GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU NỔI BẬT CỦA CUỘC CÁCH MẠNG VẬT LIỆU HIỆN ĐẠI

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và cách mạng vật liệu hiện
đại nói riêng trong thời gian qua đã đem lại những thành tựu đáng kể. Cụ
thể, những điểm nóng trong ngành vật liệu hiện nay là:
I. Vật liệu nano
Vật liệu nano 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. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này
lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 . 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.
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. Chỉ là
vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật
liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất.
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.
Lấy 1 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.

VẬT LIỆU HỌC – NHÓM 90

1


Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về
trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới
đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ, đám nano,
hạt nano...
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ,
dây nano, ống nano,...
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ,
màng mỏng,... Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong
đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano
không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Từ đây người ta tổng hợp ra nhiều vật liệu nano khác nhau với nhu cầu ngày càng
cao, ví dụ như:
Tổng hợp thành công vật liệu nano mới siêu cứng
Nhẹ hơn 10 lần song lại bền gấp 250 lần thép, đó là màng nano cacbon do các nhà nghiên
cứu thuộc ĐH Florida vừa chế tạo. Tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này rất lớn, trong
hàng không, vũ trụ, quân sự cũng như cuộc sống thường ngày. Màng nano cacbon Theo GS

Ben Wang, trưởng nhóm nghiên cứu, màng nano nói trên được làm từ các ống nano cacbon
- các sợi cực bền có đường kính bằng 1/50.000 sợi tóc người và được phát triển lần đầu
tiên vào đầu thập niên 90 của thế kỷ 20. Vật liệu tạo nên loại màng này là cacbon 60, một
loại phân tử cacbon hình cầu, cứng gấp hai lần kim cương. Nếu nhiễm điện, màng nano
cacbon có thể được sử dụng để rọi sáng màn hình máy tính và vô tuyến, tạo ra độ sáng đồng
đều hơn so với công nghệ ống tia cathode hiện nay và công nghệ màn hình tinh thể lỏng. Là
vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất, màng nano rất thích hợp để chế tạo những bộ tản nhiệt, giúp
máy tính và các thiết bị điện tử khác tản nhiệt hiệu quả hơn so với hiện nay. Và theo thời
gian, màng nano sẽ giúp con người thu nhỏ kích cỡ của các thiết bị điện tử. Do có khả năng
mang dòng điện cực lớn nên một tấm màng nano cacbon có thể được gắn bên ngoài máy
bay. Khi đó, sét đánh sẽ di chuyển quanh máy bay và tiêu tan mà không gây thiệt hại gì.
Màng còn có thể bảo vệ các vi mạch và thiết bị điện tử trong máy bay khỏi hiện tượng nhiễu
loạn điện từ. Nhiễu loạn điện từ có thể làm hỏng thiết bị. Ngoài ra, màng cho phép máy bay
quân sự chắn các tín hiệu điện từ của chúng, làm cho radar không thể dò thấy máy bay.
Màng nano cacbon nằm trong FAC2T, dự án phát triển các loại vật liệu composite mới
cũng như công nghệ sản xuất chúng.

II. Vật liệu siêu dẫn
Vật liệu siêu dẫn là vật liệu có khả năng dẫn điện cực kỳ tốt. Năm 1911, nhà vật lý
người hà lan angnâyxư đã phát hiện: khi nhiệt độ -260oc thì điện trở của thuỷ ngân
bằng 0, ông ta gọi hiện tượng đó là tính dẫn dẫn điện rất cao – siêu dẫn. Sự phát
hiện mới mẻ và sự kỳ lạ này đã gây sự chú ý đối với các nhà khoa học.


Người ta hi vọng dùng vật liệu siêu dẫn để chế tạo ra những vật có từ trường mạnh,
vì sử dụng những dụng cụ có từ trường siêu dẫn này sẽ được ứng dụng cao trong
các lãnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật sản xuất.
Trước đây rất lâu, người ta đã biết dùng vật liệu
siêu dẫn bằng kim loại như chì, thiếc, nhưng dòng
điện và từ trường giới hạn của chúng rất bé, nên

nếu tăng dòng điện lên thì vật liệu mất tính siêu
dẫn điện. Mãi đến thập niên 30 thế kỷ 20, các nhà
khoa học mới phát hiện là phải cho vào trong
kim loại tinh khiết một tạp chất khác để tạo thành
một hợp
kim dòng giới hạn và từ trường giới hạn được nâng cao lên. Chẳng hạn như năm
1930, người ta đã chế ra hợp kim chì và bitxmut, từ trường giới hạn của nó đã nhân
lên được 2 tesla.
các nhà khoa học liên xô trước đây đã có những cống hiến xuất sắc trong việc
nghiên cứu chế tạo vật dẫn có giá trị thực dụng với cái tên là vật liệu siêu dẫn hệ
hai, trong đó có cả hợp kim siêu dẫn, chẳng hạn như hợp kim niôbi, diếccôni; hợp
kim vanadi gali; ôxy hoá kim loại như kết cấu a-15, những kim loại thiểu số như
niôbi, vanadi, tếcnêxi… dùng những vật liệu siêu dẫn này tạo thành những vật có
từ trường mạnh. Vì không có điện trở nên chúng ít tiêu hao điện, không tổn thất
nhiệt, thể tích nhỏ mà công suất lớn, đến đầu thập niên 60 thế kỷ 20, các nhà khoa
học đã nghiên cứu chế tạo thành công một chất siêu dẫn từ cấp từ trường đạt đến
10 tesla. Nó được sử dụng rộng rãi trong cộng hưởng hạt nhân và từ trường, máy
gia tốc con quay, trong buồng gas, máy phát điện bằng từ thuỷ động và tàu hoả
chạy bằng điện từ v.v… những vật liệu siêu từ này cần có một điều kiện nhiệt độ
hết sức thấp mới làm việc, để sản xuất ra vật liệu này thì công nghệ rất phức tạp,
chi phí lớn. Do vậy vật liệu siêu dẫn từ cho đến bây giờ vẫn còn trong giai đoạn
thí nghiệm, khó lòng ứng dụng và phát triển.
Năm 1957, lý luận bcs đã được sáng lập để giải thích tính siêu dẫn điện. Lý luận
bcs cho rằng: nguyên nhân sinh ra siêu dẫn điện là vì trong điều kiện nhiệt độ
thấp tối thiểu, các điện tử tự do trong vật dẫn sẽ liên kết từng đôi một theo cặp
điện tử. Khi mà số lượng cặp điện tử tương đối lớn thì nó sẽ vận động định
hướng, các khoang tinh thể trong lòng các vật dẫn khó lòng ngăn chặn được, do đó
mà hình thành dòng siêu dẫn không trở. Lý luận bcs còn khẳng định về điều đó.
Nhiệt độ để sinh ra tính siêu dẫn điện không được cao quá -243 độc C; những điều
khẳng định này đã phủ bóng đen lên việc nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn.

Năm 1986, phòng nghiên cứu thụy sĩ thuộc công ty ibm của mỹ đã phát hiện ra một
ôxit kim loại: ôxit lantan, bari và đồng có thể dẫn điện siêu cao trong điều kiện
nhiệt độ cao, giúp ác bỏ lý luận bcs. Từ đó đã nhen lên ngọn lửa hi vọng trong
việc ứng dụng vật liệu siêu dẫn, hơn nữa yêu cầu về điều kiện nghiên cứu, thực
nghiệm, chế tạo rất thấp có thể dễ dàng thực hiện. Do đó đã dấy lên một luồng


sinh khí trong


ngọn lửa nhiệt tình nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn. Nhiều nhà khoa học của
các nước đã tham gia vào cuộc vật lộn với nhiệt độ giới hạn của vật liệu siêu dẫn
ôxy hoá cao. Triệu trung hiền, người hoa gốc mỹ là nhà khoa học đã có những
thành tích trong công cuộc nghiên cứu này.
Để phân biệt với loại vật liệu siêu dẫn trong điều kiêệ nhiệt độ thấp truyền thống,
các nhà khoa học đã gọi vật liệu siêu dẫn ôxy hoá bằng cái tên vật liệu siêu dẫn
nhiệt độ cao.
Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật
liệu siêu dẫn lantan – bari - đồng ôxy hoá, bari, ytri - đồng ôxy hoá, bitmit – chì –
strouti canxi… vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đã được gia công thành màng mỏng
và sợi dùng cho máy truyển cảm, thiết bị điện tử và các linh kiện vi ba không
nguồn.
Vật liệu siêu dẫn mới đầy triển vọng
Kết quả nghiên cứu độc lập của các nhà khoa học Anh, Mỹ, Nga cho thấy:Magnesium
diboride đang nổi bật lên như một loại chất siêu dẫn rất tốt và rẻ, có thể được áp dụng để
truyền tải dòng điện có hiệu điện thế và từ trường cao. Hình ảnh dòng điện đi qua chất siêu
dẫn.
Theo PhysicWeb ngày 2/6, kết quả trên được đưa ra chưa đầy 5 tháng sau khi một nhóm
nghiên cứu Nhật Bản phát hiện khả năng dẫn điện siêu việt của magnesium diboride (một
hợp chất đơn giản của magiê). Từ hợp chất này, ba nhóm khoa học Anh, Mỹ, Nga đã sản

