CHƯƠNG 1. Công nghệ nano và vật liệu nano 1. Lịch sử hình thành và phát triển ngành Công nghệ nano Công nghệ nano – khoa học và kỹ thuật vi mô (Nanoscience and Nanotechnology) – là thuật ngữ được nhắc tới nhiều trong những năm trở lại đây. Vậy thuật ngữ này có từ khi nào và do ai là ai đặ ra? Trước tiên ta hiểu rằng, chữ nano có nghĩa là một phần triệu (10-9) của một đơn vị đo lường nào đó.
Ví dụ như khi đơn vị sử dụng là giây thì nó có nghĩa là một phần triệu giây (10-9 s) hay khi đơn vị được dùng là mét thì nó có nghĩa là một phần triệu mét (10-9 m ) [14],[15]. Năm 1959, giáo sư Richard Feynman (MIT- Viện kỹ thuật Massatchusets ) đưa ra thuyết: “Thay vì phân chia vật chất, tại sao chúng ta không đi từ cái vô cùng nhỏ?”. Mười năm sau, vào năm 1969, Eric Drexler đề xuất thuật ngữ Nanotechnology. Năm 1985, hai nhà nghiên cứu Gerd Bining (Đức) và Heinrich Rohrer (Thụy Sỹ) đã tạo ra kính hiển vi có khả năng nhìn những vật nhỏ bằng 1/25 kích thước phân tử.
Mười năm sau họ đoạt giải Nobel nhờ công trình này. Năm 1990, một nhà nghiên cứu của hãng IBM Don Eigler đã đạt được những thành công từ kỹ thuật nano – vẽ lại biểu tượng của nhiều công ty bằng những vật chất siêu nhỏ. Và từ đó kỹ thuật nano được biết đến rộng rãi [15]. Chúng ta đã biết thế kỷ 20 là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin, thì dự đoán thế kỷ 21 sẽ thuộc về ngành công nghệ nano.
Nó được đánh dấu từ năm 2005 trở lại đây với sự phát triển vượt bậc một số sản phẩm và ứng dụng của chúng vào đời sống. Phát triển khoa học và công nghệ nano ở một số nước trên thế giới [16] Như ta đã biết, ngành công nghệ nano ra đời đã đưa nhân loại chuyển sang một thời kỳ mới. Với những tiềm năng to lớn, tạo ra những ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của con người, khoa học và công nghệ nano đã được nhiều quốc gia trên thế giới đầu tư nghiên cứu. Bằng chứng là chi phí đầu tư cho các nghiên cứu trong Trang 2 lĩnh vực này liên tục tăng cao, thể hiện qua tình hình đầu tư của chính phủ các nước vào nghiên cứu và phát triển (R&D) công nghệ nano giai đoạn từ năm 1997 – 2005 trong bảng 1.1: Ước tính đầu tư vào nghiên cứu và phát triển (R&D) công nghệ nano giai đoạn từ 1997 – 2005 của các Chính phủ (triệu USD).
