Nano kẽm oxit – Các phương pháp tổng hợp vật lý, hóa, sinh và ứng dụng

Công nghệ nano là lĩnh vực sáng tạo nhất của thế kỷ 21. Nghiên cứu mở rộng đang được tiến hành để thương mại hóa các sản phẩm nano trên khắp thế giới. Do các đặc tính độc đáo của chúng, các hạt nano đã đạt được tầm quan trọng đáng kể so với các hạt số lượng lớn. Trong số các hạt nano kim loại khác, các hạt nano kẽm oxit rất quan trọng do chúng được sử dụng trong cảm biến khí, cảm biến sinh học, mỹ phẩm, hệ thống phân phối thuốc, v.v. Các hạt nano kẽm oxit (ZnO NPs) cũng có các đặc tính quang học, vật lý và kháng khuẩn đáng chú ý và do đó có tiềm năng lớn trong nông nghiệp. Về phương pháp hình thành, các NP ZnO có thể được tổng hợp bằng một số phương pháp hóa học như phương pháp kết tủa, phương pháp vận chuyển hơi và quá trình thủy nhiệt. Ngày nay, quá trình tổng hợp sinh học các NP ZnO bằng cách sử dụng các chất chiết xuất từ ​​thực vật khác nhau cũng rất phổ biến. Sự tổng hợp xanh này khá an toàn và thân thiện với môi trường so với tổng hợp hóa học. Bài báo này trình bày chi tiết về tổng hợp, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kẽm oxit.

(BẢN QUYỀN NANOCMM TECHNOLOGY)

1. Giới thiệu

1.1. Công nghệ nano

Công nghệ nano là một công nghệ mới nổi, có thể dẫn đến một cuộc cách mạng mới trong mọi lĩnh vực khoa học [ 1 ]. Công nghệ này được sử dụng cùng với liên kết với quang học, điện tử, y sinh và khoa học vật liệu. Nghiên cứu trong lĩnh vực này đã đạt được động lực trong những năm gần đây bằng cách cung cấp các giải pháp sáng tạo trong các lĩnh vực khoa học khác nhau.

Công nghệ nano xử lý các hạt nano là các tập hợp nguyên tử hoặc phân tử được đặc trưng bởi kích thước nhỏ hơn 100 nm. Đây thực sự là dạng biến đổi của các nguyên tố cơ bản có nguồn gốc bằng cách thay đổi các đặc tính nguyên tử cũng như phân tử của các nguyên tố [ 2 , 3 ]. Các hạt nano đạt được sức hút đáng kể vì các đặc tính khác thường và hấp dẫn của chúng, với nhiều ứng dụng khác nhau, so với các đối tác số lượng lớn của chúng.

1.2. Các hạt nano kẽm oxit

Kẽm oxit là một hợp chất vô cơ có công thức phân tử ZnO. Nó xuất hiện dưới dạng bột màu trắng và gần như không hòa tan trong nước. Bột ZnO được sử dụng rộng rãi như một chất phụ gia trong nhiều vật liệu và sản phẩm bao gồm gốm sứ, thủy tinh, xi măng, cao su (ví dụ: lốp xe ô tô), chất bôi trơn, sơn, thuốc mỡ, chất kết dính, chất dẻo, chất bịt kín, chất màu, thực phẩm (nguồn dinh dưỡng Zn) , pin, sắt và chất chống cháy. Trong vỏ Trái đất, ZnO tồn tại dưới dạng khoáng zincite nhưng phần lớn ZnO được sử dụng cho mục đích thương mại được sản xuất tổng hợp. ZnO thường được gọi là chất bán dẫn II-VI trong khoa học vật liệu vì kẽm và oxy thuộc nhóm thứ 2 và thứ 6 của bảng tuần hoàn. Chất bán dẫn ZnO có một số tính chất độc đáo như độ trong suốt tốt, tính linh động của điện tử cao, vùng cấm rộng và phát quang mạnh ở nhiệt độ phòng. Các đặc tính này giải thích cho các ứng dụng của nó trong các điện cực trong suốt trong màn hình tinh thể lỏng và trong các cửa sổ tiết kiệm năng lượng hoặc bảo vệ nhiệt và các ứng dụng điện tử khác. Kẽm oxit (wurtzite, p63m) được biết đến là chất bán dẫn có khoảng cách vùng cấm rộng với năng lượng vùng cấm là 3,3 eV ở nhiệt độ phòng (RT). Ngày nay, các đặc tính độc đáo của vật liệu nano đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu phát triển nhiều kỹ thuật đơn giản và rẻ tiền để sản xuất cấu trúc nano của các vật liệu quan trọng về mặt công nghệ. Một số hạt nano oxit kim loại được sản xuất với các ứng dụng có thể có trong tương lai. Trong số đó kẽm oxit được coi là một trong những chất được khai thác tốt nhất ở kích thước nano. Độ rộng vùng cấm rộng và năng lượng liên kết excitonic lớn đã làm cho kẽm oxit trở nên quan trọng đối với cả các ứng dụng khoa học và công nghiệp [4 ].

