CHƯƠNG 12 : HĨA KEO VĂ CƠNG NGHỆ NANO
12.1. KHOA HỌC VĂ CễNG NGHỆ NANO
Nano cú nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp (nanos) cú nghĩa lă nhỏ bĩ. Tiền tố nano xuất hiện trong tăi liệu khoa học lần đầu tiớn văo năm 1908, khi Lohmann sử dụng nú để chỉ những sinh vật rất nhỏ với đường kớnh 200 nm. Văo năm 1974, Tanigushi lần đầu tiớn sử dụng thuật ngữ cụng nghệ nano hăm ý sự liớn kết cõc vật liệu cho kỹ thuật chớnh xõc trong tương lai. Hiện tại, theo sự thừa nhận của đụng đảo cõc nhă khoa học thỡ kớch thước nano được lựa chọn trong khoảng từ 0,1nm – 100nm. (1 nm = 10-9 m). Nanomet (kớ hiệu: nm) bằng một phần tỷ mĩt (1/1.000.000.000 m), một đơn vị đo lường để đo kớch thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất lă ngun tử cú kớch thước: 0,1 nm, phđn tử lă tập hợp của nhiều nguyớn tử: 1 nm, vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trựng: 25.000 nm, sợi túc:100.000 nm, đầu cđy kim: 1 triệu nm vă chiều cao con người: gần 2 tỷ nm
Khoa học nano (nanoscience) lă ngănh khoa học nghiớn cứu về cõc hiện tượng vă can thiệp văo vật liệu ở cõc quy mơ ngun tử, phđn tử, vă đại phđn tử. Tại cõc quy mơ đú, tớnh chất của vật liệu khõc hẳn so với tớnh chất của chỳng tại cõc quy mơ lớn hơn.
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chớnh phủ Mỹ định nghĩa cụng nghệ nano lă “bất cứ thứ gỡ liớn quan đến cấu trỳc cú kớch thước nhỏ hơn 100 nm”. Định nghĩa năy đờ loại bỏ một cõch độc đụn chủ thể cõc nghiớn cứu liớn quan khõc tập trung văo cõc thiết bị vi lỏng vă cõc vật liệu đang được tiến hănh ở quy mụ m.
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa cụng nghệ nano lă “thao tõc vă chế tạo ở quy mụ nano với độ chớnh xõc nguyớn tử”.
Núi túm lại, cơng nghệ nano lă khoa học, kỹ thuật vă thao tõc liớn quan tới cõc hệ thống cú kớch thước nano, ở đú cõc hệ thống năy thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hụ hoặc tớnh tụn đặc biệt. Nền tảng của cụng nghệ năy lă hiện tượng “cõc cấu trỳc, thiết bị vă hệ thống cõc tớnh chất vă chức năng mới khi ở kớch thước siớu nhỏ”. Cấu trỳc cơ bản của cụng nghệ nano bao gồm cõc hạt hay tinh thể nano, lớp nano vă ống nano. Cõc cấu trỳc nano năy khõc nhau ở chỗ chỳng được tạo thănh như thế năo vă cõc nguyớn tử, phđn tử của chỳng được sắp xếp ra sao.
LỊCH SỬ PHÂT TRIỂN CỦA KHOA HỌC VĂ CễNG NGHỆ NANO
Khoa học vă cụng nghệ nano mở rộng một thế giới mới cho con người, nhưng thật ra chỳng đờ lă một “ngănh” rất xa xưa của thiớn nhiớn. Trước đđy khi chưa cú sự sống, trõi đất
trơ trụi như một hănh tinh chết. Cõch đđy khoảng 3,5 tỷ năm tế băo mang sự sống sống đầu tiớn xuất hiện, trải qua hăng triệu năm tạo hụ tạo ra mn loăi sinh linh biết thớch ứng với mụi trường sống xung quanh, cho đến sự xuất hiện của loăi linh trưởng homo sapiens cú ý thức vă linh hồntrong đú cú con người- đỉnh cao của q trỡnh tiến hụ với trớ thơng minh kỳ diệu - lă động vật duy nhất cú trớ tuệ mới xuất hiện cõch đđy văi triệu năm. Ta tự hỏi tự nhiớn đờ phõt triển loại cụng nghệ năo để thay đổi trõi đất từ chỗ trơ trụi đến trạng thõi vụ cựng phong phỳ với cõc hệ sinh thõi cực kỡ đa dạng. Sinh học hiện tại, nhất lă sinh học phđn tử đờ chứng tỏ rằng cụng nghệ của tự nhiớn để tạo ra sự sống phõt triển như ngăy nay lă một qũ trỡnh tiến húa hăng tỷ năm dựa trớn việc phõt triển cõc loại phđn tử của sự sống thănh cõc loại mõy múc, mă ta cú thể gọi lă mõy nano vỡ kớch thước của cõc loại phđn tử cỡ nanomĩt tiếp nhận những nhiệm vụ xử lý vật liệu di truyền[8].
