bài tiểu luận về công nghệ nano

bài tiểu luận về công nghệ nano

BÀI TI U LU N V CÔNG NGH ỂU LUẬN VỀ CÔNG NGHỆ ẬN VỀ CÔNG NGHỆ Ề CÔNG NGHỆ Ệ

NANO

I.Tổng quan về ngành công nghệ nano

Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm nào đó có liên quan đến hai chữ “nano” Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực

sự là một vấn đề mang nhiều sự hoài nghi về tính khả thi, nhưng trong thời đại ngày nay ta có thể thấy được công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và được sự quan tâm nhiều hơn của các nhà khoa học Các nước trên thế giới hiện nay đang bước vào một cuộc chạy đua mới về phát triển và ứng dụng công nghệ nano

A Một vài khái niệm về công nghệ nano

Chữ nano, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần(10-9) Ví dụ : nanogam = 1 phần tỷ của gam ; nanomet = 1 phần

tỷ mét Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet Công nghệ nano tìm cách lấy phân tử đơn nguyên tử nhỏ để lắp ráp ra những vật to kích cỡ bình thường để sử dụng, đây là cách làm từ nhỏ đến to khác với cách làm thông thường từ trên xuống dưới, từ to đến nhỏ

Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử

Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano đượcđiều chế bằng nhiều cách khác nhau Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích

thước và việc tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này.

Để hiểu rõ về công nghệ nano, ta phải tìm hiểu khái niệm về vật liệu nano

• Vật liệu Nano

Vật liệu Nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet

• Công nghệ nano

Công nghệ nano bao gồm việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết

bị hay hệ thống ở kích thước nanomet (1nm = 10-9m)

Vật liệu nanocomposite là loại vật liệu nano có ứng dụng rộng rãi cả trong kỹ thuật và dân dụng Nanocomposite bao gồm cả ba loại nền kim lọai, nền gốm

và nền polymer Ở đây, ta chỉ đề cập chủ yếu đến nanocomposite trên cơ sở chất nền là polymer

Vật liệu nanocomposite polymer : là loại vật liệu composite-polymer với hàm lượng chất gia cường thấp ( 1-7%) và chất gia cường này phải ở kích thước nanomet

Pha gia cường ở kích thước nanomet được sử dụng trong lĩnh vực

nanocomposite thường là hạt nano và ống carbon (carbon nanotube) Các phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay để chế tạo vật liệu

nanocomposite polymer là phương pháp insitu, nóng chảy, nhũ tương và phương pháp dung dịch

+Ứng dụng công ghệ nano: Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip

có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh … Trong y học, để chữa bệnh ungthư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “ xe tải kéo”, tránh được hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành Y tế nano ngày nay đang nhằm vào những mục tiêu bức xúc

nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân

từ gien, các bệnh hiện nay như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này Đối với việc sửa sang sắc đẹp đã có sự hình thành nano phẩu thuật thẩm

mỹ,nhiều lọai thuốc thẩm mỹ có chứa các loại hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo

vệ da Đây là một thị trường có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra đời như công nghệ nano

Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng Việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức công phá khiến ta không thể hình dung nổi

* Vật liệu nano composite polymer có các ứng dụng tiêu biểu như sau:

• Ống nano carbon

Composite sợi carbon trước đây rất nổi tiếng vì nhẹ, bền, ít bị tác dụng hóa họcnếu thay sợi carbon bằng ống nanocarbon chắc chắn sẽ làm vật liệu nhẹ hơn nhiều, được sử dụng trên các phương tiện cần giảm trọng lượng như máy bay…

Hiện nay, sợi carbon và các bó ống carbon đa lớp được dùng gia cường cho polymer để điều khiển và nâng cao tính dẫn, dùng làm bao bì chống tĩnh điện hay làm vật liệu cấy vào cơ thể vì carbon dễ tương hợp với xương, mô…, làm các màng lọc cũng như linh kiện quang phi tuyến

Một hướng mới hiện nay là dùng ống nano carbon để gia cường cho polymer nhưng không phải để tạo ra cấu trúc nanocomposite mà để thay đổi tính chất quang điện của polymer Ví dụ như PPV (m-phenylenevinylene-co-dioctoxy-p-phenylenevinylene) sau khi được gia cường với ống nano carbon, độ dẫn điện tăng lên 8 lần, bền cơ lý hơn PMMA/ống carbon nano được dùng làm kính hiển

vi quang học dưới điện trường một chiều áp vào là 0.3kV/mm

• Hạt nano:

Đất sét chứa các hạt nano là loại vật liệu xây dựng lâu đời Hiện nay, polymer gia cường bằng đất sét (nanoclay) được ứng dụng khá nhiều như dùng trong

bộ phận hãm xe hơi Ngoài ra có thể sử dụng hạt carbon đen có kích thước 10 đến 100 nm để gia cường cho vỏ xe hơi

Polymer/đất sét có thể làm vật liệu chống cháy, ví dụ như một số loại

nanocomposite của Nylon 6/silicate, PS/layered silicate…hay vật liệu dẫn điện như nanocomposite PEO/Li-MMT (MMT = Montmorillonite) dùng trong pin, vật liệu phân hủy sinh học như PCL/MMT hay PLA/MMT

Ngoài ra, khi các polymer như ABS, PS, PVA…được gia cường hạt đất sét khác nhau sẽ cải thiện đáng kể tính chất cơ lý của polymer và có những ứng dụng khác nhau như ABS/MMT làm khung xe hơi hay khung máy bay, PMMA/MMT làm kính chắn gió, PVA/MMT làm bao bì…

Các hạt nano được sử dụng trong sơn có thể cải thiện đáng kể tính chất như làm cho lớp sơn mỏng hơn, nhẹ hơn, sử dụng trong máy bay nhằm giảm trọng lượng máy bay

Ngoài đất sét ra thì trong vật liệu nanocomposite polymer còn sử dụng các hạt

ở kích thước nanomet như hạt CuS, CdS, CdSe…Ví dụ như PVA với hàm lượng hạt CuS (~20nm-12nm) là 15-20% thể tích cho độ dẫn điện cao nhất, trong khi nếu các hạt CuS ở kích thước 10µm, muốn đạt được độ dẫn điện tương ứng thìhàm lượng CuS phải là 40% Nanocomposite polymer nano CdS, CdSe, ZnO,ZnS còn được sử dụng như những vật liệu cảm quang trong phim, giấy ảnh, mực in,bột photocopy, mực in màu

Nhìn chung, vật liệu nanocomposite có tính chất tốt hơn so với composite thông thường nên có nhiều ứng dụng đặc biệt và hiệu quả hơn Đây sẽ là lọai vật liệu mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới và hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng cao

Do các ứng dụng kỳ diệu của công nghệ nano, tiềm năng kinh tế cũng như tạo

ra sức mạnh về quân sự Vì lẽ đó hiện nay trên thế giới đang xảy ra cuộc chạy đua sôi động về phát triển và ứng dụng công nghệ nano Có thể kể đến mốt số cường quốc đang chiếm lĩnh thị trường công nghệ này hiện nay là: Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Nga và một số nước Châu Âu…có thể nói ở những quốc gia trên chính phủ dành một khoản ngân sách đáng kể hổ trợ cho việc nghiên cứu và ứng dụng thực tiển của ngành công nghệ nano Không chỉ các

trường Đại học có các phòng thí nghiệm với các thiết bị nghiên cứu quy mô mà các tập đoàn sản xuất cũng tiến hành nghiên cứu và phát triển công nghệ nano với các phòng thí nghiệm với tổng chi phí nghiên cứu tương đương với ngân sách chính phủ dành cho công nghệ nano.

Ở Việt Nam, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần đâynhưng cũng có những bước chuyển tạo ra sức hút mới đối với lĩnh vực đầy cam

go, thử thách này Nhà nước cũng đã dành một khoản ngân sách khá lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với sự tham gia của nhiều trường Đại học và Viện nghiên cứu

Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc của công nghệ, nó tạo ra những ứng dụng vô cùng kỳ diệu tạo ra nhiều cơ hội hơn, nhưng bên cạnh đó cũng có những thách thức đặt ra về thảm họa môi trường và khả năng phát triển vũ khílọai mới với sức tàn phá không gì so sánh nổi Tuy nhiên, con người ngày nay

đã hướng nhiều hơn với cái thiện nên chúng ta có thể hy vọng là công nghệ nano sẽ mang lại hạnh phúc cho nhân loại nhiều hơn

B.Lịch sử phát triển của ngành công nghệ nano

Tiền tố nano xuất hiện lần đầu tiên trong tài liệu khoa học vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật có đường kính 200 nm Tiếp theo, năm

