Nguyên tử phân tử cấu trúc nano

Tên đề tài: NGUYÊN TỬ - PHÂN TỬ VÀ CẤU TRÚC NANO MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tử thuyết lƣợng tử nguyên tử 1.1.1 Lịch sử khám phá phát triển nguyên tử 1.1.2 Các mô hình nguyên tử 1.2 Bảng tuần hoàn nguyên tố 13 1.3 Kích thƣớc nguyên tử lực tƣơng tác nguyên tử 17 CHƢƠNG II: PHÂN TỬ VÀ MÁY NANO 23 2.1 Liên kết phân tử tƣơng tác phân tử 23 2.2 Cấu trúc chất, pha chuyển pha 26 2.3 Đại phân tử 29 CHƢƠNG III: CẤU TRÚC NANÔ 33 3.1 Giới thiệu nano 33 3.2 Phân loại tính chất cấu trúc nano 33 3.3 Ứng dụng công nghệ nano 37 KẾT LUẬN 39 MỞ ĐẦU Các vât, tƣợng tự nhiên vô đa dạng phức tạp Qua hàng vạn năm quan sát, chiêm nghiệm, nghiên cứu thực nghiệm khoa học, loài ngƣời phát giới tự nhiên cấu tạo phân tử mà phân tử lại cấu tạo nguyên tử Phân tử, nguyên tử hạt vô bé, mắt thƣờng không nhìn thấy đƣợc Mãi đến gần nhờ loại kính hiển vi đặc biệt chụp hình đƣợc riêng phân tử, nguyên tử Trong công nghệ nanô phải xếp đặt vị trí cho phân tử, nguyên tử thành cấu trúc vật lý có kích thƣớc đặc trƣng cỡ nanomet Phải điều khiển đƣợc đến phân tử, nguyên tử để tạo cấu trúc nanô, vật liệu nanô có tính chất theo yêu cầu Nanomet, có giá trị phần tỷ mét Nanomet độ dài nhỏ, vào cỡ kích thƣớc phân tử, mắt thƣờng không nhìn thấy đƣợc, bề ngang vi sợi, sợi tóc chẻ thành vài nghìn vi sợi Xét cho xuất khoa học nanô công nghệ nanô, theo ý nghĩa xã hội chung, tất yếu lịch sử Chính lý mà nhóm chúng em tìm hiểu đề tài: NGUYÊN TỬ - PHÂN TỬ VÀ CẤU TRÚC NANO Cấu trúc đề tài bao gồm: Mở đầu Chƣơng I: Nguyên tử Chƣơng II: Phân tử máy nano Chƣơng III: Cấu trúc nano Kết luận CHƢƠNG I: NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tử thuyết lượng tử nguyên tử 1.1.1 Lịch sử khám phá phát triển nguyên tử Nguyên tử phần tử hóa học nhỏ phân chia cấu tạo nên vật chất Mỗi loại nguyên tử có tính chất vật lý hóa học đặc trƣng tạo nên nguyên tố hóa học Mỗi nguyên tố có nguyên tử số xác định Khái niệm nguyên tử đƣợc Democritus đƣa từ khoảng 450 TCN Tuy nhiên, nhà khoa học cổ Hy Lạp không dựa phƣơng pháp thực nghiệm để xây dựng lý thuyết mà dựa siêu hình học Chính mà từ Democritus đƣa khái niệm tận kỷ thứ 18 ngƣời ta có bƣớc tiến đáng kể việc phát triển lý thuyết nguyên tử Mô hình nguyên tử đại mô hình nguyên tử dựa học lƣợng tử Cơ học lƣợng tử đƣợc phát triển dựa đóng góp nhiều ngƣời: Arthur Compton (1892-1962) tạo thí nghiệm nhiễu xạ tia X, Louis-Victor de Broglie (1892-1987) khai triển lý thuyết lƣỡng tính sóng hạt, Erwin Schrödinger (1887-1961) đƣa phƣơng trình sóng, Werner Heisenberg (1901-1976) đƣa nguyên lý bất định Năm 1808 John Dalton (1766-1844) đƣa lý thuyết nguyên tử để giải thích định luật định luật bảo toàn khối lƣợng định luật tỉ lệ chất phản ứng hoá học Năm 1897 Nhà vật lý ngƣời Anh Joseph John Thompson (1856-1940) đo đƣợc tỷ số khối lƣợng hạt điện tích độ lệch hƣớng chùm tia từ trƣờng điện trƣờng khác Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lƣợng số không phụ thuộc vào việc ông dùng vật liệu Ông kết luận tất chùm ca-tốt đƣợc tạo thành từ loại hạt Năm 1891 Nhà vật lý ngƣời Ireland George Johnstone Stoney đặt tên cho hạt mà Thompson tìm thấy "electron" tên gọi đƣợc dùng Năm 1900 Nhà vật lý ngƣời Đức Max Planck (1858-1947) nghiên cứu phát xạ ánh sáng vật nóng Ông giả thiết phát xạ sóng điện từ theo lƣợng gián đoạn gọi lƣợng tử lƣợng (tiếng Anh: quantum of energy), hay gọi tắt lƣợng tử Một lƣợng tử lƣợng sóng điện từ tỷ lệ với tần số với hệ số tỷ lệ đƣợc gọi số Plank Năm 1902 Dựa số giả thuyết Lord Kelvin (1824-1907) đƣa kết Millikan, Thomson đƣa mô hình nguyên tử Năm 1905 Khi giải thích cho hiệu ứng quang điện, Albert Einstein (18791955) cho ánh sáng không đƣợc phát xạ theo lƣợng tử mà bị hấp thụ theo lƣợng tử Ánh sáng vừa có tính chất sóng tính chất hạt Mỗi hạt ánh sáng đƣợc gọi quang tử (photon), có lƣợng lƣợng tử ánh sáng Giả thuyết Einstein giúp giải thích phát xạ ống chùm ca-tốt Năm 1909 Nhà vật lý ngƣời Mỹ Robert Millikan (1868-1953) tìm điện tích điện tử cách dùng thí nghiệm "giọt dầu" Ông dùng tia X để làm cho giọt dầu có điện tích âm, sau ông phun giọt dầu vào dụng cụ cho giọt dầu rơi vào khoảng không hai tích điện Mô hình Thomson đứng vững đƣợc vài năm nhà vật lý ngƣời New Zealand Ernest Rutherford (1871-1937) đƣa mô hình nguyên tử ông Cùng với đồng nghiệp Hans Geiger Ernest Mardsen, Rutherford dùng chùm hạt alpha bắn phá vàng mỏng thí nghiệm mang tên ông Năm 1913 Nhà vật lý ngƣời Anh Henry Gwyn Jeffreys Moseley (18871915) thấy nguyên tố có điện tích dƣơng hạt nhân nguyên tử Do hạt nhân phải chứa loại hạt mang điện tích dƣơng đƣợc gọi proton Số proton hạt nhân đƣợc gọi nguyên tử số Cũng năm này, nhà vật lý lý thuyết ngƣời Đan Mạch Niels Bohr (18851962) đƣa mô hình bán cổ điển nguyên tử hay gọi mô hình nguyên tử Bohr Bohr thay đổi mô hình Rutherford cách giả thiết điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo có lƣợng bán kính cố định Năm 1926 Erwin Schrödinger (1887-1961) nhà vật lý ngƣời Áo đƣa phƣơng trình sóng Trạng thái lƣợng tử hệ vật lý đƣợc mô tả đầy đủ vector trạng thái nhƣ hàm sóng không gian cấu hình, nghiệm phƣơng trình Schrödinger Nghiệm phƣơng trình Schrödinger không mô tả hệ nguyên tử hạ nguyên tử (nguyên tử, phân tử, hạt nhân, điện tử hạt khác) mà hệ vĩ mô, chí toàn Vũ trụ Phƣơng trình đƣợc đặt theo tên ông phƣơng trình Schrödinger Năm 1934 Iren Giôliô (1897 – 1956) Frederic Giôliô Quiri (1900 – 1958) phát tính phóng xạ nhân tạo Họ dùng hạt α để bắn phá hạt nhân nguyên tử Nhôm, Bo, Magie nguyên tố khác; kết nguyên tố đƣợc chuyển thành nguyên tố khác Năm 1938 – 1939 Ôttô Han Frit Stracman phát kiểu phân rã hạt nhân quan trọng, phân chia hạt nhân Urani thành hai hạt nhân gần nhƣ dùng nơtron để bắn phá Các nhà nghiên cứu xác định rằng, trình giải phóng lƣợng khổng lồ Năm 1939 Ecst Oclando Lorenxơ (sinh năm 1901) trƣờng Đạii học Tổng hợp Califorina thiết kế máy gia tốc cộng hƣởng từ để tạo proton có lƣợng cao Nhờ vậy, mở khả to