Tìm hiểu về kỹ thuật nanô

 

Kỹ thuật nano là nghệ thuật và khoa học thao tác vật chất ở kích cỡ nano (tức là kích cỡ bằng 1/100,000 bề dày của một sợi tóc người) để làm ra những vật liệu và sản phẩm mới và độc đáo.

Kỹ thuật nano có tiểm năng lớn thay đổi xã hội. Một vốn đầu tư toàn cầu lên tới 9 tỉ mỹ kim mỗi năm đã đươc dự trù cho các nghiên cứu và phát triển nhằm dẫn tới những phương pháp trị liệu và dụng cụ y khoa mới, những ngưồn cung ứng năng lượng hữu hiệu hơn, những hệ thống tồn trữ và chuyển nước trong sạch hơn,những phương cách giảm bớt và ngăn ngừa ô nhiễm hữu hiệu hơn và những vật liệu bển bỉ cứng chắc và nhẹ hơn. Và đây chỉ mới là một phẩn nhỏ của các dự án khai thác kỹ thuật nano đang đựợc các giới khoa học và kỹ thuật bàn thảo.

Trong vòng thập niên tới, bộ mặt xã hội sẽ thay đổi nhiều nhờ vào khoa học và công nghệ nano. Với tuổi thọ ngày mỗi tăng, phẩn lớn chúng ta tới lúc đó chắc hãy còn sống để mà chứng kiến những sự đổi thay. Vì vậy,cần biết một số thông tin cơ bản về ngành kỹ thuật mới mẻ  này, để ít nhất chúng ta biết sơ về nển công nghệ nano đã và sẽ đem lại nhiều ứng dụng cho nhân loại.

Các điểu cơ bản vể kỹ thuật nano  

 

Thế nào là nano?

Trong ngôn ngữ Hi lạp, “nano” là một tiếp đầu ngữ có nghĩa là “lùn”. Nano chỉ đơn giản là một phần tỉ, như vậy một nanometer (1nm) bằng một phần tỉ của mét

(1/1000 000 1000 mét)

Kích cỡ nano (nanoscale)

Các vật thể có kích cỡ nano có ít nhất một bề (cao, dài hay sâu) có số đo trong khoảng từ 1 tới 999 nanometer ( 1 – 999nm)

Một đầu kim rộng 1 millimét= 1,000,000 nanometer, một hạt bụi phấn hoa đưởng kính 20 micromét = 20,000nanomét, mốt tế bào máu đỏ lớn 2,5 micromét= 2,500 nanomét và một ống nanotube cacbon  có đường kính 2 nanomét

Khoa học nano (nanoscience)

Đó là lãnh vực khoa học mà các kích thuớc giữ một vai trò chủ yếu ( kích thước trong dải từ 1 tới 100 nanometer ( 1- 100nm) )

Khi các vật thể có kích thuớc dưới 100 nanometer chúng có thể có những tính chất hoá học và vật lý khác lạ không ngờ. Chẳng hạn như khi bạn cắt một thỏi vàng thành những miếng nhỏ dần, mỗi miếng vàng vẫn giữ nguyên mầu sắc, độ nóng chảy…Nhưng khi tới kích cỡ nano, các miếng vàng này sẽ đổi khác.                Hình dưới đây cho thấy mầu sắc của miếng vàng (Au) bạc (Ag) ở kích cỡ nano thay đổi tùy theo kích thước và hình dạng.

Ở kích cỡ nano, tất cả các tính chất hoá học (độ phản ứng, tính dể cháy…) và  vật lý ( nhiệt độ nóng chảy,  tính dẫn…)  đều có thể thay đổi   Như vậy chúng ta thấy các tính chất của vật liệu tùy thuộc vào kích thước của vật liệu. Chính sự phụ thuộc này của các tính chất  vào kích thước  là nguyên nhân chính đem lại một tiềm năng kỳ diệu cho các vật thể có kich cỡ nano

Các dụng cụ dùng trong kỹ thuật nano

Chúng ta phát hiện ra các cấu trúc nano nhờ vào những dụng cụ chuyên biệt, như là chúng ta đã tìm ra sự hiện diện của các phân tử.

