Tiềm năng ứng dụng của công nghệ nano
Ứng dụng của hạt nano trong y sinh học
Các vướng mắc kỹ thuật và quan ngại về an toàn làm trì hoãn các dự án sản xuất đại trà sản phẩm nano khiến cho nền công nghệ nano hiện tại nhấp nhô như những gợn sóng lăn tăn trên mặt hồ thu hơn là những ngọn sóng thần đại dương làm khuynh đảo thế giới.
Hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ nano là hai mặt mâu thuẫn. Một mặt, nghiên cứu cơ bản mang tính hàn lâm, các phát hiện mới về đặc tính điện tử, quang điện tử và lượng tử của vật liệu nano vẫn không suy giảm dù thời gian đã kéo dài 25 năm. Khám phá ra graphene lại bùng ra một cao trào mới, nhất là sau khi được giải Nobel Vật lý 2010, Konstantin Novoselov cao hứng tuyên bố: “Graphene là một mỏ vàng nghiên cứu. Nó sẽ kéo dài mãi như bất tận”. Mặt khác, các vướng mắc kỹ thuật và quan ngại về an toàn làm trì hoãn các dự án sản xuất đại trà sản phẩm nano khiến cho nền công nghệ nano hiện tại nhấp nhô như những gợn sóng lăn tăn trên mặt hồ thu hơn là những ngọn sóng thần đại dương làm khuynh đảo thế giới.
Việc khám phá ra cấu trúc quả cầu carbon (fullerene C60) vào năm 1985 của Harold Kroto, Robert Curl và Richard Smalley và việc tái phát hiện ống than nano của Sumio Iijima vào năm 1991 là hai sự kiện tình cờ trong khoa học nhưng đã mở ra một kỷ nguyên mới của nghiên cứu khoa học và công nghệ. Hai loại vật liệu nano hữu cơ này như một chi lưu quan trọng hòa nhập vào dòng thác “công nghệ nano” manh nha vào thập niên 80 của thế kỷ trước. Cùng với sự phát triển fullerene và ống than nano, các nhà vật liệu học và hóa học đã tổng hợp và tinh chế các loại hạt nano kim loại, hạt nano bán dẫn hay hữu cơ với một kích thước đồng nhất từ 1 đến 100 nanomét [1]. Ngoài ra, bề mặt của fullerene, ống than nano và các loại hạt nano được “trang bị” với các nhóm chức, polymer có khả năng cảm quang, cảm nhiệt để chế tạo bộ cảm ứng hóa học, sinh học, sóng điện từ, linh kiện điện tử, quang điện tử; hay với phân tử dược cho việc trị liệu ung thư. Phải nói đây là một thành tựu nổi bật trong ngành hóa tổng hợp và vật liệu học.
Từ lý thuyết tới thực tế
Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì (graphite). Như vậy, trong một phần tư thế kỷ carbon trở nên một vật liệu quan trọng với giải Nobel Hóa học (1996) cho fullerene, giải Nobel Vật lý (2010) cho graphene, và các loại vật liệu nano kim loại hay bán dẫn được thiết kế và chế tạo ở mức độ phức tạp đa năng chưa từng thấy trong lịch sử khoa học. Trong cái nhìn của các nhà vật lý, chúng ta đã có đủ toàn bộ vật liệu nano từ hạt nano (chấm lượng tử) với 0 chiều, ống than nano một chiều và graphene hai chiều để thực chứng những hiện tượng đã được tiên đoán từ các lý thuyết vật lý trong nhiều năm qua.
Nhưng các ứng dụng thực tiễn và sản phẩm nano thì ra sao? Sau 25 năm nghiên cứu với tổng kinh phí nghiên cứu đầu tư trên toàn thế giới vào công nghệ nano có thể đã vượt qua mốc trăm tỷ USD, chưa kể chi phí xây dựng hạ tầng cơ sở cho các viện nghiên cứu, cộng với một tài sản trí tuệ của hàng ngàn nhà nghiên cứu từ những khoa học gia tầm cỡ của hành tinh đến các nghiên cứu sinh bình thường, đã đến lúc người ta đặt câu hỏi bao giờ thì kho tàng trí tuệ này mới được đem ra ứng dụng biến chế ra thương phẩm phục vụ con người và làm giàu cho nền kinh tế quốc gia. Liệu nền công nghệ nano có phải là con gà đẻ trứng vàng tạo ra những đợt sóng thần cách mạng công nghệ như các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp đã kỳ vọng? Nếu ta có một cái nhìn khe khắt hơn thì một phần tư thế kỷ có lẽ đã đủ dài để biến một phát minh khoa học trong phòng thí nghiệm thành những sản phẩm trên thương trường.