1959, Richard Feynman (1918-1988-giải Nobel vật lý năm 1965) đã có dự đoán thiên tài về CNNN thông qua bài phát biểu “there’s plenty of room at the

bottom” (có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới) tại California Institute of

Technology (Caltech, Mỹ) Vấn đề ông đặt ra là làm sao có thể chứa toàn bộ 24 quyển Bách Khoa Từ điển Britannica với tổng cộng 25000 trang giấy trên đầu cây kim có đường kính 1,5 mm Kỹ thuật ở đây mà ông muốn nói tới là phương pháp “từ trên xuống”, nó là tiền đề và là “linh hồn” để chúng ta có những chiếcmáy tính to bằng vài tòa nhà thành những chiếc máy tính có thể bỏ balo mang

đi dễ dàng như bây giờ

Theo dòng thời gian, Gordon Moore, 1 trong những nhà sáng lập của công ty Intel (Mỹ), trong một bài viết vào năm 1965 đã tiên đoán bằng trực giác của một nhà khoa học là cứ mỗi hai năm mật độ của các transistor được nhồi vào

mỗi chip cho máy vi tính sẽ tăng gấp đôi nhờ vào kỹ thuật thu nhỏ và đặc tính của nguyên tố silicon.

Vào năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nano technology) hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kĩ thuật chính xác trong tương lai Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con sô 10-9 m

Tổ chức Nanotechnology Initiative (NN) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”

Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao tác liên quan đến các hệ thống

có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt Nền tảng của công nghệ

này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất, chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ” Cấu trúc cơ bản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo ra như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao

*Hướng nghiên cứu chính:

Trên thế giới:

1.Hạt nano, robot nano để điều trị bệnh tật trong y học, các loại vật liệu kháng khuẩn

2.Sản xuất các loại pin có thẻ lưu trữ đươc nhiều năng lượng

3.Sử dụng CNNN để sản xuất quần áo kháng khuẩn, kháng mùi và biến quần

áo thành các trạm điện di động có thể sạc pin điện thoại nhờ vào các nguồn năng lượng gió, mặt trời…

4 Lấy tự nhiên làm hình mẫu để phấn đấu Sản xuất các thiệt bị có độ bám tốtnhư loài thạch sung, chống dính như lá sen…

5 Sản xuất các loại thực phẩm nhờ CNNN để tăng độ hấp dẫn cũng như giá trị dinh dưỡng cho các món ăn.

Tại Việt Nam:

Phòng Khoa học và Công nghệ Nano tập trung hỗ trợ và chủ trì triển khai các nghiên cứu về phát triển các cấu trúc vật liệu mới-thông minh, vật liệu có cấu trúc nano và linh kiện micro-nano trên cơ sở khai thác tối đa tính liên ngành

của các ngành khoa học và công nghệ trong trường ĐHBKHN như: Khoa học và

công nghệ vật liệu; Khoa học và công nghệ hóa học; Vật lý và khoa họcmáy tính; Điện, điện tử, công nghệ sinh học và môi trường.

1 Nghiên cứu tổng hợp và xử lý các vật liệu kích thước nano, các cấu trúc,

hệ thống vật liệu có cấu trúc nano

2 Tiến hành các hoạt động nghiên cứu mang tính dài hạn về khoa học và công nghệ nano, dẫn tới việc tăng cường hiểu biết về các tính chất cơ bản của vật liệu và công nghệ nano, đồng thời khám phá, phát hiện các hiện tượng mới, các quy trình

chế tạo và các dụng cụ phương tiện phục vụ cho công nghệ nano

3 Nghiên cứu chế tạo các thiết bị, linh kiện có kích thước nano nhằm khai thác các tính năng ưu việt của vật liệu nano

4 Ứng dụng và chuyển giao công nghệ các vật liệu và các hệ thống có cấu trúc nano vào các ứng dụng cụ thể trong các ngành năng lượng, môi

trường, y tế, điện tử - viễn thông

II.Ứng dụng công nghệ nano

Công nghệ nano là một trong những công nghệ tiên tiến bậc nhất hiện nay và

có rất nhiều ứng dụng trong y học, điện tử, may mặc, thực phẩm v.v Trong tương lai, nó có thể cứu sống bạn khỏi căn bệnh ung thư, tạo ra những bộ quần áo chống bụi bẩn, thậm chí thay đổi cả các loại đồ ăn Ứng dụng của công nghệ nano dường như là vô hạn.

Trong những năm gần đây, chúng ta thường được nghe đến công

nghệ nano trong một số dự án nghiên cứu về vật liệu, y học v.v Đối với một sốngười thì đây là một khái niệm khá trừu tượng, chúng ta cũng không thể nhìn thấy hay cảm thấy nó tồn tại Tuy nhiên công nghệ nano đang góp phần lớn

giúp thay đổi bộ mặt của khoa học công nghệ hiện nay, ứng dụng của nó là rất rộng rãi từ vật liệu, xây dựng, sản phẩm tiêu dùng đến y tế, điện tử và rất nhiều ứng dụng khác nữa

Công nghệ Nano là loại công nghệ sử dụng kỹ thuật phân tử để xử lý những yếu tố mang tính chất siêu vi mô Nói cách khác, công nghệ nano được coi là công nghệ siêu nhỏ Thậm chí, chúng được sử dụng chỉ với tỷ lệ bằng 1/80.000

so với bề dày của một sợi tóc Công nghệ nano được coi như một bước ngoặt của khoa học kỹ thuật thế giới

Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu về một số điều thú vị về công nghệ nano, giúp chúng ta hiểu hơn về một trong những công nghệ khoa học tiên tiếnnhất hiện nay

1 Công nghệ nano có thể cứu sống bạn (trong y học,môi trường )

+Sự ra đời của các rôbốt siêu nhỏ trong y học

Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại cho y học một bước tiến vượt bậc Đó là

sự ra đời của những rôbốt siêu nhỏ có thể đi sâu vào trong cơ thể, đến từng tế

bào để hàn gắn, chữa bệnh cho các mô xương bị gãy và thậm chí là tiêu diệtnhững virut gây bệnh đang ở trong cơ thể Các nhà khoa học đã thành côngtrong việc chế tạo rôbốt siêu nhỏ nhờ công nghệ phân tử nano Các rôbốt này

có tên gọi nanobot có kích thước nhỏ như một phân tử có thể thâm nhập dễdàng vào các mô cơ, tiếp cận từng tế bào bị bệnh trong cơ thể người bệnh.Nhờ đó, nanobot có thể giúp hàn gắn những thương tổn siêu nhỏ bên trong cơthể bệnh nhân

Công nghệ nano và triển vọng mang lại nguồn năng lượng sạch

Các nhà khoa học Mỹ đã đưa ra ý tưởng về việc ứngdụng công nghệ nano làm thay đổi vật liệu bằng cáchtác động vào nồng độ nguyên tử của chúng Cách làmnày giúp các nhà khoa học tạo ra các pin mặt trời vớihiệu quả khai thác năng lượng lớn gấp 5 lần so vớiloại pin mặt trời truyền thống làm từ silicon hiện nay.Trong khi pin mặt trời truyền thống chỉ thu đượckhoảng 6% năng lượng mặt trời, thì công nghệ mớicho phép pinmặt trời có thể thu được 30% nănglượng mặt trời

+Ứng dụng trong các xét nghiệm chẩn đoán bệnh

Tại rất nhiều quốc gia đang phát triển, việc thiếu cáctrang thiết bị xét nghiệm và điều trị bệnh gây ra rấtnhiều khó khăn cho các bệnh viện Tập đoànMicronics của Mỹ đã ứng dụng công nghệ nano pháttriển một bộ test có tên gọi DxBox, có tác dụng nhưmột thiết bị kiểm tra, chỉ có kích cỡ lớn hơn kích cỡ của một tấm card Trên bềmặt của DxBox có chứa thuốc thử ở dạng khô và một hệ thống các ống dẫnnhỏ tạo từ các phân tử nano Các bác sĩ có thể tiến hành một thử nghiệm máuđơn giản bằng thiết bị này mà không cần tới hệ thống giữ lạnh để bảo quảnthuốc thử mà có thể phát hiện dịch bệnh sốt rét và dịch tả một cách nhanhchóng, dễ dàng; từ đó các bác sĩ có thể đưa ra pháp đồ điều trị bệnh đạt hiệuquả cao và hạn chế được nguy cơ tử vong cao cho bệnh nhân

