III. Cỏc lĩnh vực ứng dụng và tiềm năng của khoa học-cụng nghệ nano 3.1 Cỏc lĩnh vực ứng dụng của khoa học-cụng nghệ nano
3.1.5. ứng dụng của kỹ thuật chế tạo nano
- Gia cụng chớnh xỏc
Hiện nay, ngành cụng nghiệp chế tạo đang cú nhu cầu lớn về giảm thiểu dung sai trong gia cụng, gồm giảm thiểu kớch thước, cải thiện đặc trưng độ tin cậy và độ chịu mũn, lắp rỏp tự động và độ lắp lẫn (Interchangeability) lớn hơn, giảm thiểu chất thải và nhu cầu tỏi gia cụng (Re-Work). Do xu thế giảm thiểu kớch thước vẫn tiếp diễn, nờn nghiờn cứu và ứng dụng cụng nghiệp của cỏc phương phỏp gia cụng bằng chựm năng lượng sẽ gia tăng, đặc biệt được thỳc đẩy bởi cỏc ngành cụng nghiệp điện tử và mỏy tớnh. Cỏc kỹ thuật như in litụ bằng chựm electron, chựm ion hội tụ, khắc ăn mũn bằng ion phản ứng và cắt laze xung femto giõy trở nờn ngày càng chớnh xỏc và rẻ hơn khi ỏp dụng vào sản xuất. Sau đõy là một số vớ dụ về ứng dụng tương lai của kỹ thuật gia cụng chớnh xỏc cao.
+ Cụng nghệ thụng tin và truyền thụng: mỏy múc dựng chế tạo chip phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng kỹ thuật chớnh xỏc siờu cao để chế tạo chỳng và hệ thống đo lường cỡ nano để vận hành chỳng. Khả năng chế tạo cỏc wafer bỏn dẫn cú đường kớnh lớn hơn với độ phẳng cao và độ hư hại dưới bề mặt được giảm thiểu sẽ dẫn đến việc cải thiện hiệu suất thiết bị và giảm chi phớ;
+ Thiết bị quang học: cỏc quy trỡnh mài đổi mới theo phương thức dẻo, cựng với phương phỏp tu chỉnh điện phõn ngay trong quy trỡnh (ELID), sẽ dẫn đến việc bỏ qua bước hoàn thiện đỏnh búng trong sản xuất thiết bị quang học chất lượng cao. ưu thế này sẽ cú tầm quan trọng đặc biệt trong sản xuất thiết bị quang học sử dụng cho kớnh viễn vọng thiờn văn cực lớn như cỏc hệ thống thiết bị 50 m và 100 m, cấu tạo từ nhiều bộ phận tạo hỡnh riờng biệt.
+ Giao thụng vận tải: cỏc chi tiết gia cụng chớnh xỏc sẽ cú độ tin cậy cao hơn, vỡ giảm được độ mài mũn, ớt phải dựng chi tiết thay thế và sử dụng ớt năng lượng hơn. Vớ dụ, khả năng chế tạo cỏc bề mặt cú kết cấu được điều khiển bằng cỏch hoàn thiện độ nhỏm trung bỡnh 10 nm sau đú xử lý bề mặt bằng tia laze dự kiến sẽ dẫn đến việc cải thiện độ tổn hao do ma sỏt của bộ truyền động điện xuống tới 50%. Cỏc nhà khoa học cũng dự bỏo gia cụng chớnh xỏc sẽ làm giảm trọng lượng cỏnh mỏy bay và tăng hiệu quả của cỏc khoang đốt trong;
+ Y học: dự bỏo việc sử dụng kỹ thuật gia cụng siờu chớnh xỏc hoàn thiện bề mặt bộ phận giả cấy ghộp tốt hơn sẽ dẫn đến giảm độ mài mũn và nõng cao độ tin cậy;
+ Mụi trường: dự kiến tiến bộ của kỹ thuật gia cụng chớnh xỏc sẽ cho phộp giảm thiểu tỏc động mụi trường, vớ dụ như bằng cỏch giảm thiểu việc sử dụng dầu nhờn.
