Ứng dụng công nghệ Nano
CÔNG NGHỆ NANO VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN
Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm nào đó có liên
quan đến hai chữ “nano”. Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực sự là một vấn đề mang nhiều sự
hoài nghi về tính khả thi, nhưng trong thời đại ngày nay ta có thể thấy được công nghệ nano trở
thành một vấn đề hết sức thời sự và được sự quan tâm nhiều hơn của các nhà khoa học. Các nước
trên thế giới hiện nay đang bước vào một cuộc chạy đua mới về phát triển và ứng dụng công
nghệ nano.
I. Khái niệm về công nghệ Nano
− Công nghệ nano, đọc là công nghệ nanô (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan
đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều
khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm,1nm = 10
-9
m). Ranh giới giữa công nghệ
nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu
nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:
• Cơ sở khoa học nano
• Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nm
• Chế tạo vật liệu nano
• Ứng dụng vật liệu nano
− Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet. Công nghệ nano tìm cách
lấy phân tử đơn nguyên tử nhỏ để lắp ráp ra những vật to kích cỡ bình thường để sử dụng, đây là
cách làm từ nhỏ đến to khác với cách làm thông thường từ trên xuống dưới, từ to đến nhỏ.
− Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard
Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến
từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được
sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử
dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.
− Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano được điều chế
bằng nhiều cách khác nhau. Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu
truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài của

kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi.
Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó
có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu.
− Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa
học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học
và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
− Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-
down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo
hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp
hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
 Phương pháp từ trên xuống: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể
khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano.Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền
nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm
vật liệu kết cấu).
 Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi
được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền 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 kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt
nano).
 Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự
biến dạng cự lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển
hình. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. 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 các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp
có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo
ra các cấu trúc nano phức tạp.
 Phương pháp từ dưới lên: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương
pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối
cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này.
Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp

− Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc 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 tìm ẩn trong chúng.
Những phức tạp này cũng mở đuờng 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 micrômét.
− Khoa học nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm tường
tận. Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất.
− 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 dang nguyên
thể (bulk) không thể thấy đuợc.
− Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanômét, các điện tử không còn di
chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ lượng tử của các điện tử biểu
hiện ra ở dạng sóng. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng 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 bao gồm, chẳng hạn
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 dầy đặc hơn trên một chíp mà còn có thể hoạt động nhanh hơn, với
ít điện tử 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 điều chỉnh kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật
chất ở dạng nguyên thể.
3
Ứng dụng công nghệ Nano
 Thí dụ: Chấm lượng tử, đuợc viết tắt là QD (quantum dots). Một QD là một hạt
vật chất có kich thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất
của nó theo một cách hữu ích nào đó. Do sự hạn chế về không gian (hoặc sự giam hãm) của
những điện tử và lỗ trống trong vật chất (một lỗ trống hình thành do sự vắng mặt của một địên
tử; một lỗ trống hoạt động như là một điện tích dương), hiệu ứng lượng tử xuất phát và làm cho

* Vật liệu nano composite polymer có các ứng dụng tiêu biểu như sau:
• Ống nano carbon:Composite sợi carbon trước đây rất nổi tiếng vì nhẹ, bền, ít bị
tác dụng hóa học nếu thay sợi carbon bằng ống nanocarbon chắc chắn sẽ làm vật liệu nhẹ hơn
nhiều, được sử dụng trên các phương tiện cần giảm trọng lượng như máy bay…Hiện nay, sợi
carbon và các bó ống carbon đa lớp được dùng gia cường cho polymer để điều khiển và nâng cao
tính dẫn, dùng làm bao bì chống tĩnh điện hay làm vật liệu cấy vào cơ thể vì carbon dễ tương hợp
với xương, mô…, làm các màng lọc cũng như linh kiện quang phi tuyến. Một hướng mới hiện
4
Ứng dụng công nghệ Nano
nay là dùng ống nano carbon để gia cường cho polymer nhưng không phải để tạo ra cấu trúc
nanocomposite mà để thay đổi tính chất quang điện của polymer.
 Ví dụ như PPV (m-phenylenevinylene-co-dioctoxy-p-phenylenevinylene) sau khi
được gia cường với ống nano carbon, độ dẫn điện tăng lên 8 lần, bền cơ lý hơn PMMA/ống
carbon nano được dùng làm kính hiển vi quang học dưới điện trường một chiều áp vào là
0.3kV/mm.
• Hạt nano: Đất sét chứa các hạt nano là loại vật liệu xây dựng lâu đời. Hiện nay,
polymer gia cường bằng đất sét (nanoclay) được ứng dụng khá nhiều như dùng trong bộ phận
hãm xe hơi. Ngoài ra có thể sử dụng hạt carbon đen có kích thước 10 đến 100 nm để gia cường
cho vỏ xe hơi. Polymer/đất sét có thể làm vật liệu chống cháy, ví dụ như một số loại
nanocomposite của Nylon 6/silicate, PS/layered silicate…hay vật liệu dẫn điện như
nanocomposite PEO/Li-MMT (MMT = Montmorillonite) dùng trong pin, vật liệu phân hủy sinh
học như PCL/MMT hay PLA/MMT. Ngoài ra, khi các polymer như ABS, PS, PVA…được gia
cường hạt đất sét khác nhau sẽ cải thiện đáng kể tính chất cơ lý của polymer và có những ứng
dụng khác nhau như ABS/MMT làm khung xe hơi hay khung máy bay, PMMA/MMT làm kính
chắn gió, PVA/MMT làm bao bì…Các hạt nano được sử dụng trong sơn có thể cải thiện đáng kể
tính chất như làm cho lớp sơn mỏng hơn, nhẹ hơn, sử dụng trong máy bay nhằm giảm trọng
lượng máy bay. Ngoài đất sét ra thì trong vật liệu nanocomposite polymer còn sử dụng các hạt ở
kích thước nanomet như hạt CuS, CdS, CdSe…
 Ví dụ như PVA với hàm lượng hạt CuS (~20nm-12nm) là 15-20% thể tích cho độ
dẫn điện cao nhất, trong khi nếu các hạt CuS ở kích thước 10µm, muốn đạt được độ dẫn điện