xuất ra những màng mỏng và dây dẫn, có khả năng truyền tải dòng điện có hiệu điện thế
cao mà không gặp một chút trở kháng nào.
Phát hiện mở ra khả năng sử dụng chất liệu mới để làm dây dẫn điện, tránh thất thoát trong
quá trình truyền tải.
Ngoài ra, trong khi vật liệu siêu dẫn thông thường chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ rất thấp,
thì nhiệt độ chuyển đổi của magnesium diboride là 38 độ K (tương đương - 235,15 độ C),
gần như gấp đôi bất kỳ chất siêu dẫn kim loại nào.
Mặc dù vậy, magnesium diboride còn một hạn chế. Ở dạng khối nguyên thủy, nó mất đi tính
siêu dẫn khi tải dòng điện có hiệu điện thế lớn hay khi tiếp xúc với môi trường từ tính cao.
Đó là do từ trường tạo ra các vòng xoáy trong vật liệu siêu dẫn, làm nó trở thành vật dẫn
bình thường. Khi từ trường mạnh, các vòng xoáy trải dài hết vật dẫn, khiến cho toàn bộ khả
năng siêu dẫn biến mất. Hơn nữa, bản thân dòng điện trong dây dẫn cũng đẩy các vòng
xoáy, tạo ra sự cọ sát trong mạng nguyên tử và vì thế gây ra trở kháng.
Tuy nhiên, có thể khắc phục trở kháng này bằng cách tạo ra những điểm lõm trong vật liệu,
giúp phá vỡ và ngăn cản sự chuyển dịch của các vòng xoáy.
Hiện tại, ba nhóm khoa học đang nghiên cứu việc phá vỡ vòng xoáy để tối đa hoá khả năng
chịu từ của vật liệu khi ở trạng thái siêu dẫn.

III. Vật liệu sinh học


Vật liệu sinh học đang được ứng dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực y học, nha khoa và công nghệ sinh học;
mặc dù 50 năm trước người ta chưa hê' biết đến sự
tồn tại của chúng. Thuật ngữ “vật liệu sinh học” đã
không được sừ dụng. Không có nhà sản xuất chính
thức (ngoại trừ sản xuất các bộ phận giả như chân
tay, thiết bị cỗ định xương gãy, mắt kính và các thiết
bị nha khoa), không có văn bản quy định chính quy,
không có những hiểu biết


Gạch sinh học

vế sự tương hợp sinh học và chắc chắn là không có khoá học nào về vật liệu sinh
học. Tuy nhiên, các loại vật liệu sinh học thô sơ đã được sử dụng từ rất sớm nhưng
kết quả thường là không như mong đợi. Phẩn này mô tả khái quát lịch sử hình thành
và phát triển cùa vật liệu sinh học từ những ngày đẩu nền văn minh cùa con người
cho đến thế kỉ XXI. Có thể chia lịch sử của vật liệu sinh học thành bổn thời kì:
thời tiến sử, thời kì của những bác sĩ phẫu thuật, thời kì của các nhà thiết kế vật
liệu sinh học và thời kì đương đại.
Chất thải từ bia có thể giúp tái tạo xương
Các nhà nghiên cứu từ UPM và CSIC đã phát triển vật liệu sinh học từ chất thải trong
quá trình sản xuất bia để tái tạo xương.
Theo kết quả nghiên cứu từ Trung tâm Công nghệ Vật liệu sinh học trường Đại học
Politécnica de Madrid (UPM), Viện nghiên cứu Vật liệu, chất xúc tác và hóa học dầu mỏ
thuộc trung tâm nghiên cứu lớn của Tây Ban Nha Consejo Superior de Investigaciones
Científicas (CSIC), hợp tác với công ty Mahou và Createch, đã phát triển vật liệu có tính
tương hợp sinh học. Vật liệu này được sử dụng như chất hỗ trợ tái tạo xương từ chất thải
ngành công nghiệp thực phẩm, phần lớn là từ bã (phần còn lại) sau quá trình sản xuất
bia. Vật liệu mới này có thể được coi như sự thay thế bộ phận giả được làm từ xương cừu
hoặc vật
liệu
tổng
hợp
đắt
đỏ,
gây
nguy
hại
cho

