CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO VÀ QUẠT TẢN NHIỆT 1.1 Tổng quan về công nghệ vật liệu nano 1.1 Khái niệm về công nghệ nano: Công nghệ nano 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 của các hạt và vật liệu trên quy mô từ 1 đến 100 nanomét (1 nm = 10-9 m) (hình 1. Các vật thể kích cỡ micro (kích thước cỡ 1 phần triệu mét) được sử dụng rộng rãi nhưng không gây nhiều kích động hay có được các tính chất kỳ lạ, đặc biệt như các vật thể kích cỡ nano. Nguyên nhân là vì các vật thể kích cỡ micro về cơ bản có những tính chất tương tự như vật liệu kích cỡ lớn. Còn ở kích cỡ nano, các tính chất cơ bản của vật liệu tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và thành phần một cách khác lạ so với bất cứ kích cỡ nào khác.
Như vậy, chúng ta có thể nói kích cỡ nano là một dạng khác của sự nhỏ bé. Sự phụ thuộc của các tính chất vào kích thước là nguyên nhân giúp cho các vật thể kích cỡ nano có tiềm năng ảnh hưởng đáng kể trong cả hai lĩnh vực khoa học và công nghệ.1: Các dạng kích thước vật liệu CBHD : TS.Dương Minh Tâm HV: Thái Hồng Kỳ PGS.Đặng Văn Nghìn Luận văn Thạc sĩ 14 a) CBHD : TS.Dương Minh Tâm HV: Thái Hồng Kỳ PGS.Đặng Văn Nghìn Luận văn Thạc sĩ 15 b) Hình 1.2: Minh họa kích thước so sánh của a) các vật trong tự nhiên và b) những sản phẩm mà con người đã làm được. (Nguồn: http://science.gov/~/media/bes/images/scale-of-things- 26may06.jpg) CBHD : TS.Dương Minh Tâm HV: Thái Hồng Kỳ PGS.Đặng Văn Nghìn Luận văn Thạc sĩ 16 Bảng 1: Một số tính chất phụ thuộc vào kích thước [1]: Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Bước sóng điện tử 10 ÷ 100 Tính chất điện Quãng đường tự do trung bình 1 ÷ 100 Hiệu ứng đường ngầm 1 ÷ 100 Độ dày vách đômen 1 ÷ 10 Tính chất từ Quãng đường tán xạ spin 10 ÷ 100 Giếng lượng tử 1 ÷ 100 Tính chất quang Độ dài suy giảm 1 ÷ 100 Độ sâu bề mặt kim loại 10 ÷ 100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1 ÷ 100 Tính chất siêu dẫn Độ thẩm thấu Meissner 1 ÷ 100 Tương tác bất định xứ 1 ÷ 1000 Biên hạt 1 ÷ 10 Tính chất cơ Bán kính bắt đầu có sự biến dạng 1 ÷ 100 Sai hỏng ngầm 0,1 ÷ 10 Độ nhăn bề mặt 1 ÷ 10 Tính chất xúc tác Hình học tôpô bề mặt 1 ÷ 10 Độ dài Kuhn 1 ÷ 100 Tính chất siêu phân tử Cấu trúc nhị cấp 1 ÷ 10 Cấu trúc tam cấp 10 ÷ 1000 Tính chất miễn dịch Nhận biết phân tử 1 ÷ 10 Rất khó có thể tiên liệu tới kích thước nào thì một vật liệu đặc trưng sẽ chuyển từ các tính chất thuộc kích cỡ lớn sang các tính chất thuộc kích cỡ nano. Thềm chuyển tiếp khác nhau tuỳ theo từng vật liệu và từng tính chất.
Chẳng hạn như vàng ở kích cỡ nano thay đổi màu dọc theo suốt dải kích cỡ nano (hình 1.3), nhưng các tính chất xúc tác phụ thuộc vào kích thước của vàng chỉ thay đổi nhiều khi mà kích thước xuống tới dưới 5 nanomét. Lịch sử nghiên cứu, ứng dụng vật liệu cấp độ nano và công nghệ nano bắt đầu từ bài phát biểu nổi tiếng của nhà bác học về nguyên tử và cơ học lượng tử Richard Feynman vào năm 1959 tại California Institute of Technology (Caltech, Mỹ) “ CBHD : TS.Dương Minh Tâm HV: Thái Hồng Kỳ PGS.Đặng Văn Nghìn Luận văn Thạc sĩ 17 There is plenty room at the bottom” (Có một lĩnh vực nghiên cứu mênh mông ở đáy kích cỡ nhỏ). Từ đó, đã khai sinh ra ngành khoa học và công nghệ nano, được đánh giá là ngành chủ yếu tác động thay đổi tiến bộ khoa học công nghệ thế kỷ thứ 21.3: Màu sắc của các nguyên tử Au, Ag tương ứng với các kích cỡ khác nhau. Công nghệ nano có thể phân làm hai lĩnh vực áp dụng chính: công nghệ chế tác nano và công nghệ vật liệu nano.
Công nghệ chế tác nano là các phương pháp gia công, chế tác tạo hình vật thể ở cấp độ kích thước dưới 100 nanomét. Công nghệ vật liệu nano là ngành kỹ thuật áp dụng các vật liệu và tính chất kích cỡ nano vào việc giải quyết một vấn đề hay phục vụ một mục đích. Mỗi khi các tính chất phụ thuộc kích thước của một vật liệu đặc trưng được phát hiện thì cánh cửa lại mở rộng cho những phương cách mới để sử dụng vật liệu ấy. Những áp dụng mới cũng có thể trở thành khả thi vì các vật thể kích cỡ nano hết sức nhỏ bé nên có thể đưa vào trong một môi trường (như cơ thể con người chằng hạn) mà không sợ gây tổn thương.
