Công nghệ Nano.PDF

MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Công nghệ nano ý tưởng II Công nghệ nano, sở khoa học chủ yếu 2.1 Sự chuyển tiếp cổ điển – lượng tử .5 2.2 Hiệu ứng bề mặt 2.3 Hiệu ứng kích thước (Size effect) III Đột phá kỉ 3.1 Công nghệ thông tin truyền thống (ICT), linh kiện điện tử cảm biến (sensor) 3.2 Y tế nano 3.3 Những ứng dụng kì diệu công nghệ nano 10 IV Máy nano công nghệ nano phân tử 13 KẾT LUẬN 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO .18 MỞ ĐẦU Công nghệ kỷ XXI đòi hỏi việc giảm kích thước tối đa máy móc, linh kiện, phương tiện mà tăng cường công chúng Yêu cầu khiến người ta phải nghĩ tới loại vật liệu thay vật liệu “to xác” khứ Lời giải đáp Công nghệ nano Ngày nay, ta tình cờ nghe vài vấn đề sản phẩm có liên quan đến hai chữ “nano” Ở khoảng nửa kỷ trước, thực vấn đề mang nhiều hoài nghi tính khả thi, thời đại ngày ta thấy công nghệ nano trở thành vấn đề thời quan tâm nhiều nhà khoa học Các nước giới bước vào chạy đua phát triển ứng dụng công nghệ nano Công nghệ nano công nghệ chế tạo điều khiển tính chất vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu mang kích thước nanomét Một nanomét phần tỷ mét Tức bạn lấy sợi tóc chia làm 50.000 phần, bề dày phần khoảng nanomét Trong chương trình bày tư tưởng hệ tri thức tạo tảng công nghệ nanô, đột phá có tính cách mạng công nghệ kỷ 21, dẫn đến lực lượng sản xuất hoàn toàn có khả nâng thúc đẩy nển văn minh nhân loại tiến lên tầm cao I Công nghệ nano ý tưởng Chữ nano, gốc Hy Lạp, gắn vào trước đơn vị đo để tạo đơn vị ước 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 thường để sử dụng, cách làm từ nhỏ đến to khác với cách làm thông thường từ xuống dưới, từ to đến nhỏ Thuật ngữ công nghệ nano xuất từ năm 70 kỷ trước, liên quan đến công nghệ chế tạo cấu trúc vi hình mạch vi điện tử Độ xác đòi hỏi rít cao, từ 0,1 nm đến l00nm, tức phải xác đến lớp nguyên tử, phân tử Mặt khác trình vi hình hoá linh kiện đòi hỏi người ta phải nghiên cứu lớp mỏng có bề dày cỡ nm, sợi mảnh có bề ngang cỡ nm, hạt có dường kính cỡ nm Phát hàng loạt tượng, tính chất mẻ, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác để hình thành chuyên ngành có gắn thêm chữ nanô Ví dụ: linh kiện nanô, máy nanô, vật liệu nanô, y tế nano Hơn nữa, việc nghiên cứu trình sống xảy tế bào cho thấy ỏ sản xuất chất sống protein, thực việc lắp ráp vô tính vi, đơn vị phân tử với mà thành, tức phạm vi công nghệ nano Vật liệu thang đo nano, bao gồm nano, sợi ống nano, hạt nano điều chế nhiều cách khác Ở cấp độ nano, vật liệu có tính đặc biệt mà vật liệu truyền thống thu nhỏ kích thước việc tăng diện tích mặt loại vật liệu Hình 1: Hình ảnh cấu trúc nano Mấy nét phác hoạ công nghệ nano gây cho bạn đọc câu hỏi đột phá quan trọng lại không làm chấn động đến móng khoa học tí nào? Đúng công nghệ nano không trái tí với thuyết tương đối thuyết lượng tử, hai thuyết khoa học đại, mà ngược lại công nghệ nano phát triển chứng tỏ sâu sắc tính đắn hai thuyết Ý tưởng công nghệ nano đưa nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho khoa học vào chiều sâu cấu trúc vật chất đến phân tử, nguyên tử vào sâu Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” bắt đầu sử dụng vào năm 1974 Nario Taniguchi nhà nghiên cứu trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả chế tạo cấu trúc vi hình mạch vi điện tử Công nghệ nano manh nha với ý tưởng mẻ dựa tri thức nguyên tử, phân tử sau thuyết lượng tử thuyết tương đối, hoàn chỉnh, khoảng ba, bốn thập kỷ Người ta thường nhắc đến ý tưởng R.Feynman, giải thưởng Nobel vật lý học người Mỹ, thuyết trình tiếng (29/12/1959), Hội nghị hàng năm Hội vật lý Hoa kỳ, với nhan đề “The’s Plenty of Room at the Bottom” Ý tưởng báo cáo trên, gọn lại, khoa học vào chiều sâu cấu trúc vật chất dến phân tử, nguyên tỏ sâu Vậy không hướng công nghệ phía “vi tiểu hình hoá” (miniaturization) loại máy móc công cụ lao động tinh xảo lao động sản xuất đời sống? Hãy học hệ sinh học kỳ diệu biết bao, phân tử máy nhân bản, lắp ráp tái sinh sống Tiếp theo Feynman cho việc thu nhỏ kích thước nói không trái với quy luật vật lý đại, có tính khả thi nhờ trang thiết bị tinh vi chế tạo Tác giả thuyết trình phác tranh viễn tưởng hấp dẫn tác động xã hội hướng công nghệ Ví dụ cần chiều 4÷ nguyên tử, nghĩa khoảng 100 nguyên tử dể ghi bít thông tin, toàn thông tin mà nhân loại tích tụ lúc (1959), tuơng đương khoảng 24 triệu sách bách khoa thư hay 1015 bit, lưu trữ hạt bụi nhỏ Cuối Feynman nói đến khả xếp vị trí nguyên tử hiểu hành vi nguyên tử cấu trúc nhỏ bé (mà ngày ta gọi cấu trúc nano) cho quy luật vật lý không trái với khả nói Có thể nói, ý tưởng Feynman tạo xung lực định cho hình thành tảng tư công nghệ nano Đặc biệt, thành tựu to lớn cua sinh học phân tử phát minh loại kính hiển vi STM, AFM, kẹp laze thực làm cho ý tướng biến thành thực II Công nghệ nano, sở khoa học chủ yếu Tại chương 1, trình bày cấu trúc nanô, để cập khái quát số vấn đề khoa học dùng làm sở cho công nghệ nano Dưới giới thiệu chi tiết sở khoa học chủ yếu dùng để phát triển công nghệ nano 2.1 Sự chuyển tiếp cổ điển – lượng tử Bài toán nguyên tử phản tử gồm nguyên tử toán lượng tử Trong công nghệ vi điện tử, toán thang micromet Giả sử khối lập phương cạnh lim có khoảng 1012 nguyên tử, nghĩa toán “trởthànhcổđiển” hiệu ứng lượng tử nguyên tử trung bình hoá số lớn (1012 nguyên tử) bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên Bởi công nghệ vi điện tử (công nghệ micro) sở phân tích khoa học thiết kế thực theo công thức cổ điển Các cấu trúc nano (kích thước khoảng – l00nm) chứa tập hợp nguyên tử nhiều so với cấu trúc micro, chí nguyên tử, phân tử Bởi việc ứng dụng quy luật vật lý thiết kế bắt buộc phải vận dụng nguyên lý lượng tử Ví dụ hạt nano coi chấm lượng tử mô thành hốthếlượngtử, nghĩa giống “dải nguyên tử” tập hợp có mức lượng gián đoạn Một lớp nano bán dẫn (màng mỏng bán dẫn) có bề dày vào khoảng 1÷100 lớp nguyên tử làm xuất hiệu ứng lượng tử theo bề dày Lớp nano bán dẫn có hạt dẫn (điện tử lỗ trống) hình thành khí điện tử hai chiều, đưa đến nhiều hiệu ứng chưa có trước (ví dụ hiệu ứng Hall lượng tử) Do chuyển sang quy luật cấu trúc nano, nên dùng nguyên tử, phân tử, chấm lượng tử để ghi thông tin ghi bit cổ điển thông thường mà ghi bit luợng tử (còn gọi qubit - quantum bit) Bởi máy điện toán lượng tử thực với cấu trúc nano Rất nhiều ứng dụng dựa tính chất lượng tử cấu trúc nano trình bày chương sách này, đặc biệt lĩnh vực kỹ thuật điên tử, kỹ thuật linh kiện tử Trong lĩnh vực điện toán hứa hẹn ứng dụng kỳ diệu với linh kiện chức đa dạng Có thể nói cấu trúc nano trạng thái độc đáo vật liệu cho phép chế tạo nhiều loại sản phẩm hoàn toàn cần thiết cho công nghệ cao Như công nghệ không ỉà thu nhỏ kích thước công nghệ micro mà khám phá nhiều bí mật chiều sâu cấu trúc vật chất 2.2 Hiệu ứng bề mặt Các cấu trúc nano có kích thước nhỏ nên chúng xếp “cô đọng” gắn kết đông đặc, cần thiết vi lỗ xốp Tính chất đặc biệt vật liệu cấu trúc nano có nguyên nhân tương tác điện - từ chúng qua lớp bề mặt hạt nano cạnh Lực tương tác nhiều trường hợp lớn lực tương tác Vander Waals Sự cô đọng cùa cấu trúc nano có lợi cho việc tăng tốc độ truyền tải thông tin hệ thống cấu trúc nano Riêng đại phân tử sinh học, kết hợp với hiệu ứng bề mặt làm cho cấu trúc chúng trở nên phức tạp Độ phức tạp cao cấu trúc chúng phân tích nguyên lý khoa học tầm sâu Một toán bề mặt quan trọng tương tác bề mặt giá đế (substrate), mà có cấu trúc nano, với nguyên tử cấu trúc nano Bề mặt giá đế thường có độ gồ ghề định mà nguyên tử hấp phụ bề mặt di động tới vị trí nâng thấp Tính chất ảnh hưởng đến việc “sấp xếp” nguyên tử giá đế theo cấu trúc nano định trước Những tính chất bề mặt làm cho việc “lắp ghép” cấu trúc nano trở nên phức tạp làm tăng thêm tính phức tạp hệ vốn phi tuyến, dẫn tới tính chất hoàn toàn cấu trúc 2.3 Hiệu ứng kích thước (Size effect) Các vật liệu thường đặc trưng số đại lượng vật lý không đổi, ví dụ độ dẫn điện kim loại, nhiệt độ nóng chảy, từ độ bão hoà vật liệu sắt từ Nhưng đại lượng đặc trưng không đổi kích thước vật đủ lớn thang nano Khi giảm kích thước vật xuống đến thang nano, tức vật trở thành cấu trúc nano đại lượng đặc trưng nói không bất biến nữa, ngược lại chúng thay đổi theo kíchthước gọi hiệuứngkíchthước Ví dụ bề dày cùa lớp kim loại thang nano nhỏ độ dẫn điện giảm so với độ dẫn điện kim loại đó, vật có kích thước lớn Sự giảm theo kích thước giải thích vai trò tán xạ điện tử bề mặt tăng bề dày lớp nano giảm Đã có nhiều nghiên cứu hiệu ứng kích thước vật liệu từ, vật liệu siêu dẫn III Đột phá kỉ Trong nghiên cứu tổ chức Liên Hiệp Quốc bảo trợ dự báo vấn đề kinh tế - xã hội thiên niên kỷ thứ ba, chuyên gia báo cáo công nghệ nano năm ngành công nghệ đột phá có tác dụng tích cực nhất, vòng 25 năm tới, kinh tế giới Dự báo dựa vào kiện sổ nước tham gia chạy đua vào đầu tư nghiên cứu công nghẹ nanô tăng mạnh hàng năm, số phát minh tăng vọt doanh số lĩnh vực công nghệ nano năm 2001 đạt 45 tỷ USD Dưới giới thiệu số ứng dụng công nghệ nano số lĩnh vực sản xuất đời sống 3.1 Công nghệ thông tin truyền thống (ICT), linh kiện điện tử cảm biến (sensor) Công nghệ thu nhỏ phần tử tích cực (tranzito) chip đạt tới giới hạn mức 0,1.10-7 trở nên đắt sử dụng quy trình oxy hoá, quang khắc, khuếch tán để chế tạo vi xử lý, loại RAM, ROM (bộ nhớ) Do công nghệ nano, vừa lối thoát, vừa bước nhảy vọt để chế tạo linh kiện nòng cốt điện toán chuyển mạch viễn thông Thay vào tranzito linh kiện hoàn toàn chế tạo: đơn giản rẻ tiền mà đồng thời tính cao hẳn vài bậc Chọn hai mức xác định, điệ tử mức ta có trạng thái 1, điện tử mức ta có trạng thái Như chấm lượng tử trở thành linh kiện có trạng thái (0;1) tức dùng để ghi bit tranzito Các chấm lượng từ nghiên cứu kỹ từ nhiều năm nay, có nhiều sách loại linh kiện chế thử chip với chấm lượng tử gọi chip nano (nanochip) Điều quan trọng độ tích hợp chip nano cao Nếu chất có kích thước l0nm chip với diện tích lcm2 có 1012 chấm tức dùng để xử lý, ghi 1000 Gigabit Nếu chấm lượng tử lại chế tạo mức tinh vì, chiều nanomét, mà lại xếp ba chiều, linh kiện lem (bằng cục đường ngọt) lưu trữđược 107×107×107 = 1021 = 1000 tỷtỷbít, tứclàtoànbộ thông tin tất cà thư viện giới ghi “cục đường” Đây nói nguyên tắc, thực tế không đơn giản Ngoài chấm lượng tử nhiều phương án thay khác spin điện tử, độ phân cực photon, momen từ phân tử, đoạn phân tửADN Chúng có kích thước vào loại nanomét điểu khiển hai trạng thái (0;1) để ghi bit thông tin Cùng với ứng dụng làm đột biến công nghệ thông tin truyền thông nói linh kiện nano (nano devices) làm đảo lộn hàng loạt ngành quan trọng sản xuất Ví dụ: Với cảm biến nano (nanosensor) chế tạo "cái mũi đánh hơi" nhậy mũi chó nhiều cấp, mà có tính lọc lựa (ma tuý, thuốc nổ ); linh kiện nano làm phát triển nhanh lĩnh vực điều khiển tự động hóa dùng cấu vi điệntử (MEMS - Microelectromechanical systems), nano ca điệntử (NEMS) Với thu nhỏ vi xử lý nhớ, máy điện toán thu nhỏ kích thước gọi máyđiệntoán nano, công suất tính toán dung lượng nhớ tãng lên hàng nghìn chí hàng triệu lần so với Hiển nhiên loại máy điện toán nano không bàn phím chuột, mà thay vào điều khiển lệnhnói Màn hình hiển thị lớn, gắn tường, giải trí Còn làm việc làm máy siêu tính gài gọng kính mà hiển thị mắt kính Một dự án quan trọng hiển thị ba chiều (3D - display) thực Màn hiển thị phải giống cửa sổ, nhìn vào ta cảm nhìn qua cửa sổ để thấy hình ảnh chiều mặt đất - bầu trời bên Trở nguyên lý, ta thấy thông tin điểm không gian gửi ánh sáng đến mắt ta gồm ba thành phần: tần số (màu sắc), độ sáng (biên độ) pha Hình ảnh chiều cho tần số độ sáng mà thông tin pha, Muốn có hình ảnh chiều phải lập lại thông tin pha Dự án hiến thị chiều có nhiệm vụ phải điều khiển pha Công nghệ nano mở khả này, tức xử lý pha loại hình gọi dãyđiềukhiển pha (Phased arrays display) Như hình gồm hàng chục triệu điểm nano (các điểm có kích thước nanomet), chiếu chùm ánh sáng kết hợp (ánh sáng laze) từ phía sau hình đồng thời ba thông tin (tần số, cường độ sáng, pha) siêu tính điều khiển để người xem nhìn vào thấy nhìn qua cửa sổ, thấy cảnh vật chiều thực tế diễn Trên chí số kết công nghệ nano lĩnh vực công nghệ thông tin truyền thông Hàng ngày, theo dõi Internet thấy có hàng chục phát minh công nghệ thông tin truyền thông dựa công nghệ nano công bố 3.2 Y tế nano Vì tính chất mẻ cấu trúc nano (có kích thước đặc trưng cỡ nanomét) người ta vận dụng cấu trúc để chữa bệnh, mà trước chữa hiệu Khi bị viêm nhiễm khuẩn vị trí thể, ta phải tiêm loại thuốc kháng khuẩn vào mạch máu có phần phân tử thuốc đến vị trí có viêm, phận khác thể phải nhận cách vô ích lượng tương đương phân tử thuốc Việc hay dẫn đến hiệu ứng phụ nguy hiểm Vậy làm phân tử thuốc đến tập trung vào địa cần đến Người ta phát hạt nano từ tính giúp giải việc Trước hết phải chế tạo hạt có kích thước nanomét mà lại mang từ tính (ví dụ phương pháp hóa cho kết tủa hợp chất oxýt sắt) Các hạt nanô từ đượcchế biến cho có thê móc nối (liên kết) với cấc phân tử loại thuốc cần dùng Như hạt nano từ đóng vai trò xe tải kéo rơ - moóc phân tử thuốc Chỉ việc dùng từ trường (hoặc nam châm) hướng "xe tải" nano kéo thuốc đến địa Như hiệu trước Đặc biệt với ung thư tế bào ung thư bị công mạnh mẽ tập trung phân tử hóa chất mạnh, tránh hiệu ứng phụ gây cho tế bào lành Hình 2: Lớp vỏ proteincủa loại virutở đậu gọi virutCCMV (Cowpea Chlorotic mottle virus) có thểnhận dạng tế bào ung thư Nếu bọc thuốc diệt tê bào ung thư vào vỏ bọc nanô thìcó thểđìệt tê' bào ung thư mà không gây hại tế bào lành Có số vi chất cần cho thể phất triển bình thường Tuy nhiên loại vi chất tiếp thu việc ăn rau Ví dụ selen loại vi chất cần thiết cho hệ miễn nhiễm rau Mặc dâu khoáng chất chứa selen có nhiều chúng thường độc Gần Thượng Hải Trung Quốc sản xuất bán loại thuốc để bổ sung vi chất selen tăng cường sức khoẻ có tên Xi Wang, hạt selen nano gói lóp vỏ đặc biệt, đóng thành viên sử dụng theo đường uống Khi vào hệ tiêu hóa hạt selen nano thấm vào máu phát huy tác dụng, không gây hiệu ứng phụ không độc hại selen thông thường Đối với việc sửa sang sắc đẹp hình thành ngành nano phẫu thuật thẩm mỹ (cosmetic nanosurgery) Trước ta thường nghe nói vi phẫu thuật thẩm mỹ mổ xẻ nhỏ (tiểu phẫu) để bóc mỡ thừa, căng da, xoá nếp nhăn, mài vết sạm, đổi màu tóc da Đây thị trường có sức hấp dẫn mạnh, công nghệ kiệt xuất đời công nghệ nano Hiện dùng nhiều loại thuốc thẩm mỹ loại hạt nano để làm thẩm mỹ bảo vệ da Ví dụ thương mại hóa loại kem chống tia tử ngoại, loại kem bôi có chứa hạt nano oxýt kẽm ZnO Loại kem suốt với phần bước sóng dài ánh sáng (đỏ, da cam ) nên da dẻ bắt màu nâu đẹp Nhưng hạt nanp oxýt kẽm ngăn chặn tia tử ngoại (bước sóng ngắn) tới da gây ung thư da Nghiên cứu chế tạo máy kích thước phân tử gọi máy nanô (chính máy phân tử) việc chữa bệnh, phẫu thuật tuyệt diệu mức mà khó hình dung Y tế nano nhằm vào mục tiêu xúc sức khoẻ người, bệnh di truyển có nguyên nhân từ gen, bệnh nan y HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, bệnh lan rộng béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkinson), trí nhớ (Alzheimer) Mới phòng thí nghiệm Ôxtrâylia chế tạo Inxulin nano, tức phân tử inxulin chế thành hạt nano Như vậy, trước người trẻ mắc chứng tiểu đường loại I {tip I) phải hàng ngày chích inxulin cần hít bột inxulin nano tiện lợi Người ta hi vọng 1, thập niên đầu kỷ công nghệ nano mang lại phương tiện để chữa bệnh ung thư bệnh HIV/AIDS 3.3 Những ứng dụng kì diệu công nghệ nano Vật liệu nano, bao gồm nano, sợi ống nano, hạt nano chế tạo nhiều cách, kết phong phú có nhiều bất ngờ, giá thành giảm nhanh, ví dụ kg sắt nano trước giá khoảng 500 USD, chi khoảng 50 USD Các cách chế tạo vật liệu nano thường là: phóng điện hồ quang, phóng điện plasma, ngưng tụ từ pha hơi, phương pháp kết tụ soi gels, điện phân, nghiền bi Một khâu then chốt phải đo kích thước đặc trưng vật liệu có phạm vi nanomét không sau đạt phải cách li cho chúng không dính lại, vón lại với làm mất"tính chấtnano" Để đo kích thước dùng hiển vi điện tử quét, thuận tiện dùng kính hiển vi quét xuyên hầm hay hiển vi tunen STM- Scanning Tunelling Microscope) kính hiển vi lực nguyên từ (AFM - Atomic Force Microscope) Những ngưcti chế STM dã giải Nobel Các thiết bị STM, AFM dùng thuận tiện, không đòi hỏi phải có chân không cao Độ xác cao tới + 0,01 nanomét (tức 0,1 Angstrom) Giá chúng lại vừa phải (khoảng vài chục ngàn USD cái), mua cấu kiện để lắp ráp nưóc ta có đề tài nghiên cứu lắp ráp thửhai loại kính hiển vi triển vọng khả quan 10 Hình2: Mũi nhọn dùng để rà chụp nguyên tử kính hiển vi lực nguyên tử đầu nhọn có nguyên tử Các hạt nano thường bọc lớp vỏ polime sử dụng tự động lớp vỏ Đẻ làm việc tinh vi có nhiều xảo thuật kể việc hạt nano gói vỏ protein vi rút Các hạt nanô nhiều hợp chất có nhiều ứng dụng kỳ diệu Kính phủ lớp hạt nanô không dính nước, có lợi dùng loại kính xây dựng, chế tạo ô tô Các loại sơn có pha hạt nano có độ bám dính cao làm cho lớp sơn bền lâu Đặc biệt sử dụng hạt nano để xử lý sợi có loại vải không dính nước bụi không bám Có loại vải nhờ chế biến công nghệ nano tự biến màu theo hoàn cảnh để làm vải ngụy trang Các hãng may mặc lớn Mỹ, Thụy Sĩ, Đài Loan chạy đua sản xuất loại vải để sớm tung sản phẩm thị trường