Công nghệ na-nô

Khoa học na-nô (nanoscience) và công nghệ na-nô (nanotechnology) là một ngành khoa học và áp dụng của những gì thật là nhỏ, nhỏ tới mức phân tử.

Có thể bạn không quan tâm tới công nghệ na-nô, nhưng có nhiều vật dụng bạn dùng đã có công nghệ na-nô trong đó. Thí dụ nếu bạn chơi quần vợt thì cây vợt của bạn có thể đã được chế tạo với công nghệ na-nô.

Tại sao công nghệ na-nô được nhiều quốc gia và các công ty lớn chú ý? Tại vì công nghệ na-nô đã có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau, như quân đội, hóa học, sinh lý, y khoa và vật lý. Trong tương lai còn nhiều lợi ích khác mà không ai tiên đoán được. 

Na-nô mét là gì?

Đối tượng của công nghệ na-nô là những vật thật nhỏ. Đơn vị đo lường của những vật đó là na-nô mét, viết tắt là nm. Như bạn đã biết một mi-li mét là một phần ngàn của một mét. Một mi-cro mét là một phần triệu của một mét. Còn một na-nô mét là một phần tỷ của một mét. Một nm rất là nhỏ, một tờ giấy mỏng như vậy cũng là dày 100,000 nm và đường kính của một sợi tóc là từ 80,000 tới 100,000 nm. Kính hiển vi thường không thể thấy những vật thể nhỏ vài nm, mà phải cần kính hiển vi đặc biệt. 

Công nghệ na-nô là gì?

Công nghệ na-nô được định nghĩa là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các tính chất và các ứng dụng của các vật thể nhỏ từ 1 nm tới 100 nm. Vật thể trong tầm đó có những tính chất đặc biệt khác với tính chất của cùng vật thể ở kích thước bình thường. Thí dụ một vật liệu ở mức na-nô có thể cứng hơn hay có từ tính khác với cùng vật liệu đó ở cỡ bình thường. Một vật liệu khác ở mức na-nô thì có thể dẫn nhiệt hay điện tốt hơn. Sau đây là hai thí dụ của vật liệu na-nô.

-Vàng na-nô: Vàng bình thường là một vật chất dẫn điện hay dẫn nhiệt rất tốt, nhưng không có phản ứng gì với ánh sáng. Nhưng ở vào mức độ na-nô thì khác, phân tử na-nô vàng với một cấu trúc đặc biệt nào đó có thể hấp thu ánh sáng và biến đổi ánh sáng đó thành nhiệt. Một áp dụng của sự kiện đó là biến vàng na-nô thành con dao mổ tí hon tức là dùng sức nóng để tiêu diệt những tế bào bệnh. Hiện đang có nhiều nghiên cứu để dùng vàng na-nô trong y khoa, như chữa trị ung thư.

-Ống các bon na-nô (carbon nanotube): Ống các bon na-nô được khám phá vào năm 1991. Ống các bon na-nô là một vật thể bằng các bon, hình ống và có cỡ ở mức độ na-nô. Vật liệu này có những tính chất lạ lùng không giống vật liệu nào khác. Thí dụ ống các bon na-nô có sức mạnh gấp 100 lần thép nhưng nhẹ bằng 1 phần 6 thép. Ống các bon na-nô dẫn điện và nhiệt tốt hơn đồng. Ống các bon na-nô đã được dùng trong vợt chơi quần vợt, gậy đánh gôn, bộ phận cho xe hơi, bộ phận cho máy bay và nhiều dụng cụ khác. 

Lịch sử công nghệ na-nô

Nhiều người cho rằng nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman là cha đẻ của công nghệ na-nô khi ông diễn tả một viễn ảnh về những bộ máy nhỏ xíu có khả năng điều động những vật thể ở mức độ nguyên tử (atom) vào năm 1959 tại một hội nghị ở đại học California Institute of Technology. Tuy nhiên đó chỉ là một viễn ảnh, chưa có một nghiên cứu nào lúc đó. Năm 1974, Giáo Sư Norio Taniguichi là người đầu tiên dùng chữ “nanotechnology” để diễn tả những quá trình kiểm soát ở mức độ na-nô trong công nghệ bán dẫn (semiconductor).

Sở dĩ lúc trước ngành công nghệ na-nô chưa được phát triển là vì các nhà khoa học không có phương tiện để nhìn và điều khiển vật thể ở mức độ na-nô.

Vào thập niên 1930, hai kỹ sư người Đức, ông Ernst Ruska và Max Knoll sáng chế ra kính hiển vi điện tử. Kính này có thể làm lớn lên tới 1 triệu lần, trong khi kính hiển vi thường chỉ làm lớn lên có 1,500 lần. Vì phát minh này ông Ruska được trao giải Nobel Vật Lý năm 1986.

Năm 1981, hai ông Gerd Binig và Hainrich Rohrer phát minh ra một dụng cụ gọi là scanning tunneling microscope dùng để xem xét và điều khiển những phân tử ở mức na-nô hay nhỏ hơn. Vì phát minh này ông Binig và ông Rohrer được chia giải Nobel Vật Lý cùng với ông Ruska năm 1986.

Năm 1986, các ông Gerd Binig, Calvin Quate và Christoph Gerber phát minh ra atomic force microscope. Cụng cụ này có khả năng quan sát, đo lường và điều khiển vật liệu nhỏ hơn một na-nô mét.

Năm 1989, trung tâm khảo cứu của IBM làm chấn động giới khoa học bằng một tấm hình bảng hiệu của IBM, trên đó mỗi chấm chỉ là một nguyên tử xenon. Hình này chứng tỏ là họ có thể điều khiển một cách chính xác từng nguyên tử một. Như vậy công nghệ na-nô đã tiến một bước dài.

Trong thập niên 1990, các công ty chuyên về công nghệ na-nô bắt đầu được thành lập.

Vào cuối thật niên 1999 và đầu thập niên 2000, các sản phẩm dùng công nghệ na-nô bắt đầu xuất hiện trên thị trường. 

Những ứng dụng của công nghệ na-nô

Công nghệ na-nô đã có mặt trong nhiều ngành kỹ thuật như điện tử, y khoa, năng lượng, môi trường, quân sự và nhiều ngành khác. Sau đây là một vài ứng dụng tiêu biểu.

–Công nghệ na-nô và ngành điện tử: Kết hợp công nghệ na-nô và điện tử gọi là điện tử na-nô. Ngành điện tử na-nô có thể nâng cao khả năng của những thiết bị điện tử và đồng thời giảm trọng lượng và giảm sự tiêu thụ năng lượng. Dùng công nghệ na-nô chất bán dẫn có thể thu nhỏ lại hơn bây giờ và dụng cụ điện tử có thể bẻ cong, uốn và gấp lại được.

-Công nghệ na-nô và y khoa: Có rất nhiều ứng dụng công nghệ na-nô vào y khoa. Nhiều kỹ thuật đang được phát triển và thử nghiệm và nhiều kỹ thuật khác chỉ là ở giai đoạn khởi đầu. Trong hai thập niên vừa qua các nhà khảo cứu đã tìm cách dùng những phân tử nhỏ ở mức na-nô để đưa thuốc hóa trị (chemotherapy) vào thẳng những tế bào ung thư. Như vậy tránh làm hại những tế bào lành mạnh chung quanh. Kỹ thuật này đang được thử qua nhiều thử nghiệm lâm sàng (clinical trial).

–Công nghệ na-nô và quân sự: Viện The Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) là một tổ hợp giữa đại học MIT, quân đội Hoa Kỳ và kỹ nghệ. Mục đích của ISN là khám phá và đưa ra chiến trường những ứng dụng của công nghệ na-nô để bảo vệ người lính chiến và tăng cường khả năng sống sót. Thí dụ áo giáp làm bằng những vật liệu na-nô nhẹ hơn và chắc hơn áo giáp thường.

NASA và quân đội Hoa Kỳ cũng đang nghiên cứu để dùng công nghệ na-nô làm những loại máy bay có thể biến đổi khi đang bay hay xe có thể trở thành máy bay. Dĩ nhiên những điều biết được chỉ là phần ngoài còn phần bí mật quốc phòng thì chắc còn nhiều khả năng khác nữa. 

Tương lai của công nghệ na-nô

Trong tương lai sẻ có rất nhiều ứng dụng của công nghệ na-nô. Sau đây là một vài thí dụ.

Về y khoa, bộ cảm biến ở mức độ na-nô có thể được cấy hay tiêm vào mạch máu để đo một cách chi tiết và chính xác những thông tin về sức khỏe.

Những bộ cảm biến ở mức độ na-nô có thể để ở những chỗ quan trọng để kiểm soát sự an toàn, như trên cầu hay xe hay máy bay.

Nhờ công nghệ na-nô pin điện sẽ có hiệu năng hơn, các thiết bị điện tử sẽ nhẹ hơn và dùng ít năng lượng hơn.

—————–
Nguồn tài liệu: www.nano.gov, www.crnano.org, www.understandingnano.com