KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ NANO VÀ VẬT LIỆU NANO

 

Từ năm 1959, ý tưởng cơ bản về công nghệ nano đã được nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman đưa ra khi nói tới việc con người có khả năng chế tạo ra các vật liệu có kích thước siêu nhỏ cỡ nguyên tử, phân tử.

Đến năm 1974, thuật ngữ “Công nghệ nano” lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người Nhật Bản Nario Taniguchi, thông qua việc đề cập đến khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.

Nhưng khó có thể nói thời điểm bắt đầu của công nghệ nano có từ khi nào, bởi vì, chiếc cốc Lycurgus được chế tác trong thời La Mã cổ đại cách đây khoảng 1700 năm đã có hiệu ứng đổi màu khi chiếu ánh sáng, do khi chế tạo, thợ thủ công đã dát những phân tử vàng và bạc nhỏ xíu vào thủy tinh. Các nhà nghiên cứu Anh đã kiểm định những mảnh cốc này bằng kính hiển vi và họ thấy đường kính của mỗi phân tử kim loại nhỏ khoảng 50-100nm.

Ở thời kỳ Trung Cổ, các cửa sổ kính màu trong các nhà thờ có chứa các hạt nano vàng, bạc với nhiều kích thước khác nhau, nên tạo ra các hiệu ứng màu khác nhau từ cam, tím, đỏ đến xanh lục. Thêm nữa, Albert Einstein trong luận án tiến sĩ của mình đã đề cập đến tính toán kích thước của một phân tử đường cỡ 1nm. Xem xét một cách cơ bản, những thợ làm kính, thợ thủ công và Einstein đều là những nhà khoa học nano.

Từ những năm 1980, hàng loạt các thiết bị phân tích cấu trúc có khả năng phân tích đến kích thước nguyên và phân tử như kính hiển vi đầu dò quét SPM hay STM đã giúp quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano.

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đã bắt đầu từ những năm gần đây, tập trung chủ yếu vào sản xuất thông minh dựa trên các thành tựu đột phá trong công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ nano. Thế kỷ 21 cũng được cho là thế kỷ của vật liệu nano.

Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có được một định nghĩa thống nhất nào về công nghệ nano và vật liệu nano. Theo Cơ quan Hàng không vũ trụ Hoa Kỳ - NASA thì “Công nghệ nano là công nghệ với hệ thống thiết bị có chức năng chế tạo ra các vật liệu mà cấu trúc có kích thước khoảng từ 1 đến 100nm và ứng dụng các đặc tính độc đáo của những sản phẩm này”. Website nano.gov của Mỹ thì đưa ra định nghĩa “Công nghệ nano là công nghệ xử lý thông tin và kiểm soát vật chất ở các chiều xấp xỉ từ 1 đến 100nm, nơi mà những hiện tượng khác thường xảy ra có khả năng cho phép những ứng dụng mới lạ” hoặc “Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc chế tạo thiết kế, phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên cấp độ nanomet”.

Vậy, vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Vì vật chất tồn tại ở ba trạng thái rắn, lỏng và khí nên vật liệu nano cũng được xem xét ở các dạng rắn, lỏng, khí. Xét về hình dạng, người ta phân vật liệu thành ba loại sau:

-      Vật liệu nano ba chiều đều có kích thước nano, không có chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano thuộc loại vật liệu nano không chiều.

-      Vật liệu nano hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều còn lại, ví dụ: dây nano, ống nano thuộc loại vật liệu nano một chiều.

-      Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó chỉ có một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng thuộc loại vật liệu nano hai chiều.

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau hay chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano như nanocomposite. Người ta cũng phân loại theo pha như: đơn pha rắn, đa pha rắn và hệ đa pha hỗn hợp.

Cơ sở khoa học nghiên cứu công nghệ và vật liệu nano là sự chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử, khi kích thước vật liệu ở trạng thái nano với các hiệu ứng đặc trưng:

-      Các hiệu ứng lượng tử của vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1 hạt có thể tích 1µm3 có khoảng 1010-1012 nguyên tử) nên các hiệu ứng lượng tử không đáng kể nên có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.

-      Hiệu ứng bề mặt của vật liệu có kích thước nano tạo nên do số nguyên tử nằm trên bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ví dụ số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích:

Kích thước hạt nano bạc (nm)

Số nguyên tử có trong hạt nano

1

31

5

3.900

20

250.000

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều liên quan đến kích thước tới hạn. Khi vật liệu có kích thước nhỏ hơn kích thước tới hạn thì tính chất của vật liệu hoàn toàn bị thay đổi. Do vậy các vật liệu nano có các tính chất đặc biệt khác biệt với các tính chất của vật liệu đó. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo Định luật Ohm ở kích thước vĩ mô nhưng khi giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại 1 đến 100nm thì Định luật Ohm không còn đúng nữa.

Điện trở của vật có kích thước nano khi đó sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Tương tự các tính chất khác như điện, từ, quang và tính chất hóa học, sinh học,… cũng đều có độ dài tới hạn trong khoảng nanomet. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan đến vật liệu nano là khoa học nano và công nghệ nano.



,