Bài giảng Công nghệ hợp chất nano hữu cơ - TS. Lê Thị Hồng Nhan

8/20/2019 Bài giảng Công nghệ hợp chất nano hữu cơ - TS. Lê Thị Hồng Nhan

http://slidepdf.com/reader/full/bai-giang-cong-nghe-hop-chat-nano-huu-co-ts-le-thi-hong 1/63

Phần 0: Giới thiệu

TS. Lê Thị Hồng Nhan

CÔNG NGHỆ HỢP CHẤT

NANO HỮU CƠ



Cấu trúc môn học

Số tín chỉ : 2 (30 tiết LT;15 tiết TL)

Bộ Môn quả n lý môn họ c: Công Nghệ Hữu Cơ , Khoa Công

Nghệ Hóa Học

Môn họ c trướ c: Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ , Hóa lý

TT Phươ ng pháp đánh giá Số lần

đánh giá

1 Thuyết trình theo đề tài đượ c

phân công1

2 Tiểu luận 1



Mục tiêu & nội dung

M ụ c tiêu môn họ c: Môn học giúp cho học viên nắm bắt các vấn đề cơ bản

các hợ p chất hữu cơ ở kích thướ c nano, một tiế p cận mớ i theo hướ ng công

nghệ tạo nên kích thướ c này, giúp cho các hướ ng ứng dụng hiện đại của vậtliệu hữu cơ trong dượ c phẩm, mỹ phẩm.

Mô tả tóm tắ t môn họ c: Môn học giớ i thiệu những khía cạnh cơ bản từ cơ

bản về nano đến các quy trình công nghệ để tạo ra vật liệu nano dựa trên

hợ p chất hữu cơ , cũng như giớ i thiệu những phươ ng pháp phân tích các đặc

tính của vật liệu nano đượ c tạo thành.



Nội dung môn học

Chươ ng Nội dung

1 Giớ i thiệu vật liệu cấu trúc nano hữ u cơ

1.1. Định ngh ĩ a1.2. Dạng1.3. Kích thướ c1.4. Đặc tính vật lý

2 Sản xuất vật liệu cấu trúc nano hữ u cơ bằng các kỹ thuật nghiềnvà đồng hóa

2.1. Nghiền2.2. Đồng hóa cao áp

2.3. Sấy phun2.4. Nóng chảy2.5 Tạo hạt, nén tr ực tiế p



Nội dung môn học

Chươ ng Nội dung

3 Sản xuất vật liệu cấu trúc nano hữ u cơ bằng các kỹ thuật tạo

nhũ

3.1. Giớ i thiệu3.2. Quá trình nhũ hóa3.3. Quá trình bay hơ i dung môi3.4. Lưu vết của polymer và chất nhũ hóa

3.5 Độ cứng của hạt nano tạo thành

4

Sản xuất vật liệu cấu trúc nano hữ u cơ bằng các kỹ thuật siêu

tớ i hạn

4.1. Giớ i thiệu CO2 siêu tớ i hạn

4.2. Dung môi siêu tớ i hạn v à sự hình thành cấu trúc hạt4.3. Các yếu tố khác ảnh hưở ng sự hình thành hạt nano

5

Nhữ ng kỹ thuật phân tích đặc tính vật lý

5.1. Xác định kích thướ c

5.2. Xác định độ cứng5.3 Xác định độ tan và phóng thích5.4 Sự dẫn truyền và các tính chất khác



Tài liệu tham khảo

[1] Ram B. Gupta, Uday

B. Kompella,

‘Nanoparticle technology for drug delivery’, & Francis

Group, , 2006

[2] Tuan Vo-Dinh “Nanotechnology In biology and Medicine- Methods,devices, and applications”, CRC Press, 2006

[3] Neelina H. Malsch “Biomedical Nanotechnology”, & Francis, 2005

[3] Hiromitsu kozuka “Handbook of sol–gel Science and technologyProcessing, Characterization and applications- volume ISol–gel processing”, kluwer academic publishers

[5] Mansoor M. Amiji “Nanotechnology for cancer theraby”, CRC Press, 2006

[6] Shayne Cox Gad “Pharmaceutical Manufacturing Handbook- Productionand Processes”, Wiley-Interscience, 2008.

[7] Zoltán D. Hórvölgyi,Éva Kiss

“Colloids for Nano and Biotechnology”, Springer, 2008



Phần 1: Giới thiệu vật liệu cấu trúc nano


CÔNG NGHỆ HỢP CHẤTNANO HỮU CƠ



Giới thiệu

Vật liệu nano ( nano materials ) => một trong những l ĩ nh

vực nghiên cứu đỉ nh cao sôi động nhất trong thời gian

gần đây.

Công nghệ nano: tr ở thành một vấn đề hết sức thời sự

và được sự quan tâm nhiều hơn của các nhà khoa học.

Các nước trên thế giới hiện nay đang bước vào một

cuộc chạy đua mới về phát triển và ứng dụng công nghệ

nano.



Giới thiệu

1959: Richard Feynman (nhà vật l ý học người Mỹ ) đưa ý

tưởng cơ bản về công nghệ nano: khoa học đã đi vào

chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử,

nguyên tử vào sâu hơn nữa.

1974: Nario Taniguchi (Nhật) Đưa ra thuật ngữ “côngnghệ nano” sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc

vi hình của mạch vi điện tử. 1980: K.Eric Drexler (Mỹ) sử dụng thuật ngữ “công nghệ

nano”



Giới thiệuVật liệu nano là đối tượng của hai l ĩ nh vực là khoa học

nano và công nghệ nano.



Giới thiệu

Khoa học nano: nghiên cứu về các hiện tượng và sự

can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô

nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó,

tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng

tại các quy mô lớn hơn. Công nghệ nano: thiết kế, phân tích đặc tr ưng, chế tạo

và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việcđiều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano

mét.



Định ngh ĩ a

Chữ nano, gốc H y Lạp, được gắn vào tr ước các đơn vị

đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần(10-9).

Ví dụ : nanogam = 1 phần tỷ của gam ; nanomet = 1 phần

tỷ mét.

Vật liệu nano: có thể được định ngh ĩ a một cách khái quát

là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu

tạo nên nó ít nhất phải c ó một chiều ở kích thước

nanomet.



Định ngh ĩ a

Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) tr ực thuộc chính

phủ Mỹ định ngh ĩ a: công nghệ nano là “bất cứ thứ gì liên

quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”.

Vật liệu nano: kích thước 1-100 nm

1 μm = 10 –6 m; 1 nm = 10 Ao = 10 –9 m

Trong vật liệu oxide: ion oxy có đường kính d = 1.4 Ao

7 ion oxy => d= 1nm

700 ion oxy => d = 100 nm => giới hạn của vật liệu nano



Định ngh ĩ a Kích thước cơ bản một số vật thể



Dạng

Vật liệu ở thang đo nano: lá nano, sợi và ống nano, hạt

nano được điều chế bằng nhiều cách khác nhau.

Định ngh ĩ a về công nghệ Nano do vậy bao hàm hàng

loạt các l ĩ nh vực khoa học khác nhau từ các l ĩ nh vực in

ấn, vật liệu tới các l ĩ nh vực cơ khí, tự động, công nghệ

sinh học và dược phẩm….



Tính chất

Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích

thước của vật liệu

Kích thước vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với kích

thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu.

Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của

nguyên tử và tính chất khối của vật liệu.



Tính chất

Với kích thước nhỏ, vật liệu nano có những tính chất khác

biệt sau:

Diện tích bề mặt tăng

Dễ phân phân tán hạt hạt trong chất lỏng hơn

Độ tan tăng

Dễ hấp thụ qua tế bào, da và ruột.

