ : Enterobacteriales Họ : Enterobacteriaceae Chi : Escherichia Loài: E. coli 18 ❖ Đặc điểm: E.coli hay còn gọi là vi khuẩn đại tràng, là một trong những loài vi khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của người và động vật máu nóng. Chúng được phát hiện đầu tiên vào năm 1885 do Escherich phát hiện, thuộc họ vi khuẩn Enterobacteriaceae. Chúng là các trực khuẩn Gram âm. Kích thước trung bình (2 - 3 µm) × 0,5 µm. Trong những điều kiện không thích hợp vi khuẩn có thể dài như sợi chỉ [44, 45]. 1.4. Cơ chế diệt khuẩn của nano Pt Hiện nay, do vi khuẩn ngày càng kháng thuốc kháng sinh nên các nhà khoa học đang tập trung đi tìm các tác nhân mới để diệt chúng và Pt là một trong những chất được tập trung nghiên cứu. Sở dĩ nano Pt được nghiên cứu ứng dụng vào việc kháng khuẩn vì Pt là kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ. Tuy nhiên cho tới nay, cơ chế kháng vi sinh vật của nano Pt vẫn chưa được hiểu biết rõ ràng. Bằng các kỹ thuật chụp ảnh kính hiển vi điện tử có độ phóng đại cao, kết quả nghiên cứu cho thấy, hạt nano Pt bám dính với các thành phần điện tích âm trên bề mặt tế bào vi khuẩn, virut làm thay đổi tính thấm và sự hô hấp của màng tế bào. Đồng thời các hạt Pt có kích thước nhỏ chui vào trong tế bào, kết hợp với các enzym hay DNA có chứa nhóm sun-phua hoặc phốt-phát gây bất hoạt enzym hay DNA dẫn đến gây chết tế bào [46-48]. Trước sự gia tăng của dòng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh điển hình là Staphylococcus aureus hay các loại vi nấm gây bệnh thực vật thiếu thuốc đặc trị thì việc lựa chọn các chế phẩm chứa nano kim loại quý nói chung và nano Pt nói riêng đang rất được quan tâm. 19 Hình 1.10: Chế độ kháng khuẩn của vật liệu nano [46]. Hình 1.10 là sơ đồ tổng quát mô tả các phương thức hoạt động phổ biến của vật liệu nano. Vật liệu nano kháng khuẩn được biết đến nhiều nhất tương tác tĩnh điện với màng vi khuẩn gây ra sự gián đoạn màng. Thông thường, các gốc tự do (các đốm vàng ROS) được tạo ra do các tương tác màng tế bào và vật liệu nano. Các gốc tự do này có thể gây tổn thương màng thứ cấp, gây trở ngại cho chức năng protein, gây ra sự phá hủy DNA và dẫn đến sự tạo thành các gốc tự do quá giới hạn. Vật liệu nano kháng khuẩn khác được hoạt hóa (quang hóa). Nitơ oxide (NO) vật liệu nano có liên quan với RNS (đốm xanh trong Hình 1.10). Vật liệu nano đa chiều (QPEI) có một tính năng độc đáo vì chúng dường như tạo ra sự tiết tín hiệu có thể tăng cường sự chết của tế bào. 20 Chương 2. CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng laser Nd:YAG 2.1.1. Sơ đồ hệ ăn mòn laser Sau khi nghiên cứu các tài liệu về ăn mòn laser về các yêu cầu của xung laser (năng lượng, thời gian, độ rộng xung, bước sóng) cũng như các yêu cầu về điều kiện thực nghiệm để chế tạo các hạt nano kim loại. Đồng thời, tìm hiểu laser và các thiết bị quang học trong bộ môn cũng như các điều kiện về hóa chất, vật liệu khối kim loại ban đầu. Chúng tôi tiến hành xây dựng hệ ăn mòn laser. Hệ ăn mòn laser được bố trí như hình 2.1. Hệ thấu kính Hệ xoay Lăng kính Khối kim loại Dung dịch Nd:YAG laser Hình 2.