Công nghệ nano

Công nghệ nano là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho các mục đích công nghiệp. Mô tả phổ biến sớm nhất về công nghệ nano đề cập đến mục tiêu công nghệ cụ thể là thao tác chính xác các nguyên tử và phân tử để chế tạo các sản phẩm có quy mô vĩ mô, ngày nay còn được gọi là công nghệ nano phân tử . Sau đó, một mô tả khái quát hơn về công nghệ nano đã được thiết lập bởi Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia, định nghĩa công nghệ nano là sự điều khiển vật chất với ít nhất một kích thước có kích thước từ 1 đến 100 nanomet . Định nghĩa này phản ánh thực tế rằng các hiệu ứng cơ lượng tử rất quan trọng ở quy mô lĩnh vực lượng tử này, và do đó định nghĩa đã chuyển từ một mục tiêu công nghệ cụ thể sang một hạng mục nghiên cứu bao gồm tất cả các loại nghiên cứu và công nghệ xử lý các tính chất đặc biệt của vật chất. dưới ngưỡng kích thước đã cho. Do đó, người ta thường xem dạng số nhiều "công nghệ nano" cũng như "công nghệ kích thước nano" để chỉ phạm vi rộng của các nghiên cứu và ứng dụng có đặc điểm chung là kích thước.

Công nghệ nano được xác định theo kích thước là rộng lớn một cách tự nhiên, bao gồm các lĩnh vực khoa học đa dạng như khoa học bề mặt, hóa học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ năng lượng, kỹ thuật, chế tạo vi mô, và kỹ thuật phân tử . Các nghiên cứu và ứng dụng liên quan cũng đa dạng như nhau, từ mở rộng của vật lý thiết bị thông thường đến các cách tiếp cận hoàn toàn mới dựa trên quá trình tự lắp ráp phân tử, từ việc phát triển các vật liệu mới với kích thước trên quy mô nano đến điều khiển trực tiếp vật chất ở quy mô nguyên tử .

Các nhà khoa học hiện đang tranh luận về những tác động trong tương lai của công nghệ nano . Công nghệ nano có thể tạo ra nhiều vật liệu và thiết bị mới với rất nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong y học nano, điện tử nano, sản xuất năng lượng vật liệu sinh học và các sản phẩm tiêu dùng. Mặt khác, công nghệ nano đặt ra nhiều vấn đề tương tự như bất kỳ công nghệ mới nào, bao gồm những lo ngại về tính độc hại và tác động môi trường của vật liệu nano, và những tác động tiềm tàng của chúng đối với kinh tế toàn cầu, cũng như suy đoán về các kịch bản ngày tận thế khác nhau. Những lo ngại này đã dẫn đến một cuộc tranh luận giữa các nhóm vận động và chính phủ về việc liệu các quy định đặc biệt về công nghệ nano có được đảm bảo hay không.

Nguồn gốc

Các khái niệm về công nghệ nano lần đầu tiên được thảo luận vào năm 1959 bởi nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman trong bài nói chuyện There's Plenty of Room at the Bottom, trong đó ông mô tả khả năng tổng hợp thông qua thao tác trực tiếp với các nguyên tử.

Năm 1960, kỹ sư Ai Cập Mohamed Atalla và kỹ sư Hàn Quốc Dawon Kahng tại Bell Labs đã chế tạo MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại-oxit-bán dẫn) đầu tiên với độ dày cổng oxit 100 nm, cùng với chiều dài cổng 20 µm . Năm 1962, Atalla và Kahng bịa đặt một nanolayer -base ngã ba kim loại bán dẫn (khớp nối M-S) transistor mà được sử dụng màng mỏng vàng (Au) với độ dày 10 nm .

So sánh kích thước vật liệu nano

Thuật ngữ "công nghệ nano" được Norio Taniguchi sử dụng lần đầu tiên vào năm 1974, mặc dù nó không được biết đến rộng rãi. Lấy cảm hứng từ các khái niệm của Feynman, K. Eric Drexler đã sử dụng thuật ngữ "công nghệ nano" trong cuốn sách năm 1986 của ông Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, đề xuất ý tưởng về một "nhà lắp ráp" kích thước nano có thể tạo ra một bản sao của chính nó và của các mục khác có độ phức tạp tùy ý với điều khiển nguyên tử. Cũng trong năm 1986, Drexler đồng sáng lập Viện Foresight (mà ông không còn trực thuộc) để giúp nâng cao nhận thức và hiểu biết của cộng đồng về các khái niệm và ý nghĩa công nghệ nano.

Sự xuất hiện của công nghệ nano như một lĩnh vực vào những năm 1980 đã xảy ra thông qua sự hội tụ của công trình lý thuyết và công khai của Drexler, đã phát triển và phổ biến một khung khái niệm cho công nghệ nano, và những tiến bộ thực nghiệm có khả năng hiển thị cao thu hút sự chú ý trên quy mô rộng hơn đến triển vọng điều khiển nguyên tử của vấn đề. Kể từ khi mức độ phổ biến tăng đột biến vào những năm 1980, hầu hết công nghệ nano đã liên quan đến việc nghiên cứu một số cách tiếp cận để chế tạo các thiết bị cơ khí từ một số lượng nhỏ nguyên tử.

Trong những năm 1980, hai bước đột phá lớn đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nano trong kỷ nguyên hiện đại. Đầu tiên, việc phát minh ra kính hiển vi quét đường hầm vào năm 1981, cung cấp hình ảnh chưa từng có về các nguyên tử và liên kết riêng lẻ, và được sử dụng thành công để điều khiển các nguyên tử riêng lẻ vào năm 1989. Các nhà phát triển kính hiển vi là Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Zurich của IBM đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 1986. Binnig, Quate và Gerber cũng đã phát minh ra kính hiển vi lực nguyên tử tương tự vào năm đó.

Buckminsterfullerene C ₆₀, còn được gọi là buckyball, là một thành viên tiêu biểu của cấu trúc carbon được gọi là fullerenes . Các thành viên của gia đình fullerene là đối tượng nghiên cứu chính của công nghệ nano.

Thứ hai, fullerenes được phát hiện vào năm 1985 bởi Harry Kroto, Richard Smalley và Robert Curl, những người đã cùng nhau đoạt giải Nobel Hóa học năm 1996. C ₆₀ ban đầu không được mô tả là công nghệ nano; thuật ngữ này đã được sử dụng liên quan đến công việc tiếp theo với các ống graphene liên quan (được gọi là ống nano carbon và đôi khi được gọi là ống Bucky), đề xuất các ứng dụng tiềm năng cho thiết bị và điện tử kích thước nano. Việc phát hiện ra ống nano carbon phần lớn là do Sumio Iijima của NEC của NEC vào năm 1991, mà Iijima đã giành được giải thưởng Kavli mở đầu năm 2008 về Khoa học nano.

Năm 1987, Bijan Davari dẫn đầu một nhóm nghiên cứu của IBM đã trình diễn MOSFET đầu tiên có độ dày ôxít cổng 10 nm, sử dụng công nghệ cổng vonfram . MOSFET đa cổng cho phép mở rộng quy mô dưới độ dài cổng 20 nm, bắt đầu với FinFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường vây), một MOSFET cổng đôi, không phẳng, ba chiều. FinFET bắt nguồn từ nghiên cứu của Digh Hisamoto tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Trung tâm Hitachi vào năm 1989. Tại UC Berkeley, các thiết bị FinFET được chế tạo bởi một nhóm bao gồm Hisamoto cùng với Chenming Hu của TSMC và các nhà nghiên cứu quốc tế khác bao gồm Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor, Hideki Takeuchi, K. Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shibly Ahmed và Cyrus Tabery. Nhóm đã chế tạo các thiết bị FinFET xuống còn 17nm vào năm 1998, và sau đó là 15nm năm 2001. Năm 2002, một nhóm bao gồm Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor và Tabery đã chế tạo ra thiết bị FinFET kích cỡ 10nm .

