ĐỀ TÀI " CÔNG NGHỆ NANÔ VÀ VẬT LIỆU NANÔ TỪ NGHIÊN CỨU ĐẾN THỊ TRƯỜNG " potx

Công nghệ nanô vật liệu nanô từ nghiên cứu đến thị trờng GS TS Phan Hồng Khôi1,2 Viện Khoa học Vật liệu,Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Trờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hµ Néi Hµ néi - 2006 Mơc lục Trang I Mở đầu II KHNN CNNN gì? III Nội dung KHNN & CNNN IV Sản phẩm CNNN thị trờng V Tình hình nghiên cứu phát triển CNNN giới 15 17 5.1 Khu vực châu Thái Bình Dơng 5.1.1.Chính sách phát triển CNNN nớc APEC 18 5.1.2 Các nỗ lực thơng mại hoá CNNN khu vực châu Thái Bình Dơng 21 5.1.3 Đầu t cho CNNN khu vực t nhân khu vực châu Thái Bình Dơng 22 5.1.4 Chính sách Chơng trình CNNN số nớc châu ¸ 23 5.2 ChÝnh s¸ch ph¸t triĨn CNNN cđa c¸c nớc Châu Âu 30 5.3 Chính sách phát triển CNNN cđa Mü 34 5.4 NhËn xÐt 37 VI C¸c h−íng u tiên CNNN nớc phát triển 38 VII Các đề xuất 40 VIII Tình hình nghiên cøu CNNN ë ViÖt nam 42 IX KÕt luËn 44 Tài liệu tham khảo 46 I Mở đầu Trong thời gian gần nhiều nhà hoạch định sách giới , kể Tổng thống số cờng quốc công nghiệp đà quan tâm thúc đẩy việc phát triển Khoa học Nanô Công nghệ Nanô (KHNN&CNNN) Nhiều phủ tập đoàn kinh tế lớn đà đầu t cho KHNN&CNNN Nhiều công trình khoa học, nhiều phát minh sáng chế KHNN&CNNN đà đợc công bố Nhiều sản phẩm CNNN, đặc biệt loại Vật liệu Nanô (VLNN) đà xuất đợc sử dụng ngày nhiều hầu hết lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế, bảo vệ môi trờng, an ninh quốc phòng đời sống Việt nam, nhà khoa học số viện nghiên cứu, trờng đại học đà bắt đầu tiếp cận với KHNN&CNNN hai bình diện: lý thuyết thực nghiệm Một vài công ty thơng mại nớc đà nhập số sản phẩm CNNN nớc ngoài, Vấn đề đặt cho cần tìm hiểu xem KHNN&CNNN khoa học, công nghệ đó, hôm ngày mai cho gì? Công nghệ thực không? điều quan trọng là, cần làm để tiếp cận với KHNN& CNNN? Trớc hết tìm hiểu khái niệm KHNN&CNNN tiến tới định nghĩa khoa học công nghệ II Khnn & CnNN gì? KHNN&CNNN lĩnh vực khoa học công nghệ (KH&CN) mới, đại liên ngành, hiểu dới góc độ chuyên môn khác Các nhà chuyên môn đà cố gắng đa nhiều cách diễn đạt ngắn súc tích, gần với định nghĩa: KHNN&CNNN, hiểu cách tổng quát khoa học công nghệ nhằm tạo vật liệu, linh kiện hệ thống có tính chất mới, trội nhờ vào kích thớc nanomét (10-9 m), đồng thời điều khiển đợc tính chất chức chúng kích thớc nanô Nhiều định nghĩa khác vỊ KHNN&CNNN cịng thĨ hiƯn néi dung ®ã Nh− vËy KHNN&CNNN KH&CN kích thớc nhỏ, bao gồm vật liệu, linh kiện, thiết bị hệ thống KHNN&CNNN bao gồm nhiều vấn đề vật lý, hoá học, toán học, y-sinh học ngành KH&CN khác Dới chất thực trạng KHNN&CNNN đợc trình bày cách tóm tắt Nhân tố