Khoáng chất nano - Sản xuất và ứng dụng

Các khoáng chất thông thường có cỡ hạt từ vài trăm micron đến vài cm. Các vật liệu nanô (trong đó bao gồm các khoáng chất cỡ nanô, còn được gọi là bột nanô) có cỡ hạt trong phạm vi 1-100 nm trong ít nhất một chiều, nhưng thường là cả 3 chiều.

Trong nhiều năm qua, một số khoáng chất nanô như muội than, silic oxit ngưng tụ và canxi cacbonat kết tủa siêu mịn (UFPCC) đã trở nên quen thuộc với chúng ta.

Khoáng chất nanô vượt trội hơn hẳn các khoáng chất thông thường về mặt tính chất hóa học, vật lý và cơ học. Trong khoáng chất nanô, diện tích bề mặt của các hạt được tăng đến mức tối đa. Khoáng chất nanô cũng đặc biệt bền chắc và mềm dẻo, chúng có khả năng chịu mài  mòn, chống phong hóa và chống gỉ tốt. Trong khi đó, hoạt tính hóa học của chúng rất cao. Những đặc điểm này khiến cho vật liệu nanô trở nên rất có ích và cần thiết trong một số ứng dụng hiện tại cũng như trong tương lai.

Ngày nay, công nghệ nanô đã trở thành một ngành nghiên cứu và phát triển quan trọng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ viễn thông toàn cầu cho đến sản xuất giày dép, quần áo... Trong những năm tới, công nghệ nanô sẽ còn cho ra đời những sản phẩm kỳ diệu hơn: đĩa DVD có khả năng lưu trữ đến 250 bộ phim, quần áo may bằng vải phủ hạt nanô có thể giúp giữ ấm cơ thể nhờ hấp thụ năng lượng hồng ngoại của ánh sáng và có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, trong khi đó những chiếc xe ôtô làm bằng vật liệu nanô sẽ không bao giờ bị bẩn, những chiếc cửa sổ luôn luôn sạch mà không cần lau chùi,...

Các phương pháp sản xuất khoáng chất nanô

Có 6 phương pháp đã được biết đến rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất các khoáng chất nanô (trừ phương pháp tác động trực tiếp vào nguyên tử), chúng gồm có: hồ quang plasma, ngưng tụ hơi hóa chất, kết tủa điện phân, tổng hợp sol gel, nghiền bi, và khai thác các hạt nanô tự nhiên.

Ở phương pháp hồ quang plasma, nhiệt độ rất cao liên kết với sự hình thành hồ quang hoặc plasma được sử dụng để tách một cách có hiệu quả các loại nguyên tử của nguyên liệu đưa vào. Khi ra khỏi hồ quang, nguyên liệu này sẽ nhanh chóng tái kết hợp để tạo thành các hạt cỡ nanô.

Ở phương pháp ngưng tụ hơi hóa chất, khí nạp vào được cho phản ứng trong một buồng phản ứng, các loại nguyên tử hình thành sẽ kết bám vào 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 một cách được kiểm soát.

Quy trình kết tủa điện phân áp dụng nguyên lý tương tự, nhưng điểm khác là lớp phủ được tạo thành từ dung dịch dưới tác dụng của điện trường.

Phương pháp tổng hợp sol gel cũng sử dụng các phương tiện hóa học để tạo ra các hợp chất được phối trộn kỹ, sau đó thủy 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 hủy 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 nanô được xác định rõ ràng.

Trong những năm qua, số tiền đầu tư vào công nghệ nanô tại nhiều nước đã tăng nhảy vọt. Tháng 12-2003, Mỹ đã thông qua đạo luật cho phép đầu tư 3,7 tỷ USD vào công nghệ nanô trong 4 năm 2004-2007. Nếu tính theo số tiền đầu tư trên đầu người đối với lĩnh vực công nghệ nanô thì Nhật Bản hiện đang dẫn đầu, tuy Mỹ dẫn đầu về số công ty tham gia vào lĩnh vực này. Khoảng 25% công nghệ nanô hiện tại có liên quan đến các vật liệu nanô và bột nanô từ khoáng chất nanô.

Composit nanô

Các composit nanô dạng polyme hoặc vô cơ thường gồm hai hoặc nhiều thành phần vật liệu khác nhau, với kích thước của một hoặc nhiều chiều nhỏ hơn 100 nm.

Về mặt cấu trúc, vai trò của các chất độn vô cơ (hạt hoặc sợi) là tạo độ bền và độ cứng, còn bộ khung polyme có tác dụng liên kết thành phần vô cơ đó.

Công ty Babolat ở Pháp đã chế tạo những chiếc vợt tennis được làm từ các ống cacbon cỡ nanô, bền hơn 100 lần so với vợt làm bằng thép.

Tinh thể nanô

Các chất rắn cỡ phân tử được hình thành bằng quá trình phát triển lặp lại các mẫu 3 chiều của nguyên tử hoặc phân tử. Những tinh thể nanô có tiềm năng lớn trong các dụng cụ điện tử quang học, vì chúng có khả năng thay đổi chiều dài bước sóng ánh sáng. 

Các ống cacbon nanô

Đây là những phân tử cacbon hình trụ, giống như những chiếc ống, được tạo thành từ các vi tấm graphit mỏng. Chúng là những vật liệu đặc biệt bền và có độ dẫn nhiệt tốt. Các ống cabon nanô là loại ống đặc biệt mỏng (đường kính nhỏ hơn 10.000 lần so với tóc người). Có những loại ống tường đơn được tạo thành từ một lớp graphit mỏng và các ống đồng trục với thành gồm nhiều lớp.

Ứng dụng của vật liệu nanô

Bảo quản gỗ và sơn

Do kích cỡ nhỏ nên các hạt nanô có thể thâm nhập sâu vào mạng sợi gỗ và sẽ khó bị chiết ra hơn khi sản phẩm gỗ chịu các tác động khác trong quá trình chế biến, gia công. Việc đưa các chất bảo quản cỡ nanô như kẽm oxit hoặc đồng oxit vào các loại thuốc bảo quản gỗ sẽ giúp đạt hiệu quả bảo quản tốt trong thời gian dài.

Tương tự, các hạt nanô được giữ lại trong mạng của sơn và không bị chiết nhanh ra ngoài cả khi ở trong môi trường nước, kể cả nước mặn, vì vậy có tác dụng bảo quản tốt các lớp sơn tàu thuyền. Các hạt kẽm oxit và đồng oxit cỡ nanô có tác dụng chống vi khuẩn trong thời gian dài nên sẽ giúp kéo dài các chu kỳ bảo dưỡng.

Các chất nhựa nhiệt dẻo

Trong những năm qua, nhu cầu về tính diệt vi khuẩn trong thời gian dài cho nhiều loại chất dẻo, cao su và vật liệu composit đang tăng. Khác với các chất diệt vi khuẩn dạng hữu cơ, chất diệt vi khuẩn dạng nanô có thể đảm bảo tuổi thọ cao với giá thành thấp cho những vật liệu này ngay cả trong những môi trường chịu tác động mạnh và sau khi đã xử lý nhiệt.

Các hợp chất kẽm oxit, đồng oxit cỡ nanô có thể được phân tán hoàn toàn vào nguyên liệu sản xuất các sản phẩm nhiệt dẻo mà chỉ ảnh hưởng rất ít đến màu sắc, độ trong, độ bóng, các tính chất lưu biến và các tính chất vật lý khác của vật liệu.

Sơn phủ vĩnh cửu

Các hạt kẽm oxit, đồng oxit cỡ nanô có thể được phân tán hoàn toàn vào nhiều loại sơn, kể cả sơn uretan, sơn acrylic và sơn vinyl axetat. Chúng có nhiều ứng dụng trong các loại sơn đóng rắn bằng tia UV và  nhiệt cũng như các loại sơn nước. Các hạt nanô này tạo ra những tính chất chống vi khuẩn cho các sản phẩm được sơn.

Các chất xúc tác bảo vệ môi trường

Việc sử dụng vật liệu nanô với thành phần là các kim loại đất hiếm cho phép điều chế các lớp xúc tác hoạt tính mỏng hơn, nhờ đó tiết kiệm được kim loại quý. Các vật liệu nanô này cũng giúp ích trong việc điều chế các huyền phù có độ đặc cao, rất bền, nhờ đó giảm số bước phủ và giảm mất mát nguyên liệu do sự phân tán kết bông khi sản xuất các lớp xúc tác.

Ngày nay, các quy định về phát thải đối với các khí CO, hyđrocacbon và các nitơ oxit đang trở nên ngày càng chặt chẽ, đồng thời các nhà sản xuất ôtô cũng đang tìm cách giảm lượng kim loại quý sử dụng trong các bộ khử khí thải để giảm giá thành. Do đó, các bộ xúc tác khử khí thải trong ôtô sẽ là lĩnh vực áp dụng quan trọng của các xúc tác sử dụng vật liệu nanô.

Sơn bền với tia UV

Sự thoái hóa lớp nền do tác động của tia UV là một vấn đề đã được biết đến từ lâu. Cho dù lớp nền là kim loại, thủy tinh hoặc polyme, tác động của tia UV có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả dài hạn của lớp nền hoặc lớp phủ bảo vệ bên trên.

Việc đưa các vật liệu nanô như kẽm oxit, đồng oxit, hoặc xeri oxit dạng nanô vào lớp phủ bề mặt trong suốt của các lớp sơn bề mặt có thể giúp làm suy yếu tia UV, tạo ra sự bảo vệ lâu dài trước bức xạ UV có hại mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến độ trong suốt, độ bóng, màu sắc và các tính chất vật lý mong muốn khác của thiết bị.

Sơn chống mài mòn

Vật liệu nanô với thành phần chính là nhôm được sử dụng trong các lớp sơn phủ có thể tạo ra tính kháng mài mòn lâu dài mà không ảnh hưởng đến độ trong, độ bóng, màu sắc hoặc các tính chất vật lý khác. Các sản phẩm thương mại có thể áp dụng vật liệu nanô là: sơn móng tay, vật liệu làm sàn nhà, cửa sổ, kính nhựa, bóng đèn pha và các chi tiết ôtô khác, thấu kính quang học.

Các sản phẩm chăm sóc cá nhân

Ngày nay, một trong những vấn đề sức khỏe lớn là hạn chế tác động không cần thiết của các tia UV có hại đối với cơ thể con người. Vật liệu nanô có tác dụng như chất cản ánh nắng Mặt Trời để bảo vệ da trong các sản phẩm kem chống nắng. Kẽm oxit dạng nanô có thể làm yếu đáng kể tia UV mà vẫn đảm bảo độ trong suốt của sản phẩm kem chống nắng.

Vật liệu nanô cũng tạo ra sự bảo vệ chống vi khuẩn và chống mùi ở da người thông qua các sản phẩm chăm sóc dạng bột, keo gel hoặc thuốc xịt.

Vật liệu nanô trong sản xuất ôtô

Nhiều nhà sản xuất ôtô hiện đang nghiên cứu và phát triển các vật liệu composit nanô. Yêu cầu đối với những vật liệu này là độ bền va đập cao hơn, khả năng gia công tốt hơn để đảm bảo hiệu quả sản xuất cao hơn và khả năng tái chế tốt hơn. Trở ngại lớn nhất hiện nay đối với việc tái chế là sự kết hợp một số lớp để tạo thành một thành phần, ví dụ phần lõi bằng vật liệu xốp với lớp phủ bên ngoài gồm nhiều lá nhựa mỏng hoặc các lớp sợi, vì hầu như không thể tách lớp vỏ vinyl ra khỏi lớp lõi xốp. Vì vậy, xu hướng sẽ là chế tạo các vật liệu nanô dạng đơn lớp.

Nhựa propylen được sử dụng phổ biến trong sản xuất ôtô có nhược điểm là khó sơn vì bề mặt trơn nhẵn. Các tiến bộ kỹ thuật mới sẽ cho phép sản xuất các chi tiết có màu (không cần sơn) đồng thời có tính chất thẩm mỹ tốt.

Triển vọng của ngành sản xuất chất độn vô cơ

Chất độn vô cơ cần đạt 3 đặc tính quan trọng để có thể nâng cao các tính chất mong muốn của chất dẻo mà không làm ảnh hưởng các tính chất khác. Đó là sự biến đổi bề mặt các hạt chất độn để tạo ra tương tác có lợi giữa chất độn và khung chất dẻo bao quanh, tiếp theo là kích thước và hình dạng của các hạt khoáng chất.

Ngành công nghiệp chất dẻo thế giới tiêu thụ hàng năm khoảng 4 triệu tấn chất độn vô cơ. Chất độn thường chiếm 40 - 60% trọng lượng trong các chất dẻo có độn. Nhìn chung, triển vọng tăng trưởng đối với chất độn vô cơ là 4-12%/ năm tùy theo loại khoáng chất. đây cũng sẽ là thị trường đầy triển vọng của khoáng chất nanô.

Nguồn: Industrial Mineral, 1-2005/ TC Công nghiệp hoá chất, 2005, No10