Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất chúng tại các quy mô lớn hơn.
Công nghệ nano là thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét (nm)
Vật liệu nano là đối tượng của hai lình vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến 100 nm. Để có 1 con số dễ hình dung, nếu có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ làm ra rất nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, nếu xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.
Ranh giới giữa khoa học nano và công nghệ nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano. Theo một cách khái quát, khoa học – công nghệ nano nhằm tạo ra các vật liệu, linh kiện và các hệ thống có tính chất mới, nổi trội, nhờ vào kích thước nm, đồng thời điều khiển được các tính chất và chức năng của chúng [3,41].
Khoa học - cộng nghệ nano gồm ba lĩnh vực: chế tạo vật liệu nano; các phương pháp, công nghệ ứng dụng vật liệu nano; các thiết bị nano. Phạm vi kích thước được quan tâm nhiều nhất là từ 100nm trở xuống tới kích thước nguyên tử, vì trong phạm vi kích thước này (đặc biệt là ở những kích thước nhỏ), vật liệu có những tính chất khác biệt hoặc một số tính chất được thể hiện mạnh hơn so với khi cấu trúc vật liệu ở kích cỡ lớn.
Hai yếu tố chính tạo nên các tính chất của vật liệu nano, làm cho nó khác biệt lớn
40
tử. Những yếu tố này có thể làm thay đổi hoặc tăng cường các tính chất, ví dụ như độ
phản ứng, độ cứng và các tính chất điện. Khi giảm kích thước một hạt thì tỷ lệ các nguyên tử trên bề mặt tăng lên so với các nguyên tửở bên trong. Ví dụ, một hạt có kích thước 30 nm có 5% nguyên tử ở trên bề mặt, với kích thước 10nm có 20% nguyên tử trên bề mặt và 3 nm có 50% nguyên tử trên bề mặt. Do vậy, các hạt nano sẽ có diện tích bề mặt trên
đơn vị khối lớn hơn so với các hạt ở kích thước lớn hơn.
Vì các phản ứng hóa học xúc tác diễn ra ở bề mặt, nên điều này có nghĩa là một khối vật liệu dạng hạt nano sẽ phản ứng nhạy hơn với cùng khối vật liệu đó có cấu tạo từ
các hạt lớn hơn. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là tính chất điện, quang, từ…
Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano ba hiệu
ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước.
* Hiệu ứng lượng tử:
Đối với các vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1µ m3 vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử), các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét các giá trị
trung bình của chúng. Nhưng đối với cấu trúc nano, do kích thước của vật liệu rất nhỏ, hệ
có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiện tượng lượng tử kì thú như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang phi tuyến của vật liệu, hiệu ứng đường ngầm…
* Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỷ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt ( gọi tắt là hiệu ứng bề mặt ) sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Các cấu trúc nano có kích thước rất nhỏ nên chúng có thể đuợc sắp xếp gắn kết rất đông đặc, thậm chí có thể không có các vi lỗ xốp. Tính chất đặc biệt này của các vật liệu cấu trúc nano là do tương tác điện - từ giữa chúng qua
41
các lớp bề mặt của các hạt nano cạnh nhau. Trong nhiều trường hợp lực tương tác này có thể lớn hơn lực Van der Waals.
Sự sắp xếp của các cấu trúc nano rất có lợi cho tốc độ truyền tải thông tin trong hệ
thống các cấu trúc nano. Riêng đối với các đại phân tử sinh học, kết hợp với các hiệu ứng bề mặt làm cho cấu trúc của chúng trở nên rất phức tạp. Độ phức tạp của các cấu trúc chỉ
có thể phân tích bằng những nguyên lý khoa học ở tầm sâu.
Một trong các bài toán bề mặt quan trọng là tương tác giữa bề mặt của đế chứa vật liệu kích thước nano với các nguyên tử của cấu trúc nano đó. Bề mặt đế thường có độ gồ
ghề nhất định, còn các nguyên tử hấp phụ trên bề mặt sẽ di chuyển tới vị trí có thế năng thấp nhất. Tính chất này ảnh hưởng đến việc “sắp xếp” các nguyên tử trên đế theo một cấu trúc nano định trước. Tính chất bề mặt làm cho việc "lắp ghép” các cấu trúc nano trở
nên rất phức tạp và tăng tính phức tạp của hệ, có thể dẫn tới các tính chất hoàn toàn mới của cấu trúc đó.
