ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ HỘI

Bảng các chữ viết tắt

ARRA

Luật Phục hồi và tái đầu tư nước Hoa Kỳ

IWGN

Nhóm công tác liên cơ quan về khoa học, kỹ thuật và công nghệ nano Hoa Kỳ

KH&CN

Khoa học và công nghệ

NASA

Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ

NC&PT

Nghiên cứu và phát triển

NNI

Sáng kiến công nghệ nano quốc gia Hoa Kỳ

NSF

Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ

NSTC

Hội đồng khoa học và công nghệ quốc gia Hoa Kỳ

SCI

Cơ sở dữ liệu trích dẫn khoa học

USPTO

Cơ quan sáng chế và nhãn hiệu hang hóa Hoa Kỳ

1


ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN
NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ HỘI
Giới thiệu
Công nghệ nano là công nghệ điều khiển và tái cấu trúc vật chất ở thang độ nano,
với phạm vi kích thước nguyên tử và phân tử trong khoảng từ 1 đến 100 nm, nhằm tạo
nên các vật liệu, thiết bị và các hệ thống với các đặc tính và chức năng cơ bản mới nhờ
vào cấu trúc nhỏ bé của chúng. Báo cáo "Nano1" năm 1999 mang tên "Các định hướng
nghiên cứu công nghệ nano: triển vọng công nghệ nano trong thập kỷ tiếp theo" đã mô
tả công nghệ nano là lĩnh vực đa ngành, có nền tảng cơ sở rộng được dự đoán sẽ đạt
đến sử dụng phổ biến vào năm 2020. Bản báo cáo đã đưa ra một cách tiếp cận mới đối
với giáo dục, đổi mới, học hỏi và điều hành, và nhận định đây là lĩnh vực sẽ dẫn đến
cuộc cách mạng hóa nhiều khía cạnh khác nhau trong đời sống con người. Công nghệ
nano có thể tác động sâu sắc đến nhiều mặt trong đời sống của con người, từ sức khỏe,
đến cách thức sản xuất, phương thức thông tin liên lạc, năng lượng và môi trường.
Mười năm đã trôi qua kể từ khi Hội đồng khoa học và công nghệ quốc gia Hoa Kỳ
công bố Báo cáo "Nano1" đề cập đến các triển vọng về công nghệ nano. Trong thập kỷ

đầu tiên của tiến trình phát triển công nghệ nano, nghiên cứu và phát triển trong lĩnh
vực công nghệ nano đã đạt được những tiến bộ đáng kinh ngạc và giờ đây đã chỉ ra
một cách rõ ràng tiềm năng của nó. Dựa trên Báo cáo "Nano2" của Hội đồng, Cục
Thông tin KH&CN quốc gia biên soạn tổng quan "ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ
HỘI", để giới thiệu về những tiến bộ công nghệ nano mà thế giới đã đạt được trong

thập kỷ trước và khám phá những cơ hội về phát triển công nghệ nano ở Hoa Kỳ và
trên toàn thế giới trong thập kỷ tiếp theo. Tổng quan tóm tắt những thành tựu đạt được
với những số liệu đầu tư NC&PT công nghệ nano kể từ năm 2000, mô tả những mục
tiêu được kỳ vọng đối với NC&PT công nghệ nano trong thập kỷ tới và xa hơn, và đưa
ra những phương thức thực hiện trong bối cảnh các nhu cầu xã hội và các công nghệ
mới nổi khác.
Xin trân trọng giới thiệu cùng độc giả.
CỤC THÔNG TIN KH&CN QUỐC GIA

2


I. TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO TOÀN CẦU VÀ XÚC
TIẾN CÔNG NGHỆ NANO CỦA HOA KỲ
1. Sự hình thành định nghĩa mang định hướng nghiên cứu của công nghệ nano
Báo cáo "Nano1" về Tầm nhìn công nghệ nano năm 1999 của HĐKH&CNQG Hoa
Kỳ đã truyền cảm hứng cho sự hình thành Xúc tiến công nghệ nano quốc gia của Hoa
Kỳ và một loạt các chương trình NC&PT của các quốc gia khác. Việc thiết lập các
kiến thức nền tảng ở thang độ nano đã trở thành mục tiêu chính của cộng đồng nghiên
cứu công nghệ nano trong thập niên đầu thế kỷ 21. Đến năm 2009, nguồn kiến thức
mới được thiết lập đó đã là cơ sở đóng góp cho gần một phần tư thị trường thế giới trị
giá một nghìn tỷ đôla, trong đó có gần 91 tỷ USD thuộc về các sản phẩm của Hoa Kỳ
tích hợp các cấu phần kích thước nano. Công nghệ nano đang tiến bộ nhanh chóng để

trở thành một công nghệ đa năng (general-purpose technology) vào năm 2020, bao
gồm bốn thế hệ sản phẩm với tính phức tạp về động học và cấu trúc ngày càng tăng,
đó là: (1) các cấu trúc nano thụ động, (2) cấu trúc nano chủ động, (3) các hệ thống
nano, và (4) các hệ thống phân tử nano. Vào năm 2020, sự tích hợp gia tăng giữa các
lĩnh vực khoa học ở phạm vi nano và các kiến thức về kỹ thuật với các hệ thống nano
được dự đoán sẽ dẫn đến triển vọng ứng dụng rộng rãi công nghệ nano trong ngành
công nghiệp, trong các lĩnh vực y học và tính toán, và trong việc hiểu biết và bảo tồn
thiên nhiên tốt hơn. Sự phát triển công nghệ nano nhanh chóng trên toàn thế giới là
một bằng chứng cho thấy sức mạnh chuyển hóa của việc nhận dạng khái niệm hay xu
thế và dự báo về triển vọng kết hợp của các lĩnh vực nghiên cứu khoa học khác nhau.
Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (NSF) đã thành lập chương trình đầu tiên của mình về
các hạt nano vào năm 1991 và từ năm 1997-1998 đã tài trợ cho một chương trình đa lĩnh
vực mang tên "Hợp tác trong lĩnh vực công nghệ nano" (NSF 1997). Tuy nhiên, chỉ đến
năm 1998-2000, một số phân mảng lĩnh vực khoa học và kỹ thuật ở phạm vi nano được tập
hợp với nhau dựa trên sự hợp nhất giữa định nghĩa khoa học về công nghệ nano với Tầm
nhìn 10 năm về NC&PT công nghệ nano. Báo cáo của NSF về "Các định hướng nghiên
cứu công nghệ nano" đã được thông qua vào năm 2000 và được coi như một văn kiện chính
thức của HĐKH&CNQG Hoa Kỳ. Đây là những bước tiến quan trọng hướng đến việc hình
thành công nghệ nano như một công nghệ định nghĩa (defining technology) của Thế kỷ 21.
Định nghĩa công nghệ nano này đã được nhất trí vào năm 1998-1999 sau khi lấy ý kiến của
các chuyên gia từ 20 nước trên thế giới và đã đạt được sự chấp nhận quốc tế. Định nghĩa
này được dựa trên hành vi khác thường của vật chất và năng lực của các nhà khoa học trong
việc tái cấu trúc vật chất đó ở phạm vi độ dài trung gian. Định nghĩa này khác với những
định nghĩa đã được sử dụng trước năm 1999 chú trọng vào các đặc điểm nhỏ bé của một
kích thước cho trước, vào sự thao tác kỹ thuật siêu chính xác, siêu phân tán và cả việc hình
thành các mô hình nguyên tử và phân tử trên các bề mặt. Tầm nhìn có phạm vi quốc tế này
đã được công bố năm 1999 là hướng dẫn chỉ đạo cho những khám phá và đổi mới sáng tạo
3