Các phân tử có hơn 10 nguyên tử ở trong dải kích cỡ nanometer. Các nhà khoa học  chỉ có thể nhìn thấy riêng rẽ từng phân tử và từng vật thể  kích cỡ nano nhờ vào những kính hiển vi cực kỳ mạnh.  

Ánh sáng là dao động điện từ truyển trong chân không với tốc độ  c=300,000 km/giây. Đoan truyền của dao động trong thởi gian bằng một chu kỳ đươc gọi là bước sóng (wavelenght). Bãn hãy hình dung sóng biển, khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kế liển (peak) chính là bước sóng

Các kính hiển vi này không dùng ánh sáng thường để tạo hình của một vật thể kích cỡ nano. Tại sao vậy?  Lý do là vì bước sóng (wavelenght) của ánh sáng thường –trong khoảng từ 400 tới 750 nanometer---quá lớn đối với nhiều vật thể kích cỡ nano và với hẩu hết các phân tử. Vì thế,  kính hiển vi chuyên biệt dùng những chùm tia electron rất nhỏ hẹp để thăm dò vật thể ; máy dùng một cần để đẩy  một đẩu mũi rất nhỏ và nhọn  quét trên bề mặt vật thể kích cỡ nano. Chuyển động của cần đẩy  đươc điều khiền bởi một máy vi tính tạo hình. Phương pháp dò quét bằng mũi nhọn này (tip-scanning method)  được gọi là Scanning Probe Microscopy (SPM) và cũng tương tự như một người đưa ngón tay rờ trên các chữ Braille để đọc. Các kính hiển vi điện tử cũng giống như các kính hiển vi dùng ánh sáng, chỉ có điều khác biệt là các chùm tia electron thay vì các chùm tia sáng đươc chiếu vào mẫu vật

Các tính chất phụ thuộc vào kích thước (size-dependent properties).

 Các vật thể kích cỡ micro ( kích thước cỡ 1 phần triệu mét) đươc sử dụng  rộng rãi  nhưng không gây nhiều kích động như các vật thể kích cỡ nano. Nguyên nhân là vì các vật thể kích cỡ micro vể cơ bản có những tính chất tương tự như vât liệu kích cỡ lớn. Còn ở kích cỡ nano, các tính chất cơ bản của vật liệu tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và thành phần một cách khác lạ so với bất cứ kích cỡ nào khác. Như vậy , chúng ta có thể nói kích cỡ nano là một dạng khác của sự nhỏ bé.

Sự phụ thuộc của các tính chất  vào kích thước là nguyên nhân giúp cho các vật thể kích cỡ nano có tiềm năng ảnh hưởng đáng kể trong cả hai lãnh vực khoa học và công nghệ.

Dưới đây là các thí dụ vể những tính chất phụ thuộc vào kích thước

v     Các tính chất xúc tác --vật liệu kích hoạt các phản ứng hoá học ra sao

v     Các tính chất điện hoá--vật liệu chuyển electron cho các phần tử  hoá học khác ra sao

v     Các tính chất nóng chảy--vật liệu chuyển từ thể rắn sang thể lỏng ra sao

v     Các tính chất từ --các electron tương tác để tạo  các từ cực ra sao

v     Các tính chất quang học--vật liệu tưong tác với ánh sáng ra sao

Rất khó có thể tiên liệu tới kích thước nào thì một vật liệu đặc trưng sẽ chuyển từ các tính chất thuộc kích cỡ lớn sang các tính chất thuộc kích cỡ nano.  Thềm chuyển tiếp khác nhau tuỳ theo từng vật liệu và từng tính chất. Chẳng hạn như, vàng ở kích cỡ nano thay đổi mầu dọc theo  suốt  dải kích cỡ nano, nhưng các tính chất xúc tác phụ thuộc vào kích thuớc của vàng chỉ thay đổi nhiều khi mà kích thước xuống tới dưới 5 nanometer

Kỹ thuật nano (nanotechnology)

Kỹ thuật nano là ngành kỹ thuật áp dụng các vật liệu và tính chất kích cỡ nano vào việc giải quyết một vấn để hay phục vụ một mục đích.