* Hiệu ứng kích thước
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu có kích thước nhỏ hơn kích thước ấy thì tính chất của vật liệu hoàn toàn bị
thay đổi và người ta gọi đó là kích thước tới hạn.
Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn. Ví dụ như, điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường có giá trị từ vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Tuy nhiên không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà còn phụ thuộc vào tính chất được nghiên cứu.
42
Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi nghành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
Các vật liệu thường được đặc trưng bằng một số đại lượng vật lý không đổi, ví dụ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, v.v… Nhưng các đại lượng đặc trưng này chỉ không đổi khi kích thước của vật đủ lớn và ở trên thang nano. Khi giảm kích thước của vật xuống đến thang nano, tức là vật có cấu trúc nano thì các đại lượng đặc trưng nói trên không còn bất biến nữa, chúng sẽ thay đổi theo kích thước và được gọi là hiệu ứng kích thước. Ví dụ khi bề dày của lớp kim loại ở thang nano càng nhỏ thì độ dẫn điện sẽ
càng giảm so với độ dẫn điện cùng của kim loại đó. Nhưng ở các vật có kích thước lớn, sự giảm theo kích thước này được giải thích bằng vai trò của tán xạ điện tử trên bề mặt tăng khi bề dày lớp nano giảm. Đã có rất nhiều nghiên cứu cơ bản về hiệu ứng kích thước trong các vật liệu từ, vật liệu siêu dẫn v.v.
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi tính chất của vật liệu này đều có một độ dày đặc trưng. Độ dày đặc trưng đối với nhiều tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nanomet. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lý đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất liên quan
đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết mà không có sự chuyển tiếp liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối, nhưng cũng có thể tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất kì kích thước nào [2, 5, 32].
43
Bảng 2.1: Kích thước giới hạn đối với một số vật liệu nano
Tính chất Thông số Độ dài tới hạn (nm)
Điện Bước sóng điện tử
Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi Hiệu ứng đường ngầm
10 ÷ 100 1 ÷ 100 1 ÷ 10 Từ Vách đô men, tương tác trao đổi
Quãng đường tán xạ spin Giới hạn siêu thuận từ
10 ÷ 100 1 ÷ 100 5 ÷ 100 Quang Hố lượng tử (bán kính Bohr)
Độ dài suy giảm Độ sâu bề mặt kim loại Hấp thụ pasmon bề mặt 1 ÷ 100 10 ÷ 100 10 ÷ 100 10 ÷ 500 Siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper
Độ thẩm thấu Meisner 0,1 ÷ 100 10 ÷ 100 Cơ Biên hạt Bán kính khởi động đứt vỡ Sai hỏng mầm Độ nhăn bề mặt 1 ÷ 10 1 ÷ 100 0,1 ÷ 10 1 ÷ 10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1 ÷ 10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn Cấu trúc nhị cấp Cấu trúc tam cấp 1 ÷ 100 1 ÷ 10 10 ÷ 1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1 ÷ 10
Song song với hiệu ứng diện tích bề mặt, hiệu ứng lượng tử chi phối những tính chất của vật liệu khi kích thước giảm xuống cỡ nanomet. Chúng có thể tác động tới phản
44
nhất trong bảng kích thước nano. Vật liệu nano khai thác những hiệu ứng này bao gồm các chấm lượng tử, các tia laser năng lượng lượng tử, các linh kiện điện quang.
Đối với các vật liệu khác như những chất rắn dạng tinh thể, khi kích thước giảm thì diện tích bề mặt trong lòng vật liệu tăng lên sẽ tác động mạnh tới các chất điện và cơ. Hầu hết các kim loại được tạo ra từ các hạt tinh thể nhỏ, khi vật liệu bị giảm kích cỡ xuống thì ranh giới giữa các hạt giảm đến mức gần bằng không, nhờđó tạo ra độ rắn. Nếu có thể tạo ra những hạt này cực nhỏ, thậm chí ở kích thước nano thì diện tích bề mặt bên trong vật liệu tăng lên rất nhiều và sẽ tăng độ cứng. Ví dụ, niken tinh thể nano có độ cứng bằng thép. Hiện nay đa số vật liệu nano mới được tạo ra ở quy mô phòng thí nghiệm, một số ít
đã bắt đầu sản xuất ở quy mô lớn hơn và được thương mại hóa.