CÔNG NGHỆ NANO CÁC ỨNG DỤNG MỚI CỦA CÔNG NGHỆ NANO

MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................................................................1
TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO?.........................................................................................2
CÁCH MẠNG NANO TRONG ỨNG DỤNG Y SINH HỌC....................................................................................11
Vật liệu nano trong công nghệ chế tạo lốp xe................................................................................................13
PHÁT MINH MÁY THĂM DÒ NANO TRONG CHỮA TRỊ UNG THƯ..................................................................14
CÔNG NGHỆ NANO VÀ CUỘC CÁCH MẠNG XANH: NHỮNG LỢI ÍCH VỀ MÔI TRƯỜNG................................15
ỨNG DỤNG CÔNG NGHÊ NANO TRONG TƯƠNG LAI.....................................................................................17
CÔNG NGHỆ NANO:TRIỂN VỌNG CHO NHỮNG NƯỚC NGHÈO.....................................................................18
ĐỘC TỐ CỦA HỢP CHẤT NANO........................................................................................................................20


TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO?
Hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ nano là hai mặt mâu thuẫn. Một mặt, nghiên cứu
cơ bản mang tính hàn lâm, các phát hiện mới về đặc tính điện tử, quang điện tử và lượng tử của vật
liệu nano vẫn không suy giảm dù thời gian đã kéo dài 25 năm. Khám phá ra graphene lại bùng ra
một cao trào mới, nhất là sau khi được giải Nobel Vật lý 2010, Konstantin Novoselov cao hứng
tuyên bố: “Graphene là một mỏ vàng nghiên cứu. Nó sẽ kéo dài mãi như bất tận”. Mặt khác, các
vướng mắc kỹ thuật và quan ngại về an toàn làm trì hoãn các dự án sản xuất đại trà sản phẩm nano
khiến cho nền công nghệ nano hiện tại nhấp nhô như những gợn sóng lăn tăn trên mặt hồ thu hơn là
những ngọn sóng thần đại dương làm khuynh đảo thế giới.
Việc khám phá ra cấu trúc quả cầu carbon (fullerene C60) vào năm 1985 của Harold Kroto, Robert
Curl và Richard Smalley và việc tái phát hiện ống than nano của Sumio Iijima vào năm 1991 là hai
sự kiện tình cờ trong khoa học nhưng đã mở ra một kỷ nguyên mới của nghiên cứu khoa học và
công nghệ. Hai loại vật liệu nano hữu cơ này như một chi lưu quan trọng hòa nhập vào dòng thác
“công nghệ nano” manh nha vào thập niên 80 của thế kỷ trước. Cùng với sự phát triển fullerene và
ống than nano, các nhà vật liệu học và hóa học đã tổng hợp và tinh chế các loại hạt nano kim loại,
hạt nano bán dẫn hay hữu cơ với một kích thước đồng nhất từ 1 đến 100 nanomét [1]. Ngoài ra, bề
mặt của fullerene, ống than nano và các loại hạt nano được “trang bị” với các nhóm chức, polymer
có khả năng cảm quang, cảm nhiệt để chế tạo bộ cảm ứng hóa học, sinh học, sóng điện từ, linh kiện
điện tử, quang điện tử; hay với phân tử dược cho việc trị liệu ung thư. Phải nói đây là một thành tựu

nổi bật trong ngành hóa tổng hợp và vật liệu học.
Từ lý thuyết tới thực tế
Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho công trình
nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin
Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì (graphite). Như vậy,
trong một phần tư thế kỷ carbon trở nên một vật liệu quan trọng với giải Nobel Hóa học (1996) cho
fullerene, giải Nobel Vật lý (2010) cho graphene, và các loại vật liệu nano kim loại hay bán dẫn
được thiết kế và chế tạo ở mức độ phức tạp đa năng chưa từng thấy trong lịch sử khoa học. Trong
cái nhìn của các nhà vật lý, chúng ta đã có đủ toàn bộ vật liệu nano từ hạt nano (chấm lượng tử) với
0 chiều, ống than nano một chiều và graphene hai chiều để thực chứng những hiện tượng đã được
tiên đoán từ các lý thuyết vật lý trong nhiều năm qua.
Transistor graphene
Nhưng các ứng dụng thực tiễn và sản phẩm nano thì ra sao? Sau 25 năm nghiên cứu với tổng kinh
phí nghiên cứu đầu tư trên toàn thế giới vào công nghệ nano có thể đã vượt qua mốc trăm tỷ USD,
chưa kể chi phí xây dựng hạ tầng cơ sở cho các viện nghiên cứu, cộng với một tài sản trí tuệ của
hàng ngàn nhà nghiên cứu từ những khoa học gia tầm cỡ của hành tinh đến các nghiên cứu sinh
bình thường, đã đến lúc người ta đặt câu hỏi bao giờ thì kho tàng trí tuệ này mới được đem ra ứng
dụng biến chế ra thương phẩm phục vụ con người và làm giàu cho nền kinh tế quốc gia. Liệu nền
công nghệ nano có phải là con gà đẻ trứng vàng tạo ra những đợt sóng thần cách mạng công nghệ
như các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp đã kỳ vọng? Nếu ta có một cái nhìn khe khắt hơn thì một
phần tư thế kỷ có lẽ đã đủ dài để biến một phát minh khoa học trong phòng thí nghiệm thành những
sản phẩm trên thương trường.
Các nhà khoa học thường rất dễ lạc quan trước tiềm năng ứng dụng trong phát minh của mình.
Nhưng doanh nhân có một cái nhìn khác, sâu sắc và lạnh lùng hơn vì mục đích cuối cùng của doanh
nghiệp là lợi nhuận. Một doanh nhân đã từng tuyên bố: “Một phát minh cần phải 10 lần tốt hơn và
10 lần rẻ hơn sản phẩm hiện có thì mới có cơ hội xuất hiện trên thương trường”. Sự sống còn của
một doanh nghiệp tùy vào sự thỏa mãn của khách hàng và lòng hoan hỉ của các chủ cổ đông. Từ
phòng thí nghiệm đến sàn chứng khoán là con đường dài cho một phát minh và cũng lắm khi nó
buộc phải bị chôn sống giữa đường. Công nghệ nano cũng không nằm ngoài các quy luật thương

mại. Thêm vào đó ta có thể tìm thấy sự trì trệ trong việc thương phẩm hóa của vật liệu nano gây ra
từ các nguyên nhân sau: (1) sự đa dạng của vật liệu nano, (2) sự đa dạng của các ứng dụng, (3) sự
cạnh tranh về giá cả, hiệu năng và phương pháp sản xuất của vật liệu “cổ điển” hiện có trên thương
trường và (4) vấn đề an toàn sức khoẻ và độc tính của vật liệu nano.
Ứng dụng và những thách thức
Ta hãy xem vài tiềm năng ứng dụng của ống than nano. Ống than nano có cơ tính tuyệt vời, cứng
hơn thép 5 lần, bền hơn thép 160 lần nhưng lại nhẹ hơn thép gần 6 lần. Có thể nói ống than nano có
cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay. Cần phải nhấn mạnh rằng đây là
cơ tính của một ống than riêng lẻ. Việc triển khai composite giữa polymer/epoxy và ống than nano
là một hướng đi tất nhiên trong lĩnh vực gia cường. Trải nghiệm hằng ngày cho ta biết những đồ gia
dụng polymer (plastic) rất tiện lợi vì giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ nhưng giòn, dễ gãy nứt. Poly
(methylmethacrylate) (PMMA), một loại plastic gia dụng trong suốt như kính, chỉ cần 1 % ống than
nano cũng đủ làm tăng cơ tính của polymer nhiều hơn 5 lần. Như thế ta chỉ cần một lượng rất nhỏ
ống than nano để gia cường PMMA mà vẫn giữ được sự trong suốt của nó. Đây sẽ là một sản phẩm
tuyệt vời. Ngoài ra, người ta có thể chế tạo áo giáp composite ống than nano có cường độ bảo vệ
lớn hơn nhiều lần so với áo giáp Kevlar hiện nay. Trên thực tế, ống than nano không hiện hữu từng
ống riêng lẻ mà nhiều ống dính vào nhau thành cụm hay bó (Hình 1). Tiếc rằng, độ cứng (mô-đun
Young) của những cụm này chỉ bằng 1/10 và độ bền lắm lúc chỉ còn 1/100 trị số của các ống nano
tạo thành. Sự thành bại của composite giữa polymer và ống than nano tùy thuộc vào cách tinh chế,
gỡ rối cụm và bó ống nano và phân tán hiệu quả từng ống nano trong chất nền. Cho đến ngày hôm
nay (2010), chưa có một phương pháp đại trà hữu hiệu nào để tách các ống than nano hoàn toàn
thành những ống riêng lẻ. Cơ tính tuyệt vời của ống vẫn chưa được tận dụng và composite được gia
cường bằng ống than nano chưa là sản phẩm trên thương trường.
Một ứng dụng lớn khác của ống than nano là công nghiệp điện tử. IBM (Mỹ) đã tận dụng các đặc
tính điện tử của ống than nano để chế tạo transistor ống nano [2]. Vật liệu chính của transistor hiện
tại là chất bán dẫn silicon. Cột sống của các linh kiện điện tử, máy tính và công nghệ tin học là
transistor silicon. Trong vòng 40 năm cho đến ngày nay, transistor silicon đã được thu nhỏ vài chục
triệu lần và giá cả chế tạo một transistor giảm đi một triệu lần. Kỹ thuật sản xuất chip vi tính hiện
nay đã phát triển đến mức 1 tỷ transistor có kích cỡ 45 nanomét trong một chip chỉ to vài cm2.

Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor trong các linh kiện điện tử, chức năng càng
cao, đáp ứng càng nhanh chóng, kích thước càng mỏng, nhỏ và gọn gàng. Từ những ưu điểm này,
sự đòi hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mãnh liệt. Tuy nhiên, sự thu nhỏ của
transistor silicon không thể vượt mức nhỏ hơn 10 nanomét. Nhưng các công trình nghiên cứu của
IBM và các nhóm nghiên cứu khác trong 15 năm qua cho thấy transitor ống than nano có thể vượt
qua mốc 10 nanomét. Gần đây, graphene nhập cuộc. Năm 2008, nhóm Manchester của Geim và
Novoselov đã chế tạo transistor graphene ở kích cỡ 1 nanomét. Có thể đây là kích cỡ nhỏ tận cùng
của một transistor. Rõ ràng là một đột phá nhưng chỉ mang tính hàn lâm. Sẽ còn rất lâu trong tương
lai transistor ống nano hay graphene mới có thể thay thế transistor silicon vì vấn đề kỹ thuật và giá
cả. Chướng ngại kỹ thuật thứ nhất là sự đồng nhất tuyệt đối của vật liệu sử dụng. Ống than nano
dùng cho transistor cần phải có kích thước đồng nhất ở cấp nanomét và độ dẫn điện giống nhau.
Yêu cầu này đã thúc đẩy việc sản xuất ống than nano chất lượng cao (Bảng 1) nhưng vẫn chưa đạt
được yêu cầu để làm transistor [3]. Chướng ngại thứ hai là các nhà khoa học chưa triển khai được
quá trình chế tạo siêu vi mạch tạo ra chip chứa hàng trăm triệu transistor ống nano hay graphene
như chip transistor silicon hiện tại.
Bảng 1: Nghiên cứu và triển khai của các sản phẩm ống than nano [4]
* CVD (chemical vapour deposition): kết tủa hóa học từ pha hơi Ứng dụng trong gia cường và thu
nhỏ transistor bằng ống than nano là hai ứng dụng có tiềm năng tạo nên một cuộc cách mạng công
nghệ trong thế kỷ 21. Tuy nhiên, viễn ảnh thành công vẫn còn mờ mịt. Bảng 1 cho thấy hiện trạng
ứng dụng và hướng phát triển của ống than nano phần lớn vẫn còn trong thời kỳ nghiên cứu hay
triển khai sản phẩm.


Mặt khác, ứng dụng sinh y học của hạt nano tạo ra những dược liệu trị liệu và chẩn đoán ung
thư[5]. Nhân loại đang chờ đợi một cuộc cách mạng hóa trị và xạ trị ung thư. Đã có nhiều báo cáo
về việc tổng hợp các loại hạt nano “thông minh” có thể cảm nhận được tế bào ung thư, có khả năng
tải thuốc và nhả thuốc tấn công vào các tế bào này. Hạt nano tải thuốc phải tương thích với cơ thể
con người và tự phân hủy khi hoàn thành nhiệm vụ mà không sinh ra độc tố. Đây là hai yếu tố tiên
quyết cho việc chấp nhận là dược phẩm trị liệu. Theo “Cục quản lý thực phẩm và dược liệu” (Food
and Drug Administration, FDA) của Chính phủ Mỹ cho đến nay chỉ chấp nhận cho phổ biến hạt

