ĐỌC VUI VÀ SUY NGHĨ

Cổ vũ lòng yêu thích các trò chơi hữu ích cho sự luyện tập trí óc trong cộng đồng người Việt

CP174 – Du hành vào thế giới nano


Tác giả:     Bình Nguyên


Lời nói đầu

Ngày nay, các linh kiện dùng trong các ngành khoa học kỹ thuật càng ngày càng thu nhỏ lại nhưng tinh vi và hiệu quả hơn. Góp phần vào sự tiến bộ đó là khoa học “nano”. Nhưng nano là gì? Mời quý độc giả đọc bài dưới đây của tác giả Bình Nguyên để tường.
“Đọc Vui và Suy Nghĩ”  thành thật cám ơn tác giả.

*     *     *

Tháng 11 năm 2014 vừa qua, con người đã đạt được một thành công to lớn trong lãnh vực Khoa Học Không Gian khi một phi thuyền thăm dò vũ trụ (sonde sapatiale Rosetta) được phóng đi từ 10 năm trước, bay trong không gian vô cùng lớn, theo một quỹ đạo dài đến  6 tỉ km, hội ngộ với sao chổi Churyumov-Gerasimenko.

Nhân ngày Xuân, xin chuyện phiếm với các bạn về thế giới vô cùng nhỏ, thế giới nano.


1.  Nano và khoa học nano

Chúng ta đều biết nano (ký hiệu: n) là tiếp đầu ngữ (préfixe/prefix) dùng trong hệ thống đo lường (système d’unités /system of measurement), dùng để chỉ 1 phần tỉ (10-9). Ký hiệu n này được dùng từ năm 1911, nhưng chỉ từ gần đây thôi, nhiều ngành khoa học và kỹ thuật mới nói đến và dùng đơn vị nanomét để mô tả kích thước và các ứng dụng một số vật liệu vô cùng nhỏ. Đó cũng là nhờ vào các tiến bộ về sản xuất vật liệu mới đã đạt đến các hạt nhỏ khoảng vài nm (nm = 10-9 m). Hiện nay, nhiều vật liệu ở kích thước này, được gọi là hạt nano, sợi nano, ống nano, … có nhiều tính chất rất đặc biệt và hứa hẹn nhiều ứng dụng đặc sắc. Các kỹ thuật để sản xuất, kiểm tra, chế biến và sử dụng các vật liệu này được gọi chung là kỹ thuật nano (nanotechnologie). Y khoa cũng sử dụng các hạt ở kích thước nanomét, gọi là y khoa nano (nanomédecine). Vì thế, nói chung, ta có khoa học nano (nanoscience).

2.  Trên đường đến nano

Khi có các kích thước nhỏ, cùng một bản chất hóa học, vật liệu có tính chất khác xa với tính chất khi ở kích thước thông thường. Ðể dễ hiểu và thấy tại sao các vật liệu lại có tính chất khác nhau khi kích thước thay đổi, ta lấy một thí dụ đơn giản: thủy tinh. Nếu giảm chiều dày thì thông thường một tấm bản thủy tinh mỏng rất dễ bị vỡ, nhưng nếu giảm cả chiều rộng để chỉ giữ chiều dài thì khi đạt đến kích thước nhỏ như sợi tóc (1/10 mm), sợi thủy tinh lại rất dai và có thể được uốn thật cong mà không bị gãy. Ứng dụng quan trọng của tính chất này là sợi quang học, để có thể dẫn ánh sáng theo đường cong. Sợi quang học được dùng trong các thiết bị nội soi. Phép nội soi trong y khoa giúp cho việc chẩn đoán trở nên nhanh chóng không cần phẫu thuật. Sợi quang học cũng được dùng để chế tạo các dây cáp fiber (optical fiber) với vận tốc thông tin rất nhanh dùng trong ngành truyền thông. Cũng vậy, khi đi thật xa hơn nữa, màn ảnh các máy chụp hình kỹ thuật số (digital camera) đã đạt đến độ phân giải là nhiều megapixel (nhiều triệu hạt trong màn hình), mỗi pixel vài µm, 1 µm = 10-6 m). Máy chụp hình kỹ thuật số đã làm đảo lộn kỹ thuật chụp và truyền hình. Khi kích thước được giảm xuống đến khoảng nanomét (gần nhỏ như nguyên tử và phân tử), nhiều vật liệu không còn những tính chất thông thường của Vật Lý Vĩ Mô (macroscopique) mà theo các luật của Vật Lý Tế Mô (microscopique). Trong thế giới vô cùng nhỏ này, phải nói đến  một ngành vật lý là Cơ Học Lượng Tử (Mécanique quantique / Quantum Mechanics hay Quantum Physics). Muốn quan sát các cấu trúc vô cùng nhỏ này, người ta phải dùng đến các kính hiển vi STM (Scanning Tunnel Microscope) cho các vật dẫn điện hoặc AFM (Atomic Force Microscope) thường là cho các vật cách điện, cả hai loại kính hiển vi này đều có độ phân giải mạnh hơn kính hiển vi điện tử (Electron Microscopes). Nếu là các hạt nano trong dung dịch với nước, ta có thể đo kích thước các hạt này nhờ sự khuếch tán ánh sáng QLS (Quasielastic Light Scattering).