Khu vực 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 EU 126 151 179 200 225 400 650 950 ~1050 Nhật Bản 120 135 157 245 465 720 800 900 ~950 Mỹ 116 190 255 270 465 697 862 989 ~1081 Những nước 70 83 96 110 380 550 800 900 ~1000 khác Tổng 432 559 687 825 1535 2350 3100 3700 ~4100 Tỷ lệ % so 100 129 159 191 355 547 720 866 ~945 với năm 1997 Nguồn: Quỹ khoa học Quốc gia Mỹ: ước tính năm 2005 Ta có thể thấy Mỹ là quốc gia đi đầu trong việc phát triển khoa học công nghệ nano.1, chi phí đầu tư cho nghiên cứu và phát triển năm 2004 xấp xỉ gần 1 tỷ USD và dự kiến sẽ vượt 1 tỷ USD vào cuối năm 2005. Đứng thứ 2 sau Mỹ là các quốc gia thuộc châu Âu bao gồm Anh, Pháp, Đức…Khi công nghệ nano được xác định là một lĩnh vực có nhiều hứa hẹn, Đức đã triển khai một chiến lược dành ưu tiên phần lớn tài trợ của Chính phủ cho lĩnh vực điện tử nano, vật liệu nano, kỹ thuật và khoa học quang học (bảng 1.2: Tài trợ của Liên bang Đức cho các khu vực ưu đãi (triệu euro) Lĩnh vực 2002 2003 2004 2005 Điện tử nano 19,9 25,0 44,7 46,2 Vật liệu nano 19,2 20,3 32,7 38,1 Kỹ thuật và khoa học 18,5 25,2 26,0 26,0 về quang học Kỹ thuật vi hệ 7,0 7,0 9.4 10,2 Nano sinh học 4,6 5,4 5,0 3,1 Truyền thông 4,3 4,0 3,6 3.4 Các lĩnh vực khác 0,4 1,3 2,4 2,2 Tổng 73,9 88,2 123,8 129,2 Nguồn: Roos U, 2004. Germany`s Nanotechnology Strategy. Bristissh Embassy Berlin Tại châu Á, Nhật Bản là nước đầu tư hàng đầu thế giới cho khoa học và công nghệ nano.1 cho thấy đầu tư của Nhật Bản trong lĩnh vực này đã đạt 900 triệu USD năm 2004, và tăng lên 950 triệu USD vào cuối năm 2005.
Tình hình tiêu thụ số lượng các sản phẩm từ ngành công nghệ nano [17] Theo số liệu thông kê, vào tháng 3/2011, tổng số lượng sản phẩm tiêu thụ từ ngành công nghệ nano là 1317 sản phẩm tăng rất nhiều so với số lượng sản phẩm tiêu thụ được thống kê hồi tháng 8/2006 (bảng 1.3: Tổng lượng các sản phẩm nano tiêu thụ theo năm Năm 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Tổng lượng sản 54 356 580 803 1015 1317 phẩm nano Bảng 1.3 cho thấy số lượng sản phẩm tăng liên tục từ năm 2005 đến năm 2011. Các sản phẩm được phân theo nhóm dựa theo tác dụng của chúng như bảng 1.4: Số lượng sản phẩm nano được phân theo các nhóm ngành Nhóm Chăm Đồ Công Thực phẩm Cắt Điện tử Thiết Đồ ngành sóc sức gia nghệ và nước gọt và máy bị dụng khỏe dụng ô tô giải khát tính cho trẻ em Số lượng 738 209 126 105 82 59 44 30 năm 2011 Từ số liệu bảng 1.4 có thể thấy phần lớn các sản phẩm được xếp vào nhóm chăm sóc sức khỏe với 738 sản phẩm (2011) tăng rất nhiều so với năm 2006. Nhóm này gồm các sản phẩm như hóa mỹ phẩm, các sản phẩm chăm sóc cá nhân. Đứng ở vị trí thứ 2 là nhóm vật dụng gia đình và làm vườn (Home and garden) với 209 sản phẩm: các sản phẩm thuộc ngành sản xuất sơn… Qua biểu đồ so sánh số liệu giữa năm 2006 và 2011, có thể thấy sự phát triển nhanh chóng trong quá trình sản xuất tạo nên sản phẩm trong từng nhóm cụ thể.
Cụ thể hơn, bảng 1.5 mô tả sự phân chia các dòng sản phẩm có cùng chức năng, kết hợp với nhau tạo thành nhóm chức năng lớn hơn.5: Số lượng của từng dòng sản phẩm trong nhóm chăm sóc sức khỏe Dòng sản Chăm sóc Quần áo Mỹ phẩm Đồ dùng Lọc bụi Kem phẩm cá nhân thể thao chống nắng Số lượng năm 267 182 143 119 43 33 2011 Bảng 1.5 minh họa sự phát triển cụ thể của từng dòng sản phẩm trong cùng một nhóm ngành lớn. Cụ thể, nhóm về chăm sóc sức khỏe được chia gồm 6 nhóm nhỏ hơn bao gồm: chăm sóc cá nhân, quần áo, mỹ phẩm, đồ dùng thể thao, lọc bụi và kem chống nắng. Trong đó nổi bật nhất là nhóm sản phẩm dành cho chăm sóc cá nhân, chiếm tới 33% tổng số lượng sản phẩm trong lãnh vực chăm sóc sức khỏe năm 2011. Cụ thể năm 2011, số lượng sản phẩm chăm sóc cá nhân là 267 sản phẩm, tăng gấp 9 lần so với số lượng sản phẩm trong năm 2006.
