Kỹ thuật lắng đọng trong bể hóa chất (CBD) được sử dụng để tạo cấu trúc nano oxit chì (PbO) trên lớp PbO được tạo bằng phương pháp bay hơi vật lý (PVD) với đế thủy tinh. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự gia tăng nhiệt độ (50 °C và 70 °C) đến hình thái bề mặt, tính chất quang học và cấu trúc tinh thể của PbO cho thấy nhiệt độ có tác động lớn đến đặc điểm vật liệu. Cấu trúc tinh thể PbO thu được thuộc pha tứ phương đa tinh thể Pb₃O₄. Kích thước tinh thể tăng từ 85,7 nm (ở 50 °C) lên 96,6 nm (ở 70 °C). Các màng mỏng PbO cho độ truyền sáng cao trong vùng khả kiến, đạt khoảng 70% và 75% tại 50 °C và 70 °C. Năng lượng vùng cấm (Eg) nằm trong khoảng 2,099–2,288 eV. Hệ số suy giảm gamma của nguồn phóng xạ Cs-137 cao hơn ở 50 °C, kéo theo hệ số truyền, bước tự do trung bình và lớp nửa giá trị giảm. Nghiên cứu này cho thấy PbO cấu trúc nano có tiềm năng làm vật liệu che chắn bức xạ gamma, phù hợp cho chế tạo quần áo hoặc tạp dề bảo vệ phóng xạ cho nhân viên y tế theo các tiêu chuẩn an toàn.
Bức xạ ion hóa đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 20. Nhiều nghiên cứu đã ghi nhận ảnh hưởng của nó đến sức khỏe, đặc biệt là có nguy cơ gây ung thư ở người, nhân viên y tế như bác sĩ X-quang, và bệnh nhân xạ trị. Tiếp xúc liên tục với bức xạ ion hóa có thể gây tổn thương tế bào sống, dẫn đến bệnh tật hoặc tử vong. Do đó, cần đảm bảo các điều kiện an toàn cho những người thường xuyên làm việc với bức xạ. Ba nguyên tắc cơ bản để giảm rủi ro do bức xạ là: rút ngắn thời gian tiếp xúc, tăng khoảng cách và sử dụng vật liệu che chắn. Trong đó, che chắn bức xạ (gamma và tia X) đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ nhân viên bức xạ và cộng đồng. Hệ số suy giảm của tia gamma và tia X là thông số then chốt trong nhiều lĩnh vực như chẩn đoán, đo liều bức xạ, y học hạt nhân và bảo vệ bức xạ.
Chì (Pb, Z = 82) là vật liệu che chắn phổ biến nhất nhờ khả năng hấp thụ mạnh tia gamma, được sử dụng rộng rãi trong y tế, công nghiệp và lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, nhu cầu tìm kiếm các vật liệu mới có khả năng che chắn hiệu quả hơn đang tăng lên – trong đó có vật liệu cấu trúc nano (NSs). NSs thu hút nhiều sự chú ý do sở hữu các tính chất đặc biệt về quang, điện, từ, nhiệt và hóa học. Trong số đó, các oxit kim loại là loại NSs quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong thiết bị quang điện tử, pin mặt trời, pin lưu trữ, cảm biến, và quá trình xử lý chất ô nhiễm bằng phương pháp điện hóa. Riêng PbO (chì oxit) được sử dụng nhiều trong pin, công nghiệp thủy tinh và thuốc nhuộm. Nhiều dạng hình học của PbO nano đã được chế tạo như: tấm mỏng, sao nano, thanh nano, bột nano, phiến nano và ống nano. PbO còn là chất bán dẫn quan trọng với các đặc tính ưu việt như độ dẫn điện thấp, vùng cấm rộng, độ dẫn quang cao, và độ ổn định hóa – nhiệt tốt. Hạt nano oxit chì (PbO) có thể gây độc nếu không được xử lý đúng cách. Chì là kim loại nặng độc hại, khi hít hoặc nuốt phải với nồng độ cao có thể gây tổn thương nghiêm trọng cho hệ thần kinh, thận và gan. Do đó, việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình an toàn khi làm việc với PbO là rất cần thiết.
PbO tồn tại ở hai dạng cấu trúc chính: α-PbO và β-PbO, với vùng cấm lần lượt là 1,92 eV và 2,7 eV, tạo nên các đặc tính cơ học, điện và quang học riêng biệt. Nhờ khối lượng riêng cao (9,53 g/cm³), PbO là vật liệu hiệu quả trong che chắn bức xạ. Nó có màu vàng, chứa nguyên tử số cao và thích hợp cho các kỹ thuật chụp ảnh y tế liều thấp – độ phân giải cao. PbO còn được ứng dụng để tăng độ bền hóa học, giảm nhiệt độ nóng chảy và cải thiện tính đa dạng của thủy tinh. Các pha tinh thể của PbO có thể bao gồm α/β-PbO, Pb₂O₃, Pb₃O₄ và PbO₂ (α,β). Hiện có nhiều phương pháp tổng hợp PbO ở dạng khối hoặc bột nano, tuy nhiên việc chế tạo vật liệu này với hình dạng và kích thước kiểm soát đơn giản vẫn đang được nghiên cứu.
