CÔNG NGHỆ NANO - CÔNG NGHỆ CỦA THẾ KỈ 21

Thứ hai - 18/04/2022 05:13 2.552 0

Mô hình 3D của ba loại ống nano cacbon đơn vách

1. Khái niệm về công nghệ nano và vật liệu nano
Vật liệu nano là một tập hợp hết sức đa dạng các loại vật liệu kích thước nano mét và có các tính chất mới do hiệu ứng kích thước qui định, đó là sản phẩm của của sự lắp ghép các chi tiết ở mức độ phân tử, với khoảng cách vài phần triệu milimet, đây là công nghệ siêu nhỏ và được coi là công nghệ của thế kỉ 21. Đặc tính của nó không những cho phép thu nhỏ các thiết bị, máy móc mà còn giúp các nhà khoa học tìm được giới hạn căn bản của sự thu nhỏ ấy.
Công nghệ nano (CNNN), hiểu một cách tổng quát nhất, là công nghệ tạo ra các vật liệu, linh kiện và hệ thống linh kiện có các tính chất mới, nổi trội nhờ vào kích thước nano mét, đồng thời điều khiển được các tính chất và chức năng của chúng ở kích thước nano.
Nhân tố trung tâm của vật liệu nano là kích thước. Khi kích thước giảm tới một mức độ nào đó, các hiệu ứng lượng tử xuất hiện, do đó có thể thay đổi đặc trưng của vật liệu như màu sắc, các tính chất điện, nhiệt, từ, quang...mà không cần thay đổi thành phần hoá học. Khi kích thước giảm, tỷ số giữa bề mặt và thể tích tăng rất nhanh, hiệu ứng bề mặt xuất hiện và đó là điều kiện lí tưởng cho vật liệu nanocomposit, các tương tác hoá học, xúc tác, các vật liệu dự trữ năng lượng, tăng khả năng hoạt hoá của thuốc chữa bệnh...Khi hiệu suất làm việc của vật liệu cao thì lượng vật liệu cần sử dụng nhỏ, lượng chất thải ít đi vì vậy nanotech cũng là công nghệ thân môi trường.
Vật liệu nano sẽ làm thay đổi hiệu suất của các vật liệu như polimer, các thiết bị điện tử, sơn, pin, tế bào nhiên liệu, tế bào điện mặt trời, lớp phủ, máy tính,... Vật liệu nano sẽ thu gọn các linh kiện, làm cho các thiết bị hoạt động hiệu quả hơn rất nhiều.
Các vật liệu nano có thể được tổng hợp bẵng cách lắp ghép từng ngưyên tử. Tuy nhiên, đây là phương pháp rất khó khăn, có chi phí rất cao và tốc độ vô cùng chậm. Vì vậy, một thách thức lớn của khoa học trong tương lai là phải giải mã được các nguyên tắc sinh học cơ bản, vì cấu trúc kích thước nano là đặc điểm của cấu trúc sinh học, trong các cơ thể sống cấu trúc này được xây dựng bằng phương pháp tự lắp ghép. Khi giải mã được các nguyên tắc trên có thể áp dụng chúng vào việc sản xuất các loại thiết bị nano mới, bền hơn vật liệu sinh học.
2. Những ứng dụng và thành tựu bước đầu của công nghệ nano
Các sản phẩm của CNNN đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như công nghiệp điện tử - quang tử (transitor đơn điện tử, các linh kiện chấm lượng tử, vi xử lí tốc độ nhanh, senso, lase, linh kiện lưu trữ thông tin...), công nghiệp hoá học (xúc tác, hấp phụ, chất màu...), năng lượng (pin hidro, pin liti, pin mặt trời), y-sinh học và nông nghiệp (thuốc chữa bệnh nano, mô nhân tạo, thiết bị chẩn đoán và điều trị...), hàng không-vũ trụ- quân sự (vật liệu siêu bền, siêu nhẹ, chịu nhiệt, chịu bức xạ...), môi trường (khử độc, vật liệu nano xốp, mao quản dùng để lọc nước...)