Với số lượng các sản phẩm đáng kể đó thì câu hỏi đặt ra: Quốc gia nào sản xuất nhiều sản phẩm nhất? Bảng 1.6: Số lượng sản phẩm tính theo nguồn gốc sản xuất Khu vực Hoa Kỳ Châu Âu Tây Á Khác Số lượng sản phẩm 587 367 261 73 năm 2011 Theo bảng 1.6, hiện nay trên thế giới Hoa Kỳ là quốc gia dẫn đầu về sản xuất các sản phẩm nano với 587 sản phẩm (2011) tăng hơn 4 lần so với năm 2006. Điều này phù hợp với các số liệu trong bảng 1. Đứng thứ hai là các quốc gia thuộc châu Âu, bao gồm: Anh, Pháp, Đức, Phần Lan, Thụy Sĩ, Ý, Đan Mạch, Hà Lan, với 367 sản phẩm (2011), tăng hơn 6 lần so với năm 2006. Tiếp theo là các quốc gia và lãnh thổ thuộc khu vực Đông Á, bao gồm: Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản, với 261 sản Trang 6 phẩm.
Ngoài ra, một số quốc gia khác trên thế giới cũng góp phần vào sản xuất tạo ra các sản phẩm nano như Úc, Canada, Mexico, Israel, New Zealand, Malaysia, Thái Lan, Singapore, Philippine với 73 sản phẩm.7: Số lượng sản phẩm nano ứng với các loại vật liệu Loại vật liệu Bạc Cacbon Titan Silica Kẽm Vàng Số lượng năm 313 91 59 43 31 28 2011 Theo khảo sát thể hiện trên bảng 1.7, các sản phẩm nano chủ yếu tập trung vào 6 vật liệu chính đó là: bạc, cacbon, titan, silica, kẽm và vàng. Trong đó, các sản phẩm về nano bạc đang chiếm số lượng rất lớn với 313 sản phẩm (chiếm khoảng 55% tổng số sản phẩm nano). Xếp thứ 2 là vật liệu về nano cacbon: ống, sợi, dây…gồm 91 sản phẩm. Còn lại là bốn loại vật liệu với số lượng giảm dần như: titan (59 sản phẩm), silica (43 sản phẩm), kẽm (31 sản phẩm) và cuối cùng là vàng (28 sản phẩm).
Phát triển công nghệ nano ở nước ta [18] Ở nước ta, công nghệ nano đang được xem là một ngành mới, hiện đại, là một bước ngoặc trong phát triển công nghệ tiên tiến đầy triển vọng của thế kỷ 21. Nghiên cứu về công nghệ nano là một lĩnh vực khó, phức tạp và tốn kém. Hiện nay, trong nước đã có một số phòng thí nghiệm chuyên nghiên cứu về khoa học và công nghệ nano được thiết lập ở Viện Vật lý và Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hóa học, Viện Vật lý kỹ thuật (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam)… và một số trường như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [18]… Nhiều công trình khoa học về lĩnh vực này đã được công bố nhưng chưa thấy thống kê số lượng sản phẩm nội địa được ứng dụng. Phân loại vật liệu nano [19] Cho đến nay, đă có rất nhiều quan tâm nghiên cứu, chế tạo những loại vật liệu nano với kích thước đặc trưng ngày càng nhỏ.
Quá trình tổng hợp các cấu trúc nano khác nhau như hạt, thanh, dây, ống hay các cấu trúc nano kì dị, với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và pha tinh thể cũng đang được tập trung nghiên cứu. Các nghiên cứu đó đã tạo ra được nhiều hệ vật liệu nano mới tùy theo từng mục đích ứng dụng khác nhau. Việc phân loại vật liệu nano cũng chỉ mang tính tương đối, tuy nhiên, để làm rõ lĩnh vực nghiên cứu thì việc phân loại các vật liệu nano là cần thiết. Có nhiều cách phân loại, nhưng có thể thống kê như sau: a.