1.2.1. Cấu trúc tinh thể của ZnO

Tinh thể ZnO có cấu trúc tinh thể wurtzite (B4), có ô đơn vị lục giác với hai tham số mạng tinh thể a và c. Trong cấu trúc lục giác wurtzite này, mỗi anion được bao quanh bởi bốn cation ở các góc của tứ diện, điều này thể hiện sự phối trí tứ diện và do đó thể hiện liên kết cộng hóa trị sp3. Cấu hình tứ diện của ZnO dẫn đến cấu trúc không đối xứng [ 5 – 7 ] (Hình 1 ).

2. Tổng hợp hóa học của các hạt nano kẽm oxit

Các vật liệu nano hoặc cấu trúc nano có thể được tổng hợp bằng nhiều kỹ thuật khác nhau như nhiệt phân phun, phân hủy nhiệt, epitaxy chùm phân tử, lắng đọng hơi hóa chất và cắt đốt bằng tia laze.

2.1. Ưu điểm của tổng hợp hóa học

Tổng hợp hóa học là một trong những kỹ thuật quan trọng nhất có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều loại tiền chất và các điều kiện khác nhau như nhiệt độ, thời gian, nồng độ của chất phản ứng, v.v. Sự thay đổi của các thông số này dẫn đến sự khác biệt hình thái về kích thước và hình dạng của các hạt nano tạo thành.

Các phương pháp hóa học khác nhau được sử dụng để tổng hợp các NP ZnO được liệt kê dưới đây.

2.2. Phản ứng hóa học của kim loại kẽm với rượu

Hầu hết các phương tiện chứa cồn như etanol, metanol hoặc propanol được sử dụng để tổng hợp hóa học các hạt nano ZnO. Thông thường trong quá trình tổng hợp này, 5 mg bột kẽm kim loại được thêm vào 10 mL etanol. Hơn nữa, hỗn hợp phản ứng này được tạo âm trong 20 phút và chuyển vào nồi hấp bằng thép không gỉ và đậy kín trong điều kiện trơ. Hỗn hợp phản ứng được làm nóng từ từ (2 ° C đến 200 ° C mỗi phút) và duy trì ở nhiệt độ này trong 24 đến 48 giờ. Sau đó, huyền phù thu được sẽ được quay ly tâm để lấy sản phẩm, rửa sạch và cuối cùng là làm khô chân không. Trong môi trường cồn, sự phát triển của các hạt oxit chậm và có thể kiểm soát được [ 8 ].

2.3. Tổng hợp bằng phương pháp vận chuyển hơi

Quá trình vận chuyển hơi là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp cấu trúc nano ZnO. Trong quá trình này, kẽm và oxy hoặc hơi hỗn hợp oxy được vận chuyển và phản ứng với nhau dẫn đến hình thành cấu trúc nano ZnO. Có nhiều cách để tạo ra hơi Zn và oxy. Phân hủy ZnO là một phương pháp dễ dàng hơn, trực tiếp và đơn giản; tuy nhiên, nó bị giới hạn ở nhiệt độ rất cao như ~ 1400 ° C.

Một phương pháp trực tiếp khác liên quan đến việc nung nóng bột kẽm dưới dòng oxy. Nó liên quan đến nhiệt độ tăng trưởng tương đối thấp (500 ~ 700 ° C), nhưng tỷ lệ giữa áp suất hơi Zn và áp suất oxy phải được kiểm soát cẩn thận để có được cấu trúc nano ZnO mong muốn. Người ta đã quan sát thấy rằng sự thay đổi tỷ lệ này dẫn đến sự biến đổi lớn về hình thái (kích thước và hình học) của cấu trúc nano [ 9 ].

2.4. Kỹ thuật thủy nhiệt

Kỹ thuật thủy nhiệt là một phương pháp tổng hợp thay thế hiệu quả vì nhiệt độ quá trình thấp; rất dễ dàng để kiểm soát kích thước hạt. Quá trình này có một số ưu điểm như sử dụng thiết bị đơn giản, sản xuất không có chất xúc tác, chi phí thấp, sản xuất đồng đều, thân thiện với môi trường và ít nguy hiểm hơn các quy trình khác. Phương pháp này rất hấp dẫn đối với vi điện tử và điện tử nhựa do nhiệt độ phản ứng thấp. Kỹ thuật này đã được sử dụng thành công để điều chế các NP ZnO và các vật liệu phát quang khác. Hình thái và kích thước của hạt có thể được kiểm soát thông qua quá trình thủy nhiệt bằng cách điều chỉnh nhiệt độ phản ứng, thời gian và nồng độ tiền chất.