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ ăn mòn laser 21 Chùm laser được hội tụ bằng một bộ các linh kiện quang học và được chiếu tới vuông góc với bề mặt tấm kim loại. Hệ được lắp đặt sao cho khoảng cách từ thấu kính đến bề mặt tấm kim loại gần bằng tiêu cự của thấu kính nhằm tăng cường sự hội tụ của chùm laser. Tuy nhiên, khoảng cách này có thể điều chỉnh dễ dàng nhờ một giá đỡ có khả năng điều chỉnh độ cao. Thông thường khoảng cách này được điều chỉnh sao cho nó ngắn hơn tiêu cự của thấu một chút để xung laser tạo một vết xác định trên tấm kim loại. Để tạo ra sự ăn mòn kim loại đều và để ngăn chặn hiệu ứng kết hợp, tấm kim loại được quay trong quá trình ăn mòn laser. 2.1.2. Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 Trong thí nghiệm của mình, chúng tôi đã sử dụng laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 được chế tạo bởi hãng Spectra – Physics, theo đúng tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, là một trong những laser rắn hiện đại hiện nay [49, 50]. 2.1.2.1. Cấu tạo. Laser gồm có 3 phần chính: đầu laser, nguồn điện và bộ điều khiển. a) Đầu laser Đầu laser bao gồm buồng cộng hưởng quang học, thanh hoạt chất Nd:YAG, đèn bơm flash tạo dao động, khuyếch đại và bộ hoà ba. b) Nguồn điện Nguồn điện là một thiết bị bao gồm các hệ thống mạch điện AC/DC cung cấp điện cho toàn bộ đầu laser. Ngoài ra nó còn chứa máy bơm và hệ thống làm mát bằng nước. Hệ thống làm mát bằng nước của laser có nguyên lý bao gồm hai vòng tách biệt nhau. Có một vòng khép kín nước sạch từ power supply đến đầu laser và nước nóng khi quay về power supply sẽ được làm mát bằng một nguồn nước khác nối với máy bơm bên ngoài tạo thành một vòng 22 khép kín thứ hai. Các thông số của power supply: sử dụng nguồn điện một pha, 190 - 260 V, 53/60 Hz, < 25 A. c) Bộ điều khiển Bộ điều khiển giúp ta điều khiển hoạt động của laser một cách linh hoạt phù hợp trong phòng thí nghiệm. Bao gồm điều khiển chế độ đóng ngắt laser, năng lượng xung, chế độ phát xung... (a) Đầu laser (b) Nguồn điện (c) Bộ điều khiển Hình 2.2. Cấu tạo của laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 [50] 2.1.2.2. Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230 - Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 phát xung ngắn bằng kỹ thuật Q-switching. Năng lượng xung tối đa là 1200 mJ, độ rộng xung từ 7 – 10 ns và tần số lặp lại 10 Hz. Laser có thể hoạt động ở các bước sóng cơ bản 1064 nm, 23 hoặc 532 nm và 355 nm nhờ sự phát hòa ba bậc 2 và bậc 3 của tinh thể phi tuyến. - Nguồn bơm cho laser Nd:YAG là đèn Kripton. Năng lượng của đèn khá phù hợp với phổ hấp thụ của ion hoạt chất Nd3+. - Hoạt chất của laser này là tinh thể Ytrium Aluminium Garnet Y2Al5O12 có pha tạp ion Nd+3 làm tâm hoạt chất. 2.2. Các hóa chất sử dụng 2.2.1. Platin Kí hiệu hóa học: Pt. Số nguyên tử: 78 Khối lượng riêng: 21,450 kg/m³ Bề ngoài: kim loại màu trắng xám. Mẫu platin được sử dụng trong nghiên cứu này là mẫu platin kim loại tinh khiết. 2.2.2. Nước cất Công thức hóa học: H2O, H-O-H Ở trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng nước cất 2 lần đảm bảo tinh khiết, không lẫn tạp chất, với vai trò là dung môi cho dung dịch chất hoạt hóa bề mặt. 2.2.3. Ethanol Chúng tôi chế tạo hạt nano trong dung môi: Ethanol CH3CH2OH là chất lỏng tan vô hạn trong nước, khối lượng riêng 0,789 g/cm3 (ở 20 oC) để chế tạo các hạt nano kim loại. 24 2. 