lớn cho việc thực phản ứng hạt nhân khác nhau, tức thực chuyển hoá nguyên tử nguyên tố cách dùng hạt có lƣợng lớn chẳng hạn nhƣ: hạt α, proton nơtron bắn phá nguyên tử Năm 1940 E Macmilan, P Abenxơn C Staccơ (Đức) lúc điều chế nguyên tố siêu Urani nhân tạo đầu tiên, nguyên tố Neptuni có số thứ tự 93 bảng tuần hoàn Năm 1942 Enrico Fecmi khởi động lò phản ứng nguyên tử Chicago, tiến hành phân chia hạt nhân Urani 235 dƣới tác dụng nơtron Năm 1945 Máy bay Mĩ ném bom nguyên tử xuống thành phố Hiroxima Nagaxaki Nhật Bản Lần nhân loại chứng kiến sức mạnh ghê gớm lƣợng hạt nhân Hậu thật kinh khủng Chỉ bom nguyên tử biến thành phố Hiroxima thành đống đổ nát, tro tàn Những số liệu thức thiệt hại đƣợc ghi nhận: 78.150 ngƣời chết, 13.983 ngƣời tích, 9.428 ngƣời bị thƣơng nặng, 27.997 ngƣời bị thƣơng nhẹ Tuy nhiên, bệnh hiểm nghèo phóng xạ gây nên cho hàng chục nghìn công dân thành phố Hiroxima lƣờng hết đƣợc… Năm 1954 Nhà máy điện nguyên tử giới có công suất 5.000 kilooat đƣợc vận hành Liên Xô (cũ) Năm 1959 Con tàu phá băng nguyên tử giới mang tên Lênin vào hoạt động Năm 1961 Chiếc tàu thuỷ chở hành khách mang tên “Xavanô” đƣợc hạ thuỷ Tại Xôphia, ngƣời ta cho xây dựng lò phản ứng nguyên tử nhằm sản xuất số đồng vị phóng xạ tiến hành nghiên cứu khoa học 1.1.2 Các mô hình nguyên tử Cách khoảng 2500 năm, tức khoảng 500 năm trƣớc công nguyên (TCN), nhà triết học Hy Lạp cổ đại mà đại diê ̣n Democritus (460 – 371 TCN) đƣa khái niệm nguyên tử, tiếng Hy Lạp Atomos cắt chia đƣợc Đó vật thể nhỏ bé nhất, viên gạch vật chất xây nên toàn vũ trụ vũ trụ thống Vật thể nhỏ bé nói đƣợc gọi nguyên tử (tiếng Anh atom) Hình 1.1: Mô hình nguyên tử Democritus Thuyết nguyên tử, xuất từ đó, thƣờng đƣợc coi nhƣ giả thuyết, chƣa đƣợc thực tế chứng minh, khoảng hai nghìn năm, kỷ XVII, nhà vật lý học hóa học ngƣời Anh R Boyle (1627 – 1691) nghiên cứu chất khí tới kết luận có loại hạt (nguyên tử) khác ứng với nguyên tố khác (còn gọi nguyên tố hóa học) Đến đầu kỷ XIX nhà hóa học ngƣời Anh J Dalton (1766 – 1844) nghiên cứu thực nghiệm nguyên tố đến kết luận là: nguyên tố tƣơng ứng với loại nguyên tử, nguyên tử nguyên tố có khối lƣợng nhƣ nhau, nguyên tử nguyên tố khác có khối lƣợng khác v.v Nhƣ có nhiều loại nguyên tử Mãi đến cuối kỷ XIX, nhà vật lý ngƣời Anh J.J Thomson nghiên cứu tia âm cực, phóng điện qua chất khí, phát hạt điện tử mang điện tích âm (electron) năm 1897 Hình 1.2: Sơ đồ thí nghiệm Thomson phát tia âm cực Sự kiện chứng tỏ nguyên tử có cấu trúc nội J.J Thomson đƣa mô hình nguyên tử nhƣ sau Đó hình cầu nhỏ, mang điện tích dƣơng dàn đều, có hạt điện tử, mang điện tích âm, phân bố để cân điện tích Mô hình không điện tích dƣơng mang hạt, nhƣ phát hạt phóng xạ 𝛼 Hình 1.3: Mô hình nguyên tử Thomson Sang đầu kỷ XX vào khoảng 1910 E Rutherford, nhà vật lý Anh gốc New Zealand, chiếu tia phóng xạ vào vàng nghiên cứu tán xạ chúng Kết chứng tỏ nguyên tử vàng nói riêng nguyên tử nói chung có hạt nhân mang điện tích dƣơng (+) cực nhỏ Kích thƣớc hạt nhân nhỏ kích thƣớc nguyên tử hàng nghìn lần, mƣờng tƣợng hạt nhân to nhƣ bóng đá nguyên tử to nhƣ sân vận động Mỹ Đình Hình 1.4: Sơ đồ thí nghiệm Rutherford Hình 2.4: Thế tương tác hai phân tử H2 Với đại phân tử có kích thƣớc đáng kể, tƣơng tác chúng tƣơng tác phần khác phân tử phức tạp tạo cấu trúc đa dạng, nói đến phần dƣới Tƣơng tác Van der Waals phân tử có chất tƣơng tác điện từ momen điện xuất phân tử dƣới nhiều dạng khác Đây dạng tƣơng tác yếu, có lƣợng khoảng vài kilocalo/mol cho loại phân tử nhỏ Tƣơng tác phân tử, yếu, có ảnh hƣởng nhiều định đến cấu trúc chất biến đổi pha chúng 2.2 Cấu trúc chất, pha chuyển pha Vật chất tự nhiên, cấu trúc xếp nguyên tử, phân tử khác nhau, tồn với trạng thái vô đa dạng Tuy vậy, ta xếp chúng vào “thể” sau đây: rắn, lỏng, khí plasma Thể rắn gồm loại: tinh thể vô định hình Trong tinh thể nguyên tử, phân tử, ion dao động xung quanh vị trí cố định, vị trí tạo thành mạng lƣới có tính tuần hoàn đối xứng xác định Tinh thể silic, vật liệu chủ 26 yếu ngành công nghiệp thông tin nay, để tạo “con chíp” vô kỳ diệu, xử lý đƣợc hàng tỷ phép tính giây Tinh thể dạng lập phƣơng nguyên tử than (cacbon) kim cƣơng, cứng rắn nhất, suốt ánh sáng qua chậm nên kim cƣơng (hạt xoàn) gây hiệu ứng “ma lực” Trong chất rắn vô định hình (nhƣ thủy tinh) nguyên tử, phân tử, ion dao động quanh vị trí xác định, nhƣng tính tuần hoàn nhƣ tinh thể, tức có trật tự gần nhƣng trật tự xa Các vật liệu kim loại vô định hình v.v…đều vật liệu dùng ngành công nghệ cao đại, kể công nghệ nanô Thể lỏng đặc trƣng tính lƣu thông phân tử Giống nhƣ thể rắn, phân tử dao động xung quanh vị trí trung bình, nhƣng thời gian ngắn Do tƣơng tác Van der Waals va chạm chuyển động nhiệt phân tử bứt khỏi vị trí trung bình để chuyển sang vị trí mới, nhƣ phân tử di chuyển lƣu động khắp khối chất lỏng Nƣớc (H2O) định phát sinh trì sống Trái đất Nƣớc lỏng vật liệu định công nghệ nanô ƣớt (wet nanotechnology) kỷ Hàng vạn chất lỏng với nhiều tính kỳ diệu (tinh thể lỏng, chất lỏng lƣợng tử v.v…) góp phần trì sống văn minh Trong điều kiện thông thƣờng chất dạng lỏng nhiều, nhƣng nguyên tố dạng lỏng có thủy ngân brom Trong thể khí phân tử có nhiều chuyển động hỗn loạn mạnh nhiệt độ cao Chuyển động nhiệt phân tử gây nên áp suất tác động lên thành bình Việc nghiên cứu động học chất khí dẫn đến phát phân tử, nguyên tử Không khí hỗn hợp khí đảm bảo cho sống phát triển công nghệ Khí đốt nguồn lƣợng quan trọng Pin 27 nhiên liệu dùng khí H2 có triển vọng lớn để giải vấn đề giao thông không gây ô nhiễm Thể plasma giống nhƣ thể khí, nhƣng đƣợc tạo thành phân tử trung hòa, mà ion điện tử, ví dụ nhƣ đèn ống, tia lửa điện hàn, lửa hàn nhiệt độ cao (hàng vạn độ) phát từ máy plasmatron v.v…Tầng điện ly khí Trái đất, lớp nhật hoa Mặt trời thuộc thể plasma Tƣơng lai giải vấn đề lƣợng rẻ tiền phản ứng nhiệt hạch plasma nóng (hàng chục triệu đô) ion từ nguyên tử đơtơri (12H) (13H) Gần phát phòng thí nghiệm trạng thái thứ năm vật chất