Công nghệ Nano và những ứng dụng trong thực tiễn
Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm nào đó có liên quan đến hai chữ nano. Ở khoảng nữa thế kỷ trước, đây thực sự là một vấn đề mang nhiều sự hoài nghi về tính khả thi, nhưng trong thời đại ngày nay ta có thể thấy được công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và được sự quan tâm nhiều hơn của các nhà máy khoa học. Cùng tham khảo tài liệu để tìm hiểu sâu hơn về công nghệ này nhé!
Ứng dụng công nghệ Nano
CÔNG NGHỆ NANO
VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN
Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm nào đó
có liên quan đến hai chữ “nano”. Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực sự là một vấn đề
mang nhiều sự hoài nghi về tính khả thi, nhưng trong thời đại ngày nay ta có thể thấy được
công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và được sự quan tâm nhiều hơn của
các nhà khoa học. Các nước trên thế giới hiện nay đang bước vào một cuộc chạy đua mới
về phát triển và ứng dụng công nghệ nano.
I. Khái niệm về công nghệ Nano
Công nghệ nano, đọc là công nghệ nanô (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 nanômét (nm,1nm = 10-9 m). Ranh
giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có
chung đối tượng là vật liệu nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:
Cơ sở khoa học nano
Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nm
Chế tạo vật liệu nano
Ứng dụng vật liệu nano
Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet. Công nghệ nano tìm
cách lấy phân tử đơn nguyên tử nhỏ để lắp ráp ra những vật to kích cỡ bình thường để sử
dụng, đây là cách làm từ nhỏ đến to khác với cách làm thông thường từ trên xuống dưới, từ
to đến nhỏ.
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ
Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc
vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano”
1
Ứng dụng công nghệ Nano
mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại
trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi
điện tử.
Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều
chế bằng nhiều cách khác nhau. Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà
vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích
mặt ngoài của loại vật liệu này.Để hiểu rõ về công nghệ nano, ta phải tìm hiểu khái niệm
về vật liệu nano. Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano
mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất
lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không
còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano...
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước
nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống
nano,...
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước
nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,...
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó
chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không
chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau
Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano.
Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử:Đối với vật liệu vĩ mô
gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên
tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng
các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn.
2
Ứng dụng công nghệ Nano
Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt
sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan
đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu
có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới
hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn
bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do
kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật
liệu.
Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất
hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành
khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-
down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương
pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là
phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
Phương pháp từ trên xuống: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu
thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano.Đây là các phương pháp đơn
giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá
lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu).
Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với
những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy
nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu
hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano.
Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
3
Ứng dụng công nghệ Nano
Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm
tạo ra sự biến dạng cự lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các
phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng
trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là
biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là
các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài
ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu
trúc nano phức tạp.
Phương pháp từ dưới lên: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.
Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của
sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ
phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết
hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử
hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương
pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp
chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được
trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết
tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các
hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion.
Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà
người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể
phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha
lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...). Phương pháp
này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
4
Ứng dụng công nghệ Nano
Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các
nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,... Phương pháp
này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những
dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có. Chúng có thể đuợc
lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc này là một
trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất
hữu dụng.
Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm
tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu
và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác
điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt
là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác
nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có
nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề
mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory).
Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá và việc xây dựng những kỹ
thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong
chúng. Những phức tạp này cũng mở đuờng cho sự tiếp cận với những hệ phi tuyến phức
tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bản khác với
những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micrômét.
Khoa học nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm
tường tận. Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất.
Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích
thuớc. Vật chất khi ở dạng vi thể (nano-size) có thể có những tính chất mà vật chất khi ở
dang nguyên thể (bulk) không thể thấy đuợc.
5
