Tìm hiểu Công nghệ Nano - Vật liệu Nano - Ứng dụng của Nano

DENLEDNHAT.COM – Trong những năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm được quảng cáo sử dụng công nghệ nano như khẩu tráng nano bạc, thiết bị lọc nước nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LED, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod nano… “Công nghệ Nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý của người tiêu dùng.

Thực chất công nghệ nano là gì và vai trò của nó như thế nào? Cùng tìm hiểu công nghệ nano – vật liệu nano – ứng dụng của nano trong đời sống con người ở thế kỷ 21 được xem là “cuộc cách mạng công nghiệp 4.0“

KHÁI QUÁT CHUNG CÔNG NGHỆ NANO

Theo tổng hợp trên Wikipedia, công nghệ nano (nanotechnology) được định nghĩa là chuyên ngành về vật liệu ở kích thước nhỏ cỡ nguyên tử, phân tử và siêu phân tử. Định nghĩa cụ thể hơn về công nghệ nano được đưa ra bởi Hiệp hội Công nghệ nano Hoa Kỳ (NNI), theo đó công nghệ nano là chuyên ngành về vật liệu có kích cỡ tối thiểu từ 1 đến 100 nanomét (1 tỷ nanomét mới bằng 1 mét).

Trong tiếng Anh, nanotechnology thường được dùng ở dạng số nhiều để bao hàm vùng nghiên cứu và ứng dụng rộng lớn với đặc tính chung về kích cỡ như trên, bao gồm sinh học phân tử, linh kiện bán dẫn, lưu trữ năng lượng, lắp ráp.

Trích dẫn từ wiki:

Công nghệ nano, (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10⁻⁹ m).

CÔNG NGHỆ NANO LÀ GÌ?

Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ – kích thước nanomet (nm). Một Nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm). Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc
thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet (từ 1 -100nm).

Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.

Lĩnh vực	Tính chất	Độ dài tới hạn (nm)
Tính chất điện	Bước sóng điện tử	10-100
	Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi	1-100
	Hiệu ứng đường ngầm	1-10
Tính chất từ	Độ dày vách domain	10-100
Tính chất từ	Quãng đường tán xạ spin	1-100
Tính chất quang	Hố lượng tử	1-100
	Độ dài suy giảm	10-100
	Độ sâu bề mặt kim loại	10-100
Tính siêu dẫn	Độ dài liên kết cặp Cooper	0,1-100
Tính siêu dẫn	Độ thẩm thấu Meisner	1-100
Tính chất cơ	Tương tác bất định xứ	1-1000
	Biên hạt	1-10
	Bán kính khởi động đứt vỡ	1-100
	Sai hỏng mầm	0,1-10
	Độ nhăn bề mặt	1-10
Xúc tác	Hình học topo bề mặt	1-10
Siêu phân tử	Độ dài Kuhn	1-100
	Cấu trúc nhị cấp	1-10
	Cấu trúc tam cấp	10-1000
Miễn dịch	Nhận biết phân tử	1-10

CÔNG NGHỆ NANO CÓ PHẢI LÀ VẤN ĐỀ HOÀN TOÀN MỚI KHÔNG?

Thực sự các hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm trong thế giới tự nhiên. Từ thế kỷ thứ 10, người ta đã sử dụng hạt nano vàng để tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau (màu đỏ, xanh hoặc vàng tùy vào kích thước của hạt)… Nghĩa là con người đã sử dụng, chế tạo các vật liệu nano từ rất lâu, chỉ có điều chúng ta chưa biết nhiều về nó.

CÔNG NGHỆ NANO XUẤT PHÁT TỪ ĐÂU?

Hình 1 – Sơ đồ của kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM)

Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử.

Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu ro hơn về lĩnh vực nano.

Công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Ra đời mới hơn hai mươi năm, là một ngành công nghệ non trẻ nhưng công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt.

LÀM CÁCH NÀO ĐỂ CHẾ TẠO ĐƯỢC VẬT LIỆU NANO?

Có hai phương thức cơ bản để chế tạo vật liệu nano là “top–down” và “bottom-up”.

Hình 2: Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano

“Top – down” nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để tạo ra được đơn vị kích thước nano như phương pháp nghiền, biến dạng…
“Bottom – up” là phương thức lắp ghép các nguyên tử, phân tử để thu được các hạt có kích thước nano gồm các phương pháp hóa học như sol-gel, lắng đọng hơi hóa học, phương pháp tự lắp ghép (self-assembly)…

ĐIỀU GÌ LÀM NÊN SỰ KHÁC BIỆT CỦA VẬT LIỆU NANO?

Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1 – 100nm có những tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật liệu nano.

Hình 3 – Carbon fulleren C 60

Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn so với tổng thể tích hạt. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao.
Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, từ, quang… ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với vật liệu vĩ mô thường gặp. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó (1 – 100nm) cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang… của vật liệu.

CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH MẠNG TRONG MỌI LĨNH VỰC

Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đây sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội.

Hình 5- Mối quan hệ giữa công nghệ nano và các ngành khác

Công nghệ Nano – Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0

Trong y sinh học: các hạt nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể giúp con người có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào. Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chân đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư…
Năng lượng: nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài, …
Điện tử – cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ – siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…
Môi trường: chế tạo ra màng lọc nano lọc được các phân tử gây ô nhiễm; các chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn…

Hình 6– Các hạt nano vàng tấn công bao bọc protein của virus để ngăn cản sự phát triển của virus.

Công nghệ Nano trong sản xuất bóng đèn Nano LED Humitsu

Nhắc đến bóng đèn LED Humitsu của Nhật Bản thì nhiều người sẽ nghe đến cụm từ: Nano LED Humitsu, bởi đối với loại bóng đèn này đang sử dụng công nghệ Nano vào sản xuất ra loại bóng đèn có khả năng: hấp thụ tia UV và IR đối với tán xạ ánh sáng, tăng khả năng chịu nhiệt hoặc dẫn điện, cải thiện màu sắc, ngoài ra công nghệ nano được áp dụng trong sản xuất bóng đèn LED Humitsu để củng cố vật liệu, tăng độ bền, chịu nhiệt và độ ổn định cao, tránh trầy xước.

Nano trong sản xuất đèn LED

Việc áp dụng công nghệ Nano vào nghiên cứu sản xuất đèn và các linh kiện điện tử sử dụng LED hiện nay theo tổng lượng sáng chế đăng ký về ứng dụng nano trong sản xuất Led khoảng 776 sáng chế (số liệu thu thập vào tháng 9/2001).

Trước năm 2001, lượng sáng chế đăng ký về ứng dụng nano trong LED rất ít, nhiều nhất là năm 1999, 2000 với 4 SC. Từ năm 2001 đến nay, Thế giới bắt đầu quan tâm nhiều hơn đến công nghệ này, mỗi năm số sáng chế lại tăng gấp đôi so với năm trước. Đến năm 2005 đạt số lượng cao nhất với 141 SC.

CÁC NGUY CƠ TIỀM ẨN CỦA CÔNG NGHỆ NANO?

Các hạt nano có khả năng gây hại đến sức khỏe con người như thế nào? Câu hỏi vẫn chưa có lời giải đáp một cách ro ràng. Một số nghiên cứu cho thấy, các hạt nano có thể gây bệnh ung thư phổi giống như tác nhân amiăng trước đây. Các hạt nano có thể là các phương tiện trị bệnh nhưng cũng có thể gây ra mầm mống bệnh ở qui mô tế bào hay làm biến đổi gen, ADN…

Hình 7– Mô hình robot nano ứng dụng trong y học. Các hạt nano có đặc tính sinh học được xem như một robot nano giúp truyền thuốc, tiêu hủy các tế bào ung thư.

PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO MỘT CÁCH CÓ TRÁCH NHIỆM?

Trong vòng hai mươi năm qua, ngành công nghệ nano luôn là một ngành công nghệ mũi nhọn của thế giới. Hàng tỷ đô la được đầu tư mỗi năm cho nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano, hơn 3.000 phát minh được đăng ký bản quyền sáng chế mỗi năm, càng ngày càng có nhiều sản phẩm ứng dụng nano được đưa ra thị trường.

Dự đoán trong vòng 10-15 năm nữa, công nghệ nano sẽ tạo nên khoảng 1.000 tỷ USD trong kinh doanh thương mại và sẽ có nhiều ảnh hưởng đến xã hội và con người. Tuy nhiên, hầu như ở các nước chưa có các quy định chặt chẽ về vấn đề phát triển, sử dụng vật liệu nano và chưa có các đánh giá chính xác về mức độ an toàn của sản phâm nano.

Công nghệ nano có nhiều tiềm năng to lớn nhưng cần được phát triển một cách có trách nhiệm, không chỉ chạy theo lợi nhuận mà cần phải nghiên cứu nghiêm túc các tác động đến con người và môi trường nhằm giảm thiểu tối đa các nguy cơ tiềm ân của nó.