Vật liệu và thiết bị Nano

Công nghệ nano là một thực thể lâu đời như quả đất. Thiên nhiên đã dùng nó như một công cụ tạo ra muôn loài từ thuở hồng hoang. Nhưng mãi đến 25 năm trước, con người mới chợt thấy sự hiện diện vây quanh của công nghệ nano. Con người vực dậy và sử dụng nó như là một phương thức cách tân để tiến hành một cuộc cách mạng khoa học công nghệ thầm lặng trong thế kỷ XXI. Cuộc cách mạng này và sản phẩm liên quan đang bao trùm và ảnh hưởng sâu sắc đến mọi khía cạnh sinh hoạt của con người bao gồm năng lượng, thực phẩm, dược phẩm, y tế, trang phục, giao thông, viễn thông, quốc phòng và vui chơi. Đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano là vật liệu nano và cấu trúc nano có kích cỡ 1-100 nanomét (nm, 1 nm là 1 phần tỷ của mét). Thiết bị nano là những thiết bị hay dụng cụ được thiết kế và chế tạo từ những vật liệu và cấu trúc này. Tiến trình của công nghệ nano trong hai thập niên qua, nếu tính bằng con số, là những số tiền khổng lồ có đơn vị là tỷ đô la đã được các nước tiên tiến đầu tư vào các hoạt động nghiên cứu triển khai, hàng chục ngàn bài báo cáo và đăng ký phát minh, và hàng ngàn tấn các vật liệu nano như ống than nano, hạt nano, graphene đang được sản xuất hàng năm. Như một chuyên gia đã khẳng định, “công nghệ nano sẽ bám trụ vào cuộc sống đời thường và những ứng dụng của nó chỉ ở giai đoạn mở đầu”.

Trong cao trào thương phẩm hóa những công trình nghiên cứu hàn lâm, vật liệu nano như ống than nano hay graphene đã được tôn vinh là “vật liệu thần kỳ” hay “vật liệu của thế kỷ XXI”. Ngân khoản đầu tư toàn cầu vào các lĩnh vực của công nghệ nano từ năm 2000 vẫn tiếp tục gia tăng và đạt đến con số 20 tỷ đô la vào năm 2012. Hiển nhiên, theo quy luật kinh tế, đầu tư phải mang lại lợi nhuận. Mà muốn có lợi nhuận thì sản phẩm phải hấp dẫn giới tiêu dùng về chất lượng cũng như giá cả. Cũng như những ngành công nghệ khác, từ giai đoạn nghiên cứu cơ bản thỏa mãn sự tò mò cho đến việc tạo ra thương phẩm đi vào cuộc sống đời thường phải cần 30 năm. Nếu chúng ta dùng việc tái phát hiện ống than nano vào năm 1991 của tiến sĩ Sumio Iijima như một cột mốc đánh dấu khởi điểm của ngành công nghệ nano thì lĩnh vực này đã tròn 25 năm tuổi.

Vào những năm đầu thập niên 90 của thế kỷ XX, các nhà nghiên cứu công nghệ nano đã định sẵn mục tiêu cho các ứng dụng nhằm thay thế vật liệu cổ điển của các ứng dụng hiện có. Như vậy, những công trình nghiên cứu được thúc đẩy trước hết bằng sự tò mò hàn lâm rồi dần dần được nối tiếp bởi nhu cầu tiêu dùng trước mắt. Nhưng sự thay thế các vật liệu hiện có bằng vật liệu nano hay vật liệu có cấu trúc nano chỉ là chiếc cầu tạm thời nối giữa cái cũ và cái mới. Tư duy nghiên cứu, phong cách chế tác và tiềm năng ứng dụng của công nghệ nano không chỉ phụng sự cho việc “thay thể” cái cũ và cái hiện có. Vào thập niên thứ hai của thế kỷ XXI, các công trình nghiên cứu triển khai của công nghệ nano bước vào ngưỡng cửa của thời kỳ trưởng thành. Những thành quả và trải nghiệm của 1/4 thế kỷ nghiên cứu vừa qua đã cho các nhà khoa học một nguồn tri thức mới và cho doanh nhân một tầm nhìn chiến lược khác. Tri thức mới và tầm nhìn mới sẽ hình thành các sản phẩm mới sử dụng vật liệu nano hay cấu trúc nano với những đặc tính chưa từng có.