Để tổng hợp các hạt nano ZnO, người ta chuẩn bị dung dịch gốc gồm Zn (CH₃ COO)₂ .2H₂O (0,1 M) và sau đó cho vào dung dịch gốc này, 25 mL dung dịch NaOH (từ 0,2 M đến 0,5 M) được điều chế trong metanol. Thêm vào khi khuấy để có giá trị pH của các chất phản ứng từ 8 đến 11. Hơn nữa, các dung dịch này được chuyển vào nồi hấp bằng thép không gỉ kín có lót Teflon và duy trì ở các nhiệt độ khác nhau trong khoảng 100–200 ° C trong 6 đến 12 giờ dưới áp suất tự nhiên. Sản phẩm rắn màu trắng thu được sẽ được rửa bằng metanol, lọc và làm khô trong không khí trong tủ sấy phòng thí nghiệm ở 60 ° C. Sau đó việc xác định đặc tính của các mẫu tổng hợp sẽ được thực hiện để xác định cấu trúc của chúng bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X [ 10 ].

2.5. Phương pháp kết tủa

Trong phương pháp này, ZnO có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng kẽm nitrat và urê làm tiền chất. Trong một quá trình tổng hợp điển hình, 0,5 M (4,735 gm) kẽm nitrat (Zn (NO₃)₂ .6H ₂O) được hòa tan trong 50 mL nước cất và được khuấy liên tục trong 30 phút cho hòa tan hoàn toàn. Urê 1 M (3,002 gm) cũng được chuẩn bị trong 50 mL nước cất, khuấy liên tục trong 30 phút; dung dịch urê này đóng vai trò là chất kết tủa. Dung dịch urê này được thêm từng giọt vào dung dịch kẽm nitrat và khuấy mạnh ở 70 ° C trong 2 giờ để cho phép hình thành hoàn toàn các hạt nano. Cuối cùng dung dịch kết tủa chuyển sang màu trắng đục. Sản phẩm tiền chất màu trắng này được ly tâm ở tốc độ 8000 vòng / phút trong 10 phút và rửa bằng nước cất để loại bỏ bất kỳ tạp chất hoặc ion hấp thụ nào nếu có. Quá trình nung sản phẩm thu được sẽ được thực hiện ở 500 ° C trong môi trường không khí trong 3 giờ bằng cách sử dụng lò nung muffle [ 11]. Tất cả các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình này được thể hiện trong sơ đồ (Hình 2 ).

2.6. Phản ứng hóa học của kẽm axetat dihydrat và NaOH

Trong quá trình này 0,02 M aq. kẽm axetat dihydrat được hòa tan trong 50 mL nước cất và khuấy mạnh. Sau đó thêm từng giọt NaOH 2,0 M dạng nước để đạt pH 12 ở nhiệt độ phòng; sau đó toàn bộ dung dịch được đặt trong máy khuấy từ trong 2 giờ. Sau khi phản ứng xong, kết tủa trắng thu được được rửa kỹ bằng nước cất, sau đó là etanol để loại bỏ các tạp chất nếu có. Sau đó, kết tủa sẽ được làm khô trong lò không khí nóng qua đêm ở 60 ° C và trong quá trình làm khô diễn ra quá trình chuyển hóa hoàn toàn Zn (OH) ₂ thành ZnO NP [ 12 ].

2.7. Nhược điểm của tổng hợp hóa học các hạt nano

Các phương pháp tổng hợp hóa học của ZnO NP như kết tủa hóa học, phương pháp thủy nhiệt, nhiệt phân, lắng đọng hơi hóa chất, v.v. dẫn đến sự hiện diện của một số hóa chất độc hại hấp thụ trên bề mặt có thể có tác dụng phụ trong các ứng dụng y tế. Có một số phản ứng trong các quy trình hóa học này yêu cầu nhiệt độ cao và áp suất cao để bắt đầu trong khi một số phản ứng yêu cầu chân không hoặc điều kiện trơ. Một số kỹ thuật hóa học cũng liên quan đến việc sử dụng một số chất độc hại như H₂S, khuôn mẫu độc và tiền chất kim loại [ 13 ]. Các hóa chất được sử dụng để tổng hợp các hạt nano và để ổn định chúng là độc hại và dẫn đến các sản phẩm phụ không thân thiện [ 14 ].