nano liposome và albumin, vốn là phân tử sinh học tương thích với cơ thể và có thể tự đào thải ra
ngoài.
Vấn đề an toàn sức khỏe và độc tính của vật liệu nano đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của
chính phủ và các doanh nghiệp đang đầu tư vào công nghệ nano. Nó như một luồng nước ngầm
nguy hiểm đang cuồn cuộn chảy dưới một dòng sông êm đềm lấp lánh ánh hào quang. Khả năng
gây ung thư của ống than nano và sự kiện về hạt nano titanum dioxide trong kem chống nắng có thể
phá hỏng não bộ của chuột đã phần nào làm lu mờ ánh hào quang và gióng lên tiếng chuông cảnh
báo trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Đây là một vấn đề rất lớn liên quan đến an toàn sức
khỏe của công nhân hằng ngày tiếp xúc với vật liệu nano và người tiêu dùng sử dụng thành phẩm
nano [6]. Các chính phủ tại Bắc Mỹ, châu Âu, Úc và Nhật Bản đã ban hành những quy định liên
quan đến sự an toàn, cách xử lý và chế ngự trong các quy trình sản xuất và sử dụng vật liệu nano [79]. Những công trình nghiên cứu về tác động và cơ cấu xâm nhập vào tế bào sinh vật của vật liệu
nano càng lúc càng gia tăng [10-13]. Vật liệu nano lành hay dữ? Hiện tại chúng ta chưa có câu trả
lời dứt khoát.


HẠT NANO KIM LOẠI

I. VẬT LIỆU NANO VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA NÓ
Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi nhất trong khoa
học vật liệu ngày nay là do đối tượng của chúng là vật liệu nano có những tính chất kì lạ khác hẳn
với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên cứu trước đó. Sự khác biệt về tính chất của
vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiện tượng sau đây:
1. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật
liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm
trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa
số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính
của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì
tỉ số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các
nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan

đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước
của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến
hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo
một hàm liên tục. Chúng ta cần lưu ý đặc điểm này trong nghiên cứu và ứng dụng. Khác với hiệu
ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích
thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật
liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì
vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Bảng 1 cho biết một số giá
trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt
đó chứa là 4.000 nguyên tử, tí số f là 40 %, năng lượng bề mặt là 8,16×10 11 và tỉ số năng lượng bề
mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2 %. Tuy nhiên, các giá trị vật lí giảm đi một nửa khi kích
thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10 nm.
Bảng 1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu
Năng
lượng
bề
Đường
kínhSố
Tỉ số nguyên tửNăng lượng bề
mặt/Năng lượng tổng
hạt nano (nm) nguyên tử trên bề mặt (%) mặt (erg/mol)
(%)
10

30.000

20

4,08×1011

7,6

5

4.000

40

8,16×1011

14,3

2

250

80

2,04×1012

35,3

1

30

90

9,23×1012

82,2

2. Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì
lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu
này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi
vào kích thước nm. Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thường nghe đến ngày
nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính
chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì


tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết
trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến
vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của
vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ sơ
với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy
nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví
dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta
cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng đường
tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định
luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích
thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim
loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn
là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng đó Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất
hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm
đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong các vật liệu nano do
việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử). Bảng 2 cho
thấy giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu.
Bảng 2: Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu
Tính chất

Thông số
Bước sóng của điện tử
Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi
Điện
Hiệu ứng đường ngầm

Từ

Quang

Siêu dẫn

Cơ

Độ dài đặc trưng (nm)
10-100
1-100
1-10

Vách đô men, tương tác trao đổi
Quãng đường tán xạ spin

10-100
1-100

Giới hạn siêu thuận từ

5-100

Hố lượng tử (bán kính Bohr)

Độ dài suy giảm

1-100
10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100

Hấp thụ Plasmon bề mặt

10-500

Độ dài liên kết cặp Cooper
Độ thẩm thấu Meisner

0.1-100
1-100

Tương tác bất định xứ
Biên hạt

1-1000
1-10

Bán kính khởi động đứt vỡ

1-100

Sai hỏng mầm

0.1-10

Độ nhăn bề mặt

1-10

Xúc tác
Hình học topo bề mặt
Siêu phân tử Độ dài Kuhn

1-10
1-100


Miễn dịch

Cấu trúc nhị cấp

1-10

Cấu trúc tam cấp

10-1000

Nhận biết phân tử

1-10

II. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU NANO

Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thường
hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại thường dùng.
1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu: người ta đặt tên số chiều không bị giới hạn ở kích
thước nano
·
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ đám nano, hạt nano
·
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ dây nano, ống
nano
·
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ màng mỏng
·
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật
liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn
nhau.
Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số chiều bị giới hạn ở
kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano 3 chiều, dây nano là vật liệu nano 2 chiều
và màng mỏng là vật liệu nano 1 chiều. Cách này ít phổ biến hơn cách ban đầu.
2. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano:
·
Vật liệu nano kim loại
·
Vật liệu nano bán dẫn
·
Vật liệu nano từ tính
·
Vật liệu nano sinh học
·
vân vân
Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra

các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng chính của chúng ta sau đây là “hạt nano kim loại” trong đó
“hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại” được phân loại theo tính chất hoặc “vật liệu nano
từ tính sinh học” trong đó cả “từ tính” và “sinh học” đều là khái niệm có được khi phân loại theo
tính chất.
III. HẠT NANO KIM LOẠI
Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim
loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc được sử dụng từ hàng ngìn
năm nay. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ
thứ tư trước Công nguyên và hiện nay được trưng bày ở Bảo tàng Anh [3]. Chiếc cốc đó đổi màu
tùy thuộc vào cách người ta nhìn nó. Nó có màu xanh lục khi nhìn ánh sáng phản xạ trên cốc và có
màu đỏ khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc và xuyên qua thành cốc. Các phép phân tích ngày nay cho
thấy trong chiếc cốc đó có các hạt nano vàng và bạc có kích thước 70 nm và với tỉ phần mol là 14:1.
Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano
vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại
mới thực sự được bắt đầu. Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo
và hiểu được các tính chất thú vị của hạt nano. Một trong những tính chất đó là màu sắc của hạt
nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng. Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề
mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc
chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là
do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện
tử tự do mới có hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học thú vị


như trên. Ngoài tính chất trên, các hạt nano bạc còn được biết có khả năng diệt khuẩn. Hàng ngàn
năm trước người ta thấy sữa để trong các bình bạc thì để được lâu hơn. Ngày nay người ta biết đó là
do bạc đã tác động lên enzym liên quan đến quá trình hô hấp của các sinh vật đơn bào.
IV. CHẾ TẠO HẠT NANO KIM LOẠI
Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống.
Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau. Phương
pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với hạt nano kim

loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,… thì phương pháp thường được áp dụng là phương pháp từ
dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại như Ag +, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au.
Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano. Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng
hơn nhưng thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương pháp này.
1. Phương pháp ăn mòn laser
Đây là phương pháp từ trên xuống [4]. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung
dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung
là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3
mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình
thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ
từ 0,001 đến 0,1 M.
2. Phương pháp khử hóa học
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông
thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là
phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl 4,
H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag +, Au+ thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học
như Citric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol [5]
(phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp
polyol). Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng
phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng
phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi
một số chất khử. Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có
thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano Ag, Au, Pt,
Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp này.
3. Phương pháp khử vật lí
Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử [6], sóng điện từ năng lượng cao như tia
gamma [7], tia tử ngoại [8], tia laser [9] khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác
nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các
gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại. Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước
sóng 500 nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [9] chiếu vào dung dịch có chứa

AgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để
thu được hạt nano bạc.
4. Phương pháp khử hóa lí
Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân
kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được
màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được
điện hóa sẽ tạo các hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm
đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch [10].
5. Phương pháp khử sinh học
Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại [11]. Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch
có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc. Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và
có thể tạo hạt với số lượng lớn.


V. TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO KIM LOẠI
Như phần đầu đã nói, hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng
bề mặt và hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật
độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác với các hạt không có
mật độ điện tử tự do cao.
1. Tính chất quang học
Như trên đã nói, tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản
phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm
trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon
resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự
do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng.
Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút
mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước.
Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt
không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang
của hạt nano được có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác

với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho
hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng
phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung
quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất
quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến
ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.
2. Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao
trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất
rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán
xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại
(dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật
Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường
tuyến tính. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa
cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U không còn
tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm
cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I,
với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực.
3. Tính chất từ
Các kim loại quý như vàng, bạc,… có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi
vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối
mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trang thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken
thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ.
Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ
trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không.
4. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng
tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là
số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử
ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích

thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 500°C, kích
thước 6 nm có Tm = 950°C [12].
VI. ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO KIM LOẠI
Các ứng dụng đều liên quan đến những tính chất khác biệt của hạt nano. Những ứng dụng đầu tiên
như chúng ta đã biết là liên quan đến tính chất quang của chúng. Người ta trộn hạt nano vàng, bạc
vào thủy tinh để chúng có các màu sắc khác nhau. Gần đây người ta đã phát hiện ra rất nhiều ứng
dụng khả dĩ của hạt nano vàng để tiêu diệt tế bào ung thư [13]. Trong đó, hạt nano vàng được kích
thích bằng ánh sáng laser xung, do hiện tượng hấp thụ cộng hưởng Plasmon mà hạt nano dao động
trở nên nóng bỏng, có khi lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của vàng. Quá trình tăng
nhiệt này gây ra một sóng xung kích (shock wave) tiêu diệt tế bào ung thư trong đường kính hàng
mm. Hạt nano vàng bọc bởi các nguyên tử Gd (có mô men từ nguyên tử lớn nhất) còn được dùng để
làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) [14]. Rất gần đây, người ta còn tạo ra
nguyên tử nhân tạo từ hai hạt nano vàng mở ra khả năng ứng dụng lớn trong tương lai [15].


CÁCH MẠNG NANO TRONG ỨNG DỤNG Y SINH HỌC

Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của các ngành khoa
học. Đặc biệt, ngành công nghệ mới này đang tạo ra một cuộc cách mạng trong những ứng dụng y
sinh học nhờ vào những khả năng giúp con người can thiệp tại kích thước nanomet (1nanomet bằng
1/triệu mm) bằng những vật liệu nano được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
Biến ước mơ thành hiện thực
Trong bộ phim khoa học viễn tưởng của Mỹ có tiêu đề The fantastic voyage, tạm dịch là Chuyến du
hành kỳ diệu, các nhà điện ảnh Mỹ đã tưởng tượng ra chuyện một đoàn y bác sĩ đã dùng phương
tiện thu nhỏ hiện đại để thực hiện một chuyến du hành trên một con tàu cực nhỏ. Họ chu du trong
các mạch máu, đến từng ngóc ngách trong cơ thể con người để sửa chữa những tế bào hỏng hóc.
Các nhà khoa học cho rằng, chính công nghệ nano đang biến giả tưởng đó thành hiện thực. Trong
một tương lai không xa, con người sẽ chế tạo ra những chiếc máy nano thông minh có khả năng mô

phỏng thiên nhiên, lắp ghép các nguyên tử, phân tử và lập trình để chúng thực hiện theo những chức
năng cần thiết, tạo ra những thứ có ích hoặc tiêu diệt những chất có hại.
Máy nano sinh học có thể hoàn tất những thí nghiệm trong vòng vài phút thay vì vài ngày như hiện
nay, thay thế công việc của cả phòng bệnh lý.
Khi kích thước của hệ sinh vật sống từ micromet giảm xuống tới nanomet, sẽ có khả năng kết hợp
các đơn vị sinh học như enzym với các cấu trúc nano nhân tạo. Bằng cách kết hợp các enzym và
chip sillic, người ta có thể chế tạo các cảm biến sinh học. Cảm biến này có thể truyền vào người
hoặc động vật để giám sát, theo dõi sức khỏe và phóng thích liều lượng thuốc chính xác.
Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học và có tác động lên con người y hệt
như kháng thể, tức là chúng có thể lập trình để truy diệt tế bào ung thư. Các chất liệu từ công nghệ
nano có thể hỗ trợ việc chẩn đoán bệnh tật hay khảo sát cơ thể, bằng cách gắn những chuỗi DNA
vào những hạt nano có khả năng cảm thụ đặc tính sinh học của tế bào và gửi tín hiệu ra bên ngoài.
Vật liệu siêu nhuận từ và ứng dụng y sinh học
Khi kích thước các hạt của vật liệu từ tính giảm đến giá trị nào đó (khoảng vài chục nanomet) sẽ trở
thành vật liệu siêu nhuận từ, sẽ có những tính chất đặc biệt cho các ứng dụng y sinh học.
Trong tự nhiên, sắt là vật liệu thường được dùng để nghiên cứu làm hạt nano từ tính. Các hạt nano
từ tính dùng trong y sinh học thường có dạng chất lỏng từ, còn gọi là nước từ, gồm 3 phần: hạt nano
từ tính, chất hoạt hóa bề mặt và dung môi. Trong đó hạt nano từ tính là thành phần duy nhất quyết
định tính chất từ của chất lỏng từ. Các chất hoạt hóa bề mặt làm hạt nano phân tán trong dung môi,
tránh kết tụ và có tác dụng che phủ hạt nano khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể, tạo các
liên kết hóa học.
Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào bằng
việc sử dụng hạt nano từ tính là một phương pháp tiên tiến. Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ
được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa,


tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào

ung thư, vi khuẩn…
Một từ trường bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu và giữ

chúng lại, các tế bào không được đánh dấu sẽ thoát ra ngoài.
Dẫn truyền thuốc bằng các hạt từ tính đã phát triển từ những năm 1970. Đó là việc sử dụng hạt từ
tính như các hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trong cơ thể, giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các
thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lượng thuốc điều trị.
Hệ thuốc/hạt từ tính tạo ra chất lỏng mang từ tính đưa vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các
hạt này đi vào mạch máu, người ta dùng một từ tính mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó
trên cơ thể. Phương pháp này rất thuận lợi trong điều trị u não vì việc dẫn truyền thuốc vào u não
rất khó khăn. Nhờ sự trợ giúp của hạt nano, việc dẫn truyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều.
Những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú, tập trung tại các vùng bệnh, kết hợp với kỹ
thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con người có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện
pháp điều trị kịp thời.
Một vài ngành ứng dụng mới dựa trên công nghệ nano
Trong phẫu thuật thẩm mỹ, đang hình thành ngành Cosmetic Nano Surgery (tạm dịch Nano phẫu
thuật thẩm mỹ). Các ứng dụng công nghệ nano đang phát triển trong vi phẫu thuật thẩm mỹ để bóc
mỡ thừa, căng da, xóa nếp nhăn, đổi màu tóc… Các loại kem bôi da chứa hạt nano giúp thay đổi
màu da hay ngăn chặn tia tử ngoại dễ gây ung thư da.
Ngành công nghệ mới có tên Nano-bio (tạm dịch là Sinh học nano) đang hình thành, sẽ tạo ra
những vật liệu mới tạo mô xương, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con người như da,
băng thông minh…
Ngành phỏng sinh học nano hướng đến việc chế tạo những vật liệu mô phỏng các khả năng đặc biệt
của các loài động thực vật trong tự nhiên. Ví dụ hiện tượng lá sen luôn sạch sẽ và không bao giờ ướt
là do cấu trúc bề mặt có các cột nhỏ cỡ nanomet, cách nhau khoảng vài micromet tạo nên bề mặt
không thấm nước. Từ đó các nhà khoa học đã sản xuất ra vật liệu polyme mô phỏng cấu trúc của lá
sen, có khả năng không thấm nước, mang lại nhiều ứng dụng trong y tế và đời sống.
Phát triển như vũ bão
Trong vòng 20 năm qua, công nghệ nano luôn là ngành khoa học mũi nhọn. Mỗi năm có hàng ngàn
phát minh được công nhận dựa trên công nghệ này. Trên thế giới, nhiều chính phủ nhận ra kỹ thuật
nano sinh học sẽ là động cơ chính phát triển công nghệ y học. Tại Mỹ, năm 2005, Chính phủ chi 3,5
tỷ USD cho chương trình có tên Sáng kiến nano, trong đó gần 1 tỷ USD được dành cho sinh học
nano. Ở Việt Nam, hiện nay các nhà khoa học đã chế tạo được hạt nano từ tính bằng các phương

pháp hóa, cơ học… và tập trung vào định hướng y sinh học trong việc phân tách tế bào, dẫn thuốc,
nung nóng cục bộ…


Vật liệu nano trong công nghệ chế tạo lốp xe

Những ưu điểm vượt trội của vật liệu nano đang thu hút các hãng xe và ngành nghiệp phụ trợ vào
cuộc cách mạng mới. Tuy mới chỉ ở mức độ thử nghiệm, nhưng với sự tham gia của các công ty
hàng đầu và các hãng xe danh tiếng, tương lai của những chiếc lốp ứng dụng vật liệu nano sẽ không
còn xa nữa.
Cao su và cotton là những nông sản từ xa xưa. Tuy nhiên, không giống cotton, cao su thiên nhiên
gặp phải sự cạnh tranh mạnh mẽ từ cao su tổng hợp, loại vật liệu rất phát triển trong thế chiến thứ
hai. Năm 1964, 75% lượng cao su trên thế giới thuộc về cao su tổng hợp. Nhưng sau đó, sự xuất
hiện của lốp không săm đã cứu vớt vai trò của cao su thiên nhiên với lượng tiêu thụ 42% trong tổng
số 19,61 triệu tấn, theo thống kê năm 2004.
Khoảng 50% lốp xe ôtô trên thế giới được làm từ cao su thiên nhiên. Tuy nhiên, lốp sản xuất từ loại
vật liệu này có những điểm yếu như không bền, dễ mài mòn, không chịu được nhiệt độ cao và mất
dần tính đàn hồi trong quá trình sử dụng. Để khắc phục những khó khăn đó, các nhà nghiên cứu đã
áp dụng công nghệ nano vào quá trình sản xuất xuất lốp. Hạt carbon nhỏ (bao gồm các hạt kích
thước nano -1 phần một tỷ mét) được trộn với sao su trong một thời gian dài trước khi đem đi ép.
Sản phẩm sau khi gia công có độ mài mòn thấp và sức bền lớn. Cabot Corporation – một trong
những hãng cung cấp lốp và các vật liệu carbon hàng đầu thế giới – đã thử nghiệm thành công tính
năng của “PureNano”- hạt silic cacbua kích thước nano, do Nanoproducts Corporation of Colorado
sản xuất. Khi bổ sung vào lốp, các hạt “PureNano” làm giảm 50% độ mài mòn, nghĩa là tuổi thọ của
lốp sẽ tăng lên gấp đôi. Một con số ấn tượng nếu biết rằng hiện tại, mỗi năm có 16,5 triệu chiếc lốp
ở Mỹ cần phải thay mới. Các sản xuất khác đang tìm cách kết hợp sợi carbon dạng ống vào trong
lốp và dự đoán chúng sẽ có tuổi thọ còn lâu hơn cả xe. Trong khi đó, các chuyên gia tại Audi đánh
giá công nghệ nano sẽ tạo nên cuộc cách mạng lốp trong tương lai. Loại lốp thông minh gắn cảm
biến nano liên kết với chíp điều khiển trung tâm sẽ có khả năng thay đổi cấu bề mặt tuỳ thuộc vào
áp suất lốp, trọng lượng xe và điều kiện trên đường.

