Tiềm năng của khoa học Công Nghệ Nano pdf

Tiềm năng của khoa học Công Nghệ Nano
1. Tiềm năng thương mại và chế tạo
Hiện nay, trên thế giới các vật liệu và thiết bị nano bắt đầu được sản xuất với số lượng
ngày càng nhiều và được đánh giá là sẽ có tiềm năng thương mại cao, mang lại những
khoản lợi nhuận khổng lồ.
Theo dự báo của Quỹ Khoa học Quốc gia, Mỹ, giá trị thương mại hàng năm giai đoạn
2011-2015 của tất cả các sản phẩm liên quan tới Công nghệ Nano ( bao gồm cả công
nghệ thông tin và truyền thông ) là khoảng 1000 tỷ USD. Các ôxit kim loại, như titan
điôxit, kẽm ôxit, silic ôxit, nhôm ôxit, ziriconi và sắt ôxit, là các loại hạt nano thương mại
quan trọng nhất. Các vật liệu này có sẵn ở dạng bột khô hoặc huyền phù lỏng. Số lượng
vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực thị trường chăm sóc da ( titan điôxit, v.v… ) trên thế
giới là khoảng 1000 - 2000 tấn/năm, với vật liệu cấu phần nano trị giá khoảng 10 USD
đến 100000 USD/tấn. Mặc dù thị trường thế giới về hạt nano được dự báo gia tăng trong
vài năm tới, nhưng tốc độ sản xuất tất cả các hóa chất trên toàn cầu là khoảng 400 triệu
tấn/năm (EC 2001) và như vậy các hóa chất dạng hạt nano chỉ chiếm một phần rất nhỏ
trong tổng số hóa chất được sản xuất hiện nay ( khoảng 0,01% ). Bên cạnh đó, vật liệu vô
cơ, kim loại hoặc bán dẫn cỡ nano thường có nhiều chức năng, nên được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực công nghiệp. Ví dụ, kẽm ôxit được sử dụng làm vật liệu quang điện tử
( làm màn hình hoặc pin quang voltaic và pin mặt trời tiên tiến ) ở dạng cố định trong
thành phẩm, nhiều hơn so với làm thành phần sản phẩm chăm sóc da có hạt nano ở dạng
tự do.

Bảng 1 : ước tính sản lượng các loại vật liệu và thiết bị nano khác nhau của thế giới trên
cơ sở các tổng quan và Tạp chí Hóa học Quốc tế ( 2003 - 2004 ) và nghiên cứu thị trường
( BCC 2001 )
Sản lượng ước tính ( tấn/năm )
Ứng dụng Vật liệu/Thiết bị
Hiện nay
( tấn/năm )
2005 - 2010
( tấn/năm )

2011 - 2020
( tấn/năm )
ứng dụng kết cấu
Ceramic, chất
xúc tác,
composit, chất
phủ, màng mỏng,
bột, kim loại
10 1000 10000 - 100000
Sản phẩm chăm
sóc da
Oxit kim loại
( titan đioxit,
1000 1000 1000 hoặc ít hơn
kẽm oxit, sắt oxit
)
Công nghệ thông
tin và truyền
thông
ống nano đơn
vách, linh kiện
điện tử nano, vật
liệu quang điện
tử ( titan đioxit,
kẽm oxit, sắt oxit
), điốt phát sáng
hữu cơ (OLEDs)
10 100
1000 hoặc nhiều
hơn

Công nghệ sinh
học
Vật liệu bao nang
nano, chất cung
cấp thuốc đến
mục tiêu, chất
tương thích sinh
học, chấm lượng
tử, composit, cảm
biến sinh học
ít hơn 1 1 10
Dụng cụ, cảm
biến, đặc trưng
MEMS, NEMS,
SPM, in litô bằng
bút nhúng, dụng
cụ viết trực tiếp
10 100 100 - 1000
Môi trường
Vật liệu lọc nano,
màng
10 100 1000 - 10000
Carbon Nano tube ( ống nano cácbon ) cũng đang thu hút sự quan tâm của ngành công
nghiệp do có các tính chất rất đáng chú ý. Công suất sản xuất ống nano cácbon hiện nay
ước tính khoảng 100 tấn/năm. Hầu hết sản lượng ước tính là của các ống nano đa vách,
còn ống nano đơn vách chiếm khoảng 9 tấn/năm.
Tiềm năng tạo ra lợi nhuận của các Carbon Nano tube cũng rất lớn. Theo một bản báo
cáo mới đây của NanoMarket LC, một công ty tư vấn và nghiên cứu thị trường của Mỹ,
thì các tính chất vật lý, nhiệt và điện đặc biệt của các ống nano cácbon sẽ tạo ra 3,6 tỷ
USD trong kinh doanh cho các khu vực điện tử và bán dẫn tới năm 2009. Nghiên cứu của

NanoMarket chỉ ra rằng các ống nano cácbon đang trở thành một sản phẩm chủ chốt mà
các công ty điện tử rất quan tâm. Bản báo cáo cho biết khu vực chế tạo các thiết bị cảm
biến, màn hình và bộ nhớ sẽ tạo ra lợi nhuận từ các linh kiện điện tử dựa trên ống nano.
Mỗi một thị trường này sẽ có các sản phẩm dựa trên Carbon Nano tube trị giá hơn 200
triệu USD tới năm 2007.
Cũng theo một nghiên cứu của công ty này về 20 nước có Khoa học công nghệ Nano
phát triển nhất trên thế giới thì thị trường bào chế dược phẩm sử dụng công nghệ Nano sẽ
đạt 1,3 tỷ USD tới năm 2009. Nghiên cứu này chỉ ra, Công nghệ Nano sẽ mang lại những
ích lợi hữu hình cho quá trình bào chế dược phẩm thông qua:
- Cải thiện sự hiểu biết về hóa chất ở cấp độ tế bào/phân tử,
- Cải thiện việc xác định và công nhận các dược phẩm và tế bào mục tiêu,
- Tăng thông lượng,
- Giảm thời gian bào chế những loại dược phẩm mới,
- Giảm lượng chất phản ứng quý giá cần thiết để tiến hành thử nghiệm dược phẩm tiềm
năng,
- Cải thiện sự hình dung về các tương tác dược phẩm.
Bản báo cáo cũng dự đoán, tới năm 2009, 19% doanh thu bào chế dược phẩm sử dụng
công nghệ Nano sẽ thu được từ điều khiển và phân tích tế bào, 13% từ sắp xếp
ADN/ARN, các electropherroresis và định lượng hóa. Phân loại gen ( Genotyping ) sẽ
chiếm 11% doanh thu và xét nghiệm thông lượng cao sẽ chiếm 10%. Những công ty lớn
đang nghiên cứu những công nghệ chủ chốt như các hệ vi lỏng và phòng thí nghiệm trên
con chíp sẽ thu được những khoản lợi nhuận khổng lồ vì những công ty này sẽ sáng tạo
ra nhiều giải pháp, không chỉ trong bào chế dược phẩm mà còn cả trong việc cung cấp
thuốc theo mục tiêu và ngăn ngừa bệnh tật.
1.2. Tiềm năng của khoa học - công nghệ nano trong công cuộc giảm đói nghèo toàn cầu
Viện Nanotech Foresight, một cơ quan chuyên về lĩnh vực công nghệ Nano được thành
lập năm 1986 của Mỹ, đã xác định những nhiệm vụ tổng thể của công nghệ nano đối với
thế giới trong giai đoạn hiện nay, gồm:
- Đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu bằng những giải pháp sạch,
- Cung cấp nước sạch cho toàn cầu,

- Tăng sức khoẻ và tuổi thọ cho con người,
- Tối đa hoá sản xuất nông nghiệp,
- Làm cho công nghệ thông tin có mặt ở mọi nơi,
- Tạo điều kiện để phát triển hiểu biết về vũ trụ.
Nhưng bên cạnh đó, khoa học và công nghệ Nano còn là một công cụ hữu hiệu để giải
quyết một nhiệm vụ quan trọng, cấp bách nhất của thế giới. Đó là làm giảm nạn đói
nghèo mà hơn 5 tỷ người sống ở những nước nghèo đang phải đối mặt. Các nhà khoa học
cho rằng, hầu hết các làn sóng công nghệ đều làm tăng khoảng cách giữa các nước giàu
với các nước nghèo, nhưng việc khai thác Công nghệ Nano lại là một cơ hội để thu hẹp
khoảng cách này. ứng dụng Công nghệ Nano có tiềm năng rất lớn để cải tiến những tiêu
chuẩn sống cơ bản của những người nghèo.
Bản Báo cáo về Phát triển Con người năm 2001 của Chương trình Phát triển Liên hiệp
quốc (LHQ) đã minh hoạ rõ ràng vai trò làm giảm tỷ lệ tử vong và cải thiện đời sống con
người của KH&CN trong giai đoạn 1960-1990, nhưng không nhấn mạnh đặc biệt tới vai
trò của Công nghệ Nano. Trong một bản báo cáo mới được công bố vào đầu năm 2005,
Lực lượng đặc nhiệm về Khoa học, Công nghệ và Đổi mới của Liên hiệp quốc ( một bộ
phận được thành lập để hỗ trợ cho các cơ quan của Liên hiệp quốc nhằm thực hiện được
các Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ của Liên hiệp quốc ) đã nêu bật tiềm năng to lớn
của Công nghệ Nano đối với sự phát triển bền vững.
Vậy cộng đồng khoa học quốc tế có thể làm gì để hỗ trợ cho việc ứng dụng công nghệ
Nano ở các nước nghèo ? Năm 2002, Các Viện Y học Quốc gia (Mỹ) đã khái quát hoá
một Lộ trình nghiên cứu y học để xác định những phương hướng trong nghiên cứu y-sinh
và chỉ ra y học nano là một trong những lĩnh vực hứa hẹn giải quyết những vấn đề mà các
nước nghèo đang phải đối mặt. Một số nhà khoa học từ Trung tâm Đạo đức Sinh học của
trường Đại học Toronto và Chương trình Hệ gen và Y tế Toàn cầu Canađa, đã tiến hành
một chương trình đánh giá tiềm năng sử dụng các ứng dụng của Công nghệ Nano để thực
hiện 8 Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ của Liên hiệp quốc bằng các phương pháp khoa
học và đã rút ra được kết luận thể hiện ở bảng 5. Trong đó, 8 mục tiêu Phát triển Thiên
niên kỷ là:
I - Xoá đói và giảm nghèo;

II - Phổ cập giáo dục;
III- Đẩy mạnh bình đẳng giới và trao quyền cho phụ nữ;
IV - Giảm tỉ lệ tử vong ở trẻ em;
V - Tăng cường sức khoẻ cho bà mẹ;
VI - Chống lại HIV/AIDS, sốt rét và các bệnh khác;
VII - Đảm bảo môi trường bền vững;
VIII - Xây dựng quan hệ đối tác toàn cầu để phát triển.
Bảng 5: Các ứng dụng công nghệ Nano phục vụ Tám Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ
Các ứng dụng của
công nghệ Nano
Ví dụ
Mục tiêu Phát triển
Thiên niên kỷ tương
ứng
Tàng trữ, sản xuất và
chuyển hoá năng
lượng
- Các hệ thống tích trữ hyđrô mới dựa trên
các ống nano cácbon và các vật liệu nano có
trọng lượng nhẹ. - Các pin quang điện và
các thiết bị phát sáng vô cơ dựa trên các
chấm lượng tử. Các ống nano cácbon ở các
lớp vỏ màng composit dùng cho pin mặt
trời. - Các chất xúc tác nano để sản xuất
hyđrô. - Các màng mô phỏng sinh học lai
ghép protein-polime.
VII
Nâng cao sản lượng
nông nghiệp
- Các zeolit xốp nano dùng để cung cấp

chậm, hiệu quả nước và phân bón cho cây
trồng, chất dinh dưỡng, thuốc cho vật nuôi, -
Các viên nang nano để cung cấp thuốc diệt
cỏ, - Các cảm biến nano để giám sát chất
lượng đất và cây trồng, - Nam châm nano để
loại trừ chất gây ô nhiễm đất.
I, IV, V, VII
Xử lý và làm sạch
nước
- Màng nano để làm sạch nước, khử muối và
giải độc,- Các cảm biến nano để phát hiện ra
chất gây ô nhiễm và mầm bệnh,- Các zeolit
xốp nano, các polime xốp nano và các loại
đất sét dùng để làm sạch nước,- Các hạt
nano từ tính dùng để xử lý và làm sạch
nước, - Các hạt TiO2 dùng để làm thoái hoá
các chất gây ô nhiễm nước.
I, IV, V, VII
Kiểm tra và chẩn đoán
bệnh
- Phòng thí nghiệm trên chip. - Các dãy cảm
ứng nano dựa trên ống nano cácbon. - Các
chấm lượng tử dùng để chẩn đoán bệnh. -
Các hạt nano từ tính dùng làm cảm biến
nano. - Các liên hợp dendrimer (polime
tầng) kháng thể điều trị HIV-1 và ung thư. -
Các cảm biến nano dây nano và đai nano để
chẩn đoán bệnh. - Các hạt nano dùng làm
chất nâng cao chất lượng chụp hình trong y
học.

IV,V,VII
Các hệ thống cung
cấp thuốc
- Các viên nang nano, các liposome (hạt
mỡ), các dendrimer, các quả bóng
IV,V,VI
buckyball, các hạt nano sinh học từ tính và
các loại đất sét để dùng cho các hệ thống
cung cấp thuốc lâu dài và từ từ.
Tích trữ và chế biến
Thực phẩm
- Các nano composit dùng cho các lớp màng
phủ dẻo được sử dụng để bao gói thực
phẩm. - Các nhũ tương nano chống vi trùng
sử dụng cho các ứng dụng khử độc ở các
dụng cụ thực phẩm, đóng gói thực phẩm
hoặc ở thực phẩm. - Các cảm biến sinh học
phát hiện kháng nguyên dựa trên Công nghệ
Nano để xác định được các chất nhiễm bệnh.
I, IV, V
Ô nhiễm không khí và
làm trong sạch không
khí
- Quá trình thoái hoá xúc tác quang học dựa
trên các hạt nano TiO2 các chất ô nhiễm
không khí ở các hệ thống tự làm sạch. - Các
chất xúc tác nano dùng cho các bộ biến đổi
xúc tác hiệu quả hơn, rẻ hơn và được kiểm
soát hơn. - Các cảm biến nano để phát hiện
ra các chất độc và rò rỉ các chất độc. - Các

thiết bị nano tách khí.
IV, V, VII
Xây dựng
- Các cấu trúc nano phân tử để tạo ra nhựa
đường và bê tông cứng hơn chống thấm
nước. - Các vật liệu nano chịu nhiệt để ngăn
ngừa tia cực tím và bức xạ hồng ngoại. - Các
vật liệu nano làm vỏ bọc bền và rẻ hơn, các
bề mặt, các lớp bọc, các loại keo, bê tông và
chất ngăn ánh sáng, nhiệt. - Các bề mặt tự
làm sạch ( ví dụ như cửa sổ, gương, toa-lét )
với các lớp phủ hoạt tính sinh học.
VII
Giám sát sức khoẻ
- Các ống nano và các hạt nano sử dụng cho
các cảm biến đường, CO2 và Cholesterol và
cho việc giám sát sức khoẻ tại nhà.
IV, V, VI
Kiểm soát và phát
hiện sinh vật gây hại
- Các cảm biến nano để phát hiện sinh vật
gây hại. - Các hạt nano sử dụng cho các loại
thuốc trừ sâu bọ, côn trùng gây hại.
IV, V, VI
Những kết luận của công trình nghiên cứu này là một định hướng rất bổ ích đối với
những nước nghèo để hoạch định phát triển Công nghệ Nano theo những hướng thiết
thực nhất phù hợp với hiện trạng của đất nước. Hiện nay, trên thế giới chỉ mới có các chất
có cấu trúc nano được sử dụng để xây dựng nên thế hệ tiếp theo của tế bào năng lượng
mặt trời và tế bào nhiên liệu hyđrô. Các nhà khoa học đang nghiên cứu sử dụng Công
nghệ Nano để phát triển phương pháp dự trữ hyđrô. Hệ thống dự trữ hyđrô phù hợp có

nghĩa là sẽ có năng lượng thay thế sạch hơn cho những nước vẫn phụ thuộc vào nhiên
liệu hoá thạch. Mặt khác, các nhà khoa học cũng phát triển ứng dụng Công nghệ Nano để
cải thiện độ phì nhiêu của đất và sản lượng cây trồng, các bộ cảm biến nano có thể giám
sát tình hình cây trồng vật nuôi và các chất từ nano có thể loại bỏ những chất gây ô nhiễm
cho đất. Cũng nhờ vào Công nghệ Nano, các nhân viên y tế có thể xét nghiệm máu bằng
một mẩu nhựa nhỏ bằng đồng xu. Tương tự, nếu sử dụng tiến bộ của Công nghệ Nano có
thể thực hiện chẩn đoán bệnh chỉ trong vài phút và rút ngắn thời gian cũng như chi phí
xét nghiệm các bệnh truyền nhiễm như sốt rét và HIV/AIDS. Công nghệ Nano cũng có
vai trò rất lớn trong việc xử lý nước. Hiện nay, 1/6 dân số toàn cầu không có nước sạch,
hơn 1/3 người dân ở những vùng nông thôn châu Phi, châu Á và châu Mỹ La tinh không
có nước sạch và hàng năm có hai triệu trẻ em chết vì bị những bệnh phát sinh do nước
bẩn. Trong khi đó, màng và ống nano là những hệ thống rất rẻ, dễ di chuyển và có thể
lọc, giải độc và khử muối trong nước hiệu quả hơn phương pháp lọc bằng vi khuẩn và vi
rút thông thường. Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu đang tìm cách phát triển phương
pháp sản xuất hàng loạt các ống lọc bằng nano cácbon nhằm nâng cao chất lượng nước.
Như vậy, với khả năng tạo ra những ứng dụng thiết thực nhất đối với đời sống của con
người, Công nghệ Nano sẽ có vai trò rất lớn để cải thiện cuộc sống của người dân, giải
quyết những vấn đề nan giải nhất mà nhân loại đang phải đối mặt.