Nano đồng oxit CuO là gì?
- Nano CuO là dạng hạt nano của đồng oxit (CuO), một oxit kim loại chuyển tiếp có cấu trúc tinh thể đơn tà (monoclinic).
- Kích thước hạt thường dao động từ 10-100 nanomet, giúp tăng diện tích bề mặt và hoạt tính hóa học.
- Nano CuO có tính chất bán dẫn loại p, với khoảng cách vùng năng lượng (band gap) khoảng 1.2–1.9 eV, tùy thuộc vào kích thước hạt và phương pháp tổng hợp
Màu sắc của nano đồng oxit CuO
- Nano CuO hấp thu ánh sáng trong vùng tử ngoại UV (Mắt người không nhìn thấy được ánh sáng ở vùng UV) đỉnh hấp thu nano CuO trong khoảng 280-360 nm. Vậy nên dung dịch nano CuO trong suốt không màu.
Note: Mắt người nhìn thấy màu sắc trong vùng khả kiến 400-760 nm. Khi ánh sáng trắng (gồm nhiều bước sóng từ 400–700 nm) chiếu vào một chất, các phân tử hoặc hạt trong chất đó sẽ hấp thu một số bước sóng nhất định. Phần ánh sáng còn lại (không bị hấp thu) sẽ được phản xạ hoặc truyền qua, và đó chính là màu mà mắt người nhìn thấy.
- Khi ở nồng độ cao dung dịch nano CuO có màu đen vì mật độ hạt dày đặc khiến ánh sáng bị hấp thu gần như hoàn toàn (ánh sáng không thể thoát ra giống như graphen, hố đen…)
Phương pháp tổng hợp nano CuO
- Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal)
- Nguyên lý: Phản ứng xảy ra trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao, thường trong bình Teflon đặt trong autoclave.
- Quy trình cơ bản:
- Hòa tan muối đồng như Cu(NO₃)₂·3H₂O vào nước cất.
- Thêm dung môi phụ trợ như isopropanol.
- Điều chỉnh pH bằng NaOH.
- Đưa vào autoclave và nung ở nhiệt độ 120–180°C trong vài giờ.
- Ưu điểm: Tạo hạt nano có hình thái đồng đều, kích thước kiểm soát tốt, không cần chất hoạt động bề mặt.
- Nhiệt phân (Thermal decomposition)
Tiền chất: Cu(NO₃)₂, Cu(CH₃COO)₂, hoặc CuC₂O₄.
Quy trình:
- Trộn tiền chất với chất phụ trợ (nếu cần).
- Nung ở nhiệt độ 400–600°C trong không khí hoặc môi trường kiểm soát.
- Sản phẩm thu được là bột CuO màu đen.
- Ưu điểm: Quy trình đơn giản, dễ mở rộng quy mô..
- Phương pháp đồng kết tủa (Co-precipitation)
- Dùng muối đồng (Cu(NO₃)₂) và kiềm (NaOH hoặc NH₄OH) để tạo kết tủa Cu(OH)₂.
- Lọc, rửa, sấy khô → nung để chuyển thành CuO.
- Ưu điểm: dễ thực hiện, nguyên liệu và quy trình sản xuất đơn giản
Phân biệt với các sản phẩm đồng khác:
- Nano CuO: Là dạng hạt nano của CuO, có màu đen ở nồng độ cao và trong suốt không màu khi pha loãng, không tan trong nước, hấp thu mạnh vùng UV. Được ứng dụng trong nông nghiệp, công nghiệp, thủy sản, xúc tác
- CuSO₄: Là muối tan, có màu xanh lam khi ngậm nước, rất phổ biến trong thủy sản, nông nghiệp, xử lý nước. Độc tính cao
- Cu₂O: Có màu đỏ đặc trưng, là oxit đồng(I), dễ bị oxy hóa thành CuO khi tiếp xúc với không khí ẩm. Dùng chủ yếu trong nông nghiệp, xúc tác…
- CuOCl: Có màu xanh lục nhạt, có tính chất trung gian giữa oxit và muối, thường dùng trong nông nghiệp. Độc tính cao
Cơ chế diệt khuẩn, nấm và virus
Cơ chế diệt khuẩn của nano đồng oxit CuO
- Giải phóng ion Cu²⁺
- Nano CuO từ từ hòa tan và giải phóng ion Cu²⁺.
- Ion Cu²⁺ gắn với nhóm -SH trong protein và enzyme của vi khuẩn → làm biến tính và phá hủy chức năng sinh học.
- Tạo gốc tự do (ROS – Reactive Oxygen Species)
- Nano CuO xúc tác tạo ra các gốc oxy hóa như OH⁻, H₂O₂, O₂⁻.
- ROS phá hủy lipid màng tế bào, DNA và protein → gây chết tế bào vi khuẩn.
- Phá hủy màng tế bào
- Các hạt nano CuO bám lên màng tế bào nhờ tương tác tĩnh điện.
- Gây rò rỉ tế bào chất, mất cân bằng nội môi → tế bào bị vỡ.
- Ức chế enzyme và DNA
- Ion Cu²⁺ xâm nhập vào tế bào, gắn vào DNA → ngăn cản quá trình sao chép và phiên mã.
- Làm gián đoạn chu trình sống của vi khuẩn.
Cơ chế diệt nấm của nano đồng oxit CuO
- Phá hủy màng tế bào nấm
- Màng tế bào nấm chứa chitin và β-glucan, là những cấu trúc bền vững.
- Nano CuO bám lên bề mặt tế bào nấm nhờ tương tác tĩnh điện → gây rò rỉ ion và chất nội bào.
- Làm mất cân bằng áp suất thẩm thấu → tế bào bị vỡ hoặc chết.
- Tạo gốc tự do (ROS – Reactive Oxygen Species)
- Nano CuO xúc tác tạo ra các gốc oxy hóa như OH⁻, H₂O₂, O₂⁻.
- ROS tấn công ty thể, DNA, và protein nội bào → gây stress oxy hóa nghiêm trọng.
- Làm gián đoạn quá trình hô hấp và sao chép của tế bào nấm.
- Ức chế tổng hợp ergosterol
- Ergosterol là thành phần thiết yếu của màng tế bào nấm (tương tự cholesterol ở tế bào động vật).
- Ion Cu²⁺ từ nano CuO ức chế enzyme tham gia tổng hợp ergosterol → làm suy yếu màng tế bào.
- Xâm nhập và phá vỡ cấu trúc nội bào
- Kích thước nano cho phép CuO xuyên qua màng tế bào và đi sâu vào bên trong.
- Gây tổn thương cấu trúc tế bào chất, ty thể và nhân tế bào → dẫn đến chết tế bào theo cơ chế hoại tử hoặc apoptosis.
Cơ chế diệt virus của nano đồng oxit CuO
- Tạo gốc tự do (ROS – Reactive Oxygen Species)
- Nano CuO xúc tác tạo ra các gốc oxy hóa như OH⁻, H₂O₂, O₂⁻.
- ROS tấn công lớp vỏ protein và màng lipid của virus (đặc biệt là virus có màng bao như coronavirus, influenza…).
- Làm biến tính protein bề mặt → virus mất khả năng bám vào tế bào chủ.
- Phá hủy vật liệu di truyền (RNA/DNA)
- ROS và ion Cu²⁺ có thể xâm nhập vào virus và gây đứt gãy chuỗi RNA hoặc DNA.
- Ngăn cản quá trình sao chép và phiên mã → virus không thể nhân lên.
- Tương tác tĩnh điện và hấp phụ bề mặt
- Nano CuO có điện tích bề mặt → dễ hấp phụ virus nhờ tương tác tĩnh điện.
- Quá trình hấp phụ làm biến đổi cấu trúc virus, gây mất hoạt tính sinh học.
- Giải phóng ion Cu²⁺
- Ion Cu²⁺ có thể gắn vào nhóm -SH trong protein virus → làm biến tính và mất chức năng.
- Tác động này đặc biệt hiệu quả với các enzyme cần thiết cho virus xâm nhập và sao chép.