trong lĩnh vực đa ngành và đa lĩnh vực này. Định nghĩa đã trở nên rõ ràng sau khi có
khoảng 60 nước trên thế giới phát triển các hoạt động công nghệ nano, và nếu thiếu định
nghĩa này cùng với tầm nhìn dài hạn tương ứng thì công nghệ nano sẽ không thể phát triển
với một tốc độ nhanh và theo một lộ trình phát triển thống nhất về khái niệm.
Định nghĩa về công nghệ nano được đưa ra trong báo cáo về "Các định hướng
nghiên cứu công nghệ nano, 1999" như sau:
“Công nghệ nano là khả năng điều khiển và tái cấu trúc vật chất ở thang độ phân tử và
nguyên tử trong phạm vi xấp xỉ từ 1 nm đến 100 nm, và sự khai thác các tính chất và hiện
tượng khác biệt ở thang độ đó so với những tính chất liên quan đến hành vi của phân tử,
nguyên tử đơn hay khối. Mục đích là để tạo ra các vật liệu, các thiết bị và hệ thống với các
đặc tính và chức năng cơ bản mới bằng cách thiết kế các cấu trúc nhỏ bé của chúng. Đây là
lĩnh vực cơ bản làm thay đổi về mặt kinh tế các đặc tính vật liệu và cả thang độ dài hiệu
quả nhất đối với lĩnh vực chế tạo và y học phân tử. Với cùng các nguyên lý và công cụ có
thể áp dụng cho các lĩnh vực liên quan khác nhau và giúp thành lập một nền tảng thống
nhất cho khoa học, kỹ thuật và công nghệ ở phạm vi nano. Sự chuyển hóa hành vi từ các
nguyên tử hay các phân tử đơn sang hành vi tập thể của các tập hợp nguyên tử và phân tử
được bắt gặp trong tự nhiên và công nghệ nano khai thác ngưỡng giới hạn đó”.
Việc xác định tầm nhìn dài hạn về phát triển công nghệ nano là đặc biệt quan trọng do sự
nổi lên nhanh chóng của công nghệ nano như một mẫu hình khoa học và kỹ thuật cơ bản
mới và còn bởi vì các tác động rộng lớn của nó đối với sự phồn vinh xã hội. Định nghĩa hợp
nhất và tầm nhìn dài hạn về công nghệ nano đã đặt nền móng cho Xúc tiến công nghệ nano
của Hoa Kỳ được công bố tháng 1 năm 2000. Lý do chủ yếu cho việc khởi xướng NNI đó
là để lấp đi những hố ngăn cách lớn ở kiến thức cơ bản về vật chất và để nhằm theo đuổi
các ứng dụng mới lạ và kinh tế được dự báo đối với công nghệ nano. Các chương trình
NC&PT phù hợp và kéo dài trong lĩnh vực này đã ngay lập tức được các quốc gia khác
công bố, như Nhật Bản (tháng 4 năm 2001), Hàn Quốc (tháng 7 năm 2001), Cộng đồng
châu Âu (tháng 3 năm 2002), Đức (tháng 5 2002), Trung Quốc (2002), và Đài Loan (tháng
9 năm 2002). Hơn 60 quốc gia đã thành lập các chương trình ở cấp quốc gia trong giai đoạn
từ 2001 đến 2004, do được thôi thúc hay truyền cảm hứng một phần từ NNI của Hoa Kỳ.
Tuy nhiên, chương trình đầu tiên và cũng là lớn nhất vẫn là NNI. Nguồn tài trợ cho xúc tiến

này kể từ năm 2000 đã lên tới 12 tỷ USD, trong đó có 1,8 tỷ của năm 2010, điều này đưa
NNI chiếm vị trí thứ hai chỉ sau chương trình vũ trụ tại Hoa Kỳ về đầu tư KH&CN dân sự.
2. Các chỉ số về phát triển công nghệ nano toàn cầu, 2000-2020
Sáu chỉ số then chốt được mô tả dưới đây (Bảng 1) giúp miêu tả về giá trị đầu tư
cho phát triển công nghệ nano và các đột phá khoa học và ứng dụng công nghệ liên
quan. Các chỉ số này cho thấy tỷ lệ tăng trưởng trung bình hàng năm trên phạm vi toàn
thế giới đạt xấp xỉ 25% trong giai đoạn từ 2000 đến 2008. Tỷ tệ tăng trung bình của tất
cả các chỉ số đã giảm hơn một nửa trong thời kỳ khủng hoảng tài chính năm 2009, sau
4


đó đạt tỷ lệ cao hơn trong năm 2010, nhưng vẫn còn những khác biệt lớn giữa các
quốc gia và các lĩnh vực liên quan.
(1) Số các nhà nghiên cứu và nhân công tham gia tối thiểu trong một lĩnh vực nào
đó thuộc công nghệ nano được ước tính đạt 400.000 người vào năm 2008, trong số đó
có 150.000 ở Hoa Kỳ. Theo dự đoán vào năm 2000, nếu tỷ lệ tăng trưởng 25% được
duy trì thì vào năm 2015 toàn thế giới sẽ có khoảng 2 triệu nhân công làm việc trong
lĩnh vực công nghệ nano (800.000 người làm việc tại Hoa Kỳ).
Bảng 1: Sáu chỉ số then chốt về phát triển công nghệ nano trên thế giới và tại Hoa
Kỳ
Thế giới Lực lượng
Số bài
Bằng
Thị
Tài trợ
Vốn mạo
/Hoa Kỳ/ lao động
báo có
sáng chế
trường

NC&PT
hiểm
chính
CSDL
sản phẩm công và
cuối cùng
tư
2000
60.000
18.085
1.197
30 tỷ
1,2 tỷ
0,21 tỷ
/25.000/
/5.342/
/405/
USD
USD
USD
/13 tỷ
/0,37 tỷ
/0,17 tỷ
USD/
USD/
USD/
2008
400.000
70.287
12.776

200 tỷ
15 tỷ USD
1,4 tỷ
/150.000/
/15.000/
/3.729/
USD
/3,7 tỷ
USD
/80 tỷ
USD/
/1,17 tỷ
USD/
USD/
200025
18
35
25
35
30
2008 (%
tăng
trưởng
trung
bình)
2015 (ước 2.000.000
1.000 tỷ
tính)
/800.000/
USD

/400 tỷ/
2020
6.000.000
3.000 tỷ
(ngoại
/2.000.000/
USD
suy)
/1.000 tỷ/
Chú thích: Số liệu của Hoa Kỳ được thể hiện trong / /. Nguồn: Lux Research.
(2) Số bài báo được đưa vào CSDL trích dẫn khoa học (SCI-Science Citation Index)
phản ánh các khám phá trong lĩnh vực công nghệ nano đã đạt gần 65.000 vào năm
2008 so với 18.085 năm 2000, dựa trên tìm kiếm theo từ khóa tiêu đề - tóm tắt. Sự gia
tăng này là nhanh và không đồng đều trên toàn thế giới (hình 1). Có khoảng 4,5% số
5


bài báo trong SCI được công bố trong năm 2008 bao trùm tất cả các lĩnh vực, bao gồm
các phương diện khoa học và kỹ thuật nano.
(3) Số sáng chế tính trên số bằng độc quyền sáng chế cấp tại 50 địa điểm hàng đầu thế
giới đạt khoảng 13.000 vào năm 2008 (trong số đó có 3.729 đơn được đăng ký tại Cơ quan
sáng chế và nhãn hiệu hàng hóa Hoa Kỳ - USPTO), so với con số 1.200 vào năm 2000
(trong đó có 405 đăng ký tại USPTO), đạt tỷ lệ tăng 35% một năm (hình 2). Số đăng ký
sáng chế nộp tại trên 50 quốc gia hay địa điểm đăng ký quốc tế được tìm kiếm bằng từ khóa
tiêu đề tóm tắt. Có khoảng 0,9% số đăng ký sáng chế được công bố trên phạm vi thế giới,
và có khoảng 1,1% số đăng ký tại USPTO năm 2008 thuộc tất cả các lĩnh vực bao gồm các
phương diện khoa học và kỹ thuật nano.
(4) Giá trị của các sản phẩm có tích hợp công nghệ nano như một thành phần then chốt
đã đạt mức 200 tỷ USD trên phạm vi thế giới vào năm 2008, trong số đó có khoảng 80 tỷ
USD thuộc về Hoa Kỳ (các sản phẩm này dựa vào các cấu trúc nano tương đối đơn giản).

Ước tính được đưa ra vào năm 2000 (Roco and Bainbridge 2001) về giá trị sản phẩm là 1
nghìn tỷ USD vào năm 2015, trong số đó có 800 tỷ thuộc về Hoa Kỳ. Thị trường này đã
tăng gấp đôi cứ sau hai năm, là kết quả của sự ứng dụng thành công các sản phẩm mới.
Nghiên cứu Lux Research đã đưa ra ước tính giá thị trường năm 2009 toàn thế giới đạt 254
tỷ USD, riêng giá trị các sản phẩm công nghệ nano của Hoa Kỳ năm 2009 đạt 91 tỷ USD,
thấp hơn 10% so với đường cong tăng trưởng ước tính của năm 2000.

Số công bố trong SCI

2000-2009
Tỷ lệ tăng trưởng thế giới hàng năm: 23%

Năm

Hình 1: Công bố khoa học trong lĩnh vực công nghệ nano trong SCI 1990-2009.
(Nguồn: Dữ liệu từ Web of Science)
6


Số đơn đăng ký sáng chế

Hình 2: Tổng số đơn đăng ký sáng chế trong lĩnh vực công nghệ nano đăng ký tại
15 địa điểm đăng ký sáng chế hàng đầu thế giới trong giai đoạn từ 1991-2008.
(Nguồn: Dang, Chen, and Roco 2010).
(5) Đầu tư toàn cầu hàng năm cho NC&PT công nghệ nano từ các nguồn nhà nước
và tư nhân đã đạt 15 tỷ USD trong năm 2008, trong số đó khoảng 3,7 tỷ USD thuộc về
Hoa Kỳ, bao gồm cả khoản đầu tư của chính phủ liên bang 1,55 tỷ USD.
(6) Đầu tư vốn mạo hiểm toàn cầu cho công nghệ nano đạt 1,4 tỷ USD trong năm
2008, trong đó 1,17 tỷ USD thuộc về Hoa Kỳ. Nguồn tài trợ từ vốn mạo hiểm đã giảm
gần 40% trong giai đoạn khủng hoảng tài chính năm 2009.