Những công ty như Inmat và Nanonor đang sản xuất các hạt đất sét kích thước nano, trộn chúng với
nhựa hay cao su tổng hợp để tạo ra một bề mặt kín khít. Các hạt đất sét nano của Inmat được sử
dụng dưới dạng chất kết dính. Bên cạnh đó, công ty này cũng liên kết với Michelin, hãng sản xuất
lốp hàng đầu thế giới để ứng dụng công nghệ này trên lốp không săm. Nó sẽ dần thay thế cao su
truyền thống và làm lốp nhẹ, rẻ và mát hơn.
Sản phẩm nổi tiếng ứng dụng công nghệ nano là “Aerogel”, vật liệu siêu nhẹ từng được đề nghị
dùng để chế tạo lốp cho tàu thám hiểm sao Hoả. Chứa tới 98% không khí, tập hợp hàng tỷ các bóng
khí nano trong môi trường silic, nhờ đó, Aerogel nhẹ hơn 1.000 lần nhưng lại có khả năng làm kín
khít gấp 40 lần bất cứ sợi thuỷ tinh nào. Bên cạnh trọng lượng nhẹ, Aerogel còn có khả năng cách
nhiệt. Các nhà hoá học tại đại học Missouri-Rolla (Mỹ) đã tuyên bố phát triển thành công vật liệu
Aerogel không thấm nước có thể sử dụng trên bề mặt lốp.
Goodyear đang nắm giữ hàng loạt bằng phát minh sáng chế về quá trình kết hợp lốp với silic
aerogel. Bridgestone áp dụng công nghệ nano trên những chiếc lốp cung cấp cho Ferrari tại giải đua
F1… Nền công nghiệp lốp thế giới do 5 “đại gia” nắm giữ bao gồm Michelin, Goodyear,
Bridgestone, Continental, Sumitomo và tất cả đều đang chuẩn bị cho cuộc cách mạng mới trong
tương lai không xa.


PHÁT MINH MÁY THĂM DÒ NANO TRONG CHỮA TRỊ UNG THƯ

Các nhà khoa học tại ĐH California, Mỹ vừa tạo ra một loại máy thăm dò nano thông minh nhằm
tìm và tiêu diệt các khối u xác định của những người bệnh ung thư.
Việc nghiên cứu các máy dò nano đã được nhiều nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới phát triển trên
10 năm nay, trong nỗ lực giảm hoặc triệt tiêu hoàn toàn tác động tiêu cực từ các liệu pháp y học ảnh
hưởng tới tế bào khỏe mạnh trong quá trình điều trị ung thư.
Phát minh trên được đăng tải lên tờ tuần báo Small – chuyên trang về khoa học công nghệ vi lượng
và nano.
Trưởng nhóm nghiên cứu, giáo sư Luke Lee phát biểu: “Nếu bạn muốn phóng một chiếc vệ tinh vào
không gian, bạn cần làm rất nhiều điều. Nó phải tới được mục tiêu, thăm dò xung quanh và truyền
tin về trạm điều khiển mặt đất. Điều này cũng xảy ra với thế giới phân tử. Chúng tôi cần những máy

dò có thể tìm thấy các tế bào bị bệnh, chữa trị nó và sau đó, thông báo lại cho chúng tôi về môi
trường cục bộ của tế bào, giúp chúng tôi kiểm tra được hiệu quả của phương pháp điều trị. Đây quả
thực là một bước tiến quan trọng trong điều trị ung thư”.
Các máy dò siêu nhỏ có đường kính chỉ vài trăm nanomet, chúng được các nhà khoa học nghiên
cứu thiết kế: một mặt làm từ vàng thô ráp, một mặt được làm từ polyeste trơn. Máy được đặt tên là
“san hô”, vì đây là loài có đặc tính giống với máy, bề mặt thô ráp giúp nhằm tăng cường khả năng
thu được ánh sáng và các phân tử thức ăn.
Tiến sĩ Benjamin Ross, nghiên cứu trong khoa Khoa học ứng dụng và chương trình công nghệ
thuộc ĐH California nhận định: “Giống như san hộ tự nhiên, các máy dò hình san hô nano với bề
mặt có độ thô ráp cao, giúp chúng có thể bắt giữ các phân tử ở gần”.


CÔNG NGHỆ NANO VÀ CUỘC CÁCH MẠNG XANH: NHỮNG LỢI ÍCH VỀ MÔI TRƯỜNG

Bản báo cáo khám phá mối liên hệ tiềm tàng có lợi giữa công nghệ nano – về bản chất là khoa học
và kỹ thuật thực hiện trên mức độ phân tử – và lĩnh vực hóa học, công nghệ xanh mà mục đích
nhằm làm giảm đến mức tối thiểu các ảnh hưởng đến môi trường thông qua những cải tiến loại bỏ
chất thải và bảo tồn tài nguyên về mặt quy trình và sản phẩm. Bản báo cáo kết luận bằng những lời
về khuyến cáo về các biện pháp tạo ra sự thay đổi của chính sách liên bang để giúp lĩnh vực công
nghệ nano đang phát triển nhanh chóng này “trưởng thành” thành công nghệ xanh.
Bản báo cáo trích dẫn một vài ví dụ của quá trình nghiên cứu hướng đến việc sử dụng công nghệ
nano để thực hiện được các mục tiêu về môi trường kết hợp với mục tiêu về thương mại hoặc các
mục tiêu khác.Theo bản báo cáo, công nghệ này có nhiều khả năng thao tác bằng tay trên vật liệu và
làm biến đổi thuộc tính của vật liệu, mở ra khả năng tạo ra những sản phẩm và quy trình giảm thiểu
chất độc hại, tăng tính bền và cải thiện hiệu suất năng lượng.
Ví dụ như, ông James Hutchison, nhà hóa học của trường đại học Oregon, sử dụng phân tử DNA
theo một quy trình mới lạ cho thấy có thể tạo ra những mô hình kích thước nano trên con chíp
silicon và bề mặt khác. Những phương pháp thực nghiệm đã tiết kiệm được nguyên liệu, sử dụng ít
nước và dung môi hơn so với kỹ thuật in truyền thống – hay kỹ thuật in thạch bản thường sử dụng
trong công nghiệp điện tử kỹ thuật cao. Các nhà nghiên cứu khác đang khảo sát việc đưa các vật

liệu nano vào để thay thế chì và những chất liệu độc hại khác trong ngành điện tử.
Nhà hóa học Vicki Colvin và các cộng sự tại đại học Rice đã khám phá ra các hạt nano từ tính có
kích thước 12 nanomet có thể loại bỏ hơn 99% Arsenic trong dung dịch, trong khi đó đồng nghiệp
của họ tại đại học bang Oklahoma đã chế tạo thành công những cảm biến có kích thước nano có thể
phát hiện các chất gây ô nhiễm tới nồng độ phần tỉ.
Công nghệ nano mở ra con đường mới đầy hứa hẹn trong việc tạo ra tế bào năng lượng mặt
trờikhông tốn kém cũng như cải tiến hiệu suất và giảm giá thành của tế bào nhiên liệu, được xem là
nguồn năng lượng cho xe hơi và xe tải trong tương lai. Đồng thời, những nghiên cứu ở cấp độ nano
đang hướng tới những công cụ có khả năng loại bỏ vật liệu độc hại và làm sạch các địa điểm có chất
thải độc hại.
“Công nghệ nano tiềm năng là ‘một giấc mơ xanh nhân đôi’. Với công nghệ nano chúng ta có thể
tạo ra những sản phẩm và quy trình xanh ngay từ lúc ban đầu” bà Barbara Karn, một nhà khoa
học môi trường, người tổ chức thành lập chương trình công nghệ nano xanh nằm trong khuôn khổ
dự án công nghệ nano trọng điểm. Theo Barbara cho biết: “Công nghệ nano cho phép chúng ta
thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm môi trường bằng
những hóa chất, vật liệu và quy trình thân thiện với môi trường hơn”.
Bản báo cáo xác định rõ bốn định hướng (loại, hạng, phạm trù) trong đó những ứng dụng công
nghệ nano và lợi ích môi trường giao cắt nhau:
- 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.
David Rejeski, giám đốc của dự án những công nghệ nano trọng điểm, phát biểu: “Chúng tôi nghĩ
rằng Mỹ đang đua tranh để trở thành người dẫn đầu toàn cầu về công nghệ nano xanh. Nghiên cứu
quốc gia và danh mục đầu tư phát triển đều nhắm tới mục đích toàn cầu này. Chúng tôi tin tưởng

rằng công nghệ nano xanh có thể không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra nhiều công ăn
việc làm cho người Mỹ cũng như lợi nhuận kéo theo trong tương lai”.
Nhìn về tương lai phía trước khi xét tới những vấn đề môi trường hiện nay, bản báo cáo đề nghị
phương thức bảo vệ môi trường hữu hiệu nhất là nên khuyến khích phát triển chính sách nano xanh,
chính sách này sẽ thúc đẩy mạnh mẽ sự ngăn chặn việc gây ô nhiễm môi trường.
Xếp loại sự phát triển những phép đo lường để đánh giá điểm mấu chốt gây ảnh hưởng môi trường
với việc sử dụng kết quả thu được của liên bang để thúc đẩy nhu cầu đối với sản phẩm nano xanh,
những giải pháp đề nghị trong bản báo cáo này sẽ hỗ trợ đảm bảo rằng nguồn vốn đầu tư 8.3 tỉ dola
từ người đóng thuế vào công nghệ nano, tính từ thời điểm cơ quan sáng kiến công nghệ nano quốc
gia Mỹ được thành lập vào năm 2001, được dùng để chi trả cho quốc gia và môi trường.
Paul Anastas, giám đốc của Viện hóa học xanh thuộc hội hóa học Mỹ, cho rằng: “Chúng ta đang ở
giai đoạn không thể chống đỡ được với hiểm hoạ môi trường. Dường như công nghệ nano không
phải là một sự lựa chọn mà nó là một công nghệ thiết yếu có thể giải quyết được vấn đề này”.


ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG TƯƠNG LAI

1. Màn hình máy tính có thể được thay bằng loại đi-ốt hữu cơ OLED, viết tắt của Organis Light
Emitting Diode.
2. Cửa sổ có thể được trang bị các lớp màng chuyển từ năng lượng ánh sáng thành điện thế
Photovoltaic.
3. Người ta cũng có thể phủ kính bằng các lớp màng lọc để tránh cho người trong nhà khỏi các loại
tia có hại như tia cực tím.
4. Quần áo làm bằng hợp chất mới sẽ chống được các vết dơ bẩn và kiểm soát nhiệt độ cơ thể.
5. Một số chất liệu trên quần áo thông minh sẽ giúp đo luôn nhịp tim và hơi thở.
6. Các chất liệu làm bàn ghế sẽ nhẹ hơn nhưng rất bền chắc.
7. Khớp xương chậu được làm bằng vật liệu tương thích với sinh học.
8. Sơn nano chống xâm thực.
9. Kính tự điều chỉnh được ánh sáng và nhiệt độ.

10. Vật liệu nano cho phép sản xuất các thẻ nhớ gọn nhẹ hơn.
11. Ống cạc-bon nano ứng dụng trong pin nhiên liệu sẽ là nguồn năng lượng mới cho máy móc và
xe cộ.
12. Hệ thống nghe phụ trợ cho người điếc cũng làm được bằng hợp chất nano.


CÔNG NGHỆ NANO:TRIỂN VỌNG CHO NHỮNG NƯỚC NGHÈO
Công nghệ nano sẽ ảnh hưởng như thế nào đến tương lai của các nước nghèo? Chắc chắn, công
nghệ nano sẽ đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, trong đó, có tăng sản lượng nông nghiệp
cùng nhiều lợi ích khác…
Các chuyên gia thuộc Trung tâm Đạo đức Sinh học của Canada nhận định ảnh hưởng lớn nhất của
công nghệ nano đến hàng triệu người ở những nước đang phát triển là mang lại các phương pháp dự
trữ và sản xuất năng lượng tốt hơn. Đồng thời, cải thiện đáng kể năng suất ngành nông nghiệp. Ứng
dụng công nghệ nano sẽ nâng cao mức sống của người dân các nước nghèo.
Đây là nghiên cứu đầu tiên đánh giá ảnh hưởng của triển vọng công nghệ và khoa học nano đến sự
phát triển của thế giới. Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của công nghệ nano đến tám Mục tiêu
Phát triển Thiên niên kỷ do tổ chức Liên hiệp quốc (LHQ) đặt ra để hoàn thành trước năm 2015.
Các ứng dụng công nghệ nano sẽ giúp các nước thành viên LHQ giải quyết những vấn đề quan
trọng nhất của các nước phát triển đến năm 2015. Các chuyên gia cũng đề cử sáng kiến được gọi là
Giải quyết Thách thức toàn cầu trong việc sử dụng công nghệ nano. Sáng kiến này sẽ được phát
động để khuyến khích ứng dụng công nghệ nano nhất là ở những nước đang phát triển.
Theo tiến sỹ Peter Singer, giám đốc JCB, phát triển kinh tế và tiêu thụ năng lượng liên quan chặt
chẽ với nhau. Tiến sỹ Singer cho biết sẽ thu được lợi ích của tăng trưởng kinh tế dễ dàng hơn nhiều
nếu công nghệ nano có thể giúp các nước đang phát triển chuyển sang xu hướng tự cung tự cấp
năng lượng.
 Tiềm năng lớn của công nghệ nano
Tiến sỹ P. Singer nhận định phần lớn những làn sóng công nghệ chỉ làm tăng khoảng cách giữa các
nước giàu và các nước nghèo song việc khai thác công nghệ nano lại mang đến cơ hội thu hẹp
khoảng cách này. Ứng dụng công nghệ nano có khả năng lớn để cải thiện mức sống của người dân
các nước đang phát triển. Khoa học và công nghệ đơn thuần không thể giải quyết triệt để tất cả

