Công nghệ nanô: một cuộc cách mạng trong khoa học và công nghệ

Thuật ngữ “công nghệ nanô” xuất hiện năm 1974 do nhà khoa học Nhật Norio Taniguchi đề xuất. Hiện nay có hai cách hiểu, một liên quan đến chữ “nano” có nghĩa là “nhỏ, lùn” từ tiếng Latinh “ nanus”, một là đơn vị dẫn xuất của hệ mét quốc tế SI: “nanô”, có nghĩa là một phần tỉ, nanômet là một phần tỉ của met, tức một met chia cho 10 ⁹. Người ta gặp lại con số 9 mà tiếng La tinh là “novem”, tên gọi có phần nào giống với chữ “nano”. Hai nghĩa “nhỏ” và một phần tỉ đến bây giờ vẫn còn dùng lẫn lộn như trước kia người ta vẫn dùng lẫn lộn “kỹ thuật micro” (vi kỹ thuật) với kỹ thuật có kích thước micromet. Để có khái niệm về một nanômet nhỏ như thế nào, có thể lấy một thí dụ là đường kính của sợi tóc là vào khoảng 100.000 nanômet.

Công nghệ nanô phát triển rất nhanh chóng với việc ra đời “kính hiển vi quét đường hầm” (Scanning Tunneling Microscopy – STM) do G. Binnig, H. Rohrer và C. Gerber phát minh năm 1981 và được giải Nobel năm 1986. Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi này chủ yếu dựa trên “hiệu ứng đường hầm” do đó có lẽ cũng nên nói đôi lời về hiệu ứng này. Hiệu ứng đường hầm được phát hiện trong những năm 20 của thế kỷ trước. Nó vừa là một điều đáng tò mò trong khoa học vừa là một điều không có gì đặc biệt tuỳ theo mô hình vật lý mà người ta quan niệm. Hiệu ứng đường hầm là khả năng của một hạt vượt qua được hàng rào có thế năng cao hơn năng lượng của bản thân nó. Nói theo quan niệm thông thường thì khả năng này là một điều vô lý, khác gì khi nói người ta có thể đá một quả bóng xuyên qua một bức tường đá... Còn nói theo quan niệm lượng tử nghĩa là trong thế giới vi mô như nguyên tử hay phân tử thì do hạt vừa là hạt lại vừa là sóng nên khả năng này lại hoàn toàn có thể xảy ra. Với quan niệm này người ta đã chứng minh được rằng electron có thể đi qua hàng rào nhưng nằm lại ở vùng lân cận của hàng rào. Nói một cách đơn giản hơn thì khi một electron tự do trong kim loại ở lân cận mặt phân cách của kim loại với môi trường xung quanh, nó có thể “dao động” ra ngoài mặt phân cách nhưng nằm lại cách mặt phân cách khoảng độ một nanômet. Xác suất để tìm thấy electron này giảm nhanh khi đi ra xa khỏi mặt phân cách. Quá một nanômet hầu như không có electron nào có thể dò thấy được.

Kính hiển vi STM chủ yếu gồm một đầu nhọn bằng kim loại mà mũi của nó có kích thước bằng một vài nguyên tử. Khi đặt đầu kim loại đủ gần mặt phân cách, đầu kim loại sẽ bắt các “electron đường hầm”, các electron này sẽ sản sinh một dòng điện vô cùng nhỏ (nhỏ hơn một phần ngàn tỉ ampe đến vài phần tỉ ampe), nhưng người ta vẫn có thể ghi được nó. Bây giờ chỉ cần điều chỉnh vị trí của mũi nhọn thế nào để giữ cho dòng điện không đổi, như vậy mũi nhọn sẽ theo dõi địa hình điện tử của mặt và tạo nên hình ảnh của mẫu. Công việc này có thể so sánh với công việc của một người mù tạo ra trong óc mình hình ảnh của vật khi sờ vào vật.

Kính hiển vi STM là công cụ đầu tiên dùng để điều khiển lượng vật chất gồm vài ba nguyên tử. Người đi tiên phòng trong lĩnh vực này là Công ty máy tính IBM. Năm 1990, ở tuổi 36, Donal Eigler nhà vật lý làm việc ở IBM đã thành công trong việc di chuyển các nguyên tử xenon trên một mặt niken hoàn toàn phẳng để vẽ nên lôgô của Công ty này. Đây là lần đầu tiên người ta điều khiển được vật chất ở thang nguyên tử!

Một kiểu kính hiển vị khác hơi giống với STM được gọi là kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope – AFM). Lần này đầu nhọn tiếp xúc với mặt phẳng và các tương tác giữa đầu nhọn với mặt phẳng thuộc loại lực van der Walls nếu chúng ta làm việc trong chân không. Cả hai loại kính này được gọi là kính hiển vi thăm dò địa phương hay kính hiển vi trường gần vì kích thước của đầu dò (mũi nhọn của đầu kim loại) và khoảng cách đối với mẫu rất nhỏ so với vật quan sát. Do đặc tính hay này mà người ta phải quét đầu dò để tái tạo hình ảnh của toàn bộ vật quan sát. Trong vùng vô cùng gần mẫu, xảy ra những tương tác có nguồn gốc khác nhau. Tuỳ theo tính chất của tương tác mà người ta phân biệt kính hiển vi quang học trường gần, kính hiển vi quang học đường hầm, kính hiển vi ion, kính hiển vi điện dung; kính hiển vi tĩnh điện, v.v...

