Chế tạo Nano - Những điều thú vị về công nghệ nan nô (phần 5)

Chỉ có một ngành công nghiệp có khả năng áp dụng công nghệ chế tạo nano trên diện rộng là ngành công nghiệp bán dẫn, bởi vì trong ngành này cấu tạo của thiết bị đã đạt tới mức 20-30 nm. Dĩ nhiên ngành công nghiệp hóa học cũng đã sử dụng hạt nano từ lâu, nhưng quá trình này lại thuộc lĩnh vực hóa học hơn là thuộc lĩnh vực chế tạo nano.

Những người ủng hộ quá trình "chế tạo chính xác theo phương pháp tự động" và "chế tạo phân tử" ưa nói về những khả năng hấp dẫn mà công nghệ này có thể tạo ra. Sự nhình nhận này bao hàm từ mức đơn giản như những phương pháp sản xuất vật liệu đã cải tiến một cách hiệu quả hơn trong nghành hóa học (mà hiện nay cung cầu đã cân bằng), cho tới mức  khó tưởng tượng như là những laptop chế tạo từ những phân tử. Các bài báo về ngành công nghệ nano mang tính cách mạng này hầu như đã bỏ qua những phần khó nhằn như một số lượng lớn những kết quả nghiên cứu cần phải có để chúng ta có thể tiến bước từ điểm đứng hiện nay tới nơi mà chúng ta cho là miền đất hứa. Nó giống như chuyện một số người yêu thích bay vào năm 1903, khi Orville Wright thực hiện thành công chuyến bay có động cơ đầu tiên, đã tranh luận về thiết kế của khoang hạng nhất của máy bay phản lực 600 chỗ ngồi tuyến bay thẳng New York tới Tokyo.

Các nhà nano học ngày nay vẫn đang vật lộn với những vấn đề rất cơ bản như làm thế nào để có thể kiểm soát quá trình tổng hợp hạt nano. Những người say mê với công nghệ nano có thể hơi bị sốc khi biết rằng thậm chí ở mức độ hoàn toàn cơ bản như việc tổng hợp các hạt kim loại nano hiện nay đang được tiến hành với phương pháp sai rồi sửa, chứ không phải bằng những phương pháp có thể dự đoán được và hoàn toàn nằm trong kiểm soát.

Moi người thường nghe những nhà nghiên cứu nói về khả năng ứng dụng vô hạn của công nghệ nano. Nhưng vấn đề là, cho dù bạn chọn hướng đi nào, quá trình tổng hợp hạt nano vẫn là một quá trình chứa nhiều sự rủi ro và yêu cầu nhiều kỹ năng và chuyên môn của các nhà hóa học nhằm tổng hợp được những hạt chất lượng tốt, đáp ứng được yêu cầu về kích thước và hình dạng. Và khoảng cách giữa việc chế tạo ra hạt nano và việc chế tạo những kết cấu phức hợp là rất lớn.

Thuật ngữ "chế tạo" (manufacturing) thường dùng để miêu tả các dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động hoàn toàn hoặc gần mức tự động hoàn toàn. Cho tới thế kỷ 20, một thợ thủ công hoặc một nhóm thợ phải chế tạo từng chi tiết riêng lẻ rồi lắp chúng lại với nhau thành một thiết bị, rồi gia công, thay đổi một vài thiết kế để các chi tiết có thể lắp lại được với nhau và hoạt động được; quá trình này được gọi là "chế tạo". Sau đó Henry Ford đề xuất và tới năm 1907-1908 đã phá triển dây chuyền lắp đặt cho loại ô tô T của ông. Cải tiến này đã cách mạng cho cả ngành công nghiệp đồng thời cũng tác động tới xã hội bởi vì nó cho phép sản xuất hàng công nghiệp với số lượng lớn và chi phí thấp hơn trước. Về thực chất một dây chuyền sản xuất là quá trình trong đó những bộ phận liên quan nhau được lắp vào sản phẩm theo một trình tự nhất định để tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh.

Kỹ thuật của công nghệ nano ngày nay hầu như tương tự với ngành công nghiệp trước thời xuất hiện dây chuyền của Henry Ford- chỉ là sản xuất thủ công chứ không phải là sản xuất với số lượng lớn.

Một phòng thí nghiệm nano trong Viện Vật liệu công nghiệp Canada.

Có nhiềucách khác nhau để chế tạo vật chất dạng nano, trong đó có hai dạng mà được nói đến nhiều nhất là dạng chế tạo từ trên xuống và dạng chế tạo từ dưới lên.

Phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên

Nhà điêu khắc Michelangelo là nghệ sĩ đã thực hiện công việc theo phương pháp từ trên xuống. Ông đã lấy một tấm đá cẩm thạch lớn, sau nhiều năm đục đẽo để tạo thành bức tượng David nổi tiếng. Trong quá trình điêu khắc, ông đã làm giảm kích cỡ của tấm đá cẩm thạch xuống còn một nửa, nửa còn lại ông đã vứt đi. Quá trình này tương tự với phương pháp từ trên xuống trong ngành chế tạo nano: bạn lấy vật liệu kích thước lớn và loại bỏ những phần bạn không thể sử dụng cho đến khi bạn đạt được kích thước và hình dạng như ý. Để thực hiện, bạn phải tiêu hao nhiều điện năng (tương đối nhiều), sử dụng nhiều chất hóa học (đôi khi độc hại), thải ra nhiều chất thải, cần có sự kiên nhẫn phi thường (quá trình này diễn ra rất chậm) và thường tạo ra những sản phẩm độc đáo không thể thay thế.

Tấm đá cẩm thạch-trước và sau khi hoàn thành của Michelangelo.

Phương pháp từ dưới lên thì tinh tế và hiệu quả hơn nhiều. Lấy những miếng xếp hình. Chỉ cần xác định kích thước và hình dạng bạn muốn và rồi sử dụng từng miếng một lắp ghép lại để đạt được mục đích. Sử dụng máy móc (kích thước nhỏ xíu) thay cho tay người, hoặc sử dụng những dây chuyền sản xuất, và những miếng ghép nguyên tử hoặc phân tử để lắp ghép chúng lại. Thật không may là sự miêu tả này lại quá đơn giản và thô thiển.

Để thấy được sự phức tạp của quá trình từ dưới lên này, chúng ta biết là có hai phương cách riêng biệt trong phương pháp từ dưới lên. Và chính chúng đã gây ra biết bao sự nhầm lẫn.

Phương cách tự lắp ghép

Phương pháp tự lắp ghép từ dưới lên là phương cách của thiên nhiên. Quá trình tự tổ chức được áp dụng chủ yếu trong thiên nhiên từ mức độ phân tử (chẳng hạn protein) tới mức độ các hành tinh (như hệ thống thời tiết) thậm chí còn xa hơn đó là các hệ ngân hà. Điều chủ yếu để sử dụng phương pháp tự lắp ghép trong quá trình gia công trực tiếp có kiểm soát nằm ở chỗ thiết kế những chi tiết để lắp ghép lại thành thiết bị có chức năng mẫu mã theo nhu cầu. Tự lắp ghép thể hiện thông tin mã hóa- như hình dáng, đặc tính bề mặt, điện tích, phân cực, điện từ, khối lượng chung v.v...trong từng chi tiết; những đặc tính này quyết định khả năng tương tác giữa các chi tiết với nhau.

Ở mức độ rất nhỏ bạn thậm chí còn không thể sử dụng phương pháp tự lắp ghép, mà phải sử dụng phương pháp "tổng hợp hóa học"- quá trình mà các nhà hóa học đã sử dụng nhiều năm. Tuy nhiên, mức độ ổn định của các kết cấu phân tử cho phép sự tổng hợp của hầu hết các kết cấu bất kỳ lên tới 1000 nguyên tử. Tự lắp ghép la fmột chiến lượng để tổ chức vật chất thành những vật lớn hơn.

Kỹ thuật này được tóm tắt lại như sau: chúng ta không biết tại sao các nguyên tử/phân tử lại ghép lại với nhau theo cách chúng đang tồn tại, nhưng khi chúng ta áp dụng và kiểm soát quá trình này, chúng ta có thể sử dụng để xây dựng những kết cấu từ dưới lên, nguyên tử ghép với nguyên tử.

Tự lắp ghép trở thành một quan điểm cực kỳ quan trọng trong công nghệ nano. Quá trình vi hóa đạt tới mức nano, mà công nghệ truyền thống không làm sao làm được bởi vì chưa có những thiết bị có thể lắp ghép những chi tiết nano laiị với nhau để trở thành một thiết bị hoàn chỉnh. Cho tới khi có rô bốt lắp đặt sử dụng cho dạng nano xuất hiện, cùng với quá trình tự lắp đặt, tổng hợp hóa học-thì quá trình tự lắp ghép mới trở thành một công nghệ quan trọng trong quá trình phát triển phương pháp gia công từ dưới lên.

Học tập và ứng dụng phương pháp tự lắp ghép trong thiên nhiên là một nghành khoa học thực thụ và đã được tiến hành trong các phòng thí nghiệm. Sự thật là, nó thực sự dẫn tứoi những sản phẩm giành cho thế giới thực. Một ví dụ mới gần đây là sự thông báo của hãng IMB về kết cấu tự lắp đặt trog sản phẩm của họ là bộ xử lý airgap.

Tự lắp đặt cũng là lý do tại sao ngành công nghệ nano có tác động sâu xa đến như thế đối với ngành công nghiệp hóa học. Một ví dụ là việc sử dụng rộng rãi polymer trong các sản phẩm công nghiệp (chẳng hạn nhựa). Các nhà hóa học đang sử dụng xu hướng "phân tử hóa" để thiết kế những kết cấu phân tử có những đặc tính đặc biệt và cụ thể. Khi bạn biết được hành vi của các hạt nano nào đó và đặc tính của chúng như thế nào, bạn có thể sử dụng sự hiểu biết cnày để tạo ra những kết cấu có những đặc tính theo yêu cầu. Đây là cách hiệu quả hơn nhiều so với quá trình trộn xi măng cổ lỗ được tiến hành theo cách tùy ý dựa trên kinh nghiệm và phỏng đoán.

Lắp ghép bằng phân tử

Một phương cách khác từ dưới lên là lắp ghép các phân tử. Nghe thì có vẻ giống như cách tự lắp ghép nhưng thật ra hoàn toàn khác biệt. Nếu bạn quan sát mô hình sản xuất nano (video), bạn sẽ thấy sự khác nhau.

Video

Đây là phiên bản mà các nhà ủng hộ công nghệ nanô đưa ra: quá trình lắpghép phân tử như là một nhà máy, các dây chuyền lắp đặt và tất cả đều ở mức kích thước nano.  Khái niệm " tự lắp ghép" trở nên liên quan trong ngữ cảnh này với ý nghĩa thiết bị nano "tự sao chép", giống như thiết bị tự lắp ghép lại để trở thành hoàn chỉnh; nhưng nó khác nhiều so với loại tự lắp ghép tìm thấy trong thiên nhiên.

Với khả năng khoa học hiện nay, công nghệ nano từ dưới lên tiên tiến nhất là sự kết hợp quá trình tổng hợp hóa học và tự lắp ghép. Nhưng chúng đã cho phép chúng ta thực hiện quá trình chế tạo chính xác một cách tự động ở kích cỡ rất nhỏ và điều này sẽ chế tạo ra những vật liệu được cải tiến nhiều, cũng như những quá trình chế tạo hiệu quả hơn rất nhiều đồng thời cũng dẫn đến những quy trình chữa bệnh hoàn toàn mới.

Và chúng ta vẫn chưa biết nơi mà công nghệ nano "thực hiện theo các của thiên nhiên" sẽ dẫn chúng ta tới. Một số phát hiện gần đây trong ngành công nghệ nano DNA đã thể hiện khả năng của phương pháp lắp ghép mới để tạo ra những kết cấu nano hữu ích. Các phân tử DNA có thể sử dụng như những giàn giáo được điều khiển và lập trình để tổ chức những vật liệu nano trong thiết kế, gia công, và xây dựng đặc tính của  các thiết bị điện tử/cảm biến nano.. Có thể chúng ta sẽ không bao giờ có, và không bao giờ cần quá trình lắp ghép phân tử áp dụng cho những nhà máy hiện nay của chúng ta.

(tổng hợp từ tài liệu nước ngoài)