Các nhà khoa học thường rất dễ lạc quan trước tiềm năng ứng dụng trong phát minh của mình. Nhưng doanh nhân có một cái nhìn khác, sâu sắc và lạnh lùng hơn vì mục đích cuối cùng của doanh nghiệp là lợi nhuận. Một doanh nhân đã từng tuyên bố: “Một phát minh cần phải 10 lần tốt hơn và 10 lần rẻ hơn sản phẩm hiện có thì mới có cơ hội xuất hiện trên thương trường”. Sự sống còn của một doanh nghiệp tùy vào sự thỏa mãn của khách hàng và lòng hoan hỉ của các chủ cổ đông. Từ phòng thí nghiệm đến sàn chứng khoán là con đường dài cho một phát minh và cũng lắm khi nó buộc phải bị chôn sống giữa đường. Công nghệ nano cũng không nằm ngoài các quy luật thương mại. Thêm vào đó ta có thể tìm thấy sự trì trệ trong việc thương phẩm hóa của vật liệu nano gây ra từ các nguyên nhân sau: (1) sự đa dạng của vật liệu nano, (2) sự đa dạng của các ứng dụng, (3) sự cạnh tranh về giá cả, hiệu năng và phương pháp sản xuất của vật liệu “cổ điển” hiện có trên thương trường và (4) vấn đề an toàn sức khoẻ và độc tính của vật liệu nano.
 |
Hình 1: Sự kết tập của ống than nano do lực van der Waals (ảnh của tác giả) |
Ứng dụng và những thách thức
Ta hãy xem vài tiềm năng ứng dụng của ống than nano. Ống than nano có cơ tính tuyệt vời, cứng hơn thép 5 lần, bền hơn thép 160 lần nhưng lại nhẹ hơn thép gần 6 lần. Có thể nói ống than nano có cơtính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay. Cần phải nhấn mạnh rằng đây là cơ tính của một ống than riêng lẻ. Việc triển khai composite giữa polymer/epoxy và ống than nano làmột hướng đi tất nhiên trong lĩnh vực gia cường. Trải nghiệm hằng ngày cho ta biết những đồ gia dụng polymer (plastic) rất tiện lợi vì giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ nhưng giòn, dễ gãy nứt. Poly(methylmethacrylate) (PMMA), một loại plastic gia dụng trong suốt như kính, chỉ cần 1 % ống than nano cũng đủ làm tăng cơ tính của polymer nhiều hơn 5 lần. Như thế ta chỉ cần một lượng rất nhỏ ốngthan nano để gia cường PMMA mà vẫn giữ được sự trong suốt của nó. Đây sẽ là một sản phẩm tuyệt vời. Ngoài ra, người ta có thể chế tạo áo giáp composite ống than nano có cường độ bảo vệ lớn hơn nhiềulần so với áo giáp Kevlar hiện nay. Trên thực tế, ống than nano không hiện hữu từng ống riêng lẻ mà nhiều ống dính vào nhau thành cụm hay bó (Hình 1). Tiếc rằng, độ cứng (mô-đun Young) của những cụmnày chỉ bằng 1/10 và độ bền lắm lúc chỉ còn 1/100 trị số của các ống nano tạo thành. Sự thành bại của composite giữa polymer và ống than nano tùy thuộc vào cách tinh chế, gỡ rối cụm và bó ống nano vàphân tán hiệu quả từng ống nano trong chất nền. Cho đến ngày hôm nay (2010), chưa có một phương pháp đại trà hữu hiệu nào để tách các ống than nano hoàn toàn thành những ống riêng lẻ. Cơ tính tuyệtvời của ống vẫn chưa được tận dụng và composite được gia cường bằng ống than nano chưa là sản phẩm trên thương trường.