Tính chất quang học và vật lý khác so với vật liệu có kích

thước lớn hơn



Diện tích bề mặt Đối với hình cầu đường kính d, diện tích bề mặt trên 1

đơn vị diện tích:

% diện tích bề mặt trên 1 phân tử:3 3

3

3 2

(4 / 3) [ ( ) ]% _ 100

(4 / 3)

100 3 3

d d Surface molecules

d

d d d

π σ

π

σ σ σ

− −=

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦



Diện tích bề mặt

Kích thước hạt

(nm)

Phần tr ăm diện tích bề mặt

(%)1 10010 27.1

100 2.971,000 0.310,000 0.03



Diện tích bề mặt

Sự gia tăng đáng kể diện tích bề mặt khi giảm kíchthước hạt



Sự bám dính

Hạt nano: thể hiện khả năng bám dính mạnh

Sự gia tăng diện tích bề mặt=> gia tăng sự tiếp xúc => gia

tăng bám dính do lực hút van der Waals

VD: Lamprecht khảo sát sự bám dính của hạt polystyrene lên

màng nhầy ruột già bị viêmKích thước Tỷ lệ lượng hấp thu/bám dính

10 μm 5.2%

1000-nm 9.1%

100nm 14.5%



Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ vật liệu ở kích thước nano giảm đáng kể so

với vật liệu dạng khối

Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu kích thước lớn

không phụ thuộc vào kích thước. Tuy nhiên, khi

giảm kích thước xuống scale phân tử, nhiệt độ nóng

chảy giảm mạm

Sự giảm nhiệt độ nóng chảy thay đổi từ vài chục đến

vài tram đối với kim loại



Khả năng phân tán ổn định dạng huyền phù

Kích thước lớn scale micro=> dễ kết tụ và sa lắng do

tr ọng lực

Kích thước nhỏ ở scale nano => dễ lơ lửng trong

chất lỏng vì tr ọng lực r ất nhỏ trong hạt nano

Chuyện động nhiệt (Brownian) là nguyên nhân của

sự dễ lơ lửng




Vận tốc lắng tính theo định luật Stoke

G: gia tốc tr ọng tr ường(9.8 m/s), ρl

Khối lượng riêng chất lỏng (997 kg/m3 của nước ở

25oC), μl độ nhớt (0.00089 Pa/s của nước ở 25oC).

Độ dịch chuyển Brown tính theo thuyết Einstein

2 B

k Tt x

d πμ =

kB là hằng số Boltzman (1.38 x 10-23J/K), và T là nhiệt độ

Kelvin.




Kích thước hạt(nm)

Tốc độ lắng(nm/s)

Chuyện động Brown(nm/s)

1 0.00043 54,25010 0.043 17,155

100 4.30 5,425

1,000 430 1,71610,000 43,005 543

Sự dịch chuyển của hạt r ắn thay đổi với kích thướckhác nhau trong nước ở 25oC

Hạt kích thước <1000 nm=> chuyển động Brown lớn hơn

tốc độ lắng => lơ lửng




Hỗn hợp hạt nano: huyền phù bền theo thời gian

Hỗn hợp hạt micro: huyền phù dễ sa lắng => phải

lắc và không dùng làm dịch truyền, tiêm

Khi tác dụng bởi ly tâm, hỗn hợp hạt huyền phù vẫnsa lắng



Độ tan

Phương trình của Ostwald – Freundlich mô tả chohạt cầu

Ảnh hưởng của bán kính hạt (r ), thể tích phân tử (υ),

tỷ tr ọng (ρ), sức căng bề mặt (γ) đến độ tan (S), tạinhiệt độ T.

S0 là độ tan của bản mỏng, phẳng chất r ắn (r → ∞).