Do có triển vọng to lớn về công nghệ và kinh tế nên công nghệ nano đã thâm nhập
vào nhiều lĩnh vực công nghiệp mới nổi và truyền thống, đặc biệt là sau năm 20022003. Sự gia tăng ở tính phức tạp của thành phần nano và tỷ lệ thâm nhập của công
nghệ nano diễn ra nhanh hơn trong các lĩnh vực mới nổi như điện tử nano và chậm hơn
trong các lĩnh vực công nghiệp cổ điển hơn như công nghiệp gỗ và giấy (xem bảng 2).
Sự thâm nhập của công nghệ nano trong các ngành công nghiệp then chốt có tương
quan với tỷ lệ phần trăm chi tiêu của ngành công nghiệp cho NC&PT.
Hình 3 dưới đây cho thấy cán cân giữa đầu tư công nghệ nano của Liên bang Hoa Kỳ với
thu nhập từ đầu tư (kết quả đầu ra) tại Hoa Kỳ năm 2009. Các chỉ số đặc trưng khác về đầu
tư quốc gia cho công nghệ nano cho thấy có sự gia tăng mạnh tại Hoa Kỳ kể từ năm 2000:
 Chi tiêu bình quân đầu người hàng năm của chính phủ Liên bang Hoa Kỳ cho
NC&PT công nghệ nano đã tăng từ 1USD năm tài khóa 2000 lên 5,7 USD năm
2010.
 Tỷ lệ đầu tư liên bang cho NC&PT công nghệ nano so với tổng chi tiêu
NC&PT thực của liên bang đã tăng từ 0,39% lên 1,5% năm 2008.
7


Bảng 2: Ví dụ về sự thâm nhập của công nghệ nano trong một số lĩnh vực công nghiệp
(Thị phần và giá trị tuyệt đối bị tác động bởi công nghệ nano được thể hiện cho năm 2010)
Hoa Kỳ
2000
2010
2020 (ước tính)
Công nghiệp bán dẫn
0 (với thang độ<100 nm)
60% (90 tỷ USD)
100%
0 (hành vi mới của vật chất 30% (45 tỷ USD)
100%
ở phạm vi nano)

Chất xúc tác mới
0
35% (35 tỷ USD)
50%
mang cấu trúc nano
Dược khoa (chữa trị
0
15% (70 tỷ USD)
50%
và chẩn đoán)
Gỗ
0
0
20%

Mặc dù không có chỉ số đặc trưng, nhưng những thay đổi định tính cũng rất quan trọng
đối với việc đánh giá tác động của NNI. Những tác động đó bao gồm: (1) sự hình thành một
cộng đồng quốc tế liên ngành, đa lĩnh vực gồm các nhà chuyên môn và các tổ chức tham
gia vào các khía cạnh khác nhau trong lĩnh vực kinh doanh công nghệ nano; (2) Những thay
đổi ở văn hóa nghiên cứu khoa học đã diễn ra thông qua những mối quan hệ hợp tác nghiên
cứu liên ngành với ngành công nghiệp và với lĩnh vực y học; (3) các khái niệm thống nhất
về thao tác cấu trúc nano phức hợp theo hướng "từ dưới lên" đối với các vật liệu mới, sinh
học và công nghệ y tế, công nghệ thông tin số, các công nghệ trợ giúp nhận thức và các hệ
thống đa thành phần.
~1,9 tỷ USD
NC&PT ở
khu vực
công nghiệp

Chi phí vận

hành ngành
công nghiệp

1,7 tỷ USD

~ 18 tỷ USD
thuế

~180.000
việc làm
~91 tỷ
USD sản
phẩm cuối
cùng

* NC&PT năm 1999 là ít hơn 10 lần
** Ước tính thuế = 20%
~1,9 tỷ
*** Ước tính 500.000 USD/năm/việc NC&PT công
nghiệp
làm
Hình 3: Ước tính kết quả đầu tư của chính phủ Liên bang Hoa Kỳ cho NC&PT
công nghệ nano năm 2009.
Chú thích: (*) NC&PT tương ứng năm 1999 nhỏ hơn 10 lần; (**) Ước tính giá trị thị
8


trường các sản phẩm có chứa các cấu phần nano; (***) Ước tính số việc làm liên
quan đến công nghệ nano
3. Hai giai đoạn cơ bản trong tiến trình phát triển công nghệ nano

Vào năm 2000, theo dự đoán công nghệ nano sẽ phát triển theo hai giai đoạn cơ bản từ
các cấu trúc nano thụ động đến các hệ nano phức hợp (Hình 4 và 5):
(1) Giai đoạn cơ bản thứ nhất (2001-2010) tập trung vào nghiên cứu liên ngành ở thang
độ nano, diễn ra trong thập kỷ đầu của thế kỷ 21 sau khi đã xác định tầm nhìn dài hạn. Kết
quả chủ yếu của giai đoạn này là những khám phá các hiện tượng, đặc tính và chức năng
mới ở thang độ nano; tổng hợp các thành phần như các đơn thể phục vụ cho các ứng dụng
tiềm năng tương lai; xúc tiến về công cụ; cải tiến các sản phẩm hiện thời bằng cách kết hợp
các thành phần kích thước nano tương đối đơn giản. Giai đoạn này có đặc điểm nổi trội đó
là hệ sinh thái tập trung vào khoa học (science-centric ecosystem), được gọi là giai đoạn
"Nano1".
(2) Giai đoạn cơ bản thứ hai (2011-2020) chú trọng vào khoa học phạm vi nano và kỹ
thuật hợp nhất. Giai đoạn này được dự đoán sẽ chuyển dịch đến các phép đo trực tiếp với
giải pháp về thời gian, thiết kế dựa vào khoa học các sản phẩm cơ bản mới, sử dụng đa năng
và phổ biến công nghệ nano. Sự tập trung vào NC&PT và các ứng dụng được cho là sẽ
hướng tới các hệ nano phức hợp hơn, các lĩnh vực liên quan mới, và các sản phẩm cơ bản
mới. Giai đoạn này có đặc trưng nổi trội đó là một hệ sinh thái NC&PT bị chi phối bởi các
yếu tố về kinh tế - xã hội; giai đoạn này được gọi là "Nano2".

Ứng dụng công nghệ nano đại trà
sau năm 2020

Hình 4: Hình thành một lĩnh vực và cộng đồng mới trong hai giai đoạn cơ bản
phát triển công nghệ nano
9


Hình 5: Thời điểm bắt đầu tạo nguyên mẫu công nghiệp và thương mại hóa công
nghệ nano: Giới thiệu các thế hệ sản phẩm và quy trình sản xuất mới từ 20002020. (Nguồn: Roco 2004, 2006).
Sự chuyển tiếp từ giai đoạn Nano1 lên Nano2 chú trọng vào việc đạt được các phép
đo trực tiếp ở phạm vi nano, thiết kế dựa trên cơ sở khoa học các vật liệu và hệ thống

nano, và hợp nhất công nghệ đa năng. Bảng 3 thể hiện các mục tiêu NC&PT cần đạt
được đến năm 2020.
Bảng 3: Sự chuyển tiếp giữa hai giai đoạn cơ bản của phát triển công nghệ nano,
2000 đến 2020
Khoảng thời gian

2001-2010 (Nano1)

2011-2020 (Nano2)

Đo lường

Gián tiếp, sử dụng phương Trực tiếp, với độ chính xác
pháp tiếp cận thời gian và nguyên tử trong các lĩnh
tính khối lượng trung bình vực sinh học hoặc kỹ thuật,
và giải pháp femtosecond
(fs).

Hiện tượng

Khám phá ra từng hiện Các hiện tượng phức hợp
tượng và cấu trúc nano đồng thời; tích hợp ở phạm
riêng biệt
vi nano

Các mẫu hình NC&PT mới Khám phá đa lĩnh vực từ Chú trọng vào hiệu năng
thang độ nano
mới; các lĩnh vực áp dụng
mới; một sự chú trọng gia
tăng vào đổi mới sáng tạo

10


Các quy trình tổng hợp và Thực nghiệm/bán thực
chế tạo
nghiệm; tính trội: tiểu hình
hóa từ trên xuống (topdown); thành phần kích
thước nano; các polime và
vật liệu cứng.