Một ứng dụng lớn khác của ống than nano là công nghiệp điện tử. IBM (Mỹ) đã tận dụng các đặc tính điện tử của ống than nano để chế tạo transistor ống nano [2]. Vật liệu chính của transistor hiện tạilà chất bán dẫn silicon. Cột sống của các linh kiện điện tử, máy tính và công nghệ tin học là transistor silicon. Trong vòng 40 năm cho đến ngày nay, transistor silicon đã được thu nhỏ vài chục triệulần và giá cả chế tạo một transistor giảm đi một triệu lần. Kỹ thuật sản xuất chip vi tính hiện nay đã phát triển đến mức 1 tỷ transistor có kích cỡ 45 nanomét trong một chip chỉ to vài cm2.
Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor trong các linh kiện điện tử, chức năng càng cao, đáp ứng càng nhanh chóng, kích thước càng mỏng, nhỏ và gọn gàng. Từ những ưu điểm này, sựđòi hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mãnh liệt. Tuy nhiên, sự thu nhỏ của transistor silicon không thể vượt mức nhỏ hơn 10 nanomét. Nhưng các công trình nghiên cứu của IBM và các nhómnghiên cứu khác trong 15 năm qua cho thấy transitor ống than nano có thể vượt qua mốc 10 nanomét. Gần đây, graphene nhập cuộc. Năm 2008, nhóm Manchester của Geim và Novoselov đã chế tạo transistorgraphene ở kích cỡ 1 nanomét. Có thể đây là kích cỡ nhỏ tận cùng của một transistor. Rõ ràng là một đột phá nhưng chỉ mang tính hàn lâm. Sẽ còn rất lâu trong tương lai transistor ống nano haygraphene mới có thể thay thế transistor silicon vì vấn đề kỹ thuật và giá cả. Chướng ngại kỹ thuật thứ nhất là sự đồng nhất tuyệt đối của vật liệu sử dụng. Ống than nano dùng cho transistor cần phảicó kích thước đồng nhất ở cấp nanomét và độ dẫn điện giống nhau. Yêu cầu này đã thúc đẩy việc sản xuất ống than nano chất lượng cao (Bảng 1) nhưng vẫn chưa đạt được yêu cầu để làm transistor [3].Chướng ngại thứ hai là các nhà khoa học chưa triển khai được quá trình chế tạo siêu vi mạch tạo ra chip chứa hàng trăm triệu transistor ống nano hay graphene như chip transistor silicon hiệntại.
 |
Transistor graphene |
Bảng 1:Nghiên cứu và triển khai của các sản phẩm ống than nano [4]
Công ty | Sản phẩm | Giai đoạn |
Ống than nano chất lượng cao cho các ứng dụng điện tử | ||
CarboLex (Mỹ) | Chế tạo bằng hồ quang hay CVD* | Sản xuất |
Carbon Nanotechnologies (Mỹ) | Chế tạo bằng CVD | Sản xuất |
Carbon Solutions (Mỹ) | Chế tạo bằng hồ quang | Sản xuất |
SouthWest NanoTechnologies (Mỹ) | Ống than nano đặc biệt từ CVD | Sản xuất |
Thomas Swan (Anh) | Ống than nano sản xuất đại trà từ CVD | Sản xuất |
Phim trong suốt | ||
Battelle Memorial Institute (Mỹ) | Lớp phủ trong suốt | Nghiên cứu |
Eikos (Mỹ) | Mực in dẫn điện | Triển khai sản phẩm |
Eastman Kodak (Mỹ) | Lớp phủ quang học trong suốt | Nghiên cứu, mẫu thử (prototype) |
Unidym (Mỹ) | Phim cho màn hình chạm (touch screen), pin mặt trời, diode phát quang | Triển khai sản phẩm |
Linh kiện | ||
DuPont (Mỹ) | Linh kiện điện tử trong suốt | Nghiên cứu |
IBM (Mỹ) | Transistor nano cho vi tính | Nghiên cứu |
Intel (Mỹ) | Liên mạng vi mạch (interconnect) | Nghiên cứu |
Motorola (Mỹ) | Bộ cảm ứng hóa và sinh học | Mẫu thử |
Nanomix (Mỹ) | Bộ cảm ứng hóa và sinh học | Triển khai sản phẩm |
Nantero (Mỹ) | Công nghệ bộ nhớ | Mẫu thử |
Samsung (Hàn Quốc) | Màn hình | Nghiên cứu |
* CVD (chemical vapour deposition): kết tủa hóa học từ pha hơi
Ứng dụng trong gia cường và thu nhỏ transistor bằng ống than nano là hai ứng dụng có tiềm năng tạo nên một cuộc cách mạng công nghệ trong thế kỷ 21. Tuy nhiên, viễn ảnh thành công vẫn còn mờ mịt. Bảng 1 cho thấy hiện trạng ứng dụng và hướng phát triển của ống than nano phần lớn vẫn còn trong thời kỳ nghiên cứu hay triển khai sản phẩm.