môi
trường. Vật liệu sinh học được sử dụng như khuôn mẫu trong tái tạo xương và được tạo
ra từ bã bia đã qua xử lý
Chất thải từ quá trình sản xuất bia có chứa các thành phần hóa học chính được tìm thấy
trong xương như phốt pho, canxi, magie và silica. Sau khi trải qua quá trình biến đổi,
chất thải này có thể được sử dụng như công cụ hỗ trợ hoặc khung định hình nhằm thúc
đẩy tái tạo xương trong ứng dụng y tế bằng cách, tráng qua một lớp xương giả hoặc ghép
xương. Việc sử dụng chất thải từ ngành công nghiệp thực phẩm là cách phục hồi nguồn
nguyên liệu dồi dào, làm giàu thêm sự đa dạng hóa học, đồng thời nó còn làm giảm ành
hưởng gây ra bởi sự tích tụ chất thải trong môi trường.
Cho đến nay, việc sử dụng vật liệu nhân tạo như môt sự thay thế cho xương thật là liệu
pháp phổ biến nhất được sử dụng điều trị các bệnh về xương. Pháp đồ điều trị dựa trên
khuôn mẫu là khung định hình cứng, rỗng làm bằng vật liệu tương hợp sinh học. Khuôn
mẫu này sẽ cung cấp sự ổn định cơ học và thúc đẩy sự phát triển của các mô xương mới,
giúp tái sinh nó.
Canxi phốt phát nhân tạo thường được sử dụng như khuôn mẫu và lớp phủ bên ngoài


trong cấy ghép chỉnh hình vì sự tương đồng của nó với các thành phần của xương. Bã
bia được


GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU NỔI BẬT CỦA CUỘC CÁCH MẠNG VẬT LIỆU HIỆN ĐẠI

cấu thành bởi các chất thải hữu cơ của mạch nha, không bao giờ trải qua quá trình biến
đổi sau đó. Đây chính là lí do tại sao bã bia được coi như sản phẩm phụ, thường được sử
dụng để làm thức ăn gia súc và nó không hề tốn kém. Các phân tích về thành phần có
trong nguyên liệu này cho thấy, sự tồn tại của các lỗ rỗng liên kết với nhau trong đường
kính 50 đến 100 micrômet giống với độ rỗng của xương xốp. Tất cả điều này sẽ tạo
thuận lợi cho phân phối mạch hoàn chỉnh sau khi cấy ghép xương.


Ngoài ra, vật liệu điện tử, vật liệu quang điện cũng là những vật liệu mang
tính đột phá trong cuộc cách mạng Vật liệu hiện đại:
Việc phổ cập kỹ thuật thông tin viễn thông đang nhanh chóng đổi mới vật liệu điện
tử. Các nhà khoa học đã chế tạo được vật liệu nhựa giá thành thấp có thể thay
silicon trong sản xuất mạch tích hợp. Các nhà khoa học Mỹ và châu Âu đang
nghiên cứu chế tạo chíp vi xử lý bằng vật liệu nhựa giá thành thấp hơn nhiều
nhưng có tốc độ và chức năng xử lý tương đương chíp bằng silicon. Mới đây tập
đoàn Philips (Hà Lan) đã sử dụng vật liệu nhựa làm chất bán dẫn trong sản xuất
màn hình vi tính thay cho silicon. Phương pháp này không đòi hỏi nhiều công
đoạn, cũng không yêu cầu nghiêm khắc về môi trường sạch nên việc sản xuất đơn
giản hơn loại mạch tích hợp bằng silicon, khiến cho công nghệ này rất thích hợp
cho việc sản xuất màn hình rộng lớn. Giá thành là ưu thế rất lớn của chíp mạch
bằng vật liệu nhựa. Hiện nay chi phí đầu tư cho một nhà máy sản xuất chíp mạch
bán dẫn bằng silicon lên tới 3 tỉ đô-la Mỹ nên giá thành một bộ vi mạch lên tới
mấy đô-la trong khi nếu sử dụng vật liệu nhựa thì giá thành chỉ còn mấy xu.
Các chuyên gia về vật liệu bán dẫn hữu cơ cho rằng sản phẩm điện tử bằng vật liệu
nhựa tất yếu sẽ trở thành một thị trường đầy hứa hẹn cho tương lai.


GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU NỔI BẬT CỦA CUỘC CÁCH MẠNG VẬT LIỆU HIỆN ĐẠI

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và cách mạng vật liệu hiện
đại nói riêng trong thời gian qua đã đem lại những thành tựu đáng kể. Cụ
thể, những điểm nóng trong ngành vật liệu hiện nay là:
IV.

Vật liệu nano

Vật liệu nano 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. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này
lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 . 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.
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. Chỉ là
vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật
liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất.
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.
Lấy 1 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.



Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về
trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới
đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ, đám nano,
hạt nano...
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ,
dây nano, ống nano,...
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ,
màng mỏng,... Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong
đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano
không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Từ đây người ta tổng hợp ra nhiều vật liệu nano khác nhau với nhu cầu ngày càng
cao, ví dụ như:
Tổng hợp thành công vật liệu nano mới siêu cứng
Nhẹ hơn 10 lần song lại bền gấp 250 lần thép, đó là màng nano cacbon do các nhà nghiên
cứu thuộc ĐH Florida vừa chế tạo. Tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này rất lớn, trong
hàng không, vũ trụ, quân sự cũng như cuộc sống thường ngày. Màng nano cacbon Theo GS
Ben Wang, trưởng nhóm nghiên cứu, màng nano nói trên được làm từ các ống nano cacbon
- các sợi cực bền có đường kính bằng 1/50.000 sợi tóc người và được phát triển lần đầu
tiên vào đầu thập niên 90 của thế kỷ 20. Vật liệu tạo nên loại màng này là cacbon 60, một
loại phân tử cacbon hình cầu, cứng gấp hai lần kim cương. Nếu nhiễm điện, màng nano
cacbon có thể được sử dụng để rọi sáng màn hình máy tính và vô tuyến, tạo ra độ sáng đồng
đều hơn so với công nghệ ống tia cathode hiện nay và công nghệ màn hình tinh thể lỏng. Là
vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất, màng nano rất thích hợp để chế tạo những bộ tản nhiệt, giúp
máy tính và các thiết bị điện tử khác tản nhiệt hiệu quả hơn so với hiện nay. Và theo thời
gian, màng nano sẽ giúp con người thu nhỏ kích cỡ của các thiết bị điện tử. Do có khả năng
mang dòng điện cực lớn nên một tấm màng nano cacbon có thể được gắn bên ngoài máy

bay. Khi đó, sét đánh sẽ di chuyển quanh máy bay và tiêu tan mà không gây thiệt hại gì.
Màng còn có thể bảo vệ các vi mạch và thiết bị điện tử trong máy bay khỏi hiện tượng nhiễu
loạn điện từ. Nhiễu loạn điện từ có thể làm hỏng thiết bị. Ngoài ra, màng cho phép máy bay
quân sự chắn các tín hiệu điện từ của chúng, làm cho radar không thể dò thấy máy bay.
Màng nano cacbon nằm trong FAC2T, dự án phát triển các loại vật liệu composite mới
cũng như công nghệ sản xuất chúng.

V. Vật liệu siêu dẫn
Vật liệu siêu dẫn là vật liệu có khả năng dẫn điện cực kỳ tốt. Năm 1911, nhà vật lý
người hà lan angnâyxư đã phát hiện: khi nhiệt độ -260oc thì điện trở của thuỷ ngân
bằng 0, ông ta gọi hiện tượng đó là tính dẫn dẫn điện rất cao – siêu dẫn. Sự phát
hiện mới mẻ và sự kỳ lạ này đã gây sự chú ý đối với các nhà khoa học.


Người ta hi vọng dùng vật liệu siêu dẫn để chế tạo ra những vật có từ trường mạnh,
vì sử dụng những dụng cụ có từ trường siêu dẫn này sẽ được ứng dụng cao trong
các lãnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật sản xuất.
Trước đây rất lâu, người ta đã biết dùng vật liệu
siêu dẫn bằng kim loại như chì, thiếc, nhưng dòng
điện và từ trường giới hạn của chúng rất bé, nên
nếu tăng dòng điện lên thì vật liệu mất tính siêu
dẫn điện. Mãi đến thập niên 30 thế kỷ 20, các nhà
khoa học mới phát hiện là phải cho vào trong
kim loại tinh khiết một tạp chất khác để tạo thành
một hợp
kim dòng giới hạn và từ trường giới hạn được nâng cao lên. Chẳng hạn như năm
1930, người ta đã chế ra hợp kim chì và bitxmut, từ trường giới hạn của nó đã nhân
lên được 2 tesla.
các nhà khoa học liên xô trước đây đã có những cống hiến xuất sắc trong việc
nghiên cứu chế tạo vật dẫn có giá trị thực dụng với cái tên là vật liệu siêu dẫn hệ