Hiện nay có ba dụng cụ quan sát đáng được gọi là “kính nanô” (nanoscope), đó là kính hiển vi STM, kính hiển vi AFM và kính hiển vi quang học trường gần. Các dụng cụ này có độ phân giải theo 3 chiều vào khoảng 30 nanômet. Dù sao sẽ không công bằng nếu chúng ta bỏ qua không nhắc tới kính hiển vi điện tử đã cho phép “làm cho nhìn thấy” nguyên tử trước cả STM.

Như vậy sau khi trình bày những dụng cụ cho phép cô lập và điều khiển những vật có kích thước khoảng nanômet, ta có thể định nghĩa công nghệ nanô như sau: đó là công nghệ liên quan đến tất cả các lĩnh vực của lý học, hoá học, sinh học xảy ra trong phạm vi thể tích không quá vài triệu nanômet khối. Định nghĩa như vậy thật ra còn quá rộng. Các nhà sinh học từ lâu đã nghiên cứu những đối tượng có kích thước nanômet như ADN, vi khuẩn, cũng như tương tác giữa tế bào với môi trường. Trường hợp các nhà vật lý còn rõ ràng hơn; họ đã điều khiển hơn 50 năm nay các nghiên cứu ở mức nguyên tử để chế ngự năng lượng hạt nhân. Các nhà hoá học đã thực hiện được những công trình trong thang nanômet từ hơn một thế kỷ nay: xúc tác hoá học ứng dụng trong lọc dầu, sản xuất thuốc, các pôlyme... Thật ra các công nghệ trên không nằm trong thuật ngữ “công nghệ nanô” mà chúng tôi muốn nói. Như vậy có lẽ nên bổ sung thêm cho công nghệ nanô một đặc điểm nữa để phân biệt với các công nghệ truyền thống là khả năng điều khiển và sản xuất các vật thang chia nguyên tử theo một cấu trúc định trước và nghiên cứu những tính chất đặc biệt trước đó chưa biết của vật được tạo ra, nhất là những ứng dụng của chúng trong thực tế.

Công nghệ nanô đang phát triển nhanh chóng và có những ứng dụng cực kỳ to lớn trong nhiều lĩnh vực: ngành chế tạo máy bay, ngành chế tạo ôtô, ngành y, ngành công nghệ thông tin, ngành hoá... Trong bài báo nhỏ này chúng tôi chỉ muốn nói đến một lĩnh vực có lẽ mang tính cách mạng nhất: đó là việc sản xuất những vật có kích thước nanômet theo nhiều cấu trúc khác nhau và nghiên cứu những tính chất của chúng.

Năm 1959, Richard Feynman, nhà vật lý lý thuyết đoạt giải Nobel (Mỹ), trong bài diễn văn đọc ở Caltech trước Hội Vật lý Mỹ có nói: Theo sự hiểu biết của tôi, các nguyên lý của vật lý học không có gì mâu thuẫn với khả năng điều khiển vật chất từng nguyên tử một. Đáng lẽ cứ chia nhỏ mãi vật chất để nghiên cứu, tại sao chúng ta lại không xuất phát từ cái nhỏ nhất để cấu tạo nên một cái gì đó? Ý tưởng này có thể xem là xuất phát điểm của công nghệ nanô.

Sản xuất những vật có kích thước nanômet là một trong những phương thức lớn được nghiên cứu trong công nghệ nanô. Có hai quan điểm song song tồn tại: quan điểm thứ nhất dựa trên điều mà người ta thường gọi là tiếp cận từ cao xuống thấp (top – down). Đó là làm nhỏ lại cái gì mà người ta đã biết làm ở kích thước lớn. Quan điểm thứ hai là từ thấp lên cao (bottom – up), tức tạo nên những vật chất nhỏ từ thành phần cơ bản như nguyên tử và phân tử.

