Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùng

Dẫn nhập Những cuộc cách mạng kỹ nghệ như những ngọn sóng thần. Khi còn ở ngoài khơi, nó âm thầm băng trùng dương với bước sóng vừa cao vừa dài không dễ phát hiện. Chỉ khi đến gần bờ người ta mới thật sự nhận ra sức mạnh long trời lở đất của nó. Công nghệ nano là ngọn sóng thần kỹ nghệ đương đại mà những ứng dụng của nó đang dần dần xuất hiện, bùng nổ và sẽ tạo ra sức va đập mãnh liệt vào cuộc sống của xã hội loài người. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùng Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùngDẫn nhậpNhững cuộc cách mạng kỹ nghệnhư những ngọn sóng thần. Khi cònở ngoài khơi, nó âm thầm băngtrùng dương với bước sóng vừa caovừa dài không dễ phát hiện. Chỉ khiđến gần bờ người ta mới thật sựnhận ra sức mạnh long trời lở đấtcủa nó. Công nghệ nano là ngọnsóng thần kỹ nghệ đương đại mànhững ứng dụng của nó đang dầndần xuất hiện, bùng nổ và sẽ tạo rasức va đập mãnh liệt vào cuộc sốngcủa xã hội loài người. Đã có nhiềuchuyên gia kinh tế dự đoán rằngnhững ảnh hưởng và biến chuyểnxã hội gây ra bởi cách mạng côngnghệ nano sẽ làm cho cuộc cáchmạng công nghệ tin học xảy ratrong vòng ba thập niên vừa qua chỉnhư một làn gió thoảng.Dù sao đây cũng là một lời dự đoánkinh tế đặt trên nhiều giả thuyết. Đểcó một cảm giác thực sự về côngnghệ nano ta hãy nhìn vào nền tảngkhoa học và thực chất của nó. Nóimột cách rõ ràng hơn, cốt lõi củanền công nghệ nano xoay quanhcác phương thức chế biến nhữngvật liệu nano, khảo sát hóa tính, lýtính, cơ tính, quang tính, điện tính,từ tính và tìm kiếm những ứngdụng cho các loại vật liệu này.Chúng là các loại hạt nano(nanoparticles) hay cấu trúc nano(nanostructure) với nhiều mô dạngở thứ nguyên từ 1 đến 100 nanomét(nm). Một phân tử có kích thướckhoảng 1 nm, nên vật liệu hay cấutrúc nano là những tập hợp từ vàiphân tử đến 100 phân tử. Sự hiểubiết về nguyên tử hay các phân tửđơn giản ở mức độ nhỏ hơn 1 nmđã được hoàn bị hơn 100 năm nay,giúp con người thông suốt nhữngthuộc tính cơ bản của vật chất vàtrở thành các bộ môn trong khoahọc tự nhiên nằm trong các giáotrình của hóa học tổng quát, hóahọc lượng tử và cơ học lượng tử.Những đặc tính của vật liệu có kíchthước lớn hơn 100 nm (= 0,1micromét, µm) thuộc phạm vimicromét, lớn hơn nữa tiến đếntrung mô (mesoscale: mm, cm) rồiđến vĩ mô (macroscale), cũng đãđược hình thành một cách có hệthống trong các bộ môn như vật lýchất rắn và cơ học Newton. Nằmgiữa hai thái cực của thế giới vi mônguyên tử, phân tử và thế giới vĩmô của vật liệu trong trạng tháicụm, mảng, khối; vật liệu và cấutrúc nano là một vùng sa mù mờ ảo.Trên mặt vật lý lý thuyết, nó là mộtvùng xám giao thoa giữa cơ họclượng tử và cơ học Newton, giữacái bất định và tất định.Từ khi khoa học hiện đại xuất hiện,có phải chăng vật chất với kích cỡ1 đến 100 nm, hay đặc thù hơn từ 1đến 10 nm, một cách vô tình hay cốý đã bị bỏ quên? Sự thật là cho đến20 năm gần đây các nhà khoa họckhông có một phương tiện hữu hiệunào, chẳng hạn như kính hiển viquét đường hầm (scanningtunelling microscope), cho việcthao tác, khảo sát và tìm hiểu cácvật liệu nano hơn là lỗi lầm củamột sự lãng quên. Thế rồi, như đểgiải tỏa cái ức chế trăm năm, nềncông nghệ nano bùng phát như vũbão. Hàng loạt thuật ngữ khoa họcvới tiền tố nano xuất hiện: hạtnano, cấu trúc nano, chùm nano(nanocluster), tinh thể nano(nanocrystal), ống nano (nanotube),pha nano (nanophase)... Các nhànghiên cứu đủ mọi ngành nghề từ yhọc đến vật lý học, từ hóa học đếnsinh học bị thu hút vào dòng xoáynano. Ở các cuộc hội thảo khoahọc, trong các bài báo cáo, nhữngcuộc thảo luận không ai không thốtra thuật ngữ thời thượng này.Như kho tàng Ali Baba trongchuyện cổ tích Ả rập, khi cánh cửakho tàng vật liệu nano đã mở cácnhà nghiên cứu choá mắt đến kinhngạc trước những đặc tính muônhình vạn trạng hoàn toàn bị chiphối bởi độ to nhỏ ở kích thướcnano. Đây là một điểm cực kỳ quantrọng trong khoa học và công nghệnano. Nói chính xác hơn, khi mộtvật liệu được thu nhỏ cho đến thứnguyên nano, tất cả những tính chấtnhư lý tính, hóa tính, cơ tính, quangtính, điện tính, từ tính ở trạng tháivĩ mô (mảng, khối) hoàn toàn bịthay đổi. Khi ta cắt một mảnhnhôm thành từng miếng nhỏ, thậmchí đến mức micromét, nhôm vẫnlà nhôm. Nhưng khi ta nghiền đếnđộ nhỏ vài chục nanomét, thì miếngnhôm hiền lành kia sẽ biến thànhchất nổ. Hạt nano nhôm là chất xúctác cho nhiên liệu tên lửa. Khi trởthành hạt nano, vàng sẽ không cònphát ra màu vàng quyến rũ cốhữu mà là những màu sắc xanh đỏkhác nhau tùy vào kích cỡ.Tương tự như hạt nano, khi bề mặtvật liệu có mô dạng hay cấu trúc ởthứ nguyên nano, diện tích bề mặtkhông những gia tăng lên hàngtriệu hay hàng tỷ lần so với bề mặtkhông mô dạng, mà còn tạo ranhững đặc tính với nhiều thú vị bấtngờ. Bề mặt với cấu trúc nano hiệnhữu xung quanh ta ở các loài thựcvật, động vật. Ngỡ rằng nó bìnhthường nên ta chỉ xem như mộtchuyện đương nhiên. Hãy tưởngtượng ta đang ngồi trong phònghọc, vừa thưởng thức những bàiĐường thi, vừa nhâm nhi ly cà phênóng Trung Nguyên, thỉnh thoảngta nhìn ra ngoài vườn hoa trước cáihồ sen nhỏ tìm... ý thơ. Dưới tianắng xuân ấm áp, những cánhbướm đủ màu sắc bay thơ thẩn tìmhoa hút nhụy. Một làn gió nhẹ thổiqua làm gợn sóng mặt hồ, lùanhững hạt nước tinh khôi lăn tròntrên lá sen, lung linh trong ánhnắng. Ý thơ sắp hình thành thì bỗngnhiên một chú thạch sùng xuất hiệntrên t ...