gọi chất ngƣng tụ Bôzơ – Anhxtanh (BEC) Đó tập hợp nguyên tử (Na, Rb…) nhiệt độ gần với độ tuyệt đối Chúng có nhiều tính chất kỳ lạ: hệ có hành vi nhƣ nguyên tử, có tính nhƣ hốc đen vũ trụ Chất BEC hứa hẹn nhiều ứng dụng kỳ lạ Các chất tồn thể rắn, lỏng tùy theo nhiệt độ Một chất xác định tồn thể rắn khoảng nhiệt độ thấp nhất, thể lỏng khoảng nhiệt độ cao thể khí khoảng nhiệt độ cao mà khoảng chúng bị phá hủy Ví dụ nƣớc (H2O) thể rắn (nƣớc đá) khoảng nhiệt độ dƣới 0oC, thể lỏng khoảng nhiệt độ từ 00C đến 1000C, thành nƣớc 1000C Cũng có nhiều chất chuyển thẳng từ rắn thành hơi, gọi thăng hoa Sự chuyển từ thể sang thể khác, tức thay đổi đột ngột trạng thái cấu trúc, thƣờng đƣợc gọi chuyển pha Các trình chuyển pha thƣờng kèm theo ẩm nhiệt gọi chuyển pha loại Ι, loại chuyển pha không kèm theo ẩm nhiệt nhƣng có thay đổi đột ngột số tính chất gọi trình chuyển pha loại II Ví dụ sắt (Fe) có từ tính mạnh nhiệt độ thấp 28 7700C, nhiệt độ thể rắn nhƣng sắt tính sắt từ Nhƣ 7700C xảy trình chuyển pha loại II Những quy luật chuyển pha liên quan với dạng tƣơng tác phân tử có ý nghĩa quan trọng việc chế tạo hạt nanô, linh kiện nonô cấu trúc nanô Hình 2.5: Các dạng thù hình Cacbon Một số nguyên tố thể rắn lại có vài dạng cấu trúc khác nhau, đƣợc gọi dạng thù hình Điển hình cacbon, thể rắn cacbon có dạng thù hình: than vô định hình, kim cƣơng, than chì graphit, sợi cacbon, fuloren ống nanôcacbon 2.3 Đại phân tử Công nghệ nanô liên quan đến phân tử sinh học thƣờng đƣợc gọi công nghệ nanô ƣớt phân tử sinh học chủ yếu hoạt động chất nguyên sinh (protoplasm) tế bào, thể lỏng Những phân tử sinh học đại phân tử (macromolecules) mà phần lớn thuộc loại polime (chất phù hợp, cao 29 phân tử) nhƣ protein, axit nhân, polisaccarit (tinh bột), lipit (chất béo); chất dẻo (plastic) dùng công nghiệp đại phân tử, ống nanôcacbon đại phân tử…nhƣng chúng đại phân tử sinh học Gọi đại phân tử chúng có trọng lƣợng phân tử (M)>100.000 Dalton (1 Dalton xấp xỉ khối lƣợng 1/12 hạt nhân cacbon 12), nghĩa lớn có nhiều đặc tính khác hẳn với loại phân tử nhỏ Công nghệ nanô ƣớt đặc biệt quan tâm đến phân tử protein gồm hầu hết phân tử sinh học có chức quan trọng tế bào Nhiều số có tính chất đặc biệt “tự nhân bản” (replicator), đa số hoạt động theo chƣơng trình chặt chẽ, số phân tử protein (nhƣ phân tử ribosome) lại có khả nhƣ máy lắp ráp theo thông tin mà protein khác cung cấp nhƣ phân tử ARNm Để thực chức chúng phải có cấu trúc nanô phức tạp Nói chung thấy có cấp cấu trúc protein: - Cấu trúc sơ cấp dãy axitamin đƣợc lắp ráp theo thông tin từ AND tế bào - Cấu trúc cấp thể dạng xoắn lại uốn cong thành (xoắn α β) - Cấu trúc cấp phân tử tự lại dính lại nhiều chỗ xủa phân tử (có thể kiên kết hydro cầu sunfit) - Cấu trúc cấp thƣờng có dạng phức tạp thƣờng kết tƣơng tác hai nhiều chuỗi axitamin (polypeptides) 30 Hình 2.6: Sơ đồ minh họa cấp cấu trúc protein Các đại phân tử sinh học thực máy biết tự lắp ráp, theo thông tin từ gen AND, tự nhân Chúng đƣợc