VẬT LIỆU CẤU TRÚC LỚP AMINOCLAY VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG

2/24/2020 2:10 AM

Trong xu hướng phát triển của công nghệ nano hiện nay, vật liệu hai chiều đang nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Loại vật liệu này thể hiện những đặc tính ưu việt như độ linh động cơ học, diện tích bề mặt, độ dẫn nhiệt và dẫn điện, cũng như tính ổn định cấu trúc. Aminoclay (AC) hay còn gọi là amino organophyllosilicates, là một dạng vật liệu có cấu trúc lớp hai chiều tự sắp xếp điển hình trong họ vật liệu lai hữu cơ và vô cơ. Chúng có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: y sinh, môi trường, xúc tác quang, năng lượng và mỹ phẩm. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này có khả năng ổn định bề mặt tốt đối với các nano kim loại và kết dính hiệu quả với polyme hữu cơ. AC cũng là một phụ gia quan trọng cho quá trình tổng hợp vật liệu, do chúng có tính chất cơ học ổn định và vật lý tốt hơn. Trong lĩnh vực y sinh, AC có khả năng sử dụng như một hệ bao bọc và phân phối thuốc nhờ các nhóm chức tích điện dương trên bề mặt. Ngoài ra, do độc tính thấp và dễ dàng tổng hợp, AC còn được sử dụng làm vật lệu chuyển hóa DNA, bảo vệ phần tử này khỏi sự phá hủy của các enzym. Bên cạnh đó, AC còn được sử dụng trong cảm biến, nông nghiệp, và chiết xuất lipid từ vi tảo. Đối với môi trường, AC có khả năng kiểm soát hiệu quả sự nở hoa của tảo và loại bỏ một số kim loại nặng, thuốc nhuộm hữu cơ hoặc anion có hại trong nước thải. Gần đây, AC đã được nghiên cứu phát triển để cải thiện hiệu suất điện hóa, tăng tuổi thọ, vòng đời và khả năng tích trữ năng lượng của pin Lithium-ion.

Hình 1: Hình ảnh quang học của các hạt nano kim loại và AC trong nước: (từ trái sang phải) AC và phân tán cùng các hạt nano Au, Ag, Pt và Pd [1]

Tương tự như các vật liệu 2 chiều khác, AC có một lượng lớn lớp vật liệu có khả năng phân tách thành các lớp riêng lẻ khi đặt trong điều kiện thích hợp. Tuy nhiên, có sự khác biệt quan trọng giữa AC và các vật liệu lớp khác như graphene, graphene oxide, hay photpho đen liên quan đến số lượng lớn nhóm chức amino (-NH2) trên bề mặt vật liệu, thay vì các nhóm chức thông thường như hydroxyl, carbonyl hay carboxyl. Chính nhờ sự hiện diện của các nhóm chức amino này dẫn đến sự phân tách thành các lớp thuận nghịch và tự do trong cấu trúc lớp xếp chồng của AC ở môi trường nước thông qua sự proton hóa của các nhóm amin trên bề mặt. Khi phân tách các lớp vật liệu cho thấy chúng có kích thước từ 30 đến 150 nm với chiều dày xấp xỉ 2 -4 nm [2]. Đặc biệt hơn, các lớp tách này lại dễ dàng quay trở lại dạng cấu trúc hai chiều xếp chồng lên nhau khi có sự hiện diện của dung môi ít phân cực hơn như cồn.

Để tổng hợp AC, chỉ cần có tiền chất muối kim loại kết hợp với 3-amino propyltriethoxysilane (APTES) trong môi trường cồn mà không cần bất kì chất xúc tác axit hoặc bazơ nào khác, tổng hợp thông qua phương pháp sol-gel đơn giản ở nhiệt độ phòng. Đặc biệt hơn, tùy thuộc vào sự lựa chọn tiền chất muối kim loại mà ta có thể thu được các loại AC khác nhau như MgAC, CaAC, FeAC, SnAC, hay CuAC….

Hình 2: Cấu trúc 2 chiều của vật liệu aminoclay [3]

Tài liệu tham khảo

[1] K.K.R. Datta, M. Eswaramoorthy, C.N.R. Rao, Journal of Materials Chemistry, 17 (2007) 613-615.

[2] A.J. Patil, E. Muthusamy, S. Mann, Journal of Materials Chemistry, 15 (2005) 3838-3843.

[3] K.K.R. Datta, A. Achari, M. Eswaramoorthy, Journal of Materials Chemistry A, 1 (2013) 6707-6718.