Khoa học nano là gì ?Công nghệ nano là gì ?Lịch sử của vật liệu nano.Phân loại các hệ nano thấp chiềuNhững hiện tượng làm cho vật liệu nano trở nên đặc biệt và hấp dẫnỨng dụng của vật liệu nano trong thời đại ngày nay.
CÔNG NGHỆ NANO Nanotechnology MỞ ĐẦU Các vật liệu cấu trúc nano (nanostructures) gì? Điều làm cho cấu trúc nano có tính chất đặc biệt hấp dẫn? Triển vọng khoa học cơng nghệ nano Các cấu trúc nano • Từ "nano" có nghĩa phần tỉ (10-9) đơn vị nói chung. Ở đơn vị chiều dài: nanometer or nm, nm = 10-9 m = 10-3 μm = 10 Å • Vật liệu nano, cấu trúc nano - Nanostructures hệ vật liệu với chiều có kích thước dải ~ 1100 nm Trong cấu trúc nano, electrons bị giam cầm (confined) chiều nano, tự chuyển động chiều khác • Một cách phân loại hệ thấp chiều: dựa số chiều electrons chuyển động tự do: Phân loại hệ thấp chiều • Giếng lượng tử - Quantum well: electrons bị giam cầm theo chiều, tự theo chiều khác Thí dụ: cấu trúc gồm bán dẫn vùng cấm hẹp nằm hai bán dẫn vùng cấm rộng GLT gọi hệ điện tử 2D • Dây lượng tử - Quantum wires: electrons bị giam cầm theo chiều, tự theo chiều: hệ điện tử 1D Các dây lượng tử: chuỗi polymer, dây nano, ống nano • Chấm lượng tử - Quantum dots: electrons bị giam cầm theo chiều, thí dụ cụm đám (clusters) nano tinh thể (nano-crystallites): hệ điện tử 0D What is Nanotechnology An engineered DNA strand pRNA tiny motor Semiconducting metal junction formed by two carbon nanotubes Nanotechnology is the creation of functional materials, devices and systems, through the understanding and control of matter at dimensions in the nanometer scale length (1-100 nm), where new functionalities and properties of matter are observed and harnessed for a broad range of applications Cơng nghệ nano gì? • Cơng nghệ nano việc sáng (chế) tạo vật liệu, linh kiện hệ thống chức năng, dựa hiểu biết khả điều khiển vật chất kích thước nanometer (1-100 nm), quan sát chức tính chất vật chất khai thác chúng cho nhiều ứng dụng khác • Nanostructures khác nguyên tử/phân tử riêng lẻ, vật liệu khối Tên gọi khác: hệ (cấu trúc) mesoscopic Khoa học nano: n/c t/c đặc biệt hệ vật liệu nano mà không tồn yếu loại vật liệu thang kích thước khác Kích thước nano Fullerenes C60 22 cm 12,756 Km 1.27 × 107 m 0.22 m 10 triệu lần nhỏ 0.7 nm 0.7 × 10-9 m tỉ lần nhỏ Các tượng làm cho hệ thấp chiều trở nên đặc biệt hấp dẫn Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với nhiều ngun tử (1 µm3 có khoảng 1012 ngun tử) bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng cấu trúc nano có ngun tử các tính chất lượng tử thể rõ ràng Ví dụ một chấm lượng tử có thể coi đại nguyên tử, có mức lượng giống nguyên tử • Giam cầm lượng tử - Quantum confinement: kết lượng tử hóa lượng xung lượng, giảm số chiều trạng thái điện tử • Kết hợp lượng tử - Quantum coherence: số hệ thức pha hàm sóng bảo tồn cho e chuyển động cấu trúc nano, cần xét đến hiệu ứng giao thoa Nhưng kết hợp lượng tử thường khơng hồn hảo ngun tử phân tử, phần khuyết tật cấu trúc Vì vậy, cần xét đến hiệu ứng kết hợp không kết hợp, điều làm cho việc miêu tả chuyển động điện tử trở nên phức tạp Các tượng làm cho hệ thấp chiều trở nên đặc biệt hấp dẫn • Các hiệu ứng bề mặt/phân biên: phần lớn, chí đại đa số nguyên tử cấu trúc nano gần bề mặt hay phân biên T/c cơ, nhiệt động, điện, từ, quang hóa nguyên tử khác nguyên tử nằm phía Các linh kiện nano hệ thống nano tích hợp Lab on Chip − A lab on chip integrates one or more laboratory operation on a single chip − Provides fast result and easy operation − Applications: Biochemical analysis (DNA/protein/cell analysis) and bio-defense Dẫn thuốc Impact of nanotechnology on drug delivery systems: − Targeted drug delivery − Improved delivery of poorly water soluble drugs − Co-delivery of two or more drugs − Imaging of drug delivery sites using imaging modalities Lab on chip gene analysis device – IBN Singapore, 2008 Targeted drug delivery – ACS Nano 2009, DOI: 10.1021/nn900002m Những vấn đề sức khỏe môi trường liên quan đến Công nghệ nano − Human and the environment come under exposure to nanomaterials at different stages of the product cycle − Nanomaterials have large surface to volume ratio and novel physical as well as chemical properties which may cause them to pose hazards to humans and the environment − Health and the environmental impacts associated with the exposure to many of the engineered nanomaterials are still uncertain − The environmental fate and associated risk of waste nanomaterials should be assessed – e.g toxic transformation, and interactions with organic and inorganic materials Exposure of human and the environment to nanomaterials at different stages of product life cycle – US environmental protection agency, 2007 (epc.gov) Vật liệu nano Nanoscale materials have feature size less than 100 nm – utilized in nanoscale structures, devices and systems Nanoparticles and Structures Gold nanoparticles – TU Dresden/ESRF, 2008 Silver nanoparticles Northwestern Univ., 2002 – A 3-dimensional nanostructure A stadium shaped “quantum corral” made by positioning iron grown by controlled nucleation atoms on a copper surface – IBM of Silicon-carbide nanowires on Corp., 1993 Gallium catalyst particles – Univ of Cambridge, 2007 Vật liệu nano Dây nano ống nano • Lateral dimension: – 100 nm • Nanowires and nanotubes exhibit novel physical, electronic and optical properties due to – Two dimensional quantum confinement – Structural one dimensionality – High surface to volume ratio • Potential application in wide range of nanodevices and systems – Nanoscale sensors and actuators – Photovoltaic devices – solar cells – Transistors, diodes and LASERs Nanowire Solar Cell: The nanowires create a surface that is able to absorb more sunlight than a flat surface – McMaster Univ., 2008 Vật liệu nano Protein Vật liệu nano sinh học 1) Biological materials utilized in nanotechnology - Proteins, enzymes, DNA, RNA, peptides 2) Synthetic nanomaterials utilized in biomedical applications - Polymers, porous silicon, carbon nanotubes Porous silicon (PSi) Human cell on PSi Enzymes are used as oxidation catalysts Cross-linked enzymes used as catalyst – Univ of Connecticut, Storrs , 2007 Bone cell on porous silicon – Univ of Rochester, 2007 Lịch sử cơng nghệ nano • ~ 2000 năm trước – Người Hy Lạp La Mã dùng nano tinh thể sulfide để nhuộm tóc • ~ 1000 năm trước (Trung Cổ) – Các hạt vàng kích thước nano dùng để tạo màu khác kính cửa sổ • 1959 – “There is plenty of room at the bottom” by R Feynman • 1974 – Thuật ngữ “Nanotechnology” – công nghệ nano Taniguchi sử dụng lần • 1981 – IBM chế tạo Kính hiển vi tunel quét • 1985 – Phát C60 • 1986 – Cuốn sách KHVT CN nano “Cỗ máy sáng tạo - Engines of Creation” K Eric Drexler Phát minh Kính hiển vi lực ngun tử • 1989 – Logo IBM tạo từ nguyên tử • 1991 – S Iijima phát ống nano cácbon • 1999 – Cuốn sách Y học nano “Nanomedicine” • 2000 – TT Bill Clinton: Sáng kiến quốc gia CN nano “National Nanotechnology Initiative” Lịch sử triển vọng KH & CN nano • Thế kỷ 20: Thế kỷ Vật lý, phát triển vũ bão ảnh hưởng to lớn Hiểu miêu tả Tự nhiên từ mức độ hạt đến tiến hóa Vũ trụ • Cơ học lượng tử giúp hiểu rõ chất nguyên tử, phân tử vật rắn • Vật lý chất