|
LTS:
Tiến sĩ Trương Văn Tân là một cộng tác viên thường
xuyên của mạng
khoahoc.net.
Được biết anh là một chuyên gia về vật liệu học (Materials
Science) và polymer. Hơn mười năm qua anh nghiên cứu về polymer
(plastic) dẫn điện và gần đây ống nano carbon. Trong bài viết
nầy anh Tân giới thiệu sơ lược về nền công nghệ nano và vật liệu
nano. Nhận thấy tầm quan trọng của nền công nghệ nano, Ban Biên
Tập xin trân trọng giới thiệu bài viết nầy đến bạn đọc gần xa và
nhất là đến các nhà khoa học tương lai của Việt Nam.
* * *
Cách đây mười năm cụm từ "công nghệ nano"
(nanotechnology) ít được người biết đến, nhưng ngày hôm nay nó
trở thành một thuật ngữ quen thuộc ở mọi giai tầng trong xã hội
hiện đại. Người làm kinh tế hay chính trị cũng thường đề cập đến
nano dù người nói lẫn người nghe lắm khi vẫn không biết đích xác
là gì. Nano là tiếng gọi tắt của nanometer (ký hiệu nm, 1 nm =
10-9 m hay là 0.000000001 m) [1]
là một đơn vị đo lường ở thứ nguyên nguyên tử hay phân tử. Công
nghệ nano liên quan đến việc lợi dụng những hiện tượng ở đơn vị
nanometer để thiết kế vật liệu và vật chất với những chức năng
đặc biệt ngay từ thang (scale) nguyên tử hoặc phân tử. Người ta
gọi đây là phương pháp thiết kế "từ dưới lên" (bottom-up method)
khác với phương pháp thiết kế thông thường "từ trên xuống"
(top-down method) đang được lưu dụng
[2]. Nhà vật lý
học nổi tiếng Richard Feynman đã từng tiên đoán phương pháp "từ
dưới lên" trong một bài thuyết trình năm 1959 qua câu nói vừa
nghiêm túc vừa hài hước
"There's plenty of
room at the bottom"
(Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới). Lời dự đoán thiên tài
nầy cho biết vùng tận cùng "miệt dưới" của nguyên tử và phân tử
vẫn còn là những vùng phì nhiêu bát ngát chờ đợi con người đến
thao túng khai hoang!
Tuy nhiên con người phải chờ đến 40 năm mới nhìn
thấy sự bùng nổ của nền công nghệ nano chủ yếu sử dụng phương
pháp "từ dưới lên". Nền công nghệ nầy đang có tác động mạnh lên
nền công nghệ "cổ điển" hiện tại và cũng là một động lực của
những công trình nghiên cứu đa ngành (multi-discipline) bao gồm
vật lý, hóa học, vật liệu học, sinh học, toán học, tin học
v.v... Đây là một cuộc cách mạng kỹ nghệ của loài người ở thế kỷ
21. Nó sẽ mang lại cho nhân loại những thay đổi khoa học kỹ
thuật mang tính đột phá và có tầm ảnh hưởng sâu xa trong sinh
hoạt xã hội, văn hóa, kinh tế hơn cả cuộc cách mạng kỹ nghệ ở
thế kỷ 18.
Đàng sau bức bình phong công nghệ nano là những
vật liệu nano. Trong những vật liệu nầy xuất hiện hai dạng
carbon: phân tử fullerene C60 có hình dạng trái bóng đá và ống
nano carbon (carbon nanotube). Sự phát hiện của hai dạng carbon
ở thập niên 80 và 90 ở thế kỷ trước có một trùng hợp thời điểm
với sự ra đời và phát triển của công nghệ nano. Việc khám phá
fullerene và ống nano carbon là tập hợp của nhiều sự kiện ngẫu
nhiên. Gọi là ngẫu nhiên nhưng thật ra là những kết quả hết sức
ngoạn mục phản ảnh một tinh thần làm việc miệt mài nhưng vẫn
phóng khoáng lạc quan, một tư duy phân tích bén nhạy nhưng không
xơ cứng giáo điều của nhà khoa học.
Hiện nay, hằng trăm trung tâm nghiên cứu lớn nhỏ
về công nghệ nano được thành lập khắp nơi trên thế giới đứng đầu
là Mỹ, Nhật Bản, Âu Châu, Trung Quốc với kinh phí toàn cầu trong
vài năm tới sẽ tăng đến hằng chục tỷ USD mỗi năm. Đối với một
số nước công nghệ nano và bộ môn fullerene/ống nanocarbon là ưu
tiên quốc gia cho các đề án nghiên cứu và triển khai. Trong bài
viết nầy chúng ta hãy nhìn xem có thật sự là con người đang đi
vào một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mở ra một thời đại
hoàng kim công nghệ chưa từng có trong lịch sử nhân loại. Và có
thật sự là nền công nghệ silicon của thế kỷ 20 đang từ giã "cuộc
hí trường" để được thay thế bởi nền công nghệ carbon.