Quyển sách tập hợp những bài tản văn khoa học mà tôi viết trong khoảng thời gian 2011 - 2015 kể lại những công trình thú vị và đột phá trong công nghệ nano và bước tiến tương lai của chúng. Các chương không nhất thiết liên quan với nhau, nhưng nhìn tổng quát, quyển sách nói về vật liệu nano, vật liệu có cấu trúc nano và thiết bị được chế tạo từ những vật liệu này. Đó là transistor, vật liệu tàng hình, siêu vật liệu, graphene hay những sản phẩm và hệ thống sinh học. Cho nên, quyển sách có tựa đề là “Vật liệu và thiết bị nano”. Quyển sách này là quyển thứ hai tôi viết về công nghệ nano, tập trung vào các tiềm năng ứng dụng để tiếp nối với quyển thứ nhất, “Khoa học và công nghệ nano”, đã được tái bản (Nxb. Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh).

Phương pháp “từ dưới lên” theo cơ chế “tự lắp ghép” mang một thứ tự tôn ti nghiêm ngặt nhằm kết nối các vật chất vi mô tạo thành sản phẩm vĩ mô là một phương thức chế tác độc đáo của công nghệ nano. Thiên nhiên đã sử dụng nó một cách linh hoạt để tạo ra muôn loài sinh linh trong quá trình tiến hóa 4 tỷ năm trên quả đất này. Ngược lại, con người phần lớn dựa vào phương pháp “từ trên xuống” để chế tạo ra những thiết bị cần thiết. Phương pháp này đã làm nên nhiều kỳ tích trong lịch sử khoa học kỹ thuật. Con người cải biến các chất liệu thiên nhiên bằng những phương pháp hóa học, rồi sử dụng những phương pháp vật lý làm nhỏ hay mỏng hơn từ kích cỡ vĩ mô đến vi mô. Một trong những thiết bị được chế tạo theo phương pháp “từ trên xuống” có ảnh hưởng sâu đậm và tác động mạnh mẽ đến sinh hoạt con người là transistor. Nó hiện hữu hầu hết trong các thiết bị điện tử từ chiếc điện thoại thông minh đến phi thuyền vũ trụ.

Chương 1 đề cập đến quá trình khám phá, hình thành và những nỗ lực thu nhỏ của linh kiện điện tử vô cùng quan trọng này. Sự thu nhỏ transistor là một ám ảnh thường trực của công nghiệp điện tử. Trong nửa thế kỷ qua, bằng phương pháp “từ trên xuống” transistor được thu nhỏ hàng chục triệu lần, từ centimét đến nanomét. Transistor ngày nay nhỏ hơn con vi khuẩn và hàng tỷ transistor được cài lên bề mặt chỉ có diện tích vài cm. Tạo hóa rất ưu ái và hào phóng vì đã ban bố cho loài người nguyên tố silicon, một nguyên tố dồi dào trong cát, đứng thứ hai sau oxygen, để làm nguyên liệu cho transistor. Phải công nhận rằng cuộc cách mạng điện tử sẽ không xảy ra nếu không có cát. Có thể nói, chiếc điện thoại thông minh và máy tính với nhiều chức năng vô cùng đa dạng là hai thiết bị điện tử biểu hiện của sự thành công tột đỉnh của phương pháp “từ trên xuống”.

Nhưng kích cỡ transistor không thể nào nhỏ hơn nguyên tử silicon. Dù ta có thể chế tạo transistor làm từ một nguyên tử silicon, chức năng của transistor sẽ trở nên què quặt vì sự nhòe lượng tử. Nền khoa học công nghệ của thế kỷ XXI tùy thuộc vào sự phát triển của máy tính. Transitor lại là tế bào não của máy tính. Niềm mơ ước to lớn của các chuyên gia điện tử là việc thu nhỏ, rất nhỏ, cho transistor. Nhưng cuối cùng con người phải đối đầu với một giới hạn nhỏ nhất của vật chất. Phương pháp “từ trên xuống” sẽ bất lực. Con người lại có tham vọng lớn. Ta muốn máy tính sẽ rút nhỏ thành hạt cát và có tốc độ xử lý dữ liệu nhanh như ánh sáng.

