Các ý tưởng và khái niệm về khoa học nano và công nghệ nano bắt đầu bằng một bài nói chuyện của nhà vật lý Richard Feynman trong một cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ tại Học viện Công nghệ California (CalTech) vào ngày 29 tháng 12 năm 1959, rất lâu trước khi thuật ngữ nanotechnology được sử dụng. Trong bài phát biểu của mình, Feynman mô tả một quy trình trong đó các nhà khoa học có thể thao tác và kiểm soát các nguyên tử và phân tử riêng lẻ. Hơn một thập kỷ sau, khi khám phá ra công nghệ gia công siêu chính xác, giáo sư Norio Taniguchi đặt ra thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology). Cho đến năm 1981, với sự phát triển của kính hiển vi quét xuyên hầm (scanning tunneling microscope) có thể "nhìn thấy" các nguyên tử riêng biệt, công nghệ nano hiện đại bắt đầu phát triển.
Cửa sổ tranh kính màu trung cổ là một ví dụ về cách sử dụng công nghệ nano trong thời kỳ tiền hiện đại.
Thật khó tưởng tượng công nghệ nano nhỏ như thế nào. Một nanomet là một phần tỷ của một mét, hoặc 10-9 của một mét. Dưới đây là một vài ví dụ minh hoạ:
- Có 25.400.000 nanomet trên một inch
- Một tờ báo có độ dày khoảng 100.000 nanomet
- Nếu một viên bi là một nanomet, thì một mét sẽ là kích thước của Trái đất
Khoa học nano và công nghệ nano liên quan đến khả năng nhìn thấy và kiểm soát các nguyên tử và phân tử riêng lẻ. Mọi thứ trên trái đất đều gồm các nguyên tử - thức ăn chúng ta ăn, quần áo mà chúng ta mặc, tòa nhà và nhà chúng ta đang sống, và cơ thể chúng ta.
Nhưng những thứ nhỏ như một nguyên tử thì không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Trên thực tế, bạn cũng không thể nhìn thấy được bằng loại kính hiển vi thông thường ở các phòng thí nghiệm trong trường học. Kính hiển vi có thể xem được những thứ ở cấp độ nano được phát minh ra tương đối gần đây – cách đây khoảng 30 năm.
Khi các nhà khoa học có các dụng cụ phù hợp, chẳng hạn như kính hiển vi quét đường hầm (STM) và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), là khi kỷ nguyên của công nghệ nano ra đời.
Mặc dù khoa học nano và công nghệ nano hiện đại vẫn còn khá mới, các vật liệu nano đã được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước. Các hạt vàng và bạc kích thước siêu nhỏ đã tạo ra màu sắc trong các cửa sổ tranh kính màu của các nhà thờ thời trung cổ cách đây hàng trăm năm. Các nghệ sĩ khi đó không biết rằng quá trình họ sử dụng để tạo ra những tác phẩm nghệ thuật tuyệt vời này thực sự dẫn đến sự thay đổi trong thành phần của các vật liệu.
Các nhà khoa học và kỹ sư ngày nay đang tìm kiếm nhiều cách khác nhau để cố tình tạo ra các vật liệu ở kích thước nano để tận dụng các đặc tính đã được cải tiến của chúng như độ cứng cao hơn, trọng lượng nhẹ, tăng kiểm soát quang phổ ánh sáng, và phản ứng hoá học lớn hơn so với các chất tương ứng.
Mặc dù nano mét đã rất nhỏ, nó vẫn lớn rất nhiều so với nguyên tử. Một nguyên tử có đường kính khoảng 0,1 nm. Hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn nhiều - khoảng 0.00001 nm. Các nguyên tử là những khối vật liệu xây dựng cho tất cả mọi dạng vật chất trong vũ trụ của chúng ta. Bạn và mọi thứ xung quanh bạn đều được làm bằng các nguyên tử. Thiên nhiên đã hoàn thiện khoa học về sản xuất vật chất ở cấp độ phân tử. Ví dụ, cơ thể chúng ta được tập hợp từ hàng triệu tế bào sống. Các tế bào là máy nano của thiên nhiên. Ở quy mô nguyên tử, các yếu tố ở mức cơ bản nhất. Ở quy mô nano, chúng ta có thể đặt các nguyên tử này lại với nhau để tạo ra hầu hết mọi thứ.
Hiện tại, các nhà khoa học tìm thấy hai cấu trúc kích thước nano: các dây nano và ống nano cacbon. Các dây nano là dây có đường kính rất nhỏ, đôi khi nhỏ đến 1 nanomet. Các nhà khoa học hy vọng sẽ sử dụng chúng để xây dựng các bóng bán dẫn nhỏ cho các chip máy tính và các thiết bị điện tử khác. Trong vài năm gần đây, các ống nano cacbon đã làm lu mờ các dây nano. Các cấu trúc này vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu.
