Vật liệu nanomet

Ngoài rắt ra, các kim loại như chì, niken thông thường không cháy trong không khí; nhưng loại bột mịn lại có thể tự cháy. Như thế chứng tỏ sự thay đổi kích thước hạt vật chất cũng có thể làm thay đổi một số tính chất của chúng. Chính vì thế mà vật liệu nanomet đã được giới khoa học ngày nay hết sức chú ý nghiên cứu.

Nanomet là đơn vị đo độ dài, 1 mét có 1.000 milimet, 1 milimet có 1.000 micromet, 1 micromet có 1000 nanomet. Do đó nanomet (nm) là đơn vị đo độ dài rất nhỏ, đến khó tưởng tượng. Đại đa số các loại phấn thường có kích thước hạt lớn hơn micromet. Một hạt cỡ 1 micromet bằng kích thước của mấy trăm triệu nguyên tử hay phân tử cộng lại. Nếu gia công một hạt đến kích thước nano thì nguyên tử hay phân tử trong hạt cực nhỏ này sẽ giảm đi hàng nghìn lần. Vật liệu nhỏ đến cỡ hạt này gọi là vật liệu nanomet. Vật liệu nanô là vật liệu có cỡ hạt dưới siêu mịn (< 100nm).

Do số hạt của vật liệu nano, tăng rất nhanh khi kích thước hạt giảm nên tổng phần bề mặt của chúng rất lớn, đến mức vô cùng lớn so với số nguyên tử, có thể đạt đến tỉ lệ trên dưới 50%. Nhờ vậy vật liệu nanô có các tính chất đặc biệt về quang, điện, từ, nhiệt, cơ và hoá học, khác nhiều so với vật liệu vĩ mô. Ví dụ nhiệt độ nóng chảy của vàng là 963 ⁰C, nếu có kích thước hạt cỡ nanô thì điểm nóng chảy của vàng sẽ là 330 ⁰C. Nhiệt độ nóng chảy của bạc là 961 ⁰C, sau khi đạt đến cỡ hạt nanô sẽ có nhiệt độ nóng chảy ở 100 ⁰C. Nếu chất xúc tác gia công đến cỡ nano thì có diện tích bề mặt rất lớn, hoạt tính xúc tác sẽ tăng lên nhiều lần, nhiệt độ các phản ứng xúc tác sẽ giảm vài bậc.

Sự xuất hiện vật liệu nano đã thu hút sự chú ý của nhiều người. Các nhà khoa học tin rằng trong thế kỷ 21 chắc sẽ tìm thêm nhiều tính chất kỳ lạ khác của vật liệu nano.

Kỹ thuật nanô xuất hiện vào những năm 60 của thế kỷ 20, đã mở một trang mới trong kỹ thuật cao.

Trước hết về màu sắc. Bất kể kim loại hay gốm, khi đã đạt đến trạng thái bột nanô chúng đều có màu đen. Hai là, khi kim loại chế tạo thành vật liệu nanô độ cứng sẽ tăng nhiều lần, từ trạng thái dẫn điện tốt trở thành cách điện. Đồ gốm ở trạng thái nanô khắc phục được tính giòn vốn có mà trở nên bền chắc, đập mạnh cũng không vỡ. Ngoài ra, nhiệt độ nóng chảy của vật liệu nanô càng giảm nếu đường kính hạt càng bé. Tính dẫn điện, từ tính, nội ứng suất cũng thay đổi rất nhiều ở vật liệu nanô. Ví dụ, sắt ở trạng thái nanô có ứng suất chống đứt tăng gấp 12 lần so với sắt thường. Vì có những đặc điểm như vậy nên vật liệu nanô có những ứng dụng thực tế hết sức đặc biệt.

Dùng vật liệu từ tính nanô có thể chế tạo các băng từ có mật độ cao. Thuốc ở trạng thái nanô có thể tiêm trực tiếp vào máu, có thể đưa trực tiếp vào các mạch máu có đường kính rất bé một cách thuận tiện. Chất xúc tác ở trạng thái nanô đưa vào trong xăng dầu có thể tăng hiệu suất của động cơ đốt trong lên nhiều lần.