3. Quy trình chế tạo hạt nano kim loại * Quy trình thí nghiệm Thực nghiệm phương pháp ăn mòn laser để chế tạo hạt nano platin được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Laser, Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - ĐHQG Hà Nội. Sử dụng phương pháp ăn mòn laser chúng tôi đã chế tạo được các hạt nano kim loại Pt trong nước và ethanol. - Miếng kim loại Pt được dát mỏng, có kích thước 1  1 cm2 và độ dày khoảng 1 mm. Làm sạch miếng Pt bằng phương pháp siêu âm sau đó đặt miếng Pt trong cốc thủy tinh có chứa 10 ml nước cất hoặc dung dịch chất hoạt hóa bề mặt . - Laser Nd -YAG (Quanta Ray Pro 230) được đặt ở chế độ như sau: độ rộng xung 8 ns, tần số lặp lại 10 Hz ở bước sóng cơ bản 1064 nm. - Chùm tia laser được hội tụ bằng một thấu kính có tiêu cự f = 150 mm vào miếng Pt. Miếng Pt được quay trong quá trình ăn mòn laser bằng hệ xoay (9 vòng/phút) . Lần lượt tiến hành thí nghiệm đối với các dung môi khác nhau và công suất chiếu của laser là khác nhau. Thời gian chiếu laser đối với mỗi mẫu là khác nhau từ 15 đến 30 phút. 25 Hình 2.3: Mô hình quy trình thí nghiệm Chúng tôi đã lần lượt thay đổi từng giá trị của công suất laser (250 – 500 W), bước sóng laser 1064 nm nhằm khảo sát sự thay đổi về tính chất quang của mẫu hạt nano chế tạo được khi thay đổi điều kiện ăn mòn. 2.4. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 2.4.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ (UV-Vis) Hấp thu ̣quang là phương pháp quan troṇg để nghiên cứu các tính chất quang của hầu hết các vật liệu quang. Từ phổ hấp thu ̣quang có thể cung cấp các thông tin về hiệu ứng giam giữ lươṇg tử đối với các haṭ tải, xác điṇh đươc̣ mức năng lươṇg cơ bản. Nguyên tắc đo hấp thu ̣quang là cho chùm ánh sáng có độ dài sóng xác điṇh đi qua vật thể hấp thu,̣ thường ở daṇg dung dic̣h. Dưạ vào lươṇg ánh sáng đã bi ̣hấp thu ̣bởi dung dic̣h để suy ra nồng độ của dung dic̣h đó. Sử duṇg mối liên hệ: I0 = IA + IR + I trong đó, I0 là cường độ ban đầu của nguồn sáng, IA là cường độ ánh sáng bi ̣ Chùm laser Hệ ăn mòn laser (tấm Pt + 10 ml chất lỏng) Dung dịch chứa hạt nano Platin Xung laser Nd:YAG (=1064 nm, f = 10 Hz,  = 8 ns) Hệ quay 26 hấp thu ̣ bởi dung dic̣h, IR là cường độ ánh sáng phản xa ̣ bởi thành cuvet và dung dic̣h, giá tri ̣này đươc̣ loaị bỏ bằng cách lặp laị hai lần đo, I là cường độ ánh sáng sau khi đi qua dung dic̣h. Độ truyền qua T() = I()/I0() và độ hấp thu ̣ A() = - log 10 T() se ̃cho thông tin về đặc trưng hấp thu ̣quang của mâũ. Các phép đo quang phổ hấp thu ̣của mâũ đều đươc̣ đo dưới daṇg dung dic̣h. Phép đo phổ hấp thu ̣đươc̣ tiến hành trên hệ đo máy quang phổ UV-2450 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu - Đại học Khoa học Tự nhiên. Đây là một thiết bị rất hiện đại và chính xác được sử dụng trong phân tích sản xuất vật liệu mới cũng như phân tích tính chất của các chất trong nghiên cứu hoá sinh, môi trường [51]. 2.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua được phát triển từ năm 1930 là công cụ kỹ thuật không thể thiếu cho nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi quang học, TEM có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên TEM có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm và được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của hạt có kích thước cỡ nano và micro. 2.4.2.1. Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi truyền qua TEM hoạt động bằng cách làm cho các electron di chuyển xuyên qua mẫu vật và sử dụng các thấu kính từ tính phóng đại hình ảnh của cấu trúc, phần nào giống như ánh sáng chiếu xuyên qua vật liệu ở các kính hiển vi ánh sáng thông thường. Các điện tử từ catot (làm bằng dây Wonfram đốt nóng) đi tới anot và được hội tụ bằng “thấu kính từ” lên mẫu đặt trong buồng chân 27 không. Tác dụng của tia điện tử tới mẫu có thể tạo ra chùm điện tử thứ cấp, điện tử phản xạ, điện tử Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ không đàn hồi với các đám mây điện tử trong mẫu cùng với tán xạ đàn hồi với hạt nhân nguyên tử. Các điện tử truyền qua mẫu được khuyếch đại và ghi lại dưới dạng ảnh huỳnh quang hoặc kỹ thuật số. Do bước sóng của các electron ngắn hơn bước sóng của ánh sáng, nên các hình ảnh của TEM có độ phân giải cao hơn so với các hình ảnh của một kính hiển vi ánh sáng. TEM có thể cho thấy rõ những chi tiết nhỏ nhất của cấu trúc bên trong, trong một số trường hợp lên tới từng nguyên tử. Nhiễu xạ điện tử có thể cung cấp những thông tin rất cơ bản về cấu trúc tinh thể và đặc trưng vật liệu. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật Bragg. Do bước sóng của chùm điện tử rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách mạng trong tinh thể thì góc nhiễu xạ phải rất bé (θ ≈ 0,010). Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu, ảnh nhiễu xạ điện tử thường là những vùng sáng tối gọi là trường sáng - trường tối. Trường sáng là ảnh của vật liệu vô định hình còn trường tối là ảnh của vật liệu có dạng tinh thể. 2.4.2.2. Quy trình tiến hành đo TEM Để khảo sát các thông số có thể ảnh hưởng tới kích thước hạt như kim loại, dung môi, nồng độ dung môi, thời gian chiếu laser, công suất laser, bước sóng laser, chúng tôi chọn hai mẫu có cùng một điều kiện về các thông số và khác nhau về một thông số cần nghiên cứu. Các mẫu sau khi được chế tạo được cho vào lọ thuỷ tinh màu để tránh ánh sáng, đậy kín để tránh tiếp xúc không khí. Sau đó được gửi đi đo TEM tại Viện dịch tễ TW, Hà Nội. Mẫu được gửi đến nơi đo TEM ở dạng dung dịch. Người ta lấy một lưới đồng nhúng vào dung dịch chứa hạt nano kim loại. Sau khi lấy ra các hạt nano 28 kim loại sẽ bám vào bề mặt lưới và đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010-JEOL. Sau khi tinh chỉnh máy để đạt được ảnh TEM của hạt nano kim loại rõ nét nhất, các ảnh TEM sẽ được chụp và gửi dữ liệu đến máy tính dưới dạng file ảnh. 2.4.2.3. Xử lý số liệu Trong luận văn, chúng tôi xác định kích thước hạt dựa trên phần mềm ImagieJ 1.37 của Wayne Rasband (Nationnal institues of Heath, USA). Phần mềm ImagieJ 1.37 cho phép định nghĩa một khoảng có độ dài có giá trị chuẩn trên hình. Sau đó, tiến hành đo đường kính các hạt nano Platin trên hình. Phần mềm còn cho phép ta có thể phóng to ảnh để xác định chính xác bán kính hạt. Tiến hành xác định đường kính của khoảng 500 hạt. Sau đó đưa số liệu vào phần mềm OriginLab 8.0 phân tích tần xuất xuất hiện các kích thước hạt. Kích thước hạt trung bình có thể tính dựa vào phần mềm Microsoft Excel 2007 bằng hàm Average. 