Công nghệ Nano và những ứng dụng thiết thực

**chocolatenoir** · 06-06-2008

Mặc dù Vi điện tử (Micro-electronics) thống lĩnh toàn bộ sự phát triển vượt bậc của con ngừoi trong 40 năm vừa qua Khoa học và Công nghệ Nano hiện nay mới là lĩnh vực Nóng bỏng nhất trong Khoa học Công nghệ thế giới. Khởi xướng bởi các Nhà vật lý, ngày nay Công nghệ Nano tìm thấy ứng dụng của mình trong tất cả các lĩnh vực của Khoa học và công nghệ. Các cụm từ Nanobio, Nems (tức Nano mems), Nanofluidics... bắt đầu thấy ờ khắp nơi, báo hiệu một đợt sóng mới. Đại học quốc gia TpHCM cũng đã lập dự án thành lập Viện Khoa học và Công nghệ Micro-Nano đầu tiên của Việt nam.

Các bạn yêu thích Hóa học có thể cũng quan tâm và đọc các tác phẩm đầu tiên bằng tiếng Việt, tuy còn sơ khai, nhưng rất hữu ích của các tác giả Nguyễn Đức Nghĩa, Vũ Đình Cự... Bài này đuợc mình lấy từ bài gốc của Tác giả Nguyễn Trọng Cơ trên Vietsciences 15/12/2007. Mình có chỉnh sửa và viết lại một số chỗ cho sáng sủa, dễ hiểu.

Từ lâu các nhà vật lý biết rằng ở thế giới nano, các định luật vật lý cổ điển, vốn áp dụng vào các vật thể hàng ngày, không còn giá trị nữa. Các tính toán sẽ phải dựa vào các định luật mới của Cơ học lượng tử và thuyết Tương đối. Mặc dù biết rằng vấn đề sẽ vô cùng phức tạp, năm 1959, khi ngành vi điện tử vẫn còn trong thời kỳ phôi thai, (3) đã cố gắng thúc giục các nhà khoa học lưu tâm đến các kỹ thuật điều khiển các vật nhỏ cỡ nguyên tử. Ông từng nói: "... I will not now discuss how we are going to do it, but only what is possible in principle..." Mặc dù rất thích thú về đề tài này, nhưng đứng trước quá nhiều khó khăn, Richard Feynman không tập trung sức lực vào sự tìm tòi trên. Cho đến ngày nay khi người ta biết rõ là các định luật của cơ học lượng tử có thể hoàn toàn khống chế các hoạt động của những phần vật chất cỡ nano thì ngành kỹ thuật nano, mặc dù vẫn còn nhiều giới hạn, phần nào đã trở thành hiện thực.

Trong số những khó khăn khi đi vào công nghệ nano có hai vấn đề quan trọng sau đây phải được đặc biệt lưu ý :
+ Thứ nhất là sự thông tin, liên lạc giữa thế giới nano và thế giới bình thuờng (macroworld). Theo cơ học lượng tử, ta biết rằng khi cố gắng đo lường trong hệ thống những hạt vô cùng nhỏ (quantum system) ta sẽ làm xáo trộn chúng. Do đó, vì có sự khác biệt giữa các định luật vật lý, sự trao đổi tin tức giữa hai thế giới sẽ rất khó trung thực.
+ Thứ hai là hiệu ứng bề mặt (surfaces) của các vật thể. Trong thế giới marco và micro, các định luật của vật lý chất rắn (các bạn có thể tìm hiểu một phần qua môn Hóa chất rắn hay đọc giáo trình Vật lý chất rắn của GS Lê Khắc Bình) luôn luôn được áp dụng với điều kiện tiên quyết là tỷ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của vật thể (surface to volume ratio- S/V) phải vô cùng nhỏ. Nói cách khác, định luật chỉ áp dụng trong những khối vật chất lớn (bulk). Trong công nghệ nano với thao tác xuống đến mức của hàng chục nghìn, hàng nghìn , hàng trăm hay đến từng phân tử ... ta không thể có điều kiện này bởi vì khi hạt vật chất (particular) càng nhỏ đi thì số lượng phân tử/nguyên tử hiện diện trên bề mặt của hạt vật chất ấy so với tổng số nguyên tử/phân tử tạo nên hạt vật chất sẽ càng tăng.
Để có thể sản xuất những thiết bị không nhỏ quá mà vẫn có những đặc tính của kỹ thuật nano, người đề ra một Độ lớn bậc trung (mesoscale). Những vật thể ở mesoscale có kích thước từ một đến vài trăm nano mét, được cấu thành từ sự tích lũy của một số lớn nguyên tử hay phân tử. Với số lượng hạt tử lớn như vậy ta có thể áp dụng những định luật vật lý cổ điển nhưng vẫn phải để ý đến ảnh hưởng của cơ học lượng tử.

Có hai cách (approach) để điều khiển ở cấp độ nano, top-down (từ trên xuống) và bottom-up (từ dưới lên).

Theo hướng thứ nhất, các nhà sản xuất chip điện tử đang thu nhỏ dần các transistors, là đơn vị cơ bản để xây dựng những microprocessors (bộ vi xử lý), memory chips (chip nhớ), controllers (bộ điều khiển),...Hiện nay kích thước một transistor khoảng trên dưới 100 nano mét. Hãng sản xuất chip điện tử Intel đã có thể sản xuất những transistors có kích thước nhỏ dần từ 65 nm xuống đến 22nm.

Quan trọng nhất trong cách tiếp cận này là các phương pháp tạo màng mỏng (thin film) vì chúng giúp tạo các màng vật liệu (kim loại, oxit kim loại...) trên một đế (substrat) thường là silic. Và cứ từng lớp từng lớp vật liệu với các tính chất điện-từ khác nhau được xây dựng liên tiếp sẽ kết hợp với các giai đoạn đục khoét ăn mòn (etching) để tạo ra các cấu trúc nhiều lớp, phức tạp như Vi xử lý , chip nhớ ... Một số kỹ thuật quan trọng là plasma (như plasma oxygen giúp oxi hóa bề mặt đế), lắng đọng hơi hóa học (CVD) , phún xạ (sputtering) hay epitaxy... Các kỹ thuật này đã bắt đầu được đưa vào giảng dạy nghiên cứu từ hơn 10 năm qua ở VN. Một số topic trên chemvn như

http://chemvn.net/chemvn/showthread.php?t=4105

http://chemvn.net/chemvn/showthread.php?t=3451

Mỗi kỹ thuật có một nguyên tác và các ưu nhược điểm khác nhau nhưng điểm chung là hóa hơi vật liệu và đưa vật liệu lên bề mặt substrat với tốc độ và độ dày điều khiển được qua lưư lượgn khí, độ sâu của chân khong, nhiệt độ.... và đòi hỏi thiết bị chân không sâu.

Khi theo hướng "từ dưới lên- bottom up" ta bắt đầu từ những nguyên tử hay phân tử để xây dựng dần lên cơ cấu nano theo bản thiết kế sẵn. Hai sản phẩm đã được biết đến từ nhiều năm nay là Ống nano (nanotubes, nổi tiếng nhất là carbon nanotube với có nhiều tính khác thường về cơ, điện và nhiệt) và Chấm lượng tử (quantum dots là những tinh thể (crystals) chỉ chứa chừng vài trăm nguyên tử với nhiều tính chất quang học, điện học và từ học đặc biệt).

Hướng tiếp cận này dùng những phản ứng hóa học được kiểm soát nên có lợi điểm là ít tốn kém. Tuy nhiên, do không thể sản xuất hàng loạt những mẫu vật đã được thiết kế và có liên hệ với nhau (tức là có kết cấu phức tạp) nên phương pháp này chưa thể áp dụng vào kỹ nghệ điện tử.

Trong lĩnh vực sinh học nano (Nanobio), các nghiên cứu cố gắng xây dựng những Bộ máy nano (nanomachines) khi quan sát chuyển động của các vi sinh vật. Ta biết rằng một số đơn bào (one-celled organisms) có thể di chuyển được là nhờ những Tua/Đuôi (flagella) và một bộ Máy quay (rotor) cực nhỏ, cỡ 10 nano mét, nằm trong tế bào. Rotor này có thể quay rất nhanh, làm các đuôi cựa quậy liên tục khiến đơn bào có thể chuyển động dễ dàng. Thí dụ như tinh trùng (sperm) có thể di chuyển với vận tốc cỡ 60 - 160 microns mỗi giây. Đây là một vận tốc khá lớn vì kích thước của tinh trùng chỉ khoảng 25 microns. Rotor cấu tạo bởi protein, và có thể quay nhanh tới hàng ngàn vòng mỗi phút. Năng lượng được cung cấp bởi nguồn hóa năng quen biết trong tế bào, có tên Adenosine TriPhosphate (ATP). Tác giả Montemagno tại Đại học Cornell đã tạo được một bộ máy nano đầu tiên bằng cách cô lập một rotor rồi nối với một sợi kim loại hình trụ (nanorod) dài cỡ 750 nano mét, đường kính 150 nano mét. Nanorod có thể quay được 8 vòng mỗi phút. Tuy nhiên phải cần thời gian để những bộ máy nano này có những ứng dụng cụ thể.

Một số thành công đã làm đề tài nano trở nên nóng bỏng và nhiều ý tưởng mới lạ được đưa ra. Ví dụ như các bộ phận điện tử có thể được làm từ những phân tử hữu cơ (organic), những dải DNA được gắn vào các chip silicon,...Những Hạt nano (nanoparticles) có thể giúp các thử nghiệm sinh học nhanh hơn, làm việc chẩn bệnh dễ dàng hơn. Chúng cũng có thể đưa thuốc đúng vào những phần cơ thể cần chữa trị để tránh phản ứng phụ, sửa chữa những cơ quan hư hỏng trong người, và hy vọng có thể giúp những cơ quan này tự tái tạo,...Những nano robots (nanobots), nano lắp ráp (nanoassemblers) có thể chữa bệnh và tạo nên một lực lượng sản xuất hùng hậu không gây ô nhiễm,...