+ Ứng dụng trong làm sạch môi trường

Một trong những ứng dụng của công nghệ nano đó là dùng để chế tạo các thiết

bị, chẳng hạn như các lưới lọc nước nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân

tử nước đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ônhiễm

Để lọc nước bị nhiễm bẩn, quá trình ứng dụng công nghệ nano sẽ cần tới cáchạt phân tử nano từ – nanomagnets Ngoài lọc sạch nước, các hạt phân tửnano từ còn có tác dụng giữ lại các phân tử thạch tín – arsenic trong nước, loại

bỏ một lượng lớn chất clo, thuỷ ngân và thậm chí là các phân tử phóng xạradon trong nước (khả năng làm sạch thành phần arsenic của phân tử nano từ

có thể lên tới 99%), do đó nước được lọc bằng công nghệ nano còn có thểuống được ngay sau khi lọc Công nghệ nano ứng dụng trong lọc nước hứa hẹn

sẽ mang lại nước sạch cho khoảng 65 triệu người trên khắp thế giới

Cùng với công nghệ nano, nước và cả không khí còn có thể giảm được nồng độ

ô nhiễm một cách đáng kể do tác động của khoáng chất Zeolites, đặc biệt lànhững ô nhiễm do nhiễm dầu và các nhiên liệu hoá thạch khác

+Ứng dụng trong điều trị ung thư

Các loại hoá chất đang được sử dụng trong hoá trị cho bệnh nhân ung thư hiệnnay không chỉ tiêu diệt tế bào ung thư, mà còn gây ảnh hưởng tới cả các tế bàotrưởng thành khoẻ mạnh, gây ra đau đớn và tác dụng phụ cho bệnh nhân Với công nghệ phân tử nano, các bác sĩ tin rằng: Họ có thể kiểm soát quá trình điềutrị ung thư, đưa hoá chất vào các khối ung thư một cách chính xác và hạn chế tới mức tối thiểu các tác động của hoá chất lên các tế bào khoẻ mạnh xung quanh Năm 2006, các nhà khoa học thuộc Trường Đại học tổng hợp Harvard –

Mỹ lần đầu tiên thử ứng dụng công nghệ nano để tiêu diệt các tế bào ung thư tiền liệt tuyến mà không gây bất kỳ tổn thương nào lên những mô tế bào khoẻ mạnh lân cận khối u Trong một nghiên cứu tương tự năm 2010 được tiến hành bởi các nhà khoa học Trường Đại học tổng hợp Johns Hopkins, những bệnh nhân mắc bệnh ung thư vú đã được thử nghiệm phương pháp điều trị ung thư ứng dụng công nghệ nano kết hợp với sóng siêu âm nhằm hướng các phân tử hoá chất khi đi vào khối u ung thư Cách làm này giúp khoanh vùng ung thư một cách hiệu quả và tiêu diệt chính xác khối u

Bên cạnh đó, các nanobot cũng được đánh giá cao trong việc điều trị ung thư.Các nanobot có thể mang thuốc đến từng tế bào ung thư trong cơ thể, giúptiêu diệt chính xác các khối u này

Từ đó ta thấy lĩnh vực 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 điềutrị 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 chúng được tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u.

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 bênhung thư quái ác Ngay cả những căn bênh ung thư khó chữa nhất như ung thư não, các bác sĩ sẽ có thể dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào

2 Công nghệ nano trong các đồ điện tử quanh chúng ta

Nhắc đến công nghệ nano, có thể bạn sẽ nghĩ đến những dự án khoa học đang được tiến hành bởi các giáo sư hàng đầu trong phòng thí nghiệm, những công nghệ cao cấp và tiên tiến nhất Tuy nhiên thực tế có thể bạn đang sử dụng một

số sản phẩm của công nghệ nano ngay lúc này 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 nanon kháng khuẩn

Hiện nay, thị trường ngành công nghiệp công nghệ thông tin toàn cầu trị giákhoảng 1000 tỷ USD và được hy vọng sẽ đạt 3000 tỷ USD vào năm 2020.

ở khu vực này Điều

này được phản ánh rõ nét nhất ở số lượng các transitor, hay nói cách khác cáckhối kiến tạo nên vi mạch máy tính, trong suốt 30 năm qua Năm 1971 mới chỉ

có 2.300 transitor tập trung trên vi mạch 4004 của Hãng Intel, con chíp máytính đầu tiên của Hãng này, chạy với tốc độ tính theo đồng hồ ( phép đo xemcon chíp có thể hoạt động nhanh đến mức nào ) là 0,8 triệu lệnh trên giây Tớinăm 2003, bộ xử lý Xeon của Intel có tới 108 triệu transitor hoạt động với tốc

độ trên 3.000 triệu lệnh trên giây Đáng lưu ý, kích thước vật lý của con chípmáy tính vẫn không thay đổi trong thời gian này, có thể thấy chính nhữngtransitor và tất cả hệ thống mạch gắn với nó đã được giảm kích thước rấtnhiều Số lượng các transitor tăng lên trên một con chíp đi đôi với tốc độ xử lýtăng lên đã làm tăng tính kinh tế của ngành công nghiệp công nghệ thông tinlên rất nhiều; năm 1971 để chế tạo một transitor tốn khoảng 10 xent ( đơn vịtiền của Anh ), hiện nay nó tiêu tốn chưa tới 1 phần nghìn xent Tuy nhiên,công nghệ thu nhỏ transitor trên chip đã đạt tới giới hạn ở mức 0,1 mm (10-7m) và trở nên quá đắt, nếu cứ sử dụng các quy trình ( oxy hoá, quang khắc,khuyếch tán… ) như hiện nay để chế tạo các bộ vi xử lý, các loại RAM, ROM ( bộnhớ ) Do đó, công nghệ Nano vừa là lối thoát, vừa là bước nhảy vọt để chế tạocác linh kiện nòng cốt của điện toán và chuyển mạch của viễn thông

Khoa học công nghệ Nano cũng có chung những mục tiêu với ICT thể hiện ở cácứng dụng của công nghệ Nano : cải thiện hiểu biết về các tính chất ở cỡ nanocủa vật liệu và các linh kiện, những tiến bộ trong chế tạo và công nghệ xử lý để

tăng tỷ trọng đóng gói ( tỷ trọng đóng gói có nhiều lợi điểm cho ICT: tốc độ xử

lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng ) và khai thác các công nghệ thaythế, những công nghệ có thể mang lại những lợi ích kinh tế hoặc sản xuất Rõràng khu vực ICT cũng có tác động mạnh tới Khoa học công nghệ Nano Thựcvậy, công dụng đầu tiên của thế giới nano là ở mối quan hệ giữa các lớp siêumỏng với ngành công nghiệp bán dẫn Vì vậy, nghiên cứu tất cả các khía cạnhcủa việc chế tạo linh kiện bán dẫn, từ vật lý cơ bản tới công nghệ sản xuất, đãchi phối Khoa học công nghệ Nano rất nhiều và xu hướng này sẽ còn tiếp diễn

Vi tiểu hình hóa các linh kiện sẽ càng thúc đẩy hơn nữa hoạt động nghiên cứunano trên toàn cầu Vì những lý do kinh tế và lịch sử, trước mắt, khu vực ICT sẽvẫn sản xuất từ các vật liệu silíc Tuy nhiên, hiện nay, thời hạn kết thúc mà Lộtrình ITRS ( International Technology Roadmap for Semiconductors-Lộ trìnhCông nghệ sản xuất chất bán dẫn Quốc tế ) đưa ra mới chỉ là vào năm 2018, vìvậy điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu chuyên sâu vào các công nghệ thaythế hoặc lai ghép trong ngành công nghiệp điện tử, chẳng hạn như tạo ra cácpolime dẫn điện Ngoài ra, Khoa Học công nghệ Nano còn mở ra cho ICT mộttriển vọng mới: chế tạo những linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năngcao hơn hẳn các transitor Ví dụ, một trong các phương án mà công nghệ Nanođưa ra, đó là sử dụng chấm lượng tử ( bán dẫn, kim loại, polime ) có bán kínhmột, vài nanomét Một chấm như vậy có hành vi như một nguyên tử, tức làtrong nó có một mức năng lượng, mà ở đó có thể điền vào một điện tử Khichọn hai mức xác định, nếu điện tử ở mức trên, ta có trạng thái 1 Nếu điện tử