Mục tiờu dài hạn của ngành cụng nghiệp húa học là sử dụng cỏc 'khối kiến tạo" cỡ nano để lắp rỏp nờn cỏc cấu trỳc nano cú trật tự, nhằm chế tạo thành cỏc sản phẩm thương mại hữu ớch. Từ những hiểu biết về bản chất húa học và lý học của vật liệu nano, mụ hỡnh chế tạo từ trờn xuống/từ dưới lờn và khả năng đo lường cỡ nano, ngành cụng nghiệp sẽ tập trung vào cỏc quỏ trỡnh sản xuất sử dụng kỹ thuật chế tạo ở cỡ nano theo phương thức bảo toàn cỏc hiệu ứng và chức năng mong muốn khi cỏc bộ phận kớch cỡ nano được kết hợp thành vật liệu và sản phẩm hoàn thiện. Yờu cầu này đũi hỏi phỏt triển cỏc cụng nghệ dựa trờn cơ sở vật liệu tự lắp rỏp, hoặc cú thể dựa vào cỏc phương phỏp lắp rỏp được điều khiển, cho phộp tạo ra quy trỡnh sản xuất hàng loạt song song, kết hợp với cỏc cụng cụ mụ hỡnh húa và đo lường. Trong tương lai, chế tạo vật liệu nano sẽ cú khả năng tạo ra cỏc loại vật liệu nano tự tỏi tạo, chớnh xỏc và theo yờu cầu thiết kế, những loại vật liệu thụng minh, vật liệu với ớt phế thải hơn.
Thời gian cần thiết để cú thể thương mại húa cỏc kiểu cấu trỳc cú tổ chức cao như vậy hoặc vật liệu lượng tử là tới năm 2020 hoặc sau đú. Tới khi đú, những cấu trỳc này cú thể sử dụng trong lĩnh vực cụng nghệ sinh học và cụng nghệ thụng tin. Cỏc vật liệu này sẽ rất cú giỏ trị, với giỏ thành đắt hơn 1.000.000 USD/tấn và cụng suất đạt khoảng 10-10.000 tấn/năm. Túm lại, nhờ cỏch thức tổng hợp và chế tạo thụng minh, phương phỏp chế tạo nano sẽ tạo ra một cuộc cỏch mạng về vật liệu trong thế kỷ này. Sau đõy là dự bỏo khoảng thời gian phỏt triển ngành chế tạo nano.
- Ngắn hạn (5 năm): khai thỏc cỏc thiết bị cú khả năng tạo hỡnh ảnh, phõn tớch, chế tạo vật liệu và thiết bị đơn giản ở cỡ nano;
- Trung hạn (5 - 15 năm): KH-CN NN sẽ thỳc đẩy ngành “chế tạo nano-theo-thiết kế”, sử dụng kỹ thuật tự lắp rỏp và cỏc phương phỏp lắp rỏp cú điều khiển để tạo nờn một ngành cụng nghiệp cú nền tảng tri thức bền vững, cú khả năng giải quyết cỏc yờu cầu của vật liệu nano-tin học-sinh học đơn giản;
- Dài hạn (trờn 20 năm): ý tưởng chế tạo nano sẽ bao hàm cỏc phương phỏp "xanh" đớch thực khụng cú phế thải, ớt hoặc khụng sử dụng dung mụi, đi đụi với cỏc phương phỏp vũng đời LCA (cũn được gọi là phương phỏp "từ cỏi nụi đến nấm mồ", đõy là phương phỏp đưa ra một cỏch tiếp cận cú hệ thống để đo đạc cỏc phần tài nguyờn tiờu thụ cũng như cỏc phỏt thải mụi trường (vào khụng khớ, nước và đất) cú liờn quan đến sản phẩm, quỏ trỡnh sản xuất và dịch vụ. LCA là một cụng cụ đắc lực để đưa ra quyết định về cỏc sản phẩm và cụng nghệ thay thế được sử dụng cho sản xuất sạch hơn) để chế tạo cỏc sản phẩm kết hợp sinh học với vật liệu vụ cơ.
