Dẫn Nhập về Nanotechnology

1. Mở Đầu: Khoa học và kỹ thuật vi mô (10-9m) (Nanoscience and Nanotechnology) là lãnh vực khoa học hàng đầu trong thập niên gần đây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Dẫn Nhập về Nanotechnology Dẫn Nhập về Nanotechnology1. Mở Đầu: Khoa học và kỹ thuật vi mô (10-9m) (Nanoscience and Nanotechnology) là lãnhvực khoa học hàng đầu trong thập niên gần đây. Trong ngôn ngữ khoa học, chữnano có nghiã là môt phần triệu của một đơn vị nào đó. Thí dụ nhu khi nó dùngvới một giây thì nó có nghiã là một phần triệu giây, hay khi đuợc dùng với mộtmét thi là một phần triệu mét. Vì lý do tiện nghi trong vấn đề thuật ngữ, những từ“Nanoscience” và “Nanotechnology” sẽ đựoc dùng trong bài viết này. Nanoscience và nanotechnology nói chung đề cập đến thế giới khi làm việc ởquy mô nanomét (từ môt nanomét đến mấy trăm nanomét). Những thí dụ chonhững vật chất ở quy mô nanomét bao gồm những phân t ử nhỏ trong tự nhiênchứa vài nguyên tử nhu là phân tử H2O đến những phân tử protein rất lớnnhư hemoglobin với hàng ngàn nguyên tử và những phân tử khổng lồ DNA chứahàng ngàn nguyên tử. Nói khác hơn, những vi cấu trúc (nanostructures) có kíchthuớc từ kich thuớc của những phân tử đến kích thuớc vài micromét (10-6). Nhữngcấu trúc này chứa vô số những nguyên tử, và do đó, đặc biệt thích hợp cho việcnghiên cứu ở mức độ chi tiết nguyên tử. Nhìn ở mức độ phân tử, chúng lớn đếnnổi chúng cung cấp những ph ương tiện tiếp cận với đặc trưng luợng tử (quantumbehavior) mà những phương tiện khác không thể có đuợc. Khi nhìn ở góc độ vậtchất, chúng nhỏ tới mức chúng có những đặc trưng mà ở những cấu trúc lớn hơn(ngay cả 0.1 mm) không thể quan sát đuợc. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năngcho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trênthể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory). Những cấu trúc vi mô còn là nơi trú ngụ và xuất thân tự nhiên cho nhữnghiệu ứng luợng tử. Những vi cấu trúc này hình thành cơ sở cho những kỹ thuật viđiện tử hiện tại. Mặc dù những vi cấu trúc nhỏ so với kích thuớc thực nghiệm củacon nguời, đặc tính vật lý của chúng đa dạng cũng như vật lý của những hệ thốngtrong thế giới vi mô. Trên căn bản, những vi cấu trúc khác hẳn: các đặc trưng củachúng, đặc biệt về điện và từ tính, hoàn toàn đuợc thống trị bởi biểu hiện luợng tử(quantum behavior). Chúng có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trongnhững dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có.Chúng có thể đuợc lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang.Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹnđặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những vi cấu trúc co thể đóng gói lại chặt chẽ và dođó làm tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốcđộ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao cung lànguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kếcận (thỉnh thoảng, không kế cận). Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt l à nhữngphân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng luợng giữa những cấu hình khácnhau có thể có có thể được thay đổi cách đáng kể bởi những tuong tác đó. Trongvài trường hợp, sự hiện diện của liên diện giữa các bề mặt, với những tính chấtkhác với chính các vi cấu trúc làm tăng thêm sự phức tạp. Những phức tạp nàyhoàn toàn chưa đuợc khám phá vàviệc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vicấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng. Nhữngphức tạp này cũng mở đuờng cho sựtiếp cận với những hệ thống không tuyến tínhphức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bảnkhác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mômicromét Nanoscience là một trong những biên giới khoa học chưa thám hiểm. Nó cungcấp cho những phương diện lý thú nhât cho những phát minh kỹ thuật2. Tính Chất Cơ Bản của Vi Cấu Trúc Một trong những tính chất quan trọng của nanostructures là sự phụ thuộc vàokích thuớc của nanostructures. Vật chất khi ở dạng vi thể (nano-size) có thể cónhững tính chất mà vật chất khi ở dang nguy ên thể (bulk) không thể thấy đuợc.Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ và càng nhỏ hon nữa (tới kíck thuớcnanomét), các electron không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòngsông, mà đặc tính cơ luợng tử của các electrons biểu hiện ra ở dạng sóng. Kíchthuớc nhỏ dẫn đến những hiện tuợng luợng tử mới và tạo cho vật chất có thêmnhững đặc tính kỳ thú mới. Một vài hệ quả của hiệu ứng luợng tử bao gồm,chẳng hạn như: (i) hiệu ứng đuờng hầm (tunneling effect): electrons có thể tức thời chuyểnđộng xuyên qua một lớp cách điện (insulator).Lợi điểm của hiệu ứng này là các vật liệu điên tử xây dựng ở nanoscale khôngnhững có thể được đóng gói dầy đặc (densly packed) hơn trên một con chip màcòn co thể hoạt động nhanh hơn, với ít electrons hon và mất ít năng luợng honnhững transistor thuờng lệ. (ìi) sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn nhu tính chất điện(electrical) và tính chất quang không tuyến tính (non-linear ...