rắn tạo thành tựu vĩ đại khoa học kỹ thuật bán dẫn • Mạch tích hợp (IC), laser đĩa từ khơng thể thiếu cho cơng nghệ thông tin sống ngày Lịch sử triển vọng KH & CN nano • Hai cách tiếp cận trái ngược nhau: từ lên (bottom up) từ xuống (top down) • Bottom-up: e hạt nhân “viên gạch” (building blocks) T/c nguyên tử phần lớn phân tử đơn giản n/c kỹ Ở mức độ phức tạp đại phân tử, polymer, cluster phân tử sinh học (bio-molecules) • Top-down: người ta giảm kích thước linh kiện rắn (transistors, bit lưu trữ liệu) từ thang vĩ mô xuống phần mười micron (~ 0.1-0.2 μm), phần trăm micron Lịch sử triển vọng KH & CN nano • cách tiếp cận top-down bottom-up phát triển độc lập khứ Hiện cách tiếp cận gặp “lãnh thổ” nano Người theo hướng xuống phải xét đến hành vi tự nhiên mức nguyên tử, cịn người tiếp cận lên chế tạo linh kiện vật liệu từ nhiều nguyên tử phân tử • Quan trọng hơn, linh kiện đồ chơi hay để viết báo luận án, mà thực thực chức PCs, điện thoại di động, xe hơi, đồ gia dụng, thiết bị chăm sóc sức khỏe • KH CN nano không nên coi đề tài mode, mà giai đoạn phát triển logic n/c p/t dựa thành tựu trước Lịch sử triển vọng KH & CN nano Lịch sử triển vọng KH & CN nano • Thí dụ điển hình, MOSFET (metal-oxidesemiconductor field effect transistor) Từ Table 1, chiều dài kênh ~ 0.03 μm chiều dày oxide cổng ~ nm nhỏ hàng chục lần so với H • Giảm tiếp chiều dày oxide -> dịng rị lớn, đánh thủng điện mơi, già hóa linh kiện Giảm tiếp chiều dài kênh -> tăng dòng tunnel trực tiếp S D, không điều khiển qua cực cổng Các kỹ sư vi điện tử phải phân tích hoạt động linh kiện thang nanomet Lịch sử triển vọng KH & CN nano • Ngồi ra, tăng mật độ tích hợp tốc độ hoạt động gặp trở ngại v/đ thoát nhiệt, di chuyển điện, điện trở ký sinh, trễ RC • Khắc phục: Tìm linh kiện hoạt động nguyên lý khác Thí dụ: điều khiển số ít, chí electron cấu trúc nano phân tử để chế tạo linh kiện hoạt động nhanh nhiều tiêu thụ công suất thấp nhiều MOSFET Lịch sử triển vọng KH & CN nano • Với KH CN nano: ngồi linh kiện kích thước nhỏ hoạt động ngun lý, ta cịn có linh kiện với chức • Sự pt vũ bão KH & CN nano nhờ phát minh loạt công cụ chế tạo đo lường Đáng kể hiển vi đầu dò quét (SPM) bao gồm hiển vi tunnel quét (STM), hiển vi lực (AFM), epitaxy chùm phân tử (MBE), trình tự xếp nano, tiến công nghệ chế tạo mạch vi điện tử Lịch sử triển vọng KH & CN nano • KH & CN Nano gđ pt nhanh Tuy có nhiều kết n/c lý thuyết thực nghiệm nhiều vđ chưa rõ ràng Giới hạn KH & CN nano chưa xác định rõ, cịn mở rộng • KH & CN nano xem trụ cột quan trọng kinh tế tri thức, quan tâm nhiều khơng mà cịn ngồi giới hàn lâm Nghiên cứu Khoa học công nghệ nano Việt Nam • 1997: Tại Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc Đồ Sơn, GS VS Nguyễn Văn Hiệu kêu gọi nhà vật lý VN tiên phong việc n/c nano • 2004: Chương trình NCCB cấp Nhà nước CN Nano • 2010: Tạp chí quốc tế Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology • Các đơn vị n/c mạnh KHCN nano: Viện HLKHCN VN, ĐH BKHN, ĐHQG HN, ĐHQG HCM ... quang tính chất hóa học khác có độ dài tới hạn khoảng nm Chính mà người ta gọi ngành khoa học công nghệ liên quan là? ?khoa học nano? ?và? ?cơng nghệ nano Hiệu ứng kích thước thang nanomet • Xuất hiện... ĐẦU Các vật liệu cấu trúc nano (nanostructures) gì? Điều làm cho cấu trúc nano có tính chất đặc biệt hấp dẫn? Triển vọng khoa học công nghệ nano Các cấu trúc nano • Từ "nano" có nghĩa phần tỉ (10-9)... broad range of applications Cơng nghệ nano gì? • Công nghệ nano việc sáng (chế) tạo vật liệu, linh kiện hệ thống chức năng, dựa hiểu biết khả điều khiển vật chất kích thước nanometer (1-100 nm), quan