Chương 2 đề cập đến những nỗ lực từ hai thập niên qua trong việc dùng các hợp chất hữu cơ như polymer bán dẫn hay vật liệu nano như ống than nano thay cho silicon trong việc chế tạo và thu nhỏ transistor. Nhưng hai vật liệu này không đánh bại được silicon về mặt giá cả và chức năng. Như một phần thưởng an ủi, hai vật liệu này đã khai sinh ra lĩnh vực “điện tử mềm” với những sản phẩm điện tử hữu cơ có thể cuốn tròn, dán lên tưởng và mạch điện tích hợp có thể được tạo hình bằng phương pháp in phun đơn giản. Thật sự, doanh nghiệp không bao giờ muốn rũ bỏ silicon vì nguyên tố này là người bạn tri kỷ và vô cùng tốt bụng của nền công nghiệp điện tử. Nhưng sự thu nhỏ transistor vượt qua ngưỡng của kích cỡ phân tử và gia tăng tốc độ xử lý vẫn là niềm mong ước khôn nguôi thôi thúc các nhà khoa học dấn thân vào những công trình to lớn về vi tính lượng tử. Trong khi giới hàn lâm còn đang mày mò trong mê cung nghiên cứu thì công ty D-Way Systems (Canada) tung ra máy tính lượng tử với giá một chiếc là 15 triệu đô la Mỹ. Có phải đây thực sự là máy tính lượng tử không? Vụ việc còn đang trong vòng tranh cãi, nhưng công ty hàng không Lockheed Martin và công ty Google đã mua và rất hài lòng với máy tính của D-Way, bất chấp giá trên trời.

Chương 3 nói về “tàng hình”. Nhà ảo thuật tàng hình trên sân khấu. Có chức năng nào cho phép ta hổ biến như một nhà ảo thuật? Tiếc rằng, người bình thường không ở trong nghề không thể thực hiện được vì “bí mật nhà nghề” của các nhà ảo thuật. Nhưng ta có thể thực sự tàng hình nếu hiểu rõ các quy luật vật lý. Mục đích của chương này nhằm giải thích những quy luật đó. Con người có lẽ ai cũng muốn tàng hình cho vui... Nhưng “tàng hình” ở chốn sa trường là chuyện nghiêm túc. Các chiến lược gia muốn biến chốn này là nơi không hình không bóng, đến không tiếng động, đi không giấu vết. Một vật thể phát ra nhiều tín hiệu tự nhiên được thể hiện qua màu sắc, nhiệt độ và hình hài. Kẻ truy tận dụng những quy luật vật lý nắm bắt những tín hiệu đó để săn lùng người ẩn. Người ẩn tìm mọi cách để che giấu những tín hiệu này cũng bằng những quy luật vật lý tạo ra “ảo giác” đánh lừa kẻ truy. Kỹ thuật tàng hình ra đời từ nhu cầu này. Làm sao để che giấu được màu sắc, nhiệt độ và hình hài để tàng hình sẽ được giải thích ở chương này.