Thiết kế dựa trên cơ sở
khoa học; gia tăng lắp ráp
phân tử từ dưới lên
(bottom-up); các hệ thống
phạm vi nano; các quy
trình ngày càng dựa trên cơ
sở sinh học

Sản phẩm

Cải tiến các sản phẩm hiện Các sản phẩm mới có tính
thời bằng cách sử dụng các cách mạng cho phép sáng
cấu phần nano
tạo các hệ thống mới; gia
tăng chú trọng vào sinh - y

Công nghệ

Từ các phân mảng lĩnh vực Hướng đến các công nghệ
đến các cụm liên ngành

mới nổi và hội tụ

Khoa học và kỹ thuật nano Vật liệu, điện tử, hóa chất Gia tăng: công nghệ sinh học
thâm nhập vào các công và dược phẩm tiên tiến
nano, các nguồn năng lượng,
nghệ mới
nguồn nước, thực phẩm và
nông nghiệp, lâm nghiệp, các
phương pháp thiết kế mô
phỏng; công nghệ hội tụ
Giáo dục

Từ vi mô đến phạm vi nano Đảo ngược hình chóp học
hỏi theo cách hợp tập sớm
hơn các khái niệm chung
về công nghệ nano

Tác động xã hội

Các vấn đề đạo đức và môi Ứng dụng phổ cập; gia tăng
trường, sức khỏe và an tính bền vững, năng suất,
toàn
và sức khỏe; tác động kinh
tế - xã hội

Điều hành

Thiết lập các phương pháp Hệ sinh thái tập trung vào
mới; hệ sinh thái tập trung người dùng; sự tham gia
vào khoa học

ngày càng tăng; phương
pháp tiếp cận công nghệ kinh tế - xã hội

Quốc tế

Từ một cộng đồng
KH&CN; thiết lập thuật
ngữ, phát minh, và các tổ
chức tiêu chuẩn
11

Các tác động liên quan toàn
cầu về kinh tế, cân bằng thế
lực, môi trường, tính bền
vững


Sau năm 2020, NC&PT công nghệ nano được dự đoán sẽ phát triển gần với các công
nghệ mới nổi và hội tụ khác, tạo nên các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật mới và cả các mô
hình chế tạo mới. Vào năm 1999/2000, một sự hội tụ đã đạt được trong việc định nghĩa thế
giới nano bởi vì các hiện tượng điển hình trong các cấu trúc vật chất nano đã được đo lường
và hiểu biết rõ hơn bằng một loạt các công cụ mới, và các cấu trúc nano mới đã được nhận
dạng trên nền tảng các hệ thống sinh học, chế tạo nano và thông tin liên lạc. Thách thức mới
đối với thập kỷ tiếp theo đó là thiết kế các hệ thống từ phạm vi nano, điều đó sẽ đòi hỏi sử
dụng kết hợp các quy luật ở phạm vi nano, các nguyên lý sinh học, công nghệ thông tin, và
sự tích hợp hệ thống. Sau năm 2020, có thể dự đoán những xu thế phân rẽ như một chức
năng của các kiến trúc hệ thống. Các xu thế phân rẽ có thể xảy ra gồm các kiến trúc hệ
thống dựa trên lắp ráp phân tử và cao phân tử có điều khiển, rôbôt học, phỏng sinh học và
các phương pháp tiếp cận tiến hóa.
Một sự chuyển hướng trong nghiên cứu hướng tới các "cấu trúc nano chủ động" nhằm

làm thay đổi thành phần hay trạng thái của chúng trong khi sử dụng đã được nhận dạng qua
sự gia tăng nhanh chóng của số các công bố liên quan kể từ năm 2005 (Subramanian et al,
2009). Tỷ lệ số bào báo về các cấu trúc nano chủ động đã tăng hơn gấp hai lần, chiếm 11%
trong tổng số các bài báo về công nghệ nano trong năm 2006. Sự quá độ tiến đến giới thiệu
các hệ thống nano có khả năng tương quan với các mối quan tâm thương mại (hình 6); hơn
50% trong số 270 công ty thuộc lĩnh vực chế tạo được khảo sát cho biết có quan tâm đến
việc sản xuất hay thiết kế sử dụng khoa học và kỹ thuật nano vào năm 2011.

Sản phẩm
thương mại hóa
vào 2009

Hình 6: Thời kỳ chuyển tiếp nhanh tiến đến các sản phẩm thương mại ước tính
sau năm 2011. (Nguồn: NCMS, 2010)
12


4. Sáng kiến công nghệ nano quốc gia của Hoa Kỳ
Sáng kiến công nghệ nano quốc gia của Hoa Kỳ (NNI) đã được Tổng thống Clinton
công bố vào tháng 1 năm 2000, đưa ra viễn cảnh về một thế giới mới có thể trở thành hiện
thực nhờ công nghệ nano. Sau đó, IWGN - Nhóm công tác liên cơ quan về khoa học, kỹ
thuật và công nghệ nano đã xúc tiến chuẩn bị một kế hoạch của Liên bang về đầu tư
NC&PT trong lĩnh vực công nghệ nano và nhận dạng các cơ hội then chốt và khả năng
tham gia của các cơ quan khác nhau trong xúc tiến được kiến nghị này. NNI đã bắt đầu
được thực hiện từ năm tài khóa 2001 với sự hỗ trợ liên tục của chính phủ trải qua các chính
quyền, từ thời kỳ Tổng thống Clinton đến chính quyền Tổng thống Bush và Tổng thống
Obama.
NNI là một chương trình NC&PT lâu dài bắt đầu với sự tham gia của tám cơ quan liên
bang, gồm: Các Bộ Quốc phòng, Năng lượng và Giao thông vận tải, Cục bảo vệ môi
trường, Cơ quan hàng không và vũ trụ quốc gia, và Quỹ khoa học quốc gia. Vào thời điểm

năm 2010, NNI điều phối các hoạt động liên quan đến công nghệ nano của 25 bộ và cơ
quan độc lập thuộc liên bang.
NNI đưa ra tầm nhìn về các cơ hội và lợi ích dài hạn của công nghệ nano. Với chức năng
là vị trí trung tâm liên lạc, hợp tác và cộng tác cho tất cả các cơ quan liên bang mong muốn
tham gia, NNI cũng cung cấp kinh nghiệm và kiến thức cần thiết để hướng dẫn và hỗ trợ
tiến bộ của lĩnh vực rộng lớn và phức tạp này.
NNI tạo ra cơ chế cho chương trình NC&PT công nghệ nano toàn diện bằng cách xây
dựng các mục tiêu, ưu tiên và chiến lược chung, và nó cũng mở ra hướng đi từng cơ quan
để khai thác hiệu quả các nguồn lực của tất cả các cơ quan tham gia
4 mục tiêu của NNI bao gồm:
 Xúc tiến chương trình NC&PT công nghệ nano tầm cỡ thế giới;
 Nuôi dưỡng chuyển giao các công nghệ mới thành các sản phẩm mang lại
lợi ích cho cộng đồng và thương mại;
 Phát triển và duy trì các nguồn lực đào tạo, lao động có kỹ năng, và các hạ
tầng và công cụ cho phát triển công nghệ nano;
 Hỗ trợ phát triển công nghệ nano một cách có trách nhiệm.
Các nguyên tắc tổ chức của NNI trải qua hai giai đoạn chính trong khoảng năm
2001 đến 2010, và giai đoạn thứ ba được dự kiến bắt đầu từ năm tài khóa 2011:
(1) Trong giai đoạn từ năm tài khóa 2001 đến 2005, nghiên cứu công nghệ nano
tuân theo NNI tập trung vào 5 phương thức đầu tư: (i) nghiên cứu cơ bản, (ii) các lĩnh
vực nghiên cứu ưu tiên, (iii) các trung tâm xuất sắc, (iv) cơ sở hạ tầng, và (v) tác động
xã hội và giáo dục. Phương thức thứ hai được coi là những "thách thức lớn", chú trọng
vào 9 lĩnh vực NC&PT cụ thể liên quan trực tiếp đến các ứng dụng công nghệ nano;
các lĩnh vực này cũng được xác định là có tiềm năng làm hiện thực hóa trong khoảng
một thập kỷ những tác động to lớn của công nghệ nano đối với kinh tế, xã hội và chính
13


phủ. Các lĩnh vực thách thức lớn đối với nghiên cứu đó là:
- Vật liệu cấu trúc nano theo thiết kế;

