Vật liệu Nano và những ứng dụng doc

Vật liệu Nano và những
ứng dụng






1. Khoa học ứng dụng đi về đâu ? Xu hướng của khoa học ứng dụng ( bài này
không đề cập đến khoa học cơ bản ) hiện nay là tích hợp lại để cùng nghiên cứu
các đối tượng nhỏ bé có kích thước tiến đến kích thước của nguyên tử. Hàng ngàn
năm trước đây, kể từ khi các nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập các nguyên tắc đầu
tiên về khoa học ( đúng hơn là siêu hình học ), thì các ngành khoa học đều được
tập trung thành một môn duy nhất đó là triết học, chính vì thế người ta gọi họ là
nhà bác học vì họ biết hầu hết các vấn đề của khoa học.
Đối tượng của khoa học lúc bất giờ là các vật thể vĩ mô. Cùng với thời gian, hiểu
biết của con người càng tăng lên, và do đó, độ phức tạp cũng gia tăng, khoa học
được phân ra theo các ngành khác nhau như toán học, vật lí, hóa học, sinh học,
để nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét. Sự phân chia đó đang kết
thúc và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi nghiên cứu các vật thể ở
cấp độ nano mét. Nếu ta gọi sự phân chia theo các ngành toán, lí, hóa, sinh là phân
chia theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành khoa học nano, công nghệ
nano, khoa học vật liệu mới, là phân chia theo chiều ngang. Điều này có thể
được thấy thông qua các tạp chí khoa học có liên quan. Ví dụ các tạp chí nổi tiếng
về vật lí như Physical Review có số đầu tiên từ năm 1901, hoặc tạp chí hóa học
Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ năm 1879, đó là các
tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi nổi nhất trong thế kỷ
trước.

Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất hiện một loạt các tạp chí không theo
một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác nhau như tạp chí uy
tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từ
năm 2003. Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa học đang phân chia lại theo
chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước. Bài này xin giới
thiệu sơ lược về đối tượng của khoa học và công nghệ nano, đó là vật liệu nano.
2. Vật liệu nano là gì ?

Vật liệu nano ( nano materials ) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao
sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công
trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế , số các công ty có liên quan đến
khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số tiền đầu
tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 . Vậy thì tại sao vật liệu
nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Bài này sẽ
điểm sơ qua về vật liệu nano, các phương pháp chế tạo, tính chất lí hóa, và các ứng
dụng của chúng.

Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ, một nano giây là
một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano mà chúng ta dùng
ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của một mét. Nói một cách rõ hơn là vật
liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm việc
là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy
không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõ khái
niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (
nanoscience ) và công nghệ nano ( nanotechnology ). Theo Viện hàn lâm hoàng
gia Anh quốc thì :

Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp
(manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại
các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy

mô lớn hơn.

Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu
trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy
mô nano mét.

Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano,
nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một
khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu
ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất
nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế
tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.

3. Tại sao vật liệu nano lại có các tính chất thú vị ?

Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé
có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu.
Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước
của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số
tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất
khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so
với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên
các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này.

Chúng ta hãy lấy một ví dụ : Vật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men,
trong lòng một đô men, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau
nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên tử ở một đô
men khác. Giữa hai đô men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đô men. Độ
dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100
nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men

thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của
các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác.

4. Chế tạo vật liệu nano như thế nào?

Các vật liệu nano có thể thu được bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương
pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp chỉ có thể được
áp dụng với một số vật liệu nhất định mà thôi.

- Phương pháp hóa ướt ( wet chemical )

Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo ( colloidal
chemistry ), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và kết tủa. Theo phương pháp này,
các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp,
dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch.
Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano.

Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng,
chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phương pháp này là
rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhưng nó cũng có
nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là một khó khăn,
phương pháp sol-gel thì không có hiệu suất cao.

- Phương pháp cơ học ( mechanical )

Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này,
vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy
nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Phương
pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế
tạo với một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là các hạt bị kết tụ

với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ
chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này
thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại.

- Phương pháp bốc bay

Gồm các phương pháp quang khắc ( lithography ), bốc bay trong chân không (
vacuum deposition ) vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả để
chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó
để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phương pháp này
không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại.

- Phương pháp hình thành từ pha khí ( gas-phase )

Gồm các phương pháp nhiệt phân ( flame pyrolysis ), nổ điện ( electro-explosion
), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các
phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phương
pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon.
Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn
trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một
chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại
không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 9000 C.

Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon (fullerene )
hoặc ống carbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này để chế tạo mang
tính thương mại.

5. Trên thị trường vật liệu nano phân bố thế nào ?

Y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, các ứng dụng hạt nano để dẫn

truyền thuốc ( drug delivery ) đến một vị trí nào đó trên cơ thể là một trong những
ví dụ về ứng dụng của hạt nano. Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt
nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị
trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong
muốn.

- Y dược : Hạt nano .
- Hóa chất và vật liệu cao cấp : Ống nano .
- Công nghệ thông tin, viễn thông : Vật liệu xốp nano .
- Năng lượng : Lồng nano .
- Tự động hóa : Chấm lượng tử .
- Hàng không vũ trụ : Vật liệu cấu trúc nano .
- Dệt : Sợi nano .
- Nông nghiệp : Hạt chứa hạt nano (capsule)

6. Vật liệu từ nano ứng dụng trong sinh học như thế nào ?

Như trên đã nói, vật liệu nano chỉ có tính chất thú vị khi kích thước của nó so
sánh được với các độ dài tới hạn của tính chất và đối tượng ta nghiên cứu. Vật liệu
nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được
với kích thước của tế bào ( 10-100 nm ), virus ( 20-450 nm ), protein ( 5-50 nm ),
gen ( 2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài ). Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc
“ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế
bào hoặc virus. Ứng dụng của vật liệu từ nano trong sinh học thì có rất nhiều [5],
bài này chỉ đề cập đến những ứng dụng đang được nghiên cứu sôi nổi và có triển
vọng phát triển đó là phân tách tế bào ( magnetic cell separation ), dẫn truyền
thuốc (drug delivery), thân nhiệt cao cục bộ (hyperthermia), tăng độ sắc nét hình
ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement). Vật liệu nano
dùng trong các trường hợp này là các hạt nano.

7. Phân tách tế bào

Trong sinh dược học, đôi khi người ta cần phải phân tách một loại tế bào đặc biệt
nào đó ra khỏi các tế bào khác. Hạt từ nano có tính tương hợp sinh học
(biocompatible) [6] được dùng để làm điều đó. Quá trình này gồm hai giai đoạn:
dán nhãn cho tế bào (labelling) bằng các hạt nano từ; và phân tách các tế bào được
dán nhãn bằng các dụng cụ phân tách. Các hạt nano từ được phủ bởi một loại hóa
chất, thường được dùng là chất hoạt hóa bề mặt ( surfactant ) để làm tăng độ tương
hợp sinh học và làm tăng khả năng ổn định trong dung dịch của hạt nano. Cơ chế
dán nhãn tế bào giống như cơ chế mà các kháng thể nhận ra các kháng nguyên
trong cơ thể. Ví dụ nếu ta phủ một lớp hóa chất miễn dịch đặc hiệu bên ngoài hạt
nano thì chúng có thể bám vào các tế bào máu, các tế bào ung thư, vi khuẩn hoặc
các thể golgi. Để phân tách các tế bào được đánh dấu, người ta dùng một dụng cụ
tạo ra gradient từ trường bằng cách đặt một thanh nam châm chẳng hạn để hút các
hạt nano từ đang liên kết với các tế bào và bằng cách đó, các tế bào được tách khỏi
các tế bào khác không được đánh dấu.