Vật lý nano và ứng dụng

VẬT LÝ NANOVật lý nano: ngành khoa học nghiên cứu về chức năng – tương tác giữa các đối tượng ở cấp nano để hiểu các quá trình vật lý, hóa học và các thuộc tính sinh học cơ bản → tạo ti

Lịch sử hình thành phát triển khoa học và công nghệ Nano

Giới thiệu về nano

Lịch sử

 Richard Feynman (1918-1988, giải Nobel Vật lý

1965) là một thiên tài vật lý

 Năm 1959 đề xuất ý kiến hãy chế tạo các thiết

bị có kích thước thu nhỏ

Về việc đề xuất thiết bị kích thước thu nhỏ

Năm 1974, thuật ngữ công nghệ nano lần đầu tiên được Norio

Taniguchi sử dụng

LỊCH SỬ

Thuật ngữ Nano

Năm 1981, kính hiển vi chui hầm quét (Scanning Tunnelling Microscopy – STM) được phát minh cho phép thấy được từng nguyên tử (Nobel Vật lý 1986)

LỊCH SỬ

Thiết bị khảo sát nguyên tử

LỊCH SỬ

Giải thưởng Nobel về hóa học 1996

• Năm 1985,

Harold Kroto, Robert

Curl và Richard Smalley

tại đại học Rice khám

• 1990 hội nghị quốc tế đầu tiền về vật liệu nano được

tổ chức tại Califonia, Mỹ

• 1991, Sumio Iijima phát minh ra ống nano cacbon

LỊCH SỬ

Vật liệu Nano

Công nghệ nano

Y tế

Điện tử

May mặc

Thực

phẩm

Tổng quan ứng dụng

Lý thuyết

• Khoa học và công nghệ Nano

VẬT LÝ NANO

Vật lý nano: ngành khoa học nghiên cứu về chức năng – tương tác giữa các

đối tượng ở cấp nano để hiểu các quá trình vật lý, hóa học và các thuộc tính sinh học cơ bản → tạo tiền đề ứng dụng phát triển công cụ, thiết kế các loại vật liệu chức năng với các ứng dụng trong công nghệ, sinh học và y học

• Khoa học nano: khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực

kỳ nhỏ - kích thước nanomet

• Công nghệ nano: công nghệ liên quan đến việc phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet

Ví dụ: Một tờ báo có độ dày khoảng 100.000 nanomet Mỗi một inch tương ứng bằng

25.400.000nm Quy mô hơn, cứ tưởng tượng một viên cẩm thạch có kích thước ở mức độ nano mét thì hơn 1 mét sẽ là kích thước của trái đất.

Vật liệu nano

• Là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet.

• vật liệu nano cũng có thể được sử dụng cho những ứng dụng cần

số lượng lớn; hầu hết đều đã xuất hiện trên các ứng dụng thương mại

• Các vật liệu nano như nanopillars trong pin năng lượng mặt trời với chi phí rẻ hơn cũng như chất lượng sẽ tốt hơn so với sử dụng các tế bào silicon truyền thống.

• Phát triển các ứng dụng kết hợp các hạt nano bán dẫn lại ứng dụng trong công nghệ hiển thị, chiếu sáng, các tế bào năng lượng mặt trời và hình ảnh sinh học.

• Một số ứng dụng gần đây của vật liệu nano đã được áp dụng vào

y sinh học, chẳng hạn như kỹ thuật mô, phân phối thuốc, và cảm biến sinh học

So sánh kích thước của vật liệu nano

Mối liên hệ giữa khoa học nano và công nghệ nano

Có 2 phương thức cơ bản để chế tạo vật liệu

nano:

– Top-down ( phương pháp từ trên xuống): chia nhỏ một hệ thống lớn để tạo ra được đơn vị kích thước nano như phương pháp nghiền – biến dạng.

– Bottom – up ( phương pháp từ dưới lên): Phương pháp ghép cát hạt nguyên tử - phân tử để thu được các hạt có kích thước nano gồm các phương pháp hóa học như sol – gel, lắng đọng hơi hóa học,

phương pháp tự lắp ghép ( self – assembly)

Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano

Phương Pháp từ dưới lên

• DNA công nghệ nano sử dụng các đặc trưng của Watson-Crick cơ sở ghép đôi để xây

dựng cấu trúc rõ ràng ra khỏi DNA và axit nucleic khác.

• Phương pháp tổng hợp hóa học (tổng hợp vô

cơ và hữu cơ) nhằm mục đích thiết kế phân

tử với hình dạng được xác định rõ.

Mô hình Cấu trúc nano DNA tứ diện Mỗi cạnh của tứ diện là 20 cặp DNA

xoắn và mỗi đỉnh là một nhánh nối chia 3

Phương pháp từ trên xuống

• Kỹ thuật trạng thái rắn cũng có thể được sử dụng để tạo ra các

thiết bị được gọi là hệ thống cơ điện nano hay NEMS, có liên quan đến hệ thống vi cơ điện tử hoặc MEMS.

• Chùm ion hội tụ có thể trực tiếp loại bỏ vật chất, hoặc thậm chí gửi các vật chất khi các loại khí tiền chất thích hợp được

áp dụng đồng thời Ví dụ, kỹ thuật này được sử dụng thường xuyên để tạo ra các phần phụ 100 nm của chất liệu để phân

tích trong kính hiển vi điện tử truyền qua

• Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào

kích thước 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 Nguyên nhân

là do hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn của vật liệu nano:

– Hiệu ứng bề mặt: ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên

bề mặt thường rất lớn so với tổng thể tích hạt Các nguyên tử

trên bề mặt đóng vai trò như các tầm hoạt động chính vì vậy vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao

– Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý – hóa học như tính

chất điện – từ - quang đều có một kích thước tới hạn đối với

mỗi vật liệu tức là khi vật có kích thước dưới mức này sẽ

không còn tuân theo đúng với vật liệu vĩ mô thường gặp.