- Chế tạo ở phạm vi nano;
- Phát hiện hóa chất - sinh học - rơngen - chất nổ và bảo vệ;
- Dụng cụ và đo lường phạm vi nano;
- Điện tử, quang tử và từ học nano;
- Chăm sóc sức khỏe, trị liệu và chẩn đoán;
- Chuyển hóa và lưu trữ năng lượng hiệu suất cao;
- Máy bay cực nhỏ và rôbôt;
- Quy trình nano cải thiện môi trường;
- Các chương trình nghiên cứu trọng tâm và các xúc tiến cơ sở hạ tầng lớn trong
vòng 5 năm đầu đã dẫn đến sự hình thành cộng đồng nano ở nước Hoa Kỳ, tạo dựng
một cơ sở hạ tầng NC&PT mạnh và các chương trình giáo dục về công nghệ nano mới.
(2) Trong giai đoạn từ 2006 đến 2010, nghiên cứu công nghệ nano định hướng bởi
NNI đã chú trọng vào bốn mục tiêu và 7 hoặc 8 hạng mục đầu tư (NSET 2004 and
2007). Các mục tiêu bao gồm: xúc tiến một chương trình NC&PT tầm cỡ thế giới; thúc
đẩy chuyển hóa nhanh các công nghệ mới thành các sản phẩm vì lợi ích thương mại và
lợi ích công cộng; phát triển và duy trì các nguồn lực giáo dục, xây dựng lực lượng lao
động có kỹ năng, cơ sở hạ tầng hỗ trợ và các công cụ để xúc tiến công nghệ nano; và
hỗ trợ sự phát triển công nghệ nano theo cách có trách nhiệm. Các hạng mục đầu tư
NNI (ban đầu gồm 7, đến năm 2007 được điều chỉnh thành 8 hạng mục), bao gồm các
lĩnh vực thành phần sau:
- Các hiện tượng và quy trình nano cơ bản;
- Vật liệu nano;
- Thiết bị và hệ thống nano;
- Dụng cụ nghiên cứu, đo lường, và tiêu chuẩn về công nghệ nano;
- Chế tạo nano;
- Thiết bị và dụng cụ nghiên cứu lớn;
- Môi trường, y tế và an toàn;
- Giáo dục và các khía cạnh xã hội.
(3) Bắt đầu từ năm tài khóa 2011, NNI sẽ giới thiệu ba "Sáng kiến đặc biệt"
(signature initiatives) về NC&PT nhằm tạo ra các cơ hội ứng dụng quan trọng ngắn và

dài hạn, đó là: (1) Ứng dụng công nghệ nano đối với năng lượng mặt trời, (2) chế tạo
nano bền vững, và (3) Điện tử nano đến năm 2020 và xa hơn. Các sáng kiến nghiên
cứu đặc biệt khác và các kế hoạch nhằm củng cố hệ thống đổi mới sáng tạo và các kết
quả xã hội của công nghệ nano cũng được cân nhắc (NSET 2010).
14


Hình 7: Ngân sách NNI trong các năm tài khóa 2001-2011 theo đơn vị triệu USD.
Ngân sách năm 2009 không bao gồm 511 triệu USD tài trợ bổ sung một lần theo
Luật Phục hồi và tái đầu tư Hoa Kỳ (ARRA).
Đầu tư từ NNI cho NC&PT công nghệ nano
Tổng đầu tư NC&PT của NNI cho công nghệ nano đã tăng khoảng 6,6 lần trong
thập kỷ qua, từ 270 triệu USD năm tài khóa 2000 lên 1,8 tỷ USD năm 2010 (Hình 7).
Tất cả các số liệu thể hiện trong hình đều là chi tiêu thực, ngoại trừ số liệu của năm
2011 là số liệu ước tính. Chi tiêu của năm 2009 không bao gồm 511 triệu USD tài trợ
bổ sung tuân theo Luật Phục hồi và tái đầu tư nước Hoa Kỳ (ARRA). Ngân sách năm
2011 không bao gồm nguồn kinh phí riêng của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ năm 2009 là
117 triệu USD.
Bảng 5 dưới đây thể hiện số liệu ước tính ngân sách của chính phủ một số quốc gia
và của EU dành cho công nghệ nano. Đầu tư chính phủ năm 2009 trên phạm vi thế
giới đạt tổng số 7,8 tỷ USD, trong đó có 1,7 tỷ USD thuộc về Hoa Kỳ (thông qua
NNI). So sánh số liệu về đầu tư cho công nghệ nano của các quốc gia cho thấy, trong
khi đầu tư công nghệ nano của Hoa Kỳ tăng nhưng vẫn chậm hơn so với đầu tư công
nghệ nano của các quốc gia khác (Hình 9).
15


Bảng 4: Ước tính chi tiêu chính phủ cho NC&PT công nghệ nano, 2000-2010
(triệu USD/năm)
Khu

vực
Quốc
gia /
vùng
lãnh

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

EU+

200

225

400

650

950

1050

1150

1450

1700

1900

Nhật
Bản

245

465

720

800

900

950

950

950

950

950

Hoa
Kỳ*

270

464

697

862

989

1200

1351

1425

1554

1702
+ 511

Các
nước
khác

110

380

550

800

900

1100

1200

2300

2700

2700

Tổng số

825

1534

2367

3112

3739

4200

4651

6125

6904

7252;
7763*

%Tỷ lệ
Hoa

135

206

174

133

104

114

117

98

91

90;
116**

33

30

29

28

26

29

29

24

23

22;
28**

2010

thổ

1.762

Kỳ/EU
%Tỷ lệ
Hoa
Kỳ/tổng

Chú thích: Số liệu của EU bao gồm chi tiêu quốc gia và của EU, EU+ gồm các quốc gia
thành viên EU và Thụy Sĩ. "Các nước khác" bao gồm: Ôxtrâylia, Canađa, Trung Quốc, Nga,
Ixrael, Hàn Quốc, Singapo, Đài Loan (Trung Quốc) và các nước khác có tiến hành NC&PT
công nghệ nano. (*): tài trợ bổ sung một lần cho công nghệ nano theo ARRA; (**): bao gồm
cả tài trợ bổ sung một lần theo ARRA.

16


Đầu tư chính phủ cho NC&PT công nghệ nano của các quốc gia EU, Nhật Bản,
Hoa Kỳ và các nước khác được thể hiện ở hình 8. Đầu tư toàn cầu đã có sự thay
đổi vào năm 2000 khi NNI của Hoa Kỳ được công bố và vào năm 2005-2006

tương ứng với sự giới thiệu thế hệ sản phẩm công nghệ nano thứ hai (cũng là
những nguyên mẫu công nghiệp đầu tiên dựa trên các cấu trúc nano chủ động).
Năm 2006, đầu tư của ngành công nghiệp cho NC&PT công nghệ nano đã vượt
quá đầu tư công tại cả Hoa Kỳ và trên toàn thế giới.

Hình 8: Đầu tư công cho NC&PT công nghệ nano 2000-2009.
(Sử dụng định nghĩa của NNI về công nghệ nano).
17


II. NHỮNG TIẾN BỘ CÔNG NGHỆ NANO ĐẠT ĐƯỢC HIỆN NAY VÀ
TRIỂN VỌNG ĐẾN NĂM 2020
1. Tiến bộ đạt được kể từ năm 2000
• Khả năng phát triển và tầm quan trọng đối với xã hội của khoa học nano, kỹ thuật
nano và các ứng dụng công nghệ nano đã được khẳng định, đồng thời những dự đoán
cực đoan, cả ủng hộ và phản đối, đã giảm xuống. Các thành tựu về cơ sở khoa học và
cơ sở hạ tầng vật lý đã được thúc đẩy từ việc thống nhất định nghĩa và tầm nhìn của
“Nano1” được đưa ra vào năm 1999.
• Công nghệ nano đã được công nhận là lĩnh vực khoa học và công nghệ có tính
cách mạng, có thể sánh ngang với việc ra đời của các cuộc cách mạng về điện, công
nghệ sinh học và thông tin kỹ thuật số. Trong khoảng từ năm 2001 đến 2008, nhiều
phát minh, sáng chế, công trình nghiên cứu về công nghệ nano, các chương trình tài
trợ cho NC&PT và thị trường công nghệ nano tất cả đều gia tăng với tỷ lệ trung bình
hằng năm là 25%. Thị trường sản phẩm có kết hợp công nghệ nano trên thế giới năm
2009 đạt khoảng 254 tỷ USD. (Hình 9).