Vào đầu những năm 2000, lĩnh vực này đã thu hút được sự chú ý ngày càng tăng của giới khoa học, chính trị và thương mại, dẫn đến cả tranh cãi và tiến bộ. Các cuộc tranh cãi đã xuất hiện liên quan đến các định nghĩa và ý nghĩa tiềm tàng của công nghệ nano, được minh chứng bởi báo cáo của Hiệp hội Hoàng gia về công nghệ nano. Những thách thức đã được đặt ra liên quan đến tính khả thi của các ứng dụng được hình dung bởi những người ủng hộ công nghệ nano phân tử, mà đỉnh điểm là cuộc tranh luận công khai giữa Drexler và Smalley vào năm 2001 và 2003.

Trong khi đó, việc thương mại hóa các sản phẩm dựa trên những tiến bộ của công nghệ kích thước nano bắt đầu xuất hiện. Các sản phẩm này được giới hạn trong các ứng dụng hàng loạt của vật liệu nano và không liên quan đến việc kiểm soát nguyên tử của vật chất. Một số ví dụ bao gồm nền tảng Silver Nano để sử dụng các hạt nano bạc làm chất kháng khuẩn, kem chống nắng trong suốt dựa trên hạt nano, tăng cường sợi carbon bằng cách sử dụng hạt nano silica và ống nano carbon cho vải dệt chống ố.

Các chính phủ đã chuyển sang thúc đẩy và tài trợ cho nghiên cứu về công nghệ nano, chẳng hạn như ở Mỹ với Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia, tổ chức đã chính thức hóa định nghĩa dựa trên kích thước của công nghệ nano và thiết lập tài trợ cho nghiên cứu về quy mô nano và ở Châu Âu thông qua các Chương trình Khung Châu Âu về Nghiên cứu và Phát triển công nghệ .

Đến giữa những năm 2000, sự chú ý khoa học nghiêm túc và mới mẻ bắt đầu phát triển. Các dự án xuất hiện để đưa ra lộ trình công nghệ nano tập trung vào thao tác chính xác nguyên tử của vật chất và thảo luận về các khả năng, mục tiêu và ứng dụng hiện có và dự kiến.

Năm 2006, một nhóm các nhà nghiên cứu Hàn Quốc từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) và Trung tâm Nano Fab Quốc gia đã phát triển MOSFET 3 nm, thiết bị điện tử nano nhỏ nhất thế giới. Nó dựa trên công nghệ FinFET toàn cổng (GAA).

Hơn 60 quốc gia đã tạo ra các chương trình nghiên cứu và phát triển công nghệ nano (R&D) của chính phủ từ năm 2001 đến năm 2004. Nguồn tài trợ của chính phủ đã vượt quá chi tiêu của công ty cho nghiên cứu và phát triển công nghệ nano, với phần lớn tài trợ đến từ các tập đoàn có trụ sở tại Hoa Kỳ, Nhật Bản và Đức. Năm tổ chức hàng đầu đã nộp nhiều bằng sáng chế trí tuệ nhất về R&D công nghệ nano từ năm 1970 đến 2011 là Samsung Electronics (2,578 bằng sáng chế đầu tiên), Nippon Steel (1,490 bằng sáng chế đầu tiên), IBM (1,360 bằng sáng chế đầu tiên), Toshiba (1,298 bằng sáng chế đầu tiên) và Canon ( 1.162 bằng sáng chế đầu tiên). Năm tổ chức hàng đầu xuất bản nhiều bài báo khoa học nhất về nghiên cứu công nghệ nano từ năm 1970 đến 2012 là Viện Khoa học Trung Quốc, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Trung tâm National de la recherche scientifique, Đại học Tokyo và Đại học Osaka .

Các khái niệm cơ bản

Công nghệ nano là kỹ thuật của các hệ thống chức năng ở quy mô phân tử. Điều này bao gồm cả công việc hiện tại và các khái niệm nâng cao hơn. Theo nghĩa gốc của nó, công nghệ nano đề cập đến khả năng dự kiến xây dựng các hạng mục từ dưới lên, sử dụng các kỹ thuật và công cụ đang được phát triển ngày nay để tạo ra các sản phẩm hoàn chỉnh, hiệu suất cao.

Một nanomet (nm) là một phần tỷ, hay 10 ⁻⁹, của một mét. Để so sánh, độ dài liên kết cacbon-cacbon điển hình, hoặc khoảng cách giữa các nguyên tử này trong phân tử, nằm trong khoảng 0.12–0.15 nm và một chuỗi xoắn kép DNA có đường kính khoảng 2 nm. Mặt khác, các dạng sống tế bào nhỏ nhất, vi khuẩn thuộc giống Mycoplasma, có khoảng 200 chiều dài nm. Theo quy ước, công nghệ nano được coi là phạm vi thang đo 1 to 100 nm theo định nghĩa được sử dụng bởi Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia ở Hoa Kỳ. Giới hạn dưới được thiết lập bởi kích thước của các nguyên tử (hydro có các nguyên tử nhỏ nhất, khoảng một phần tư đường kính động học nm) vì công nghệ nano phải chế tạo các thiết bị của nó từ các nguyên tử và phân tử. Giới hạn trên ít nhiều là tùy ý nhưng là khoảng dưới kích thước mà các hiện tượng không quan sát được trong các cấu trúc lớn hơn bắt đầu trở nên rõ ràng và có thể được sử dụng trong thiết bị nano. Những hiện tượng mới này làm cho công nghệ nano khác biệt với các thiết bị chỉ đơn thuần là phiên bản thu nhỏ của một thiết bị vĩ mô tương đương; các thiết bị như vậy ở quy mô lớn hơn và được mô tả bằng công nghệ vi mô .

Để cho dễ hình dung, kích thước so sánh của nanomet với một mét cũng giống như kích thước của một viên bi với kích thước của Trái đất. Hay nói một cách khác: nanomet là độ dài râu của một người đàn ông trung bình mọc trong thời gian anh ta đưa dao cạo lên mặt.

Hai cách tiếp cận chính được sử dụng trong công nghệ nano. Trong phương pháp tiếp cận "từ dưới lên", các vật liệu và thiết bị được chế tạo từ các thành phần phân tử tự lắp ráp về mặt hóa học bằng các nguyên tắc nhận biết phân tử . Trong cách tiếp cận "từ trên xuống", các đối tượng nano được xây dựng từ các thực thể lớn hơn mà không có sự kiểm soát ở cấp độ nguyên tử.

Các lĩnh vực vật lý như điện tử nano, cơ nano, quang âm và nanoionics đã phát triển trong vài thập kỷ qua để cung cấp nền tảng khoa học cơ bản của công nghệ nano.

Lớn hơn đến nhỏ hơn: góc nhìn vật liệu

Hình ảnh tái tạo trên bề mặt Vàng ( 100 ) sạch, như được hiển thị bằng kính hiển vi quét đường hầm . Vị trí của các nguyên tử riêng lẻ tạo nên bề mặt có thể nhìn thấy được.

Một số hiện tượng trở nên rõ rệt khi kích thước của hệ thống giảm đi. Chúng bao gồm các hiệu ứng cơ học thống kê, cũng như các hiệu ứng cơ lượng tử, ví dụ như "hiệu ứng kích thước lượng tử " trong đó các đặc tính điện tử của chất rắn bị thay đổi với sự giảm kích thước hạt lớn. Hiệu ứng này không phát huy tác dụng khi đi từ kích thước vĩ mô sang vi mô. Tuy nhiên, các hiệu ứng lượng tử có thể trở nên quan trọng khi đạt đến phạm vi kích thước nanomet, thường là ở khoảng cách 100 nanomet trở xuống, cái gọi là lĩnh vực lượng tử . Ngoài ra, một số đặc tính vật lý (cơ, điện, quang học, v.v.) thay đổi khi so sánh với các hệ thống vĩ mô. Một ví dụ là sự gia tăng diện tích bề mặt trên tỷ lệ thể tích làm thay đổi các tính chất cơ học, nhiệt và xúc tác của vật liệu. Sự khuếch tán và phản ứng ở kích thước nano, vật liệu cấu trúc nano và thiết bị nano có vận chuyển ion nhanh thường được gọi là nanoionics. Các đặc tính cơ học của hệ thống nano được quan tâm trong nghiên cứu cơ học nano. Hoạt tính xúc tác của vật liệu nano cũng mở ra những rủi ro tiềm tàng trong tương tác của chúng với vật liệu sinh học .

Vật liệu giảm xuống kích thước nano có thể cho thấy các đặc tính khác nhau so với những gì chúng thể hiện trên phạm vi macro, cho phép các ứng dụng độc đáo. Ví dụ, các chất không trong suốt có thể trở nên trong suốt (đồng); vật liệu ổn định có thể biến thành chất dễ cháy (nhôm); vật liệu không hòa tan có thể trở nên hòa tan (vàng). Một vật liệu như vàng, trơ về mặt hóa học ở quy mô thông thường, có thể đóng vai trò như một chất xúc tác hóa học mạnh ở quy mô nano. Phần lớn niềm đam mê với công nghệ nano bắt nguồn từ các hiện tượng lượng tử và bề mặt mà vật chất thể hiện ở kích thước nano.

Từ đơn giản đến phức tạp: góc nhìn phân tử

Hóa học tổng hợp hiện đại đã đạt đến mức có thể điều chế các phân tử nhỏ thành hầu hết mọi cấu trúc. Những phương pháp này được sử dụng ngày nay để sản xuất nhiều loại hóa chất hữu ích như dược phẩm hoặc polyme thương mại. Khả năng này đặt ra câu hỏi về việc mở rộng loại kiểm soát này lên cấp độ lớn hơn tiếp theo, tìm kiếm các phương pháp để lắp ráp các phân tử đơn lẻ này thành các tập hợp siêu phân tử bao gồm nhiều phân tử được sắp xếp theo một cách xác định rõ ràng.

Những cách tiếp cận này sử dụng các khái niệm về tự lắp ráp phân tử và / hoặc hóa học siêu phân tử để tự động sắp xếp chúng thành một số cấu trúc hữu ích thông qua cách tiếp cận từ dưới lên . Khái niệm nhận dạng phân tử đặc biệt quan trọng: các phân tử có thể được thiết kế sao cho một cấu hình hoặc cách sắp xếp cụ thể được ưa chuộng do các lực liên phân tử không cộng hóa trị . Các quy tắc basepairing Watson-Crick là kết quả trực tiếp của điều này, cũng như tính đặc hiệu của một enzym được nhắm mục tiêu vào một cơ chất duy nhất, hoặc sự gấp nếp cụ thể của chính protein . Do đó, hai hoặc nhiều thành phần có thể được thiết kế để bổ sung và hấp dẫn lẫn nhau để chúng tạo nên một tổng thể phức tạp và hữu ích hơn.

Các phương pháp từ dưới lên như vậy sẽ có khả năng sản xuất các thiết bị song song và rẻ hơn nhiều so với phương pháp từ trên xuống, nhưng có thể bị quá tải khi kích thước và độ phức tạp của việc lắp ráp mong muốn tăng lên. Hầu hết các cấu trúc hữu ích đòi hỏi sự sắp xếp phức tạp và không chắc về mặt nhiệt động lực học của các nguyên tử. Tuy nhiên, có rất nhiều ví dụ về sự tự lắp ráp dựa trên nhận dạng phân tử trong sinh học, đáng chú ý nhất là tương tác giữa cơ sở Watson-Crick và cơ chất của enzyme. Thách thức đối với công nghệ nano là liệu những nguyên tắc này có thể được sử dụng để thiết kế các cấu trúc mới ngoài các cấu trúc tự nhiên hay không.

Công nghệ nano phân tử: tầm nhìn dài hạn

Công nghệ nano phân tử, đôi khi được gọi là sản xuất phân tử, mô tả các hệ thống nano được thiết kế (máy nano) hoạt động trên quy mô phân tử. Công nghệ nano phân tử đặc biệt gắn liền với bộ lắp ráp phân tử, một cỗ máy có thể tạo ra cấu trúc mong muốn hoặc thiết bị từng nguyên tử bằng cách sử dụng các nguyên tắc cơ học tổng hợp . Sản xuất trong bối cảnh hệ thống nano năng suất không liên quan đến và cần được phân biệt rõ ràng với các công nghệ thông thường được sử dụng để sản xuất vật liệu nano như ống nano cacbon và hạt nano.

Khi thuật ngữ "công nghệ nano" được đặt ra và phổ biến một cách độc lập bởi Eric Drexler (người lúc đó không biết về cách sử dụng trước đó của Norio Taniguchi), nó đề cập đến một công nghệ sản xuất trong tương lai dựa trên các hệ thống máy phân tử . Tiền đề là sự tương tự sinh học quy mô phân tử của các thành phần máy móc truyền thống đã chứng minh máy móc phân tử là có thể thực hiện được: bằng vô số ví dụ được tìm thấy trong sinh học, người ta biết rằng có thể sản xuất các máy sinh học tinh vi, được tối ưu hóa ngẫu nhiên .

Người ta hy vọng rằng những phát triển trong công nghệ nano sẽ có thể tạo ra chúng bằng một số phương tiện khác, có lẽ là sử dụng các nguyên tắc phỏng sinh học . Tuy nhiên, Drexler và các nhà nghiên cứu khác đã đề xuất rằng công nghệ nano tiên tiến, mặc dù ban đầu có thể được thực hiện bằng các phương tiện phỏng sinh học, nhưng cuối cùng có thể dựa trên các nguyên tắc kỹ thuật cơ học, cụ thể là, một công nghệ sản xuất dựa trên chức năng cơ học của các thành phần này (chẳng hạn như bánh răng, vòng bi, động cơ và các bộ phận kết cấu) cho phép lắp ráp vị trí, có thể lập trình được với đặc điểm kỹ thuật nguyên tử. Hiệu suất vật lý và kỹ thuật của các thiết kế mẫu đã được phân tích trong cuốn sách Nanosystems của Drexler.

Nói chung, rất khó để lắp ráp các thiết bị ở quy mô nguyên tử, vì người ta phải định vị các nguyên tử trên các nguyên tử khác có kích thước và độ dính tương đương. Một quan điểm khác, được đưa ra bởi Carlo Montemagno, là các hệ thống nano trong tương lai sẽ là sự lai tạo của công nghệ silicon và máy móc phân tử sinh học. Richard Smalley lập luận rằng tổng hợp cơ học là không thể do những khó khăn trong thao tác cơ học các phân tử riêng lẻ.

Điều này dẫn đến một cuộc trao đổi thư từ trên ấn phẩm ACS Chemical & Engineering News năm 2003. Mặc dù sinh học chứng minh rõ ràng rằng các hệ thống máy phân tử là có thể thực hiện được, nhưng các máy phân tử không phải sinh học ngày nay mới chỉ ở giai đoạn sơ khai. Đi đầu trong nghiên cứu về máy phân tử phi sinh học là Tiến sĩ Alex Zettl và các đồng nghiệp của ông tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley và UC Berkeley. [1] Họ đã chế tạo ít nhất ba thiết bị phân tử riêng biệt có chuyển động được điều khiển từ máy tính để bàn với điện áp thay đổi: một động cơ nano ống nano, một bộ truyền động phân tử, và một bộ dao động thư giãn cơ điện nano. Xem cảm biến nano ống nano để biết thêm ví dụ.

Một thí nghiệm chỉ ra rằng sự lắp ráp phân tử theo vị trí là có thể được thực hiện bởi Ho và Lee tại Đại học Cornell vào năm 1999. Họ sử dụng kính hiển vi quét đường hầm để di chuyển một phân tử cacbon monoxit (CO) đến một nguyên tử sắt (Fe) riêng lẻ nằm trên một tinh thể bạc phẳng, và liên kết hóa học CO với Fe bằng cách đặt một hiệu điện thế.

Chế tạo

Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: 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). Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực 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.

Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: 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, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.

• 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,...
• 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,...

Hướng ứng dụng chung

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 trước kia chưa có. Chúng có thể được 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 vật 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 được 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 tiềm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đường 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 micromet.

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.

Các nguyên lý và hiệu ứng dụng

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 dạng nguyên thể (bulk) không thể thấy được.

Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanomet, các electron không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ lượng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng lượng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới. Một vài hệ quả của hiệu ứng lượng tử bao gồm, chẳng hạn như:

• Hiệu ứng đường hầm: điện tử có thể tức thời chuyển động xuyên qua một lớp cách điện. Lợi điểm của hiệu ứng này là các vật liệu điện tử xây dựng ở kích cỡ nano không những có thể được đóng gói dày đặc hơn trên một chip mà còn có thể hoạt động nhanh hơn, với ít electron hơn và mất ít năng lượng hơn những transistor thông thường.
• Sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn như tính chất điện và tính chất quang phi tuyến (non-linear optical).

Bằng cách điều chỉnh kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật chất ở dạng nguyên thể.

Thí dụ: Chấm lượng tử (quantum dots) là một hạt vật chất có kích thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay lấy đi một electron sẽ làm thay đổi tính chất của nó theo một cách nào đó. Do sự hạn chế về không gian (hoặc sự giam hãm) của những electron và lỗ trống trong vật chất (lỗ trống hình thành do sự vắng mặt của một electron; chúng hoạt động như là một điện tích dương), hiệu ứng lượng tử xuất phát và làm cho tính chất của vật chất thay đổi hẳn đi. Khi ta kích thích một chấm lượng tử, chấm càng nhỏ thì năng lượng và cường độ phát sáng của nó càng tăng. Vì vậy mà chấm lượng tử là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới.

• Hiện nay liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thước là chúng tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law). Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của một chất rắn (chẳng hạn như tính sắt từ và hiện tượng từ trễ), và vùng cấm của chất bán dẫn (semiconductor) phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới hạn của kích thước nanomet. Hầu hết bất cứ một thuộc tính nào trong vật rắn đều kết hợp với một kích thước đặc biệt, và dưới kích thước này các tính chất của vật chất sẽ thay đổi.

Mối quan hệ này mở đường cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những tính chất mong muốn, không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử, mà còn bởi sự điều chỉnh kích thuớc và hình dạng.

Các thiết bị dùng trong việc nghiên cứu và quan sát các cấu trúc nano

Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ nano là kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM). Nó chủ yếu bao gồm một đầu dò cực nhỏ có thể quét trên bề mặt. Tuy nhiên, do đầu dò này chỉ cách bề mặt của vật cần quan sát vào khoảng vài nguyên tử và đầu dò có cấu trúc tinh vi (kích thuớc cỡ chừng khoảng vài phân tử hoặc nguyên tử), cho hiệu ứng cơ lượng tử xảy ra. Khi đầu dò được quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vượt qua khoảng không gian giữa bề mặt của vật liệu và đầu dò. Kỹ thuật này làm cho một máy tính có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân tử và nguyên tử của vật chất.

Những phương tiện dụng cụ khác bao gồm:

• Molecular beam epitaxy
• Molecular self-assembly
• Electron beam lithography
• Focused ion beam
• Electron microsopy
• X-ray crystallography
• NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy
• AFM (Atomic Force Microsopy)
• SEM (Scanning Electron Microscopy)
• TEM (Transmission Electron Microscopy)

Điều chế vật liệu

Những kỹ thuật lắp ráp các vi cấu trúc thành những kiểu mẫu cấu trúc được thấy nhiều nhất trong lãnh vực vi điện tử. Những kỹ thuật phổ biến bao gồm quang khắc (photolithography), quang khắc tia X (X-ray lithography), quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography), soft lithography, chùm ion hội tụ (focused ion beam), sol - gel.

Các phương pháp tính toán

Bên cạnh thực nghiệm, việc nghiên cứu các vi cấu trúc có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phép tính lượng tử (chẳng hạn như hoá lượng tử) và mô phỏng (simulation). Phương pháp ab initio là phương pháp phổ biến nhất hiện nay.

Những thí dụ bao gồm ab initio molecular dynamics, quantum Monte Carlo, quantum mechanics, v.v. Những phương pháp này đặc biệt hữu hiệu trong việc tìm hiểu tính chất của vật chất ở dạng vi mô bởi vì những vi cấu trúc chỉ chứa vài nguyên tử.

Ứng dụng

Y học

Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano. Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư. Các hạt nano này sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó có thể dùng các tia thích hợp bao gồm siêu âm, laser, hồng ngoại để kích hoạt hạt vàng gia nhiệt và nhiệt nóng sẽ tiêu diệt tế bào ung thư mà không hại tế bào lành khác.

Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot vô cùng đặc biệt. Với những chú robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết. Việc cung cấp thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng cũng như hiệu quả điều trị.

Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người chống lại căn bênh ung thư quái ác. Tuy nhiên, hạt nano vàng vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm, nên tính an toàn trong việc sử dụng hạt nano vàng vẫn chưa cao, một số nghiên cứu khoa học đã chỉ ra điều này:

Theo các nghiên cứu của Tedesco S (2010), trên con sò xanh, Browning LM (2010) trên phôi cá ngựa, De Jong WH (2008) trên chuột đã chỉ ra độc tố của vàng đối với môi trường biển, phát triển của phôi cá ngựa, và các độc ở gan, thận và hệ thần kinh trên chuột.

Đặc biệt, nghiên cứu của Browning chỉ ra có hơn 24% phôi cá ngựa bị chết khi hấp thụ ngẫu nhiên (random diffusion) hạt nano vàng, trong số 76% sống sót thì chỉ có 74% phôi phát triển bình thường.

Do vấn đề đạo đức mà chưa có nghiên cứu độc tố trên người nhưng có nhiều nghiên cứu trên tế bào người chỉ ra khả năng gây độc của hạt nano vàng đối với tế bào người (Powell AC). Do đó, để ứng dụng điều trị việc kiểm soát kích thước của hạt nano, liều lượng là cần thiết để đảm bảo không gây độc cho cơ thể.

Điện tử

Những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn. Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Trong khi kích thước của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại.

May mặc

Một ý tưởng vô cùng đặc biệt với loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc áp dụng các hạt nano bạc. Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn và tiêu diệt các tế bào của chúng. Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao và đặc biệt hơn là được sử dụng trong một loại quần lót khử mùi.

Không chỉ dừng lại ở công dụng khử mùi, công nghệ nano có thể biến chiếc áo bạn đang mặc thành một trạm phát điện di động. Sử dụng các nguồn năng lượng như gió, năng lượng mặt trời và với công nghệ nano bạn sẽ có thể sạc điện cho chiếc smartphone của mình mọi lúc mọi nơi. Ứng dụng này còn được sử dụng rộng rãi hơn với ý tưởng chế tạo những chiếc buồm bằng vật liệu nano, với khả năng chuyển hóa năng lượng tự nhiên thành điện năng. Tuy nhiên ứng dụng này vẫn đang trong quá trình thử nghiệm.

Nông nghiệp

Hiện nay tại Việt Nam đã có một số ứng dụng của công nghệ nano trong sản xuất các loại phân bón lá, thuốc trừ nấm bệnh cho cây trồng.

Hai nguyên tố được tiếp cận đầu tiên ở dạng nano là nano bạc (Ag) và nano đồng (Cu). Đây là hai nguyên tố có tính chất kháng khuẩn mạnh và càng mạnh hơn khi nó được chia tách thành các hạt có kích thước nanomet. Nhưng trong hai nguyên tố này, có một nguyên tố là thành phần dinh dưỡng của cây và của con người, đó là đồng, cái còn lại (bạc Ag) thì không. Vì thế, đồng ở dạng nano được sử dụng như phân bón lẫn thuốc trừ nấm bệnh, vi khuẩn trên cây trồng, trở thành một loại thuốc BVTV không những không độc hại cho con người và môi trường mà còn giúp cung cấp dinh dưỡng vi lượng đồng cho cây với một liều lượng cực nhỏ vừa đủ, giúp cây thoát khỏi tình trạng bị ngộ độc do tích lũy đồng dư thừa trong đất.

Xem thêm

• Vật lý lượng tử
• Khoa học nano
• Vật liệu nano
• Công nghệ nano DNA
• Công nghệ sinh học nano
• Công nghệ pico
• Công nghệ femto
• Công nghệ meso

Liên kết ngoài

• Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, London (2004).