M là tr ọng lượng phân tử của chất r ắnR = hằng số khí lý tưởng

2 2

ln o

S M

S rRT rRT

υγ γ

ρ = =



Độ tan

illustrates the calculated effect of particle radius on S/S0 for a hypothetical particle with

a molecular weight of 708, an interfacial surface tension of 50, 75, or 100 dyn.cm−1

,and a density of 1 g/ml. S/S0 tightly scales with the proportion of surface molecules ofnanoparticles



Nồng độ bão hòa

Độ tan bão hòa gia tăng khi kích thước giảm xuốngscale nano

So với scale micro, hỗn hợp hạt nano như ở tr ạngthái siêu bão hòa



Nồng độ bão hòa

Tr ạng thái siêu bão hòa: nồng độ quá cao và khởiđầu cho quá trình kết tinh, đưa hệ về micro scale vàđưa hệ về cân bằng nhiệt động tr ạng thái bão hòa

VD: itraconazole vô đị nh hình có độ tan ở tr ạng thái

siêu bão hòa cao gấp 60 lần độ tan ở tr ạng thái kết

tinh (Cha et al. 2002). Hạt thuốc nano lý tưởng nên ở dạng vô định hình

chứ không nên kết tinh

Lưu ý: phải đủ thời gian cho hấp thu qua đườnguống và thời gian tr ưng bày (shelf-life) của sảnphẩm



Tốc độ hòa tan

Sự gia tăng tốc độ hòa tan khi hạt ở scale nano

Định luật Noyes–Whitney mô tả tốc độ hòa tan dc/dt

(Noyes and Whitney, 1897)

D: hệ số khuếch tán; A: diện tích bề mặt; cs : độ tanbão hòa; cx : nồng độ khối; h: “khoảng cách khuếch

tán” trong đó gradient nồng độ diễn ra

.( )

s x

dc D Ac c

dt h= −




Sự giảm khoảng cách khuếch tán h và sự tănggradient nồng độ (cs-cx)/h




Giảm kích thước => tăng diện tích bề mặt A => tăng

tốc độ hòa tan

Tốc độ hòa tan dc/dt phụ thuộc gradient nồng độ

(cs−cx)/h.

Theo phương trình Prandtl, khoảng cách khuếch

tán h giảm đối với hạt nhỏ.



Tính chất từ tính và quang học

Kích thước nhỏ=> thể hiện các tính chất từ, quang,điện đặc biệt => Các ứng dụng trong liệu pháp chữabệnh

Nano từ:

kích thước <20nm, vật liệu ferromagnetic tr ở thành

superparamagnetic => không thể hiện từ tínhÁp dụng từ tr ường => định hướng hạt đến khu vựcmong muốn

=> giảm thiểu tác động nhiệt, cơhọc



Tính chất từ tính và quang học

Bước sóng ánh sáng bị hấp thu thay đổi khi kíchthước hạt giảm xuống scale nano do cộng hưởngplasma



Tính chất từ tính và quang học Sự thay đổi màu sắc của nano vàng khi kích thước thay

đổi

Ứng dụng trong nhận biết, chẩn đoán và ghi nhận hìnhảnh



Vận chuyển sinh học

Kích thước giảm xuống nano=> phù hợp kích thước

khe hở và lỗ trên thành tế bào, mô

Dễ dàng di chuyển vào cơ thể con người => hạt

nano đóng vai trò quan tr ọng trong sự phát triển hệ

dẫn truyền thuốc (uống hay tiêm t ĩ nh mạch)

ể



Vận chuyển sinh học

VD: hạt Polystyrene với kích thước 50–3000nm được cho

chuột ăn hằng ngày trong 10 ngày với liều lượng 1.25

mg/kg.