Mặt khác, ứng dụng sinh y học của hạt nano tạo ra những dược liệu trị liệu và chẩn đoán ung thư[5]. Nhân loại đang chờ đợi một cuộc cách mạng hóa trị và xạ trị ung thư. Đã có nhiều báo cáo về việc tổng hợp các loại hạt nano “thông minh” có thể cảm nhận được tế bào ung thư, có khả năng tải thuốc và nhả thuốc tấn công vào các tế bào này. Hạt nano tải thuốc phải tương thích với cơ thể con người và tự phân hủy khi hoàn thành nhiệm vụ mà không sinh ra độc tố. Đây là hai yếu tố tiên quyết cho việc chấp nhận là dược phẩm trị liệu. Theo “Cục quản lý thực phẩm và dược liệu” (Food and Drug Administration, FDA) của Chính phủ Mỹ cho đến nay chỉ chấp nhận cho phổ biến hạt nano liposome và albumin, vốn là phân tử sinh học tương thích với cơ thể và có thể tự đào thải ra ngoài.
Vấn đề an toàn sức khỏe và độc tính của vật liệu nano đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của chính phủ và các doanh nghiệp đang đầu tư vào công nghệ nano. Nó như một luồng nước ngầm nguy hiểm đang cuồn cuộn chảy dưới một dòng sông êm đềm lấp lánh ánh hào quang. Khả năng gây ung thư của ống than nano và sự kiện về hạt nano titanum dioxide trong kem chống nắng có thể phá hỏng não bộ của chuột đã phần nào làm lu mờ ánh hào quang và gióng lên tiếng chuông cảnh báo trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Đây là một vấn đề rất lớn liên quan đến an toàn sức khỏe của công nhân hằng ngày tiếp xúc với vật liệu nano và người tiêu dùng sử dụng thành phẩm nano [6]. Các chính phủ tại Bắc Mỹ, châu Âu, Úc và Nhật Bản đã ban hành những quy định liên quan đến sự an toàn, cách xử lý và chế ngự trong các quy trình sản xuất và sử dụng vật liệu nano [7-9]. Những công trình nghiên cứu về tác động và cơ cấu xâm nhập vào tế bào sinh vật của vật liệu nano càng lúc càng gia tăng [10-13]. Vật liệu nano lành hay dữ? Hiện tại chúng ta chưa có câu trả lời dứt khoát.
------------------------
Tài Liệu Tham Khảo
1 J. Kim, J. E. Lee, J. Lee, Y. Jang, S.-W. Kim, K. An, J. H. Yu and T. Hyeon, Agnew. Chem., 118 (2006), 4907. Agnew. Chem. Int. Ed., 45 (2006) 4789.
2 P. Avouris, Z. Chen and V. Perebeinos, Nature Nanotechnology, 2 (2007) 605.
3 J. Appenzeller, Proceedings of the IEEE, 96 (2008) 201.
4 G. Gunner, Scientific American, May 2007, 76.
5 “Nanofunctional Materials in Cancer Research”, MRS Bulletin, 34 (June 2009).
6 P. Gould, Nano Today, 1 (May 2006), 34.
7 “Engineered Nanomaterials: A Review of the Toxicology and Health Hazards”, Safe Work Australia, November 2009.
8 “Engineered Nanomaterials: Evidence on the Effectiveness of Workplace Controls to Prevent Exposure”, Safe Work Australia, November 2009.
9“Approach to Safe Nanotechnology”, NIOSH, March 2009.
10A. D. Maynard, Nano Today, 1 (May 2006) 22.
11 N. Lewinski, V. Colvin and R. Drezek, Small, 4 (2008) 26.
12 S. M. Hussain et al, Adv. Mater. 21 (2009) 1549.
13 Y. Lee and K. E. Geckeler, Adv. Mater. 22 (2010) 4076.
