Vật liệu nano và nghành khoa học nghiên cứu nano

Vật liệu nano không chỉ đơn giản là một công đoạn làm cho kích thước vật liệu trở nên thật là nhỏ. Vật liệu nano thường yêu cầu những phương pháp sản xuất chế tạo rất khác nhau.  Có một số phương pháp chế tạo vật liệu nano, được phân loại thành phương pháp "từ trên xuống" và "từ dưới lên". Mặc dù nhiều vật liệu nano hiện đang trong giai đoạn sản xuất trong phòng thí nghiệm, nhưng một số vật liệu loại này đã đang được thương mại hóa.

Sau đây chúng tôi phác thảo một số mẫu vật liệu nano và phạm vi nghiên cứu của nghành khoa học nano nhằm hiểu biết thấu đáo đặc tính của vật liệu nano. Như độc giả sẽ thấy, tính chất hoạt động của một số loại vật liệu này được nghiên cứu và hiểu biết tường tận, trong khi đó đối với các vật liệu nano khác thì vẫn còn nằm trong vòng bí ẩn.

Nano-một kích thước

Màng mỏng dính (phim), lớp và bề mặt mỏng dính

Vật liệu nano một kích thước như lớp phim mỏng hoặc những bề mặt nano siêu mỏng, được phát triển và đưa vào sử dụng đã được nhiều thập kỷ trong ngành chế tạo thiết bị điện tử, hóa học và thiết kế. Trong ngành công nghiệp mạch tích hợp silicon chẳng hạn, nhiều thiết bị sử dụng những màng mỏng trong sản xuất, và quá trình kiểm soát độ dầy của lớp màng mỏng này đạt tới mức độ nguyên tử. Các lớp đơn (tức các lớp sâu mức một nguyên tử  hay một phân tử) cũng thường được chế tạo và sử dụng trong ngành hóa học. Hình dạng và đặc tính của những lớp này đã được hiểu tương đối thấu đáo từ mức độ nguyên tử trở lên, thậm chí những lớp cực kỳ phức hợp (như chất bôi trơn). Nhiều tiến bộ đã đạt được trong việc kiểm soát thành phần hóa học và độ nhẵn bề mặt, và sự phát triển của lớp phim.

Các bề mặt gia công với những đặc tính cụ thể như có tiết diện bề mặt lớn hoặc đặc tính phản ứng đặc trưng thường được sử dụng trong ngành chế tạo tế bào nhiên liệu xăng dầu và dung môi. Tiết diện bề mặt lớn do chế tạo từ hạt nano, kết hợp với khả năng tự lắp ráp trên bề mặt đỡ, cũng được sử dụng trong tất cả những ngành này.

Mặc dù có những sự phát triển nhanh chóng, các bề mặt với những đặc tính cao cấp sẽ được ứng dụng vào ngành hóa học và năng lượng. Chúng mang lại lợi ích kinh tế và tiết kiệm năng lượng do khả năng tương tác cao và có mức độ đồng nhất rất lớn trong lò phản ứng và trong các quá trình phân tách, cho phép thực hiện quá trình phân bổ theo tỷ lệ nhỏ (nhằm tạo ra những chất hóa học để sử dụng một cách tối ưu nhất). Đã có những động thái trong ngành hóa học về quá trình này. Một lĩnh vực áp dụng khác là việc sản xuất chất hóa học giá trị cao ngay tại chỗ, kích cỡ nhỏ là ngành chế tạo dược phẩm.

Graphen và các loại vật liệu đơn lớp hay có ít lớp

Graphen được chế tạo từ nguyên tử cac bon. Graphen chắc chắn là một  trong những vật liệu nano hứa hẹn nhất bởi vì nó kết hợp một số đặc tính vượt trội nhất, mở ra một lối để khai thác một phạm vi rộng sự áp dụng quang phổ, từ điện tử đến điện quang, cảm biến, và thiết bị sinh học.

Ví dụ, vật liệu nano graphen mang đến nhiều áp dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực liên quan đến năng lượng. Một số ví dụ gần đây: graphen cải thiện đáng kể khả năng tích điện và tốc độ nạp điện của ắc quy; graphen hoạt tính còn dùng để chế tạo ra những cụm tích điện siêu hạng; điện cực sử dụng graphen dẫn đến một phương pháp đầy hứa hẹn để chế tạo tấm năng lượng mặt trời không đắt, nhẹ và mềm dẻo; vật liệu graphen có khả năng giảm lượng dung môi trong hệ thống.

Mời bạn xem video giới thiệu về graphen sau đây:

Sự quyến rũ của loại vật liệu lớp sâu một nguyên tử mà graphen là sự khởi đầu đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm hiểu loại kết cấu 2 chiều.

Một hình mẫu thú vị để minh họa cho graphen là 2D silicon, bởi vì nó được tổng hợp và chế tạo bằng công nghệ bán dẫn, dễ dàng tích hợp vào hệ thống điện tử hiện có.

(còn tiếp)

(tổng hợp từ tài liệu nước ngoài)