ở mức dưới, ta có trạng thái 0 Như thế chấm lượng tử trở thành linh kiện có 2trạng thái ( 0 và 1 ), tức là có thể dùng để ghi 1 bit như transitor Các chấmlượng tử đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ nhiều năm nay và đã đượcchế tạo các chip với các chấm lượng tử gọi là chip nano ( nanochip ) có độ tíchhợp rất cao Nếu mỗi chấm có kích thước 10nm ( 10 – 8 m ) thì trên một chipvới diện tích 1 cm2 sẽ có 1012 chấm tức là có thể dùng để xử lý, ghi 1000Gigabit Nếu các chấm lượng tử được chế tạo ở mức tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1nanomét ở cả ba chiều, thì 1 linh kiện 1 cm3 ( bằng một viên đường ) sẽ lưu trữđược 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thếgiới này có thể ghi trong “viên đường” đó

Quang điện tử cũng là một yếu tố chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệthông tin Đây là lĩnh vực liên quan tới các linh kiện dựa trên cơ chế chuyểnhóa ánh sáng thành những tín hiệu điện để truyền dữ liệu, ở các màn hình, ởcác thiết bị cảm biến quang học và trong tương lai là ở cả tin học quang học.Mặc dù một số linh kiện quang điện tử không phụ thuộc quá nhiều vào xuhướng vi tiểu hình hóa như các chíp máy tính, tuy vậy lĩnh vực này cũng đangdiễn ra xu hướng vi tiểu hình hóa, thể hiện ở một số bộ phận, ví dụ như những

tia laze năng lượng lượng tử và các màn hình tinh thể lỏng, là những bộ phậnđòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ nm.

+ Hiện tại

- Các chíp máy tính

Xu hướng vi tiểu hình hóa các chíp máy tính được thể hiện ở tiêu chuẩn quytrình chế tạo độ dài chíp được xác định trong Lộ trình ITRS Hiện nay, tiêuchuẩn công nghệ 130 nm, dùng để sản xuất bộ xử lý Intel Xeon, xác định kíchthước của DRAM ( chip bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ) bằng một nửa pitch( khoảng cách giữa hai dây kim loại kề nhau trong một ô bộ nhớ ) Điều này đòihỏi công nghệ in litô, công nghệ sản xuất và Đo lường học cỡ nano phải cónhững thay đổi để chế tạo một linh kiện hoạt động phù hợp với dung sai đó.Thử so sánh, nếu chip 4004 Intel năm 1971 sử dụng công nghệ có độ phân giải10.000 nm, thì các con chíp của năm 2007 và 2013 sẽ đòi hỏi công nghệ có độphân giải 65 nm và 32 nm tương ứng Vì vậy, có thể nói các công nghệ sử dụnghiện nay đang được phát triển hết sức mạnh mẽ Hơn nữa, không chỉ đơn giản

là một DRAM có chiều dài nửa pitch ở cỡ nm, tất cả các công nghệ sử dụngtrong nghiên cứu, đo lường và sản xuất các con chip trong nhiều trường hợphoạt động ở mức nguyên tử nhỏ hơn cả cỡ nm Các công cụ ứng dụng côngnghệ Nano hỗ trợ cho ngành công nghiệp công nghệ thông tin (IT) rất đa dạng,bao gồm lập mô hình các linh kiện và vật liệu tiên tiến tới từng phân tử trênmáy tính, các kính hiển vi có thể cho thấy hình ảnh của từng nguyên tử, các hệthống đo lường có thể xác định rõ ràng vị trí của một độ hụt phân tử đơn trênmột miếng wafer có đường kính 30 cm, các quy trình phát triển các màngmỏng có thể sản xuất ra các lớp vật liệu với độ chính xác ở cỡ nguyên tử và cácphương pháp in litô có thể “khắc” lên những đặc điểm ví dụ như ô DRAM, với

độ chính xác dưới 10 nm

- Lưu trữ thông tin

Công nghệ về bộ nhớ lưu giữ số liệu là một bộ phận rất quan trọng của IT Bộnhớ lưu giữ số liệu có thể chia thành hai dạng: bộ nhớ dạng cứng ví dụ nhưDRAM được một chíp xử lý sử dụng hoặc bộ nhớ flash dùng để lưu giữ hìnhảnh ở camera kỹ thuật số; và bộ nhớ đĩa ví dụ như những ổ cứng từ tính được

sử dụng phổ biến ở tất cả các máy tính Về cơ bản, bộ nhớ dạng cứng sử dụngquy trình sản xuất và công nghệ giống như của chíp máy tính, với cùng nhữngquy tắc thiết kế và tầm quan trọng của việc nén thêm nhiều dung lượng nhớvào một diện tích giới hạn để làm tăng tổng thể dung lượng nhớ trên linh kiện.Tuy vậy, sự phát triển của ổ đĩa cứng đã rẽ theo một hướng hoàn toàn kháctrong cuộc cách mạng thông tin này vì nó dựa vào việc đọc và viết thông tin

bằng từ tính trên một chiếc đĩa đang quay Vì vậy, những tiến bộ về mặt cơ vàđiện cơ là rất quan trọng Tuy nhiên, ở đây một lần nữa, kích cỡ độ dài lại giữmột vai trò rất quan trọng vì một ổ đĩa lý tưởng là một ổ đĩa có kích cỡ cực nhỏnhưng lại có khả năng lưu trữ cực lớn Điều này đã được phản ánh ở sự pháttriển đột phá của ổ đĩa trong suốt 50 năm qua ổ cứng từ tính đầu tiên đượcIBM phát triển vào năm 1956, cần tới 50 đĩa có chiều dài 24 inch ( xấp xỉ 60

cm ) để lưu trữ 5 megabyte ( triệu byte ) dữ liệu Năm 1999, IBM giới thiệu ổ

73 gigabyte ( hàng ngàn triệu byte ) có thể lắp vừa vặn bên trong một chiếcmáy tính cá nhân Đây là ổ đĩa có khả năng lưu trữ dữ liệu gấp 14.000 lần ổ đĩanăm 1956 nhưng có kích cỡ nhỏ chưa tới 1 phần nghìn kích cỡ của chiếc ổ đĩa

đó Mặc dù công nghệ hiện thời để viết từng bit thông tin từ tính lên ổ đĩa đãnhỏ hơn 100 nm, nhưng những động lực nhỏ hóa các khía cạnh khác của ổ đĩađòi hỏi chế tạo các bộ phận với độ chính xác ngày càng cao vì vậy tầm quantrọng của vi tiểu hình hóa đối với các ổ đĩa CD và DVD sẽ ngày càng tăng

+ Các ứng dụng trong tương lai

Sự phát triển của phần cứng trong ngành công nghiệp IT tương lai có thể đượcchia theo hai nhánh: Một nhánh phát triển theo Lộ trình ITRS ( hoạch định tớinăm 2018 ) và một nhánh khai thác những công nghệ và vật liệu thay thếkhông có trong Lộ trình

Theo Lộ trình, vi tiểu hình hóa vẫn được coi là động lực chủ chốt, vì vậy tiêuchuẩn công nghệ với độ phân giải 22 nm được dự tính cho sản xuất tới năm

2018 Do vậy, có thể dự đoán được tất cả những thách thức để đạt được côngnghệ này Những thử thách như vậy được chi tiết hóa trong Lộ trình, bao gồmnâng cao hiệu suất bằng cách tạo ra vật liệu mới ví dụ như những chất điệnmôi thấp và những liên kết dây dẫn điện cao, phát triển các công nghệ in litô cókhả năng chế tạo ra các cấu trúc ở cỡ nhỏ hơn 50 nm, tích hợp các công cụ đolường tiên tiến thành một quy trình chế tạo có khả năng phát hiện và xác địnhkích thước khiếm khuyết nhỏ tới kích cỡ nm Như vậy, khoa học nano và côngnghệ Nano sẽ tiếp tục giữ vai trò chủ chốt trong việc phát triển những thế hệchip mới Theo đó, công nghệ có liên quan, ví dụ như bộ nhớ flash sẽ phát triểntheo hướng tương tự, với mục tiêu tối đa hóa dung lượng nhớ trên một linhkiện nhỏ nhất có thể tạo ra Tuy không phải là một bộ phận trong Lộ trình ITRS,nhưng các công nghệ ổ cứng sẽ tiếp tục làm tăng mật độ lưu trữ dữ liệu Cáccông nghệ này cũng có những triển vọng tạo ra một số tiến bộ để đưa ngànhcông nghiệp lưu trữ dữ liệu phát triển vượt bậc Điều này được thể hiện ở xuhướng dùng bộ nhớ dạng cứng thay thế bộ nhớ dựa trên đĩa Xu hướng nàythể hiện rõ ràng ở dung lượng lưu trữ thông tin của bộ nhớ dạng cứng trongcác máy nghe nhạc cá nhân đang ngày càng tăng lên Rất có thể đĩa cứng, dạng