Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ kích thước nanomet (nm). Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm).
BÁO CÁO MÔN HỌC I Tổng quan nano Công nghệ nano ( nanotechnology) gì? Nói cách đơn giản, khoa học nano khoa học nghiên cứu vật chất kích thước nhỏ - kích thước nanomet (nm) Một nano phần tỉ met (m) hay phần triệu milimet (mm) Công nghệ nano công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng, kích thước quy mô nanomet (từ -100nm) XUẤT XỨ CỦA CÔNG NGHỆ NANO? Thực hạt nano tồn hàng triệu năm giới tự nhiên Từ kỷ thứ 10, người ta sử dụng hạt nano vàng để tạo thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác (màu đỏ, xanh vàng tùy vào kích thước hạt)… Nghĩa người sử dụng, chế tạo vật liệu nano từ lâu, có điều chưa biết nhiều Khái niệm công nghệ nano nhắc đến năm 1959 nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả chế tạo vật chất kích thước siêu nhỏ từ trình tập hợp nguyên tử, phân tử Những năm 1980, nhờ đời hàng loạt thiết bị phân tích, có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, người quan sát hiểu rõ lĩnh vực nano Công nghệ nano bắt đầu đầu tư nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Ra đời hai mươi năm, ngành công nghệ non trẻ công nghệ nano phát triển với tốc độ chóng mặt Hình – Sơ đồ kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nanomet Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thước nano, không chiều tự cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, điện tử tự chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng, ĐIỀU GÌ LÀM NÊN SỰ KHÁC BIỆT CỦA VẬT LIỆU NANO? Vật liệu nano với kích thước nhỏ khoảng -100nm có tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy Sự thay đổi tính chất cách đặc biệt kích thước nano cho hiệu ứng bề mặt kích thước tới hạn vật liệu nano Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ nguyên tử bề mặt thường lớn so với tổng thể tích hạt Các nguyên tử bề mặt đóng vai trò tâm hoạt động vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học tính chất điện, từ, quang… vật liệu có kích thước tới hạn mà kích thước vật liệu kích thước tính chất không tuân theo định luật với vật liệu vĩ mô thường gặp Vật liệu nano có tính chất đặc biệt kích thước (1 -100nm) nằm phạm vi kích thước tới hạn tính chất điện, từ, quang… vật liệu II Ứng dụng công nghệ Nano Công nghệ nano y tế Y tế ứng dụng lớn công nghệ nano Ví dụ việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác thử nghiệm để hạn chế khối u phát triển tiêu diệt chúng cấp độ tế bào Một nghiên cứu cho kết khả quan sử dụng hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư Các hạt nano đưa đến khối u bên thể, sau chúng tăng nhiệt độ tia laser hồng ngoại chiếu từ bên để tiêu diệt khối u Không dừng lại đó, nhà khoa học nghiên cứu dự án nanorobot vô đặc biệt Với robot có kích thước siêu nhỏ, vào bên thể người để đưa thuốc điều trị đến phận cần thiết Việc cung cấp thuốc cách trực tiếp làm tăng khả hiệu điều trị Công nghệ nano tương lai không xa giúp người chống lại bênh ung thư quái ác Ngay bênh ung thư khó chữa ung thư não, bác sĩ dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ bệnh nhân hay phương pháp hóa trị độc hại Công nghệ nano điện tử • Nhắc đến công nghệ nano, bạn nghĩ đến dự án khoa học tiến hành giáo sư hàng đầu phòng thí nghiệm, công nghệ cao cấp tiên tiến Tuy nhiên thực tế bạn sử dụng số sản phẩm công nghệ nano lúc Những vi xử lý làm từ vật liệu nano phổ biến thị trường, số sản phẩm chuột, bàn phím phủ lớp nano kháng khuẩn • Công nghệ nano đóng góp không nhỏ lĩnh vực điện tử, đặc biệt công nghệ lượng Pin nano tương lai có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers Cấu trúc ống khiến cực pin có diện tích bề mặt lớn nhiều lần, giúp lưu trữ nhiều điện Trong kích thước viên pin ngày thu hẹp lại • Vật liệu nano giúp ta chế tạo linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, hình máy tính, điện thoại,… Công nghệ nano ứng dụng may mặc Kể từ đầu năm 2000, ngành công nghiệp thời trang bước sang trang với việc áp dụng công nghệ nano số loại vải đặc biệt Một ý tưởng vô đặc biệt với loại quần áo có khả diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu quần áo trở thành thực với việc áp dụng hạt nano bạc Các hạt nano bạc thu hút vi khuẩn tiêu diệt tế bào chúng Ứng dụng hữu ích áp dụng số mẫu quần áo thể thao đặc biệt sử dụng loại quần lót khử mùi Không dừng lại công dụng khử mùi, công nghệ nano biến áo bạn mặc thành trạm phát điện di động Sử dụng nguồn lượng gió, lượng mặt trời với công nghệ nano bạn sạc điện cho smartphone lúc nơi Ứng dụng sử dụng rộng rãi với ý tưởng chế tạo buồm vật liệu