Cơ sở khoa học của việc Ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp? Sự khác biệt ở kích thước nano so với vật liệu khối ? Tại sao các hạt nano lại có khả năng diệt khuẩn mạnh mẽ, sự khác biệt ở đây là do đâu ?

Hiểu được các vấn đề này chúng ta sẽ hiểu được các hạt nano diệt nấm khuẩn theo cơ chế như thế nào ?

Trước tiên ta cần hiểu: Nguyên tử có cấu tạo gồm một hạt nhân nhỏ, mang điện dương vây quanh bởi một đám mây electron mang điện âm để cân bằng và trung hòa về điện. Hạt nhân này gồm các proton, mỗi proton mang đều mang điện dương, và neutron không mang điện. Còn Electron mang điện âm.

Thông thường khi chế tạo các hạt nano Ag, AgCu hợp kim, hay nano Cu kích thước hạt nano thường phải có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet. Kích thước hạt nano càng lớn thì khả năng diệt khuẩn càng yếu, kích thước hạt nano càng nhỏ thì tỷ lệ % hay hiệu suất diệt các vi sinh vật đơn bào càng cao (càng mạnh).

Tại sao các hạt nano kim loại có tác dụng diệt khuẩn, mà điển hình là hạt nano Ag, Cu ???

Ở vật liệu khối (kích thước lớn) khả năng diệt khuẩn của Ag là có, nhưng không mạnh. Qua nhiều nghiên cứu của các nhà KH Nga, Hàn Quốc cho thấy khi kích thước hạt lớn (vật liệu khối) tổng số nguyên tử trong hạt tăng đồng thời phần trăm số nguyên tử trên bề mặt của hạt giảm. Điều này làm cho lực liên kết nguyên tử mạnh hơn (lực hạt nhân cao) do đó năng lượng bề mặt lớn cho nên các nguyên tử lớp ngoài cùng cực kỳ khó tách ra khỏi bề mặt và trở lên kém linh động. Ngược lại khi kích thước hạt nhỏ đạt đến kích thước nanomet thì tổng số nguyên tử trong hạt giảm, nhưng phần trăm số nguyên tử trên bề mặt lại tăng mạnh (xem hình minh họa).

Khi các nguyên tử tập trung nhiều tại bề mặt của hạt nano, chúng sẽ ít bị cản trở bởi lực hút của hạt nhân, các nguyên tử trở lên linh động hơn do năng lượng bề mặt giảm vì thế các nguyên tử bề mặt hạt nano rất dễ tách ra. Ở điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường, môi trường pH 6-7,5, các hạt nano Ag dễ dàng giải phóng các ion mang diện dương(do mỗi nguyên tử Ag sau khi tách ra thường có xu hướng cho đi 1 electron khiến chúng mang điện dương, các ion này có tác dụng diệt nấm khuẩn gây bệnh theo cơ chế đặc thù. Các nghiên cứu gần đây cho thấy ở khoảng cách đủ gần từ 300-500nm các ion Ag (Ag⁺) mang điện dương thường có xu thế tạo ra lực hút tĩnh điện, chúng bám hút lên các tế bào vi sinh vật tại đây chúng có 4 cơ chế diệt nấm khuẩn khác nhau (trình bày phần sau).

Như vậy nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều được "phơi" ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể, diện tích bề mặt của vật liệu nano tăng lên rất nhiều so với vật liệu thông thường. Khi các nguyên tử tập trung nhiều tại bề mặt của hạt nano chúng sẽ ít bị cản trở bởi lực hút của hạt nhân, các nguyên tử trở lên linh động hơn do năng lượng bề mặt giảm vì thể các nguyên tử rất dễ tách ra và các hạt nano dễ dàng giải phóng các ion mang diện dương, các ion này có tác dụng diệt nấm khuẩn gây bệnh theo cơ chế đặc thù.

Hiệu suất, hiệu quả diệt nấm khuẩn của hạt nano Ag hay AgCu phụ thuộc vào các yếu tố sau:

1-Kích thước hạt nano (hạt càng nhỏ khả năng diệt càng nhanh và mạnh)

2-Độ đồng đều hạt (biên độ độ kích thước của nano hạt nhỏ). Xét ở cùng một nồng độ thì nồng độ nano Ag càng cao thì màu dung dịch có xu hướng càng đậm (đỏ, đỏ đậm, đỏ cánh gián).

3-Hệ phân tán: Hệ phân tán tốt, ổn định hơn thì hiệu suất diệt khuẩn của các hạt nano cao hơn, thời gian bảo quản kéo dài (chống keo tụ hạt). Nói cách khác chất khử ở đây phải dùng loại nào an toàn cho cây trồng cũng như người và ĐV máu nóng. Ở VN hiện nay có 2-3 phương pháp tạo hạt nano (phổ biến là pp hóa học và pp vật lý, mỗi pp có ưu nhược điểm riêng, tùy vào công nghệ). Các dung dịch nano kim loại thường có hệ phân tán đặc biêt, chống keo tụ, chống oxy hóa…

4-Điều kiện thời tiết khi phun, điều kiện thực tại trên lá, hoa, quả của cây trồng…Thực tế tôi đi thăm quan nhiều mô hình trồng cây ăn quả, một số nhà vườn đôi khi dùng nước vôi trong pha loãng phun lên cây hoặc dùng máy phun vôi bột lên tán lá. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng diệt khuẩn và nấm của hạt nano AgCu (nói chung pH quá cao hoặc quá thấp sẽ ảnh hưởng đến khả năng diệt khuẩn, pH thấp ảnh hưởng nghiêm trọng hơn, vì vậy khi pa dung dịch nano lẫn với các thuốc hóa học khác cần chú ý pH của thuốc, nếu cẩn thận nên pa loãng từng loai trc khi hỗn hợp chung ).