Sử dụng các tính chất đặc biệt xảy ra ở kích cỡ nano để phát triển các kỹ thuật mới được gọi là kỹ thuật nano. Kỹ thuật nano nhắm vào ba lĩnh vực sau đây: - Phát triển những dụng cụ mới để đo đạc và ngành hóa học mới để sản xuất các cấu trúc cực kỳ thu nhỏ. - Nhận diện các thay đổi vật lý và hoá học xảy ra ở kích cỡ nano. - Sử dụng các thay đổi vật lý và hoá học ở kích cỡ nano để triển khai những kỹ thuật mới.Dương Minh Tâm HV: Thái Hồng Kỳ PGS.Đặng Văn Nghìn Luận văn Thạc sĩ 18 Kỹ thuật nano mở cho chúng ta một đường hướng hoàn toàn mới để chế tạo và nghiên cứu các vật liệu và thiết bị trong mọi ngành khoa học và công nghệ.
Kỹ thuật nano đang được khai thác trên toàn cầu và thu hút các nhà nghiên cứu thuộc đủ mọi ngành nghề như hoá học, vật lý, khoa học vật liệu, công nghệ, sinh học, y học. Nhiều ứng dụng của kỹ thuật nano đã được đưa vào thị trường, một số ứng dụng khác đầy hứa hẹn đang trong vòng nghiên cứu. Như được trình bày ở hình 1.4, khoa học và công nghệ nano là một hoạt động nghiên cứu liên ngành đặt trên cơ sở của các môn học cổ điển và những thành quả nghiên cứu sẽ trực tiếp tác động trở lại đến các bộ môn này [2].4: Các mối quan hệ của công nghệ nano tới các nghành khác nhau Ở thời điểm hiện tại, cấu trúc nano là cấu trúc bị động (passive nanostructure), các vật liệu được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ. Ở thế hệ thứ hai, chúng ta mới chỉ đang tiến vào, giới thiệu cấu trúc nano chủ động (active nanostructure) thực hiện nhiều nhiệm vụ, ví dụ như thiết bị truyền động, dụng cụ phân phối thuốc và cảm biến.
Thế hệ thứ ba xuất hiện quanh năm 2010 và đề cao hệ thống nano (system of nanosystem) với hàng nghìn cấu tử tương tác. Một vài năm tới, hệ thống nano được tích hợp đầu tiên (Molecular nanosystems) hoạt động giống như tế bào động vật với các hệ thống có thứ bậc trong các hệ thống được mong đợi sẽ phát triển.Dương Minh Tâm HV: Thái Hồng Kỳ PGS.Đặng Văn Nghìn Luận văn Thạc sĩ 19 Công nghệ ảnh hưởng đến nền kinh tế, những dạng tiên tiến của công nghệ nano sẽ tác động quan trọng vào hầu hết mọi lĩnh vực công nghiệp và xã hội. Nó sẽ đem đến những cấu trúc tốt hơn, tuổi thọ lâu hơn, sạch hơn, an toàn hơn và những sản phẩm thông minh hơn. Sự tăng trưởng theo cấp số mũ của công nghệ nano không chỉ cho phép tạo ra những sản phẩm chất lượng cao với giá thấp mà còn cho phép tạo ra những “xưởng sản xuất quy mô nano” (nanofactories) mới với cùng một chi phí thấp và cùng một tốc độ nhanh.
Khả năng độc nhất để tái sinh những phương tiện sản xuất của chính nó là lý do tại sao kỹ thuật nano được ví như là một công nghệ sinh đôi theo cấp số mũ (trong nghĩa bao hàm giống như quy trình tự tổng hợp chuỗi DNA mới trong cơ thể động vật). Nó giới thiệu một hệ thống sản xuất có thể sẽ tạo ra nhiều hệ thống sản xuất hơn- những nhà máy có thể xây dựng những nhà máy nhanh hơn, rẻ hơn và sạch hơn. Các phương tiện sản xuất có thể tái sinh theo cấp số mũ, vì vậy chỉ trong một vài tuần một vài “xưởng sản xuất quy mô nano” có thể trở thành hàng tỉ xưởng khác. Đó là một công nghệ cách mạng, biến đổi, hùng mạnh và tiềm tàng lợi nhuận cao hoặc nguy hiểm cũng cao.2 Các phương pháp xây dựng cấu trúc vật liệu cấp độ nano [13]: Có hai phương pháp tiến tới việc xây dựng các cấu trúc: đó là phương pháp “đi từ trên xuống” (top-down) và phương pháp “đi từ dưới lên” (bottom-up) - Phương pháp “đi từ trên xuống”: Nguyên lý: 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 CBHD : TS.Dương Minh Tâm HV: Thái Hồng Kỳ PGS.Đặng Văn Nghìn Luận văn Thạc sĩ 20 cực lớn (có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu. 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 (LIGA) để tạo ra các cấu trúc nano. - Phương pháp “đi từ dưới lên”: các nhà nghiên cứu tìm cách xây dựng những hệ thống lớn và phức tạp hơn bằng cách ghép từng phân tử một vào với nhau. Trong phương pháp này, các phân tử được thiết kế và tạo thành làm sao để chúng có thể tự ráp lại với nhau một cách tự động khi có kích động vật lý hay hoá học.
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.
