Đôi điều về vật liệu nano
Nói đến các hướng nghiên cứu của vật lý bây giờ thì vật liệu NANO
được coi là một trong những hướng "hot" nhất. Vậy bạn đã biết thêm gì về
vật liệu NANO ngoài tên gọi của nó.
Vật liệu nano
I/ Khoa học ứng dụng đi về đâu?
Xu hướngcủa khoahọcứng dụng
(bài nàykhôngđề cập đến khoa học cơ
bản) hiệnnay là tích hợp lại để cùng
nghiên cứu các đốitượng nhỏ bé có kích
thước tiến đến kích thướccủa nguyên
tử. Hàng ngàn nămtrướcđây, kể từ khi
các nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập các
nguyên tắc đầu tiên về khoa học (đúng
hơn là siêu hình học), thìcác ngành
khoa học đều được tập trung thành một môn duynhấtđó là triết học, chínhvì thế
người ta gọi họ là nhà bác học vìhọ biếthầu hết các vấnđề của khoa học. Đối
tượng của khoa họclúcbất giờ là các vật thể vĩ mô. Cùng với thờigian, hiểu biết
của con ngườicàng tăng lên, và do đó, độ phứctạp cũng giatăng,khoa học được
phân ratheo các ngành khác nhaunhư toán học, vật lí, hóa học, sinhhọc, để
nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét. Sự phân chiađó đang kếtthúc
và khoa học một lần nữa lại tíchhợpvới nhau khinghiêncứu các vật thể ở cấp độ
nano mét. Nếu ta gọi sự phân chiatheo các ngành toán,lí, hóa, sinhlà phân chia
theo chiều dọc, thì việc phân chiathànhcác ngànhkhoa học nano,công nghệ nano,
khoa học vật liệu mới, là phân chiatheochiềungang.Điều này cóthể được thấy
thông qua các tạp chí khoahọc có liênquan. Vídụ các tạp chí nổi tiếngvề vật lí
nhưPhysical Review có số đầu tiên từ năm 1901, hoặctạp chí hóa học Journal of the
American Chemical Society có số đầu tiêntừ năm 1879, đó là các tạp chí có mặtrất
lâu truyền tải các nghiêncứu khoahọc sôi nổi nhất trong thế kỷ trước. Trong thời
gian gần đây, người ta thấy xuấthiện một loạt các tạp chíkhông theomột ngành cụ
thể nàomà tích hợp củarất nhiều ngànhkhác nhaunhư tạp chí uy tín Nano

Letters có số đầutiên từ năm 2001,tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từ năm 2003.
Chúng thể hiệnxu hướng mới của khoahọc đang phânchia lại theochiều ngang
tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước. Bài này xingiới thiệu sơ lượcvề
đối tượng củakhoa học và côngnghệ nano, đó là vật liệu nano.
II/ Vật liệu nano là gì?
Vậtliệu nano (nanomaterials)là một trong nhữnglĩnh vựcnghiên cứu đỉnh
cao sôi độngnhất trong thời giangần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công
trìnhkhoa học, số các bằng phát minhsáng chế (hình 1),số các công ty (hình 2)có
liên quanđến khoahọc,công nghệ nanogia tăngtheo cấp số mũ. Con số ước tính
về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lênđến 8,6 tỷ đô la vào năm2004 [1].Vậy thì tại
sao vậtliệu nanolại thuhút được nhiều đầutư về tài chính vànhân lực đến vậy?
Bài này sẽ điểm sơ qua về vật liệunano, cácphương pháp chế tạo, tính chất lí hóa,
và các ứng dụngcủa chúng.
Số các công trình khoa học và bằng phát minh sáng chế tăng theo cấp số mũ theo
thời gian.
Số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano cũng tuân theo quy luật
cấp số mũ.
Khi ta nói đếnnano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ, một nanogiây là
một khoảngthời gian bằng một phần tỷ của một giây. Cònnano mà chúngta dùng
ở đây có nghĩa là nanomét, một phần tỷ của một mét.Nói một cách rõ hơn là vật
liệu chất rắn có kích thướcnm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúngta sẽ làm việc là
vật liệuở trạng thái rắn.Vật liệu nanolà một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậykhô
ng
phải aicũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõkhái niệmvật
liệu nano,chúngta cần biết hai khái niệm có liên quanlà khoahọc nano
(nanoscience) và công nghệ nano(nanotechnology). TheoViện hànlâm hoàng gia
Anh quốc thì:
Khoa học nano là ngànhkhoahọc nghiên cứu về cáchiệntượng và sự can thiệp
(manipulation) vào vậtliệu tại các quymô nguyên tử, phân tử vàđại phân tử. Tại
các quymô đó, tính chấtcủa vật liệu khác hẳn vớitínhchất của chúng tại các quy