trung tâm KHNN&CNNN kích thớc: Khi kích thớc giảm tới mức nanô mét hiệu ứng lợng tử xuất hiện, nhờ thay đổi đặc trng vật liệu nh mầu sắc, nhiệt độ nóng chảy, tính chất nhiệt, từ, điện, quang mà không cần thay đổi thành phần hoá học Điều dẫn tới xuất tính chất mới, sản phẩm trớc Khi kích thớc giảm, tỷ số bề mặt thể tích tăng mạnh, hiệu ứng bề mặt chiếm u điều kiện lý tởng cho vật liệu tổ hợp nanô (nanocomposite), tơng tác hoá học, xúc tác, vật liệu dự trữ lợng, thuốc chữa bệnh thể tính chất đặc thù tăng khả hoạt động Đồng thời hiệu suất làm việc vật liệu cao lên lợng vật liệu sử dụng nhỏ lợng chất thải Các linh kiện hệ thống - quang - điện tử nanô nhỏ, mật độ linh kiện cao, quÃng đờng hoạt động điện tử nhỏ, tốc độ nhanh lợng tiêu hao Vì KHNN&CNNN KH&CN thân thiện với môi trờng Cấu trúc kích thớc nanô đặc điểm cấu trúc sinh học, thể sống xây dựng cấu trúc phơng pháp tự lắp ghép Các thông tin, tín hiệu cho trình lắp ghép nằm bề mặt cấu tử nanô Các sản phẩm CNNN với mật độ cao, gần với cấu trúc sinh học, kết hợp Công nghệ Sinh học CNNN tạo nội dung cho khoa học công nghệ, Sinh học Nanô Tóm lại, VLNN với kích thớc từ dới nanô tới vài chục nanô mét có tính chất riêng, khác hẳn với tính chất nguyên tử riêng biệt đồng thời khác so với vật liệu khối Nh đa thêm "chiều" cho bảng tuần hoàn nguyên tố: số lợng nguyên tử N cấu trúc vật chất Rất nhiều tính chất nh học, điện, từ học, quang học, hoá học thay đổi đột biến số lợng nguyên tử N hạn chế phạm vi vài trăm, chí vài nghìn nguyên tử Nh vậy, nguyên tử A số điện tử hoá trị n, số N trở thành đại lợng qui định tính chất vật chất KHNN&CNNN hình thành trình tích luỹ các thành tựu khoa học công nghệ: Kỹ thuật đầu dò quét nanô mà điển hình hiển vi lực nguyên tử (AFM), hiển vi tunen (STM), hiển vi quang học trờng gần (NOM), kỹ thuật khắc điện tử, VLNN xuất vào cuối năm 80 Thế kỷ trớc tiền ®Ị quan träng ®Ĩ h«m nay, ng−êi ta cã thĨ mạnh dạn nói ngành KH&CN mới, đại với tính chất chức cha có thống kích thớc nanô mét Chính tính đại với tính chất tính đa ngành làm cho CNNN đợc coi bớc ngoặc phát triển KH&CN hàng đầu Thế kỷ 21 nµy III Néi dung cđa KhNN & CNNN 3.1 Lý thuyết mô phỏng: Đây hai công cụ nhằm dự đoán, tính chất thiết kế loại vật liệu linh kiện nanô 3.2 VLNN - tính chất công nghệ chế tạo: Đây tập hợp đa dạng loại vật liệu kích thớc nanô có tính chất hiệu ứng kích thớc quy định Đấy vật liệu vô hữu cơ, tinh thể vô định hình, đơn pha đa pha VLNN có tính chất khả ứng dụng đa dạng nh: ống nanô cacbon (CNT) vừa có tính chất học siêu bền, vừa có tính chất dẫn điện, dẫn quang; chấm lợng tư (QDs) lµ mét bé phËn cÊu thµnh cđa transito đơn điện tử; đầu dò nanô (nanotip); Các sợi lợng tử dùng để dẫn nguyên tử; thuốc viên nanô có khả hấp thụ vào thể cao nhiều so với thuốc viên Các vật liệu đợc chế tạo phơng pháp vật lý, hoá học sinh học, đợc phân chia thành hai nhóm công nghệ Trên-Xuống (Top-Down) Dới-Lên (Bottom-Up) 3.3 Linh kiện thiết bị micrô-nanô: VLNN cã thĨ dïng trùc tiÕp nh− chÊt xóc t¸c, chÊt hấp phụ phần cấu thành linh kiện điện tử, quang tử nh tranzito đơn điện tử (SET) chế tạo sở chấm lợng tử (QDs), lu trữ thông tin së hiƯu øng tõ trë khỉng lå (GMR) 3.4 C¸c phơng tiện để chế tạo quan sát cấu trúc nanô: Việc chế tạo linh kiện nanô đòi hái nhiỊu c«ng tinh vi nh−: + KÝnh hiĨn vi quang học trờng gần (NOM) có độ phân giải nanô loại trừ đợc hiệu ứng giao thoa có khả phân cực nguyên tử đà trở thành công cụ dùng để quan sát cấu trúc nanô, đồng thời dùng để dẫn nguyên tử trình cấy ghép nguyên tử nh dùng để thực kỹ thuật khắc với độ phân giải nanô + Kỹ thuật khắc nanô không dùng ánh sáng (Nano Lithography) công cụ thiếu để chế tạo linh kiện điện tử - quang tử nanô + Các công cụ quét đầu dò nanô (SPM) dựa hiệu ứng lực, từ, điện, nhiệt, quang, hoá công cụ cho phép quan sát nhận biết qui mô dới nanô không hình thái vật chất mà thành phần, nhiệt độ, trình vật lý hoá học - hoá sinh xảy tế bào chấm lợng tử IV sản phẩm CNNN thị trờng CNNN tìm đợc nhiều ứng dụng có hiệu công nghệ hoá học, công nghệ lợng, công nghệ sinh học công nghệ xử lý môi trờng Đây lĩnh vực công nghệ mới, đợc hầu hết nớc giới xếp vào lĩnh vực KH&CN u tiên hàng đầu KHNN&CNNN đà ®ang ®−ỵc øng dơng rÊt nhiỊu lÜnh vùc nh− Công nghiệp Điện tử - Quang điện tử (transito điện tử, lade chấm lợng tử, vi xử lý tốc độ siêu nhanh, hiển thị linh kiện cảm biến có cấu trúc nanô, ); Công nghiệp hoá học (xúc tác, chất mầu, mực in, ); Công nghệ lợng (vật liệu tích trữ lợng, pin hydro, pin Li, pin mặt trời Gratzel, ); Trong Y- Sinh học Nông nghiệp (thuốc chữa bệnh, mô nhân tạo, phơng tiện chẩn đoán, điều trị quan sát trình sinh hoá qui mô tế bào, ); Trong Hàng không - Vũ trụ - Quân (vật liệu siêu bền, siêu nhẹ, chịu nhiệt, chịu xạ, sensơ nhạy khí, sensơ sinh học, pin lợng, ); Công nghệ xử lý môi trờng (vật liệu khử độc, VLNN xốp dùng để lọc nớc, lọc bụi, giảm chất thải công nghiệp giảm tiêu hao lợng) Phân bố thị trờng sản phẩm CNNN năm 2001 so với năm 1996 nh sau (Bảng1): Bảng Thị trờng giíi vỊ vËt liƯu nano (triƯu USD) No Lo¹i vËt liệu Năm 1996 Năm 2001 Gốm 5.912 8.811 Sơn phủ 2.103 8.811 Chất màu, thuốc nhuộm 568 1.137 Năng lợng mặt trời 454 795 Mỹ phẩm chống rám nắng da 227 284 Polyme compozit - 1.023 9.266 20.864 Tỉng céng: NhiỊu s¶n phÈm CNNN dới dạng vật liệu, linh kiện có chức đà đợc ứng dụng mang lại hiệu kinh tế cao Chỉ riêng nhớ từ trở khổng lồ (GMR) đợc dùng thay đĩa cứng truyền thống đà mang lợi nhuận nhiều chục tỉ đôla Mỹ vài năm gần Chất xúc tác Zeolite ZSM-5 đợc dùng rộng rÃi công nghệ hoá dầu, vật liệu xốp nano MCM-41 dùng công nghệ xử lý môi trờng đà mang lại lợi ích kinh tế lớn không (xem giản đồ dới đây) Từ giản đồ nhận thấy VLNN chiếm tỉ phần ứng dụng cao (40%) Hình Tỷ lệ lĩnh vực ứng dụng CNNN Từ giản đồ nhận thấy t¹i VLNN chiÕm tØ lƯ øng dơng cao nhÊt (40%) Trung Quốc nớc quan tâm phát triển nghiên cứu ứng dụng KHNN&CNNN Phần sản phẩm chế tạo từ VLNN phân theo lĩnh vực ứng dụng Trung Quốc đợc trình bày hình Hình 2: Phần sản phẩm chế tạo từ VLNN theo lĩnh vực ứng dụng số lợng công ty sản xuất VLNN Trung Quốc (thống kê năm 2004)[4] Một số dự đoán hiệu kinh tÕ cđa mét sè lÜnh vùc CNNN mang l¹i vòng 10-15 năm tới: + Ngành Điện tử: CNNN đem lại lợi nhuận hàng năm khoảng 300 tỉ USD + Ngành dợc phẩm: khoảng nửa sản phẩm dợc đợc sản xuất sở CNNN đem lại lợi nhuận hàng năm khoảng 180 tỉ USD + Ngành Hoá học: Xúc tác có cấu trúc nanô đợc ứng dụng công nghiệp dầu khí hoá học đem lại lợi nhuận hàng năm khoảng 100 tỉ USD + Môi trờng: dự đoán áp dụng CNNN tất lĩnh vực giảm tiêu hao lợng 10%, tức tiết kiệm khoảng 100 tỉ USD hàng năm, đồng thời giảm tơng đơng 200 triệu khí cacbon đioxit phát xạ + Riêng lĩnh quốc phòng, KHNN & CNNN đà tìm thấy ứng dụng đa dạng: Từ quân trang chống đạn đến màng hình phẳng loại băng vết thơng Các VLNN đà thâm nhập vào nhiều lĩnh vực phục vụ quốc phòng HÃy thử hình dung tác động tâm lý lên tinh thần đối phơng kinh khủng tíi møc nµo nÕu nh− ng−êi lÝnh cã thĨ chèng đợc đạn chiến bào nhẹ nh lông cã thĨ nh¶y qua mét bøc t−êng cao tíi 6m nhờ lợng đà đợc tích trữ đế giầy - lời Thomas L Magnanti, giáo s thc ViƯn C«ng nghƯ Massachusettes (MIT – Hoa Kú) mô tả tính kỳ diệu VLNN [2] Thực tế, quân đội Mỹ vừa rót thêm 50 triƯu USD cho MIT – mét nh÷ng tr−êng đại học hàng đầu Mỹ, để thành lập sở nghiên cứu chuyên nghiên cứu CNNN dùng cho quân đội với nhiệm vụ vòng năm tới, phải tạo đợc trang bị cho có tính chất cách mạng cho lính Mỹ Những mục tiêu cụ thể: ngụy trang, chống đạn, phát kịp thời bảo vệ chống lại công vũ khí hoá học, sinh học Tất với trang bị nặng kg thay kg Các nhà nghiên cứu MIT đà đa ý tởng ứng dụng VLNN độc đáo Chẳng hạn, để chống lại công b»ng vị khÝ sinh häc (nh− vi trïng g©y bƯnh ®Ëu mïa hc bƯnh than…), hä ®· ®−a ý tởng phủ quần áo chiến đấu binh lính lớp mỏng bán thấm, có lỗ nhỏ kích thớc cỡ phân tử, cho phép không khí nớc qua, tác nhân hoá học hay sinh học gây độc bị giữ lại Ngoài ra, đợc gắn dụng cụ báo động sinh học với