Trong CNTT: các hãng sản xuất lớn của Mỹ, Nhật đang nghiên cứu chế tạo các chíp theo cấu trúc điện tử chiều thẳng đứng tức là những mạch điện tử nhiều lớp chồng lên nhau. Hãng Intel sẽ sản xuất các chíp mà các transitor chỉ còn 70 - 80 nguyên tử theo chiều ngang và 3 lớp nguyên tử theo chiều dày, có thể đảo trạng thái 1.500 tỷ lần trong một giây. Hãng ABM đã chế tạo thành công vi mạch máy tính nhỏ nhất thế giới gồm hai transitors bằng những phân tử carbon đơn lẻ, kích thước của nó mỏng hơn sợi tóc 100.000 lần. Hãng Mitsubishi (Nhật) tuyên bố sẽ sản xuất ống nano carbon trên qui mô công nghiệp. Các ống này có thể sử dụng trong nhiều loại hàng hoá như: transistor, mỹ phẩm, vỏ điện thoại di động, cửa xe hơi,... Các nhà khoa học cũng đã chế tạo được các vật liệu nano như carbon siêu dẫn ở nhiệt độ thường, ống nano carbon phát sáng, tinh thể nano silic nhiều màu sắc, gốm cao su đa tính năng, màn hình phẳng linh động từ tinh thể nano...
Những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn. Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Trong khi kích thước của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại.
Trong Y học: là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư. Các hạt nano này sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u.
Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot vô cùng đặc biệt. Với những robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết. Việc cung cấp thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng cũng như hiệu quả điều trị. Ngay cả những căn bênh ung thư khó chữa nhất như ung thư não, các bác sĩ sẽ có thể dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào.
Trong may mặc: một ý tưởng vô cùng đặc biệt với loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc áp dụng các hạt nano bạc. Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn và tiêu diệt các tế bào của chúng. Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao và đặc biệt hơn là được sử dụng trong một loại quần lót khử mùi. Không chỉ dừng lại ở công dụng khử mùi, công nghệ nano có thể biến chiếc áo thành một trạm phát điện di động. Sử dụng các nguồn năng lượng như gió, năng lượng mặt trời và với công nghệ nano sẽ có thể sạc điện cho chiếc smartphone mọi lúc mọi nơi
3. Công nghệ nano ở Việt Nam
CNNN là một khoa học liên ngành, bao gồm toán học, vật lí, hoá học, y - sinh học, khoa học sự sống và một loạt các công cụ cụ thể khác. Như vậy, để phát triển công nghệ nano cần có một nền khoa học phát triển, sự đầu tư lớn và đồng bộ trong nhiều lĩnh vực. Việt Nam là một nước đang phát triển, nền kinh tế đang ở mức thấp, nhưng những năm qua, Chính phủ, Bộ Khoa học & Công nghệ, Bộ Giáo dục & Đào tạo đã rất quan tâm về lĩnh nghiên cứu và ứng dụng nanotech.
Từ những năm 90 của thế kỉ trước, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã bắt đầu nghiên cứu nhiều loại vật liệu có kích thước nano bằng nhiều phương pháp khác nhau như kĩ thuật sol-gel, phân huỷ chất rắn quá bão hoà và vật liệu từ nano tinh thể.
Từ năm 1996, các Viện thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia đã nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ TiO₂ có kích thước hạt nano lên một số loại vật liệu dùng để phân huỷ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm như khói thải, các hoá chất độc hại trong nước thải như thuốc trừ sâu...
Năm 2003, khu công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh đã công bố Việt Nam lần đầu tiên chế tạo thành công vật liệu nano. Đây là một thành công vượt bậc của khoa học Việt Nam vì chỉ mới có rất ít nước trên thế giới chế tạo được loại vật liệu này ở thời điểm đó. Vật liệu nano do Việt Nam công bố là carbon nano "lỏng" được chế tạo từ những vật liệu hết sức đặc biệt mà các hướng nghiên cứu trên thế giới đều không nghĩ đến là các loại than như than đất đèn, than xơ dừa, than dầu..., nhóm nghiên cứu đã dùng vật liệu này chế tạo thành công mực in vi tính. Vật liệu carbon nano "lỏng" là vật liệu cơ bản để chế tạo vi mạch, các linh kiện bán dẫn, vật liệu công nghệ thông tin...giúp cho Việt Nam có thể hình thành ngành công nghiệp linh kiện bán dẫn, một ngành công nghệ có lợi nhuận cao. Năm 2004, nhóm nghiên cứu đã được trang bị các thiết bị để từ carbon nano "lỏng" chế tạo ra ống carbon đơn phân tử. Nếu thành công thì kết quả này sẽ mang lại rất nhiều lợi nhuận vì giá bán 1 kg ống carbon đơn phân tử trên thế giới là 350.000 USD trong khi đó giá thành dự kiến của nhóm nghiên cứu là 50.000 USD (giá năm 2004)
Hiện nay tại Việt Nam đã có một số ứng dụng của công nghệ nano trong sản xuất các loại phân bón lá, thuốc trừ nấm bệnh cho cây trồng.
Hai nguyên tố được tiếp cận đầu tiên ở dạng nano là nano bạc (Ag) và nano đồng (Cu). Đây là hai nguyên tố có tính chất kháng khuẩn mạnh và càng mạnh hơn khi nó được chia tách thành các hạt có kích thước nanomet. Nhưng trong hai nguyên tố này, có một nguyên tố là thành phần dinh dưỡng của cây và của con người, đó là đồng, cái còn lại (bạc Ag) thì không. Vì thế, đồng ở dạng nano được sử dụng như phân bón lẫn thuốc trừ nấm bệnh, vi khuẩn trên cây trồng, trở thành một loại thuốc BVTV không những không độc hại cho con người và môi trường mà còn giúp cung cấp dinh dưỡng vi lượng đồng cho cây với một liều lượng cực nhỏ vừa đủ, giúp cây thoát khỏi tình trạng bị ngộ độc do tích lũy đồng dư thừa trong đất.
Lần đầu tiên tại Việt Nam, các nhà khoa học đã nghiên cứu, ứng dụng công nghệ nano vào sản xuất dược phẩm và cho ra đời thành công dòng sản phẩm có chứa nano Curcumin từ nguồn Curcumin chiết xuất từ cây nghệ vàng.
Curcumin là hoạt chất đem lại tác dụng của nghệ vàng. Nhiều nghiên cứu trên thực nghiệm và lâm sàng đã chứng minh Curcumin có nhiều hoạt tính sinh học quý như: chống ung thư, chống viêm, kháng khuẩn, bảo vệ gan, thận, phòng nhồi máu cơ tim… Tuy nhiên, hoạt chất này ít tan trong nước, hấp thu kém, lại bị chuyển hóa nhanh nên sinh khả dụng thực tế của Curcumin chỉ đạt 2-3%.