hai, trong đó có cả hợp kim siêu dẫn, chẳng hạn như hợp kim niôbi, diếccôni; hợp
kim vanadi gali; ôxy hoá kim loại như kết cấu a-15, những kim loại thiểu số như
niôbi, vanadi, tếcnêxi… dùng những vật liệu siêu dẫn này tạo thành những vật có
từ trường mạnh. Vì không có điện trở nên chúng ít tiêu hao điện, không tổn thất
nhiệt, thể tích nhỏ mà công suất lớn, đến đầu thập niên 60 thế kỷ 20, các nhà khoa
học đã nghiên cứu chế tạo thành công một chất siêu dẫn từ cấp từ trường đạt đến
10 tesla. Nó được sử dụng rộng rãi trong cộng hưởng hạt nhân và từ trường, máy
gia tốc con quay, trong buồng gas, máy phát điện bằng từ thuỷ động và tàu hoả
chạy bằng điện từ v.v… những vật liệu siêu từ này cần có một điều kiện nhiệt độ
hết sức thấp mới làm việc, để sản xuất ra vật liệu này thì công nghệ rất phức tạp,
chi phí lớn. Do vậy vật liệu siêu dẫn từ cho đến bây giờ vẫn còn trong giai đoạn
thí nghiệm, khó lòng ứng dụng và phát triển.
Năm 1957, lý luận bcs đã được sáng lập để giải thích tính siêu dẫn điện. Lý luận
bcs cho rằng: nguyên nhân sinh ra siêu dẫn điện là vì trong điều kiện nhiệt độ
thấp tối thiểu, các điện tử tự do trong vật dẫn sẽ liên kết từng đôi một theo cặp
điện tử. Khi mà số lượng cặp điện tử tương đối lớn thì nó sẽ vận động định
hướng, các khoang tinh thể trong lòng các vật dẫn khó lòng ngăn chặn được, do đó
mà hình thành dòng siêu dẫn không trở. Lý luận bcs còn khẳng định về điều đó.
Nhiệt độ để sinh ra tính siêu dẫn điện không được cao quá -243 độc C; những điều
khẳng định này đã phủ bóng đen lên việc nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn.
Năm 1986, phòng nghiên cứu thụy sĩ thuộc công ty ibm của mỹ đã phát hiện ra một
ôxit kim loại: ôxit lantan, bari và đồng có thể dẫn điện siêu cao trong điều kiện
nhiệt độ cao, giúp ác bỏ lý luận bcs. Từ đó đã nhen lên ngọn lửa hi vọng trong
việc ứng dụng vật liệu siêu dẫn, hơn nữa yêu cầu về điều kiện nghiên cứu, thực
nghiệm, chế tạo rất thấp có thể dễ dàng thực hiện. Do đó đã dấy lên một luồng


sinh khí trong



ngọn lửa nhiệt tình nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn. Nhiều nhà khoa học của
các nước đã tham gia vào cuộc vật lộn với nhiệt độ giới hạn của vật liệu siêu dẫn
ôxy hoá cao. Triệu trung hiền, người hoa gốc mỹ là nhà khoa học đã có những
thành tích trong công cuộc nghiên cứu này.
Để phân biệt với loại vật liệu siêu dẫn trong điều kiêệ nhiệt độ thấp truyền thống,
các nhà khoa học đã gọi vật liệu siêu dẫn ôxy hoá bằng cái tên vật liệu siêu dẫn
nhiệt độ cao.
Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật
liệu siêu dẫn lantan – bari - đồng ôxy hoá, bari, ytri - đồng ôxy hoá, bitmit – chì –
strouti canxi… vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đã được gia công thành màng mỏng
và sợi dùng cho máy truyển cảm, thiết bị điện tử và các linh kiện vi ba không
nguồn.
Vật liệu siêu dẫn mới đầy triển vọng
Kết quả nghiên cứu độc lập của các nhà khoa học Anh, Mỹ, Nga cho thấy:Magnesium
diboride đang nổi bật lên như một loại chất siêu dẫn rất tốt và rẻ, có thể được áp dụng để
truyền tải dòng điện có hiệu điện thế và từ trường cao. Hình ảnh dòng điện đi qua chất siêu
dẫn.
Theo PhysicWeb ngày 2/6, kết quả trên được đưa ra chưa đầy 5 tháng sau khi một nhóm
nghiên cứu Nhật Bản phát hiện khả năng dẫn điện siêu việt của magnesium diboride (một
hợp chất đơn giản của magiê). Từ hợp chất này, ba nhóm khoa học Anh, Mỹ, Nga đã sản
xuất ra những màng mỏng và dây dẫn, có khả năng truyền tải dòng điện có hiệu điện thế
cao mà không gặp một chút trở kháng nào.
Phát hiện mở ra khả năng sử dụng chất liệu mới để làm dây dẫn điện, tránh thất thoát trong
quá trình truyền tải.
Ngoài ra, trong khi vật liệu siêu dẫn thông thường chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ rất thấp,
thì nhiệt độ chuyển đổi của magnesium diboride là 38 độ K (tương đương - 235,15 độ C),
gần như gấp đôi bất kỳ chất siêu dẫn kim loại nào.
Mặc dù vậy, magnesium diboride còn một hạn chế. Ở dạng khối nguyên thủy, nó mất đi tính
siêu dẫn khi tải dòng điện có hiệu điện thế lớn hay khi tiếp xúc với môi trường từ tính cao.
Đó là do từ trường tạo ra các vòng xoáy trong vật liệu siêu dẫn, làm nó trở thành vật dẫn

bình thường. Khi từ trường mạnh, các vòng xoáy trải dài hết vật dẫn, khiến cho toàn bộ khả
năng siêu dẫn biến mất. Hơn nữa, bản thân dòng điện trong dây dẫn cũng đẩy các vòng
xoáy, tạo ra sự cọ sát trong mạng nguyên tử và vì thế gây ra trở kháng.
Tuy nhiên, có thể khắc phục trở kháng này bằng cách tạo ra những điểm lõm trong vật liệu,
giúp phá vỡ và ngăn cản sự chuyển dịch của các vòng xoáy.
Hiện tại, ba nhóm khoa học đang nghiên cứu việc phá vỡ vòng xoáy để tối đa hoá khả năng
chịu từ của vật liệu khi ở trạng thái siêu dẫn.

VI. Vật liệu sinh học


Vật liệu sinh học đang được ứng dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực y học, nha khoa và công nghệ sinh học;
mặc dù 50 năm trước người ta chưa hê' biết đến sự
tồn tại của chúng. Thuật ngữ “vật liệu sinh học” đã
không được sừ dụng. Không có nhà sản xuất chính
thức (ngoại trừ sản xuất các bộ phận giả như chân
tay, thiết bị cỗ định xương gãy, mắt kính và các thiết
bị nha khoa), không có văn bản quy định chính quy,
không có những hiểu biết

Gạch sinh học

vế sự tương hợp sinh học và chắc chắn là không có khoá học nào về vật liệu sinh
học. Tuy nhiên, các loại vật liệu sinh học thô sơ đã được sử dụng từ rất sớm nhưng
kết quả thường là không như mong đợi. Phẩn này mô tả khái quát lịch sử hình thành
và phát triển cùa vật liệu sinh học từ những ngày đẩu nền văn minh cùa con người
cho đến thế kỉ XXI. Có thể chia lịch sử của vật liệu sinh học thành bổn thời kì:
thời tiến sử, thời kì của những bác sĩ phẫu thuật, thời kì của các nhà thiết kế vật
liệu sinh học và thời kì đương đại.