mô lớn hơn.
Công nghệ nano làviệc thiết kế, phântíchđặc trưng, chế tạo và ứngdụng các cấu
trúc, thiết bị, và hệ thốngbằng việc điềukhiển hìnhdángvà kích thước trên quy
mô nano mét.
Vật liệu nano là đối tượngcủa hai lĩnh vựclà khoa học nanovà côngnghệ nano,nó
liên kết hai lĩnhvực trênvới nhau.Kích thước của vật liệu nanotrải một khoảng
khá rộng,từ vài nm đến vài trămnm. Để có một con số dễ hìnhdung, nếu ta có mộ
t
quả cầu có bánkính bằngquả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt
nano cókích thước10 nm, nếu ta xếp cáchạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau
thì độ dài củachúng bằngmột ngànlần chu vi của trái đất.
III/ Tại sao vật liệu nano lại có các tính chất thú vị?
Tính chấtthú vị của vật liệu nanobắt nguồn từ kích thước của chúngrất nhỏ bé có
thể so sánh với cáckích thước tớihạn của nhiềutính chất hóa lí của vật liệu. Chỉ là
vấn đề kích thướcthôi thì khôngcó gì đángnói, điều đángnói là kích thướccủa vật
liệu nanođủ nhỏ để có thể so sánhvới các kíchthước tới hạn của một số tính chất
(bảng 1).Vật liệu nano nằm giữa tínhchất lượng tử của nguyên tử và tính chất
khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dàitới hạn củacác tínhchấtrất nhỏ so
với độ lớn của vậtliệu,nhưng đối với vật liệu nanothì điều đó không đúng nên các
tínhchất khác lạ bắt đầutừ nguyên nhân này.
Chúng ta hãy lấymột ví dụ trongbảng 1. Vật liệu sắt từ được hình thành từ những
đô men, trong lòngmột đô men,các nguyên tử có từ tính sắp xếp song songvới
nhau nhưng lại không nhất thiết phải song songvới mômen từ của nguyên tử ở
một đô men khác. Giữa haiđô mencó 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 tínhchất của vật liệu khối vìảnhhưởng
của các nguyên tử ở đô mennày tác động lên nguyêntử ở đô men khác.
Bảng 1: độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu
Tính chất

Độ
dài tới
hạn(nm)
Điệ
n
Bước sóngđiện tử
Quãngđườngtự
do trung bình
Hiệu ứngđường
ngầm
10-
100
1-
100
1-
10
Từ
Vách đô men
Quãngđườngtán
xạ spin
10-
100
1-
100
Qua
ng
Hố lượng tử
Độ dài suygiảm
Độ sâu bề mặt kim
loại

1-
100
10-
100
10-
100
Siêu
dẫn
Độ dài liên kết cặp
Cooper
Độ thẩm thấu
Meisner
0.1
-100
1-
100
Cơ
Tương tác bất
định xứ
Biên hạt
1-
1000
1-
Bán kínhkhởi
động đứtvỡ
Sai hỏng mầm
Độ nhăn bề mặt
10
1-
100

