Vật lý nano và ứng dụng

Lịch sử hình thành phát triển
khoa học và công nghệ Nano


Giới thiệu về nano


Lịch sử
Về việc đề xuất thiết bị kích thước thu nhỏ

 Richard Feynman (1918-1988,
giải Nobel Vật lý 1965) là một
thiên tài vật lý

 Năm 1959 đề xuất ý kiến hãy
chế tạo các thiết bị có kích
thước thu nhỏ


Lịch sử
Thuật ngữ Nano

Năm 1974, thuật ngữ công nghệ nano lần
đầu tiên được Norio Taniguchi sử dụng


Lịch sử
Thiết bị khảo sát nguyên tử

Năm 1981, kính hiển vi chui hầm quét (Scanning Tunnelling Microscopy – STM) được phát minh cho phép
thấy được từng nguyên tử (Nobel Vật lý 1986)

Lịch sử
Các nhà khoa học khảo sát C60
Giải thưởng Nobel về hóa học 1996


Lịch sử
khảo sát C60

•

Năm 1985, Harold Kroto,
Robert Curl và Richard Smalley
tại đại học Rice khám phá ra
Fullerene (C60) có cấu trúc như
quả bóng đường kính 0,7nm, bề
mặt quả bóng là hình gồm 6
cạnh hoặc 5 cạnh gồm các
nguyên tử C ghép lại


Lịch sử
Vật liệu Nano

•
•

1990 hội nghị quốc tế đầu tiền về vật liệu nano được tổ chức tại Califonia, Mỹ
1991, Sumio Iijima phát minh ra ống nano cacbon

Tổng quan ứng dụng

Y tế

Thực

Công nghệ

phẩm

nano

May mặc

Điện tử


Lý thuyết

• Khoa học và công nghệ Nano


VẬT LÝ NANO
Vật lý nano: ngành khoa học nghiên cứu về chức năng – tương tác giữa các đối tượng ở
cấp nano để hiểu các quá trình vật lý, hóa học và các thuộc tính sinh học cơ bản → tạo
tiền đề ứng dụng phát triển công cụ, thiết kế các loại vật liệu chức năng với các ứng dụng
trong công nghệ, sinh học và y học

•
•

Khoa học nano: khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kỳ nhỏ - kích thước nanomet.
Công nghệ nano: công nghệ liên quan đến việc phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc thiết bị và hệ thống
bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet.


Ví dụ: Một tờ báo có độ dày khoảng 100.000 nanomet. Mỗi một inch tương ứng
bằng 25.400.000nm. Quy mô hơn, cứ tưởng tượng một viên cẩm thạch có kích
thước ở mức độ nano mét thì hơn 1 mét sẽ là kích thước của trái đất.


Vật liệu nano

•
•

Là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet.

•

Các vật liệu nano như nanopillars trong pin năng lượng mặt trời với chi phí rẻ
hơn cũng như chất lượng sẽ tốt hơn so với sử dụng các tế bào silicon truyền
thống.

•
•

vật liệu nano cũng có thể được sử dụng cho những ứng dụng cần số lượng

lớn; hầu hết đều đã xuất hiện trên các ứng dụng thương mại

Phát triển các ứng dụng kết hợp các hạt nano bán dẫn lại ứng dụng trong
công nghệ hiển thị, chiếu sáng, các tế bào năng lượng mặt trời và hình ảnh
sinh học.
Một số ứng dụng gần đây của vật liệu nano đã được áp dụng vào y sinh học,
chẳng hạn như kỹ thuật mô, phân phối thuốc, và cảm biến sinh học


So sánh kích thước của vật liệu nano


Mối liên hệ giữa khoa học nano và công nghệ nano


Có 2 phương thức cơ bản để chế tạo vật liệu nano:

– Top-down ( phương pháp từ trên xuống): chia nhỏ một hệ thống lớn để tạo ra được
đơn vị kích thước nano như phương pháp nghiền – biến dạng.

– Bottom – up ( phương pháp từ dưới lên): Phương pháp ghép cát hạt nguyên tử -

phân tử để thu được các hạt có kích thước nano gồm các phương pháp hóa học như
sol – gel, lắng đọng hơi hóa học, phương pháp tự lắp ghép ( self – assembly)

Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano


Phương Pháp từ dưới lên

•

DNA công nghệ nano sử dụng các đặc trưng của Watson-Crick cơ sở ghép
đôi để xây dựng cấu trúc rõ ràng ra khỏi DNA và axit nucleic khác.

•

Phương pháp tổng hợp hóa học (tổng hợp vô cơ và hữu cơ) nhằm mục đích
thiết kế phân tử với hình dạng được xác định rõ.