Một ống nano cacbon là một xi lanh cỡ nano của các nguyên tử cacbon. Hãy tưởng tượng bạn có một tấm nguyên tử cacbon, trông giống như một tờ giấy chứa các hình lục giác. Nếu bạn cuộn tấm cacbon đó lại thành hình ống, bạn sẽ có một ống nano cacbon. Các tính chất của ống nano cacbon phụ thuộc vào cách bạn cuộn tấm cacbon. Nói cách khác, mặc dù tất cả các ống nano cacbon đều được làm bằng cacbon, chúng có thể rất khác nhau, dựa trên cách bạn sắp xếp các nguyên tử riêng lẻ.
Nếu sắp xếp đúng các nguyên tử, bạn có thể tạo ra một ống nano cacbon có độ bền cao gấp hàng trăm lần so với thép, nhưng nhẹ hơn sáu lần. Các kỹ sư muốn chế tạo vật liệu xây dựng từ ống nano carbon, nhất là các vật liệu cho những thứ như ô tô và máy bay. Nếu các phương tiện này nhẹ hơn có nghĩa là hiệu suất nhiên liệu tốt hơn, và độ bền gia tăng cũng sẽ giúp tăng tính an toàn cho hành khách.
Các ống nano cacbon cũng có thể được sử dụng làm chất bán dẫn hiệu quả. Các nhà khoa học vẫn đang tìm cách dùng ống nano cacbon để chế tạo bóng bán dẫn (transitor) trong bộ vi xử lý và các sản phẩm điện tử khác.
Các sản phẩm ứng dụng công nghệ nano
Bạn có thể ngạc nhiên khi biết được có bao nhiêu sản phẩm trên thị trường đã được hưởng lợi từ công nghệ nano.
Kem chống nắng - Nhiều kem chống nắng có chứa các hạt nano oxit kẽm hoặc oxit titanium. Các công thức kem chống nắng cũ hơn sử dụng các hạt lớn hơn, khiến cho hầu hết kem chống nắng đều có màu trắng khi bôi lên da. Khi các hạt nhỏ hơn thì sẽ ít bị phát hiện hơn, có nghĩa là khi bạn chà kem chống nắng vào da, nó sẽ không khiến cho da bạn có màu trắng.
Kính tự rửa - Một công ty tên là Pilkington cung cấp một sản phẩm mà họ gọi là Activ Glass, sử dụng các hạt nano để tạo ra chất xúc tác quang và phân huỷ. Hiệu ứng quang xúc tác có nghĩa là khi bức xạ tia cực tím từ ánh sáng chạm vào kính, các hạt nano trở nên mạnh mẽ và bắt đầu phá vỡ và nới lỏng các phân tử hữu cơ trên kính (nói cách khác là bụi bẩn). Hydrophilic có nghĩa là khi nước tiếp xúc với thủy tinh, nó sẽ lan truyền trên toàn bộ kính, giúp rửa kính sạch sẽ.
Quần áo - Các nhà khoa học đang sử dụng hạt nano để tăng độ bền cho quần áo của bạn. Bằng cách phủ lên vải một lớp mỏng các hạt nano oxit kẽm, các nhà sản xuất có thể tạo ra quần áo bảo vệ cơ thể khỏi tia UV. Một số quần áo có các hạt nano dưới dạng các sợi lông nhỏ hoặc râu giúp đẩy nước và các vật khác, giúp cho quần áo chống lại vết bẩn.
Các lớp phủ chống xước - Các kỹ sư phát hiện ra rằng việc bổ sung thêm các hạt nano silicat nhôm để chống lại các lớp phủ polymer chống xước khiến lớp sơn trở nên hiệu quả hơn, tăng khả năng chịu mài mòn và xước. Lớp phủ chống xước phổ biến trên tất cả mọi thứ từ xe hơi đến mắt kính.
Băng vệ sinh kháng khuẩn - Nhà khoa học Robert Burrell đã tạo ra một quy trình sản xuất băng vệ sinh sử dụng các hạt nano bạc. Các ion bạc ngăn chặn sự hô hấp của tế bào vi khuẩn. Nói cách khác, bạc tách các tế bào độc hại, giết chết chúng.
Các sản phẩm mới kết hợp công nghệ nano vẫn đang xuất hiện mỗi ngày. Các loại vải chống nếp nhăn, mỹ phẩm thẩm thấu sâu, màn hình tinh thể lỏng (LCD) và các tiện nghi khác sử dụng công nghệ nano đang có mặt trên thị trường. Chúng ta thấy hàng chục sản phẩm khác tận dụng công nghệ nano, từ bộ vi xử lý Intel đến pin sinh học-nano, tụ điện chỉ dày vài nanomet. Mặc dù điều này thật thú vị, nhưng nó chỉ là phần nổi của tảng băng trôi theo như cách mà công nghệ nano ảnh hưởng đến chúng ta trong tương lai.
Theo Tạp chí Diễn đàn đầu tư