Hình 9. Thị trường của sản phẩm cuối cùng kết hợp công nghệ nano: tầm nhìn dài
hạn 2000-2020 và kết quả trong năm 2009 (khảo sát của Lux Research). Tập trung
vào NC&PT từ những khám phá cơ bản của giai đoạn 2000-2010 (Nano1) cho các
nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu hệ thống nano định hướng ứng dụng trong năm

2010-2020 (NaNo2)
18


Các phương pháp và công cụ
- Công cụ mới đã cho phép đo đạc ở kích thước femto giây với độ chính xác ở mức
nguyên tử trong các lĩnh vực liên quan đến kỹ thuật. Kính hiển vi đơn phonon và các
phép đo mật độ điện tử trong phân tử ở mức nhỏ hơn nano mét đã được thực hiện. Các
phương pháp mô tả đặc điểm của đơn phân tử và đơn nguyên tử đã được phát triển cho
phép các khoa học nghiên cứu bản chất phức tạp và tính chất động lực học của các cấu
trúc nano theo nhiều phương thức mà trước đây là không thể. Cho đến nay một bộ
dụng cụ đã được thiết lập.
• Việc mô phỏng từ các nguyên lý cơ bản đã được phát triển mở rộng cho các tập
hợp nguyên tử lớn gấp 100 lần so với của năm 2000, và “các vật liệu được tạo ra bằng
thiết kế” hiện nay đã ứng dụng cho một số cấu trúc polyme và các cấu trúc nano khác.
• Các nghiên cứu cấu trúc-chức năng cơ bản về vật liệu nano đã dẫn đến việc
phát minh và phát triển các hiện tượng quan trọng mới như công nghệ plasmonics
(công nghệ ép sóng điện từ thành những cấu trúc rất nhỏ có thể đưa đến một thế
hệ mới các chip máy tính siêu nhanh và bộ cảm biến phân tử siêu nhạy), chỉ số
khúc xạ âm của bức xạ bước sóng hồng ngoại/nhìn thấy, lực Casimir,
Nanofluidics (nghiên cứu về hành vi, thao tác, và kiểm soát chất lỏng được giới
hạn trong cấu trúc nano mét (thường là 1-100 nm) kích thước đặc trưng (1 nm =
10-9 m), tạo mô hình ở kích thước nano (nanopatterning), viễn tải (teleportation)
thông tin giữa các nguyên tử, và tương tác sinh học ở cấp độ nano. Các hiện tượng
nano khác đã được hiểu rõ hơn và được định lượng, như giam giữ lượng tử, đa
hóa trị và dị hướng hình dạng. Mỗi một hiện tượng này lại trở thành nền tảng cho
các lĩnh vực mới của khoa học và kỹ thuật.
• Một minh chứng là việc khám phá ra sự truyền mômen spin (là khả năng chuyển
đổi quá trình từ hóa của nam châm bằng dòng spin phân cực), có các ứng dụng quan
trọng đối với bộ nhớ, logic, cảm biến và bộ dao động nano. Một nhóm thiết bị mới đã

có thể được tạo ra, ví dụ sự cạnh tranh trên thế giới để phát triển bộ nhớ truy cập ngẫu
nhiên truyền mômen spin (spin torque transfer random access memory (STT-RAM)),
bộ nhớ này sẽ được thương mại hóa trong thập niên tới.
• Các công cụ dò quét để in một phân tử hoặc cấu trúc nano lên bề mặt trên diện
tích lớn với độ phân giải nhỏ hơn 50 nm đã trở thành hiện thực trong nghiên cứu và
các thiết lập thương mại. Điều này đã đặt nền tảng cho việc phát triển các khả năng
của “nhà máy để bàn” (desktop fab) thực sự, cho phép các nhà nghiên cứu và các
doanh nghiệp nhanh chóng đưa ra các sản phẩm thử nghiệm và đánh giá các vật liệu
hoặc thiết bị có cấu trúc nano ngay tại thời điểm sử dụng.
Phát triển bền vững và an toàn
• Tầm quan trọng của các vấn đề môi trường, sức khỏe và an toàn của thế hệ sản
phẩm công nghệ nano đầu tiên, và các vấn đề liên quan đến đạo đức, pháp luật và xã
hội của công nghệ nano ngày càng được thừa nhận. Hiện nay nguời ta chú ý nhiều đến
19


kiến thức hiểu biết về vật lý-hóa học-sinh học, những thách thức pháp lý đối với các
vật liệu nano đặc biệt, các phương pháp kiểm soát dưới các điều kiện không chắc chắn
và thiếu kiến thức, các khung đánh giá rủi ro và phân tích vòng đời dựa trên sự đánh
giá của chuyên gia, sử dụng mã tự chọn (voluntary codes), và việc kết hợp các nghiên
cứu về an toàn vào các công đoạn thiết kế và sản xuất các sản phẩm nano mới. Sự
tăng cường quan tâm này bao gồm cả các phương thức tham gia của Nhà nước trong
quá trình ra quyết định và tham gia giám sát chung về công nghệ nano.
• Công nghệ nano đã cung cấp các giải pháp cho khoảng một nửa số dự án mới về
chuyển hóa năng lượng, lưu trữ năng lượng và lưu giữ cacbon trong thập niên qua.
• Các nhóm vật liệu xốp và có cấu trúc nano hoàn toàn mới có diện tích bề mặt rất
lớn đã được tìm ra, bao gồm khung kim loại hữu cơ, khung hữu cơ cộng hóa trị và
khung zeolit imidazolat, để cải thiện quá trình trữ hydro và tách CO2.
• Hàng loạt loại sợi nano polyme và vô cơ và các composit của chúng dùng cho các
quy trình tách trong môi trường (màng lọc nước và không khí) và quy trình xử lý có

xúc tác đã được tổng hợp. Các màng nano composit, các chất hấp thu nano và các hạt
nano oxy hóa khử đã được phát triển dùng để lọc nước, làm sạch vết dầu loang và xử
lý ô nhiễm môi trường.
Hướng tới các ứng dụng công nghệ nano
• Nhiều ứng dụng hiện nay dựa trên cơ sở các cấu trúc nano “thụ động” (chức năng
không đổi) tương đối đơn giản, được sử dụng như các thành phần cho phép tạo ra hoặc
cải thiện sản phẩm (ví dụ polyme được gia cường bằng hạt nano). Tuy nhiên, từ năm
2005, nhiều sản phẩm tinh tế hơn với cấu trúc và thiết bị nano “chủ động” đã được
phát triển để đáp ứng các yêu cầu vốn không giải quyết được bằng các công nghệ hiện
hành (ví dụ các công cụ chẩn đoán tại chỗ ở mức phân tử và các loại thuốc nhằm cứu
sống con người).
• Các nhóm vật liệu hoàn toàn mới đã được khám phá và phát triển, cả về mặt khoa
học và công nghệ. Những vật liệu này bao gồm dây nano một chiều và các điểm lượng
tử của các thành phần khác nhau, các cấu trúc nano kim loại quý đa hóa trị, graphen,
siêu vật liệu, các siêu mạng dây nano, và hàng loạt các thành phần hạt khác nữa. Một
bảng tuần hoàn của các cấu trúc nano đang được phát triển, với các mục được xác định
bởi thành phần, kích cỡ, hình dạng và chức năng bề mặt của hạt.
• Các khái niệm hoàn toàn mới đã được chứng minh: năm 2010, thiết bị lượng tử
đầu tiên được chế tạo và thử nghiệm, tế bào nhân tạo đầu tiên có bộ gen tổng hợp đã
được hoàn thiện, và các cấu trúc thứ bậc đầu tiên bằng cách thiết kế đã được tính toán.
• Một thư viện đa năng về các cấu trúc nano mới và các phương pháp tạo mẫu bề
mặt mới đã được phát minh, tạo động lực cho sự phát triển của lĩnh vực này, bao gồm
các hệ thống đã được thương mại hóa như các loại hạt nano, các lớp nano, polyme,
kim loại, gốm và compossit có cấu trúc nano, các quy trình in litô nano “nhúng”, in
litô nano (nanoimprint lithography), và in cuộn (roll-to-roll) để chế tạo graphen và các
20


tấm nano khác. Điều này cho thấy công nghệ nano còn đang ở giai đoạn hình thành xét
theo quan điểm của các phương pháp mô tả đặc điểm, mức độ theo chủ nghĩa kinh

nghiệm trong tổng hợp và chế tạo, và sự phát triển của các hệ thống nano phức. Cần
NC&PT cơ bản nhiều hơn nữa để giải quyết những hạn chế này.
• Các quy trình mới và cấu trúc nano mới đã được thiết lập bằng cách sử dụng các
nguyên lý cơ bản của khoa học lượng tử và khoa học bề mặt để lắp ráp các phân tử từ dưới
lên và đã được kết hợp với các phương pháp thu nhỏ bán thực nghiệm, từ trên xuống, để
tích hợp vào các sản phẩm. Công nghệ nano cho phép hoặc tạo thuận lợi cho nghiên cứu
mới trong các lĩnh vực như điện toán lượng tử, các thiết bị điện toán và truyền thông, y học
nano, chuyển hóa và tích trữ năng lượng, lọc nước, các hệ thống nông nghiệp và thực phẩm,
các khía cạnh sinh học tổng hợp, hàng không vũ trụ, địa-kỹ thuật (geoengineering) và kỹ
thuật hình thái học thần kinh (neuromorphic engineering).
• Y học nano đã tạo ra các đột phá quan trọng trong phòng thí nghiệm, đẩy nhanh các
thử nghiệm lâm sàng và mở đường cho các ứng dụng của vật liệu tương thích sinh học,
chẩn đoán và điều trị. Các dược phẩm tiên tiến như Abraxane hiện đã được thương mại hóa
và có tác động to lớn trong điều trị các dạng ung thư khác nhau. Dụng cụ chẩn đoán y học
nano tại chỗ như Verigene System hiện đang được sử dụng trên khắp thế giới để chẩn đoán
bệnh nhanh. Ngoài ra, chỉ riêng ở Hoa Kỳ đã có hơn 50 loại thuốc chữa ung thư dựa vào
công nghệ nano đang được thử nghiệm lâm sàng. Các giải pháp công nghệ nano cho phép
các hãng như Pacific Biosciences và Illumina đưa ra các sản phẩm có thể đáp ứng được
thách thức lập sơ đồ bộ gen với chi phí 1.000 USD.
• Công nghệ nano đã thâm nhập mạnh vào nhiều ngành công nghiệp quan trọng. Xúc tác
bằng vật liệu cấu trúc nano tác động đến 30-40% ngành công nghiệp hóa chất và dầu mỏ
của Hoa Kỳ; các chất bán dẫn có cấu trúc dưới 100 nm chiếm lĩnh trên 30% thị trường này
trên thế giới và 60% thị trường Hoa Kỳ. Y học phân tử là lĩnh vực đang phát triển. Trình độ
tiên tiến về điện tử nano đã phát triển nhanh từ các thiết bị cỡ micro đến cỡ 30 nm và đang
tiếp tục duy trì tốc độ này tiến đến các cỡ thậm chí còn nhỏ hơn nữa. Các ví dụ này và nhiều
ví dụ khác nữa cho thấy công nghệ nano đang tiến tới đạt mục tiêu đặt ra năm 2000 để trở
thành “công nghệ đa năng” có tác động đáng kể đến nền kinh tế.
• Ở Hoa Kỳ, đầu tư tài chính cho NC&PT công nghệ nano trong 10 năm qua là rất đáng
kể. Quỹ tích lũy của Chính phủ Hoa Kỳ cho công nghệ nano hiện nay vượt quá 12 tỷ USD,
trở thành nguồn đầu tư cho công nghệ dân sự lớn nhất của Hoa Kỳ kể từ chương trình

Apollo đổ bộ lên Mặt trăng (Nature, Sept. 2010, p.18). Ngành công nghiệp đã công nhận
tầm quan trọng của công nghệ nano và vai trò trung tâm của chính phủ trong NC&PT trong
Sáng kiến công nghệ nano quốc gia (NNI - National Nanotechnology Initiative). Ước tính
thị trường sản phẩm có kết hợp công nghệ nano năm 2009 ở Hoa Kỳ là khoảng 91 tỷ USD.
Cuối cùng, trên thế giới có khoảng 60 quốc gia đã thông qua các chương trình nghiên cứu
về công nghệ nano, làm cho công nghệ nano trở thành một trong các lĩnh vực nghiên cứu có
khả năng cạnh tranh lớn nhất và mạnh nhất trên toàn cầu.
21


Quy mô xã hội
• Các hoạt động khác nhau đã dẫn đến sự thiết lập một cộng đồng quốc tế gồm các
nhà chuyên môn về công nghệ nano, cơ sở hạ tầng NC&PT tiên tiến, các chương trình
đào tạo đa ngành chính quy và phi chính quy, và các năng lực chế tạo đa dạng trong
các ngành công nghiệp hóa học, điện tử, vật liệu tiên tiến và dược phẩm.
• Triển vọng về hợp tác quốc tế và cạnh tranh đã được đề ra từ một thập niên trước,
bao gồm các tổ chức đa quốc gia, đã thành hiện thực và tăng mạnh kể từ hội thảo Đối
thoại quốc tế về phát triển một cách có trách nhiệm công nghệ nano lần thứ nhất, được
tổ chức ở Hoa Kỳ năm 2004.
• Công nghệ nano đã trở thành mô hình và trọng điểm tri thức cho việc giải quyết
các vấn đề liên quan đến đạo đức, pháp luật và xã hội và các vấn đề quản lý các công
nghệ mới nổi lên khác.
• Công nghệ nano đã xúc tác cho các nỗ lực chung và thu hút tài năng cho khoa học
và kỹ thuật trong thập niên qua trên toàn thế giới.
• Công nghệ nano đã trở thành mô hình của việc đào tạo khoa học phi chính quy
cho công chúng về các chủ điểm của các công nghệ mới nổi lên và cho việc thiết lập
quan hệ đối tác đào tạo chiến lược giữa các tổ chức nghiên cứu và các tổ chức đào tạo
công mà được hưởng lợi từ các mục tiêu đào tạo của cả hai tổ chức này.
2. Tầm nhìn đến năm 2020
Đến năm 2020, NC&PT công nghệ nano dự kiến sẽ đẩy nhanh sự kế vị của khoa

học và các đột phá đổi mới hướng tới các hệ thống nano theo cách thiết kế, và dẫn đến
nhiều ứng dụng mới hơn nữa, được dẫn dắt bởi các nhu cầu xã hội. Công nghệ nano sẽ
được chuyển tải từ các phòng thí nghiệm nghiên cứu đến sử dụng cho người tiêu dùng,
được thúc đẩy bởi trách nhiệm đối với các thách thức xã hội như tính bền vững; sản
xuất, bảo toàn, lưu trữ và chuyển hóa năng lượng; và cải thiện việc chăm sóc sức khỏe
với chi phí thấp và dễ tiếp cận hơn. Trong thập niên đầu, động lực chính là phát minh
khoa học xuất phát từ nghiên cứu mang tính chất khám phá. Trong thập niên tiếp theo,
nghiên cứu định hướng ứng dụng sẽ tạo ra các phát minh khoa học mới và tối ưu hóa
kinh tế dẫn đến các công nghệ và ngành công nghiệp mới. Những sự biến chuyển này
sẽ làm lợi cho xã hội, song cũng đòi hỏi các cách tiếp cận mới của sự quản lý có trách
nhiệm, có sự tham gia của cá nhân, có tính chất phòng ngừa và đánh giá công nghệ
theo thời gian thực. Các khía cạnh quan trọng của tầm nhìn về NC&PT công nghệ
nano trong thập niên tới đã được nhất trí như sau.
Chính sách đầu tư và hiệu quả dự kiến
• Tiếp tục đầu tư mạnh vào nghiên cứu cơ bản về công nghệ nano là cần thiết, tuy
nhiên cần nhấn mạnh thêm vào đổi mới và thương mại hóa, vào việc tạo việc làm, và
vào “lợi nhuận của đầu tư” đối với xã hội, với các biện pháp đảm bảo an toàn và sự
22


tham gia của công chúng. Với mỗi thế hệ sản phẩm công nghệ nano mới, cần chú
trọng nhiều hơn đến hiệu quả kinh tế và xã hội.
• Các lĩnh vực nghiên cứu công nghệ nano sẽ được chuyển hóa thành các lĩnh vực
như:
- Hiểu rõ các hiện tượng và quy trình ở phạm vi nano bằng cách đo trực tiếp và mô
phỏng;
- Chuyển tiếp vật lý lượng tử/cổ điển thành cấu trúc và thiết bị nano;
- Tự lắp ráp đa mức của vật liệu từ mức phân tử hoặc cấu trúc nano trở lên;
- Tương tác của cấu trúc nanno với các trường bên ngoài;
- Hành vi phức tạp của các hệ thống nano lớn;