3. Tổng hợp màu xanh lá cây của các hạt nano kẽm oxit

Quy trình tổng hợp xanh liên quan đến việc tổng hợp các hạt nano dựa trên thực vật. Kỹ thuật tổng hợp xanh sử dụng các hóa chất không gây ô nhiễm để tổng hợp các cấu trúc nano. Nó bao gồm việc sử dụng các dung môi thân thiện với môi trường và an toàn như nước, chiết xuất tự nhiên.

Vì vậy, các phương pháp tiếp cận sinh học sử dụng vi sinh vật và thực vật hoặc chiết xuất thực vật để tổng hợp các hạt nano kim loại đã được đề xuất như là những lựa chọn thay thế an toàn cho các phương pháp hóa học. Trong quá trình tổng hợp sinh học của các hạt nano, một số hệ thống sinh học bao gồm vi khuẩn, nấm và nấm men đã được sử dụng một cách an toàn [ 15 ]. Nhưng việc tổng hợp các hạt nano bằng cách sử dụng vi sinh vật hơi khó khăn vì nó liên quan đến quá trình phức tạp để duy trì nuôi cấy tế bào, tổng hợp nội bào và nhiều bước tinh chế.

3.1. Ưu điểm của tổng hợp hạt nano xanh

Hiện nay, phương pháp “xanh” trong tổng hợp các hạt nano đã trở thành một chủ đề được quan tâm rất nhiều vì các phương pháp hóa học thông thường rất tốn kém và yêu cầu sử dụng các hợp chất hóa học / dung môi hữu cơ cũng như các chất khử độc hại [ 16 ].

Hóa học xanh làm giảm nguy cơ ô nhiễm ở cấp độ nguồn và nó được tăng cường để ngăn chặn chất thải thay vì xử lý hoặc làm sạch chất thải sau khi nó được hình thành. Nguyên tắc tập trung vào việc lựa chọn thuốc thử thân thiện với môi trường. Mặc dù các phương pháp vật lý và hóa học nhanh chóng và dễ dàng hơn để tổng hợp các hạt nano, nhưng kỹ thuật sinh học tốt hơn và thân thiện với môi trường [ 17 , 18 ].

3.2. Bằng cách sử dụng chiết xuất lá của Coriandrum sativum

ZnO NP có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng chiết xuất từ ​​lá của cây Coriandrum sativum . Trong quy trình này, lấy 50 mL nước cất và thêm dung dịch kẽm axetat dihydrat 0,02 M vào đó trong điều kiện khuấy liên tục. Sau đó, sau 10 phút khuấy, dịch chiết lá Coriandrum trong nước được đưa vào các bộ khác nhau (0,25, 0,5, 1 mL) vào dung dịch trên. Thêm NaOH 2,0 M để tạo pH 12, tạo ra dung dịch nước màu trắng nhạt. Sau đó, nó được đặt trong một máy khuấy từ trong 2 giờ.

Sau khi khuấy, kết tủa trắng nhạt được lấy ra và rửa nhiều lần bằng nước cất, sau đó là etanol để không còn tạp chất. Sau đó, sau khi sấy khô ở 60 ° C trong tủ sấy chân không qua đêm, sẽ thu được bột màu trắng nhạt của các hạt nano ZnO [ 19 , 20 ].

3.3. Bằng cách sử dụng chiết xuất lá của cây Calotropis gigantea

Thực vật Calotropis gigantea có tiềm năng được sử dụng để tổng hợp các NP ZnO. 50 mL chiết xuất lá cây Calotropis gigantea được lấy và đun sôi đến nhiệt độ 60–80 độ bằng cách sử dụng máy khuấy hoặc bếp điện. Sau đó, 5 gam kẽm nitrat được thêm vào dung dịch khi nhiệt độ đạt 60 độ C. Toàn bộ hỗn hợp này sau đó được đun sôi cho đến khi nó chuyển thành một hỗn hợp màu vàng đậm. Hỗn hợp này sau đó được thu thập trong một chén sứ và nung trong lò ở 400 ° C trong 2 giờ. Bột màu vàng nhạt sẽ được thu được và nó được thu gom và đóng gói cẩn thận cho các mục đích đặc trưng hơn nữa. Vật liệu được nghiền trong cối-chày để có được sản phẩm tự nhiên mịn hơn cho các mục đích đặc trưng [ 20 ].