Cõc phđn tử DNA cú kớch thước khoảng 2,5 nm. 10 nguyớn tử H xếp liền nhau dăi 1 nm.
Văo khoảng 400 năm trước cơng ngun, Dermocrt đưa văo khõi niệm “ngun tử” để chỉ những thănh phần nhỏ nhất của vật chất mă theo tiếng Hy Lạp cổ cú nghĩa lă “khơng chia nhỏ được” . Từ nano được sử dụng để diễn tả đơn vị đo đạc bằng 1 phần tỷ. Trong hệ thống đo đạc cú nghĩa lă 1/tỷ mĩt (1nm) hoặc 1/triệu nm với đơn vị năy chỳng ta đờ đi văo lĩnh vực của nguyớn tử hay phđn tử[3]. Tuy nhiớn, mời đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiớn cứu một cõch cú hệ thống cõc hạt nano văng thỡ cõc nghiớn cứu về phương phõp chế tạo, tớnh chất vă ứng dụng của cõc hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu.
Cõc hạt nano kim loại như văng, bạc khi trộn văo thủy tinh lăm cho cõc sản phẩm từ thủy tinh cú mău sắc khõc nhau. Cõc hiện tượng đú lă do cú sự cộng hưởng plasmon bề mặt do cõc hạt nano hấp thụ õnh sõng chiếu văo. Kim loại cú nhiều điện tử tự do, cõc điện tử tự do năy sẽ dao động dưới tõc dụng của điện từ trường bớn ngoăi như õnh sõng. Khõc với cõc hạt kim loại cú kớch thước lớn, dao động ở hạt kim loại cú kớch thước nano sẽ khơng bị dập tắt do kớch thước hạt nhỏ hơn quờng đường tự do trung bỡnh, điện tử sẽ dao động cộng hưởng với õnh sõng kớch thớch. Cõc điện tử tự do trong hạt nano dao động tập thể với nhau tương tõc với bức xạ súng điện từ, trong q trỡnh dao động cõc điện tử sẽ sắp xếp lại hạt nano lăm cho hạt nano bị phđn cực điện tạo thănh một lưỡng cực điện, do vậy lăm xuất hiện tần số cộng hưởng, vă cũn phụ thuộc văo cõc yếu tố hỡnh dõng, độ lớn hạt, mơi trường xung quanh, mật độ hạt... mă cõc hạt nano thể hiện cõc mău sắc khõc nhau. Ngoăi tớnh chất quang, hạt nano cịn cú tớnh chất điện, tớnh chất từ mạnh, nhiệt độ núng chảy của hạt nano tỉ lệ thuận với kớch thước hạt, kớch thước hạt giảm thỡ nhiệt độ núng chảy giảm, vớ dụ: hạt văng 2 nm cú nhiệt độ núng chảy lă 500oC, 6 nm cú nhiệt độ núng chảy lă 950oC.
Đến năm 1905, trong luận văn tiến sĩ của AlBert Einsteen cú đề tăi: “Một phương phõp mới để xõc định kớch cỡ phđn tử đường”, ơng đờ tớnh được đường kớnh của phđn tử đường văo khoảng 1nm[1].
Tiền tố nano xuất hiện trong tăi liệu khoa học lần đầu tiớn văo năm 1908 khi Lohmann sử dụng nú để chỉ những sinh vật rất nhỏ với đường kớnh 200 nm[7].
Năm 1931, Max Knoll vă Ernst Ruska phõt minh ra kớnh hiển vi điện tử cú thể tạo ảnh của những vật nhỏ hơn 1nm[1].
Năm 1959, giõo sư Richard Feynman đọc băi giảng nổi tiếng của ụng về khả năng thu nhỏ lại: “There’s plenty of Room at the Bottm” , đề ra một thuyết tõo bạo: “Thay vỡ phđn chia vật chất, tại sao chỳng ta khụng đi từ cõi vụ cựng nhỏ?” Sau băi giảng của ụng, khụng ớt người trong thớnh giả hoang mang. Nhưng thầy Feynman khụng đựa, thầy núi chuyện nghiớm tỳc. Ơng đặt vấn đề lăm sao cú thể chứa toăn bộ 24 quyển Bõch khoa Từ điển Britannica với tổng cộng 25.000 trang giấy trớn đầu cđy kim cú đường kớnh 1,5 mm. Theo Feynman, khả năng năy hiện hữu. Thớnh giả ngơ ngõc, vỡ ở năm 1959 dụng cụ điện tử tiớn tiến nhất lă cõi tivi điều khiển bằng ống chđn khụng mă mỗi lần bật lớn phải đợi văi phỳt hỡnh ảnh mới xuất hiện. Cũng ở thời điểm năy, ụng chủ hờng Sony (Nhật Bản), Morita Akio, vừa tung ra thị trường thế giới đăi radio bõn dẫn (transistor radio) bỏ tỳi dựng pin. Từ cõi radio to đựng với kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization) đương thời. Cú phải lă vấn đề của Feynman đưa ra lă một chuyện khụng tưởng? Feynmam trấn an người nghe lă ụng khụng “xạo sự”, tất cả những điều ụng núi đều lă khả thi, theo đỳng vă nằm trong phạm vi cho phĩp của những quy luật vật lý. Như vậy, Feynmam đờ thuyết phục thớnh giả của ơng bằng cõch năo?
- Ơng giải thớch bằng con số rất đơn giản. Muốn đặt 25.000 trang giấy trớn mặt của đầu kim ta chỉ cần thu nhỏ 25.000 ngăn lần toăn bộ bõch khoa từ điển. Cú nghĩa lă những chữ in cũng phải thu nhỏ 25.000 lần. Trong cõc mẫu tự, dấu chấm trớn đầu chữ “i” lă ký hiệu nhỏ nhất. Sau khi thu nhỏ 25.000 lần, dấu chấm vẫn cịn cú một kớch cỡ của tập hợp 1000 nguyớn tử. Con số 1000 ngun tử cịn rất to vă cho rất nhiều lựa chọn để con người thao tõc bằng một phương phõp vật lý năo đú. Feynmam tiếp tục luận điểm của mỡnh. Ơng phỏng chừng cú 24 triệu quyển sõch trong thư viện trớn toăn thế giới. Nếu tất cả được thu nhỏ 25.000 lần thỡ toăn thể sõch viết biểu hiện tri thức của loăi người trớn quả đất sẽ được “in” vỏn vẹn trớn trang giấy A4! Feynmam cịn núi đến khả năng lăm những sợ dđy dẫn điện phđn tử vă linh kiện điện tử như transistor ở thang phđn tử. Ơng núi đến cơng cụ lớn lăm nớn những cơng cụ nhỏ hơn vă nhỏ hơn nữa để giỳp con người di dời, thao tõc vă điều khiển nguyớn tử vă phđn tử theo ý mỡnh.
