Các hướng chế tạo vật liệu nano

Các hướng chế tạo vật liệu nano



Vật liệu nano lai cơ kim không chỉ đại diện cho sự thay thế đầy sáng tạo trong thiết kế vật liệu và các hợp chất mới trong nghiên cứu hàn lâm mà còn cho phép triển khai một cuộc cách mạng ứng dụng công nghiệp. Ngày nay, hầu hết các vật liệu lai đang có mặt trong thị trường là được tổng hợp và xử lý dựa trên kỹ thuật của hóa học trong thập niên 80 của thế kỷ 20. Các quá trình bao gồm :

a) Đồng trùng hợp các silan hữu cơ, đại phân tử monomer, alkoxide kim loại

b) Áo bọc các chất hữu cơ bằng các silica hoặc alkoxie kim loại có xuất xứ từ quá trình sol-gel

c) Chức hoá hữu cơ lên độn nano, nano clay, hoặc các hợp chất có cấu trúc tấm

Những thế hệ mới các vật liệu nano này phát triển liên tục thông qua các nghiên cứu hàn lâm đã và đang là những quả ngọt cho các ứng dụng đầy lợi nhuận trong các lĩnh vực quang học, điện tử, truyền dẫn ion thể rắn, cơ khí, năng lượng, môi trường, sinh học, y học. Các ứng dụng cụ thể có thể thấy như màng lọc, thiết bị tách, màng phủ thông minh, pin nhiên liệu, tế bào mặt trời, chất xúc tác, cảm biến,v.v…

Các chiến lược chung trong chế tạo các vật liệu nano mang chức

Có ba hướng chính A, B, C độc lập trong chủng loại, ứng dụng , bản chất giao diện giữa các phần hữu cơ-vô cơ, cơ chế tổng hợp hóa học được dùng trong chế tạo vật liệu nano. (hình 1)

Hướng A liên quan đến hóa học sol-gel, sử dụng các tác chất đa chức và tạo cầu nối, tổng hợp sử dụng các điều kiện thủy nhiệt.

* A1: Tổng hợp sol-gel.


Thông qua các cơ chế tổng hợp sol-gel kinh điển, chúng ta có mạng vật liệu lai vô định hình. mạng này hình thành từ quá trình thủy phân các alkoxide kim loại đã được biến tính phần hữu cơ hoặc các alide kim loại, và alide kim loại đã được ngưng tụ với alkoxide kim loại. Dung môi có thể chứa các phân tử hữu cơ, phân tử sinh học hoặc polymer đa chức mà nó có thể tạo nới ngang hoặc tương tác với hoặc bị giữ lại bên trong phần vô cơ của vật liệu nano lai nhờ các tương tác ( liên kết hydro, tương tác p-p, lực Val der Waals).

Hướng này đơn giản, rẻ, và tạo ra vật liệu nano lai vô định hình. Các vật liệu này cho cấu trúc micro không xác định, trong suốt và dễ định hình dạng màng hay khối. Chúng có kích thước đa phân tán và không đồng nhất trong thành phần hóa học. Tuy nhiên vật liệu tổng hợp từ hướng này rẻ, đa dụng, có nhiều tính chất cơ lý đáng quan tâm và đang có ứng dụng thương mại trong dạng màng hay khối monolith. Hiện tại, việc kiểm soát cấu trúc cục bộ hoặc bán cục bộ cũng như mức độ tổ chức của vật liệu loại này là các vấn đề quan trọng trong việc tạo ra những tích chất như ý.

* A2: Sử dụng tác chất đã tạo cầu nối.


Các chất đã tạo cầu nối như silsesquioxane X3Si–R9–SiX3 với R9 là chất bắt cầu gốc hữu cơ , X là các gốc Cl, Br , OR. Sử dụng những chất này cho phép chế tạo các vật liệu lai cơ kim với độ đồng nhất mức phân tử và có tổ chức cục bộ tốt hơn. Sự kết hợp các thành phần cầu nối gốc hữu cơ của các nhóm alkyl, vòng thơm, và ure giúp quá trình tự kết nối tốt hơn nhờ khả năng tạo mạng liên kết hydro mạnh và sắp xếp hiểu quả qua các tương tác p-p của các nửa phân đoạn hữu cơ.

* A3: Tổng hợp thủy nhiệt


Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt trong dung môi phân cực (nước , formamide,v.v…) với sự có mặt các phân tử khuôn gốc hữu cơ cho ra các sản phẩm zeolite. Các sản phẩm này có diện tích bề mặt rất cao. Một số vật liệu zeolite lai mang tính từ hoặc điện. Sản phẩm có cấu trúc khung cơ-kim (metal organic framwork- MOF) đi từ phương pháp này hiện đang là ứng cử viên cho các ứng dụng xúc tác và hấp phụ khí.


Hướng B liên quan đến hóa học kết nối (hướng B1) , hoặc sự phân tán (hướng B2) các khối nano đã được hình thành sẵn (well-defined nanobuilding block- NBB). Các khối nano hình thành sẵn là các phần tử được hiệu chỉnh cấu trúc và sẵn sàng tích hợp vào vật liệu nền. Những NBB có thể là các chùm hay bó phân tử, hạt nano được gắn trước hay cố định các nhóm chức hữu cơ ( oxyt kim loại, kim loại,oxyt các nguyên tố nhóm VI, các hợp chất dạng nano vỏ-lõi hoặc nano lớp (đất sét, các hydroxyt lưỡng lớp, các phospate dạng lớp, oxide các nguyên tố nhóm VI). Những NBB này có khả năng chèn tách vào các thành phần hữu cơ. Bên cạnh đó, chúng có thể được bọc các ligand hoặc kết nối với các chất bắt cầu gốc hữu cơ, chẳng hạn các phân tử telechelic hoặc polymer hoặc dendrimer đã chức hóa. Sử dụng những nhóm chất đã định sẵn cấu trúc này cho ưu điểm:

- Chúng khá trơ với sự thủy phân hoặc sự tấn công của các phần tử ái nhân.

- Các NBB có kích thước nano, đa phân tán, và với cấu trúc định sẵn rõ sẽ tạo dựng tốt các tính chất của vật liệu cuối cùng.

Sự đa dạng các NBB về bản chất, cấu trúc, và độ chức và các liên kết cho phép tạo nên các kiến trúc giao diện cơ-kim khác nhau tương ứng đến các kiểu tổ hợp khác nhau. Ngoài ra, tổng hợp theo từng bậc cho phép kiểm soát tốt các cấu trúc trung gian trong quá trình. Nhóm vật liệu đi từ sử dụng NBB quan trọng là vật liệu dùng đất sét nano. Chúng đã được thương mại hóa từ những kết quả chèn tách, trương nở và ly tán các đất sét nano.

Hướng C Tự tổ hợp -lắp ghép.

* C1: Tố chức , tạo dạng mạng lai cơ-kim bằng các chất hoạt động bề mặt hữu cơ

Trong mười năm qua, hướng tổng hợp mới này được khảo sát và nghiên cứu kỹ và đem lại sự thành công trong phát triển vật liệu lai. Sự thành công này liên quan đến khả năng kiểm soát và tinh chỉnh các giao diện cơ-kim. Trong lĩnh vực này, các pha cơ-kim được quan tâm tới vì sự đa dụng của chúng trong việc xây dựng nên một phạm vi rộng các loại nanocomposite. Nanocomposite từ lĩnh vực này có thể là loại phân tán trật tự cao các khối vô cơ vào nền hữu cơ hay là loại vật liệu nanocomposite có sự dung nạp có kiểm soát cao ở mức nano độ các polymer hũu cơ vào trong nền vô cơ. Một trong số chúng là vật liệu đi từ tổng hợp mạng lai có cấu trúc meso.

* Hướng C2:


Sử dụng tác chất silsesquioxane đã được tạo cầu nối để tạo vật liệu lai xốp meso có khung ghép. Bước tiếp cận này tạo ra họ vật liệu mới các silica lai có tổ chức meso xốp mang nhóm chức hữu cơ bên trong vỏ silica. Vật liệu nano xốp này có trật tự cao và độ xốp meso cho phép thực hiện các phản ứng gắn chức hữu cơ lên bề mặt tiếp theo.

* Hướng C3:


Liên quan đến sự kết hợp quá trình tự tổ hợp-gắn kết và cách xây dựng các khối nano NBB. Hướng này cho phép chúng ta có thể kiểm soát tốt các bước tổ hợp -gắn kết. Chúng hết sức quan trọng trong việc khảo sát nền tảng tổng hợp vật liệu bằng sự xây dựng kết cấu. Hướng này cho thấy sự đa dạng các giao diện trong cấu trúc giữa các phần vô cơ và hữu cơ ( nối đồng hóa trị, phức, tương tác tĩnh điện, v.v…). Các khối NBB cũng tạo ra ngành hóa học chuyên về lắp ghép phân tử thông qua các qua trình nhận dạng mức phân tử.