3.4. Bằng cách sử dụng chiết xuất từ ​​lá của cây Acalypha indica

Trong quy trình này, đầu tiên tất cả các lá tươi của Acalypha indica được lấy và rửa theo phương pháp bằng nước cất hai lần, sau đó xay và các chất chiết xuất được lọc qua giấy lọc Whatman. Kẽm axetat dihydrat (độ tinh khiết 99%) và natri hydroxit (dạng viên 99%) được sử dụng làm nguyên liệu tiền chất. Kẽm axetat dihydrat được thêm vào nước cất dưới sự khuấy mạnh và sau 10 phút khuấy, dịch chiết lá Acalypha trong nướcđược đưa vào dung dịch trên sau đó thêm NaOH 2,0 M trong nước; nó tạo ra dung dịch nước màu trắng ở pH 12. pH của môi trường ảnh hưởng lớn đến kích thước của các hạt nano ZnO. Sau đó dung dịch trên sẽ được định vị trong máy khuấy từ trong 2 giờ. Cuối cùng, kết tủa được đưa ra ngoài và rửa lặp lại bằng nước cất, sau đó là etanol để loại bỏ các tạp chất của sản phẩm thu được. Bột màu trắng gồm các hạt nano ZnO sẽ thu được sau khi làm khô ở 60 ° C trong tủ sấy chân không qua đêm [ 12 ].

Biểu diễn sơ đồ của quy trình này như trong Hình 3 .

3.5. Bằng cách sử dụng Milky Latex của Calotropis procera

Mủ sữa của cây Calotropis procera (AK, Maddar) rất hữu ích cho việc tổng hợp các hạt nano kẽm oxit. Trong quy trình này 0,02 M aq. dung dịch kẽm axetat khử nước được pha trong 50 mL nước cất và khuấy liên tục. Sau khi khuấy trong 10 phút, mủ của Calotropis procera0,25, 0,5 mL và 1,0 mL sẽ được thêm vào ba bộ vào dung dịch trên và sau khi thêm mủ sữa, dung dịch nước NaOH 2,0 M cũng sẽ được đưa vào dung dịch nước trên; nó sẽ tạo ra một dung dịch nước màu trắng có pH 12, sau đó được đặt trên máy khuấy từ để khuấy liên tục trong 2 giờ. Cuối cùng, kết tủa được đưa ra ngoài và rửa bằng nước cất 2 hoặc 3 lần, tiếp theo là etanol để loại bỏ các tạp chất có trong sản phẩm cuối cùng. Sau đó sẽ thu được một loại bột màu trắng sau khi sấy ở nhiệt độ 60 ° C trong tủ sấy chân không qua đêm [ 20 ].

3.6. Bằng cách sử dụng gạo làm mềm Biotemplate

Gạo Oryza sativa là một nguồn sinh học tái tạo và dồi dào có các đặc tính độc đáo có thể được sử dụng như một tấm lọc sinh học để tổng hợp các vật liệu nano chức năng khác nhau. Các hạt ZnO có thể được tổng hợp thông qua phương pháp thủy nhiệt-biotemplate sử dụng kẽm axetat, natri hydroxit và bột gạo chưa nấu chín ở các tỷ lệ khác nhau được sử dụng làm tiền chất ở 120 ° C trong 18 giờ. Tấm biotemplate này cũng ảnh hưởng đến hình thái và kích thước của các NP ZnO [ 21 ].

4. Phân biệt các tính chất của các hạt nano kẽm oxit

Các hạt nano kẽm oxit có các đặc tính phân biệt sau.

4.1. Tính chất vật lý của các NP ZnO

Các hạt nano kẽm oxit có các đặc tính vật lý to lớn. Điều đáng chú ý là khi kích thước của vật liệu bán dẫn co lại liên tục xuống quy mô nanomet hoặc thậm chí nhỏ hơn so với mức giảm này, một số đặc tính vật lý của chúng trải qua những thay đổi được gọi là “hiệu ứng kích thước lượng tử”. Ví dụ, sự giam giữ lượng tử làm tăng năng lượng vùng cấm của ZnO gần như một chiều (Q1D), điều này đã được xác nhận bằng hiện tượng quang phát quang [ 22 ] (Bảng 1 ).

4.2. Tính chất quang học của các NP ZnO

Các đặc tính quang học bên trong của cấu trúc nano ZnO đang được nghiên cứu chuyên sâu để thực hiện các thiết bị quang tử. Phổ quang phát quang (PL) của cấu trúc nano ZnO đã được báo cáo rộng rãi, [ 23 ]. Từ các phép đo độ dẫn quang của dây nano ZnO, người ta thấy rằng sự có mặt của O₂ có ảnh hưởng quan trọng đến phản ứng quang học. Người ta nhận thấy rằng quá trình giải hấp phụ của O ₂ ảnh hưởng đến phản ứng quang học của dây nano ZnO. Khi được chiếu sáng, các lỗ trống quang điện phóng ra bề mặt đã hấp thụ O ₂ thông qua sự tái tổ hợp lỗ trống điện tử trên bề mặt, trong khi các điện tử quang điện làm tăng đáng kể độ dẫn điện. Khi tắt đèn chiếu sáng, các phân tử O2 hấp thụ lên bề mặt dây nano và làm giảm độ dẫn điện [ 24 , 25 ].