Quả
bóng đá C60
Năm 1985, một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold
Kroto (University of Sussex, Anh Quốc) và Sean O'Brien, Robert
Curl, Richard Smalley (Rice University, Texas, Mỹ) khám phá ra
một phân tử chứa 60 nguyên tử carbon, viết tắt là C60. Giáo sư
Kroto là một nhà nghiên cứu hóa học thiên văn. Vào thập niên 70,
ông đã có một chương trình nghiên cứu những chuỗi dài các nguyên
tử carbon trong các đám mây bụi giữa các vì sao (interstellar
dust). Ông liên lạc với nhóm của Curl và Smalley và dùng quang
phổ kế laser của nhóm nầy để mô phỏng điều kiện hình thành của
các chuỗi carbon trong các đám mây vũ trụ. Họ không những có thể
tái tạo những chuỗi carbon mà còn tình cờ khám phá một phân tử
rất bền chứa chính xác 60 nguyên tử carbon. Sự khám phá C60 xoay
hướng nghiên cứu của nhóm nầy từ chuyện tìm kiếm những thành
phần của vật chất tối (dark matter) trong vũ trụ đến một lĩnh
vực hoàn toàn mới lạ liên hệ đến khoa vật liệu (Materials
Science). Năm 1996, Kroto, Curl và Smalley được giải Nobel Hóa
học cho sự khám phá nầy.
Trước C60 người ta chỉ biết carbon qua ba dạng:
dạng vô định hình (amorphous) như than đá, than củi, bồ hóng (lọ
nồi), dạng than chì (graphite) dùng cho lõi bút chì và dạng kim
cương (Hình
1). Sự khác nhau về hình dạng, màu mè, giá cả và cường độ yêu
chuộng của nữ giới giữa than đá, than chì và kim cương thì quả
là một trời một vực. Tuy nhiên, sự khác nhau trong cấu trúc hóa
học lại khá đơn giản. Như cái tên đã định nghĩa, dạng vô định
hình không có một cấu trúc nhất định. Trong than chì các nguyên
tố carbon nằm trên một mặt phẳng thành những lục giác giống như
một tổ ong. Cấu trúc nầy hình thành những mặt phẳng nằm chồng
chất lên nhau mang những electron pi di động tự do. Than
chì dẫn điện nhờ những electron di động nầy. Trong kim cương
những electron pi kết hợp trở thành những nối hóa học
liên kết những mặt phẳng carbon và làm cho chất nầy có một độ
cứng khác thường và không dẫn điện.
Hình 1: Tám loại carbon theo thứ tự từ trái sang
phải: (a) Kim cương, (b) Than chì, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e)
C540, (f) C70, (g) Carbon vô định hình (h) Ống nano carbon
(Nguồn: Wikipedia).
Sự khám phá của C60 cho carbon một dạng thứ tư.
Sau khi nhận diện C60 từ quang phổ hấp thụ Kroto, Curl và
Smalley bắt đầu tạo mô hình cho cấu trúc của C60. Trong quá
trình nầy các ông nhanh chóng nhận ra rằng các nguyên tố carbon
không thể sắp phẳng theo kiểu lục giác tổ ong của than chì,
nhưng có thể sắp xếp thành một quả cầu tròn trong đó hình lục
giác xen kẻ với hình ngũ giác giống như trái bóng đá với đường
kính vào khoảng 1 nm (Hình
1d và 2). Phân tử mới nầy được đặt tên là buckminster fullerene
theo tên lót và họ của kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller.
Ông Fuller là người sáng tạo ra cấu trúc mái vòm hình cầu với mô
dạng lục giác (Hình
3). Cho vắn tắt người ta thường gọi C60 là fullerene hay là
bucky ball.
Hình 2: Quả bóng đá
phân tử C60 với đường kính vào
khoảng 1 nm.
Hình 3: Kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller
và mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác.
Trong việc quyết định trao giải Nobel, Viện Hàn
Lâm Khoa Học Thụy Điển đã quên mất công lao của giáo sư Eiji
Osawa. Ông là người đầu tiên đã tiên đoán sự hiện hữu của C60.
Tôi tình cờ gặp ông tại một cuộc hội thảo khoa học chuyên
ngành. Cũng như phần lớn các giáo sư người Nhật Bản khác, giáo
sư Osawa là một người khả kính, điềm đạm và khiêm tốn. Khi tôi
gợi chuyện C60 và giải Nobel, ông mở nụ cười hiền hòa tâm sự
"Không được Nobel tôi tiếc lắm chứ vì C60 là đứa con khoa học
của tôi mà. Tôi tiên đoán C60 vào năm 1970 khi tôi vừa mới được
bổ nhiệm Giảng Viên tại Đại Học Hokkaido. Vì tôi viết bằng tiếng
Nhật và đăng bài báo cáo của tôi trên tạp chí Kagaku (Hóa Học)
năm 1970 [3] nên
không được các đồng nghiệp quốc tế lưu ý đến. Một năm sau tôi
viết lại thành một chương cho một quyển sách giáo khoa, cũng
bằng tiếng Nhật". Tôi hỏi "Nếu thầy đã tiên đoán như vậy
thì tại sao thầy không làm một thí nghiệm để kiểm chứng".
Ông bộc bạch "Theo sự tính toán của tôi thì năng lượng hoạt
tính của phản ứng tạo ra C60 rất cao. Tôi không thể hình dung
được một chất xúc tác nào có thể hạ thấp năng lượng hoạt tính để
phản ứng có thể xảy ra. Nhưng tôi đã hình dung được cấu trúc của
nó trong một lần tôi nhìn đứa con trai của tôi đùa giỡn với trái
bóng đá trong công viên gần nhà. Tôi cũng không nghĩ ra một
phương tiện vật lý như dùng laser hoặc tia có năng lượng cao như
nhóm Smalley đã làm để kích động phản ứng. Hơn nữa, ở thời điểm
đó tôi mới vừa làm Giảng Viên nên cần phải tạo một dấu ấn nào đó
trong phân khoa. Tôi cảm thấy việc tổng hợp C60 quá nhiều khó
khăn nên đành chọn một hướng nghiên cứu khác". Có một điều
làm cho ông được an ủi phần nào là trong bài diễn văn nhận giải
Nobel Kroto, Curl và Smalley đã đề cập đến thành quả tiên phong
của ông. Ông đã gởi tặng tôi bài báo cáo khoa học mang tính lịch
sử nầy (Hình
4).
|
 |
|
 |
Hình 4: Tựa đề bài báo cáo "Họ
chất thơm siêu đẳng"
(Super-aromaticity) viết vào năm 1970 [3] và quả bóng đá C60
trong bài viết.
Như giáo sư Osawa đã trình bày, ở điều kiện và
nhiệt độ bình thường việc tổng hợp C60 là một việc bất khả thi
trên phương diện nhiệt động học (thermodynamics). Vì là một nhà
hóa học thiên văn, Kroto tiếp cận vấn đề bằng một phương thức
khác. Tháng 9 năm 1985, trong thời gian làm việc tại Rice
University ông dùng tia laser của Curl và Smalley bắn vào than
chì để tái tạo sự tương tác của các tia vũ trụ và carbon trong
không gian. Trong phổ ký khối lượng (mass spectrography) của các
sản phẩm tạo thành xuất hiện hai đỉnh rất to chỉ định C60 và
C70. Một bất ngờ nhưng Kroto, Curl và Smalley biết ngay đây là
một khám phá đổi đời "kinh thiên động địa". Khi tia laser bắn
vào một vùng nào đó của vật chất thì sẽ nâng nhiệt độ vùng đó
lên cao hằng ngàn độ, thậm chí hằng chục ngàn độ. Ở nhiệt độ cao
những chướng ngại nhiệt động học không còn là vấn đề và sự tạo
thành C60 trở nên rất thuận lợi.
Việc khám phá C60 đã làm chấn động hầu hết mọi
ngành nghiên cứu khoa học. Đặc biệt đối với môn hóa học hữu cơ
nó đã tạo ra một nguồn sinh khí mới cho ngành nghiên cứu quá cổ
điển nầy. Sự khám phá có tầm quan trọng hơn sự khám phá cấu trúc
vòng nhân benzene của Kekule gần 150 năm trước. Benzene đã mở ra
toàn bộ ngành hóa học của hợp chất thơm (aromatic compounds).
C60 đã mở ra ngành "Hóa học fullerene" đi song song với sự phát
triển của ngành công nghệ nano hiện nay.
Kroto, Curl và Smalley chỉ cho biết sự hiện hữu
của C60, nhưng tổng hợp C60 cho việc nghiên cứu và ứng dụng phải
đợi đến năm 1990 khi Krätschmer và Huffman đưa ra phương pháp
tổng hợp với một sản lượng lớn. Nhờ vào phương pháp nầy đến năm
1997 đã có hơn 9000 hợp chất dựa trên fullerene được tổng hợp,
hơn 20 000 báo cáo khoa học đăng trên các tạp chí chuyên ngành.
Những người nghiên cứu hóa hữu cơ thường có nhiều nỗi ám ảnh và
niềm đam mê đối với những cấu trúc phân tử đối xứng và cấu trúc
lồng (cage structure), nên fullerene trở thành một lĩnh vực
nghiên cứu mầu mỡ trong bộ môn nầy. Họ tổng hợp những fullerene
cao hơn C60 như C70 (70 nguyên tử carbon, hình bóng bầu dục),
C84 (84 nguyên tử carbon, hình quả đậu phọng). Họ kết hợp những
nhóm chức (functional group) để chức năng hóa
(functionalization) fullerene, gắn fullerene vào polymer để tổng
hợp những dược liệu hay vật liệu cho áp dụng quang điện tử.
Lịch sử fullerene lâu đời hay non trẻ tùy vào hai
cách nhìn khác nhau. Nghiên cứu fullerene thật ra rất ngắn chỉ
hơn 20 năm kể từ ngày phổ ký khối lượng của Curl và Smalley cho
biết sự hiện diện của C60 và C70, nhưng sự hiện hữu của
fullerene có lẽ còn sớm hơn sự xuất hiện của loài người. Nó có
trong những đám mây bụi trong vũ trụ, mỏ than, bồ hóng từ những
ngọn nến lung linh hoặc những nơi khiêm tốn hơn như ở lò sưởi
than, cái bếp nhà quê đen đui đủi vì lọ nồi... Người ta không
tìm được C60 vì hàm lượng rất nhỏ và thường bị than vô định hình
phủ lấp.
Khi màn bí mật C60 được vén mở, người ta nghĩ
ngay đến những áp dụng thực tiễn của C60. Người ta kết hợp C60
với potassium (K) để tạo ra chất siêu dẫn hữu cơ ở nhiệt độ 18 K
(-255 °C).
Một số nhà nghiên cứu sinh học hy vọng có thể dùng C60 điều chế
dược phẩm trị liệu bịnh AIDS. Trong vật lý, rất nhiều đề nghị áp
dụng C60 để chế tạo những trang cụ (device) quang điện tử trong
công nghệ cao. Tuy nhiên, trên mặt áp dụng các nhà khoa học
thường mắc phải một căn bệnh chung là "lạc quan quá độ". Cấu
trúc tròn trịa, đối xứng của C60 đã được tạp chí
Science
tôn vinh là "phân tử của năm 1991", nhưng cái xinh đẹp hấp dẫn
không phải lúc nào cũng đưa đến kết quả thực tiễn hoàn mỹ.
Hai yếu tố làm C60 giảm tính thực tế là: (1) giá
cả quá cao (giá cho 1 gram là vài trăm USD hoặc cao hơn cho tinh
chất, so với giá vàng vào khoảng $10/g) và (2) C60 không hòa tan
trong dung môi rất bất lợi cho việc gia công. Những hồ hởi ban
đầu trong cộng đồng nghiên cứu khoa học dành cho fullerene bị
dập tắc nhanh chóng vì những trở ngại nầy. Thậm chí ngay trong
công nghệ "thấp", chẳng hạn dùng C60 như một chất phụ gia
(additives) cho dầu nhớt làm giảm độ ma xát vẫn không địch nổi
về giá cả và hiệu quả của những chất phụ gia thông thường. Tuần
báo
The Economist
có lần phê bình "Cái công nghệ duy nhất mà quả bóng bucky đã
thực sự cách mạng là sản xuất những bài báo cáo khoa học"
(The only industry the buckyball has really revolutionized is
the generation of scientific papers)!
Nhưng viễn ảnh của C60 trong áp dụng công nghệ
không đến nổi tăm tối như các nhà bình luận kinh tế đã hấp tấp
dự đoán. Sự kiên trì của những người làm khoa học lúc nào cũng
cho thấy một niềm lạc quan của "những tia sáng ở cuối đường
hầm". Gần đây công ty Nano-C (Mỹ) tuyên bố khả năng sản xuất
hằng tấn C60 cho giới công nghệ. Một nhà máy thí điểm tại Nhật
đang có khả năng chế tạo 40 tấn hằng năm và sẽ lên đến vài trăm
tấn khi nhà máy được nâng cấp. Phương pháp sản xuất hàng loạt sẽ
làm giảm giá C60 đến mức $5/g và có thể $1/g trong một tương lai
không xa. Đây là một bước nhảy vĩ đại so với những năm đầu ở
thập niên 90 khi người ta chỉ thu lượm vài miligram C60 ở mỗi
lần tổng hợp khó khăn và giá cho mỗi gram có lúc lên đến
$1500/g. Nhà sản xuất dự đoán nhu cầu C60 sẽ tăng nhanh trong
vài năm tới cho việc chế biến dược liệu, dầu nhớt cao cấp và mỹ
phẩm trang điểm.
Câu chuyện cô bé Lọ Lem mãi mãi là một câu chuyện
tình làm thổn thức nhiều con tim trẻ. Cô bé bị bà mẹ ghẻ hành hạ
lúc nào cũng phải quét dọn lò sưởi nên mặt mũi dính đầy lọ nồi.
Bà Tiên với chiếc đũa thần biến nàng thành một tiểu thư đài các
được trang điểm cực kỳ diễm lệ để dự những buổi khiêu vũ của
chàng hòang tử độc thân đa tình. Có lẽ nàng được trang điểm với
những mỹ phẩm chứa C60, nàng sẽ đeo những chuỗi kim cương carbon
vô giá. Nhưng sau nửa đêm nàng sẽ trở lại cô bé đầy lọ.... Nhìn
từ quan điểm của hóa học carbon, chuyện tình khi đượm tính khoa
học có thể làm thất vọng nhiều tâm hồn lãng mạn nhưng tất cả chỉ
là câu chuyện carbon ở những trạng thái khác nhau!
Trở lại thực tế của thế kỷ 21. Khả năng áp dụng
fullerene trong công nghệ cao liên quan đến quang học và quang
điện tử đang được tích cực khảo sát ở nhiều cơ quan nghiên cứu
trên thế giới. Tạp chí
Journal of Materials
Chemistry
xuất bản một số đặc biệt tổng kết những thành quả mới nhất của
nghiên cứu fullerene [4].
Một trong ứng dụng có tầm quan trọng đặc biệt là đặc tính
photovoltaic của C60 tức là khả năng biến năng lượng mặt trời
thành điện còn gọi là pin mặt trời. Loại pin nầy được chế tạo từ
C60 và polymer dẫn điện (electrically conducting polymers). Mặc
dù hiệu suất chuyển hoán năng lượng vẫn chưa bì kịp pin mặt trời
silicon đang được phổ biến trên thương trường, loại pin mặt trời
hữu cơ nầy sẽ cho những đặc điểm không có ở silicon như dễ gia
công, giá rẻ, nhẹ, mỏng và mềm.
Ống Nano Carbon
Kroto vì niềm đam mê tái tạo những chuỗi carbon
dài trong các đám mây bụi vũ trụ tình cờ phát hiện fullerene.
Ngẫu nhiên nầy được nối tiếp với ngẫu nhiên khác. Sáu năm sau
(1991), tiến sĩ Sumio Iijima một nghiên cứu viên của công ty NEC
(Nhật Bản) cũng vì niềm đam mê tìm hiểu fullerene lại tình cờ
phát hiện qua kính hiển vi điện tử ống nano carbon - "người em
họ" của C60 [5].
C60 có hình dạng quả bóng đá, nhưng ống nano carbon (gọi tắt:
ống nano) giống như một quả mướp dài với đường kính vài
nanometer (nm) và chiều dài có thể dài đến vài trăm micrometer
(10-6 m), vì vậy có cái tên gọi "ống nano" (Hình
1h và 5). Với đường kính vài nm ống nano carbon nhỏ hơn sợi tóc
100 000 lần. Chỉ trong vòng vài năm từ lúc được phát hiện,
"người em họ" cho thấy có rất nhiều ứng dụng thực tế hơn C60.
Cấu trúc hình ống có cơ tính (mechanical properties) và điện
tính (electrical/electronic properties) khác thường và đã làm
kinh ngạc nhiều nhà khoa học trong các cơ quan nghiên cứu, đại
học và doanh nghiệp trên thế giới. Ống nano có sức bền siêu
việt, độ dẫn nhiệt cao (thermal conduction) và nhiều tính chất
điện tử thú vị. Với một loạt đặc tính hấp dẫn nầy nhiều phòng
nghiên cứu đã phải chuyển hướng nghiên cứu từ C60 sang ống
nano.
Hình 5: Ống nano carbon
Việc chế tạo ống nano có thể thực hiện bằng cách
phóng điện hồ quang (arc discharge) hoặc dùng laser (laser
ablation) trên một vật liệu gốc chứa carbon hoặc phun vật liệu
nầy qua một lò ở nhiệt độ 800 - 1200 °C (chemical vapour
deposition, CVD). Hình thành ống carbon không phức tạp nhưng tạo
ra những ống nano giống nhau cùng đặc tính trong những đợt tổng
hợp khác nhau và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất đòi hỏi
những điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác. Tùy vào điều
kiện chế tạo và vật liệu gốc người ta có thể tổng hợp ống nano
một vỏ (single-wall carbon nanotube, SWNT), vỏ đôi (double-wall
carbon nanotube, DWNT) và nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotube,
MWNT). MWNT là một tập hợp của SWNT giống như con búp bê Nga
(Russian doll) (Hình
6). Ống nano được Iijima phát hiện đầu tiên thuộc loại MWNT.
Richard Smalley (Rice University) một lần nữa đã phát huy tài
năng của mình qua phương pháp laser để chế tạo SWNT với hiệu
suất rất cao. Phương pháp nầy đã được thương mãi hóa để sản xuất
SWMT cho công nghệ. Giá cho SWNT và DWNT tinh chế vẫn còn rất
cao ở mức $500/g. MWNT dễ tổng hợp hơn SWNT nên giá ở mức
$100/g. Gần đây Mitsui (Nhật Bản) có thể sản xuất 120 tấn
MWNT/năm cho nhu cầu công nghệ với giá $75/kg.
Hình
6: Ống nano carbon nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện
tử.
Khoảng cách giữa hai vỏ là 0.34 nm
và đường kính của vỏ
ngoài cùng
là
6.5 nm
[5].
Người ta đã định được độ bền (strength) và độ
cứng (stiffness, Young's modulus) của ống nano. Kết quả thí
nghiệm cho thấy ống nano bền hơn thép 100 lần nhưng nhẹ hơn thép
6 lần. Như vậy, có thể nói là ống nano là một vật liệu có cơ
tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến
nay. Tuy nhiên, một vấn đề lớn hiện nay cho các nhà vật liệu học
(materials scientist) là làm sao xe những ống nano thành tơ sợi
(nanotube fibres) cho những ứng dụng thực tế mà vẫn giữ được cơ
tính tuyệt vời cố hữu của các ống nano tạo thành. Nhóm nghiên
cứu của giáo sư Ray Baughman (University of Texas, Mỹ)
[6]
đã phát minh ra một quá trình xe sợi ống nano cho ra sợi với cơ
tính cao hơn thép và tương đương với tơ nhện (spider silk). Tơ
nhện được biết là một loại tơ thiên nhiên có cơ tính cao nhất
trong các loại tơ sợi. Kinh nghiệm cho thấy một con ruồi bay với
tốc độ cao nhất vẫn không bao giờ làm thủng lưới nhện. Nếu sự
kiện nầy được phóng đại vài chục ngàn lần để sợi tơ nhện có
đường kính bằng cây bút chì, sợi tơ có thể kéo ngừng lại
chiếc phi cơ 747 đang bay trên không!
Mặc dù độ cứng của sợi ống nano do nhóm Baughman
làm ra chỉ bằng 1/10 độ cứng của từng ống nano riêng lẻ, sợi
Baughman vẫn chưa phải "siêu cứng" nhưng đã hơn hẳn Kevlar
[7]
về sức bền và nếu điều kiện sản xuất hàng loạt cho phép nó có
thể thay thế Kevlar dùng trong những chiếc áo giáp cá nhân chống
đạn trong tương lai. Quá trình xe sợi của nhóm Baughman chứng tỏ
khả năng chế tạo sợi ống nano với những cơ tính vĩ mô càng lúc
càng gần đến cơ tính ở thang phân tử. Quá trình nầy đã kích động
nhiều nhóm nghiên cứu khác trong cuộc chạy đua chế tạo ra một
loại sợi siêu cứng, siêu bền và siêu hữu ích chưa từng có trong
lịch sử khoa học kỹ thuật.
Với dạng hình ống dài và cơ tính lý tưởng, ống
nano carbon được cho vào các loại polymer (plastic) để tạo
những sản phẩm nano-composite [8].
Thật ra, composite dùng những chất độn (filler) có hình dài để
tăng cơ tính không phải là những gì mới lạ. Từ 6000 năm trước
nhân loại đã trộn bùn với rơm để làm gạch. Ở những vùng sâu vùng
xa người dân vẫn còn dùng đất sét và rơm để làm tường. Hiện tại,
chất độn kim loại hay ceramic là những vật liệu phổ biến được
dùng trong polymer để tăng cường cơ tính thay thế kim loại.
Người ta tin rằng ống nano carbon sẽ là một chất độn "tối
thượng" cho polymer nano-composite. Vài phần trăm ống nano
carbon có thể gia tăng độ bền, độ cứng và độ dai (toughness) của
polymer (plastic) lên nhiều lần. Các công ty chế tạo ô tô đang
triển khai polymer nano-composite cho các bộ phận xe hơi. Đặc
điểm của các composite nầy là nhẹ và bền chắc. Công ty ô tô GM
(Mỹ) dự trù sẽ dùng 500 tấn ống nano/năm trong vòng vài năm tới.
Một cơ tính khác của ống nano đang được khảo sát hiện nay là đặc
tính làm giảm sốc (shock damping), chống rung
[9].
Tính chất rất quan trọng nầy sẽ mang đến những ứng dụng dân sự
lẫn quốc phòng.
Điện tính và đặc tính điện tử của ống nano đã thu
hút nhiều sự chú ý của các nhà vật lý và thiết kế điện tử vi
mạch. Nhờ ở dạng hình ống và các electron tự do pi trong
ống, các electron tự do có thể tải điện nhưng ít chịu sự phân
tán electron (gọi là ballistic conduction). Sự phân tán electron
là nguyên nhân điện trở gây ra sự phát nhiệt thường thấy ở chất
bán dẫn hay kim loại. Nói một cách khác, ống nano có khả năng
tải điện hữu hiệu vì ít phát nhiệt.
Công nghiệp điện tử được xây
dựng và phát triển dựa vào kỹ thuật thu nhỏ. Transistor là một
linh kiện chính trong các mạch điện. Phương pháp "từ trên xuống"
đã được áp dụng để thu nhỏ transistor có độ to khoảng vài cm ở
thời điểm phát minh (năm 1947) cho đến ngày hôm nay thì đến bậc
nanometer; vài triệu lần nhỏ hơn. "Định luật" Moore (Moore's
law) cho biết rằng cứ mỗi hai năm mật độ của các transistor được
nhồi nhét vào một silicon
chip
sẽ tăng gấp đôi nhờ vào kỹ thuật chế biến thu nhỏ và đặc tính
của silicon. Định luật đã đúng hơn 40 năm qua kể từ năm 1965 và
cũng sẽ tiếp tục đúng trong vòng 10 năm tới. Lúc đó đặc tính thu
nhỏ của silicon sẽ đến một mức bảo hòa và dừng lại ở một kích
thước nhất định nào đó. Độ nhỏ nhất có thể đạt được của một
silicon
chip
là 180 nm và cũng là giới hạn trong kỹ thuật làm
chip
hiện nay. "Độ lớn" 180 nm rất nhỏ (nhỏ hơn sợi tóc 500 lần) và
hiệu năng tải điện của silicon càng giảm vì càng nhỏ sự phát
nhiệt càng cao. Tuy nhiên 180 nm vẫn còn rất to so với đường
kính vài nm của ống nano. Ở kích thước nầy ống nano vẫn còn có
thể tải điện mà không sợ phát nhiệt. Như vậy, đặc tính tải điện
không phát nhiệt và khả năng tạo thành các linh kiện điện tử như
diode và transistor của ống nano ở kích thước phân tử chỉ ra một
hướng nghiên cứu mới là nano-điện tử (nano-electronics) nối tiếp
vai trò thu nhỏ của vi điện tử (micro-electronics) mà silicon
đang ở địa vị độc tôn.
Một đặc tính khác của ống nano là sự phát xạ
trường (field emission). Khi điện thế được áp đặt vào một đầu
của ống nano đầu kia sẽ liên tục phát ra electron [10].
Đã có nhiều vật liệu hoặc trang cụ (thí dụ: ống tia âm cực,
cathode ray tube) có đặc tính phát xạ trường nhưng ống nano có
thể vận hành ở điện thế thấp, phát xạ trong một thời gian dài mà
không bị tổn hại. Áp dụng trực tiếp của phát xạ trường là màn
hình TV và vi tính. Đây là một công nghệ mang lại hằng tỉ đô
la mỗi năm. Màn hình mỏng tinh thể lỏng đang thay thế dần các
màn hình ống tia âm cực nặng nề, kềnh càng. Ống nano có thể làm
màn hình mỏng hơn nữa, rõ nét và dùng điện 10 lần ít hơn. Đặc
tính phát xạ trường của ống nano cho thấy khả năng thay thế màn
hình tinh thể lỏng trong một tương lai gần mặc dù màn hình nầy
hiện rất thông dụng và đang được ưa chuộng. Tập đoàn Samsung
(Hàn Quốc) tích cực thương mãi hoá màn hình ống nano.
Ngoài ra, ống nano còn cho nhiều áp dụng khác
chẳng hạn dùng trong bộ cảm ứng (sensor) để phát hiện ánh sáng,
nhiệt, sóng điện từ hoặc những hóa chất độc hại với độ nhạy rất
cao. Ống nano tự thân hoặc kết hợp với polymer dẫn điện để biến
chế thành cơ bắp nhân tạo (artificial muscle, actuator). Cơ bắp
nhân tạo là một mô phỏng của cơ bắp sinh vật biến đổi điện năng
thành cơ năng; khi có một dòng điện chạy qua cơ bắp sẽ cho một
tác lực. Cơ bắp nhân tạo là một trong những bộ phận quan trọng
tạo thành con robot hoặc hệ thống cơ điện vi mô (microelectronic
mechanical system, MEMS). Nhóm nghiên cứu của giáo sư Gordon
Wallace và Geoff Spinks (University of Wollongong, Úc) có những
thành quả nổi bật trong lĩnh vực nầy. Ống nano cũng có mặt trong
sinh học. Một báo cáo khoa học gần đây cho biết tế bào xương rất
tương thích (compatible) với ống nano [11].
Ống nano được sử dụng như giàn giáo (scaffold) để các tế bào
xương tăng trưởng và phát triển. Phương pháp nầy có thể triển
khai trong việc ghép và trị liệu xương.
* * * * * * *
Trong lĩnh vực áp dụng, ống nano hơn hẳn người
anh cả fullerene. Khi những nhà khoa học cùng với các doanh nhân
loay hoay tìm kiếm một hướng đi thực dụng cho C60 thì bỗng nhiên
thấy kho tàng ống nano hiện ra trước mắt. Quả bóng đá C60 đã đem
giải Nobel cho Kroto, Curl và Smalley, nhưng ống nano đang đem
đến con người nhiều áp dụng thực tiễn và một cuộc cách mạng khoa
học chưa từng có bao trùm tất cả mọi hoạt động kinh tế xã hội mà
ở thời điểm phát hiện Sumio Iijima có thể chưa hình dung hết. Sự
khám phá fullerene và ống nano carbon đang làm thay đổi toàn
diện bộ mặt phát triển khoa học và công nghệ của thế kỷ 21. Cơ
tính, điện tính, sự truyền nhiệt và tính dẫn điện đặc biệt của
ống nano đưa đến hàng trăm đặc tính hữu dụng khác nhau đã kích
thích vô số nghiên cứu cơ bản đa ngành cũng như những nghiên cứu
ứng dụng từ vật liệu học đến điện tử học, từ vật lý đến y học.
Những kết quả nghiên cứu đã cho thấy ống nano
đang trở thành một bộ phận cấu thành chủ yếu cho các dụng cụ
điện tử tương lai. Sự hiện diện của ống nano trong các áp dụng
điện tử học đã làm các nhà thiết kế vi mạch phải suy nghĩ lại cơ
cấu vận hành của các công cụ máy móc dựa trên silicon chip.
Liệu ống nano sẽ bổ sung cho silicon trong tương lai hay thời
đại silicon sẽ chấm dứt để nhường bước cho thời đại ống nano? Dù
ở kịch bản nào, những linh kiện điện tử sẽ phải thu nhỏ đến
thang phân tử. Phương pháp "từ trên xuống" sẽ được thay thế bằng
phương pháp "từ dưới lên". Chúng ta sẽ thấy transistor phân tử
(molecular transistor), diode phân tử, tụ điện phân tử v.v....
Thời đại phân tử điện tử học (molecular electronics) sẽ xuất
hiện với những định luật mới dựa trên cơ học lượng tử và một
loạt dụng cụ điện tử thu nhỏ ở kích thước nano. Chúng ta đang
vươn tới nền công nghệ nano. Liệu lúc đó ống nano có là một vật
liệu chủ yếu như silicon trong ngành vi điện tử hiện tại?
Chúng ta hãy chờ xem.
25 April 2006 (Shizukana
aki no hi)
TVT
Ghi Chú và Tài Liệu Tham Khảo
1.
Đường kính một nguyên tử vào khoảng 0.1 nm.
2. Phương pháp "từ trên xuống" là dùng những vật
liệu to rồi biến chế thành những công cụ nhỏ. Một thí dụ điển
hình của phương pháp nầy là chế tạo silicon
chip cho
máy vi tính. Chip được chế tạo càng lúc càng nhỏ để làm
ra những máy vi tính càng hữu hiệu, gọn và mỏng. Một thí dụ của
phương pháp "từ dưới lên" là quá trình tổng hợp protein của các
vật sống (living body). Phân tử DNA tạo ra RNA để chuyển hóa tạo
ra protein với các chức năng khác nhau. Các protein lại kết hợp
với nhau để tạo ra tế bào ở một bậc cao hơn rồi sau đó tạo ra
vật thể. Quá trình thụ tinh tạo phôi rồi tạo ra sinh vật và con
người là một thí dụ tương tự. Trong ngành công nghệ nano chúng
ta đang bắt chước thiên nhiên trong quá trình "từ dưới lên".
3.
E. Osawa, Kagaku (Chemistry) 1970, 25
(9), 854
4.
"Functionalised Fullerene Materials", Journal
of Materials Chemistry 2002, 12 (7)
5.
S. Iijima, MRS Bulletin November 1994,
volume XIX, 43
6.
A. B. Dalton, S. Collins, E. Muñoz, J. M.
Razal, V. H. Ebron, J. P. Ferraris, J. N. Coleman, B. G. Kim and
R. H. Baughman, Nature 2003, 423, 703
7.
Kevlar là thương hiệu của sợi
poly-paraphenylene terephthalamide
được dùng trong áo giáp và mũ cối quân đội.
8.
Composite là vật liệu hỗn hợp của (ít nhất)
hai vật liệu riêng biệt với những đặc tính bổ sung cho nhau. Bùn
và rơm là một thí dụ. Bê tông cũng là một dạng composite.
9.
J. Suhr, N. Koratkar, P. Keblinski and P. Ajayan,
Nature Materials 2005, 4, 134
10. P. G. Collins and P. Avouris, Scientific
American December 2000, 62
11.
L. P. Zanello, B. Zhao, H. Hu, R. C. Haddon,
Nano Lett. 2006, 6, 562
Ý kiến Phê bình xin gửi về
:
truongvantan@khoahoc.net
Trở về Trang Chính | 