>300nm: không xuất hiện trong máu

>100nm: không vào tủy

100nm: sự tăng độ hấp thu là 26%

50nm: sự tăng độ hấp thu là 34%



CÔNG NGHỆ HỢP CHẤTNANO HỮU CƠ

Phần 2: Sản xuất vật liệu cấu trúc nanohữu cơ




Nguyên lý



Nguyên lý

BOTTOM – UP PROCESSBOTTOM – UP PROCESS

TOP – DOWN PROCESSTOP – DOWN PROCESS



Nguyên lý Bottom-up:

Lắp ghép hạt cỡ phân tử hay nguyên tử lại =>kích thước nano

Khó thực hiện vì: d ễ t ạo ra kích th ướ c micro

dung môi đắt ti ền Độ hòa tan c ủa thu ốc trong dung môi và dung môi

tan trong n ướ c



Nguyên lý

BOTTOM UPPROCESS

1 2

surfactants,viscosityenhancers,

High rate ofantisolventaction – desolubiliza-

stabilizers, anti-flocculant

PRECIPITATIONPRECIPITATION

tion



Nguyên lý Top-down:

Chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra mộtđơn vị có kích thước nano.

u p ương p p ựa r n c ng cơ ọc



Nguyên lý

TOP DOWNPROCESS

PEARL/BALL MILLING TECHNOLOGYPEARL/BALL MILLING TECHNOLOGY



Phân loại Hệ nano tinh thể

Hệ nhũ nano

Hạt nano polymer

+ nanocapsu e

+ nanophere

Hệ liposome



Phân loại Hạt vi tinh thể: dạng rắn hoặc phân tán trong môi

trường không lỏng.

Điều chế bằng cách điều khiển sự kết tinh và quá trình

iảm bớt kích cỡ hạt bằn năn lượn cao.



Phân loại

Hệ nhũ nano

Hệ

phân tán các chấ

t lỏ

ng không hòa tan vào nhau. Hệ được gọi là vi nhũ tương khi kích thước các hạt

p n n n , c ạ n c ư c nano.

Để tạo độ bền: thêm chất nhũ hóa



Phân loại



Phân loại

Micelles: là dạng của hệ nhũ tương khi cho chất

HĐBM vào.

Micelles tạo thành khi các chất hoạt động bề mặt đạt

.

hay dầu mà các chất HĐBM sẽ đưa đầu ưa dầu hay

ưa nước vào trong lõi của micelles. Bên trong lõi của

micelles là những vi hạt, micelles nhằm giúp phân

tấn các vi hạt này vào trong môi trường liên tục tốt

hơn.



Phân loại

Micelles:



Hạt nano polymer:

Một dạng phân tán các hạt nguyên liệu vào trong các hạt

polymer với nhiều hình dạng khác nhau.

.



Phân loại

Nanoshere: là dạng hạt mà nguyên liệu nằm phântán đồng đều khắp trong matrix polymer.



Phân loại

Nanocapsuls là dạng mà hạt nguyên liệu được phântán trong lõi của hạt polymer.



Phân loại



Phân loại

Liposome:

Là những tiểu phân nhân tạo hình cầu có kích thước

nano được cấu tạo cơ bản từ các thành phần

hos holi id tự nhiên và cholesterol.

Năm 1961, Alec D. Bangham (Anh) đã phát hiện ra rằng

khi các phân tử phospholipid kết hợp với nước sẽ lập tức

hình thành những quả cầu được cấu tạo bởi những

màng kép do cấu trúc phân tử phospholipid với một đầu

phân tử hoà tan được trong nước, trong khi đó đầu kia

của phân tử không hoà tan trong nước



Phân loại

Liposome:



Phân loại



Các phương pháp sử dụng

Controlled precipitation (Kết tụ)

Supercritical fluid technology (siêu tới hạn)

Pearl/Ball milling technology (nghiền)

Ultrasonic technology (siêu âm)

Combination technology of precipitation and

homogenization (kết hợp kết tụ & đồng hóa)

ế



Kết tụ

khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòatới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột nhữngmầm kết tụ => phát triển thông qua quá trìnhkhuyếch tán =>hạt nanô

Kế



Kết tụ

Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, tách hai giai đoạnhình thành mầm và phát triển mầm.

Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hìnhthành của những mầm mới.

Bài giảng Công nghệ hợp chất nano hữu cơ - TS. Lê Thị Hồng Nhan

Documents

Transcript of Bài giảng Công nghệ hợp chất nano hữu cơ - TS. Lê Thị Hồng Nhan