ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ HỘI

Bảng chữ viết tắt ARRA Luật Phục hồi tái đầu tư nước Hoa Kỳ IWGN Nhóm cơng tác liên quan khoa học, kỹ thuật công nghệ nano Hoa Kỳ KH&CN Khoa học công nghệ NASA Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ NC&PT Nghiên cứu phát triển NNI Sáng kiến công nghệ nano quốc gia Hoa Kỳ NSF Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ NSTC Hội đồng khoa học công nghệ quốc gia Hoa Kỳ SCI Cơ sở liệu trích dẫn khoa học USPTO Cơ quan sáng chế nhãn hiệu hang hóa Hoa Kỳ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ HỘI Giới thiệu Công nghệ nano công nghệ điều khiển tái cấu trúc vật chất thang độ nano, với phạm vi kích thước nguyên tử phân tử khoảng từ đến 100 nm, nhằm tạo nên vật liệu, thiết bị hệ thống với đặc tính chức nhờ vào cấu trúc nhỏ bé chúng Báo cáo "Nano1" năm 1999 mang tên "Các định hướng nghiên cứu công nghệ nano: triển vọng công nghệ nano thập kỷ tiếp theo" mô tả cơng nghệ nano lĩnh vực đa ngành, có tảng sở rộng dự đoán đạt đến sử dụng phổ biến vào năm 2020 Bản báo cáo đưa cách tiếp cận giáo dục, đổi mới, học hỏi điều hành, nhận định lĩnh vực dẫn đến cách mạng hóa nhiều khía cạnh khác đời sống người Cơng nghệ nano tác động sâu sắc đến nhiều mặt đời sống người, từ sức khỏe, đến cách thức sản xuất, phương thức thông tin liên lạc, lượng môi trường Mười năm trôi qua kể từ Hội đồng khoa học công nghệ quốc gia Hoa Kỳ công bố Báo cáo "Nano1" đề cập đến triển vọng công nghệ nano Trong thập kỷ tiến trình phát triển cơng nghệ nano, nghiên cứu phát triển lĩnh vực công nghệ nano đạt tiến đáng kinh ngạc cách rõ ràng tiềm Dựa Báo cáo "Nano2" Hội đồng, Cục Thông tin KH&CN quốc gia biên soạn tổng quan "ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ HỘI", để giới thiệu tiến công nghệ nano mà giới đạt thập kỷ trước khám phá hội phát triển công nghệ nano Hoa Kỳ toàn giới thập kỷ Tổng quan tóm tắt thành tựu đạt với số liệu đầu tư NC&PT công nghệ nano kể từ năm 2000, mô tả mục tiêu kỳ vọng NC&PT công nghệ nano thập kỷ tới xa hơn, đưa phương thức thực bối cảnh nhu cầu xã hội công nghệ khác Xin trân trọng giới thiệu độc giả CỤC THÔNG TIN KH&CN QUỐC GIA I TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆ NANO TỒN CẦU VÀ XÚC TIẾN CƠNG NGHỆ NANO CỦA HOA KỲ Sự hình thành định nghĩa mang định hướng nghiên cứu công nghệ nano Báo cáo "Nano1" Tầm nhìn cơng nghệ nano năm 1999 HĐKH&CNQG Hoa Kỳ truyền cảm hứng cho hình thành Xúc tiến cơng nghệ nano quốc gia Hoa Kỳ loạt chương trình NC&PT quốc gia khác Việc thiết lập kiến thức tảng thang độ nano trở thành mục tiêu cộng đồng nghiên cứu cơng nghệ nano thập niên đầu kỷ 21 Đến năm 2009, nguồn kiến thức thiết lập sở đóng góp cho gần phần tư thị trường giới trị giá nghìn tỷ đơla, có gần 91 tỷ USD thuộc sản phẩm Hoa Kỳ tích hợp cấu phần kích thước nano Cơng nghệ nano tiến nhanh chóng để trở thành công nghệ đa (general-purpose technology) vào năm 2020, bao gồm bốn hệ sản phẩm với tính phức tạp động học cấu trúc ngày tăng, là: (1) cấu trúc nano thụ động, (2) cấu trúc nano chủ động, (3) hệ thống nano, (4) hệ thống phân tử nano Vào năm 2020, tích hợp gia tăng lĩnh vực khoa học phạm vi nano kiến thức kỹ thuật với hệ thống nano dự đoán dẫn đến triển vọng ứng dụng rộng rãi công nghệ nano ngành công nghiệp, lĩnh vực y học tính tốn, việc hiểu biết bảo tồn thiên nhiên tốt Sự phát triển cơng nghệ nano nhanh chóng toàn giới chứng cho thấy sức mạnh chuyển hóa việc nhận dạng khái niệm hay xu dự báo triển vọng kết hợp lĩnh vực nghiên cứu khoa học khác Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (NSF) thành lập chương trình hạt nano vào năm 1991 từ năm 1997-1998 tài trợ cho chương trình đa lĩnh vực mang tên "Hợp tác lĩnh vực công nghệ nano" (NSF 1997) Tuy nhiên, đến năm 1998-2000, số phân mảng lĩnh vực khoa học kỹ thuật phạm vi nano tập hợp với dựa hợp định nghĩa khoa học công nghệ nano với Tầm nhìn 10 năm NC&PT cơng nghệ nano Báo cáo NSF "Các định hướng nghiên cứu công nghệ nano" thông qua vào năm 2000 coi văn kiện thức HĐKH&CNQG Hoa Kỳ Đây bước tiến quan trọng hướng đến việc hình thành cơng nghệ nano công nghệ định nghĩa (defining technology) Thế kỷ 21 Định nghĩa cơng nghệ nano trí vào năm 1998-1999 sau lấy ý kiến chuyên gia từ 20 nước giới đạt chấp nhận quốc tế Định nghĩa dựa hành vi khác thường vật chất lực nhà khoa học việc tái cấu trúc vật chất phạm vi độ dài trung gian Định nghĩa khác với định nghĩa sử dụng trước năm 1999 trọng vào đặc điểm nhỏ bé kích thước cho trước, vào thao tác kỹ thuật siêu xác, siêu phân tán việc hình thành mơ hình ngun tử phân tử bề mặt Tầm nhìn có phạm vi quốc tế công bố năm 1999 hướng dẫn đạo cho khám phá đổi sáng tạo lĩnh vực đa ngành đa lĩnh vực Định nghĩa trở nên rõ ràng sau có khoảng 60 nước giới phát triển hoạt động công nghệ nano, thiếu định nghĩa với tầm nhìn dài hạn tương ứng cơng nghệ nano phát triển với tốc độ nhanh theo lộ trình phát triển thống khái niệm Định nghĩa công nghệ nano đưa báo cáo "Các định hướng nghiên cứu công nghệ nano, 1999" sau: “Công nghệ nano khả điều khiển tái cấu trúc vật chất thang độ phân tử nguyên tử phạm vi xấp xỉ từ nm đến 100 nm, khai thác tính chất tượng khác biệt thang độ so với tính chất liên quan đến hành vi phân tử, nguyên tử đơn hay khối Mục đích để tạo vật liệu, thiết bị hệ thống với đặc tính chức cách thiết kế cấu trúc nhỏ bé chúng Đây lĩnh vực làm thay đổi mặt kinh tế đặc tính vật liệu thang độ dài hiệu lĩnh vực chế tạo y học phân tử Với ngun lý cơng cụ áp dụng cho lĩnh vực liên quan khác giúp thành lập tảng thống cho khoa học, kỹ thuật công nghệ phạm vi nano Sự chuyển hóa hành vi từ nguyên tử hay phân tử đơn sang hành vi tập thể tập hợp nguyên tử phân tử bắt gặp tự nhiên công nghệ nano khai thác ngưỡng giới hạn đó” Việc xác định tầm nhìn dài hạn phát triển công nghệ nano đặc biệt quan trọng lên nhanh chóng cơng nghệ nano mẫu hình khoa học kỹ thuật tác động rộng lớn phồn vinh xã hội Định nghĩa hợp tầm nhìn dài hạn cơng nghệ nano đặt móng cho Xúc tiến công nghệ nano Hoa Kỳ công bố tháng năm 2000 Lý chủ yếu cho việc khởi xướng NNI để lấp hố ngăn cách lớn kiến thức vật chất để nhằm theo đuổi ứng dụng lạ kinh tế dự báo công nghệ nano Các chương trình NC&PT phù hợp kéo dài lĩnh vực quốc gia khác công bố, Nhật Bản (tháng năm 2001), Hàn Quốc (tháng năm 2001), Cộng đồng châu Âu (tháng năm 2002), Đức (tháng 2002), Trung Quốc (2002), Đài Loan (tháng năm 2002) Hơn 60 quốc gia thành lập chương trình cấp quốc gia giai đoạn từ 2001 đến 2004, thúc hay truyền cảm hứng phần từ NNI Hoa Kỳ Tuy nhiên, chương trình lớn NNI Nguồn tài trợ cho xúc tiến kể từ năm 2000 lên tới 12 tỷ USD, có 1,8 tỷ năm 2010, điều đưa NNI chiếm vị trí thứ hai sau chương trình vũ trụ Hoa Kỳ đầu tư KH&CN dân Các số phát triển công nghệ nano tồn cầu, 2000-2020 Sáu số then chốt mơ tả (Bảng 1) giúp miêu tả giá trị đầu tư cho phát triển công nghệ nano đột phá khoa học ứng dụng công nghệ liên quan Các số cho thấy tỷ lệ tăng trưởng trung bình hàng năm phạm vi tồn giới đạt xấp xỉ 25% giai đoạn từ 2000 đến 2008 Tỷ tệ tăng trung bình tất số giảm nửa thời kỳ khủng hoảng tài năm 2009, sau đạt tỷ lệ cao năm 2010, khác biệt lớn quốc gia lĩnh vực liên quan (1) Số nhà nghiên cứu nhân công tham gia tối thiểu lĩnh vực thuộc cơng nghệ nano ước tính đạt 400.000 người vào năm 2008, số có 150.000 Hoa Kỳ Theo dự đốn vào năm 2000, tỷ lệ tăng trưởng 25% trì vào năm 2015 tồn giới có khoảng triệu nhân công làm việc lĩnh vực công nghệ nano (800.000 người làm việc Hoa Kỳ) Bảng 1: Sáu số then chốt phát triển công nghệ nano giới Hoa Kỳ Thế giới Lực lượng Số Bằng Thị Tài trợ Vốn mạo /Hoa Kỳ/ lao động báo có sáng chế trường NC&PT hiểm CSDL sản phẩm cơng cuối tư 2000 60.000 18.085 1.197 30 tỷ 1,2 tỷ 0,21 tỷ /25.000/ /5.342/ /405/ USD USD USD /13 tỷ /0,37 tỷ /0,17 tỷ USD/ USD/ USD/ 2008 400.000 70.287 12.776 200 tỷ 15 tỷ USD 1,4 tỷ /150.000/ /15.000/ /3.729/ USD /3,7 tỷ USD /80 tỷ USD/ /1,17 tỷ USD/ USD/ 200025 18 35 25 35 30 2008 (% tăng trưởng trung bình) 2015 (ước 2.000.000 1.000 tỷ tính) /800.000/ USD /400 tỷ/ 2020 6.000.000 3.000 tỷ (ngoại /2.000.000/ USD suy) /1.000 tỷ/ Chú thích: Số liệu Hoa Kỳ thể / / Nguồn: Lux Research (2) Số báo đưa vào CSDL trích dẫn khoa học (SCI-Science Citation Index) phản ánh khám phá lĩnh vực công nghệ nano đạt gần 65.000 vào năm 2008 so với 18.085 năm 2000, dựa tìm kiếm theo từ khóa tiêu đề - tóm tắt Sự gia tăng nhanh không đồng tồn giới (hình 1) Có khoảng 4,5% số báo SCI công bố năm 2008 bao trùm tất lĩnh vực, bao gồm phương diện khoa học kỹ thuật nano (3) Số sáng chế tính số độc quyền sáng chế cấp 50 địa điểm hàng đầu giới đạt khoảng 13.000 vào năm 2008 (trong số có 3.729 đơn đăng ký Cơ quan sáng chế nhãn hiệu hàng hóa Hoa Kỳ - USPTO), so với số 1.200 vào năm 2000 (trong có 405 đăng ký USPTO), đạt tỷ lệ tăng 35% năm (hình 2) Số đăng ký sáng chế nộp 50 quốc gia hay địa điểm đăng ký quốc tế tìm kiếm từ khóa tiêu đề tóm tắt Có khoảng 0,9% số đăng ký sáng chế cơng bố phạm vi giới, có khoảng 1,1% số đăng ký USPTO năm 2008 thuộc tất lĩnh vực bao gồm phương diện khoa học kỹ thuật nano (4) Giá trị sản phẩm có tích hợp cơng nghệ nano thành phần then chốt đạt mức 200 tỷ USD phạm vi giới vào năm 2008, số có khoảng 80 tỷ USD thuộc Hoa Kỳ (các sản phẩm dựa vào cấu trúc nano tương đối đơn giản) Ước tính đưa vào năm 2000 (Roco and Bainbridge 2001) giá trị sản phẩm nghìn tỷ USD vào năm 2015, số có 800 tỷ thuộc Hoa Kỳ Thị trường tăng gấp đôi sau hai năm, kết ứng dụng thành công sản phẩm Nghiên cứu Lux Research đưa ước tính giá thị trường năm 2009 tồn giới đạt 254 tỷ USD, riêng giá trị sản phẩm công nghệ nano Hoa Kỳ năm 2009 đạt 91 tỷ USD, thấp 10% so với đường cong tăng trưởng ước tính năm 2000 Số cơng bố SCI 2000-2009 Tỷ lệ tăng trưởng giới hàng năm: 23% Năm Hình 1: Cơng bố khoa học lĩnh vực công nghệ nano SCI 1990-2009 (Nguồn: Dữ liệu từ Web of Science) Số đơn đăng ký sáng chế Hình 2: Tổng số đơn đăng ký sáng chế lĩnh vực công nghệ nano đăng ký 15 địa điểm đăng ký sáng chế hàng đầu giới giai đoạn từ 1991-2008 (Nguồn: Dang, Chen, and Roco 2010) (5) Đầu tư toàn cầu hàng năm cho NC&PT công nghệ nano từ nguồn nhà nước tư nhân đạt 15 tỷ USD năm 2008, số khoảng 3,7 tỷ USD thuộc Hoa Kỳ, bao gồm khoản đầu tư phủ liên bang 1,55 tỷ USD (6) Đầu tư vốn mạo hiểm tồn cầu cho cơng nghệ nano đạt 1,4 tỷ USD năm 2008, 1,17 tỷ USD thuộc Hoa Kỳ Nguồn tài trợ từ vốn mạo hiểm giảm gần 40% giai đoạn khủng hoảng tài năm 2009 Do có triển vọng to lớn công nghệ kinh tế nên công nghệ nano thâm nhập vào nhiều lĩnh vực công nghiệp truyền thống, đặc biệt sau năm 20022003 Sự gia tăng tính phức tạp thành phần nano tỷ lệ thâm nhập công nghệ nano diễn nhanh lĩnh vực điện tử nano chậm lĩnh vực công nghiệp cổ điển công nghiệp gỗ giấy (xem bảng 2) Sự thâm nhập công nghệ nano ngành cơng nghiệp then chốt có tương quan với tỷ lệ phần trăm chi tiêu ngành cơng nghiệp cho NC&PT Hình cho thấy cán cân đầu tư công nghệ nano Liên bang Hoa Kỳ với thu nhập từ đầu tư (kết đầu ra) Hoa Kỳ năm 2009 Các số đặc trưng khác đầu tư quốc gia cho cơng nghệ nano cho thấy có gia tăng mạnh Hoa Kỳ kể từ năm 2000:  Chi tiêu bình qn đầu người hàng năm phủ Liên bang Hoa Kỳ cho NC&PT công nghệ nano tăng từ 1USD năm tài khóa 2000 lên 5,7 USD năm 2010  Tỷ lệ đầu tư liên bang cho NC&PT công nghệ nano so với tổng chi tiêu NC&PT thực liên bang tăng từ 0,39% lên 1,5% năm 2008 Bảng 2: Ví dụ thâm nhập công nghệ nano số lĩnh vực công nghiệp (Thị phần giá trị tuyệt đối bị tác động công nghệ nano thể cho năm 2010) Hoa Kỳ 2000 2010 2020 (ước tính) Cơng nghiệp bán dẫn (với thang độ