Nano curcumin
Viện Hóa học thuộc Viện hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam là đơn vị đầu tiên ở nước ta chế tạo thành công nano curcumin từ công nghệ nano, giúp tăng độ tan, cải thiện độ hấp thu hơn 40 lần so với curcumin thông thường, đạt tiêu chuẩn chất lượng tương đương chế phẩm của Mỹ, cao hơn chế phẩm của Ấn Độ, Trung Quốc và mở ra tiềm năng to lớn về việc ứng dụng công nghệ nano trong thực tiễn lâm sàng và hỗ trợ điều trị các bệnh mãn tính, đặc biệt là ung thư.
Tác giả của bài viết này (PGS Nguyễn Quốc Thắng) cùng với nhóm nghiên cứu mới đây (năm 2020) đã đã hoàn thành công trình “chế tạo hạt nano Fe₃O₄ bọc polymer tương thích sinh học định hướng ứng dụng trong y sinh” đã được Hội đồng nghiệm thu cấp bộ xếp loại xuất sắc.

Việc ứng dụng CNNN ở Việt Nam và đặc biệt là sản xuất thành công carbon nano "lỏng", nano curcumin và những thành tựu khác là niềm tự hào của nền khoa học Việt Nam, chứng tỏ chúng ta có thể hoà nhập vào những bước tiến vũ bão của khoa học công nghệ thế giới, ngay cả với một công nghệ cực khó như công nghệ nano.

Tác giả bài viết: PGS.TS Nguyễn Quốc Thắng