Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ kích thước nanomet (nm). Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm).
Trang 1BÁO CÁO MÔN HỌC
I. Tổng quan về nano
Công nghệ nano ( nanotechnology) là gì?
Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ - kích thước nanomet (nm) Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm).
Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet (từ 1 -100nm).
XUẤT XỨ CỦA CÔNG NGHỆ NANO?
Thực sự các hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm trong thế giới tự nhiên Từ thế kỷ thứ 10, người ta đã sử dụng hạt nano vàng để tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau (màu đỏ, xanh hoặc vàng tùy vào kích thước của hạt)… Nghĩa là con người đã sử dụng, chế tạo các vật liệu nano từ rất lâu, chỉ có điều chúng ta chưa biết nhiều về nó.
Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano Công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Ra đời mới hơn hai mươi năm, là một ngành công nghệ non trẻ nhưng công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt.
Hình 1 – Sơ đồ của kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM)
Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều
tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano
Trang 2 Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,
ĐIỀU GÌ LÀM NÊN SỰ KHÁC BIỆT CỦA VẬT LIỆU NANO?
Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1 -100nm có những tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật liệu nano.
Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn so với tổng thể tích
hạt Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường
có hoạt tính hóa học cao
Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, từ, quang… ở mỗi vật liệu đều có
một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với vật liệu vĩ mô thường gặp Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó (1 -100nm) cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang… của vật liệu.
II. Ứng dụng công nghệ Nano
1 Công nghệ nano trong y tế
Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào Một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư Các hạt
Trang 3nano này sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u
Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot vô cùng đặc biệt Với những chú robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết Việc cung cấp thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng cũng như hiệu quả điều trị
Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người chống lại căn bênh ung thư quái ác Ngay cả những căn bênh ung thư khó chữa nhất như ung thư não, các bác sĩ sẽ có thể dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào
2 Công nghệ nano trong điện tử
• Nhắc đến công nghệ nano, có thể bạn sẽ nghĩ đến những dự án khoa học đang được tiến hành bởi các giáo sư hàng đầu trong phòng thí nghiệm, những công nghệ cao cấp và tiên tiến nhất Tuy nhiên thực tế có thể bạn đang sử dụng một số sản phẩm của công nghệ nano ngay lúc này Những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn
• Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công nghệ năng lượng Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống
Trang 4nanowhiskers Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn Trong khi kích thước của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại
• Vật liệu nano giúp ta chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại,…
3 Công nghệ nano trong ứng dụng may mặc
Kể từ đầu những năm 2000, ngành công nghiệp thời trang đã bước sang một trang mới với việc áp dụng công nghệ nano trong một số loại vải đặc biệt Một ý tưởng vô cùng đặc biệt với loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc áp dụng các hạt nano bạc Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn và tiêu diệt các tế bào của chúng Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao và đặc biệt hơn là được sử dụng trong một loại quần lót khử mùi
Không chỉ dừng lại ở công dụng khử mùi, công nghệ nano có thể biến chiếc áo bạn đang mặc thành một trạm phát điện di động Sử dụng các nguồn năng lượng như gió, năng
Trang 5lượng mặt trời và với công nghệ nano bạn sẽ có thể sạc điện cho chiếc smartphone của mình mọi lúc mọi nơi Ứng dụng này còn được sử dụng rộng rãi hơn với ý tưởng chế tạo những chiếc buồm bằng vật liệu nano, với khả năng chuyển hóa năng lượng tự nhiên thành điện năng Tuy nhiên ứng dụng này vẫn đang trong quá trình thử nghiệm
4 Công nghệ nano trong tự nhiên
Có một sự thật là các ứng dụng của công nghệ nano hiện nay đều có thể tìm thấy trong tự nhiên Ví dụ như một ứng dụng của công nghệ nano trên các loại vải khiến chúng không thấm nước và bụi bẩn, bạn có thể thấy điều tương tự khi những giọt nước lăn trên bề mặt của lá sen Bề mặt của lá sen được bao phủ bởi một lớp lông đặc biệt có kích thước cỡ nanomet, khiến những giọt nước không thể ngấm hay bám vào bề mặt của lá Mô phỏng điều này, các nhà khoa học đã tạo ra một lớp ống nano siêu nhỏ trên bề mặt của vải và từ
đó tạo ra những bộ quần áo không thấm nước và chống bụi bẩn
Trang 6Một ví dụ khắc với loài tắc kè trong dự án nghiên cứu một thiết bị đi trên tường của nhóm nghiên cứu Robert Full tại đại học Berkeley Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, mỗi ngón chân của tắc kè được bao phủ bởi một lớp lông có kích thước siêu nhỏ, giúp chúng có thể bám dính vào các bề mặt mịn theo lực van der Waals (độ bám dính giữa các phân tử) Mô phỏng điều đó, các nhà khoa học cũng tạo ra những miếng đệm với lớp ống nano siêu nhỏ mà có thể hỗ trợ những người leo núi bám tốt hơn trên các vách đá
Xã hội con người hiện nay đã rất phát triển, tuy nhiên chúng ta vẫn đang học tập rất nhiều điều từ tự nhiên Điều quan trọng là các công nghệ khoa học phát triển phải góp phần thúc đẩy sự sống, chứ không phải tiêu diệt sự sống của thiên nhiên
5 Thực phẩm từ công nghệ nano
Công nghệ nano là những nghiên cứu, phân tích và thiết kế trên quy mô rất nhỏ cỡ nano met, vậy nếu sử dụng công nghệ nano để làm đồ ăn thì liệu bao nhiêu mới đủ giúp chúng
ta no? Thật may là chúng ta sẽ không ăn các đồ ăn được làm ra từ công nghệ nano, tuy nhiên công nghệ nano sẽ làm thay đổi cách thức chúng ta ăn các món ăn hàng ngày
Trang 7Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm thay đổi các loại thực phẩm ở cấp độ nguyên
tử và phân tử, khiến các loại thực phẩm này thay đổi hương vị cũng như giàu dinh dưỡng hơn Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta sẽ được thưởng thức những món ăn với hương vị vô cùng lạ mà giá trị dinh dưỡng vẫn cao nhờ công nghệ nano thực phẩm Công nghệ nano cũng sẽ giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng cách tạo ra những vật liệu đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn Chúng ta có thể thấy nhiều loại
tủ lạnh hiện nay được phủ một lớp nano bạc bên trong để tiêu diệt vi khuẩn Thậm chí một số loại hộp thực phẩm cao cấp hiện nay cũng được phủ một lớp bạc nano bên trong
III. Chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up) Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên
là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử
1. Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những
Trang 8viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cự lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó
là các phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp
2. Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý
• Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển
pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính
• Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion Phương pháp
hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,
• Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc
vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,
Trang 9IV. Cảnh báo về hạt nano
• Các nhà khoa học cũng đã cho thấy rằng những hạt nano rất nhỏ, được gọi là quantum dot, có thể xâm nhập qua da của người Những nghiên cứu khác gợi ý rằng từ da chúng có thể di chuyển qua hệ thống ống lympho để đi đến các bạch cầu và cuối cùng là các cơ quan như gan thận và lá lách
• Và khi hít vào thì những hạt nano sẽ đi sâu vào phổi hơn so với những hạt có kích thước lớn hơn và đến được những bộ phận nhạy cảm hơn Vì lẽ đó, các nhà khoa học đặc biệt lo ngại về việc sử dụng hạt nano trong những sản phẩm phun
• Các nhà nghiên cứu không chỉ lo lắng vì sức khỏe con người mà còn lo lắng về những hiệu ứng mà hạt nano có thể gây nên cho môi trường, đặc biệt là những hạt nano bạc.Những công việc xử lý nước thải không thể loại những chất này ra khỏi nước vì thế những hạt nano bạc thải ra sẽ có mặt ở sông, hồ, và nước biển
V. Vật liệu nano