những vấn đề ở những nước đang phát triển, nhưng đây là những yếu tố căn bản để phát triển.
Hiện nay, các chất có cấu trúc nano mới đang được sử dụng để xây dựng lên thế hệ tiếp theo của tế
bào năng lượng mặt trời và tế bào nhiên liệu hyđrô. Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đang sử dụng
công nghệ nano để phát triển phương pháp dự trữ hyđrô vốn là vấn đề nan giải. Hệ thống dự trữ
hyđrô phù hợp có nghĩa là phải có năng lượng thay thế sạch hơn cho những nước vẫn phụ thuộc vào
nhiên liệu hoá thạch.
Mặt khác, thế giới đang phát triển ứng dụng công nghệ nano để cải thiện độ phì nhiêu của đất và
sản lượng cây trồng, 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.
Chẳng bao lâu nữa, nhờ vào công nghệ nano, các nhân viên y tế có thể thử 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
khám chẩn đoán bệnh trong vài phút. Công nghệ nano sẽ rút ngắn thời gian cũng như chi phí xét
nghiệm các bệnh truyền nhiễm như sốt rét và HIV/AIDS.
Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá tác dụng của công nghệ nano trong xử lý nước.
Tiến sỹ Salamanca-Buentello, đứng đầu nhóm nghiên cứu cho biết 1/6 dân chúng toàn cầu không có
nước sạch, hơn 1/3 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. Các nhà
nghiên cứu cũng phát triển phương pháp sản xuất hàng loạt các ống lọc bằng nano cácbon nhằm
nâng cao chất lượng nước.


 Châu Á đang theo sát Mỹ trong công nghệ nano
Đến nay nhiều nước đang phát triển như Ấn Độ, Nam Phi, Mehico, Thái Lan, Philipin, Chile và
Achentina đã thực hiện các sáng kiến công nghệ nano để hỗ trợ sự phát triển của khoa học.
Hiện Trung Quốc có số lượng ứng dụng bằng sáng chế công nghệ nano nhiều nhất thế giới sau Mỹ
và Nhật Bản. Bản nghiên cứu của Hà Lan – Trung Quốc đánh giá tình hình công nghệ nano ở Mỹ,
liên minh châu Âu, Trung Quốc và Hàn Quốc cũng cho thấy Trung Quốc có lượng báo chí về công
nghệ nano lớn thứ hai trên thế giới.

Theo tờ Bưu điện Washington (Washington Post), châu Âu và châu Á đang theo sát Mỹ trong công
nghệ nano.
Trong năm 2004, chi tiêu của chính phủ Mỹ cho công nghệ nano cao nhất thế giới, song chỉ cao hơn
chút đỉnh so với mức chi phí ở Trung Quốc, châu Âu và Nhật: Mỹ sử dụng 1 tỷ đô la cho nghiên
cứu công nghệ nano còn ba nước sau mỗi nước chi 900 triệu đô la.
Xét về mặt báo chí chuyên viết về công nghệ nano, năm 2004, báo chí công nghệ nano của Trung
Quốc chiếm 10% thị phần báo công nghệ nano toàn cầu, chỉ đứng sau Mỹ, cường quốc chiếm gần
50% thị phần này.


ĐỘC TỐ CỦA HỢP CHẤT NANO
Hiện ngành nghiên cứu độc tính của các hợp chất nano vẫn còn rất non trẻ, thế nhưng người ta đã
phát hiện thấy rằng bản thân con người đã phải sống trong môi trường đó từ khá lâu rồi.
Ở Pittsburgh, Allen Robinson có công trình nghiên cứu các ảnh hưởng lên sức khỏe từ các hợp chất
trong môi trường.
Anh cùng đồng nghiệp đang chuyển dần xuống các hợp chất nano, và phát hiện thấy là con người
đang phải hít thở các loại hợp chất này mỗi ngày, từ đám khí thải công nghiệp hay khói bụi trên
đường.
“Khi nghiên cứu khối khí này, dù trong phòng thí nghịêm sạch, nhưng quí vị sẽ nhận thấy rất nhiều
thể vật chất khác nhau, kể cả các thể vật chất nano nữa.”
“Có khoảng 5% các loại hợp chất thuộc loại nhỏ, nói chung bất cứ nơi nào chúng ta đang đứng và
hít thở đều có khá nhiều các loại hợp chất khác nhau bay trong không khí.”
Trong phòng thí nghiệm khá sạch, nhưng vẫn có khoảng trên 1.000 đơn vị vật chất, còn ngoài trời
con số có thể lên đến vài chục ngàn đơn vị vật chất bé li ti.
“Ở Hoa Kỳ người ta bắt đầu quan ngại đến các loại hợp chất này.” – Allen Robinson giải thích về
hai qui định của Hoa Kỳ. – “Một mức tên là PM10 là dành cho các loại vật thể bé hơn 10mico-mét,
còn mức kia PM2.5 dành cho các loại bật thể bé hơn 2.5 micro.”
Và câu hỏi là con người sẽ phản ứng như thế nào khi hít chúng vào.
David Warheit là chuyên gia trong ngành hô hấp, nghiên cứu các chứng bệnh do khí thải gây ra,
hiện đang tập trung vào ảnh hưởng từ các sợi cac-bon lên phổi của chuột.

Các ống nano có thể kết dính với nhau thành các khối lớn và ngăn đường hít thở, thí nghiệm của
Warheit đưa các sợi này vào trong phổi, qua dung dịch nước.
“Ghi nhận đầu tiên là có 50% chuuột thí nghiệm bị tử vong ngay sau lần thử đầu tiên, tức là trong
vòng 12 giờ đồng hồ.”
“Thực tình ra khi nói về chuyện chuột thí nghiệm bị chết chúng tôi cũng không hứng thú gì cho
lắm.”
“Thế nhưng chúng tôi đã ngay lập tức theo đuổi vấn đề này, nghiên cứu trong quá trình 1-2 ngày
tiếp theo.”
“Vấn đề không phải là độc tính theo cách hiểu thông thường, mà là do các hoạt chất nano kết dính
với nhau làm nghẽn đường thở.” – chuyên gia Warheit nói.
Chuyện này nghe đúng đáng sợ, nhưng người ta vẫn chưa biết trong thực tế mọi chuyện sẽ phản
ứng ra sao vì thí nghiệm này đưa các ống nano bằng đường không bình thường.
Giới khoa học và các nhà hoạt động môi trường vẫn đang tiếp tục tranh cãi quanh độ an toàn của
các phòng thí nghiệm và xưởng sản xuất vật liệu nano.