xem nhƣ máy, máy nanô Nhƣng điều quan trọng xảy bƣớc đột biến giới vô sang giới hữu đặc thù tính “sống”, tức tự nhân bản, sửa chữa, thích nghi phát triển, đại thể theo chƣơng trình nhƣng không cứng nhắc, tiến hóa vừa có tiệm tiến vừa có đột biến Máy nanô có lĩnh vực sinh học, công nghiệp ngƣời ta lắp ráp từ phân tử polime (công nghệ nanô khô – dry nanotechnology) thành cấu trúc nanô thực đƣợc nhiều chức kỳ diệu Chi tiết loại máy nanô nói chƣơng hệ 31 thống vi điện tử (microelectronmechanicaol systems - MEMS) hệ thống nanô điện tử (microelectronmechanicaol systems - NEMS) 32 CHƢƠNG III: CẤU TRÚC NANÔ 3.1 Giới thiệu nano Chữ nano, gốc Hy Lạp, đƣợc gắn vào trƣớc đơn vị đo để tạo đơn vị ƣớc giảm tỷ lần (10-9) Ví dụ : nanogam = phần tỷ gam ; nanomet = phần tỷ mét Công nghệ nano công nghệ xử lý vật chất mức nanomet Công nghệ nano tìm cách lấy phân tử đơn nguyên tử nhỏ để lắp ráp vật to kích cỡ bình thƣờng để sử dụng, cách làm từ nhỏ đến to khác với cách làm thông thƣờng từ xuống dƣới, từ to đến nhỏ Ý tƣởng công nghệ nano đƣợc đƣa nhà vật lý học ngƣời Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho khoa học vào chiều sâu cấu trúc vật chất đến phân tử, nguyên tử vào sâu Nhƣng thuật ngữ “công nghệ nano” bắt đầu đƣợc sử dụng vào năm 1974 Nario Taniguchi nhà nghiên cứu trƣờng đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả chế tạo cấu trúc vi hình mạch vi điện tử Vật liệu thang đo nano, bao gồm nano, sợi ống nano, hạt nano đƣợc điều chế nhiều cách khác Ở cấp độ nano, vật liệu có tính đặc biệt mà vật liệu truyền thống đƣợc thu nhỏ kích thƣớc việc tăng diện tích mặt loại vật liệu Cấu trúc nanô hệ thống có kích cỡ thuộc thang nanô (khoảng từ đến 100 nanomet) gồm nguyên tử, phân tử đƣợc đặt vị trí cho hệ thống thực đƣợc chức định trƣớc 3.2 Phân loại tính chất cấu trúc nano Về phân loại hình học cấu trúc nanô ta có: - Hạt nanô, sợi dây nanô ống nanô (một chiều thuộc thang nanô), - Lớp nanô màng mỏng nanô (hai chiều thuộc thang nanô) 33 Về chức phân cấu trúc nanô thành: - Vật liệu nanô, hạt nanô nhƣ chấm lƣợng tử vật liệu có nanôtinh thể compodit có cốt sợi, ống nanô v.v… - Linh kiện nanô (nanodevices) nhƣ cảm biến nanô, linh kiện đơn điện tử, linh kiện kỹ thuật spin (spintronics) v.v… - Các máy nanô nhƣ MEMS, NEMS, máy nanô phân tử (molecular nanomachines) nhƣ phân tử protein… Thực tế một, hai thập kỷ qua cho thấy thiết kế chế tạo (thực hiện) đƣợc nhiều cấu trúc nanô từ nhiều dạng vật liệu bình thƣờng có bao gồm vật liệu vô cơ, hữu cơ, sinh học Hình 3.1: Ảnh STM chấm lượng tử, xếp thành hình tháp nguyên tử Ge Các cấu trúc nanô có số đặc diểm vật lý nhƣ sau: - Vì số nguyên tử, phân tử cấu trúc thƣờng không lớn nhƣ vật khối, tính thang nanô (1 – 100nm) vào khoảng từ vài trăm đến hàng triệu nguyên tử Chú ý công 34 nghệ vi điện tử số tƣơng ứng từ 1012 – 1021 nguyên tử Hơn xuất nhiều tính chất hoàn toàn Hình 3.2: Ảnh STM lớp tế bào hồng cầu giá đế mica - Trong cấu trúc nanô, tính chất điện tử từ bị khống chế quy luật lƣợng tử Bởi mở khả chúng thực chức mà cấu trúc vi điện tử có đƣợc, ví dụ hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR), tức điện trở chi tiết phụ thuộc mạnh khác thƣờng vào tử trƣờng tác dụng Nhƣ rõ ràng cấu trúc nanô mở khoảng mênh mông ứng dụng kỳ diệu vào thực tiễn - Các cấu trúc nanô, nhờ kích thƣớc nhỏ, có tính chất xếp chặt (compact) cao, tạo tốc độ xử lý thông tin, vận chuyển thông tin lớn (có thể gấp hàng 106 lần nay) Trình độ CNTT siêu cao lại kết hợp với công nghệ nanô phân tử sinh học chắn tạo vài thập kỷ tới đột phá chƣa thể lƣờng hết - Trong hai thập kỷ qua hầu hết ngành khoa học (khoa học máy tính, vật lý học, hóa học, sinh học v.v…) kết hợp nghiên cứu cấu trúc nanô, từ hình thành khoa học nanô (nanoscience) hƣớng tới chân trời mà khoa học chƣa biết tới Những tri thức đạt 35 đƣợc nghiên cứu khoa học nanô không làm phong phú thêm hiểu biết tự nhiên mà trở thành sở cho phát triển mạnh mẽ công nghệ có tính đột phá Hình 3.3: Dạng cấu trúc nano chế tạo phòng thí nghiệm từ phân tử polime Không phải đến phát sinh cấu trúc nanô, phóng thí nghiệm chế tạo đƣợc cấu trúc nanô Ngƣợc lại tự nhiên vốn tồn thƣờng xuyên nơi cấu trúc nanô Chỉ có đến ta có công cụ để quan sát nghiên cứu tính cấu trúc nanô Điều trớ trêu thân ngƣời, “cỗ máy”sở dĩ tinh vi phức tạp hầu nhƣ hoàn toàn dựa cấu trúc nanô: 100 nghìn tỉ tế bào ngƣời trƣởng thành, tự nhân từ tế bào, hình thành trứng mẹ tinh trùng bố theo chế cấu trúc nanô Khoảng vài trăm nghìn loại protein có thể máy nanô, siêu tính nanô Từ amíp ban đầu dƣới biển đến loài sinh vật nhƣ thế, nghĩa tồn cấu trúc nanô Các hạt bụi khí quyển, tầng trầm tích, lớp kiến tạo vỏ trái đất v.v…ở đâu phát thấy cấu trúc nanô 36 Xét cho xuất khoa học nanô công nghệ nanô, theo ý nghĩa xã hội chung, tất yếu lịch sử 3.3 Ứng dụng công nghệ nano Trong ngành công nghiệp nay, tập đoàn sản xuất điện tử bắt đầu đƣa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo sản phẩm có tính cạnh tranh từ máy nghe nhạc iPod nano đến chip có dung lƣợng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh … Trong y học, để chữa bệnh ung thƣ ngƣời ta tìm cách đƣa phân tử thuốc đến tế bào ung thƣ qua hạt nano đóng vai trò “ xe tải kéo”, tránh đƣợc hiệu ứng phụ gây cho tế bào lành Y tế nano ngày nhằm vào mục tiêu xúc sức khỏe ngƣời, bệnh di truyền có nguyên nhân từ gien, bệnh nhƣ: HIV/AIDS, ung thƣ, tim mạch, bệnh lan rộng nhƣ béo phì, tiểu đƣờng, liệt rung (Parkison), trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học lĩnh vực đƣợc lợi nhiều từ công nghệ Mới đây, nhóm nhà bác học Canada vừa phát triển thành công dụng cụ y học ứng dụng công nano gọi “magic bullets” – viên đạn thần kỳ Sản phẩm mở hƣớng điều trị hứa hẹn phát triển mạnh tƣơng lai Thông qua dụng cụ đặc biệt đƣợc ví nhƣ viên thuốc nano này, thuốc đƣợc đƣa đến tế bào thể ngƣời bệnh Viên thuốc nano có kích thƣớc dài khoảng 20000 nanometres (tƣơng đƣơng đƣờng kính sợi tóc), bên có đầu cảm biến giúp điều chỉnh hƣớng đi, đầu tiếp xúc viên đạn nano có mạng lỗ mỏng liti nhằm giải phóng phân tử thuốc vùng cần đặc trị Theo nhà khoa học, ứng dụng hứa hẹn ứng dụng điều trị bệnh ung thƣ Các bác sĩ sử dụng viên đạn nano để đƣa thuốc điều trị đến tế bào ung thƣ cách xác hiệu 37 Đối với việc sửa sang sắc đẹp có hình thành nano phẩu thuật thẩm mỹ,nhiều loại thuốc thẩm mỹ có chứa loại hạt nano để làm thẩm mỹ bảo vệ da Đây thị trƣờng có sức hấp dẫn mạnh, công nghệ kiệt xuất đời nhƣ công nghệ nano Ngoài ra, nhà khoa học tìm cách đƣa công nghệ nano vào việc giải vấn đề mang tính toàn cầu nhƣ thực trạng ô nhiễm môi trƣờng ngày gia tăng Việc cải tiến thiết bị quân trang thiết bị, vũ khí nano tối tân mà sức công phá khiến ta hình dung 38 KẾT LUẬN Do ứng dụng kỳ diệu công nghệ nano, tiềm kinh tế nhƣ tạo sức mạnh quân Vì lẽ giới xảy chạy đua sôi động phát triển ứng dụng công nghệ nano Có thể kể đến mốt số cƣờng quốc chiếm lĩnh thị trƣờng công nghệ là: Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Nga số nƣớc Châu Âu…có thể nói quốc gia phủ dành khoản ngân sách đáng kể hỗ trợ cho việc nghiên cứu ứng dụng thực tiển ngành công nghệ nano Không trƣờng Đại học có phòng thí nghiệm với thiết bị nghiên cứu quy mô mà tập đoàn sản xuất tiến hành nghiên cứu phát triển công nghệ nano với phòng thí nghiệm với tổng chi phí nghiên cứu tƣơng đƣơng với ngân sách phủ dành cho công nghệ nano Ở Việt Nam, tiếp cận với công nghệ nano năm gần nhƣng có bƣớc chuyển tạo sức hút lĩnh vực đầy cam go, thử thách Nhà nƣớc dành khoản ngân sách lớn cho chƣơng trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với tham gia nhiều trƣờng Đại học Viện nghiên cứu Công nghệ nano bƣớc tiến vƣợt bậc công nghệ, tạo ứng dụng vô kỳ diệu tạo nhiều hội hơn, nhƣng bên cạnh có thách thức đặt thảm họa môi trƣờng khả phát triển vũ khí lọai với sức tàn phá không so sánh Tuy nhiên, ngƣời ngày hƣớng nhiều với thiện nên hy vọng công nghệ nano mang lại hạnh phúc cho nhân loại nhiều 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh Công nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử NXB – Khoa học kỹ thuật, 2004 [2] Nguyễn Ngo ̣c Long Vật lý chấ t rắ n – Cấ u trúc và tính chấ t của vật rắ n NXB Đa ̣i ho ̣c Quố c Gia Hà Nô ̣i, 2007 [3]http://baigiang.violet.vn/present/show?entry_id=203097 [4] http://timtailieu.vn/tai-lieu/bai-giang-nguyen-tu-9594/ 40 ... tài: NGUYÊN TỬ - PHÂN TỬ VÀ CẤU TRÚC NANO Cấu trúc đề tài bao gồm: Mở đầu Chƣơng I: Nguyên tử Chƣơng II: Phân tử máy nano Chƣơng III: Cấu trúc nano Kết luận CHƢƠNG I: NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tử thuyết... nhiên cấu tạo phân tử mà phân tử lại cấu tạo nguyên tử Phân tử, nguyên tử hạt vô bé, mắt thƣờng không nhìn thấy đƣợc Mãi đến gần nhờ loại kính hiển vi đặc biệt chụp hình đƣợc riêng phân tử, nguyên. .. thƣớc nguyên tử lực tƣơng tác nguyên tử 17 CHƢƠNG II: PHÂN TỬ VÀ MÁY NANO 23 2.1 Liên kết phân tử tƣơng tác phân tử 23 2.2 Cấu trúc chất, pha chuyển pha 26 2.3 Đại phân tử