- Khai thác, chuyển hóa và trữ năng lượng hiệu quả bằng vật liệu an toàn, chi phí
thấp;
- Hiểu rõ các quy trình sinh học và các mối tương tác sinh lý hóa ở giao diện nano
sinh học với vật liệu phi sinh học;
- Tạo ra các phân tử, vật liệu, và hệ thống phức hợp bằng thiết kế từ thang độ nano;
- Các hệ thống vật lý thông minh phỏng sinh học cho điện toán;
- Các cơ quan nhân tạo, bao gồm việc sử dụng mạng chất lưu và kiến trúc nano để
tái tạo mô;
- Giảng dạy cho học sinh hệ 12 năm về công nghệ nano theo hình thức sách điện tử
giá rẻ tích hợp với các phương thức giao tiếp bằng hình ảnh/âm thanh/xúc giác 3D để
cho phép tự học;
- Điều khiển trực tiếp và phản hồi các bộ phận giả bằng cảm biến bên ngoài của
hoạt động não bộ và/hoặc bằng cách kết nối trực tiếp vào hệ thần kinh ngoại vi liên
quan với chân tay giả.
• Hệ sinh thái đổi mới sẽ được phát triển hơn nữa cho các ứng dụng của công nghệ
nano, bao gồm việc hỗ trợ cho sự tham gia đa ngành, đa lĩnh vực đối với việc ứng
dụng, đào tạo của doanh nghiệp, nghiên cứu chú trọng vào đa cổ đông, các trung tâm
vùng, hợp tác công tư, tài trợ bắc cầu (gap funding), và các biện pháp khuyến khích về
thuế và pháp luật.
• Công nghệ nano sẽ tiếp tục thâm nhập sâu rộng vào nền kinh tế như là một công
nghệ đa năng, giống như các công nghệ ưu tiên như điện và điện toán, có thể có các
ứng dụng rộng rãi và vươn xa tới nhiều lĩnh vực. Ví dụ, điện tử nano bao gồm các thiết
bị từ tính nano mở đường cho các thiết bị (bao gồm transito logic và bộ nhớ logic) với
đặc trưng kích thước nhỏ hơn 10 nm và mở đường cho toàn bộ các phát minh, bao
gồm cả việc thay thế điện tích điện tử như là vật thể mang thông tin duy nhất. Nhiều
ngành công nghiệp quan trọng khác sẽ có những cải tiến gia tăng dựa vào công nghệ
nano có tính cách mạng kết hợp với các giải pháp đột phá có tính cách mạng làm động
lực thúc đẩy các đổi mới sản phẩm mới.
23

• Đến năm 2020 công nghệ nano được dự báo sẽ có ứng dụng rộng rãi. Có tiềm
năng tích hợp các sản phẩm và dịch vụ công nghệ nano vào hầu hết các lĩnh vực công
nghiệp và các lĩnh vực y học. Lợi ích được tạo ra sẽ là tăng năng suất, phát triển bền
vững hơn và nhiều việc làm mới hơn.
• Việc quản lý công nghệ nano trong các chương trình nghiên cứu, đào tạo, chế tạo
và y tế sẽ được thể chế hóa để mang lại lợi ích tối ưu cho xã hội.
Phương pháp và công cụ nghiên cứu
• Các lý thuyết mới về tính phức tạp ở mức nano, các công cụ đo trực tiếp, các mô
phỏng từ các nguyên lý cơ bản, và tích hợp hệ thống ở mức nano sẽ làm gia tăng các
phát minh.
• Công cụ mô phỏng và can thiệp vật lý trong các quy trình tế bào ở mức phân tử sẽ
thiết lập các cơ sở khoa học cho những can thiệp trong y tế/sức khỏe, hoàn thiện cơ
bản sự chuyển hóa ngành sinh học thành một ngành “khoa học hóa-lý” mang tính định
lượng hơn là một ngành khoa học thực nghiệm.
• Các công cụ mô tả đặc điểm tại chỗ cho vận hành các thiết bị nano sẽ gia tăng đổi
mới trong các lĩnh vực năng lượng và điện tử, đồng thời các thiết bị dò tại chỗ trong
môi trường thực tế sẽ cho phép giám sát môi trường, an toàn thực phẩm và quốc
phòng.
• Hiểu rõ các nguyên lý và phương pháp của công nghệ nano sẽ là một điều kiện
của khả năng cạnh tranh trong các lĩnh vực như vật liệu tiên tiến, thiết bị công nghệ
thông tin, chất xúc tác, và dược phẩm. Sự phát triển của khoa học nano tiền cạnh tranh
và các nền tảng kỹ thuật sẽ tạo ra cơ sở cho đổi mới trong các lĩnh vực công nghiệp
khác nhau.
Đào tạo và cơ sở hạ tầng vật lý
• Liên tục chuyển giao từ nghiên cứu sang ứng dụng, theo ngành ngang, đa ngành,
giáo dục và đào tạo ứng dụng hệ thống sẽ được tích hợp bằng cách thống nhất các mục
tiêu khoa học và kỹ thuật và thông qua các tổ chức giáo dục và đào tạo mới.
• Mạng lưới các cơ sở trung tâm vùng - “Mạng trung tâm đào tạo công nghệ nano”cần được thiết lập như một cơ sở hạ tầng bền vững của quốc gia để thúc đẩy đào tạo về
công nghệ nano và thực hiện việc tích hợp theo ngành ngang, ngành dọc trong các hệ

thống đào tạo.
• Công nghệ nano sẽ cho phép tạo ra các thiết bị di động, tạo điều kiện cho việc tự
học theo yêu cầu cá nhân ở bất cứ đâu và vào bất cứ thời gian nào, cũng như các
phương thức học tập khác sử dụng các kỹ thuật như tương tác não-máy.
• Việc tiếp tục thiết lập và duy trì các trung tâm như là các phương tiện người sử
dụng và nghiên cứu, cũng như các cơ sở thử nghiệm để phát triển và củng cố các khái
niệm về hệ thống và thiết bị nano đổi mới sẽ rất quan trọng. Khả năng truy cập từ xa sẽ
được phát triển mạnh.
24


Phát triển bền vững và an toàn
• Việc chú trọng vào mối nguy hại đối với môi trường, sức khỏe và an toàn của
công nghệ nano và các mối quan ngại về các vấn đề liên quan đến đạo đức, pháp luật
và xã hội cần được thường xuyên tích hợp vào các hoạt động nghiên cứu và sản xuất
công nghệ nano để hỗ trợ phát triển các thế hệ công nghệ nano hiện nay và trong tương
lai một cách an toàn và hợp lý hơn.
• Các mô phỏng sự phơi nhiễm với hạt nano, sự phân bố sinh học và sự tương tác với các
hệ thống sinh học sẽ được tích hợp vào khung đánh giá rủi ro, cùng với việc phân tích vòng
đời, việc sử dụng tiêu chuẩn kiểm soát vật liệu nano và các đánh giá của chuyên gia.
• Việc ứng dụng công nghệ nano sẽ làm giảm đáng kể chi phí và làm cho chi phí
chuyển đổi năng lượng mặt trời kinh tế hơn vào khoảng năm 2015, và việc khử mặn
nước vào khoảng năm 2020 đến 2025, tùy thuộc vào từng khu vực. Công nghệ nano sẽ
tiếp tục tạo ra các giải pháp đột phá cho hơn 50% dự án mới về chuyển đổi năng
lượng, lưu trữ năng lượng và lưu giữ cacbon.
• Đến năm 2020, công nghệ nano sẽ kéo dài giới hạn bền vững của các nguồn nước
lên mức 10 năm. Các màng và vật liệu cấu trúc nano có diện tích bề mặt lớn được
khám phá trong thập niên qua sẽ được tối ưu hóa và nâng cấp cho nhiều ứng dụng, bao
gồm lọc nước và khử mặn, lưu trữ hydro và lưu giữ cacbon.
Các ứng dụng của công nghệ nano

• Thư viện về các cấu trúc nano (hạt, sợi, ống, tấm, tổ hợp mođun) của các thành
phần khác nhau sẽ được phát triển với số lượng ở quy mô công nghiệp.
• Các ứng dụng mới dự báo sẽ nổi lên trong thập niên tới, từ các thiết bị quang điện có
chi phí rất thấp, bền và hiệu năng cao cho đến các ắc quy công suất cao giá phải chăng cho
xe chạy điện, đến các hệ thống điện toán mới, các công nghệ nhận thức, và các phương
pháp tiếp cận hoàn toàn mới để chẩn đoán và điều trị các bệnh như bệnh ung thư.
• Do công nghệ nano phát triển trong một bối cảnh rộng hơn, nó sẽ dẫn đến sự sáng
tạo hoặc những thành tựu trong các lĩnh vực nghiên cứu mới như sinh học tổng hợp,
thu giữ cacbon với chi phí thấp, các hệ thống thông tin lượng tử, kỹ thuật hình thái học
thần kinh, địa kỹ thuật sử dụng hạt nano, và các công nghệ mới nổi và hội tụ khác.
• Sự phát triển của công nghệ nano trong thập niên tới sẽ cho phép thiết kế một
cách có hệ thống và chế tạo các sản phẩm công nghệ nano từ các nguyên lý cơ bản,
thông qua các chiến lược thiết kế dựa vào mô phỏng sử dụng ngày càng nhiều khoa
học cơ bản trong NC&PT định hướng ứng dụng.
• Sự phát triển công nghệ nano sẽ cho phép gia tăng công suất của máy tính gấp
khoảng 100.000 lần từ năm 2010 và sẽ thiết lập hàng tỷ mạng cảm biến vào năm 2020.
• Y học nano sẽ tạo ra cách mạng hóa phương thức chẩn đoán và điều trị cho con người,
và trong hầu hết các trường hợp sẽ làm giảm đáng kể chi phí chăm sóc sức khỏe. Các hệ
thống chẩn đoán tại chỗ và cá nhân hóa sẽ được sử dụng rộng rãi để xác định nhanh chóng
25