vài năm tới Không thể kể hết ứng dụng kỳ diệu vật liệu nano công bố hàng ngày báo chí khoa học internet, lĩnh vực đời sống sản xuất Tuy nhiên không nói đến hai loại vật liệu nano thịnh hành công nghiệp Đó ống nano cácbon (carbon nanotube) vật liệu hạt tinh thể nano (nanocrystalline materials) Chúng ta biết cacbon có loại thù hình kim cương, than chì, sợi thêm loại ixulơren ống nano cácbon Chúng nguyên tử cacbon xếp khác mà thành, ống nano cacbon ống "mắt cáo" nguyên tử sấp xếp thành ống có đường kính khoảng 1nm (10-9m) Chúng ống đơn (chỉ có lớp) ống nhiều lớp ống nano cacbon có nhiều tính tuyệt diệu: dẫn điện tốt pha tạp trở thành siêu dẫn, độ bền cao thép nhiều, chịu nhiệt độ cao tốt 11 Hình 3: Ống nanô cacbon, bề ngang 1,4nm Trước mắt Ống nanô cacbon nghiên cứu ứng dụng để làm linh kiện điện tử (tranzito FET), chip vi xử lý có độ tích hợp cao, nhớ lớn Ông nanô cácbon đùng để chế tạo loại compozit siêu bền Sự phát ống nano cacbon dẫn đến phát nhiều loại vật liệu khác chế tạo thành ống nano Điều đặc biệt mẻ ống có đường kính cỡ nanomét nên chúng có hành vi lượng tử gọi dây lượng tử (quantum wire) Các dây lượng tử có độ dẫn điện cao đồng Gần điện hàng loạt Mỹ Ý dẫn đến ý tưởng Richard Smalley thay cáp dẫn điện sợi lượng tử (sợi ống nano) có độ dẫn điện đồng trọng lượng nhỏ, kết hợp với cảm biến nano, tránh cố mạng lưới điện bị rã Các vật liệu hạt tinh thể nano vật liệu kết tinh kiểm soát cho hình thành hạt tinh thể cực nhỏ, có kích thước nanomét, nến phi tinh thể Khi có hạt nano làm cho vật liệu không lỗ trống (dù lỗ nano) chúng trở nên có độ bền độ cứng siêu cao Đồng thời tính linh động hạt nano nhiệt độ phù hợp, vật liệu lại trở nên dễ gia công theo hình dạng phức tạp Các vật liệu gốm nano - tinh thể SiHN4 (Silicon Nitride) có độ cứng > BOGPa (nghĩa gần kim cương - 100 GPa) Các vật liệu nanô - tinh thể SiC cũag Nếu dùng vật liệu máy công cụ làm dao cắt gọt, ổ bi, lò so thực làm thay đổi hẳn ngành khí chế tạo Bên cạnh loại gốm hạt nano - tinh thể Zr02 lại có tác dụng chịu nhiệt cao mà giữ độ cứng lớn Chúng dùng làm lớp phủ xilanh động đốt trong, giữ nhiệt độ cao làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn, đạt hiệu suất động cao, mà lại làm giảm ô nhiễm môi trường Bêtông hạt nano lấp đầy lỗ xốp loại siêu bền không cần có cốt thép 12 IV Máy nano công nghệ nano phân tử Trước khoảng tỷ năm chưa có sống, Trái Đất trơ trụi hành tinh chết Rồi sống phát triển, rừng xanh với muôn loài chung sống mà người động vật có trí tuệ xuất cách vài triệu năm Ta tự hỏi tự nhiên phát triển loại công nghệ để thay đổi Trái Đất từ chỗ trơ trụi đến trạng thái vô phong phú với hệ sinh thái đa dạng Sinh học đại, sinh học phân tử chứng tỏ công nghệ tự nhiên tạo sống phát triển ngày trình tiến hoá hàng tỷ năm dựa việc phát triển loại phân tử sống thành loại máy móc, mà ta gọi nano kích thuớc loại phân tử cỡ nanomét “Hòn gạch” sống tế bào, tế bào phát thấy loại máy nanô sau : Phân tửADNcủa gien máy nano, lưu trữ sở liệu toàn thể sống sinh vật a) b) Các phân tử ARNm máy nano chép từ ADN thông tin loại phân tử protein cần chế tạo Các phân tử t ARN máy nano đặc hiệu cho loại phân tử axit amin để vận tải loại phân tử đến nơi lắp ráp phân tử protein c) d) Các phân tửRibosomlà máy nanô thực việc lắp ráp phân tử protein cần sản xuất, theo bàn thiết kế phân tử ARNm e) Các phân tử ATP có vai trò máy nanô sàn xuất lượng để cung cấp cho trình lắp ráp protein Hình 4: Máy nano phân tử tế bào có tên Ribosom chức lắp ghép phân tử protein sống 13 Các loại máy nano phân tử máy tự nhân (replicator) thành sô lớn giống hệt theo yêu cầu quy trình gien quy định Quá trình lắp ráp theo công nghệ nano - phân tử tự nhiên có đặc tính là: 1) Từ nhỏ lên to: tất sinh vật tế bào Con người tế bào trưởng thành có đến 100 ngàn tỷ tế bào 2) Tất chất thải dều tái chê không gây ô nhiễm môi trường Trái lại công nghệ mà loài người sáng tạo ngược lại: 1) Từ to xuống nhỏ: muốn có bát cơm phải phá hàng rừng, muốn làm nhà phải phá núi để có xi măng, đào hầm sâu vào lòng đất để có than, dầu để có điện chưa kể hứng thú làm kim tự tháp, đắp vạn lý trường thành, làm tháp chọc trời 2) Ngay công nghệ chế tạo mạch vi điện tử, tinh vi phức tạp, thực “từ to xuống nhỏ”: bắt đầu nhà máy hoá chất đồ sộ chế tạo khí silane (SiH4 tinh khiết), từ khí chế tạo ra) khối silic đa tinh thể, khối silic đa tinh thể cho vào lò kéo đơn tinh thể để có thỏi đơn tinh thể to dài cỡ chuối lớn (đường kính 200 ÷ 300mm), sau đem cưa cắt lát thành đĩa mỏng (wafer), trình xử lý tinh vi, phức tạp để có từ đĩa nói khoảng vài trăm chip (mạch vi điện tử) với chip có điện tích khoảng vài chục đến trăm milimet vuông Chất thải chồng chất, ô nhiễm khắp đất trời, có nguy Trái đất lại trở tình trạng trơ trụi ban đầu Từ cuối kỷ trước loài người biết phát triển bền vững với công nghệ cũ Có tranh luận sôi xảy Một xu cho phải học tập tự nhiên, phát triển toàn diện công nghệ nano phân tử sản xuất đời sống, vô hiệu không ô nhiễm, bảo đảm hạnh phúc lâu dài Xu hướng ngược lại cho ảo tưởng, loài người bắt chước tự nhiên chưa biết hết quy luật tự nhiên Dưới trình bày chi tiết tranh luận hai trường phái Drexler Smalley, nhắc đến mục chương Theo ý tưởng trường phái Drexler nanobot hoàn toàn khả thi, cần nắm quy luật khoa học nano xếp nguyên tử theo ý muốn Khi ráp thành máy lắp ráp (assembler), máy lại tự lắp ráp chínhnó thành máytự nhân (replicator) Mô hình máy lắp ráp, máy tự nhân có sẵn tế bào, hệ phân tử ribosome Các máy lắp ráp hoạt động theo thông tin mà nhận nhận nhiệm vụ kịch sau: lượng định khối lượng công việc để định số nanobot cần có để nhân bản, tiến hành từ nhân vật chất, tức loại nguyên tử sẵn có xung quanh hyđro, oxy, cacbon, nitơ, vi chất khác sau tiến hành lắp ráp theo chương trình hoàn thành nhiệm vụ Giả dụ có đống rác lớn, cần tái chế để vừa bảo vệ môi 14 trường, vừa tạo vật liệu tái chế quý giá Muốn phải đưa vào đống rác luợng nanobot cần thiết với chương trình phần mềm trình xử lý kèm theo Một số máy nano giới dạng đơn giản NEMS chế tạo Bây trở lại ví dụ xử lý đống rác nói Với nanobot thực 109 thao tác nguyên tử giây, nanobot xử lý (109/số Avogadro) × (phân tử gam) rác (109/6.1023)30g giãy 5.10-l4g giây Nếu bắt đầu cho nanobot tự nhân bản, giây hệ mới, vòng phút 60 giây, số nanobot sinh 1018 Sau số xử lý rác xong 5.10-14.10l8g giây, tức 50 kg giây chúng xử lý xong 18 rác Nếu muốn nhanh cho chúng tự nhân lâu Nếu Drexler, dựa ý tưởng Feynman, chứng minh dự báo tính khả thi việc chế tạo nanobot phát triển công nghệ chế tạo phân tử, thực bước đột biến lớn, đạicáchmạng công nghệ toàn lịch sử loài người Thế nhưng, chưa thấy xuất thực tế mẫu thực nghiệm nanobot, dù đơn giản Phái đối lập dản đầu Smalley, cho ý tưởng Drexler ảo tưởng Theo Smalley để gắp nguyên tử phải dùng kẹp, dù tinh vi đến dàu phải thô nguyên tử dù kẹp làm chùm laze Đã thô hơn, kẹp đặt nguyên tử vào chỗ vừa đủ cho nguyên tử nguyên tử chuyển động “loãng quăng” Ta hiểu ý hình ảnh dùng hai gậy tre để gắp chuột nhắt chạy thả trúng vào miệng lọ Mặt khác, dù có gắp chuột, chạy gậy mà không chịu rơi vào lọ Tóm lại phái Smalley cho việc lắp đặt vị trí cho nguyên tử nanobot hoàn toàn vô nghĩa Quả thực gần công luận Mỹ chưa thấy phản đối trường phái Smalley có tính thuyết phục Điều đáng ngạc nhiên phái Smalley không nói đến sinh học phân tử, thấy rõ hoạt động máy nano phân tử tự nhân lắp ghép protein Chắc hẳn có người nghĩ rằng, việc lắp đặt vị trí cho nguyên tử công việc chúng sinh mà thuộc tài ba “đấng tối cao” đó? Qua tranh luận gay gắt hai trường phái nói lại thấy rõ xuất trở lại câu hỏi lớn thời đại Đó điểu kiện tiên để tiến từ giới vô sang giới sống Cách 120 năm Ph.Ăng-ghen viết lời nói đầu tác phẩm biệnchứngcủatự nhiên:" với điều kiện hoá học tiên thuận lợi khác, chất nguyên sinh sống hình thành Những điều kiện tiên đến chưa biết” 15 Cuối vấn đề chế tạo nanobot có nên chế tạo chúng không? Một lo ngại đáng kể dấy lên dư luận Giả dụ nhầm lẫn chế tạo loại nanobot “ác quỷ”, chúng tự nhân vô hạn cách lấy tất nguyên tử xung quanh, tức phá hỏng tất thứ mặt đất cách nhanh chóng ghê gớm, không cưỡng lại mật trái đất lại lớp “Grey Goo” (lớp nhớp nháp màu xám) Phải mối lo viễn tưởng? Dù tiến công nghệ cần thông tin đầy đủ minh bạch trước công luận với tinh thần trách nhiệm cao nhà khoa học 16 KẾT LUẬN Nhu cầu phát triển công nghệ nói chung công nghệ NANO nói riêng đặt cho nhà khoa học nhiều vấn đề mới, mang tính tổng hợp, liên ngành Một sản phẩm công nghệ coi thành công hay có nhiều hứa hẹn phát triển tảng phát triển nó: sử dụng rộng rãi, đem lại hiệu kinh tế để "lấy ngắn nuôi dài", đưa trình độ công nghệ lên tầm cao Việc mở rộng khái niệm cỗ máy đến mức xoá ranh giới phân chia giới sống giới sống, vấn đề thường gặp lĩnhvực công nghệ NANO, chuyện viễn tưởng Ở Việt Nam, tiếp cận với công nghệ nano năm gần có bước chuyển tạo sức hút lĩnh vực đầy cam go, thử thách Nhà nước dành khoản ngân sách lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với tham gia nhiều trường Đại học Viện nghiên cứu Công nghệ nano bước tiến vượt bậc công nghệ, tạo ứng dụng vô kỳ diệu tạo nhiều hội hơn, bên cạnh có thách thức đặt thảm họa môi trường khả phát triển vũ khí lọai với sức tàn phá không so sánh Tuy nhiên, người ngày hướng nhiều với thiện nên hy vọng công nghệ nano mang lại hạnh phúc cho nhân loại nhiều 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh Công nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử NXB – Khoa học kỹ thuật, 2004 http://suckhoedoisong.vn/20111201030819169p-1c19/cong-nghe-nano-vanhung-ung-dung-trong-tuong-lai.htm http://vietbao.vn/The-gioi/Cong-nghe-nano-se-lam-thay-doi-the-gioi-trongthe-ky-21/40117477/159/ http://www.baomoi.com/Vat-lieu-Nano-trong-cong-nghiep-dien-tu-nangluong-va-moi-truong/53/6063645.epi http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/cong-nghe-nano-la-gi.792497.html 18 ... Trên chí số kết công nghệ nano lĩnh vực công nghệ thông tin truyền thông Hàng ngày, theo dõi Internet thấy có hàng chục phát minh công nghệ thông tin truyền thông dựa công nghệ nano công bố 3.2 Y... viễn tưởng? Dù tiến công nghệ cần thông tin đầy đủ minh bạch trước công luận với tinh thần trách nhiệm cao nhà khoa học 16 KẾT LUẬN Nhu cầu phát triển công nghệ nói chung công nghệ NANO nói riêng... 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