Mô hình Cấu trúc nano DNA tứ diện. Mỗi cạnh của tứ diện là 20 cặp DNA xoắn và mỗi đỉnh là một nhánh nối chia 3


Phương pháp từ trên xuống

•
•

Kỹ thuật trạng thái rắn cũng có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị được
gọi là hệ thống cơ điện nano hay NEMS, có liên quan đến hệ thống vi cơ
điện tử hoặc MEMS.
Chùm ion hội tụ có thể trực tiếp loại bỏ vật chất, hoặc thậm chí gửi các vật
chất khi các loại khí tiền chất thích hợp được áp dụng đồng thời. Ví dụ, kỹ
thuật này được sử dụng thường xuyên để tạo ra các phần phụ 100 nm của chất
liệu để phân tích trong kính hiển vi điện tử truyền qua


•

Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thước. Vật chất khi ở

dạng vi thể (nano size) có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dạng nguyên thể (bulk) không thể
thấy được. Nguyên nhân là do hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn của vật liệu nano:

– Hiệu ứng bề mặt: ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn
so với tổng thể tích hạt. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tầm hoạt
động chính vì vậy vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao

– Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý – hóa học như tính chất điện – từ - quang

đều có một kích thước tới hạn đối với mỗi vật liệu tức là khi vật có kích thước dưới
mức này sẽ không còn tuân theo đúng với vật liệu vĩ mô thường gặp.

Hiện nay liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thước là chúng tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law). Những
tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của một chất rắn (chẳng
hạn như tính sắt từ và hiện tượng từ trễ), và vùng cấm của chất bán dẫn (semiconductor) phụ thuộc rất nhiều vào
kích thước của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới hạn của kích thước nanomet. Hầu hết bất cứ một
thuộc tính nào trong vật rắn đều kết hợp với một kích thước đặc biệt, và duới kích thước này các tính chất của vật
chất sẽ thay đổi.


•

VÍ dụ: Chấm lượng tử (quantum dots) là một hạt vật chất có kích thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay
lấy đi một electron sẽ làm thay đổi tính chất của nó theo một cách nào đó. Do sự hạn chế về không gian
(hoặc sự giam hãm) của những electron và lỗ trống trong vật chất hiệu ứng lượng tử xuất phát và làm
cho tính chất của vật chất thay đổi hẳn đi. Khi ta kích thích một chấm lượng tử, chấm càng nhỏ thì
năng lượng và cường độ phát sáng của nó càng tăng. Vì vậy mà chấm lượng tử là cửa ngõ cho hàng
loạt những áp dụng kỹ thuật mới.

Hình ảnh mô tả sự phát sáng của

chấm lượng tử


Các thiết bị dùng trong nghiên cứu và quan sát cấu trúc nano

•

Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ nano là kính hiển vi quét sử dụng hiệu
ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM). Nó chủ yếu bao gồm một đầu dò cực nhỏ
có thể quét trên bề mặt. Tuy nhiên, do đầu dò này chỉ cách bề mặt của vật cần quan sát vào khoảng
vài nguyên tử và đầu dò có cấu trúc tinh vi (kích thuớc cỡ chừng khoảng vài phân tử hoặc nguyên tử),
cho hiệu ứng cơ lượng tử xảy ra. Khi đầu dò được quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện
tử có thể vượt qua khoảng không gian giữa bề mặt của vật liệu và đầu dò. Kỹ thuật này làm cho
một máy tính có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân tử và nguyên tử của vật chất.

•

Ngoài ra còn một số thiết bị khác như: SEM (Scanning Electron Microscopy), TEM (Transmission
Electron Microscopy), Electron microsopy, NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy


Sơ đồ kính hiển vi quét đầu dò SPM hay STM


Ứng dụng công nghệ Nano


Nano trong ngành dệt và may mặc
Công nghệ Nano được ứng dụng ngăn các vết bẩn và kháng khuẩn
Hiệu ứng lá sen

Lá sen với các sợi lông kích thước Nano trên bề mặt, không thấm nước, chất lỏng và keo
hồ.

Lớp phủ Nano lên vải tương tự như cấu trấu các sợi lông bề mặt lá sen. Bề mặt
vải không thấm nước và dung dịch bẩn

Thêm phân tử nano bạc vào vải tạo ra các điểm kháng khuẩn.
Không cho tất bốc mùi, vùng dưới cánh tay.
Dùng làm gối và các loại vải diệt khuẩn
Phân tử nano bạc giữ cho chúng luôn sạch sẽ

/>

Nano trong nông nghiệp

Trồng trọt chăn nuôi

Xử lý bảo quản thực phẩm

Cung cấp dinh dưỡng

Ứng dụng công nghệ nano sản xuất phân bón lá,
thuốc trừ nấm bệnh cho cây trồng

Túi Nilon phủ Nano diệt khuẩn

Các bột kích nước Nano làm tăng khả năng hấp thụ

Hai nguyên tố được tiếp cận đầu tiên ở dạng nano

Thùng phủ lớp Nano, đựng thực phẩm.

chất dinh dưỡng của tế bào

là nano bạc (Ag) và nano đồng (Cu)

Tủ lạnh phủ Nano Ag trữ thực phẩm.

Các hạt Vitamin kích thước Nano phun vào được

Hai nguyên tố có tính chất kháng khuẩn mạnh và

Sử dụng các cảm biến Nano theo dõi nhiệt độ, hơi

hấp thụ tốt hơn

càng mạnh hơn khi nó được chia tách thành các hạt

nước của thực phẩm

có kích thước Nano
Các cảm biến công nghệ Nano được ứng dụng trong
chăn nuôi và trồng trọt
Ứng dụng can thiệp DNA các giống cây trồng tăng
năng suất, kháng sâu bệnh

/>