Đôiđiều vềvật liệu nano
Nói đến các hướng nghiên cứu của vật lý bây giờthì vật liệu NANO
được coi là một trong những hướng "hot" nhất. Vậy bạnđã biết thêm gì về
vật liệu NANO ngoài tên gọi của nó.
Vật liệu nano
I/ Khoa họcứng dụng đi về đâu?
Xu hướng của khoa họcứng dụng
(bài này không đề cậpđến khoa học cơ
bản) hiện nay là tích hợp lạiđể cùng
nghiên cứu các đối tượng nhỏbé có kích
thước tiếnđến kích thước của nguyên
tử. Hàng ngàn năm tr ướcđây, kểtừkhi
các nhà bác học cổHy Lạp xác lập các
nguyên tắcđầu tiên vềkhoa học (đúng
hơn là siêu hình học), thì các ngành
khoa họcđềuđược tập tr ung thành một môn duy nhấtđó là triết học, chính vì thế
người ta gọi họlà nhà bác học vì họbiết hầu hết các vấnđề của khoa học. Đối
tượng của khoa học lúc bất giờlà các vật thểvĩmô. Cùng với thời gian, hiểu biết
của con người càng tăng lên, và do đó,độ phức tạp cũng gia tăng, khoa họcđược
phân r a theo các ngành khác nhau nhưtoán học, vật lí, hóa học, sinh học,... để
nghiên cứu các vật thể ở cấpđộ lớn hơn micr o mét. Sựphân chia đó đang kết thúc
và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi nghiên cứu các vật thể ở cấpđộ
nano mét. Nếu ta gọi sựphân chia theo các ngành toán, lí, hóa, sinh là phân chia
theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành khoa học nano, công nghệnano,
khoa học vật liệu mới,... là phân chia theo chiều ngang. Điều này có thể được thấy
thông qua các tạp chí khoa học có liên quan. Ví dụcác tạp chí nổi tiếng vềvật lí
nhưPhysical Review có số đầu tiên từnăm 1901, hoặc tạp chí hóa họcJour nal of t he
Amer ican Chemical Society có số đầu tiên từnăm 1879, đó là các tạp chí có mặt rất
lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi nổi nhất trong thếkỷtrước. Trong thời
gian gầnđây, người ta thấy xuất hiện một loạt các tạp chí không theo một ngành cụ
thểnào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác nhau nhưtạp chí uy tín Nano
Lett er s có số đầu tiên từnăm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từnăm 2003.
Chúng thểhiện xu hướng mới của khoa họcđang phân chia lại theo chiều ngang
tương tựnhưkhoa học hàng ngàn năm vềtr ước. Bài này xin giới thiệu sơlược về
đối tượng của khoa học và công nghệnano, đó là vật liệu nano.
II/ Vật liệu nano là gì?
Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứuđỉnh
cao sôi động nhất tr ong thời gian gầnđây. Điềuđó được thểhiện bằng sốcác công
tr ình khoa học, sốcác bằng phát minh sáng chế(hình 1), sốcác công ty (hình 2) có
liên quan đến khoa học, công nghệnano gia tăng theo cấp sốmũ. Con số ước tính
vềsốtiềnđầu tưvào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 [1]. Vậy thì tại
sao vật liệu nano lại thu hút được nhiềuđầu tưvềtài chính và nhân lựcđến vậy?
Bài này sẽ điểm sơqua vềvật liệu nano, các phương pháp chếtạo, tính chất lí hóa,
và các ứng dụng của chúng.
Sốcác công t r ình khoa học và bằng phát minh sáng chếtăng theo cấp sốmũt heo
thời gian.
Sốcác công ty có liên quan đến khoa học, công nghệnano cũng tuân t heo quy luật
cấp sốmũ.
Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷcủa cái gì đó, ví dụ, một nano giây là
một khoảng thời gian bằng một phần tỷcủa một giây. Còn nano mà chúng ta dùng
ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷcủa một mét. Nói một cách rõ hơn là vật
liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tốquan trọng nhất mà chúng ta sẽlàm việc là
vật liệuởtrạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữrất phổbiến, tuy vậy khô
ng
phải ai cũng có một khái niệm r õ r àng vềthuật ngữ đó.Để hiểu r õ khái niệm vật
liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano
(nanoscience) và công nghệnano (nanotechnology). Theo Viện hàn lâm hoàng gia
Anh quốc thì:
Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu vềcác hiện tượng và sựcan thiệp
(manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tửvà đại phân tử. Tại
các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy
mô lớn hơn.
Công nghệnano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chếtạo và ứng dụng các cấu
trúc, thiết bị, và hệthống bằng việcđiều khiển hình dáng và kích thước tr ên quy
mô nano mét.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệnano, nó
liên kết hai lĩnh vực tr ên với nhau. Kích thước của vật liệu nano tr ải một khoảng
khá rộng, từvài nm đến vài trăm nm. Để có một con sốdễhình dung, nếu ta có mộ
t
quảcầu có bán kính bằng quảbóng bàn thì thểtích đó đủ để làm ra r ất nhiều hạt
nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạtđó thành một hàng dài kếtiếp nhau
thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.
III/ Tại sao vật liệu nano lại có các tính chất thú vị?
Tính chất thú vịcủa vật liệu nano bắt nguồn từkích thước của chúng rất nhỏbé có
thểso sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Chỉlà
vấnđề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điềuđáng nói là kích thước của vật
liệu nano đủ nhỏ để có thểso sánh với các kích thước tới hạn của một sốtính chất
(bảng 1). Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tửcủa nguyên tửvà tính chất
khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏso
vớiđộ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điềuđó không đúng nên các
tính chất khác lạbắtđầu từnguyên nhân này.
Chúng ta hãy lấy một ví dụtr ong bảng 1. Vật liệu sắt từ được hình thành từnhững
đô men, trong lòng mộtđô men, các nguyên tửcó từtính sắp xếp song song với
nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từcủa nguyên tử ở
mộtđô men khác. Giữa hai đô men có một vùng chuyển tiếpđược gọi là vách đô
men. Độ dày của vách đô men phụthuộc vào bản chất của vật liệu mà có thểdày từ
10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từcác hạt chỉcó kích thước bằng độ dày vách
đô men thì sẽcó 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.
Bảng 1: độ dài tới hạn của một sốt ính chất của vật liệu
Tính chất
Độ
dài tới
hạn(nm)
Điệ
n
Bước sóng điện tử
Quãng đường tự
do tr ung bình
Hiệuứng đường
ngầm
10-
100
1-
100
1-
10
Từ
Vách đô men
Quãng đường tán
xạspin
10-
100
1-
100
Qua
ng
Hốlượng tử
Độ dài suy giảm
Độ sâu bềmặt 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-