2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X 2.4.3.1. Nguyên tắc của phương pháp nhiễu xạ tia X Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để xác định vật liệu được tạo thành, cấu trúc tinh thể, kích thước trung bình của tinh thể. Dựa trên ảnh hưởng khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ tia X. Phương pháp nhiễu xạ tia X cho phép xác định kích thước tinh thể dựa trên phân tích hình dáng và đặc điểm của đường cong phân bố cường độ của đường nhiễu xạ tia X dọc theo trục đo góc 2θ. 29 Hình 2.4: Máy nhiễu xạ tia X D5005 tại TTKH Vật liệu Cơ sở của phổ nhiễu xạ tia X là: Khi chiếu một chùm tia X có bước sóng từ 10-9 ÷ 10-12 m vào một tinh thể thì tia X sẽ bị tán xạ theo các phương khác nhau trên mặt phẳng khác nhau của tinh thể. Sau khi tán xạ chúng sẽ giao thoa với nhau, tạo nên các cực đại, cực tiểu giao thoa tuỳ thuộc vào hiệu quang trình của chúng. Chùm nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật Bragg: nλ = 2dsinθ (2.1) Bằng cách sử dụng mẫu chuẩn, nhiễu xạ với cùng điều kiện với mẫu nghiên cứu, sự nhoè rộng bởi điều kiện thực nghiệm được loại bỏ. Sự nhoè rộng của phổ nhiễu xạ tia X thu được là do bản thân của mẫu nghiên cứu được gọi là sự nhòe rộng vật lý và độ rộng gọi là độ rộng vật lý β. 30 Độ rộng vật lý liên quan đến kích thước tinh thể theo phương trình Scherer: D = k cos    (2.2) Với D là kích thước tinh thể, k = 0.94 là hệ số tỉ lệ. Do kích thước tinh thể D theo chiều vuông góc với mặt nhiễu xạ tỉ lệ nghịch với cosθ, nên để xác định kích thước tinh thể với độ chính xác cao thì phải dùng đường nhiễu xạ đầu tiên với góc θ nhỏ nhất. 2.4.3.2. Quy trình đo phổ nhiễu xạ tia X Mẫu được dùng đo nhiễu xạ tia X dùng để xác định chính xác trong dung dịch tạo ra là hạt nano kim loại trùng với vật liệu khối đã sử dụng chứ khong phải một chất nào khác. Đồng thời qua phổ tia X để xác định kích thước hạt nano tạo thành là kích nano thông qua tính toán dựa trên phổ nhiễu xạ tia X và phương trình Scherer. Mẫu được đo là dạng dung dịch sẽ được lọc để tăng nồng độ hạt. Sau đó sẽ đưa vào quay li tâm để thu được hạt dạng tinh thể. Phép đo được thực hiện trên hệ máy Siemens D5005 tại TTKH Vật liệu (ĐHKHTN-ĐHQGHN). Máy có bước sóng nhiễu xạ tia X là  = 1,54056 Å. Vì mẫu chế tạo được ở dạng dung dịch nên việc đo mẫu không đơn giản. Để tiến hành đo nhiễu xạ tia X, chúng tôi đã phải biến đổi mẫu sang thể rắn (dạng màng mỏng). Đầu tiên mẫu dung dịch sẽ được quay ly tâm để loại bỏ chất hoạt hóa bề mặt dư thừa rồi cô khô trên một lamen kính bằng phương pháp nhỏ giọt. Sau đó mẫu được đưa đi đo phổ nhiễu xạ tia X ở dạng màng mỏng 31 2.4.3.3. Xử lý số liệu Phổ nhiễu xạ tia X sẽ được vẽ trên phần mềm OriginLab 8.0 từ đó xác định vị trí các đỉnh và góc nhiễu xạ tại vị trí các đỉnh. Xác định độ bán rộng của đỉnh và thay vào phương trình Scherer ta sẽ tính được bán kính của hạt. 2.4.4. Khảo sát hiệu quả kháng khuẩn của nano Pt Thử nghiệm hiệu quả kháng khuẩn của 3 mẫu nano Pt được chế tạo trong nước với vi khuẩn E.coli tiến hành trên đĩa LB đặc. Sử dụng 1 đĩa LB đặc với đường kính đĩa là 9 cm cho thí nghiệm này bằng phương pháp đục lỗ, nhỏ vào mỗi lỗ 100 µl nano Pt, và nuôi cấy sau 12 giờ ở buồng nuôi cấy, nhằm tìm ra mẫu nano Pt có tính kháng khuẩn mạnh hơn. Các bước tiến hành thí nghiệm: ❖ Cấy trải vi khuẩn + Sử dụng pipet cho 200 µl dịch khuẩn

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_che_tao_va_nghien_cuu_tinh_chat_quang_cua_hat_nano.pdf
Tài liệu liên quan