Nano Materials

Những điều thú vị về công nghệ nan nô (phần 3)

Điều gì làm cho công nghệ nan nô trở nên đặc biệt và tại sao công nghệ nan nô lại được quan tâm phát triển mạnh như hiện nay?

Các nhà hóa học đã quan sát các hạt nan nô trong tự nhiên trong thời gian dài. Hãy hình dung các phân tử hoặc vi rút. Các nhà nghiên cứu về chất độc đã từng nghiên cứu về các hạt kích cỡ nan nô tác động đến cuộc sống hiện tại của chúng ta chẳng hạn như hạt các bon trong khí xả của động cơ cháy nổ. Hoàn toàn không biết về điều này, những nhà chế tạo lốp xe sử dụng hạt nano- hạt các bon đen- để cải thiện khả năng hoạt động của lốp xe từ những năm 1920. Các nghệ sĩ thời phục hưng đã từng sử dụng hạt nano để tạo ra màu đỏ có độ sáng phù hợp với tác phẩm cho các cửa sổ của nhà thờ (các hạt vàng kích thước nano có màu đỏ chứ không phải màu vàng).  Thậm chí chúng ta có thể nói rằng chúng ta đang bị bao bọc bởi, hoặc được tạo ra bởi, các cấu trúc nano -  nguyên tử và phân tử, suy cho cùng là những vật chất có kích thước nano. Vậy, sự quan tâm tới công nghệ nano hiện nay là do đâu, có phải chỉ là sự bất chợt không lý do?

Yêu cầu không ngừng cần đáp ứng về việc chế tạo các đồ vật có kích thước ngày càng nhỏ đã dẫn đến sự xuất hiện một số các dụng cụ mới như kính hiển vi đo lực hạt nhân (AFM) hoặc kính hiển vi scan (STM). Được kết hợp với một số quá trình đặc biệt khác như công nghệ nin litô, những dụng cụ này cho phép kiếm soát và chế tạo ra những kết cấu nano. Điều mà là điều không thể thực hiện được trước đây.

The AFM (giữa) và các ứng dụng liên quan

Cùng với những dụng cụ nghiên cứu mới xuất hiện những quan điể mới và kết quả là các định luật cơ học áp dụng cho thế giới nanno lại hoàn toàn khác so với các quy luật cơ học áp dụng trong cuộc sống của chúng ta, thế giới vĩ mô. Xác định những đặc tính của các lực cực nhỏ của thế giới nano cũng dẫn đến sự phát triển của các thiết bị dụng cụ nghiên cứu. Mới chỉ hơn một thập kỷ trước, khả năng đo được lực tác động giữa các phân tử còn là xa vời. Quá trình nghiên cứu công nghệ nano đã thay đổi rất nhiều quan điểm này. Ngày nay có nhiều dụng cụ thí nghiệm được sử dụng để xác định đặc tính cơ học nano của phân tử vi sinh và tế bào. Chẳng hạn như là dụng cụ đo quang, dụng cụ kéo từ, và AFM.

Các vật liệu nano- cho dù bằng phương pháp từ trên xuống (vật liệu to được giảm kích thước xuống cỡ nano) hay bằng phương pháp từ dưới lên (chế tạo một kết cấu lớn từ các nguyên tử hay phân tử)-đã tiến thêm một bước nữa so với quá trình thu nhỏ kích cỡ các đồ vật.

Hiệu ứng lượng tử

Cái được gọi là hiệu ứng kích thước lượng tử là để mô tả những đặc tính vật lý của hạt điện tử trong trạng thái rắn nhưng kích thước đã được thu nhỏ nhiều lần. Hiệu ứng này không được ứng dụng vào quá trình thu nhỏ từ kích thước lớn (macro) thành kích thước nhỏ (micro). Tuy vậy, nó trở nên được ưa chuộng từ khi khoa học thành công trong việc tạo ra kích cỡ nano. Hiệu ứng lượng tử sẽ kiểm soát được động thái của vật chất với kích thước nano- đặc biệt tại mức kích cỡ dưới (gồm một chữ số và một phần mười nano mét)-hiệu ứng này tác động đến động thái vật chất quang học, điện tử và từ trường. Vật liệu sẽ được chế tạo sản xuất có kích thước nano (ví dụ như sơn bề mặt siêu mỏng), trong không gian hai chiều (như dây cáp nano và ống tuýp nano) hoặc trong không gian ba chiều (như hạt nano và chấm lượng tử).

Nguyên nhân của những sự thay đổi lớn lao này bắt nguồn từ thế giới kỳ lạ của vật lý lượng tử. Đặc tính chung của vật liệu thuần túy là giá trị trung bình các lực lượng tử tác động đến tất cả các nguyên tử trong vật liệu đó. Khi bạn chế tạo đồ vật ngày càng nhỏ hơn, cho tới lúc bạn đạt đến một điểm mà giá trị trung bình đó không còn tác dụng và bạn phải đương đầu với động thái cụ thể của từng nguyên tử hoặc phân tử-động thái rất khác biệt khi những nguyên tử này được tập hợp trong vật liệu đổ đống.

Vật chất khi giảm xuống kích thước nano đột nhiên xuất hiện những đặc tính rất khác biệt so với những đặc tính chúng thể hiện ở trạng thái kích thước lớn. Chẳng hạn, vật chất mờ đục trở nên trong suốt (đồng); vật chất trơ trở nên hoạt tính (platinum); vật liệu ổn định trở nên dễ cháy (nhôm); vật chất rắn trở thành lỏng chỉ với nhiệt độ trong phòng (vàng); chất cách điện trở nên dẫn điện (silicon)

Tiết diện bề mặt

Một lĩnh vực quan trọng khác của vật liệu nano là tiết diện bề mặt. Khi được so sánh với vật liệu cùng khối lượng trong dạng đổ đống, vật liệu nano có tiết diện bề mặt tương đối lớn hơn. Tính chất này làm cho vật liệu trở nên dễ tương tác về mặt hóa học (trong một số trường hợp vật liệu trơ trở nên hoạt hóa khi đạt kích thước nano), và ảnh hưởng đến đặc tính bền và đặc tính điện từ của chúng.

Để minh họa cho ảnh hưởng của kích thước hạt lên tiết diện bề mặt, hãy quan sát đồng tiền xu Đại bàng bạc của Mỹ. Đồng xu bạc này chứa 31 gram bạc và có tiết diện bề mặt khoảng 3000 milimét vuông. Nếu với số lượng bạc này được phân nhỏ thành những hạt nhỏ xíu- chẳng hạn 10 nm- thì tổng tiết diện bề mặt cảu những hạt này sẽ là 7000 mét vuông (tương đương với kích thước một sân bóng-hay lớn hơn diện tích mặt bằng của Nhà trắng, là 5100 mét vuông). Nói cách khác, khi lượng bạc trong đồng xu được chia nhỏ thành những hạt  có kích thước 10nm, tiết diện bề mặt của những hạt này sẽ lớn hơn 2 tỷ  lần tiết diện bề mặt của đồng xu bạc.

Sự hấp dẫn của công nghệ nano bắt nguồn từ những đặc tính lượng tử và đặc tính bề mặt vô cùng đặc biệt mà vật chất có được khi ở dạng nano, làm xuất hiện khả năng biến những gì trước đây cho là không thể nay trở thành có thể thực hiện được.

Công nghệ nano- sự phát triển và tính cách mạng trong công nghệ

Tuy nhiên, cần phải phân biệt sự khác biệt giữa hai loại công nghệ nano. Một loại đang xảy ra và một loại thuộc khoa học viễn tưởng.

Cái mà chúng ta đang nghiên cứu hiện nay là công nghệ nano phát triển. Mục đích của công nghệ này là cải thiện quá trình, vật liệu và các ứng dụng đang tồn tại hiện nay bằng cách giảm kích thước xuống nano và khai thác triệt để đặc tính lượng tử và đặc tính tiết diện bề mặt của vật chất khi trở thành nano. Xu hướng này được các công ty sử dụng để cải thiện sản phẩm hiện có bằng cách làm nhỏ các thành phần của sản phẩm, tăng cường đặc tính hoạt động của vật liệu với chi phí rất ít.

Lấy ví dụ ngành công nghệ máy tính/điện tử- kết cấu chíp được phân chia nhỏ thành 100nm, ngành công nghiệp bán dẫn đang trên đường trở thành một ngành công nghiệp nano.

Bên trên: Bộ truyền phát tín hiệu sản xuất năm 1947, Bên dưới: Chíp Intel 32nm tích hợp khoảng 1,9 tỷ bộ chuyển phát tín hiệu trong một chíp đơn.

Hãy suy nghĩ như thế này: bộ phát tín hiệu đầu tiên có kích thước lớn hơn 1cm, bộ phát tín hiệu nhỏ nhất hiện nay có kích thước nhỏ hơn 30nm dài-300,000 nhỏ hơn. Tương đương với việc thu nhỏ tháp Đài loan 509 mét-cao nhất thế giới hiện nay xuống còn 1,6 milimét là chiều cao của hạt gạo. Nêu việc chế tạo bán dẫn cao cấp hiện nay đã ứng dụng hoàn toàn công nghệ nano; và khi chúng ta đạt đến việc chế tạo các bộ phát tín hiệu chỉ bằng một phân tử, thì đó là thời điểm kết thúc của quá trình thu nhỏ dần các linh kiện điện tử.

Do xu hướng "nhỏ hơn, tốt hơn, rẻ hơn" luôn diễn tiến không ngừng, một số công ty đã trở thành công ty công nghệ nano (vì họ sử dụng những thành phần chứa trong thực phẩm đã nano hóa; sơn nano; công nghệ bề mặt nano; điện tử nano) sẽ phát triển rất nhanh và sẽ chiếm đa số trong các ngành công nghiệp.

Tuy nhiên, ngành công nghệ nano mang tính cách mạng đã tiên liệu một phương án từ dưới đi lên, tức là các dụng cụ thiết bị, các hệ thống gia công được xây dựng bằng các nguyên tử kết hợp lại (ở đây phải mở ngoặc cho rõ, chúng ta không nói về quá trình tự lắp ráp và tổng hợp hóa học các vật liệu nano, mà nói về các thiết bị hoạt động). Trừ khi bạn tạo ra một nội dung khoa học viễn tưởng, chúng ta sẽ chẳng bao giờ có thể biết được tương lai sẽ mang đến cho chúng ta những gì.

(theo tài liệu nước ngoài)