Trong các phương pháp tổng hợp, kỹ thuật lắng đọng trong bể hóa chất (CBD) được đánh giá cao vì chi phí thấp và phù hợp để sản xuất các thiết bị đơn giản như cảm biến ánh sáng hoặc tế bào quang điện. Một số nghiên cứu cũng đã áp dụng CBD để tổng hợp oxit kim loại nhị phân phục vụ chuyển đổi năng lượng mặt trời bằng phương pháp điện hóa – quang điện.
Cấu trúc vật liệu đóng vai trò quan trọng trong khả năng chắn tia gamma. Tính chất che chắn phụ thuộc vào tổ hợp của nguyên tử số, thành phần, mật độ và cấu trúc vật liệu. Vật liệu có nguyên tử số cao như chì hoặc wolfram hấp thụ và tán xạ photon hiệu quả hơn, nên chắn gamma tốt hơn. Các nhà khoa học cho thấy vi cấu trúc và cấu trúc nano ảnh hưởng đến khả năng chắn bức xạ – các vật liệu có cấu trúc hạt mịn hoặc nano thường hiệu quả hơn do tăng diện tích bề mặt hấp thụ photon. Vật liệu kết tinh, có cấu trúc trật tự cao, tán xạ tia gamma tốt hơn vật liệu vô định hình. Ngoài ra, độ dày và tốc độ tăng trưởng vật liệu cũng ảnh hưởng đáng kể: vật liệu dày hơn có khả năng hấp thụ – tán xạ tia tốt hơn. Hiệu quả chắn bức xạ tăng ở vùng năng lượng cao khi tăng kích thước hạt, trong khi ảnh hưởng này không đáng kể ở vùng liều thấp.
Trong nghiên cứu này, các hóa chất gồm chì axetat \[Pb(C₂H₃O₂)₂·3H₂O] và natri hydroxit (NaOH) không tinh chế thêm. Nước cất hai lần (DDW) được dùng cho cả quá trình tổng hợp và làm sạch. Lớp mồi PbO có vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc nano PbO sau cùng. Phim mỏng PbO được lắng đọng trên kính (25 × 75 × 1 mm³) làm lớp hạt nhân. Quá trình làm sạch đế kính ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp mồi và cấu trúc nano hình thành.
Trình tự làm sạch gồm: ngâm đế kính trong dung dịch axit crom 24 giờ ở nhiệt độ phòng, rửa bằng DDW siêu âm 15 phút, tiếp tục ngâm trong axeton 15 phút và rửa lại với DDW. Sau cùng, các đế được sấy khô trong không khí và bảo quản trong bình hút ẩm. Quy trình này giúp cải thiện độ bám dính, đồng đều và hiệu quả tạo mầm kết tinh. Lớp mồi PbO được chế tạo bằng phương pháp bay hơi vật lý (PVD) theo quy trình của Ahmed và Nwodo. Sau đó, cấu trúc nano PbO được tổng hợp bằng kỹ thuật lắng đọng trong bể hóa chất (CBD): dung dịch Pb(C₂H₃O₂)₂·3H₂O 0,1 M được pha bằng DDW, rồi thêm NaOH 1,9 M để điều chỉnh pH đến 13,5. Hỗn hợp được khuấy mạnh và giữ ở 50 °C và 70 °C. Sau 10 phút ngâm, mẫu được lấy ra, rửa nhiều lần bằng DDW và siêu âm để giảm độ xốp, rồi sấy khô ở nhiệt độ phòng và lưu trữ trong bình hút ẩm.
Kết quả nghiên cứu cho thấy kỹ thuật lắng đọng trong bể hóa chất (CBD) đã được sử dụng thành công để tạo màng mỏng PbO cấu trúc nano (NSs) chất lượng cao. Lớp mồi PbO được lắng đọng lên đế kính bằng phương pháp bay hơi vật lý (PVD). Nhiệt độ tăng trưởng ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính của PbO NSs, với cấu trúc tinh thể xác định là pha tứ phương đa tinh thể Pb₃O₄. Kích thước tinh thể tăng từ 85,7 nm ở 50 °C lên 96,6 nm ở 70 °C. Màng PbO thu được có độ truyền sáng cao trong vùng khả kiến: khoảng 70% (50 °C) và 75% (70 °C). Năng lượng vùng cấm (Eg) tăng từ 2,099 eV lên 2,288 eV khi tăng nhiệt độ. Về khả năng chắn bức xạ, hệ số suy giảm tuyến tính đối với tia gamma từ nguồn Cs-137 cao hơn ở 50 °C, làm giảm hệ số truyền (TF), bước tự do trung bình (MFP) và chiều dày nửa giá trị (HVL). Các màng PbO NSs cho thấy hiệu quả chắn bức xạ đáng kể, mở ra tiềm năng ứng dụng trong vật liệu chắn gamma. PbO tổng hợp dạng nano có thể sử dụng làm vật liệu bảo vệ bức xạ mới – mỏng, linh hoạt và nhẹ – phù hợp để chế tạo trang phục bảo hộ chống tia gamma và tia X.
Từ khóa: bức xạ; che chắn
– CMD –