Chương 4 nói về siêu vật liệu. Vào những năm đầu của thế kỷ XXI, một loại vật liệu nhân tạo gọi là siêu vật liệu xuất hiện. Siêu vật liệu chứa những đơn vị cấu tạo có kích cỡ từ nanomét đến centimét tùy vào ứng dụng. Siêu vật liệu được chế tạo để có những hiệu ứng điện từ khác thường, thí dụ như chiết suất có trị số âm hay chiết suất có trị số lớn hơn 30 (chiết suất của chân không là 1, của kim cương là 2,4) hay chiết suất có trị số dần dần biến đổi. Siêu vật liệu sẽ có nhiều ứng dụng trong quang học, điện từ học, viễn thông, âm học và nhiệt học. Chẳng hạn, thấu kính phẳng, cực mỏng và chiết suất âm có khả năng hội tụ ánh sáng không có quang sai thay cho thấu kính lồi cổ điển. Nếu thực hiện thành công, ta sẽ có máy ảnh kỹ thuật số mỏng gọn như tấm danh thiếp. Một ứng dụng khác có liên quan đến kỹ thuật tàng hình như được trình bày trong Chương 3. Siêu vật liệu bẻ cong đường đi của sóng điện từ (bao gồm ánh sáng). Bằng cách phủ siêu vật liệu xung quanh một vật, sóng sẽ không bị phản hồi khiến vật “tàng hình”. Đặc tính này được triển khai đến sóng âm thanh. Khi siêu vật liệu âm học được phủ lên một vật thì sóng âm bị bẻ cong xung quanh vật; vật không bị phát hiện vì không có phản âm. Tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu rất lớn. Chỉ trong vòng 15 năm kể từ điểm khởi đầu nghiên cứu là năm 2000, ăng-ten siêu vật liệu gọn nhẹ, xách tay dùng để tải thông tin từ vệ tinh sẽ được dự trù sản xuất đại trà vào năm 2015 để thay thế các loại ăng-ten cổng kềnh cổ điển. Ứng dụng này sẽ làm thay đổi ngành viễn thông và mạng internet.

Tiếp nối quả bóng fullerene C., và ống than nano, sự ra đời của graphene thuộc dòng họ carbon mang đến cho cộng đồng nghiên cứu khoa học một niềm kích động to lớn và doanh nghiệp một niềm hy vọng lớn lao cho vật liệu tiên tiến tương lai. Chương 5 giới thiệu sơ lược về graphene, mô tả những hiện tượng kỳ bí do sự di động của electron trên bề mặt graphene, phương pháp tổng hợp và các ứng dụng tiêu biểu. Graphene là vật liệu carbon có hình dạng mạng lưới lục giác nối kết các nguyên tố carbon giống tổ ong và có độ dày của một nguyên tử carbon. Vì vậy, graphene là vật liệu hai chiều và mỏng nhất trong vũ trụ. Chương này nói về graphene nhưng thực chất là về bề mặt - một thế giới hai chiều - đúng như định nghĩa của nó. Chức năng thiên biến vạn hóa của các bề mặt vĩ mô đã làm cho các nhà khoa học ngỡ ngàng gần hai thế kỷ qua và đem đến cho loài người những tiện ích đời thường. Graphene là bề mặt vi mô của thế giới nanomét. Nó sẽ mang lại nhiều phấn khích và thú vị cho các ứng dụng tương lai trong công nghiệp điện tử, bộ cảm ứng, gia cường công cụ tích trữ năng lượng như pin siêu tụ điện và nhiều ứng dụng khác.

Nói đến công nghệ nano mà không đề cập đến những sản phẩm, hệ thống sinh học được tạo thành bởi phương pháp “từ dưới lên” của Mẹ Thiên nhiên là một điều thiếu sót. Hơn 2.000 năm trước, Aristotle đã từng băn khoăn, “trong tất cả mọi vật của thiên nhiên, có một cái gì đó rất kỳ diệu”. Con người ngày nay chia sẻ niềm băn khoăn đó bằng cách tìm hiểu cái kỳ diệu trong sự thông thái vô cùng của thiên nhiên. Chương 6, và cũng là chương cuối, trình bày một vài thí dụ về kỳ công của Mẹ Thiên nhiên. Trong gần 4 tỷ năm tiến hóa, dù không có nhiều lựa chọn và phương tiện trong tay, thiên nhiên đã có nhiều đáp án để tạo ra và duy trì sự sống của vạn vật có khả năng sinh tồn và thích ứng trong những điều kiện khó khăn và hoàn cảnh khắc nghiệt nhất. Những sản phẩm của thiên nhiên như xương động vật hay vỏ của các loài giáp xác, da và vảy của các loài cá lớn nhỏ, phản ứng quang hợp và “nam châm” định hướng của loài chim di trú, đã chứng tỏ rằng Mẹ Thiên nhiên là một khoa học gia siêu phàm. Thiên nhiên là nhà cơ học, biết thiết kế các cấu trúc có tôn ti kéo dài từ mức vi mô đến mức vĩ mô trong xương động vật hay vỏ của các loài giáp xác. Thiên nhiên tinh thông thủy động lực học, biết thiết kế da và vảy của các loài cá lớn nhỏ làm giảm lực cản của nước để chúng có thể bơi thoải mái. Sự quang hợp trong vi khuẩn, lá cây và “nam châm” định hướng của loài chim cho thấy các tác động của hiệu ứng lượng tử đối với sinh học. Điều này phản ánh sự kỳ bí tột cùng của thiên nhiên. Có phải chăng Mẹ Thiên nhiên rất thông thạo thuật toán lượng tử? Dựa vào các dữ liệu thực nghiệm, câu trả lời là khẳng định. Điều này cho thấy rõ con người biết rất ít và còn phải học hỏi rất nhiều từ Mẹ Thiên nhiên, vị vạn thế sự biểu của muôn đời và muôn loài.

Khoa học vốn là tập hợp của những sự kiện vĩ đại. Nhưng sự vĩ đại đó sẽ dễ dàng chìm vào quên lãng hay lững lờ trong những cái linh tinh đời thường, nếu chúng không được truyền đạt đến người đọc một cách hiệu quả. Cho nên, tôi cố gắng trình bày và diễn giải trong một văn phong bình dị với nhiều ẩn dụ, thí dụ để làm giảm sự đơn điệu, khô khan của khoa học. Mỗi chương sách là tổng quan của một đề tài khoa học nhưng đã được biến thành một câu chuyện kể. Trong quá trình soạn thảo quyển sách, tôi đã thu thập tư liệu và trích dẫn từ các bài báo cáo đăng trên các tạp chí khoa học chuyên ngành như Nature, Science, Advanced Materials, Materials Today,... Tôi cũng đã tham khảo Wikipedia và dùng các hình ảnh từ Google. Nội dung của các bài báo cáo được chắt lọc với những nhận xét và phân tích của cá nhân tôi để cho độc giả có một khái niệm tổng quát mà không đi quá sâu vào chi tiết. Tuy nhiên, về những chi tiết liên quan, độc giả có thể tìm đọc tài liệu được liệt kê trong phần “Tài liệu tham khảo” ở cuối mỗi chương. Phần “Phụ lục” được viết để minh họa những khái niệm đề cập trong bài bằng phương trình toán hay vài bài tập nhỏ có sẵn lời giải.

Quyển sách này nhắm vào học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu khoa học và đại chúng muốn tìm hiểu về công nghệ nano và những ứng dụng của nó. Quyển sách không nặng về lịch sử của những sự kiện khoa học mà về hiện trạng và tương lai của một số khám phá khoa học. Những khám phá này vẫn tiếp diễn và thay đổi theo thời gian. Vì vậy, những điều viết trong quyển sách có thể xem như một tài liệu tham khảo cho những diễn biến trong tương lai. Trong quá trình biên soạn, tôi xin độc giả lượng thứ cho những sai sót không tránh được và rất mong có những ý kiến đóng góp từ độc giả.

Nhân dịp này, tôi xin cảm ơn anh Hà Dương Tuấn, một chủ biên của mạng Diễn Đàn Forum và anh Trần Thanh Việt chủ biên mạng Exryu Cuối Tuần của cựu du học sinh tại Nhật Bản, đã biên tập, hiệu đính và đăng tải các bài tản văn khoa học của tôi từ nhiều năm qua.

Quyển sách này sẽ không đến tay bạn đọc nếu không có sự đồng hành của Nhà xuất bản Tổng hợp Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi chân thành cảm ơn Nhà xuất bản đã tạo điều kiện để tác phẩm này được thành hình, đóng góp một phần nhỏ vào kiến thức đương đại của công nghệ nano đến với bạn đọc Việt Nam.

TRƯƠNG VĂN TÂN

Melbourne, đầu Đông tháng 7/2016