Ðặc tính đầu tiên khi giảm kích thước của một vật thể là sự tăng diện tích mặt ngoài của vật thể. Thí dụ, khi một quả cầu được cắt làm đôi thì diện tích mặt ngoài của 2 bán cầu sẽ được tăng thêm mỗi bên một vòng tròn. Nếu cứ thế cắt mãi cho nhỏ đến nm thì diện tích mặt ngoài tăng vô số kể. Tăng diện tích mặt ngoài làm tăng sự tiếp xúc và hoạt tính của một hóa chất. Vì vậy, các chất xúc tác thường là các bột rất mịn. Trong vi điện tử, nếu các linh kiện có kích thước nhỏ được dùng trong cấu trúc các bộ nhớ, khả năng tích trữ linh kiện trong cùng một thể tích được tăng lên gấp bội, các linh kiện khi được xếp sát gần nhau hơn sẽ làm tăng vận tốc thực hiện các phép tính của bộ nhớ. Cấu trúc vật liệu có kích thước nhỏ còn có điều lợi là tốn ít vật liệu, tốn ít năng lượng sản xuất, đây là những điều thuận lợi cho việc bảo vệ môi trường.

3.  Nano trong Y Học, Dược Học và Sinh Học

Các dung dịch dùng trong Y Học, Dược Học và Sinh Học thường dùng những vật liệu này. Các dược liệu phải vượt qua màng tế bào cấu tạo bằng lipid có tính kỵ thủy (hydrophobe). Nhưng khi uống thuốc hoặc chích thuốc thì ta phải dùng nước mới tiện. Vì thế phải dùng những phương pháp như vortexing (dùng máy vortex mixer) hoặc siêu âm để khuấy mạnh làm khuếch tán những chất dầu kỵ thủy hoặc những chất lưỡng hiếu [amphiphile, một đầu hiếu thủy (hydrophile) và một đuôi kỵ thủy (hydrophobe)] thành những hạt nhỏ lơ lửng trong nước trước khi dùng để hòa tan thuốc. Các phương pháp điều chế này cho ra những cấu trúc gọi là émulsion (cỡ micromét, 1 µm = 10-6 m), micelle (cỡ nm), liposome (cỡ 100 nm). Nhiều cách khác cho ra hạt nano (nanoparticule).

image001

Trong hình này, liposome là một cấu trúc nhỏ hình cầu rỗng cấu tạo bởi một màng kép gồm 2 lớp phospholipide [hình cầu mầu xám với 2 đuôi nhỏ]. Bên trong và bên ngoài màng liposome là nước. Vì lipid có thể xuyên qua màng tế bào, liposome có thể vận chuyển thuốc đến các tế bào. Thuốc có thể có tính hiếu thuỷ (tan trong nước) [hình cầu màu xanh lam bên trong liposome], hoặc kỵ thuỷ [màu xanh lục] hoặc lưỡng hiếu, một đầu hiếu thủỷ, một đầu kỵ thuỷ [màu đỏ]. Liposome đều có thể tải tất cả các loại thuốc có tính hiếu thủỷ, kỵ thủỷ hoặc lưỡng hiếu.

