Công nghệ nanô

là Thành lượng tử 48 niử Cụ phân bố trên bề mặt của 1 mũi dò STM đường kính 14nm 21st Century Challenge Combine nanoscale building blocks to make novel functional devices, €.g., a

CÔNG NGHE NANO ?

Kích thước

| nanometer

“Công nghệ nano là một ngành khoa học - kỹ thuật ở quy mô

nguyên tử và phân tử - kích thước nanômét

National Nanotechnology Initiative, 2007

EXCUSE ME, WHERE'S You JUST Trop THE NANOTECHNOLOGY, ON IT DEPARTMENT ? i _

= a @ i"

+

Orig st

Reproduction

1m = 102 nm

1 nm = 10° m

Kích thướó

Tự nhiên 2 mm=—m FE COM 1

: 1,000,000 nanometers

See A 103 m— 1 millimeter

~5mm 2 (mm)

Pee eet b

104 0.1 mm

3

D k 5B

Sợi tóc ee Cn =

~ 60 — 120 um wide 5 7 2 105 mp— 0.01 mm 3

= 3

= 5

e =

y 1,000 nanometers

106 ', 1 micrometer

8 mm)

>

“7 >> @ đe ụ ‘ : 0.1 mm

f iby 4 | 10 3100 nm

= 8

3 °

' 2 108 0.01 mm

xử ign Ss 10nm

ult 3 C ®

ATP synthase Fe

— | 10° 1 nanometer (nm)

§

x

5

DNA tr 1

~2- a : 10° 0.1nm

21/2 nm Nguyên tử Sỉ

Khoảng cách ~nm

Nhân tao

fs Đầu đinh

⁄⁄ 1-2 mm

= _ B4 Thiết bị MEMS

10 -160 um

ng Nanô 10x nm (điện cực)

Rk woes ` l `

b \ ự " ` ⁄

À2 Eò là

Thành lượng tử (48 niử Cụ phân bố trên bề mặt

của 1 mũi dò STM (đường kính 14nm)

21st Century Challenge

Combine nanoscale building blocks to make novel functional devices, €.g., a photosynthetic reaction center with integral

ống Carbon 5

~1.3 nm

Oftige of Basle Eneroy Sclen Office of Science, US Di

acid

Lịch sử nghiên cứu

Ý tưởng về công nghệ nano được đề

xuất vào 29/12/1959 do nhà vật lý

Richard Feynman: tất cả mọi thứ đều

được cấu tạo nên từ các phân tử có

kích thước rất nhỏ là các nguyên tử và

phân tử

Richard Feynman

Tac ke: Nano?

Gecko adhesive system

Micro Meso

Single

/ es

foot hairs (setae)

http://robotics.eecs.berkeley.edu/~ronf/Gecko/index.html

Nanostructures

1000 Spatular

tips

Bề mặt cấu trúc nanô !

(Thụy Sĩ) lần đầu tiên đã phát minh ra kính

hiển vi điện tử quét xuyên ngầm (scanning

tunnelling microscope - STM): cho phép quan

sát được từng đơn nguyên tử

+ Năm 1990 các nhà khoa học của IBM đã tìm

ra cách sử dụng STM để di chuyển từng

nguyên tử Xe (xenon) trên bề mặt niken

: Fe trén dé Cu

di chuyén 35 nguyên tử Xe

tao ra IBM trén bé mat Ni

1996 cho 3 nha khoa hoc Harold Kroto, Robert Curl va Richard Smalley cho phat minh Carbon 60 duoc tim ra

1985

- Đến năm 1991, dng nand Carbon 60

đã được tạo ra và biết đến nhờ tính siêu nhỏ - siêu cứng — siêu nhẹ: nhẹ

hơn 6 lần nhưng độ cứng gấp 100 lần

so với thép!!!

A “Buckyball.”

A “Carbon Nanotube”

11

Image 4: Quantum corral (10,10) tube

Hat nano

“Ôtô Nano”

(Rice University)