- Mục đớch băi núi chuyện của Feynmam khơng phải chỉ dừng ở kỹ thuật thu nhỏ mă cũn phõt hoạ những khả năng hỡnh thănh một nền cơng nghệ mới trong đú con người cú thể di chuyển, chồng chập cõc loại nguyớn tử, phđn tử để thiết kế một cụng cụ cực kỳ nhỏ ở thang vi mụ hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trỳc phđn tử của nú. Vă cũng văo năm năy ụng đờ đưa ra khõi niệm “cõi nguyớn tử vă phđn tử đơn giản cú kớch thước khoảng 0,1 nanomĩt” lần đầu tiớn. [6]
Năm 1965, Gordon Moore, một trong những nhă sõng lập của cụng ty Intet (Mỹ) bằng trực giõc của một nhă khoa học đờ tiớn đõn lă cứ mỗi năm hai mật độ của cõc transitor được nhồi văo một con chip cho mõy vi tớnh sẽ tăng gấp đơi nhờ vă kỹ thuật chế biến thu nhỏ vă đặc tớnh của nguyớn tố silicon, chip năy đủ “thụng minh” lăm cụng việc đơn giản cộng trừ nhđn chia thay cho cõi băi tõn Tău. Đđy lă bước đầu thănh cụng cho thấy sự tiến bộ của sự thu nhỏ từ cm đến mm; người ta đặt cõi tớn “Định luật Moore” cho sự tiớn liệu năy[6].
Năm 1968, Alfred Y.Cho vă John Arthur của Bell Laboratories cựng với cõc đồng nghiệp của họ phõt minh ra phương phõp epitaxy chựm phđn tử (Molecular beam epitaxy, viết tắt lă MBE) lă cõc kỹ thuật để cắt từng lớp nguyớn tử ra khỏi bề mặt[1].
MBE lă thuật ngữ chỉ một kỹ thuật chế tạo măng mỏng bằng cõch sử dụng cõc chựm phđn tử lắng đọng trớn đế đơn tinh thể trong chđn khơng siớu cao, để thu được cõc măng mỏng đơn tinh thể cú cấu trỳc tinh thể gần với cấu trỳc của lớp đế, được ứng dụng nhiều trong vật lý chất rắn, khoa học vă cụng nghệ vật liệu, đặc biệt trong cụng nghệ bõn dẫn chế tạo cõc măng đơn tinh thể với chất lượng rất cao độ dăy cú thể thay đổi từ văi lớp nguyớn tử đến văi chục nanomet.
93
Kỹ thuật MBE được thực hiện như sau: cõc vật liệu nguồn được đốt đến bay hơi với tốc độ chậm vă được dẫn tới đế (đế lă một lớp đơn tinh thể được giữ lạnh cú tõc dụng như một lớp mầm để lớp măng phõt triển lớn trong q trỡnh ngưng đọng), nếu lă măng hợp chất thỡ cõc chất sẽ phản ứng với nhau trớn bề mặt đế để phõt triển thănh đơn tinh thể. Cõc chựm nguyớn tử, phđn tử của cõc vật liệu nguồn sẽ khụng phản ứng với nhau cho đến khi chỳng kết hợp với nhau trớn đế, đđy lă lớ do chớnh của tớn gọi chựm phđn tử. Để kiểm sụt q trỡnh mọc măng thỡ trong qũ trỡnh hỡnh thănh măng, người ta dựng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử phản xạ năng lượng, q trỡnh năy cho phĩp kiểm sụt sự phõt triển của măng với độ chớnh xõc từng lớp nguyớn tử. Kỹ thuật MBE chỉ cú thể được thực hiện trong mơi trường chđn khơng siớu cao (õp suất thấp hơn 10-9 Torr).
Với sự phõt triển của cụng nghệ nano hiện nay, MBE lă một trong những kỹ thuật chủ đạo của cụng nghệ nano để chế tạo cõc vật liệu nano.
Năm 1974, Norio Taniguchi đề xướng ra thuật ngữ “cụng nghệ nano” để gọi cõc phương phõp chế tạo nhỏ hơn 1 nm vă bắt đầu được giới khoa học thế giới sử dụng[1].
Mặc dự biết rằng vật chất tồn tại trớn quy mơ nano, cõc nhă khoa học khụng thể phđn tớch được nano qua kớnh hiển vi. Khi được phúng đại lớn 10.000 lần, chỳng ta khơng thể nhỡn thấy được gỡ nữa cả. Bước đột biến bắt đầu xảy ra văo năm 1981, khi nhă nghiớn cứu thuộc IBM Zurich (Thụy Sỹ), G.Binning vă H.Rohrer tuyớn bố với thế giới lă hai ụng đờ phõt minh ra kớnh hiển vi cú khả năng quan sõt trọn vẹn ngun tử. Cơng nghệ năy giỳp họ phđn tớch được cõc loại vật chất nhỏ tớ hon, từ đú xõc định hỡnh dạng của vật chất bằng cõch cảm nhận thay vỡ quan sõt, tương tự như khi người mự đọc chữ Braille, chỉ cú đều ở kớch thước nguyớn tử[4].
Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong cơng nghệ nano lă kớnh hiển vi quĩt sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM). STM được hai nhă khoa học Gerd Binning vă Heinrich Rohrer thuộc cụng ty IBM phõt minh văo năm 1981, nhờ ứng dụng to lớn của phõt minh năy mă đến năm 1986, hai ụng đờ nhận được giải Nobel vật lý. STM bao gồm một đầu dị cực nhỏ cú thể quĩt trớn bề mặt, đầu dũ năy chỉ cõch bề mặt của vật cần quan sõt văo khoảng văi nguyớn tử vă đầu dị cú cấu trỳc tinh vi cho hiệu ứng cơ lượng tử xảy ra. Khi đầu dị được quĩt trớn bề mặt, nhờ hiệu ứng đường ngầm, cõc điện tử cú thể vượt qua khoảng khụng gian giữa bề mặt của vật liệu vă đầu dũ. Kỹ thuật năy lăm cho một mõy tớnh cú thể xđy dựng vă phúng đại những hỡnh ảnh của phđn tử vă ngun tử của vật chất. STM cú một hạn chế lă kớnh hiển vi năy chỉ nghiớn cứu được những mẫu dẫn điện vỡ cần cú sự di chuyển của điện tử giữa mũi nhọn mõy quĩt vă mẫu.[7]
Năm 1985, Robort F.Cut Jr, Harold W.Kroto vă Richard E.Smalley phõt minh ra Buckminster_Fulleren (quả cầu Bucky cú đường kớnh khoảng 1 nm) [1] đđy lă lần đầu tiớn cõc nhă khoa học tạo ra cõc loại carbon siớu nhỏ dưới dạng rắn. Buckyball lă những phđn tử hỡnh cầu rỗng, trong đú cõc nguyớn tử carbon ở đỉnh gắn kết với nhau thănh cõc hỡnh ngũ giõc vă lục giõc, tương tự như cõc mặt của một quả búng đõ. Chỳng cú thể chịu đựng nhiệt độ vă õp suất cao, đồng thời rất bền vă dẫn điện tốt. Đặc tớnh năy khiến Buckyball được ứng dụng phổ biến trong cõc thiết bị nano như cõc nhiệt kế. Trong họ buckyball, dạng nổi tiếng nhất lă C60 - một khối cầu hỡnh quả búng với 60 nguyớn tử carbon[8].
Năm 1985, Harold Kroto (University of Sussex, Anh Quốc), James R.Health, Sean O’Brien, Robert Curl hai nhă khoa học Gerd Binning vă
Heinrich Rohrer cựng phõt minh của họ - kớnh hiển vi STM
vă Richard Smalley (Rice University), đờ khõm phõ ra phđn tử chứa 60 nguyớn tử cacbon gọi tắt lă C60. Kroto, Curl vă Smalley đờ nhận được giải thưởng Nobel về lĩnh vực hõ học năm 1996 vỡ đờ tỡm ra loại hợp chất năy.
Giõo sư Kroto lă một nhă nghiớn cứu thiớn văn. Văo thập niớn 70, ơng đờ cú một chương trỡnh nghiớn cứu những chuỗi dăi cõc ngun tử cacbon trong cõc đõm mđy bụi giữa cõc vỡ sao. Ơng liớn lạc với nhúm của Curl vă Smalley vă dựng quang phổ kế lazer của nhúm năy để mơ phỏng điều kiện hỡnh thănh của cõc chuỗi cacbon trong đõm mđy vũ trụ. Họ khụng những cú thể tõi tạo những chuỗi cacbon mă cịn tỡnh cờ khõm phõ ra một phđn tử rất bền chứa chớnh