Cũng có những phương pháp không cần khuấy mạnh. Một số chất amphiphile mà phân tử có một đầu hiếu thuỷ (hydrophile) và một đuôi kỵ thuỷ (hydrophobe), như xà phòng, thuốc giặt, nếu hòa vào trong nước thì khi nồng độ dung dịch đạt đến một mức nào đó, các phân tử sẽ tự kết hợp thành những hạt nhỏ cỡ vài nanomét, gọi là micelle.

Có những chất khác, như oxid kẽm, oxid titan, oxid sắt, polyalkylcyanoacrylate (PACA)… thì các phân tử kết thành những hạt nano (nanosphere hay nanocapsule).

Nếu ghép thêm những hóa chất thích hợp, các cấu trúc này cũng có thể dùng để vận chuyển thuốc đến các mục tiêu là những tế bào bị hư hỏng trong cơ thể, hoặc mang những chất kim loại có khối lượng nguyên tử cao đến những cơ quan quan trọng trong người để giúp tăng cường độ tương phản khi chụp hình quang tuyến X hoặc chụp hình bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (IRM: Imagerie Résonance Magnétique / MRI: Magnetic Resonance Imaging). Như vậy các hạt nano có thể được dùng để chữa bệnh hoặc để chẩn đoán bệnh.

image002

Hình trên đây là một thí dụ hạt nano oxid sắt hỗn hợp có từ tính (γ-Fe2O3, Fe3O4, ferrite) dùng làm tăng độ tương phản và có chức năng hoạt tính. Hạt nano oxid hình cầu màu nâu ở trung tâm, trên đó có ghép những phân tử mà một đầu gắn vào hạt nano (màu xanh dương) và đầu kia (đầu màu hồng, vòng ngoài), có chức năng đến những tế bào có thể sẵn sàng tiếp thu (Thí dụ như những tế bào ung thư thường tiết ra trên mặt tế bào những nhóm phân tử đặc biệt gọi là “phân tử tiếp thu” – “recepteur”/ “receptor). Các phân tử ghép vào hạt nano gọi là dendron và chức năng tùy thuộc vào phân tử tiếp thu của mục tiêu muốn đạt đến.

Vì kích thước nhỏ hơn tế bào rất nhiều, các hạt nano rất dễ thấm qua màng tế bào. Trong nhiều loại mỹ phẩm hoặc crème chống nắng có dùng liposome hoặc những hạt nano oxid kẽm hoặc oxid titan, mục đích là để tăng độ thấm thuốc vào da hoặc để lọc tia tử ngoại. Các hạt nano được dùng nhiều nhất là nano bạc, được dùng như chất sát trùng trong bộ lọc máy điều hòa không khí, thành vách tủ lạnh, giấy bọc thực phẩm, máy rửa chén, nồi niêu, điện thoại di động, quần áo tắm, thuốc phun vaporisateur, v.v… Vật liệu nano có TiO2 + SiO2 được dùng để chế tạo các vật liệu có bề mặt không bẩn (“vật liệu tự làm sạch”), thí dụ bề mặt các công trình kiến trúc, cửa kính, kính xe hơi, bề mặt thấu kính các thiết bị như ống dòm, các tác phẩm điêu khắc, … được phủ một lớp vật liệu nano mỏng nên sẽ không cần phải lau chùi bề mặt của những vật liệu này.

4.  Nano trong công nghiệp

Ngay từ năm 2007, tổng cộng đã có đến hơn 500 sản phẩm dùng vật liệu nano. Năm 2008, tính ra các vật liệu nano được dùng nhiều nhất trong lãnh vực y tế (59%), theo sau là lãnh vực điện tử và tin học (14%), như trong các máy audio, video, camera, phim ảnh, máy điện thoại di động. Con số sản phẩm nano dùng trong công nghiệp đã lên đến hơn 1000 vào đầu năm 2010. Ngoài Y Học, Dược Học và Sinh Học, vật liệu nano còn được dùng trong kỹ nghệ thực phẩm, kỹ nghệ đóng hộp, sản xuất sơn, mực in, sản xuất năng lượng (cấu trúc mỏng giúp ghép nhiều lớp bán dẫn để tăng năng suất của các tế bào quang điện), các vật liệu nano rỗng (kích thước chỗ rỗng vào khoảng nanomét) để chứa hydrogen, sẽ dùng cho động cơ nổ trong tương lai, v.v… Trong kỹ nghệ, còn có thể dùng fullerene, ống nano,  graphène … trong các máy điện tử, xe hơi, dụng cụ thể thao (vợt, xe đạp đua, …).