Vật liệu lắp ghép là một thí dụ về kỹ thuật “bottom-up” và đó cũng là một trong những nhiệm vụ của công nghệ nanô. Chính trong chính lĩnh vực này người ta đã phát hiện nhiều tính chất mới trước đây chưa hề biết ở những vật có kích thước lớn. Việc làm nhỏ lại đến mức tối đa các mạch tích hợp, dù có đạt đến kích thước nanômet chăng nữa, cũng không phải là công nghệ nanô vì quy trình này đều dựa trên những nguyên lý cổ điển không có gì mới. Trong công nghệ nanô người ta xuất phát từ các nguyên tử hay phân tử riêng biệt để lắp ghép chúng lại theo một trật tự đã định trước ít hay nhiều phức tạp. Màng Langmuir-Blodgett là một thành công được nhiều người biết tới. Nó gồm các lớp kế tiếp hoàn toàn có tổ chức mà sự trật tự là do các tính chất hút nước và kỵ nước của các phân tử cấu tạo nên màng. Để minh hoạ các phân tử đặc biệt này, chúng ta hãy mô hình hoá phân tử này dưới dạng một quả bóng nhỏ được thổi phồng bằng một chất hơi nhẹ hơn không khí và được buộc vào một quả cầu nặng qua một sợi chỉ. Giả sử khá nhiều phân tử loại này được phun trên một mặt phẳng, chúng sẽ tạo nên một loại lớp rất đồng đều hoàn toàn trật tự, phần “kỵ nước” là quả bóng hướng ra ngoài, còn phần “hút nước” là quả cầu nặng nằm trên mặt phẳng. Các màng loại này có nhiều ứng dụng để bảo vệ môi trường như lọc sạch các chất ô nhiễm công nghiệp, giảm thiểu lượng vật chất tiêu thụ và rất thuận lợi để tái chế. Trong nhiều năm nay người ta đã chứng kiến việc sản xuất những vật liệu mới có kích thước nanômet được gọi là các fulơren (lấy tên của kiến trúc sư Buckminster Fuller, tác giả của công trình xây dựng kiểu hình cầu trong những năm 50-60) như C60, C70...

Năm 1985, R. Smalley đã chứng minh khi ghép 60 nguyên tử cacbon có cấu trúc bát giác hay ngũ giác sẽ dẫn đến một hình cầu hoàn chỉnh. Với dạng cầu tuyệt đối, giống như quả bóng có kích thước nanômet hoặc có dạng ống tuỳ theo số lượng nguyên tử. Ống nanô bằng cacbon cứng hơn thép đến 100 lần nhưng lại nhẹ hơn thép 6 lần. Người ta cũng có thể thực hiện một đèn bán dẫn có kích thước nanômet. Chẳng hạn khi đặt một C60 giữa hai điện cực làm nhiệm vụ cực phát và cực góp và khi đặt đầu nhọn STM trên C60 vừa bảo đảm cho electron truyền qua và áp suất cần thiết để làm thay đổi điện trở người ta đã có được sự hoạt động của một đèn bán dẫn. Một ô nhớ không tự xoá bằng ống nanô cacbon cũng đã thực hiện thành công mở ra một triển vọng mới cho ngành chế tạo máy tính. Do đó mà không phải ngẫu nhiên IBM đi đầu trong công nghệ này.

Quang học nanô về phần mình cũng có những bước đi ban đầu đầy triển vọng. Người ta có thể sử dụng áp suất bức xạ do tập trung chùm lade để di chuyển lượng vật chất cực kỳ nhỏ. Các mô hình lý thuyết đầu tiên cho thấy người ta sẽ có thể sản xuất các mạch tích hợp quang học “dưới bước sóng”, nghĩa là sử dụng các kiểu trao đổi mới được gọi là “không bức xạ” do không cần có sự truyền ánh sáng. Cho đến nay các tín hiệu được truyền tải qua những sóng lan truyền (ondes progressives). Sau này người ta sẽ dùng sóng tiêu tán (ondes évanescentes), nghĩa là những sóng không lan truyền để truyền tín hiệu. Sự truyền thông tin từ điểm này sang điểm khác của mạch quang học sẽ giống như khi lội qua một dòng sông. Ánh sáng sẽ “nhảy” do hiệu ứng đường hầm không bức xạ từ một mẫu vật chất này sang mẫu vật chất khác cho tới điểm cần đến.

Đi xa hơn, nghĩa là khi thay nguyên tử bằng phân tử, các cấu trúc có thể thực hiện còn phức tạp hơn nhiều. Khi khai thác các khả năng của hoá học siêu phân tử, mọi kết hợp có thể được dự kiến để sản xuất các chất áp điện mới, các chất từ mới, v.v... có thể thay thế cho các chất hiện nay đang dùng trong điện tử học, quang học, cơ học.

Không còn nghi ngờ gì nữa, công nghệ nanô sẽ chiếm lĩnh toàn bộ không gian khoa học của chúng ta trong tương lai rất gần. Sự thâm nhập của nó vào thực tiễn có lẽ xảy ra ít ồn ào hơn như đã xảy ra đối với những thành công đạt được trong những năm gần đây của các nhà phát minh ra các mạch tích hợp mà cấu trúc của chúng đã là nanômet. Trong các phòng thí nghiệm, cuộc cách mạng đã bắt đầu, trong đó quang học và điện tử học là hai ngành đi tiên phong. Sự xuất hiện kính hiển vi trường gần đã cho phép làm sâu sắc nhận thức của chúng ta về tương tác giữa bức xạ và vật chất dẫn cái này đến quang học các trường không bức xạ và cái kia đến điện tử học lượng tử.

_______________

Tài liệu:

1. Daniel Courjon, Les nanotechnologies, un nouvel outil technologique ou une révolution, Université de Franche-Comtes, CNRS;

2. Nanotechnologie, Encyclopédie de L’ Agora;

3. La Microscopie STM/AFM, Express 2003.