4.3. Tính chất kháng khuẩn của ZnO NPs

Hoạt động kháng khuẩn của oxit kim loại (ZnO NPs) chống lại Staphylococcus aureus, Escherichia coli, hoặc nấm được đánh giá định lượng trong môi trường nuôi cấy. Người ta quan sát thấy rằng sự ức chế tăng trưởng chỉ cao hơn trong ZnO tổng hợp sinh học so với hạt nano ZnO hóa học cũng như các chất kháng khuẩn thông thường khác. Hoạt tính sinh học tăng cường của các hạt nhỏ hơn này được cho là do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao hơn. Các hạt nano ZnO tạo thành một chất kháng khuẩn hiệu quả chống lại các vi sinh vật gây bệnh. Về cơ bản, các loại ôxy hoạt tính được phát hiện được tạo ra bởi các hạt ôxít kim loại này có thể là cơ chế chính của hoạt động kháng khuẩn của chúng.

Cơ chế kháng khuẩn của ZnO NPs liên quan đến sự tương tác trực tiếp giữa các hạt nano ZnO và bề mặt tế bào ảnh hưởng đến tính thấm của màng tế bào; sau đó các hạt nano này xâm nhập và gây ra stress oxy hóa trong tế bào vi khuẩn, dẫn đến ức chế sự phát triển của tế bào và cuối cùng là chết tế bào; hoạt tính kháng khuẩn đã được chứng minh của ZnO NP khuyến nghị ứng dụng khả thi của nó trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm. Nó có thể được ứng dụng như một chất khử trùng mạnh để khử trùng và khử trùng các thiết bị và hộp đựng trong ngành công nghiệp thực phẩm chống lại sự tấn công và ô nhiễm vi khuẩn gây bệnh từ thực phẩm. Các NP của ZnO cho thấy cả độc tính đối với vi khuẩn gây bệnh (ví dụ, Escherichia coli và Staphylococcus aureus ) và tác dụng có lợi đối với vi khuẩn, nhưPseudomonas putida , có khả năng xử lý sinh học và là chất diệt khuẩn rễ mạnh [ 26 ].

5. Ứng dụng và sử dụng của các hạt nano kẽm oxit

Các NPs của ZnO đã thu hút các nỗ lực nghiên cứu chuyên sâu vì các đặc tính độc đáo và ứng dụng linh hoạt của chúng trong thiết bị điện tử trong suốt, bộ phát tia cực tím (UV), thiết bị áp điện, cảm biến hóa học và điện tử spin [ 5 , 27 ].

ZnO không độc hại; nó có thể được sử dụng làm vật liệu phân hủy quang xúc tác của các chất ô nhiễm môi trường. Các màng mỏng và khối lượng lớn của ZnO đã chứng tỏ độ nhạy cao đối với nhiều loại khí độc [ 28 ].

ZnO hiện được liệt kê là vật liệu “thường được công nhận là an toàn (GRAS)” bởi Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm và cũng được sử dụng làm phụ gia thực phẩm. Cấu trúc nano ZnO thể hiện hiệu quả xúc tác cao, cũng như khả năng hấp phụ mạnh, và được sử dụng thường xuyên hơn trong sản xuất kem chống nắng. Ưu tiên nhất, trong số các hạt nano oxit kim loại khác nhau, hạt nano kẽm oxit (ZnO) có tầm quan trọng riêng do phạm vi ứng dụng rộng lớn của chúng, ví dụ, cảm biến khí, cảm biến sinh học, mỹ phẩm, lưu trữ, thiết bị quang học, vật liệu cửa sổ cho màn hình, pin mặt trời, và phân phối thuốc [ 29 – 32 ].

5.1. Công dụng chữa bệnh của các NP ZnO

Các NP của ZnO đóng một số vai trò tiềm năng trong thần kinh trung ương và có lẽ trong quá trình phát triển của bệnh thông qua trung gian kích thích tế bào thần kinh hoặc thậm chí giải phóng chất dẫn truyền thần kinh. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các NP ZnO ảnh hưởng đến chức năng của các tế bào hoặc mô khác nhau, khả năng tương thích sinh học và kỹ thuật mô thần kinh [ 6 , 33 , 34 ] nhưng có rất ít thông tin về ảnh hưởng đối với các bệnh liên quan đến thần kinh trung ương và thần kinh trung ương. Các NP của ZnO đã được đề xuất để điều chỉnh quá trình truyền qua synap trong ống nghiệm và thay đổi khả năng nhận thức trong không gian thông qua việc tăng cường điện thế dài hạn (LTP) ở chuột. Người ta cũng gợi ý rằng việc tiếp xúc với các NP ZnO dẫn đến khả năng gây độc gen qua trung gian của quá trình peroxy hóa lipid và stress oxy hóa [ 35 , 36]. Tuy nhiên, do khả năng nhắm mục tiêu của nó, các NP ZnO có tiềm năng hữu ích trong điều trị ung thư và / hoặc tự miễn dịch [ 37 ].

