Vật liệu nano và ứng dụng | Khái niệm hoá học

1. Vật liệu nano là gì?

Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty  có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ.

Khi ta nói đến vật liệu nano có nghĩa đây là vật liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology). Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc thì: Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.

Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét.

Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.

Vật liệu nano

2. Tính chất vật liệu nano

Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. 

Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này.

Chúng ta hãy lấy một ví dụ: Vật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men, trong lòng một đô men, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên tử ở một đô men khác. Giữa hai đô men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đô men. Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác.

3. Chế tạo vật liệu nano

Có rất nhiều các phương pháp chế tạo vật liệu nano. Trong đó có 4 phương pháp phổ biến nhất:

Phương pháp hóa ướt:

Bao gồm các phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và đồng kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, độ pH,… mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu có kích thước nano.

Phương pháp cơ khí nano:

Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền bi hành tinh hay máy nghiền quay.

Phương pháp bay hơi nhiệt:

Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), lắng đọng trong chân không (vacuum deposition), vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả trong chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt. người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tấm chắn.

Phương pháp pha khí:

Gồm các phương pháp nhiệt phân, nổ điện (electro-explosion), đốt laser, bốc hơi ở nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí.

4. Ứng dụng của vật liệu nano

Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Đây được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội.

May mặc và thực phẩm

Ngành may mặc đã bước sang một trang mới khi áp dụng các hạt nano bạc. Loại nano này có khả năng thu hút và tiêu diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo. Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao. Và đặc biệt, còn được sử dụng trong một số loại quần lót khử mùi.

Áo quần được chế tạo từ vật liệu nano

Không dừng ở đó, công nghệ nano có thể khiến các loại thực phẩm này thay đổi hương vị cũng như giàu dinh dưỡng hơn. Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta sẽ được thưởng thức những món ăn với hương vị vô cùng lạ mà giá trị dinh dưỡng vẫn cao nhờ công nghệ nano thực phẩm. Ngoài ra, công nghệ nano cũng sẽ giúp lưu trữ thực phẩm được lâu hơn nhiều lần bằng cách tạo ra những vật liệu đựng thực phẩm có khả năng diệt khuẩn.

Môi trường

Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Cụ thể là đã chế tạo thành công các màng lọc nano. Góp phần lọc được các phân tử gây ô nhiễm; các chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn…

Trong đó, nổi bật là Máy lọc nước Nano. Đây là loại máy sử dụng công nghệ Nano với các màng lọc có cấu tạo lỗ rỗng và kích thước siêu nhỏ. Nhằm loại bỏ sạch các tạp chất, vi khuẩn và bụi bẩn trong nguồn nước đầu vào. Bên cạnh đó, các màng lọc sẽ giúp giữ lại các khoáng chất tự nhiên có trong nước và có lợi cho cơ thể người dùng. Vì thế, máy lọc nước sử dụng công nghệ Nano là một sử lựa chọn thông minh để mang đến nguồn nước sạch, đảm bảo an toàn phục vụ nhu cầu cho cả gia đình.

Trong y – sinh học

Các hạt nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể. Giúp con người có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào. Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư…

Công nghệ thuốc nano hướng đích làm giảm tác dụng phụ và tăng tác dụng mong muốn

Năng lượng

Nền công nghệ nano góp phần nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài…

Vật liệu xây dựng ứng dụng công nghệ nano

Điện tử – cơ khí

Công nghệ nano giúp chế tạo các linh kiện điện tử nano với tốc độ xử lý cực nhanh. Chế tạo các thế hệ máy tính nano. Sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ. Chế tạo màn hình máy tính, điện thoại. Tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ – siêu bền. Sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…