CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG CỦA NANO

Bài Tiểu Luận
Đề tài nghiên cứu: Công nghệ nano

Các thành viên trong nhóm:
Trần Dũng Minh
Huỳnh Gia Khương
Nguyễn Đức Hiếu
Giáo viên hướng dẩn: T.s: Từ Bích Thủy


Công nghệ nano (Nanotechnology ) là ngành công
nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và
ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc
điều khiển hình dáng, kích thước trên quy
mô nanomet (nm, 1 nm = 10−9 m).
• Phân loại vật liệu nano
• Cơ sở khoa học của công nghệ nano
• Các nguyên lý và hiệu ứng dùng
• Hướng ứng dụng chung
• Ưu và nhược của nano
• Ứng dụng công nghệ nano tại Việt Nam


Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có
kích thước nanomet. Về trạng thái của vật liệu, người ta
phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí.
Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ
yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về
hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích
thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử)
Ví dụ: đám nano, hạt nano

Hạt nano vàng

Hạt nano bạc


Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều
có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều
(hai chiều cầm tù)
Ví dụ: dây nano, ống nano.

Các dây nano quan sát bằng kính hiển
vi điện tử.

Các đường cong từ
trễ đo ở 10 K ở các
chế độ xử lý nhiệt
khác nhau.


Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có
kích thước nano, hai chiều tự do
Ví dụ: màng mỏng.
Ảnh chụp cắt ngang
màng mỏng đa lớp
Si/SiO2/Cu/IrMn/CoF

eB/MgO/CoFeB/Ta/C
u/Au được thực hiện
trên
kính hiển vi điện tử
truyền qua
TECNAI T20, các
lớp chỉ có chiều dày
từ vài nanomet đến
vài chục nanomet


Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano:
•Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
•Hiệu ứng bề mặt
•Kích thước tới hạn


Lĩnh vực

Tính chất điện

Tính chất từ

Tính chất quang

Tính siêu dẫn

Tính chất cơ

Xúc tác

Siêu phân tử

Miễn dịch

Tính chất

Độ dài tới hạn (nm)

Bước sóng điện tử

10-100

Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi

1-100

Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Độ dày vách domain

10-100

Quãng đường tán xạ spin

1-100

Hố lượng tử

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100

Độ dài liên kết cặp Cooper

0,1-100

Độ thẩm thấu Meisner

1-100

Tương tác bất định xứ

1-1000

Biên hạt

1-10

Bán kính khởi động đứt vỡ

1-100

Sai hỏng mầm

0,1-10

Độ nhăn bề mặt

1-10

Hình học topo bề mặt

1-10

Độ dài Kuhn

1-100

Cấu trúc nhị cấp

1-10

Cấu trúc tam cấp

10-1000

Nhận biết phân tử

1-10

Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.


Các nguyên lý và hiệu ứng dùng
Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano
là sự phụ thuộc vào kích thuớc. 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 đuợc.
Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích
thuớc nanomet, các electron không còn di chuyển
trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ
lượng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng


• Hiệu ứng đường hầm: điện tử có thể tức thời chuyển
động xuyên qua một lớp cách điện. Lợi điểm của hiệu
ứng này là các vật liệu điện tử xây dựng ở kích cỡ nano
không những có thể được đóng gói dày đặc hơn trên
một chip mà còn có thể hoạt động nhanh hơn, với ít
electron hơn và mất ít năng lượng hơn
những transistor thông thường.
• Sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn
như tính chất điện và tính chất quang phi tuyến (nonlinear optical).
• 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 môt
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


Hướng ứng dụng chung
Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành
phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có
những chức năng mà truớc kia chưa có. Chúng có thể
đuợc lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện
từ và quang. Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc
nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những
sản phẩm mới và rất hữu dụng


Công nghệ nano trong y học
Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ
nano. Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp
điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các
khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào.
Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người
chống lại căn bênh ung thư quái ác. Ngay cả những căn bênh
ung thư khó chữa nhất như ung thư não, các bác sĩ sẽ có thể
dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay
bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào.


Robot nano dẫn đường tế bào
đến nơi cần chữa trị

Robot nano đang chữa bệnh

Cấu tạo của robot nano

Các robot nano đang loại bỏ tế
bào gây ung thư


Công nghệ nano trong các đồ điện tử quanh
chúng ta:
Nhắc đến công nghệ nano, có thể bạn sẽ nghĩ đến những dự
án khoa học đang được tiến hành bởi các giáo sư hàng đầu
trong phòng thí nghiệm, những công nghệ cao cấp và tiên tiến
nhất. Tuy nhiên thực tế có thể bạn đang sử dụng một số sản
phẩm của công nghệ nano ngay lúc này. Những bộ vi xử lý
được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trường.
Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện
tử, đặc biệt là công nghệ năng lượng. Pin nano trong tương lai
sẽ có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ
khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều
lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Trong khi kích
thước của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại.


Trực thăng điều khiển siêu nhỏ

Máy lọc nước nano lọc bỏ những
chất bẩn vi sinh, khử khuẩn

Máy giặt ứng dụng công nghệ

nano giúp tẩy sạch mọi vết bẩn

Vi mạch siêu nhỏ


Công nghệ nano trong ứng dụng may mặc:
Kể từ đầu những năm 2000, ngành công nghiệp thời trang đã
bước sang một trang mới với việc áp dụng công nghệ nano
trong một số loại vải đặc biệt. Một ý tưởng vô cùng đặc biệt với
loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu
trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc áp dụng các hạt
nano bạc. Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn và
tiêu diệt các tế bào của chúng.

Giọt nước không thấm qua đươc sợi
vải nano

Áo được may từ vải nano
chống thấm nước


Công nghệ nano trong tự nhiên
Bề mặt của lá sen được bao phủ bởi một lớp lông đặc
biệt có kích thước cỡ nanomet, khiến những giọt nước
không thể ngấm hay bám vào bề mặt của lá. Mô phỏng
điều này, các nhà khoa học đã tạo ra một lớp ống nano
siêu nhỏ trên bề mặt của vải và từ đó tạo ra những bộ
quần áo không thấm nước và chống bụi bẩn.

Một ví dụ khắc với loài tắc kè trong dự án nghiên cứu
một thiết bị đi trên tường của nhóm nghiên cứu Robert
Full tại đại học Berkeley.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, mỗi ngón chân
của tắc kè được bao phủ bởi một lớp lông có kích thước
siêu nhỏ, giúp chúng có thể bám dính vào các bề mặt
mịn theo lực van der Waals (độ bám dính giữa các phân
tử). Mô phỏng điều đó, các nhà khoa học cũng tạo ra
những miếng đệm với lớp ống nano siêu nhỏ mà có thể
hỗ trợ những người leo núi bám tốt hơn trên các vách
đá.


Thực phẩm từ công nghệ nano
Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm thay đổi các
loại thực phẩm ở cấp độ nguyên tử và phân tử, khiến
các loại thực phẩm này thay đổi hương vị cũng như giàu
dinh dưỡng hơn. Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta
sẽ được thưởng thức những món ăn với hương vị vô
cùng lạ mà giá trị dinh dưỡng vẫn cao nhờ công nghệ
nano thực phẩm.
Nghiên cứu tạo ra thực phẩm từ
công nghệ nano để giải quyết
vấn đề thiếu lương thực


Ứng dụng công nghệ nano để làm đẹp
Một lợi ích rất lớn của công nghệ nano là khả năng giúp các thành phần
quan trọng với khả năng chống lão hóa và chống oxy hóa tế bào thẩm
thấu sâu hơn vào da.

Trước kia, chúng ta phải dùng một lượng lớn sản phẩm phủ dầy trên bề
mặt da và nhờ vào tác động của thiên nhiên để giúp sản phẩm thẩm thấu.
Ngày nay, với các cấu trúc như liposome, microemulsion hoặc
microcapsule, chỉ cần một lượng nhỏ của các thành phần này là có thể
thẩm thấu sâu hơn vào da


Các ứng dụng của công nghệ nano trong mỹ phẩm
•
•
•
•
•

Buckminsterfullerene
Liposome
Nanoemulsion
Nanocapsule
Hydrogel


Công nghệ nano trong quân sự:
• Quốc phòng cũng là một lĩnh vực đang rất chú ý đến
nghiên cứu công nghệ nano. Giới quân sự Mỹ giờ đây
đặc biệt quan tâm đến công nghệ này. Vì những thiết bị
kỹ thuật siêu nhỏ có thể trở thành vũ khí nguy hiểm hơn
cả bom nguyên tử. Với một đội quân vô hình và sự nhân
bản, robot siêu nhỏ có thể tiêu diệt kẻ thù chỉ trong chớp
nhoáng.
•

Hiện nay công nghệ nano đang là một thách thức đối
với chiến lược phát triển khoa học ở nhiều nước, đặc
biệt là những nước có nền khoa học phát triển như Mỹ,
Đức, Pháp và Nhật Bản.


Tên lửa đươc chế tao từ công
nghệ nano có tầm bắn xa hơn
và sát thương lớn hơn

Nhờ ứng dụng công nghệ nano giúp
chế tạo áo tàn hình cho binh sĩ

Xe tăng được chế tạo từ
công nghệ nano giúp nó lớp
giáp cứng hơn

Áo giáp làm giúp chống chịu được
mọi loại đạn trong cự ly gần


Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
.Tăng cường các sản phẩm và qui trình sử dụng công nghệ
nano thân thiện với môi trường hay “sạch và xanh”.
Quản lý các vật liệu nano và sản xuất chúng để giảm đến mức
tối thiểu những rủi ro tiềm ẩn về môi trường, sức khỏe và sự an
toàn
.Sử dụng công nghệ nano để làm sạch những các địa điểm có

chất thải độc hại và giải quyết những vấn đề ô nhiễm khác.
.Thay thế sản phẩm hiện tại ít thân thiện với môi trường bằng
những sản phẩm tạo ra từ công nghệ nano xanh.
Nhược điểm:
.Có nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe con người
.Nano bạc tiềm ẩn mối nguy hiểm ảnh hưởng đến môi trường


Ứng dụng công nghệ nano ở nước ta
Chế phẩm sinh học "Vườn Sinh Thái”
Bằng những ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại cùng
với công nghệ Nano tiên tiến các nhà Khoa học đã nghiên
cứu, tìm tòi trong 21 năm kể từ năm 1980 cho đến năm 2001
họ đã cho ra đời dòng chế phẩm sinh học hiện đại của thế kỷ
21 đó là chế phẩm sinh học “Vườn Sinh Thái” ứng dụng
trong chăn nuôi và trồng trọt và đã mang lại hiệu quả kinh tế
cao, được nhân dân thế giới lựa chọn và tin dùng