Nhưng có lẽ ngoạn mục hơn cả là vật liệu nano dùng trong lãnh vực vi điện tử, tin học, truyền thông, … Nhờ cấu trúc có kích thước nhỏ, trong cùng một thể tích, số lượng các linh kiện lớn gấp bội,  vật liệu nano giúp làm tăng khả năng tích trữ thông tin và tăng vận tốc thực hiện các phép tính của các bộ nhớ vì các linh kiện sát gần nhau hơn … Từ năm 1950 đến 2002, diện tích một transistor đã giảm đi 10.000 lần. Một mạch tổng hợp silicium có diện tích từ 10 mm2 đến 300 mm2 đã có thể chứa hàng chục triệu linh kiện. Ngày nay, người ta đã chế được những transistor (cơ bản của các bộ nhớ) “do hiệu ứng ống nano carbon” (CNFET: Carbon Nanotube Field Effect Transistor). Trước đây người ta tưởng rằng không thể giảm kích thước vật thể xuống quá 1 micromét (1 phần triệu mét), nhưng năm 2004 hãng Intel đã chế tạo được những linh kiện có kích thước nhỏ đến 90 nm, năm 2006 đến  65 nm, năm 2009 đến 32 nm và dự kiến xuống đến dưới 22 nm. Năm 2012 Sub-10 nm Carbon Nanotube Transistor đã được đăng công bố [Nano Lett., 2012, 12 (2), pp 758–762].

5.  Lợi hại của nano

Ngoài sự phát triển những ứng dụng trong nhiều lãnh vực, việc dùng vật liệu có kích  thước nhỏ còn có điều lợi là: tốn ít vật liệu, tốn ít năng lượng sản xuất, đây là 2 điều thuận lợi cho việc bảo vệ môi trường.

Nhưng đứng trước một viễn ảnh đầy hào quang như thế, đặc tính thấm nhanh vào cơ thể và tác động của các hạt nano trong cơ thể đã đặt ra một vấn nạn mới. Ðó là sự độc hại của các vật liệu nano (nanotoxicité). Thật thế, vàng chẳng hạn, đẹp óng ánh và vô hại ở kích thước thông thường, nhưng những hạt vàng cỡ nm lại trở nên đầy hoạt tính. Các hạt nano trong khói xăng, hoặc trong các hóa chất ở dạng Aerosol được phun để khử trùng hoặc để làm tăng độ thơm trong không khí thì lại thấm nhanh vào phổi, vào máu và di chuyển rất sâu vào trong cơ thể. Ngay cả những chỗ rất khó thấm vào như não bộ, nhiều thí nghiệm cho thấy có cả những hạt nano vàng thấm đến.

Cho nên, huy chương nào ta cũng coi chừng vì … có mặt sau. Nhưng kỹ thuật, cũng như mọi sự ở đời luôn luôn là việc tìm kiếm điều ích lợi nhất trong sự cân bằng giữa những điều trái nghịch hay mâu thuẫn nhau.

6.  Vài niên kỷ về vật liệu nano

 – 1911 :       Ký hiệu nano (n) để chỉ 10-9
– 1956 :       Ký hiệu này được dùng cho nanomét (nanomètre/nanometer)
– 1959 :       Nhà vật lý Feynman ở Caltech đặt nền móng cho ý hướng về nano
– 1965 :       Ðiều chế liposome bằng siêu âm
– 1974 :       Danh từ kỹ thuật nano do Norio Tanigushi đề nghị
– 1974 :       Phát minh diode phân tử
– 1981 :       Phát minh kính hiển vi STM (Scanning Tunnel Microscope)
– 1985 :       Phát kiến fullerene
– 1986 :        Phát minh kính hiển vi AFM (Atomic Force Microscope)
– 1991 :        Ống nano
– 2001 :       Transistor do hiệu ứng ống nano
– 2004 :       Bộ vi xử lý (microprocesseur) khắc với độ thanh 90 nm (Intel và AMD)
– 2007 :       Một máy cơ khí phân tử với bánh xe nhỏ có răng (pignon) chạy dọc theo thanh có răng (crémaillère).
– 2012 :        Sub-10 nm Carbon Nanotube Transistor [CNFET: Carbon Nanotube Field Effect Transistor].

 

 

 
%d bloggers like this: