Nano silica là gì? Các công bố khoa học về Nano silica

Định nghĩa và phân loại Nano Silica

Nano silica (nano-SiO₂) là dạng vật liệu chứa silicon dioxide có cấu trúc hạt trong kích thước nano, thường dao động từ 1 đến 100 nanomet. Ở kích thước này, vật liệu thể hiện các tính chất vật lý và hóa học vượt trội so với silica ở dạng khối hoặc vi mô. Nano silica có dạng bột mịn, màu trắng, không tan trong nước và rất bền hóa học. Nhờ cấu trúc phân tử bền vững và khả năng biến tính bề mặt cao, vật liệu này đã trở thành một thành phần chiến lược trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp.

Việc phân loại nano silica dựa trên các yếu tố như cấu trúc hình học, độ xốp và phương pháp chế tạo. Dưới đây là các dạng phổ biến:

• Silica vô định hình (amorphous silica): Không có cấu trúc tinh thể rõ ràng, thường được dùng trong mỹ phẩm và thực phẩm.
• Silica hình cầu (spherical silica nanoparticles): Có hình dạng đều đặn, ổn định, phổ biến trong công nghiệp điện tử và sơn phủ.
• Silica rỗng (hollow silica nanoparticles): Có lõi rỗng, tiềm năng lớn trong y sinh và vận chuyển thuốc.
• Silica mao quản trung bình (mesoporous silica nanoparticles - MSNs): Có cấu trúc lỗ mao quản đồng đều, diện tích bề mặt cao, phù hợp cho các ứng dụng lưu trữ và giải phóng hoạt chất.

Nano silica có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp từ nguyên liệu công nghiệp như natri silicat (Na₂SiO₃) hoặc từ sinh khối như tro trấu, tạo điều kiện cho phát triển công nghệ xanh và kinh tế tuần hoàn.

Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật lý

Nano silica có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất lớn, giúp nó phản ứng mạnh hơn với môi trường xung quanh và tương tác hiệu quả với các chất khác. Cấu trúc cơ bản của nano silica là mạng lưới Si–O–Si, trong đó mỗi nguyên tử silicon được bao quanh bởi bốn nguyên tử oxy tạo thành hình tứ diện. Bề mặt của hạt thường có nhóm silanol (–SiOH), giúp tăng khả năng biến tính hóa học.

Một số đặc tính vật lý nổi bật của nano silica:

• Diện tích bề mặt riêng: 200–800 m²/g
• Độ xốp cao: thể tích mao quản có thể đạt tới 1,2 cm³/g
• Kích thước hạt: 10–50 nm đối với MSNs, 50–100 nm đối với dạng hình cầu đặc
• Chỉ số khúc xạ cao: ~1.46

Các tính chất trên khiến nano silica trở thành chất độn lý tưởng trong vật liệu composite, chất hấp phụ trong xử lý môi trường và là nền tảng cho các hệ vận chuyển hoạt chất trong y học.

Thông số	Giá trị điển hình	Ý nghĩa ứng dụng
Diện tích bề mặt	~300 m²/g	Tăng khả năng hấp phụ và phản ứng
Độ xốp	0.6–1.2 cm³/g	Lưu trữ và vận chuyển phân tử
Kích thước hạt	10–100 nm	Dễ thâm nhập mô sinh học
Hình dạng	Hình cầu, lõi rỗng, mạng mao quản	Đa dạng hóa ứng dụng

Phương pháp tổng hợp Nano Silica

Có nhiều phương pháp tổng hợp nano silica tùy theo yêu cầu về tính chất vật liệu đầu ra. Hai nhóm chính là phương pháp ướt (wet chemical methods) và phương pháp khô (dry/physical methods). Trong đó, phương pháp sol-gel là phổ biến nhất do khả năng kiểm soát tốt kích thước hạt và cấu trúc mao quản.

Nguyên tắc sol-gel dựa trên quá trình thủy phân và ngưng tụ các alkoxide silica (thường là tetraethyl orthosilicate – TEOS):

$\text{Si(OC}_2\text{H}_5)_4 + 4H_2O \rightarrow Si(OH)_4 + 4C_2H_5OH$

$Si(OH)_4 \rightarrow SiO_2 + 2H_2O$

Các phương pháp tổng hợp chính gồm:

1. Sol-gel: Được dùng phổ biến trong phòng thí nghiệm và sản xuất quy mô nhỏ.
2. Đồng kết tủa (co-precipitation): Sử dụng phản ứng giữa natri silicat và axit.
3. Phun nhiệt phân (spray pyrolysis): Dùng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
4. Nghiền cơ học: Tạo hạt nano từ silica thô bằng lực nghiền cao năng.

Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng. Ví dụ, sol-gel tạo hạt đồng đều nhưng chi phí cao, trong khi nghiền cơ học phù hợp sản xuất khối lượng lớn nhưng khó kiểm soát kích thước chính xác.

Ứng dụng trong y sinh học

Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong vận chuyển thuốc, chẩn đoán hình ảnh và liệu pháp kết hợp. Với cấu trúc lỗ mao quản đồng đều và khả năng chức năng hóa bề mặt, MSNs có thể tải một lượng lớn phân tử hoạt tính và kiểm soát quá trình giải phóng theo thời gian hoặc theo điều kiện môi trường (pH, enzyme, nhiệt độ).

Các ưu điểm của nano silica trong y học bao gồm:

• Tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học
• Không độc ở liều thấp (<100 µg/mL)
• Khả năng định vị mô mục tiêu bằng ligand gắn bề mặt

Ví dụ, trong nghiên cứu về điều trị ung thư, các MSNs đã được nạp thuốc doxorubicin và thiết kế để giải phóng hoạt chất tại mô có pH thấp, giúp tăng hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ toàn thân.

Thêm vào đó, MSNs còn được ứng dụng trong hình ảnh học nhờ tích hợp các hạt phát quang hoặc từ tính. Điều này cho phép tạo ra các hệ thống "đa chức năng" vừa chẩn đoán vừa điều trị – còn gọi là theranostics.

Xem thêm tại PubMed Central - Mesoporous Silica Nanoparticles in Drug Delivery.

Ứng dụng trong vật liệu xây dựng

Nano silica đang được sử dụng ngày càng phổ biến trong ngành công nghiệp xây dựng, đặc biệt là như một phụ gia khoáng hoạt tính trong bê tông hiệu suất cao. Nhờ kích thước hạt cực nhỏ và khả năng phản ứng pozzolanic mạnh, nano silica giúp cải thiện cấu trúc vi mô của bê tông và tăng cường các tính chất cơ học tổng thể.

Các tác động chính của nano silica đến bê tông bao gồm:

• Làm đầy lỗ rỗng giữa các hạt xi măng, tăng độ đặc khít của bê tông
• Phản ứng với Ca(OH)₂ để tạo thêm C-S-H gel, tăng cường độ nén
• Giảm độ thấm, nâng cao khả năng chống xâm nhập của ion clo và sulfate

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc bổ sung 1–5% khối lượng nano silica vào hỗn hợp xi măng có thể tăng độ bền nén của bê tông lên 15–30% sau 28 ngày dưỡng hộ. Bảng sau minh họa hiệu quả của nano silica so với silica fume:

Loại phụ gia	Tỷ lệ (%)	Cường độ nén 28 ngày (MPa)	Độ thấm nước
Không thêm phụ gia	0	42	Cao
Silica fume	10	52	Trung bình
Nano silica	3	56	Thấp

Nguồn tham khảo: ScienceDirect - Influence of nanosilica on concrete properties.

Ứng dụng trong ngành mỹ phẩm và chăm sóc cá nhân

Nano silica là thành phần thường gặp trong các sản phẩm chăm sóc da và mỹ phẩm cao cấp nhờ khả năng hấp thụ dầu thừa, kiểm soát độ bóng và tạo hiệu ứng mịn da. Với kích thước siêu nhỏ và bề mặt biến tính được, nano silica có thể pha trộn tốt vào kem nền, phấn phủ, kem chống nắng mà không làm thay đổi màu sắc hay kết cấu sản phẩm.

Công dụng điển hình của nano silica trong mỹ phẩm:

• Kiểm soát bã nhờn, giảm bóng dầu
• Cải thiện cảm giác mượt mà khi thoa sản phẩm
• Tạo hiệu ứng làm mờ (soft focus effect) giúp che phủ khuyết điểm
• Ổn định hệ nhũ tương trong kem dưỡng và lotion

Một số dòng sản phẩm cao cấp còn sử dụng nano silica rỗng để hấp phụ và giải phóng hoạt chất từ từ trên da như vitamin C, retinol hoặc tinh dầu. Ngoài ra, đặc tính trơ hóa học và không gây kích ứng của nano silica giúp đảm bảo tính an toàn khi tiếp xúc lâu dài.

FDA và Cơ quan Hóa chất Châu Âu (ECHA) hiện cho phép sử dụng nano silica trong mỹ phẩm mà không cần gắn nhãn “nano” nếu các hạt không có hoạt tính sinh học độc lập và không thâm nhập vào lớp biểu bì.

Rủi ro sức khỏe và môi trường

Mặc dù phần lớn dạng nano silica được đánh giá là an toàn trong các ứng dụng tiêu dùng, song vẫn tồn tại các rủi ro sức khỏe khi tiếp xúc ở nồng độ cao hoặc qua đường hô hấp kéo dài. Một số nghiên cứu in vitro và in vivo chỉ ra khả năng nano silica gây ra stress oxy hóa, phản ứng viêm hoặc tổn thương tế bào nếu không được xử lý đúng cách trong môi trường sản xuất.

Các cơ chế tiềm ẩn gây độc bao gồm:

1. Phát sinh gốc tự do (ROS) dẫn đến tổn thương màng tế bào
2. Gây viêm phổi do tích tụ hạt nano ở phế nang
3. Xâm nhập hàng rào máu–não hoặc hàng rào nhau thai trong điều kiện bất lợi

Các đánh giá an toàn hiện hành chủ yếu dựa trên các tiêu chí:

• Kích thước hạt và hình dạng
• Khả năng hòa tan và phân hủy sinh học
• Tác động lâu dài trên mô hình động vật

Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA) khuyến nghị giới hạn nồng độ nano silica trong phụ gia thực phẩm không vượt quá 10 mg/kg trọng lượng cơ thể/ngày. Ngoài ra, các quy định mới từ Liên minh Châu Âu yêu cầu nhà sản xuất công bố rõ thông tin về thành phần nano trong hồ sơ đăng ký hóa chất theo REACH.

Xem chi tiết tại EFSA Journal – Safety assessment of amorphous silica.

Hướng nghiên cứu và phát triển tương lai

Xu hướng hiện nay trong nghiên cứu nano silica tập trung vào việc chức năng hóa bề mặt để phục vụ các mục tiêu chuyên biệt, từ ứng dụng trong y học chính xác cho đến công nghệ vật liệu xanh. Nhóm vật liệu mesoporous silica nanoparticles (MSNs) đang được cải tiến với các lớp phủ thông minh (responsive coatings) cho phép giải phóng hoạt chất theo tín hiệu pH, ánh sáng hoặc enzyme.

Các hướng nghiên cứu nổi bật:

• Biến tính bề mặt với polyme sinh học để tăng thời gian lưu trong máu
• Kết hợp với ion kim loại để ứng dụng trong quang trị liệu hoặc MRI
• Phát triển nano silica phân hủy sinh học từ nguồn tự nhiên như tro trấu
• Ứng dụng trong năng lượng: điện cực pin lithium, siêu tụ điện

Đặc biệt, trong bối cảnh chuyển đổi xanh toàn cầu, các nhà khoa học đang phát triển công nghệ sản xuất nano silica không sử dụng dung môi độc hại, giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng phế phẩm nông nghiệp để tăng tính bền vững.

Tham khảo thêm: Journal of Controlled Release – Functionalization of silica nanoparticles.

Tài liệu tham khảo

1. Slowing, I. I., Vivero-Escoto, J. L., Wu, C. W., & Lin, V. S. Y. (2008). Mesoporous silica nanoparticles as controlled release drug delivery and gene transfection carriers. Advanced Drug Delivery Reviews, 60(11), 1278–1288.
2. Senff, L., & Labrincha, J. A. (2009). Influence of nano-silica on the fresh properties of cement based mortars. Materials Science Forum, 587, 1003–1007.
3. European Food Safety Authority (EFSA). (2018). Safety assessment of the substance silicon dioxide, amorphous. EFSA Journal, 16(4), 5088.
4. He, Q., Zhang, Z., Gao, F., Li, Y., & Shi, J. (2009). In vivo biodistribution and urinary excretion of mesoporous silica nanoparticles: Effects of particle size and PEGylation. Small, 7(2), 271–280.
5. Manzano, M., & Vallet-Regí, M. (2019). Mesoporous silica nanoparticles for drug delivery. Advanced Functional Materials, 30(2), 1902634.
6. Singh, L. P., et al. (2011). Hydration kinetics of cement blended with silica nano particles. Construction and Building Materials, 25(7), 3245–3252.
7. Wang, Y., et al. (2019). Functionalization of mesoporous silica nanoparticles for controlled drug delivery. Journal of Controlled Release, 301, 110–129.