Hạt nano kim
loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và
hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức
là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng
riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao.
1. Tính chất quang học
Tính chất quang
học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy
tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm
trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt
(surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng
chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động
dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao
động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng
tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn
kích thước. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung
bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với
ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano có được do sự dao
động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng
điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm
cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện
một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng,
độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều
nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ
loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến
ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.
2. Tính chất điện
Tính dẫn điện
của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự
do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc
vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện
tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút
mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện
trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR,
trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật
Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích
thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu
trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện
một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai
khác nhau một lượng e/2C cho
U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện
tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối
hạt nano với điện cực.
3. Tính chất từ
Các kim loại quý
như vàng, bạc,... có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử.
Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và
vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trạng thái
khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken thì khi kích thước nhỏ sẽ
phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật
liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ
tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng
không.
4. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng
chảy Tm của vật liệu phụ
thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh
thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là
số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối
vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể
ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng
chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm
= 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C [1].
Tài liệu tham khảo
[1] G. A.
DeVries, et. al., Science 315 (2007) 358.