Mỗi khi các tính chất phụ thuộc kích thước của một vật liệu đặc trưng đươc phát hiện thì cánh cửa lại mở rộng cho những phương cách mới để sử dụng vật liệu ấy. Những áp dụng mới cũng có thể trở thành khả thi vì các vật thể kích cỡ nano hết sức nhỏ bé  nên có thể đưa vào trong một môi trường (như cơ thể con người chằng hạn) mà không sợ gây tổn thương . Sử dụng các tính chất đặc biệt xẩy ra ở kích cỡ nano để phát triển các kỹ thuật mới đươc gọi là kỹ thuật nano

Kỹ thuật nano nhắm vào ba lãnh vực sau đây:

v     Phát triển những dụng cụ mới để đo đạc và ngành hóa  học mới để sản xuất các cấu trúc cực kỳ thu nhỏ

v     Nhận diện các thay đổi vật lý và hoá học xẩy ra ở kích cỡ nano

v     Sử dụng các thay đổi vật lý và hoá học ở kích cỡ nano để triển khai những kỹ thuật mới

Kỹ thuật nano mở cho chúng ta một đường hướng hoàn toàn mới mẻ để chế tạo và nghiên cứu các vật liệu và thiết bị trong mọi ngành khoa học và công nghệ. Kỹ thuật nano đang đươc khai thác trên toàn cẩu và thu hút các nhà nghiên cứu thuộc đủ mọi ngành nghể như hoá học, vật lý, khoa học vật liệu, công nghệ, sinh hoc, y học. Nhiều ứng dụng của kỹ thuật nano đã đươc đưa vào thị trường, một số ứng dụng khác đầy hứa hẹn đang trong vòng nghiên cứu.

Các phương cách xây dựng cấu trúc  (building methods)

Có  hai phương cách tiến tới việc xây dựng các cấu trúc: đó là phương cách “đi từ trên xuống” (top-down) và phương cách “đi từ dưới lên” (bottom-up)

 

Trong các phương cách “đi từ trên xuống” các nhà nghiên cứu sửa đổi một cách kỹ càng vật liệu nguyên thủy giống như một nghệ sĩ tạo một tác phẩm điêu khắc từ một khối cẩm thạch

.

Phương cách này có tính cách truyển thống hơn vì vật liệu đươc sửa đổi (tức là lấy đi, thêm vào…) bằng các phương tiện cơ học hay hoá học. Cách in litô bằng ánh sáng (photolithography) và bằng chùm tia  electron (electron beam lithography) là những thí dụ về  phương cách “đi từ trên xuống” rất thông dụng trong kỹ nghệ bán dẫn để sản xuất các mạch in điện tử. Một số phương cách “đi từ trên xuống”  đã đươc thương mại hoá. Nhưng theo một số chuyên gia thì phương cách này có những giới hạn của nó

.

Với phương cách “đi từ dưới lên” các nhà nghiên cứu tìm cách xây dựng những hệ thống lớn và phức tạp hơn bẳng cách ghép từng phân tử một vào với nhau. Trong phương cách này,.các phân tử đươc  thiết kế và tạo thành làm sao để chúng có thể tự ráp lại với nhau một cách tự động khi có kích động vật lý hay hoá học

Đây là phương cách thường xẩy ra hàng ngày trong thiên nhiên. Mặc dẩu tiến trình “đi từ dưới lên” chưa phát triển nhiều nhưng  trong tương lai có nhiều hứa hẹn hơn.

Vì các nhà khảo cứu làm việc từ hai đẩu trở vào nên hai phương cách trên rổi ra sẽ qui tụ lại với nhau.

        Theo Internet  : " Understanding nanotechnology- Northwestern University "