CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH MẠNG TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21

Trong những năm gần đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm được quảng bá sử dụng  công  nghệ  nano  như khẩu trang  nano  bạc,  thiết  bị lọc nước nano,  tủ lạnh nano, máy giặt  nano,   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 ?

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 – So sánh kích thước của một số vật

1 nano = 10-9 m = một phần tỉ của m = 10-6 mm = một phần triệu mm

1 nano = 10 Å ≈ kích thước 10 nguyên tử

Micromet µm =103nm nm
Độ dày sợi tóc 80 -200 80.000 – 200.000
Tế bào máu 4 -6 4000 – 6000
Vi khuẩn e-coli 1 1000
λ ánh sáng thấy được 400 -750
Virus đậu mùa 0,2 -0,3 200 -300
Đường kính ADN 2
1 nguyên tử 0,1

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?

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 kínhhiển 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 rõ 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.

Cong-nghe-nano (1)

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

M CÁCH O ĐỂ CHẾ TẠO ĐƯỢC VẬT LIỆU NANO?

 

Cong-nghe-nano (2)

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

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

ĐIU 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.

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.

 

Cong-nghe-nano (3)Hình 3 – Carbon fulleren C

Cong-nghe-nano (4)

Hình 4 – Các loại cacbon ống nano

CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH MẠNG TRONG MỌI LĨNH VỰC

Cong-nghe-nano (5)

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

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 đẩy 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.

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 chẩn 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…

i  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…

Cong-nghe-nano (6)

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

C 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  rõ 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…

Cong-nghe-nano (7)

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 phẩm 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 ẩn của nó.

Các hạt nano TiO  được gắn kết thêm các kháng thể rồi được đưa vào tế bào ung thư. Các hạt nano – bio khi gặp năng lượng ánh sáng TiO  sẽ giải phóng các gốc oxi tự do và các gốc này sẽ tiêu diệt tế bào ung thư.

Cong-nghe-nano (8)

Hình 8 – Tiêu diệt tế bào ung thư bằng phương pháp sử dụng vật liệu nano-bio.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. 1. Chemical Synthesis of Nanostructured Materials (http://ltp.epfl.ch)
  2. 2. Growing concern over nanotech (http://www.abc.net.au)
  3. 3. Big picture on nanoscience (http://nanotechnology.com)
  4. 4. When  science   fiction   becomes  reality:   nanotechnology   (ww. globalizationorg)
  5. 5. Nguyễn Đức Nghĩa, Hóa học nano công nghệ nền và vật liệu nguồn.

Bộ môn: X­ưởng ĐT – ĐL

About the Author: Ha Huy Cong