Nhưng việc sản xuất vật liệu nanô còn gặp nhiều khó khăn vì dùng phương pháp nghiền rất khó đặt được trạng thái bột siêu mịn. Hiện tại người ta dùng một số phương pháp vật lý hoặc hoá học đặc biệt mới có thể gia công và tạo được những hạt nanô. Ví dụ, với kim loại, người ta có thể cho kim loại vào bình kín chứa đầy khí trơ hêli, gia nhiệt cho kim loại biến thành hơi. Làm lạnh, hơi kim loại trong bầu khí trơ hêli sẽ thành khói kim loại đen như mồ hóng, ta có được bột kim loại nanô, ép thành màng, thiêu kết, từ đó có thể chế tạo linh kiện bằng vật liệu nanô. Các nhà khoa học còn dùng tia laze để bốc bay, ngưng kết chế được loại gốm từ những hạt có kích thước nanô. Đương nhiên các phương pháp chế tạo có giá thành cao này đã hạn chế áp dụng trong qui mô lớn. Còn ứng dụng mới nhất của kỹ thuật nanô sẽ được nêu dưới đây:

1/ Ứng dụng nanô bạc chế tạo bột lọc nước nhiễm khuẩn

Nhóm các nhà khoa học Hoàng Anh Sơn, Ngô Quốc Bửu, Trần Anh Tuấn, Phạm Hồng Nam; Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu compozit xốp trên cơ sở polyurethane/ nanô bạc. Sau khi tạo xốp các hạt nanô bạc phân tán rất đồng đều và bám dính rất tốt trên xốp, chúng không bị rữa ra do nước, cấu trúc màng xốp được giữ nguyên khi phủ nanô bạc. Đã chế tạo hệ thiết bị có bộ lọc bằng vật liệu nanocompozit xốp polyurethane/ nanô bạc có hàm lượng 500 pp, cho phép xử lý nước nhiễm khuẩn có mật độ (Ecoli, colioform, nấm) 10 ⁶C.F.U/ml kết quả âm tính. Qui trình công nghệ cho phép sản xuất số lượng nhiều, công suất lọc khá.

Viện cũng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo ống nanô cacbon và ứng dụng có kết quả trong một số lĩnh vực như cao su chịu mài mòn, vật liệu tổ hợp polyme dẫn, êpôxy, trong chế tạo đầu phát xạ điện tử…

2/ Điều trị ung thư bằng nanô oxit sắt

Các nhà khoa học Anh vừa công bố kết quả nghiên cứu phương pháp dùng các hạt nanô như dùng nam châm hút sắt để tiêu diệt các tế bào ung thư hiệu quả hơn mà không ảnh hưởng đến các tế bào khoẻ mạnh xung quanh.

Phương pháp này bắt nguồn từ phát hiện của các nhà khoa học về việc các hạt nanô oxit sắt có thể được gắn vào kháng thể “tìm kiếm tế bào ung thư” hoặc đưa vào trong tế bào gốc “tìm kiếm tế bào ung thư”, nhờ vậy có thể đưa chúng trực tiếp vào khối ung thư – nơi cần đến chúng. Tiếp đó, chỉ cần dùng một thiết bị mới được gọi là Trị liệu nhiệt điện từ (MACH) khiến tế bào có thể tăng lên (5 – 6 ⁰C) so với nhiệt độ bình thường, nhờ vậy giết chết tế bào ung thư. Theo các nhà nghiên cứu, thiết bị này giống như lò vi sóng, nhưng nó chỉ làm tăng nhiệt độ của các tế bào ung thư chứ không ảnh hưởng đến các tế bào xung quanh. Giáo sư Pankhurst, đại diện tổ nghiên cứu thuộc Viện Đại học London cho biết: “Đây là phương pháp mới trong điều trị ung thư, và chúng tôi sẽ thử nghiệm lâm sàng trong 3 năm tới”.

3/ Máy cảm biến nano phát hiện ung thư

Các nhà khoa học Mỹ vừa nghiên cứu thành công một thiết bị cảm biến nanô có khả năng phát hiện nhanh chóng dấu hiệu ung thư giai đoạn đầu, giúp việc điều trị có thể được tiến hành trong thời gian sớm nhất.

Để xác định bệnh ung thư, thông thường các bác sĩ sẽ phải xác định ký hiệu sinh vật – công cụ chủ yếu giám sát sự phát triển của bệnh trong máu bệnh nhân. Theo nhóm nghiên cứu đại học Yale, thiết bị cảm biến nanô này có thể tìm thấy các ký hiệu sinh vật của chứng ung thư tiền liệt tuyến, ung thư vú và một số ung thư khác trong máu nhanh hơn, chính xác hơn và tốn ít chi phí hơn các thiết bị xét nghiệm thông thường thông qua việc tách lọc thành phần máu trước khi tiến hành giám định. Ưu điểm của thiết bị này còn ở chỗ để sử dụng, bác sĩ chỉ cần lấy một ít máu ở tay bệnh nhân là có thể đưa ra kết luận sau đó 20 phút.