Công nghệ nano – Wikipedia tiếng Việt

Công nghệ nano là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho các mục đích công nghiệp. Mô tả phổ biến sớm nhất về công nghệ nano đề cập đến mục tiêu công nghệ cụ thể là thao tác chính xác các nguyên tử và phân tử để chế tạo các sản phẩm có quy mô vĩ mô, ngày nay còn được gọi là công nghệ nano phân tử.[1][2] Sau đó, một mô tả khái quát hơn về công nghệ nano đã được thiết lập bởi Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia, định nghĩa công nghệ nano là sự điều khiển vật chất với ít nhất một kích thước có kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Định nghĩa này phản ánh thực tế rằng các hiệu ứng cơ lượng tử rất quan trọng ở quy mô lĩnh vực lượng tử này, và do đó định nghĩa đã chuyển từ một mục tiêu công nghệ cụ thể sang một hạng mục nghiên cứu bao gồm tất cả các loại nghiên cứu và công nghệ xử lý các tính chất đặc biệt của vật chất. dưới ngưỡng kích thước đã cho. Do đó, người ta thường xem dạng số nhiều “công nghệ nano” cũng như “công nghệ kích thước nano” để chỉ phạm vi rộng của các nghiên cứu và ứng dụng có đặc điểm chung là kích thước.

Công nghệ nano được xác lập theo size là to lớn một cách tự nhiên, gồm có những nghành khoa học phong phú như khoa học mặt phẳng, hóa học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, tàng trữ nguồn năng lượng, [ 3 ] [ 4 ] kỹ thuật, [ 5 ] sản xuất vi mô, [ 6 ] và kỹ thuật phân tử. [ 7 ] Các điều tra và nghiên cứu và ứng dụng tương quan cũng phong phú như nhau, từ lan rộng ra của vật lý thiết bị thường thì đến những cách tiếp cận trọn vẹn mới dựa trên quy trình tự lắp ráp phân tử, [ 8 ] từ việc tăng trưởng những vật tư mới với size trên quy mô nano đến tinh chỉnh và điều khiển trực tiếp vật chất ở quy mô nguyên tử .

Các nhà khoa học hiện đang tranh luận về những tác động của công nghệ nano trong tương lai. Công nghệ nano có thể tạo ra nhiều vật liệu và thiết bị mới với rất nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học năng lượng và các sản phẩm tiêu dùng. Mặt khác, công nghệ nano đặt ra nhiều vấn đề tương tự như bất kỳ công nghệ mới nào, bao gồm những lo ngại về tính độc hại và tác động môi trường của vật liệu nano,[9] và những tác động tiềm tàng của chúng đối với kinh tế toàn cầu, cũng như suy đoán về các kịch bản ngày tận thế khác nhau. Những lo ngại này đã dẫn đến một cuộc tranh luận giữa các nhóm vận động và chính phủ về việc liệu các quy chế về công nghệ nano có được đảm bảo hay không.

Các khái niệm về công nghệ nano lần đầu tiên được thảo luận vào năm 1959 bởi nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman trong bài nói chuyện There’s Plenty of Room at the Bottom, trong đó ông mô tả khả năng tổng hợp thông qua thao tác trực tiếp với các nguyên tử.

Năm 1960, kỹ sư Ai Cập Mohamed Atalla và kỹ sư Nước Hàn Dawon Kahng tại Bell Labs đã sản xuất MOSFET ( bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại-oxide-bán dẫn ) tiên phong với độ dày cổng oxide 100 nm, cùng với chiều dài cổng 20 µm. [ 10 ] Năm 1962, Atalla và Kahng bịa đặt một nanolayer – base ngã ba sắt kẽm kim loại bán dẫn ( khớp nối M-S ) transistor mà được sử dụng màng mỏng mảnh vàng ( Au ) với độ dày 10 nm. [ 11 ]
So sánh kích cỡ vật tư nano

Thuật ngữ “công nghệ nano” được Norio Taniguchi sử dụng lần đầu tiên vào năm 1974, mặc dù nó không được biết đến rộng rãi. Lấy cảm hứng từ các khái niệm của Feynman, K. Eric Drexler đã sử dụng thuật ngữ “công nghệ nano” trong cuốn sách năm 1986 của ông Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, đề xuất ý tưởng về một “nhà lắp ráp” kích thước nano có thể tạo ra một bản sao của chính nó và của các mục khác có độ phức tạp tùy ý với điều khiển nguyên tử. Cũng trong năm 1986, Drexler đồng sáng lập Viện Foresight (mà ông không còn trực thuộc) để giúp nâng cao nhận thức và hiểu biết của cộng đồng về các khái niệm và ý nghĩa công nghệ nano.

Sự Open của công nghệ tiên tiến nano như một nghành vào những năm 1980 đã xảy ra trải qua sự quy tụ của khu công trình triết lý và công khai minh bạch của Drexler, đã tăng trưởng và phổ cập một khung khái niệm cho công nghệ tiên tiến nano, và những tân tiến thực nghiệm có năng lực hiển thị cao lôi cuốn sự quan tâm trên quy mô rộng hơn đến triển vọng điều khiển và tinh chỉnh nguyên tử của yếu tố. Kể từ khi mức độ thông dụng tăng đột biến vào những năm 1980, hầu hết công nghệ tiên tiến nano đã tương quan đến việc nghiên cứu và điều tra một số ít cách tiếp cận để sản xuất những thiết bị cơ khí từ một số lượng nhỏ nguyên tử. [ 12 ]Trong những năm 1980, hai bước cải tiến vượt bậc lớn đã thôi thúc sự tăng trưởng của công nghệ tiên tiến nano trong kỷ nguyên tân tiến. Đầu tiên, việc ý tưởng ra kính hiển vi quét đường hầm vào năm 1981, cung ứng hình ảnh chưa từng có về những nguyên tử và link riêng không liên quan gì đến nhau, và được sử dụng thành công xuất sắc để tinh chỉnh và điều khiển những nguyên tử riêng không liên quan gì đến nhau vào năm 1989. Các nhà tăng trưởng kính hiển vi là Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Zurich của IBM đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 1986. [ 13 ] [ 14 ] Binnig, Quate và Gerber cũng đã ý tưởng ra kính hiển vi lực nguyên tử tương tự như vào năm đó .
60, còn được gọi là Buckminsterfullerene C, còn được gọi là buckyball, là một thành viên tiêu biểu vượt trội của cấu trúc carbon được gọi là fullerenes. Các thành viên của mái ấm gia đình fullerene là đối tượng người dùng điều tra và nghiên cứu chính của công nghệ tiên tiến nano .Thứ hai, fullerenes được phát hiện vào năm 1985 bởi Harry Kroto, Richard Smalley và Robert Curl, những người đã cùng nhau đoạt giải Nobel Hóa học năm 1996. [ 15 ] [ 16 ] C 60 khởi đầu không được miêu tả là công nghệ tiên tiến nano ; thuật ngữ này đã được sử dụng tương quan đến việc làm tiếp theo với những ống graphene tương quan ( được gọi là ống nano carbon và nhiều lúc được gọi là ống Bucky ), đề xuất kiến nghị những ứng dụng tiềm năng cho thiết bị và điện tử kích cỡ nano. Việc phát hiện ra ống nano carbon phần nhiều là do Sumio Iijima của NEC của NEC vào năm 1991, [ 17 ] mà Iijima đã giành được phần thưởng Kavli mở đầu năm 2008 về Khoa học nano .Năm 1987, Bijan Davari dẫn đầu một nhóm điều tra và nghiên cứu của IBM đã trình diễn MOSFET tiên phong có độ dày oxide cổng 10 nm, sử dụng công nghệ tiên tiến cổng wolfram. [ 18 ] MOSFET đa cổng cho phép lan rộng ra quy mô dưới độ dài cổng 20 nm, khởi đầu với FinFET ( bóng bán dẫn hiệu ứng trường vây ), một MOSFET cổng đôi, không phẳng, ba chiều. [ 19 ] FinFET bắt nguồn từ điều tra và nghiên cứu của Digh Hisamoto tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Trung tâm Hitachi vào năm 1989. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] Tại UC Berkeley, những thiết bị FinFET được sản xuất bởi một nhóm gồm có Hisamoto cùng với Chenming Hu của TSMC và những nhà nghiên cứu quốc tế khác gồm có Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor, Hideki Takeuchi, K. Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shibly Ahmed và Cyrus Tabery. Nhóm đã sản xuất những thiết bị FinFET xuống còn 17 nm vào năm 1998, và sau đó là 15 nm năm 2001. Năm 2002, một nhóm gồm có Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor và Tabery đã sản xuất ra thiết bị FinFET kích cỡ 10 nm. [ 19 ]Vào đầu những năm 2000, nghành nghề dịch vụ này đã lôi cuốn được sự chú ý quan tâm ngày càng tăng của giới khoa học, chính trị và thương mại, dẫn đến cả tranh cãi và tân tiến. Các cuộc tranh cãi đã Open tương quan đến những định nghĩa và ý nghĩa tiềm tàng của công nghệ tiên tiến nano, được vật chứng bởi báo cáo giải trình của Thương Hội Hoàng gia về công nghệ tiên tiến nano. [ 24 ] Những thử thách đã được đặt ra tương quan đến tính khả thi của những ứng dụng được tưởng tượng bởi những người ủng hộ công nghệ tiên tiến nano phân tử, mà đỉnh điểm là cuộc tranh luận công khai minh bạch giữa Drexler và Smalley vào năm 2001 và 2003. [ 25 ]Trong khi đó, việc thương mại kinh doanh hóa những mẫu sản phẩm dựa trên những tân tiến của công nghệ tiên tiến size nano khởi đầu Open. Các mẫu sản phẩm này được số lượng giới hạn trong những ứng dụng hàng loạt của vật tư nano và không tương quan đến việc trấn áp nguyên tử của vật chất. Một số ví dụ gồm có nền tảng Silver Nano để sử dụng những hạt nano bạc làm chất kháng khuẩn, kem chống nắng trong suốt dựa trên hạt nano, tăng cường sợi carbon bằng cách sử dụng hạt nano silica và ống nano carbon cho vải dệt chống ố. [ 26 ] [ 27 ]Các chính phủ nước nhà đã chuyển sang thôi thúc và hỗ trợ vốn cho nghiên cứu và điều tra về công nghệ tiên tiến nano, ví dụ điển hình như ở Mỹ với Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia, tổ chức triển khai đã chính thức hóa định nghĩa dựa trên size của công nghệ tiên tiến nano và thiết lập hỗ trợ vốn cho điều tra và nghiên cứu về quy mô nano và ở Châu Âu trải qua những Chương trình Khung Châu Âu về Nghiên cứu và Phát triển công nghệ tiên tiến .Đến giữa những năm 2000, sự quan tâm khoa học trang nghiêm và mới mẻ và lạ mắt khởi đầu tăng trưởng. Các dự án Bất Động Sản Open để đưa ra lộ trình công nghệ tiên tiến nano [ 28 ] [ 29 ] tập trung chuyên sâu vào thao tác đúng mực nguyên tử của vật chất và luận bàn về những năng lực, tiềm năng và ứng dụng hiện có và dự kiến .Năm 2006, một nhóm những nhà nghiên cứu Nước Hàn từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nước Hàn ( KAIST ) và Trung tâm Nano Fab Quốc gia đã tăng trưởng MOSFET 3 nm, thiết bị điện tử nano nhỏ nhất quốc tế. Nó dựa trên công nghệ FinFET toàn cổng ( GAA ). [ 30 ] [ 31 ]Hơn 60 vương quốc đã tạo ra những chương trình nghiên cứu và điều tra và tăng trưởng công nghệ tiên tiến nano ( R&D ) của chính phủ nước nhà từ năm 2001 đến năm 2004. Nguồn hỗ trợ vốn của cơ quan chính phủ đã vượt quá tiêu tốn của công ty cho điều tra và nghiên cứu và tăng trưởng công nghệ tiên tiến nano, với phần nhiều hỗ trợ vốn đến từ những tập đoàn lớn có trụ sở tại Hoa Kỳ, Nhật Bản và Đức. Năm tổ chức triển khai số 1 đã nộp nhiều bằng bản quyền sáng tạo trí tuệ nhất về R&D công nghệ tiên tiến nano từ năm 1970 đến 2011 là Samsung Electronics ( 2,578 văn bằng bản quyền trí tuệ tiên phong ), Nippon Steel ( 1,490 bằng bản quyền sáng tạo tiên phong ), IBM ( 1,360 văn bằng bản quyền trí tuệ tiên phong ), Toshiba ( 1,298 văn bằng bản quyền trí tuệ tiên phong ) và Canon ( 1.162 văn bằng bản quyền trí tuệ tiên phong ). Năm tổ chức triển khai số 1 xuất bản nhiều bài báo khoa học nhất về điều tra và nghiên cứu công nghệ tiên tiến nano từ năm 1970 đến 2012 là Viện Khoa học Trung Quốc, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Trung tâm National de la recherche scientifique, Đại học Tokyo và Đại học Osaka. [ 32 ]

Các khái niệm cơ bản[sửa|sửa mã nguồn]

Công nghệ nano là kỹ thuật của những mạng lưới hệ thống công dụng ở quy mô phân tử. Điều này gồm có cả việc làm hiện tại và những khái niệm nâng cao hơn. Theo nghĩa gốc của nó, công nghệ tiên tiến nano đề cập đến năng lực dự kiến kiến thiết xây dựng những hạng mục từ dưới lên, sử dụng những kỹ thuật và công cụ đang được tăng trưởng ngày này để tạo ra những mẫu sản phẩm hoàn hảo, hiệu suất cao .

Một nanomet (nm) là một phần tỷ, hay 10 −9, của một mét. Để so sánh, độ dài liên kết cacbon-cacbon điển hình, hoặc khoảng cách giữa các nguyên tử này trong phân tử, nằm trong khoảng 0.12–0.15 nm và một chuỗi xoắn kép DNA có đường kính khoảng 2 nm. Mặt khác, các dạng sống tế bào nhỏ nhất, vi khuẩn thuộc giống Mycoplasma, có khoảng 200 chiều dài nm. Theo quy ước, công nghệ nano được coi là phạm vi thang đo 1 to 100 nm theo định nghĩa được sử dụng bởi Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia ở Hoa Kỳ. Giới hạn dưới được thiết lập bởi kích thước của các nguyên tử (hydro có các nguyên tử nhỏ nhất, với đường kính động học khoảng 1/4 nm) vì công nghệ nano phải chế tạo các thiết bị của nó từ các nguyên tử và phân tử. Giới hạn trên ít nhiều là tùy ý nhưng là khoảng chặn dưới kích thước mà các hiện tượng không quan sát được trong các cấu trúc lớn hơn bắt đầu trở nên rõ ràng và có thể được sử dụng trong thiết bị nano.[33] Những hiện tượng mới này làm cho công nghệ nano khác biệt với các thiết bị chỉ đơn thuần là phiên bản thu nhỏ của một thiết bị vĩ mô tương đương; các thiết bị như vậy ở quy mô lớn hơn và được mô tả bằng công nghệ vi mô.[34]

Để cho dễ tưởng tượng, kích cỡ so sánh của nanomet với một mét cũng giống như kích cỡ của một viên bi với size của Trái đất. [ 35 ] Hay nói một cách khác : nanomet là độ dài râu của một người đàn ông trung bình mọc trong thời hạn anh ta đưa dao cạo lên mặt. [ 35 ]Hai cách tiếp cận chính được sử dụng trong công nghệ tiên tiến nano. Trong giải pháp tiếp cận ” từ dưới lên “, những vật tư và thiết bị được sản xuất từ những thành phần phân tử tự lắp ráp về mặt hóa học bằng những nguyên tắc nhận biết phân tử. [ 36 ] Trong cách tiếp cận ” từ trên xuống “, những đối tượng người tiêu dùng nano được thiết kế xây dựng từ những thực thể lớn hơn mà không có sự trấn áp ở Lever nguyên tử. [ 37 ]Các nghành nghề dịch vụ vật lý như điện tử nano, cơ học nano, quang âm nano và nanoionics đã tăng trưởng trong vài thập kỷ qua để phân phối nền tảng khoa học cơ bản của công nghệ tiên tiến nano .

Lớn hơn đến nhỏ hơn : góc nhìn vật tư[sửa|sửa mã nguồn]

Một số hiện tượng trở nên rõ rệt khi kích thước của hệ thống giảm đi. Chúng bao gồm các hiệu ứng cơ học thống kê, cũng như các hiệu ứng cơ lượng tử, ví dụ như “hiệu ứng kích thước lượng tử ” trong đó các đặc tính điện tử của chất rắn bị thay đổi với sự giảm kích thước hạt lớn. Hiệu ứng này không phát huy tác dụng khi đi từ kích thước vĩ mô sang vi mô. Tuy nhiên, các hiệu ứng lượng tử có thể trở nên quan trọng khi đạt đến phạm vi kích thước nanomet, thường là ở khoảng cách 100 nanomet trở xuống, điều này gọi là lĩnh vực lượng tử. Ngoài ra, một số đặc tính vật lý (cơ, điện, quang học, v.v.) thay đổi khi so sánh với các hệ thống vĩ mô. Một ví dụ là sự gia tăng diện tích bề mặt trên tỷ lệ thể tích làm thay đổi các tính chất cơ học, nhiệt và xúc tác của vật liệu. Sự khuếch tán và phản ứng ở kích thước nano, vật liệu cấu trúc nano và thiết bị nano có vận chuyển ion nhanh thường được gọi là nanoionics. Các đặc tính cơ học của hệ thống nano được quan tâm trong nghiên cứu cơ học nano. Hoạt tính xúc tác của vật liệu nano cũng mở ra những rủi ro tiềm tàng trong tương tác của chúng với vật liệu sinh học.

Vật liệu giảm xuống size nano hoàn toàn có thể cho thấy những đặc tính khác nhau so với những gì chúng bộc lộ trên khoanh vùng phạm vi macro, được cho phép tạo ra những ứng dụng độc lạ. Ví dụ, những chất không trong suốt hoàn toàn có thể trở nên trong suốt ( đồng ) ; vật tư không thay đổi hoàn toàn có thể biến thành chất dễ cháy ( nhôm ) ; vật tư không hòa tan hoàn toàn có thể trở nên hòa tan ( vàng ). Một vật tư như vàng, trơ về mặt hóa học ở quy mô thường thì, hoàn toàn có thể đóng vai trò như một chất xúc tác hóa học mạnh ở quy mô nano. Phần lớn niềm đam mê với công nghệ tiên tiến nano bắt nguồn từ những hiện tượng kỳ lạ lượng tử và mặt phẳng mà vật chất bộc lộ ở size nano. [ 38 ]

Từ đơn thuần đến phức tạp : góc nhìn phân tử[sửa|sửa mã nguồn]

Hóa học tổng hợp tân tiến đã đạt đến mức hoàn toàn có thể điều chế những phân tử nhỏ thành hầu hết mọi cấu trúc. Những giải pháp này được sử dụng thời nay để sản xuất nhiều loại hóa chất có ích như dược phẩm hoặc polyme thương mại. Khả năng này đặt ra câu hỏi về việc lan rộng ra loại trấn áp này lên Lever lớn hơn tiếp theo, tìm kiếm những giải pháp để lắp ráp những phân tử đơn lẻ này thành những tập hợp siêu phân tử gồm có nhiều phân tử được sắp xếp theo một cách xác lập rõ ràng .Những cách tiếp cận này sử dụng những khái niệm về tự lắp ráp phân tử và / hoặc hóa học siêu phân tử để tự động hóa sắp xếp chúng thành một số ít cấu trúc hữu dụng trải qua cách tiếp cận từ dưới lên. Khái niệm nhận dạng phân tử đặc biệt quan trọng quan trọng : những phân tử hoàn toàn có thể được phong cách thiết kế sao cho một thông số kỹ thuật hoặc cách sắp xếp đơn cử được yêu thích do những lực liên phân tử không cộng hóa trị. Các quy tắc basepairing Watson-Crick là hiệu quả trực tiếp của điều này, cũng như tính đặc hiệu của một enzym được nhắm tiềm năng vào một cơ chất duy nhất, hoặc sự gấp nếp đơn cử của chính protein. Do đó, hai hoặc nhiều thành phần hoàn toàn có thể được phong cách thiết kế để bổ trợ và mê hoặc lẫn nhau để chúng tạo nên một toàn diện và tổng thể phức tạp và hữu dụng hơn .Các chiêu thức từ dưới lên như vậy sẽ có năng lực sản xuất những thiết bị song song và rẻ hơn nhiều so với giải pháp từ trên xuống, nhưng hoàn toàn có thể bị quá tải khi size và độ phức tạp của việc lắp ráp mong ước tăng lên. Hầu hết những cấu trúc hữu dụng yên cầu sự sắp xếp phức tạp và không chắc về mặt nhiệt động lực học của những nguyên tử. Tuy nhiên, có rất nhiều ví dụ về sự tự lắp ráp dựa trên nhận dạng phân tử trong sinh học, đáng quan tâm nhất là tương tác giữa cơ sở Watson-Crick và cơ chất của enzyme. Thách thức so với công nghệ tiên tiến nano là liệu những nguyên tắc này hoàn toàn có thể được sử dụng để phong cách thiết kế những cấu trúc mới ngoài những cấu trúc tự nhiên hay không .

Công nghệ nano phân tử : tầm nhìn dài hạn[sửa|sửa mã nguồn]

Công nghệ nano phân tử, đôi lúc được gọi là sản xuất phân tử, miêu tả những mạng lưới hệ thống nano được phong cách thiết kế ( máy nano ) hoạt động giải trí trên quy mô phân tử. Công nghệ nano phân tử đặc biệt quan trọng gắn liền với bộ lắp ráp phân tử, một cỗ máy hoàn toàn có thể tạo ra cấu trúc mong ước hoặc thiết bị từng nguyên tử bằng cách sử dụng những nguyên tắc cơ học tổng hợp. Sản xuất trong toàn cảnh mạng lưới hệ thống nano hiệu suất không tương quan đến và cần được phân biệt rõ ràng với những công nghệ thông thường được sử dụng để sản xuất vật tư nano như ống nano cacbon và hạt nano .Khi thuật ngữ ” công nghệ tiên tiến nano ” được đặt ra và phổ cập một cách độc lập bởi Eric Drexler ( người lúc đó không biết về cách sử dụng trước đó của Norio Taniguchi ), nó đề cập đến một công nghệ tiên tiến sản xuất trong tương lai dựa trên những mạng lưới hệ thống máy phân tử. Tiền đề là sự tương tự sinh học quy mô phân tử của những thành phần máy móc truyền thống lịch sử đã chứng tỏ máy móc phân tử là hoàn toàn có thể triển khai được : bằng vô số ví dụ được tìm thấy trong sinh học, người ta biết rằng hoàn toàn có thể sản xuất những máy sinh học phức tạp, được tối ưu hóa ngẫu nhiên .

Người ta hy vọng rằng những phát triển trong công nghệ nano sẽ có thể tạo ra chúng bằng một số phương tiện khác, có lẽ là sử dụng các nguyên tắc mô phỏng sinh học. Tuy nhiên, Drexler và các nhà nghiên cứu khác [39] đã đề xuất rằng công nghệ nano tiên tiến, mặc dù ban đầu có thể được thực hiện bằng các phương tiện phỏng sinh học, nhưng cuối cùng có thể dựa trên các nguyên tắc kỹ thuật cơ học, cụ thể là, một công nghệ sản xuất dựa trên chức năng cơ học của các thành phần này (chẳng hạn như bánh răng, vòng bi, động cơ và các bộ phận kết cấu) cho phép lắp ráp vị trí, có thể lập trình được với đặc điểm kỹ thuật nguyên tử.[40] Hiệu suất vật lý và kỹ thuật của các thiết kế mẫu đã được phân tích trong cuốn sách Nanosystems của Drexler.

Nói chung, rất khó để lắp ráp các thiết bị ở quy mô nguyên tử, vì người ta phải định vị các nguyên tử trên các nguyên tử khác có kích thước và độ dính tương đương. Một quan điểm khác, được đưa ra bởi Carlo Montemagno,[41] là các hệ thống nano trong tương lai sẽ là sự lai tạo của công nghệ silicon và máy móc phân tử sinh học. Richard Smalley lập luận rằng tổng hợp cơ học là không thể do những khó khăn trong thao tác cơ học các phân tử riêng lẻ.

Điều này dẫn đến một cuộc trao đổi thư từ trên ấn phẩm ACS Chemical và Engineering News năm 2003. [ 42 ] Mặc dù sinh học chứng tỏ rõ ràng rằng những mạng lưới hệ thống máy phân tử là hoàn toàn có thể thực thi được, nhưng những máy phân tử không phải sinh học ngày này mới chỉ ở quá trình sơ khai. Đi đầu trong nghiên cứu và điều tra về máy phân tử phi sinh học là Tiến sĩ Alex Zettl và những đồng nghiệp của ông tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley và UC Berkeley. [ 1 ] Họ đã sản xuất tối thiểu ba thiết bị phân tử riêng không liên quan gì đến nhau có hoạt động được điều khiển và tinh chỉnh từ máy tính để bàn với điện áp biến hóa : một động cơ nano ống nano, một bộ truyền động phân tử, [ 43 ] và một bộ xê dịch thư giãn giải trí cơ điện nano. [ 44 ] Xem cảm ứng nano ống nano để biết thêm ví dụ .Một thí nghiệm chỉ ra rằng sự lắp ráp phân tử theo vị trí là hoàn toàn có thể được thực thi bởi Ho và Lee tại Đại học Cornell vào năm 1999. Họ sử dụng kính hiển vi quét đường hầm để chuyển dời một phân tử cacbon monoxide ( CO ) đến một nguyên tử sắt ( Fe ) riêng không liên quan gì đến nhau nằm trên một tinh thể bạc phẳng, và link hóa học CO với Fe bằng cách đặt một hiệu điện thế .

Phương pháp từ trên xuống[sửa|sửa mã nguồn]

Nguyên lý : dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật tư thể khối với tổ chức triển khai hạt thô thành cỡ hạt size nano. Đây là những giải pháp đơn thuần, rẻ tiền nhưng rất hiệu suất cao, hoàn toàn có thể triển khai cho nhiều loại vật tư với kích cỡ khá lớn ( ứng dụng làm vật tư cấu trúc ). Trong chiêu thức nghiền, vật tư ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ những vật tư rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền hoàn toàn có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay ( còn gọi là nghiền kiểu hành tinh ). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến size nano. Kết quả thu được là vật tư nano không chiều ( những hạt nano ). Phương pháp biến dạng được sử dụng với những kỹ thuật đặc biệt quan trọng nhằm mục đích tạo ra sự biến dạng cực lớn ( hoàn toàn có thể > 10 ) mà không làm phá huỷ vật tư, đó là những giải pháp SPD nổi bật. Nhiệt độ hoàn toàn có thể được kiểm soát và điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp đơn cử. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là những vật tư nano một chiều ( dây nano ) hoặc hai chiều ( lớp có chiều dày nm ). Ngoài ra, lúc bấy giờ người ta thường dùng những chiêu thức quang khắc để tạo ra những cấu trúc nano .

Phương pháp từ dưới lên[sửa|sửa mã nguồn]

Nguyên lý : hình thành vật tư nano từ những nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được tăng trưởng rất can đảm và mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của mẫu sản phẩm sau cuối. Phần lớn những vật tư nano mà tất cả chúng ta dùng lúc bấy giờ được sản xuất từ chiêu thức này. Phương pháp từ dưới lên hoàn toàn có thể là giải pháp vật lý, chiêu thức hóa học hoặc phối hợp cả hai .

Hướng ứng dụng chung[sửa|sửa mã nguồn]

Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những công dụng mà trước kia chưa có. Chúng hoàn toàn có thể được lắp ráp trong những vật tư TT cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt quan trọng cho những loại sản phẩm mới và rất hữu dụng .

Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vật liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory).

Những phức tạp này hoàn toàn chưa được khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tiềm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đường cho sự tiếp cận với những hệ phi tuyến phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micromet.

Khoa học nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm tường tận. Nó hứa hẹn nhiều ý tưởng kỹ thuật lý thú nhất .

Các nguyên tắc và hiệu ứng dụng[sửa|sửa mã nguồn]

Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thuớc. Vật chất khi ở dạng vi thể (nano size) có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dạng nguyên thể (bulk) không thể thấy được.

Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanomet, những electron không còn chuyển dời trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ lượng tử của những điện tử bộc lộ ra ở dạng sóng. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng kỳ lạ lượng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới. Một vài hệ quả của hiệu ứng lượng tử gồm có, ví dụ điển hình như :

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

Bằng cách kiểm soát và điều chỉnh kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô hoàn toàn có thể trở nên khác xa với vật chất ở dạng nguyên thể .

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

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

Mối quan hệ này mở đường cho sự phát minh sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những đặc thù mong ước, không riêng gì bởi biến hóa thành phần hóa học của những cấu tử, mà còn bởi sự kiểm soát và điều chỉnh kích thuớc và hình dạng .

Các thiết bị dùng trong việc điều tra và nghiên cứu và quan sát những cấu trúc nano[sửa|sửa mã nguồn]

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

Những phương tiện dụng cụ khác gồm có :

Điều chế vật tư[sửa|sửa mã nguồn]

Những kỹ thuật lắp ráp các vi cấu trúc thành những kiểu mẫu cấu trúc được thấy nhiều nhất trong lãnh vực vi điện tử. Những kỹ thuật phổ biến bao gồm quang khắc (photolithography), quang khắc tia X (X-ray lithography), quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography), soft lithography, chùm ion hội tụ (focused ion beam), sol – gel.

Các chiêu thức đo lường và thống kê[sửa|sửa mã nguồn]

Bên cạnh thực nghiệm, việc nghiên cứu các vi cấu trúc có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phép tính lượng tử (chẳng hạn như hoá lượng tử) và mô phỏng (simulation). Phương pháp ab initio là phương pháp phổ biến nhất hiện nay.

Những thí dụ gồm có ab initio molecular dynamics, quantum Monte Carlo, quantum mechanics, v.v. Những chiêu thức này đặc biệt quan trọng hữu hiệu trong việc tìm hiểu và khám phá đặc thù của vật chất ở dạng vi mô do tại những vi cấu trúc chỉ chứa vài nguyên tử .
Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ tiên tiến nano. Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều chiêu thức điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để hoàn toàn có thể hạn chế những khối u tăng trưởng và tàn phá chúng ở Lever tế bào. Một nghiên cứu và điều tra đã cho hiệu quả rất khả quan khi sử dụng những hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư. Các hạt nano này sẽ được đưa đến những khối u bên trong khung hình, sau đó hoàn toàn có thể dùng những tia thích hợp gồm có siêu âm, laser, hồng ngoại để kích hoạt hạt vàng gia nhiệt và nhiệt nóng sẽ tàn phá tế bào ung thư mà không hại tế bào lành khác. [ 45 ]Không dừng lại ở đó, những nhà khoa học còn điều tra và nghiên cứu một dự án Bất Động Sản nanorobot vô cùng đặc biệt quan trọng. Với những chú robot có size siêu nhỏ, hoàn toàn có thể đi vào bên trong khung hình con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận thiết yếu. Việc phân phối thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng năng lực cũng như hiệu suất cao điều trị .Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người chống lại căn bênh ung thư quái ác. Tuy nhiên, hạt nano vàng vẫn đang trong quy trình nghiên cứu và điều tra và thử nghiệm, nên tính bảo đảm an toàn trong việc sử dụng hạt nano vàng vẫn chưa cao, một số ít điều tra và nghiên cứu khoa học đã chỉ ra điều này :

Theo các nghiên cứu của Tedesco S (2010), trên con sò xanh, Browning LM (2010) trên phôi cá ngựa, De Jong WH (2008) trên chuột đã chỉ ra độc tố của vàng đối với môi trường biển, phát triển của phôi cá ngựa, và các độc ở gan, thận và hệ thần kinh trên chuột.

Đặc biệt, nghiên cứu của Browning chỉ ra có hơn 24% phôi cá ngựa bị chết khi hấp thụ ngẫu nhiên (random diffusion) hạt nano vàng, trong số 76% sống sót thì chỉ có 74% phôi phát triển bình thường.

Do vấn đề đạo đức mà chưa có nghiên cứu độc tố trên người nhưng có nhiều nghiên cứu trên tế bào người chỉ ra khả năng gây độc của hạt nano vàng đối với tế bào người (Powell AC). Do đó, để ứng dụng điều trị việc kiểm soát kích thước của hạt nano, liều lượng là cần thiết để đảm bảo không gây độc cho cơ thể.[45]

Những bộ vi giải quyết và xử lý được làm từ vật tư nano khá phổ cập trên thị trường, 1 số ít mẫu sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn. Pin nano trong tương lai sẽ có cấu trúc theo kiểu ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ khiến những cực của pin có diện tích quy hoạnh mặt phẳng lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó tàng trữ được nhiều điện năng hơn. Trong khi size của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại. [ 45 ]
Một sáng tạo độc đáo vô cùng đặc biệt quan trọng với loại quần áo có năng lực diệt vi trùng gây mùi hôi không dễ chịu trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc vận dụng những hạt nano bạc. Các hạt nano bạc này hoàn toàn có thể lôi cuốn những vi trùng và hủy hoại những tế bào của chúng. Ứng dụng hữu dụng này đã được vận dụng trên một số ít mẫu quần áo thể thao và đặc biệt quan trọng hơn là được sử dụng trong một loại quần lót khử mùi. [ 45 ]Không chỉ dừng lại ở hiệu quả khử mùi, công nghệ tiên tiến nano hoàn toàn có thể biến chiếc áo bạn đang mặc thành một trạm phát điện di động. Sử dụng những nguồn nguồn năng lượng như gió, nguồn năng lượng mặt trời và với công nghệ tiên tiến nano bạn sẽ hoàn toàn có thể sạc điện cho chiếc smartphone của mình mọi lúc mọi nơi. Ứng dụng này còn được sử dụng thoáng rộng hơn với ý tưởng sáng tạo sản xuất những chiếc buồm bằng vật tư nano, với năng lực chuyển hóa nguồn năng lượng tự nhiên thành điện năng. Tuy nhiên ứng dụng này vẫn đang trong quy trình thử nghiệm. [ 45 ]
Hiện nay tại Nước Ta đã có một số ít ứng dụng của công nghệ tiên tiến nano trong sản xuất những loại phân bón lá, thuốc trừ nấm bệnh cho cây cối .

Hai nguyên tố được tiếp cận đầu tiên ở dạng nano là nano bạc (Ag) và nano đồng (Cu). Đây là hai nguyên tố có tính chất kháng khuẩn mạnh và càng mạnh hơn khi nó được chia tách thành các hạt có kích thước nanomet. Nhưng trong hai nguyên tố này, có một nguyên tố là thành phần dinh dưỡng của cây và của con người, đó là đồng, cái còn lại (bạc Ag) thì không. Vì thế, đồng ở dạng nano được sử dụng như phân bón lẫn thuốc trừ nấm bệnh, vi khuẩn trên cây trồng, trở thành một loại thuốc BVTV không những không độc hại cho con người và môi trường mà còn giúp cung cấp dinh dưỡng vi lượng đồng cho cây với một liều lượng cực nhỏ vừa đủ, giúp cây thoát khỏi tình trạng bị ngộ độc do tích lũy đồng dư thừa trong đất.

Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]

  • Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, London (2004).
Rate this post
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments