1.4.1. Một số khái niệm chung.
Công nghệ nano.
Khoa học nano bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỷ trước và trong những năm gần đây khoa học và công nghệ nano phát triển vƣợt bậc. Các chuyên gia dự báo rằng, công nghệ nano sẽ là một trong những nghành công nghệ đột phá, có tác dụng tích cực nhất trong vòng 25 năm tới đối với nền kinh tế thế giới.
Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 21 - Công nghệ nano nghiên cứu và sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hoá vật chất, năng lƣợng và thông tin [11, 15].
Vật liệu nano.
Công nghệ nano xuất hiện và luôn đi kèm với sự phát triển của vật liệu nano.
Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỷ XX là thời điểm mà các nhà vật lý, hoá học và vật liệu học quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất và những sự chuyển hoá của các phần tử có kích thước nano. Đó là do các phần tử nano biểu hiện những tính chất điện, hoá, cơ, quang, từ ... khác rất nhiều so với vật liệu khối thông thường [12].
Khái niệm vật liệu nano tương đối rộng, chúng có thể là tập hợp các nguyên tử kim loại hay phi kim, oxit, sunfua, cacbua, nitrua ... có kích thước trong khoảng 1-100 nm; Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao quản dưới 100 nm (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại). Nhƣ vậy, vật liệu nano có thể thuộc kiểu siêu phân tán hay hệ rắn với độ xốp cao.
Có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano, do kích thước hạt vô cùng nhỏ nên hầu hết các nguyên tử tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình khi tương tác với môi trường xung quanh. Do đó có thể chờ đợi ở các vật liệu nano những tính chất khác thường.
- Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh hưởng bởi các biến đổi trong phạm vi thang nano, do đó khi làm thay đổi cấu hình của vật liệu ở thang nano ta có thể điều khiển đƣợc các tính chất của vật liệu theo ý muốn mà không cần thay đổi thành phần hoá học của nó [9].
- Vật liệu có cấu trúc nano có tỷ lệ diện tích bề mặt rất lớn nên chúng là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học, dược phẩm, thiết bị lưu trữ thông tin... [9].
- Tốc độ tương tác, truyền tin giữa các cấu trúc nano nhanh hơn rất nhiều so với cấu trúc micro và có thể sử dụng tính chất ƣu việt này để chế tạo ra hệ thống thiết bị truyền tin nhanh với hiệu quả năng lƣợng cao.
- Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano, nên nếu các bộ phận nhân tạo dùng trong tế bào có tổ chức cấu trúc nano bắt trước tự nhiên thì chúng dễ dàng tương thích sinh học.
Những tính chất khác thường trên đang là đối tượng khám phá của các nhà khoa học. Vấn đề này thuộc “Hiệu ứng kích thước”.
Hiện nay các vật liệu nano đƣợc phân loại nhƣ sau [12]:
- Vật liệu nano trên cơ sở cacbon nhƣ ống cacbon
- Các loại vật liệu không trên cơ sở cacbon: vật liệu kim loại, vật liệu oxit, vật liệu xốp ...
- Các phân tử tự tổ chức và tự nhận biết.
Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương pháp tổng hợp hoá học truyền thống nhƣ ngƣng tụ pha hơi, phản ứng pha khí, kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thuỷ phân, điện kết tủa, oxi hoá, phản ứng vận chuyển, sol – gel [12].
1.4.2. Ứng dụng của công nghệ nano
Công nghệ nano hứa hẹn sẽ “thay đổi cuộc sống của con người” bởi có những tính chất nổi trội và mới lạ. Chúng đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống kinh tế xã hội.
Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông [9].
Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều như điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano là tạo các lớp bán dẫn siêu mỏng mới. Ngoài ra công nghệ nano còn mở ra cho công nghệ thông tin một triển vọng mới: chế tạo linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn so với transitor.
Nguyễn Thị Ngọc – K20 môi trường - 23 - Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học: [9]
Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đƣa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thƣ, tạo ra hàng trăm các dƣợc liệu mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học mà phần di động chỉ có kích thước cỡ phân tử protein, tạo ra các chíp sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin nhƣ bộ não.
Các nhà khoa học hy vọng rằng việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra đƣợc những biện pháp hữu hiệu để nâng cao sức khoẻ, tăng tuổi thọ con người.
Công nghệ nano với vấn đề môi trường:
Hoá học xanh và môi trường được quan tâm đặc biệt trong thời gian gần đây. Các kim loại dạng bột mịn nhƣ Fe, Zn thể hiện hoạt tính cao với các hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường nước. Điều này dẫn tới việc sử dụng thành công loại màng chứa cát và bột kim loại xốp để làm sạch nước ngầm. Các oxit kim loại nano với sự phân huỷ của chất hấp phụ, do đó các vật liệu mới này đƣợc gọi là các “chất hấp thụ phân huỷ”. Chúng đƣợc sử dụng trong việc xử lí khí, phá huỷ các chất độc hại [15, 17].
Công nghệ nano với vấn đề năng lượng:
Nhu cầu về năng lƣợng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn tại và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lƣợng khác thay thế là một nhiệm vụ cấp bách đặt ra. Năng lƣợng mặt trời có thể chuyển hoá trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện. Nguồn nhiên liệu sạch là hidro có thể đƣợc tạo ra nhờ phản ứng quang hoá phân huỷ nước. Các quá trình trên đạt hiệu quả cao khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu trữ hydro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano [8].
Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu:
Vật liệu composit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu composit làm tăng tính chất cơ lí, giảm khối lƣợng, tăng khả năng chịu nhiệt và hoá chất, thay đổi tương tác với ánh sáng và các bức xạ khác. Trên thị trường đã xuất hiện loại thuỷ tinh tự làm sạch do được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi [8].
Ngoài những ứng dụng cơ bản trên, công nghệ nano còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều ngành nghề khác nhau nhƣ thực phẩm, nông nghiệp,… Trên cơ sở khoa học và thực tiễn đã thu đƣợc, ta có thể thấy rằng chắc chắn công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc cách mạng chƣa từng có trong khoa học và đời sống.