Đài Nano một ứng dụng mới của ống nano cacbon

Từ năm 1949 khi chiếc đèn bán dẫn ba cực khuếch đại, thường gọi là tranzito ra đời, đài bán dẫn để nghe tin tức nhỏ gọn xuất hiện, kích thước có thể nhỏ băng mấy bao diêm. Chỉ cần vài viên pin là dài làm việc được cả tháng. Nhất là từ khi có công nghệ vi điện tử làm mạch tích hợp, phần điện tử của đài bán dẫn thu nhỏ lại chưa bằng cái cúc áo, chiếm nhiều chỗ chỉ là do loa, pin, công tắc…

Cứ tưởng cái đài nhỏ như thế đã là hết mức nhưng gần đây xuất hiện một loại đài mà sách kỷ lục Guiness sắp đến chắc phải ghi vào là đài nhỏ nhất thế giới. Đài làm bằng ống nano cacbon kích thước theo chiều ngang của ống chỉ vào cỡ ba bốn nanomét (nanomet bằng một phần tỷ của mét) còn theo chiều dài vào cỡ dưới micromet. Dựa theo kích thước nhỏ cỡ nanomet đó nên người ta gọi là đài nano.

Chiếc đài nano tuy chủ yếu chỉ là một ống nano cacbon nhưng vẫn làm đầy đủ các nhiệm vụ của một cái đài thu như trên. Để rõ tại sao có thể làm được cái đài nhỏ như vậy, trước hết ta xét ống nano cacbon và những đặc điểm.

Ống nano cacbon do nhà vật lý Nhật Lijima phát hiện vào năm 1991 khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử bột than rơi xuống dưới làm hai cực than lúc phóng điện hồ quang. Qua kính hiển vi thấy đó là những thanh dài rất thẳng đường kính chỉ vài chục nanomet, còn dài có thể đến hàng trăm nanomet có khi đến micromet. Phân tích kỹ thì đó là những cái ống rỗng, thành ống cấu tạo từ các nguyên tử cacbon, sắp xếp như các nút của mạng lưới graphit hình lục giác cuộn tròn lại. Ống nhỏ nhất đường kính 1,4 nanomet thành ống chỉ có một lớp, gọi là ống nano cacbon một vách (SWNT – single wall nanotube). Có những ống to hơn, thành ống có nhiều lớp gọi là ống nano cacbon nhiều vách (MWNT – multiwall nanotube). Đặc biệt nhất là thành ống chỉ gồm có các nguyên tử cacbon liên kết với nhau toàn bằng liên kết cộng hoá trị là liên kết hoá học mạnh nhất, nhờ đó ống nano cacbon rất cứng, rất bền, rất đàn hồi và tất nhiên là rất nhẹ. Hai đầu mút của ống nano cacbon có thể hở, có thể kín và đầu kín thì như nửa quả bóng fulơren C ₆₀úp lại. Về mặt các tính chất điện, tuỳ theo cấu trúc cụ thể, ống nano cacbon có thể là không dẫn điện, dẫn điện một phần (bán dẫn), dẫn điện tốt thậm chí là siêu dẫn.

Những tính chất vô cùng đặc biệt đó của ống nano cacbon được công nghệ nano khai thác triệt để làm nên nhiều loại vật liệu, linh kiện độc đáo. Nhưng nhà vật lý Alex Zettl và đồng nghiệp ở Đại học California năm 2007 lại công bố chỉ với một ống nano cacbon ông đã làm được cả một cái đài nhỏ như con virut. Tờ Scientific American số 3 – 2009 đã giới thiệu nguyên lý làm việc của chiếc đài nhỏ nhất thế giới này như sau:

1. Cấu tạo (hình 1)

Ống nano cacbon (nhiều vách, đường kính 10 nanomet, dài 500 nanomet) đặt giữa hai điện cực. Thực tế người ta cho ống nano cacbon “mọc” lên ở mảnh kim loại sau này dùng làm điện cực âm, còn điện cực dương đặt cách mút của ống nano cacbon một khoảng cách ngắn (mút này của ống nano cacbon kín, như là do nửa quả cầu fulơren úp lại). Có một viên pin để tạo hiệu thế giữa hai điện cực và dòng điện sinh ra được cho chạy qua loa.

2. Thu sóng (hình 2)

Hình 2. Thu sóng. Sóng điện từ đến ống nano cacbon dao động.

3. Điều chỉnh tìm sóng (tuning) hình 3

Hình 3. Tìm sóng: Thay đổi điện thế ở điện cực dương độ căng ống nano cacbon thay đổi, từ đó thay đổi tần số dao động riêng, thay đổi tần số cộng hưởng để tìm sóng.