- ứng dụng trong ngành cụng nghiệp cụng nghệ thụng tin và truyền thụng
Mặc dự trong tương lai, việc chế tạo linh kiện điện tử vẫn chủ yếu sử dụng cỏc quy trỡnh in litụ, nhưng cỏc kỹ thuật chế tạo linh kiện khỏc cũng đang được sử dụng ngày càng nhiều. Cỏc kỹ thuật in litụ mềm, sử dụng một mẫu mềm dẻo để tạo mẫu lờn cỏc
loại bề mặt đó được sử dụng từ nhiều năm nay. Cho đến nay, yờu cầu về độ chớnh xỏc của ngành cụng nghiệp silic khụng cho phộp sử dụng phương phỏp in litụ mềm, vỡ bản chất dẻo của mẫu cú thể gõy ra lỗi vật lý tuy nhỏ nhưng khụng chấp nhận được trờn bề mặt tấm bỏn dẫn. Tuy nhiờn, đối với việc chế tạo thiết bị và linh kiện cú diện tớch nhỏ, ớt hạn chế dung sai khụng gian, ngành cụng nghiệp chế tạo vẫn sử dụng cỏc phương phỏp này thay cho cỏc phương phỏp thụng thường, mặc dự việc chế tạo mẫu vẫn phải sử dụng phương phỏp dựng chựm electron hoặc phương phỏp quang học. In litụ mềm cú thể được sử dụng để chế tạo linh kiện điện tử bằng chất dẻo, vớ dụ như thay thế phương phỏp in phun sử dụng cụng nghệ cơ bản giống như của mỏy in văn phũng. Mặc dự linh kiện điện tử bằng chất dẻo với cỏc kớch thước cơ bản khụng thực sự thuộc phạm vi nano, nhưng kỹ thuật chế tạo tương đối đơn giản kết hợp với cỏc phương phỏp húa học ẩm sẽ cho phộp chế tạo cỏc linh kiện điện tử và photon với giỏ rẻ. Những bước tiến này, kết hợp với tiến bộ của kỹ thuật tự lắp rỏp cú điều khiển, cú thể làm cho cỏc ngành cụng nghiệp bỏn dẫn, vật liệu và húa học xớch lại gần nhau hơn, để tạo ra cỏc phương phỏp sản xuất những thế hệ con chip mới
- Quản lý tài nguyờn và mụi trường
Nhiều quy trỡnh và ứng dụng trờn cơ sở CNNN sẽ đem lại lợi ớch cho mụi trường, vớ dụ sử dụng ớt tài nguyờn thiờn nhiờn hơn trong chế tạo hoặc nõng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Tuy nhiờn, lợi ớch tiềm năng của CNNN cũng cần được xem xột trờn cơ sở đỏnh giỏ vũng đời (cũn gọi là đỏnh giỏ "từ cỏi nụi đến nấm mồ"). Đỏnh giỏ vũng đời là phõn tớch cú hệ thống việc sử dụng tài nguyờn (vớ dụ, năng lượng, nước, nguyờn liệu thụ) và phỏt thải trong toàn bộ chuỗi cung cấp từ "cỏi nụi" nguồn tài nguyờn cơ bản đến "nấm mồ" quy trỡnh tỏi chế hoặc xử lý chụn lấp. Vớ dụ, một trong cỏc lĩnh vực ứng dụng dự bỏo của vật liệu nano là dựng trong cỏc bộ chuyển húa năng lượng quang vontaic để nõng cao hiệu suất. Đỏnh giỏ vũng đời nhằm so sỏnh mức độ năng suất năng lượng bổ sung được tạo ra thờm trong vũng đời sử dụng thiết bị quang voltaic so với năng lượng sử dụng để chế tạo thiết bị và thu hồi hoặc sử dụng lại hàm lượng vật liệu của thiết bị vào cuối vũng đời của thiết bị này.