5-vấn đê cuối cùng là hiệu quả diệt của các hạt nano còn phụ thuộc vào nồng độ, ở nồng độ quá thấp thì cơ hội để các hạt nano tiếp xúc, nắm bắt các tế bào vi khuẩn là rất nhỏ, nồng độ quá cao gây lãng phí và chi phí đầu vào cao. Do đó cần hiểu rõ nguyên nhân gây bệnh (chủng nấm khuẩn nào gây bệnh), cơ chế phát sinh pát triển của bệnh để đưa ra nồng độ phun sao cho phù hợp với từng giai đoạn sinh trưởng, từng đối tượng cây trồng hay vật nuôi…

Như trên đã nói, các hạt nano bám hút lên tế bào vi khuẩn ở khoảng cách đủ gần bằng 1 lực hút tĩnh điện. Tại đây hạt nano có 4 cơ chế chính diệt nấm khuẩn (xem Hình ảnh minh họa).

Cơ chế thứ nhất: Ức chế quá trình vận chuyển các ion Na+ và Сa2+ qua màng tế bào, ngăn cản quá trình trao đổi chất (Hình A).

Cơ chế thứ hai: Phá vỡ màng tế bào, Oxy hóa nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn, phá hủy nguyên sinh chất bởi oxi hòa tan trong nước với vai trò xúc tác của Bạc (Hình B).

Cơ chế thứ ba: Tác động gián tiếp lên phân tử DNA bằng cách tăng số lượng các gốc tự do làm giảm hoạt tính của các hợp chất chứa ôxy hoạt động, làm rối loạn các quá trình ôxy hóa cũng như Phosphoryl hóa trong tế bào vi khuẩn (Hình C).

Cơ chế thứ tư: vô hiệu hóa enzym có chứa các nhóm –SH và –COOH, phá vỡ cân bằng áp suất thẩm thấu, hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến làm thay đổi cấu trúc DNA của tế bào vi sinh vật (tác động trực tiếp đến cấu trúc DNA_ Hình D).

Cho đến nay, những gì liên quan đến cơ chế tác động của Nano Bạc lên tế bào vi sinh vật (đơn bào), mới chỉ có một quan điểm được hầu hết các nhà khoa học thừa nhận. Đó là khả năng diệt khuẩn của hạt Nano Bạc là kết quả của quá trình biến đổi (giải phóng liên tục) các nguyên tử Bạc kim loại trên bề mặt hạt Nano Bạc, và sau cùng tạo thành các ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vi khuẩn và diệt khuẩn theo những cơ chế đã nói ở trên. Tuy nhiên nếu dùng Ag+ thì lại không có hiệu quả cao mà phải là hạt nano Ag, tức phân tử bạc(tương tự dùng Ag2O cũng ko đem lại HQ cao trong diệt khuẩn).

Với các nhà khoa học Nga, hiện nay có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi khuẩn của nano bạc đã được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào vi khuẩn và ion Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn và vô hiệu hóa chúng.

Đối với các hạt nano Cu, một số nghiên cứu của các nhà KH hàn quốc cho thấy chúng kích thích vi khuẩn sản sinh ra gốc tự do, làm vi khuẩn suy yếu nhanh, mất sức sống và chết hẳn. Ngoài ra các hạt nano đồng làm biến chất các nối (-S-S) rất quan trọng đối với vi sinh vật vì nó đóng vai trò như một công tắc đóng mở thuận nghịch để tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn gặp các phản ứng oxi hóa. Đây là cấu trúc quan trọng của các enzyme trong vi sinh vật. Với tính chất xúc tác, các hạt nano đồng vô hiệu hóa enzyme vi sinh vật cần thiết cho quá trình chuyển hóa oxygen. Do đó vi khuẩn bị tiêu diệt do mất sức sống.

Chốt lại ưu điểm vượt trội của công nghệ nano đó là:

+ Cùng 1 khối lượng vật liệu thì hạt nano do có kích thước hạt nhỏ nên diện tích bề mặt bao phủ cực lớn.

+ Do có kích thước hạt nhỏ nên các lớp electron ngoài cùng linh động, lực hút hạt nhân yếu nên các nguyên tử nằm ngoài cùng dễ dàng tách ra. Cũng do kt hạt nhỏ cho nên tỷ lệ % số nguyên tử tập trung pần lớn ở lớp ngoài của hạt nhiều hơn (số lượng nguyên tử tập trung bề mặt hạt nano cực lớn, lớn hơn nhiều so với vật liệu khối ở kích thước to hơn). Đối với Ag. Cứ 1mol Ag có chứa tới 6,02 x 10²³ nguyên tử Ag (kích thước hạt càng nhỏ số nguyên tử tách ra càng lớn, có thể hiểu tỷ lệ số nguyên tử lớp ngoài cùng trên hạt nano làm nhiệm vụ diệt khuẩn là rất lớn).

TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO NANOTECH

Tư vấn kỹ thuật, ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp:

ThS Phạm Công Khải - Hotline: 0976 804 678 * 0835 99 85 99

Email: nanobacsuper@gmail.com