Như vậy thay đổi hiệu thế giữa hai cực để thay đổi tần số riêng của ống nano cacbon cho đến khi tần số riêng này bằng tần số sóng điện từ của chương trình phát thanh ta muốn theo dõi, lúc đó sẽ có cộng hưởng, dao động của ống nano cacbon sẽ cực mạnh. Đây là cách điều chỉnh để tìm sóng (tuning) kiểu như vặn nút tìm dài ở đài thông thường.

4. Khuếch đại (hình 4)

Hình 4. Khuếch đại. Khoảng cách giữa đầu mút ống nano cacbon và điện cực dương thay đổi làm thay đổi mạnh dòng điện.

5. Tách sóng hay giải điều (demodulation) (hình 5)

Hình 5. Giải điều: Tách được âm thanh từ sóng mang.

Ở đài nano, ống nano cacbon thu được sóng điện từ tần số cao đến nên rung động, do rung động nên khuếch đại được dòng điện tần số cao chạy qua ống nano cacbon (vì khoảng cách giữa đầu mút ống nano cacbon và điện cực dương thay đổi). Thực nghiệm cho thấy dòng điện khuếch đại này thể hiện rất rõ những điều biến trong tần số cao phát đi. Nói cách khác ống nano cacbon lại thực hiện luôn được cơ chế giải điều bọc để thu lại tín hiệu âm thanh. Như vậy riêng qua các hình ảnh giải thích từ 1 đến 5 ta thấy một mình ống nano cacbon đã làm đầy đủ các nhiệm vụ của một cái đài: ăng ten thu sóng, điều chỉnh chọn sóng, khuếch đại, giải điều tách sóng. Theo nguyên tắc này các cộng tác viên của Alex Zettl đã làm một cái đài nano, đã đặt cả cái đài trong kính hiển vi điện tử truyền qua và quan sát đài hoạt động. Khi cho một đài phát nhỏ gần đấy phát sóng một bài nhạc, qua kính hiển vi thấy rõ ống nano cacbon dao động và qua loa vang lên đúng bài nhạc đã phát sóng.

Qua thành công vang dội đó, các nhà khoa học đang cải tiến chiếc đài nano để đưa vào ứng dụng.

Ứng dụng

Hình 6. Điều khiển để đài nano phá túi đựng đưa được chất vào tế bào ung thư.

Có thể kể một số ứng dụng trước mắt như sau:

- Cấp đúng địa chỉ hoá chất ung thư

Một phương pháp hay dùng để chữa trị ung thư là hoá trị liệu. Người ta tìm cách tiêm vào cơ thể các phân tử hoá chất có tác dụng tiêu diệt tế bào ung thư. Trên đường theo các mạch máu để tới các tế bào ung thư, các phần tử hoá chất có thể làm hư hại nhiều tế bào lành. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà y học nano đề xuất cách làm các túi vi mô bọc các phân tử hoá chất cùng với đài nano rồi trộn lẫn với dung dịch mang thuốc để tiêm vào cơ thể. Qua đài nano theo dõi khi nào các bọc vi mô đến được các tế bào ung thư, lúc đó mới điều khiển cho đài nano, phát ra tín hiệu phá vỡ màng bọc vi mô, giải phóng các phân tử để tiêu diệt tế bào ung thư ngay gần đó.

- Theo dõi ở mức dưới tế bào

Các bộ phận của cơ thể sống được cấu tạo từ các tế bào. Theo dõi bệnh tật hoặc chữa trị đến mức tế bào là đến tận gốc. Phải cài đặt những cảm biến theo dõi nhỏ đến mức tế bào mới nắm được tình hình. Người ta định dùng đài nano kết hợp với cảm biến nano để có thể từ ngoài điều khiển và thu nhận những thông số cần theo dõi ở từng tế bào.

- Theo dõi cân đo đến từng nguyên tử

Nguyên tử, phân tử là rất nhỏ nhưng không phải là quá nhỏ so với một ống nano cacbon. Nếu tiến hành làm một cái đài nano bằng ống nano cacbon thì khi nguyên tử, phân tử bám vào ống nano cacbon, tần số dao động riêng của ống bị thay đổi. Theo nguyên lý làm việc của đài nano thì sự thay đổi tần số dao động riêng của ông nano cacbon là có thể theo dõi được bằng cách thay đổi tấn ố sóng điện từ tới cho đến khi có cộng hưởng ở ống nano cacbon (ngược với quá trình điều chỉnh tìm sóng ở đài nano).

Trên cơ sở này có thể biết được khối lượng từng nguyên tử bám vào ống nano cacbon. Xác định được khối lượng của từng loại nguyên tử là nguyên tắc của khối phổ kế.Nói cách khác đài nano có thể chế tạo được khối phổ kế, nhạy đến mức từng nguyên tử, nhỏ nhẹ. Việc kiểm tra theo dõi vận chuyển các loại chất nổ phát hoại ở sân bay, bến tàu xe chống khủng bố rất cần đến máy thăm dò kiểu khối phổ kế nhỏ này. Thật ra đó là một cái mũi điện tử thính như mũi chó.