ngỡng thấp Nguyên lý hoạt động nh sau: hạt vàng kim loại có kích thớc nanô dung dịch đợc liên kết với chuỗi ADN đợc mà hoá đặc biệt để nhận dạng ADN tác nhân sinh học độc hại Khi tiếp xúc với lợng cực nhỏ tác nhân sinh học lạ, ADN thay đổi cấu trúc tính chất quang học hạt nanô vàng thay đổi theo, điều làm cho màu dụng cụ thay đổi Thậm chí có ý tởng việc sử dụng VLNN để làm ngụy trang: hạt nanô đợc đa vào vải phản ứng với ánh sáng tái tạo màu sắc môi trờng xung quanh, cho phép ngời lính hoà lẫn vào quang cảnh địa hình Để bảo vệ mắt trớc tia lade cực mạnh, ngời ta đa ý tởng: quay có kích thớc phân tử quay liên tục theo ba chiều chặn đợc tia lade cờng độ cao Khi đợc lắp kính bảo vệ, quay cứu ngời lính khỏi bị mù dới tác dụng súng lade Ngoài chuyện cung cấp thuốc men theo yêu cầu, thiết bị cực nhỏ lắp quân phục, tiếp xúc với máu, có khả làm cho ống nanô thay đổi hình dạng lẫn kích thớc Những ống co lại tạo áp lực lên vết thơng Còn ngời lính bị gÃy xơng lớp lót áo (hoặc quần) hoá rắn giống nh bó bột, tạm thời cố định xơng gÃy trớc ngời lính đợc chuyển đến khu vực điều trị Dới ứng dụng cụ thể VLNN đà đợc đa vào thực tiễn: + Các tủ kính, kính kỵ nớc, tự làm dùng ngành xây dựng, chế tạo ôtô, máy bay, phơng tiện giao thông khác, v.v đợc phủ hạt titan oxit nanô có khả chèng b¸m dÝnh n−íc, chèng mèc, diƯt khn nhê hiƯu ứng quang điện hoá; + Màn hình phẳng, mỏng, nhẹ, kích thớc lớn, có độ nét cao độ sáng cao, chế tạo từ ống nanô cacbon đợc nhiều h·ng nỉi tiÕng trªn thÕ giíi nh− Motorola (Mü), Mitshubishi (Nhật Bản), Samsung (Hàn Quốc) hoàn thiện để sản xuất hàng loạt đa bán thị trờng vài năm tới Theo thông báo HÃng Môtorola, vài năm tới hÃng bán hình phẳng ống nanô cacbon 44 inch, chiều dày có 3,3 mm với giá thành xuất xởng dự kiến dới 400 USD (Hình 3); Hình 3: Màn hình siêu phẳng 42 inch cã chiỊu dµy 3,3 mm h·ng Motorola (Mỹ) chế tạo từ ống nanô với giá sản xuất dự kiến dới 400 USD [3] + Đặc biệt lĩnh vực nano-composit sở nano-clay, ống nanô cacbon, bột nanô oxit (TiO2, SiO2, ZnO, SrO2), bột nanô kim loại, có nhiều tính đặc biệt, đà đợc nghiên cứu, sản xuất ngày rộng rÃi thÕ giíi VLNN composit sư dơng mét sè lÜnh vực chuyên dụng nh chi tiết máy tự bôi trơn (Hình 3), dụng cụ thể thao cao cấp Ví dụ, hÃng sản xuất Bỉ đà chế tạo khung xe đạp đua siêu cứng, siêu nhẹ từ vật liệu composit ống nanô cacbon Xe đạp có khung với trọng lợng dới kg đà đợc đa vào sử dụng đua xe đạp quốc tế vòng quanh nớc Pháp năm 2005 (Hình 4); Hình4: VLNN composit số ứng dụng máy bay (mỡ bôi trơn, chi tiết tự bôi trơn) [4] Hình5: Khung xe đạp chế tạo từ VLNN composit (ống nanô cacbon) siêu cứng, siêu nhẹ (trọng lợng khung