Nanô carbon

Hat nano huynh

1

Ứng dụng: hàng không, an ninh, quốc phòng

Linh kiện

-Quần áo tư trang nhẹ, chống dan, chống cháy, có thê thay đổi mầu sắc

-.-

© Lae

Vật liệu siêu nhẹ - siêu cứng có chứa nanô Carbon được sử dụng chế tạo

Ẹ vỏ máy bay

-Cảm biên sinh học được tích hợp bên

trong có khả năng phát hiện nhanh và chính xác các loại vũ khí không nhìn

thấy như hóa học, sinh học

theo môi trường, tàng hình

Thuôc — dược phâm

Thiétb) #ZØØ===

X= h 4 aon n Quốc phòng

An ninh

" iif

2

Hàng tiêu dùng

nà Q26

R

a

A

⁄

TTL

Mỹ phẩm, chăm sóc sức khỏe

L2 4

Dé xuat gan day vé thang may dung trong

vũ trụ (nhẹ, cứng, bền) sử dụng các ống

nanô carbon phục vụ các nghiên cứu không gian

16

Thiết kế các chuỗi sinh học theo

các trình tự quá trình sinh học tự

nhiên

Sửa chữa sai hỏng và lắp ráp các

chuôi phân tử sinh hoc, gien,

Chuẩn đoán và điều trị bệnh

Ngành điện tử nanô kết hợp với ngành

sinh học, hóa học, vật lý kỹ thuật, và

khoa học máy tính đề tạo ra các con chíp

máy tính (nanochips), nanomotors, gan

với cơ thê nguời có sự liên hệ với hệ thần

kinh

Công nghệ nano chế tạo ra các máy tính

siêu nhỏ tiết kiệm năng lượng

Công nghệ mới, vật liệu mới tạo ra nguồn

năng lượng sạch như sử dụng Hydrô dé

cung cấp cho các pin nhiên liệu

Chế tạo vật liệu nanô có khả năng hắp thụ

và lưu trữ nguôn năng lượng mặt trời và chuyên đồi thành năng lượng điện (pin mặt trời)

19

Công nghệ nanô Vật liệu nanô Phương pháp nghiên cứu và quan sát các cấu trúc nanô

Phương pháp chế tạo vật liệu nano Ứng dụng vật liệu nano

20

Phân loai vật liêu nanô theo số chiêu

VậT LIệU NANO ?

> | > »

tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano

‹ _ Vật liệu nano một chiêu là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử

thê

‹ _ Vật liệu có cẫu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phan của vật liệu có kích thước nm, hoặc câu trúc của nó có nano không chiêu, một chiêu, hai chiều đan xen lẫn nhau

O a- chudi hat nanô 0D

6 c- dây nanô 6

Ỗ d- chấm nanô = nanoparticle

(a) (b) (c) C> SS e- tiếp xúc nanô quantum dots (cluster, nanocrystallites)

C>

1 iy g- châm lõm nanô h-

(e) Ì-xuyến nanô

" k- màng mỏng chê tạo nanocrystalline / single-crystalline ÂẦ:

theo khuôn film polycrystalline film nanostructured (bulk-)material

film

Một số ví dụ vật liệu nanô theo số chiêu

0 chiều

ý Y6 cổ — :

(a) ¬

có

Bais BSP:

dang hat màng mỏng -

câu trúc dị thê

Co i

a in

HH

hạt nanô mọc trên cấu trúc cột

1 chiều

dây nanô

2 chiều

ẽ « : vn 2

Se Ị \

y ‘

màng ghi từ hình kim

màng mỏng

Vật liệu nanô

„ „1Im0221 2v“ Nhiều tính chất mới/lượng tử

-Cơ: đàn hồi -Quang: hap thụ, truyền qua -Điện: qui tắc lượng tử -Từ: hiệu ứng bề mặt, đơn đômen -Hóa: xúc tác, phản ứng hóa học,

Do đóng góp của hiệu ứng bê mặt: các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ

lệ đáng kê so với tông sô nguyên tử

- TỈ phần bề mặt/thê tích: S/V ~ 1/r lớn

- Năng lượng bề mặt chiếm ưu thế do liên kết bên trong lõi nhỏ

- Sự giam cằm không gian của các tính chất (Kích thước vật liệu ~ độ dài tới hạn của một số tính chất:

Độ dài tới hạn của một sỐ tính chất của vật liệu

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước

Nêu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thi tinh chat cua nó hoàn toàn bị thay đồi

Kích thước tới hạn

Lĩnh vực Tinh chat Độ dài tới hạn (nm)

Bước sóng điện tử 10-100

Tinh chemin Quang đường tự do trung bì nh 1-100

không đàn hôi

Hiệu ứng đường ngầm 1-10

- a Độ dày vách đômen 10-100

Tinh chat từ

Quang đường tán xạ spin 1-100

Hồ lượng tử 1-100

l Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100

Tính siêu dân — _

Độ thâm thâu Meisner 1-100

Tương tác bắt định xứ 1-1000

Tinh chat co Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100

Sai hỏng mầm 0,1-10

Vật liệu nanô

1200 '

T&)Ƒ

1000L

d(A) Nhiệt độ nóng chảy ~ năng lượng liên kết => T,„ giảm khi xuống kích thước nanô

28

Ví dụ: hiệu ứng bê mặt

X* ` `

Hình dạng giọt nước phụ thuộc vào 3 thành phần lực liên kết: bề mặt tiếp xúc,

a

Chống ướt hoàn toàn

i

- A an »

Self-Cleaning, Surfocès: whe

Chống ướt tốt

Tự làm sạch bằng

Kính sinh thái tự làm sạch

Phủ lớp mỏng nanô TiO, (~15 nm) lén kinh

co tac dung:

-H&p thy birc xa ti

ngoại của mặt trời tạo

ra hiệu ứng xúc tác quang hóa, phân hủy

chất bản trên kính

Ơ - Lớp xốp nanô chống

9 0* ướt và khi nước rơi

xuống bề mặt kinh,

On G

các giọt nước hút nhau, hình thành nên

(a) (6) trôi chất bẩn

Liên kết với bề mặt mạnh Liên kết với bề mặt yếu

Sơn tự làm sạch

Ứng dụng: Kính tự làm sạch (sơn nanô), vải tự ì |