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 duới kích thước này các tính chất của vật chất sẽ thay đổi

• VÍ 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 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

Hình ảnh mô tả sự

phát sáng của

chấm lượng tử

Các thiết bị dùng trong nghiên cứu và quan sát

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.

• Ngoài ra còn một số thiết bị khác như: SEM (Scanning Electron

Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy), Electron

microsopy, NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy

Sơ đồ kính hiển vi quét đầu dò SPM hay STM

Ứng dụng công nghệ Nano

Nano trong ngành dệt và may mặc

Thêm phân tử nano bạc vào vải tạo ra các điểm kháng khuẩn.

Không cho tất bốc mùi, vùng dưới cánh tay

Dùng làm gối và các loại vải diệt khuẩn Phân tử nano bạc giữ cho chúng luôn sạch sẽ

Nano trong nông nghiệp

Ứng dụng công nghệ nano

sản xuất 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)

Các cảm biến công nghệ Nano

được ứng dụng trong chăn

nuôi và trồng trọt

Ứng dụng can thiệp DNA các

giống cây trồng tăng năng

suất, kháng sâu bệnh

Túi Nilon phủ Nano diệt khuẩn

Thùng phủ lớp Nano, đựng thực phẩm.

Tủ lạnh phủ Nano Ag trữ thực phẩm.

Sử dụng các cảm biến Nano theo dõi nhiệt độ, hơi nước của thực phẩm

Các bột kích nước Nano làm tăng khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng của tế bào

Các hạt Vitamin kích thước Nano phun vào được hấp thụ tốt hơn

Trồng trọt chăn nuôi Xử lý bảo quản thực phẩm Cung cấp dinh dưỡng

http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=37064.php

Các hạt nano vàng được đưa đến khối

u, sau đó chúng được tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u

Nanorobott

Robot Nano kích thước siêu nhỏ, đi vào trong cơ thể đưa thuốc đến bộ phận cần thiết

Hơn thế nữa một số Robot Nano có thể can thiệp sửa chữa nhân tế bào( là các nhiễm sắc thể và DNA)

R A F Jr., "Journal of Evolution and Technology," The Ideal Gene Delivery Vector: Chromallocytes, Cell Repair Nanorobots for

Chromosome Replacement Therapy, vol 16, no 1, p 3, June 2007

Hạn chế phẫu thuật

Nano trong xây dựng

Sử dụng bột nano và sợi nano làm phụ gia trong sản xuất bê tông giúp tính năng của bê tông tăng lên, tăng chất lượng công trình.

http://vietq.vn/be-tong-nano-voi-cac-tinh-nang-sieu-viet-tang-chat-luong-cho-cong-trinh-mai-d87599.html

Thép nano - vật liệu chế tạo xe tương lai của GM

Loại vật liệu với đặc tính có một không hai, cứng hơn nhưng lại dễ định hình hơn thép truyền thống.

http://vnexpress.net/tin-tuc/oto-xe-may/tu-van/thep-nano-vat-lieu-che-tao-xe-tuong-lai-cua-gm-2239255.html

Ngoài ra còn có các loại vật liệu khác như: Gỗ Nano, Kính Nano, Các lớp bao phủ Nano nhìn chung thì vật liệu Nano bền hơn và nhẹ hơn so với vật liệu truyền thống

Nano trong lĩnh vực máy tính & điện tử

Công nghệ Nano ngày càng xuất hiện nhiều trong các thiêt bị điện tử như điện thoại di động, máy tính và một số thiệt bị công nghệ cao

Công nghệ Nano giúp tăng tốc độ, tăng dung lượng và giảm giá thành sản phẩm

Xử lý 2 nhân lõi X2 VIA's Nano

GMR được xem như là một trong những ứng dụng công nghệ Nano đầu tiên

Công cụ Nano giảm kích thước chip tăng tốc độ xử lý

Pin được sạc nhanh hơn, đầy trong chỉ 5 phút.

Sơn Nano

Chống bám nước, bám bụi: đây là khả năng mà bất kỳ Nano nào cũng có Sau khi phủ Nano thì nước sẽ không chảy loang trên bề mặt sơn mà chỉ đọng từng giọt nhỏ hay còn gọi là hiệu ứng là sen Khả năng chống bám bụi là chỉ cần rửa xe bằng nước là sạch mà không cần dùng chất tẩy rửa.

Không làm hỏng sơn: một số loại Nano sau khi được phủ một thời gian sẽ gây ra các vết nứt chân chim trên bề mặt sơn.

https://tinhte.vn/threads/su-that-ve-tac-dung-cua-viec-phu-nano-cho-xe-may.2123172/

http://www.nanoandme.org/nano-products/paints-and-coatings/

Ngăn vi khuẩn bám lên bề mặt đồ vật

Vật lý Nano-Chấm lượng tử-Giếng lượng tử

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các ứng dụng cho các chấm lượng tử trong Transistor, các tế bào quang điện mặt trời, đèn LED, và Laser Diode Chấm lượng tử được thương mại hóa đầu tiên trong một sản phẩm sử dụng chúng là dòng Sony XBR X900A của TV màn hình phẳng được tung ra vào năm 2013.

Giếng lượng tử Ứng dụng chế tạo Laser Diode trong các máy DVD, nguồn phát mạng cáp quang, bút

laser

Chế tạo các bộ nhận biết hồng ngoại, cũng dựa trên nền tảng giếng lượng tử dùng để chế tạo công nghệ ảnh nhiệt