0.1
-10
1-
10
Xúc
tác
Hình học topobề
mặt
1-
10
Siêu
phân tử
Độ dài Kuhn
Cấu trúcnhị cấp
Cấu trúctam cấp
1-
100
1-
10
10-
1000
Miễ
n dịch
Nhậnbiết phân tử
1-
10
IV/ Chế tạo vật liệu nano như thế nào?
Các vật liệu nanocó thể thu đượcbằng bốnphương pháp phổ biến, mỗi phương
pháp đềucó nhữngđiểm mạnhvà điểm yếu, mộtsố phương pháp chỉ có thể được
áp dụng với mộtsố vật liệunhất định mà thôi.

1) Phương pháp hóa ướt (wet chemical)
Bao gồmcác phương pháp chế tạo vậtliệu dùng trong hóakeo (colloidal
chemistry),phươngphápthủy nhiệt, sol-gel,và kết tủa.Theo phương pháp này,
các dung dịch chứa ionkhác nhauđược trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp,
dưới tác độngcủanhiệt độ,áp suấtmà các vật liệu nano được kết tủa từ dungdịch.
Sau các quá trìnhlọc, sấy khô,ta thu đượccácvật liệunano.
Ưu điểm của phương pháphóa ướt là cácvậtliệu có thể chế tạo được rất đa dạng,
chúng có thể là vật liệu vôcơ,hữu cơ, kimloại. Đặc điểm của phươngpháp này là
rẻ tiền và cóthể chế tạo đượcmột khối lượng lớn vật liệu. Nhưngnó cũngcó
nhược điểm là các hợp chất có liên kếtvới phântử nước có thể là một khó khăn,
phươngpháp sol-gelthì không cóhiệu suất cao.
2) Phương pháp cơ học (mechanical)
Bao gồmcác phương pháp tán, nghiền, hợp kimcơ học. Theo phương phápnày,
vật liệu ở dạng bộtđược nghiềnđến kích thước nhỏ hơn. Ngàynay, cácmáy
nghiền thườngdùnglà máy nghiền kiểuhành tinh haymáynghiền quay. Phương
pháp cơ học có ưu điểmlà đơn giản, dụngcụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế
tạo với một lượng lớnvật liệu.Tuy nhiên nó lại có nhược điểmlà cáchạt bị kết tụ
với nhau, phânbố kích thước hạtkhông đồngnhất, dễ bị nhiễmbẩn từ các dụng cụ
chế tạo vàthườngkhó có thể đạtđược hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này
thường được dùng để tạo vật liệu khôngphảilà hữucơ như là kim loại.
3) Phương pháp bốc bay
Gồm các phương pháp quangkhắc (lithography),bốcbay trong chân không
(vacuum deposition)vậtlí, hóa học. Cácphươngpháp này áp dụng hiệuquả để chế
tạo màngmỏnghoặc lớp bao phủ bề mặttuy vậy ngườita cũngcó thể dùng nóđể
chế tạo hạt nanobằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phươngpháp này không
hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại.
4) Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase)
Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis),nổ điện (electro-explosion),
đốt laser (laser ablation),bốc baynhiệtđộ cao, plasma. Nguyêntắc củacác phương
pháp này là hình thành vật liệu nanotừ phakhí. Nhiệt phân là phương pháp có từ

rất lâu, được dùngđể tạo các vậtliệu đơn giản như carbon, silicon. Phương pháp
đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệunhưng lại chỉ giới hạn trong phòng
thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasmamột chiều vàxoay
chiều cóthể dùngđể tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưnglại khôngthích hợp để
tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 9000 C.
Phương pháp hìnhthànhtừ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon(fullerene)
hoặc ống carbon,rất nhiều các công ty dùngphương pháp này để chế tạo mang
tínhthương mại.
V/ Trên thị trường vật liệu nano phân bố thế nào?
Bảng 2 chobiết số loại sản phẩm vật liệu nanovàthị trường màcác côngty
vật liệu nanonhắm tới.
Loại sản
phẩm
S
ố
lượng
Thị
trường
hần
trăm
Hạt nano
1
60
Y/dượ
c 0
Ống nano
5
5
Hóa
chất vàvật