nano, với khả chuyển hóa lượng tự nhiên thành điện Tuy nhiên ứng dụng trình thử nghiệm Công nghệ nano tự nhiên Có thật ứng dụng công nghệ nano tìm thấy tự nhiên Ví dụ ứng dụng công nghệ nano loại vải khiến chúng không thấm nước bụi bẩn, bạn thấy điều tương tự giọt nước lăn bề mặt sen Bề mặt sen bao phủ lớp lông đặc biệt có kích thước cỡ nanomet, khiến giọt nước ngấm hay bám vào bề mặt Mô điều này, nhà khoa học tạo lớp ống nano siêu nhỏ bề mặt vải từ tạo quần áo không thấm nước chống bụi bẩn Một ví dụ khắc với loài tắc kè dự án nghiên cứu thiết bị tường nhóm nghiên cứu Robert Full đại học Berkeley Các nhà khoa học phát rằng, ngón chân tắc kè bao phủ lớp lông có kích thước siêu nhỏ, giúp chúng bám dính vào bề mặt mịn theo lực van der Waals (độ bám dính phân tử) Mô điều đó, nhà khoa học tạo miếng đệm với lớp ống nano siêu nhỏ mà hỗ trợ người leo núi bám tốt vách đá Xã hội người phát triển, nhiên học tập nhiều điều từ tự nhiên Điều quan trọng công nghệ khoa học phát triển phải góp phần thúc đẩy sống, tiêu diệt sống thiên nhiên Thực phẩm từ công nghệ nano Công nghệ nano nghiên cứu, phân tích thiết kế quy mô nhỏ cỡ nano met, sử dụng công nghệ nano để làm đồ ăn liệu đủ giúp no? Thật may không ăn đồ ăn làm từ công nghệ nano, nhiên công nghệ nano làm thay đổi cách thức ăn ăn hàng ngày Các nhà khoa học tiến hành thử nghiệm thay đổi loại thực phẩm cấp độ nguyên tử phân tử, khiến loại thực phẩm thay đổi hương vị giàu dinh dưỡng Điều đồng nghĩa với việc thưởng thức ăn với hương vị vô lạ mà giá trị dinh dưỡng cao nhờ công nghệ nano thực phẩm Công nghệ nano giúp lưu trữ thực phẩm lâu nhiều lần cách tạo vật liệu đựng thực phẩm có khả diệt khuẩn Chúng ta thấy nhiều loại tủ lạnh phủ lớp nano bạc bên để tiêu diệt vi khuẩn Thậm chí số loại hộp thực phẩm cao cấp phủ lớp bạc nano bên III Chế tạo vật liệu nano Vật liệu nano chế tạo hai phương pháp: phương pháp từ xuống (topdown) phương pháp từ lên (bottom-up) Phương pháp từ xuống phương pháp tạo hạt kích thước nano từ hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ lên phương pháp hình thành hạt nano từ nguyên tử Phương pháp từ xuống Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây phương pháp đơn giản, rẻ tiền hiệu quả, tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu dạng bột trộn lẫn với viên bi làm từ vật liệu cứng đặt cối Máy nghiền nghiền lắc, nghiền rung nghiền quay (còn gọi nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào phá vỡ bột đến kích thước nano Kết thu vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng sử dụng với kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo biến dạng cự lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ điều chỉnh tùy thuộc vào trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn nhiệt độ kết tinh lại gọi biến dạng nóng, ngược lại gọi biến dạng nguội Kết thu vật liệu nano chiều (dây nano) hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, người ta thường dùng phương pháp quang khắc để tạo cấu trúc nano phức tạp Phương pháp từ lên Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion Phương pháp từ lên phát triển mạnh mẽ tính linh động chất lượng sản phẩm cuối Phần lớn vật liệu nano mà dùng chế tạo từ phương pháp Phương pháp từ lên phương pháp vật lý, hóa học kết hợp hai phương pháp hóa-lý • Phương pháp vật lý: phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử chuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano tạo từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu nung nóng cho nguội với tốc độ nhanh để thu trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường dùng để tạo hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính • Phương pháp hóa học: phương pháp tạo vật liệu nano từ ion Phương pháp hóa học có đặc điểm đa dạng tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, phân loại phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, • Phương pháp kết hợp: phương pháp tạo vật liệu nano dựa nguyên tắc vật lý hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, IV Cảnh báo hạt nano • Các nhà khoa học cho thấy hạt nano nhỏ, gọi quantum dot, xâm nhập qua da người Những nghiên cứu khác gợi ý từ da chúng di chuyển qua hệ thống ống lympho để đến bạch cầu cuối quan gan thận lách • Và hít vào hạt nano sâu vào phổi so với hạt có kích thước lớn đến phận nhạy cảm Vì lẽ đó, nhà khoa học đặc biệt lo ngại việc sử dụng hạt nano sản phẩm phun • Các nhà nghiên cứu không lo lắng sức khỏe người mà lo lắng hiệu ứng mà hạt nano gây nên cho môi trường, đặc biệt hạt nano bạc Những công việc xử lý nước thải loại chất khỏi nước hạt nano bạc thải có mặt sông, hồ, nước biển V Vật liệu nano