6. Vai trò của các NP ZnO trong nông nghiệp

Nông nghiệp là trụ cột của nền kinh tế thế giới thứ ba nhưng không may là hiện nay, ngành nông nghiệp đang phải đối mặt với nhiều thách thức toàn cầu khác nhau như biến đổi khí hậu, đô thị hóa, sử dụng bền vững tài nguyên và các vấn đề môi trường như dòng chảy, tích tụ thuốc trừ sâu và phân bón; dân số đang tăng lên từng ngày và nhu cầu lương thực đang tăng nhanh và ước tính dân số thế giới sẽ tăng từ mức hiện tại là 6 tỷ lên 9 tỷ người vào năm 2050. Vì vậy chúng ta phải áp dụng các kỹ thuật hiệu quả để làm cho nông nghiệp bền vững hơn [ 38 ].

Công nghệ nano có vị trí chủ đạo trong chuyển đổi nông nghiệp và sản xuất thực phẩm. Công nghệ nano có tiềm năng lớn để sửa đổi các hoạt động nông nghiệp thông thường. Hầu hết các hóa chất nông nghiệp được sử dụng cho cây trồng bị mất và không đến được vị trí mục tiêu do một số yếu tố bao gồm rửa trôi, trôi, thủy phân, quang phân và sự phân hủy của vi sinh vật. Các hạt nano và viên nang nano cung cấp một phương tiện hiệu quả để phân phối thuốc trừ sâu và phân bón theo cách có kiểm soát với độ đặc hiệu cao tại chỗ, do đó giảm thiệt hại tài sản. Ứng dụng công nghệ nano trong trang trại đang được chú ý nhờ việc kiểm soát hiệu quả và giải phóng chính xác thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và phân bón. Sự phát triển của cảm biến nano có thể giúp xác định lượng đầu vào nông trại cần thiết như phân bón và thuốc trừ sâu. Cảm biến nano để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, siêu chọn lọc, phản hồi nhanh và kích thước nhỏ. Họ cũng có thể phát hiện mức độ ẩm của đất và chất dinh dưỡng trong đất. Cây trồng có thể hấp thụ nhanh chóng phân bón nano. Phân bón tan chậm được bao bọc nano có thể tiết kiệm lượng phân bón tiêu thụ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

VQG kẽm oxit có tiềm năng thúc đẩy năng suất và sự phát triển của cây lương thực. Hạt đậu phộng được xử lý với các nồng độ khác nhau của các hạt nano kẽm oxit. Xử lý kích thước nano kẽm oxit (kích thước hạt trung bình 25 nm) ở nồng độ 1000 ppm đã được sử dụng để thúc đẩy sự nảy mầm của hạt, sức sống của cây con, và sự phát triển của cây trồng và các hạt nano kẽm oxit này cũng tỏ ra có hiệu quả trong việc tăng trưởng thân và rễ ở cây lạc [ 39 ].

Dung dịch keo của các hạt nano kẽm oxit được dùng làm phân bón. Đây là loại phân bón nano đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp. Phân bón nano là một chất dinh dưỡng thực vật không chỉ là một loại phân bón vì nó không chỉ cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng mà còn hồi sinh đất về trạng thái hữu cơ mà không có các tác nhân gây hại của phân bón hóa học. Một trong những ưu điểm của phân bón nano là chúng có thể được sử dụng với một lượng rất nhỏ. Một cây trưởng thành chỉ cần 40–50 kg phân bón trong khi lượng phân bón thông thường là 150 kg. Thuốc nano cũng có thể được sử dụng thành công làm phân bón và thuốc trừ sâu [ 40 , 41 ]. Năng suất của cây lúa mì trồng từ hạt được xử lý bằng các hạt nano kim loại tăng trung bình 20–25% [ 42].

6.1. Tác động của các NP ZnO đối với thực vật

Các hạt nano của các oxit kim loại khác nhau có thể đóng vai trò quan trọng để thúc đẩy sự tăng trưởng và năng suất của thực vật nhưng hiện nay các cuộc điều tra về tác động độc học của NP tiếp tục tăng lên theo thời gian và chỉ có một số nghiên cứu được thực hiện để xác định ảnh hưởng của ZnO NPs đối với thực vật [ 43 – 46 ]. Một nghiên cứu đã được thực hiện về sự nảy mầm của hạt và sự phát triển của rễ của sáu loài thực vật bậc cao (củ cải, cải dầu, lúa mạch đen, rau diếp, ngô và dưa chuột); độc tính của năm loại NP (ống nano cacbon đa vách, nhôm, alumin, kẽm và kẽm oxit) cho thấy rằng sự nảy mầm của hạt nói chung không bị ảnh hưởng trong hầu hết các trường hợp trong khi sự kéo dài của rễ bị ức chế. IC50 của các NP ZnO được ước tính là khoảng 50 mg / L đối với củ cải và khoảng 20 mg / L đối với cỏ dại và cỏ lúa mạch đen [ 16].