liệu caocấp
9
Vật liệu
xốp nano
2
2
CN
thông tin,
viễn thông
1
Lồng
nano
2
1
Năng
lượng 0
Chấm
lượng tử
1
9
Tự
độnghóa
Vật liệu
cấu trúcnano
1
6
Hàng
khôngvũ trụ
Sợi nano
9

Dệt
Hạt chứa
hạt
nano (capsule)
8
Nông
nghiệp
Dây nano
6
Y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệunano, cácứngdụng hạtnano để dẫn
truyền thuốc (drugdelivery) đếnmột vị trí nào đó trên cơ thể là mộttrongnhững
ví dụ về ứngdụng củahạt nano. Trongứng dụngnày, thuốc đượcliên kết với hạt
nano có tínhchất từ, bằng cách điều khiển từ trườngđể hạt nanocố địnhở mộtvị
trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vàocác cơ quan mong
muốn.
VI/ Vật liệu từ nano ứng dụng trong sinh học như thế nào?
Như trên đã nói, vậtliệu nanochỉ có tính chấtthú vị khi kích thước củanó
so sánhđược với các độ dài tới hạncủa tính chất và đối tượng ta nghiên cứu.Vật
liệu nanocó khả năng ứngdụngtrong sinhhọc vìkích thước của nanososánh
được với kích thước củatế bào (10-100 nm), virus(20-450nm), protein(5-50
nm), gen (2nm rộng và 10-100 nm chiều dài). Với kích thướcnhỏ bé, cộngvới việc
“ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vàocác tế
bào hoặc virus. Ứng dụng của vật liệu từ nano trong sinhhọc thì córất nhiều, bài
này chỉ đề cập đến những ứng dụng đangđược nghiêncứu sôi nổi và cótriển vọng
phát triển đó là phân táchtế bào (magneticcellseparation), dẫn truyềnthuốc
(drug delivery), thân nhiệt cao cụcbộ (hyperthermia), tăngđộ sắc néthình ảnh
trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement).Vật liệunano dùng
trong các trường hợp này là các hạtnano.
VII/ Phân tách tế bào
Trong sinh dược học, đôi khingười ta cầnphải phân tách một loại tế bào đặc biệt

nào đó rakhỏi cáctế bào khác. Hạt từ nano cótính tương hợpsinhhọc
(biocompatible) được dùngđể làm điềuđó. Quátrình nàygồm hai giai đoạn: dán
nhãn chotế bào (labelling) bằng các hạt nanotừ; vàphân tách các tế bào được dán
nhãn bằng các dụngcụ phân tách. Các hạt nano từ được phủ bởi một loại hóa chất,
thường được dùng là chấthoạt hóa bề mặt (surfactant)để làm tăng độ tương hợp
sinh học vàlàmtăng khả năng ổnđịnh trong dungdịch của hạt nano.Cơ chế dán
nhãn tế bào giốngnhư cơ chế mà cáckháng thể nhận ra các khángnguyêntrong cơ
thể. Ví dụ nếu ta phủ một lớp hóa chất miễn dịch đặc hiệu bênngoài hạtnano thì
chúng có thể bám vào cáctế bào máu, cáctế bào ung thư, vi khuẩn hoặc các thể
golgi. Để phân tách các tế bào đượcđánh dấu, người ta dùngmột dụng cụ tạo ra
gradient từ trường bằng cách đặt mộtthanhnam châmchẳng hạn để hút các hạt
nano từ đang liên kết với các tế bào vàbằng cáchđó, các tế bào đượctách khỏi các
tế bào khác khôngđược đánh dấu.