Chất thải từ bia có thể giúp tái tạo xương
Các nhà nghiên cứu từ UPM và CSIC đã phát triển vật liệu sinh học từ chất thải trong
quá trình sản xuất bia để tái tạo xương.
Theo kết quả nghiên cứu từ Trung tâm Công nghệ Vật liệu sinh học trường Đại học
Politécnica de Madrid (UPM), Viện nghiên cứu Vật liệu, chất xúc tác và hóa học dầu mỏ
thuộc trung tâm nghiên cứu lớn của Tây Ban Nha Consejo Superior de Investigaciones
Científicas (CSIC), hợp tác với công ty Mahou và Createch, đã phát triển vật liệu có tính
tương hợp sinh học. Vật liệu này được sử dụng như chất hỗ trợ tái tạo xương từ chất thải
ngành công nghiệp thực phẩm, phần lớn là từ bã (phần còn lại) sau quá trình sản xuất
bia. Vật liệu mới này có thể được coi như sự thay thế bộ phận giả được làm từ xương cừu
hoặc vật
liệu
tổng
hợp
đắt
đỏ,
gây
nguy
hại
cho
môi
trường. Vật liệu sinh học được sử dụng như khuôn mẫu trong tái tạo xương và được tạo
ra từ bã bia đã qua xử lý
Chất thải từ quá trình sản xuất bia có chứa các thành phần hóa học chính được tìm thấy
trong xương như phốt pho, canxi, magie và silica. Sau khi trải qua quá trình biến đổi,
chất thải này có thể được sử dụng như công cụ hỗ trợ hoặc khung định hình nhằm thúc
đẩy tái tạo xương trong ứng dụng y tế bằng cách, tráng qua một lớp xương giả hoặc ghép
xương. Việc sử dụng chất thải từ ngành công nghiệp thực phẩm là cách phục hồi nguồn
nguyên liệu dồi dào, làm giàu thêm sự đa dạng hóa học, đồng thời nó còn làm giảm ành
hưởng gây ra bởi sự tích tụ chất thải trong môi trường.

Cho đến nay, việc sử dụng vật liệu nhân tạo như môt sự thay thế cho xương thật là liệu
pháp phổ biến nhất được sử dụng điều trị các bệnh về xương. Pháp đồ điều trị dựa trên
khuôn mẫu là khung định hình cứng, rỗng làm bằng vật liệu tương hợp sinh học. Khuôn
mẫu này sẽ cung cấp sự ổn định cơ học và thúc đẩy sự phát triển của các mô xương mới,
giúp tái sinh nó.
Canxi phốt phát nhân tạo thường được sử dụng như khuôn mẫu và lớp phủ bên ngoài


trong cấy ghép chỉnh hình vì sự tương đồng của nó với các thành phần của xương. Bã
bia được


cấu thành bởi các chất thải hữu cơ của mạch nha, không bao giờ trải qua quá trình biến
đổi sau đó. Đây chính là lí do tại sao bã bia được coi như sản phẩm phụ, thường được sử
dụng để làm thức ăn gia súc và nó không hề tốn kém. Các phân tích về thành phần có
trong nguyên liệu này cho thấy, sự tồn tại của các lỗ rỗng liên kết với nhau trong đường
kính 50 đến 100 micrômet giống với độ rỗng của xương xốp. Tất cả điều này sẽ tạo
thuận lợi cho phân phối mạch hoàn chỉnh sau khi cấy ghép xương.

Ngoài ra, vật liệu điện tử, vật liệu quang điện cũng là những vật liệu mang
tính đột phá trong cuộc cách mạng Vật liệu hiện đại:
Việc phổ cập kỹ thuật thông tin viễn thông đang nhanh chóng đổi mới vật liệu điện
tử. Các nhà khoa học đã chế tạo được vật liệu nhựa giá thành thấp có thể thay
silicon trong sản xuất mạch tích hợp. Các nhà khoa học Mỹ và châu Âu đang
nghiên cứu chế tạo chíp vi xử lý bằng vật liệu nhựa giá thành thấp hơn nhiều
nhưng có tốc độ và chức năng xử lý tương đương chíp bằng silicon. Mới đây tập
đoàn Philips (Hà Lan) đã sử dụng vật liệu nhựa làm chất bán dẫn trong sản xuất
màn hình vi tính thay cho silicon. Phương pháp này không đòi hỏi nhiều công
đoạn, cũng không yêu cầu nghiêm khắc về môi trường sạch nên việc sản xuất đơn
giản hơn loại mạch tích hợp bằng silicon, khiến cho công nghệ này rất thích hợp

cho việc sản xuất màn hình rộng lớn. Giá thành là ưu thế rất lớn của chíp mạch
bằng vật liệu nhựa. Hiện nay chi phí đầu tư cho một nhà máy sản xuất chíp mạch
bán dẫn bằng silicon lên tới 3 tỉ đô-la Mỹ nên giá thành một bộ vi mạch lên tới
mấy đô-la trong khi nếu sử dụng vật liệu nhựa thì giá thành chỉ còn mấy xu.
Các chuyên gia về vật liệu bán dẫn hữu cơ cho rằng sản phẩm điện tử bằng vật liệu
nhựa tất yếu sẽ trở thành một thị trường đầy hứa hẹn cho tương lai.