Các nghiên cứu độc tính của các hạt nano ZnO trên cỏ lúa mạch đen cho thấy rằng, khi có mặt các NPN ZnO, sinh khối của cỏ lúa mạch đen giảm đáng kể, đầu rễ bị teo lại, các tế bào biểu bì rễ cũng như vỏ trở nên bị hút chân không và sụp đổ. Phần lớn các NPN ZnO vẫn bám trên bề mặt của rễ và các NP riêng lẻ được quan sát thấy có trong nguyên bào gốc và nguyên sinh chất của nội bì rễ và bia. Không có hoặc ít hoặc các ion kẽm phân ly được chuyển vị trí trong cỏ lúa mạch đen tiếp xúc với các hạt nano ZnO [ 44 ].

7. Tác động tiêu cực hoặc độc hại của các NP ZnO

Mặc dù các NPN ZnO có tầm quan trọng thương mại lớn và có mặt trong các sản phẩm thương mại khác nhau, nhưng rõ ràng công chúng ngày càng lo lắng về các tác động độc hại và môi trường của các NPN ZnO. Thật không may, các nghiên cứu về chất độc học được thực hiện trên các hạt nano kẽm oxit trong mười năm qua cho thấy rằng các NPN ZnO tiềm ẩn những rủi ro về sức khỏe cũng như môi trường. Các NP của ZnO có thể gây ra độc tính nghiêm trọng đối với vi khuẩn, Daphnia magna, microalga nước ngọt, chuột và thậm chí cả tế bào người [ 36 , 47 – 50 ].

7.1. Thâm da

ZnO NP đặc biệt hữu ích trong kem chống nắng vì chúng có khả năng lọc tia cực tím UVA cũng như UVB nội tại. Do đặc tính đáng chú ý này, chúng mang lại khả năng bảo vệ rộng hơn bất kỳ chất chống nắng nào khác. Nhưng các hạt nano này có khả năng thâm nhập vào da và tiếp cận các tế bào sống sót, dẫn đến độc tính tiềm ẩn do chúng gây ra. Một phân tích so sánh về khả năng thấm qua da giữa các loài động vật khác nhau đã được thực hiện, xếp hạng chúng theo thứ tự thỏ> chuột> lợn> khỉ> người và ghi nhận rằng da lợn và chuột có khả năng thẩm thấu gấp 4 và 9–11 lần so với da người , tương ứng. Tổng thể,36 , 50 ].

8. Kết luận

Công nghệ nano là công nghệ mới nổi của thế kỷ hiện nay hoạt động trong tất cả các lĩnh vực khoa học. Các hạt nano kẽm oxit nổi bật như một trong những vật liệu linh hoạt nhất, do các đặc tính, chức năng và ứng dụng đa dạng của chúng. Các NP của ZnO có các đặc tính vật lý và quang học to lớn. Chúng cũng có tác dụng kháng khuẩn chống lại một số vi khuẩn và nấm. Về mặt tổng hợp các hạt nano kẽm oxit, chúng có thể được tổng hợp bằng các phương pháp hóa học nhưng trong thời gian gần đây do sự phát triển của hóa học xanh, người ta cũng có thể tổng hợp sinh học các hạt ZnO bằng cách sử dụng các chất chiết xuất từ ​​thực vật khác nhau. Quá trình tổng hợp xanh của ZnO NPs an toàn hơn và thân thiện với môi trường hơn nhiều so với quá trình tổng hợp hóa học vì nó không dẫn đến việc hình thành các sản phẩm phụ độc hại. Theo cách sử dụng của chúng, các hạt nano đóng một vai trò quan trọng trong nông nghiệp, nơi dung dịch keo của các NP ZnO được sử dụng trong phân bón nano. Ứng dụng của các hạt nano này vào cây trồng làm tăng tốc độ tăng trưởng và năng suất của chúng. Do nhu cầu lương thực ngày càng tăng nên năng suất của các loại cây lương thực chính rất thấp. Vì vậy, cần hàng giờ để thương mại hóa các hạt nano kim loại cho nông nghiệp bền vững.

Nguồn tham khảo:

Zinc Oxide Nanoparticles for Revolutionizing Agriculture: Synthesis and Applications

Sidra Sabir,¹ Muhammad Arshad,¹ and Sunbal Khalil Chaudhari¹