Tổng luận Định hướng nghiên cứu công nghệ nano đến năm 2020 nhằm giải quyết các nhu cầu xã hội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tổng luận giới thiệu về những tiến bộ công nghệ nano mà thế giới đã đạt được trong thập kỷ trước và khám phá những cơ hội về phát triển công nghệ nano ở Hoa Kỳ và trên toàn thế giới trong thập kỷ tiếp theo. Tổng quan tóm tắt những thành tựu đạt được với những số liệu đầu tư NC&PT công nghệ nano kể từ năm 2000, mô tả những mục tiêu được kỳ vọng đối với NC&PT công nghệ nano trong thập kỷ tới và xa hơn, và đưa ra những phương thức thực hiện trong bối cảnh các nhu cầu xã hội và các công nghệ mới nổi khác

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tổng luận Định hướng nghiên cứu công nghệ nano đến năm 2020 nhằm giải quyết các nhu cầu xã hội

Bảng các chữ viết tắt ARRA Luật Phục hồi và tái đầu tư nước Hoa Kỳ IWGN Nhóm công tác liên cơ quan về khoa học, kỹ thuật và công nghệ nano Hoa Kỳ KH&CN Khoa học và công nghệ NASA Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ NC&PT Nghiên cứu và phát triển NNI Sáng kiến công nghệ nano quốc gia Hoa Kỳ NSF Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ NSTC Hội đồng khoa học và công nghệ quốc gia Hoa Kỳ SCI Cơ sở dữ liệu trích dẫn khoa học USPTO Cơ quan sáng chế và nhãn hiệu hang hóa Hoa Kỳ 1
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ HỘI Giới thiệu Công nghệ nano là công nghệ điều khiển và tái cấu trúc vật chất ở thang độ nano, với phạm vi kích thước nguyên tử và phân tử trong khoảng từ 1 đến 100 nm, nhằm tạo nên các vật liệu, thiết bị và các hệ thống với các đặc tính và chức năng cơ bản mới nhờ vào cấu trúc nhỏ bé của chúng. Báo cáo "Nano1" năm 1999 mang tên "Các định hướng nghiên cứu công nghệ nano: triển vọng công nghệ nano trong thập kỷ tiếp theo" đã mô tả công nghệ nano là lĩnh vực đa ngành, có nền tảng cơ sở rộng được dự đoán sẽ đạt đến sử dụng phổ biến vào năm 2020. Bản báo cáo đã đưa ra một cách tiếp cận mới đối với giáo dục, đổi mới, học hỏi và điều hành, và nhận định đây là lĩnh vực sẽ dẫn đến cuộc cách mạng hóa nhiều khía cạnh khác nhau trong đời sống con người. Công nghệ nano có thể tác động sâu sắc đến nhiều mặt trong đời sống của con người, từ sức khỏe, đến cách thức sản xuất, phương thức thông tin liên lạc, năng lượng và môi trường. Mười năm đã trôi qua kể từ khi Hội đồng khoa học và công nghệ quốc gia Hoa Kỳ công bố Báo cáo "Nano1" đề cập đến các triển vọng về công nghệ nano. Trong thập kỷ đầu tiên của tiến trình phát triển công nghệ nano, nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực công nghệ nano đã đạt được những tiến bộ đáng kinh ngạc và giờ đây đã chỉ ra một cách rõ ràng tiềm năng của nó. Dựa trên Báo cáo "Nano2" của Hội đồng, Cục Thông tin KH&CN quốc gia biên soạn tổng quan "ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NANO ĐẾN NĂM 2020 NHẰM GIẢI QUYẾT CÁC NHU CẦU XÃ HỘI", để giới thiệu về những tiến bộ công nghệ nano mà thế giới đã đạt được trong thập kỷ trước và khám phá những cơ hội về phát triển công nghệ nano ở Hoa Kỳ và trên toàn thế giới trong thập kỷ tiếp theo. Tổng quan tóm tắt những thành tựu đạt được với những số liệu đầu tư NC&PT công nghệ nano kể từ năm 2000, mô tả những mục tiêu được kỳ vọng đối với NC&PT công nghệ nano trong thập kỷ tới và xa hơn, và đưa ra những phương thức thực hiện trong bối cảnh các nhu cầu xã hội và các công nghệ mới nổi khác. Xin trân trọng giới thiệu cùng độc giả. CỤC THÔNG TIN KH&CN QUỐC GIA 2
I. TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO TOÀN CẦU VÀ XÚC TIẾN CÔNG NGHỆ NANO CỦA HOA KỲ 1. Sự hình thành định nghĩa mang định hướng nghiên cứu của công nghệ nano Báo cáo "Nano1" về Tầm nhìn công nghệ nano năm 1999 của HĐKH&CNQG Hoa Kỳ đã truyền cảm hứng cho sự hình thành Xúc tiến công nghệ nano quốc gia của Hoa Kỳ và một loạt các chương trình NC&PT của các quốc gia khác. Việc thiết lập các kiến thức nền tảng ở thang độ nano đã trở thành mục tiêu chính của cộng đồng nghiên cứu công nghệ nano trong thập niên đầu thế kỷ 21. Đến năm 2009, nguồn kiến thức mới được thiết lập đó đã là cơ sở đóng góp cho gần một phần tư thị trường thế giới trị giá một nghìn tỷ đôla, trong đó có gần 91 tỷ USD thuộc về các sản phẩm của Hoa Kỳ tích hợp các cấu phần kích thước nano. Công nghệ nano đang tiến bộ nhanh chóng để trở thành một công nghệ đa năng (general-purpose technology) vào năm 2020, bao gồm bốn thế hệ sản phẩm với tính phức tạp về động học và cấu trúc ngày càng tăng, đó là: (1) các cấu trúc nano thụ động, (2) cấu trúc nano chủ động, (3) các hệ thống nano, và (4) các hệ thống phân tử nano. Vào năm 2020, sự tích hợp gia tăng giữa các lĩnh vực khoa học ở phạm vi nano và các kiến thức về kỹ thuật với các hệ thống nano được dự đoán sẽ dẫn đến triển vọng ứng dụng rộng rãi công nghệ nano trong ngành công nghiệp, trong các lĩnh vực y học và tính toán, và trong việc hiểu biết và bảo tồn thiên nhiên tốt hơn. Sự phát triển công nghệ nano nhanh chóng trên toàn thế giới là một bằng chứng cho thấy sức mạnh chuyển hóa của việc nhận dạng khái niệm hay xu thế và dự báo về triển vọng kết hợp của các lĩnh vực nghiên cứu khoa học khác nhau. Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (NSF) đã thành lập chương trình đầu tiên của mình về các hạt nano vào năm 1991 và từ năm 1997-1998 đã tài trợ cho một chương trình đa lĩnh vực mang tên "Hợp tác trong lĩnh vực công nghệ nano" (NSF 1997). Tuy nhiên, chỉ đến năm 1998-2000, một số phân mảng lĩnh vực khoa học và kỹ thuật ở phạm vi nano được tập hợp với nhau dựa trên sự hợp nhất giữa định nghĩa khoa học về công nghệ nano với Tầm nhìn 10 năm về NC&PT công nghệ nano. Báo cáo của NSF về "Các định hướng nghiên cứu công nghệ nano" đã được thông qua vào năm 2000 và được coi như một văn kiện chính thức của HĐKH&CNQG Hoa Kỳ. Đây là những bước tiến quan trọng hướng đến việc hình thành công nghệ nano như một công nghệ định nghĩa (defining technology) của Thế kỷ 21. Định nghĩa công nghệ nano này đã được nhất trí vào năm 1998-1999 sau khi lấy ý kiến của các chuyên gia từ 20 nước trên thế giới và đã đạt được sự chấp nhận quốc tế. Định nghĩa này được dựa trên hành vi khác thường của vật chất và năng lực của các nhà khoa học trong việc tái cấu trúc vật chất đó ở phạm vi độ dài trung gian. Định nghĩa này khác với những định nghĩa đã được sử dụng trước năm 1999 chú trọng vào các đặc điểm nhỏ bé của một kích thước cho trước, vào sự thao tác kỹ thuật siêu chính xác, siêu phân tán và cả việc hình thành các mô hình nguyên tử và phân tử trên các bề mặt. Tầm nhìn có phạm vi quốc tế này đã được công bố năm 1999 là hướng dẫn chỉ đạo cho những khám phá và đổi mới sáng tạo 3
trong lĩnh vực đa ngành và đa lĩnh vực này. Định nghĩa đã trở nên rõ ràng sau khi có khoảng 60 nước trên thế giới phát triển các hoạt động công nghệ nano, và nếu thiếu định nghĩa này cùng với tầm nhìn dài hạn tương ứng thì công nghệ nano sẽ không thể phát triển với một tốc độ nhanh và theo một lộ trình phát triển thống nhất về khái niệm. Định nghĩa về công nghệ nano được đưa ra trong báo cáo về "Các định hướng nghiên cứu công nghệ nano, 1999" như sau: “Công nghệ nano là khả năng điều khiển và tái cấu trúc vật chất ở thang độ phân tử và nguyên tử trong phạm vi xấp xỉ từ 1 nm đến 100 nm, và sự khai thác các tính chất và hiện tượng khác biệt ở thang độ đó so với những tính chất liên quan đến hành vi của phân tử, nguyên tử đơn hay khối. Mục đích là để tạo ra các vật liệu, các thiết bị và hệ thống với các đặc tính và chức năng cơ bản mới bằng cách thiết kế các cấu trúc nhỏ bé của chúng. Đây là lĩnh vực cơ bản làm thay đổi về mặt kinh tế các đặc tính vật liệu và cả thang độ dài hiệu quả nhất đối với lĩnh vực chế tạo và y học phân tử. Với cùng các nguyên lý và công cụ có thể áp dụng cho các lĩnh vực liên quan khác nhau và giúp thành lập một nền tảng thống nhất cho khoa học, kỹ thuật và công nghệ ở phạm vi nano. Sự chuyển hóa hành vi từ các nguyên tử hay các phân tử đơn sang hành vi tập thể của các tập hợp nguyên tử và phân tử được bắt gặp trong tự nhiên và công nghệ nano khai thác ngưỡng giới hạn đó”. Việc xác định tầm nhìn dài hạn về phát triển công nghệ nano là đặc biệt quan trọng do sự nổi lên nhanh chóng của công nghệ nano như một mẫu hình khoa học và kỹ thuật cơ bản mới và còn bởi vì các tác động rộng lớn của nó đối với sự phồn vinh xã hội. Định nghĩa hợp nhất và tầm nhìn dài hạn về công nghệ nano đã đặt nền móng cho Xúc tiến công nghệ nano của Hoa Kỳ được công bố tháng 1 năm 2000. Lý do chủ yếu cho việc khởi xướng NNI đó là để lấp đi những hố ngăn cách lớn ở kiến thức cơ bản về vật chất và để nhằm theo đuổi các ứng dụng mới lạ và kinh tế được dự báo đối với công nghệ nano. Các chương trình NC&PT phù hợp và kéo dài trong lĩnh vực này đã ngay lập tức được các quốc gia khác công bố, như Nhật Bản (tháng 4 năm 2001), Hàn Quốc (tháng 7 năm 2001), Cộng đồng châu Âu (tháng 3 năm 2002), Đức (tháng 5 2002), Trung Quốc (2002), và Đài Loan (tháng 9 năm 2002). Hơn 60 quốc gia đã thành lập các chương trình ở cấp quốc gia trong giai đoạn từ 2001 đến 2004, do được thôi thúc hay truyền cảm hứng một phần từ NNI của Hoa Kỳ. Tuy nhiên, chương trình đầu tiên và cũng là lớn nhất vẫn là NNI. Nguồn tài trợ cho xúc tiến này kể từ năm 2000 đã lên tới 12 tỷ USD, trong đó có 1,8 tỷ của năm 2010, điều này đưa NNI chiếm vị trí thứ hai chỉ sau chương trình vũ trụ tại Hoa Kỳ về đầu tư KH&CN dân sự. 2. Các chỉ số về phát triển công nghệ nano toàn cầu, 2000-2020 Sáu chỉ số then chốt được mô tả dưới đây (Bảng 1) giúp miêu tả về giá trị đầu tư cho phát triển công nghệ nano và các đột phá khoa học và ứng dụng công nghệ liên quan. Các chỉ số này cho thấy tỷ lệ tăng trưởng trung bình hàng năm trên phạm vi toàn thế giới đạt xấp xỉ 25% trong giai đoạn từ 2000 đến 2008. Tỷ tệ tăng trung bình của tất cả các chỉ số đã giảm hơn một nửa trong thời kỳ khủng hoảng tài chính năm 2009, sau 4
đó đạt tỷ lệ cao hơn trong năm 2010, nhưng vẫn còn những khác biệt lớn giữa các quốc gia và các lĩnh vực liên quan. (1) Số các nhà nghiên cứu và nhân công tham gia tối thiểu trong một lĩnh vực nào đó thuộc công nghệ nano được ước tính đạt 400.000 người vào năm 2008, trong số đó có 150.000 ở Hoa Kỳ. Theo dự đoán vào năm 2000, nếu tỷ lệ tăng trưởng 25% được duy trì thì vào năm 2015 toàn thế giới sẽ có khoảng 2 triệu nhân công làm việc trong lĩnh vực công nghệ nano (800.000 người làm việc tại Hoa Kỳ). Bảng 1: Sáu chỉ số then chốt về phát triển công nghệ nano trên thế giới và tại Hoa Kỳ Thế giới Lực lượng Số bài Bằng Thị Tài trợ Vốn mạo /Hoa Kỳ/ lao động báo có sáng chế trường NC&PT hiểm chính CSDL sản phẩm công và cuối cùng tư 2000 60.000 18.085 1.197 30 tỷ 1,2 tỷ 0,21 tỷ /25.000/ /5.342/ /405/ USD USD USD /13 tỷ /0,37 tỷ /0,17 tỷ USD/ USD/ USD/ 2008 400.000 70.287 12.776 200 tỷ 15 tỷ USD 1,4 tỷ /150.000/ /15.000/ /3.729/ USD /3,7 tỷ USD /80 tỷ USD/ /1,17 tỷ USD/ USD/ 2000- 25 18 35 25 35 30 2008 (% tăng trưởng trung bình) 2015 (ước 2.000.000 1.000 tỷ tính) /800.000/ USD /400 tỷ/ 2020 6.000.000 3.000 tỷ (ngoại /2.000.000/ USD suy) /1.000 tỷ/ Chú thích: Số liệu của Hoa Kỳ được thể hiện trong / /. Nguồn: Lux Research. (2) Số bài báo được đưa vào CSDL trích dẫn khoa học (SCI-Science Citation Index) phản ánh các khám phá trong lĩnh vực công nghệ nano đã đạt gần 65.000 vào năm 2008 so với 18.085 năm 2000, dựa trên tìm kiếm theo từ khóa tiêu đề - tóm tắt. Sự gia tăng này là nhanh và không đồng đều trên toàn thế giới (hình 1). Có khoảng 4,5% số 5
bài báo trong SCI được công bố trong năm 2008 bao trùm tất cả các lĩnh vực, bao gồm các phương diện khoa học và kỹ thuật nano. (3) Số sáng chế tính trên số bằng độc quyền sáng chế cấp tại 50 địa điểm hàng đầu thế giới đạt khoảng 13.000 vào năm 2008 (trong số đó có 3.729 đơn được đăng ký tại Cơ quan sáng chế và nhãn hiệu hàng hóa Hoa Kỳ - USPTO), so với con số 1.200 vào năm 2000 (trong đó có 405 đăng ký tại USPTO), đạt tỷ lệ tăng 35% một năm (hình 2). Số đăng ký sáng chế nộp tại trên 50 quốc gia hay địa điểm đăng ký quốc tế được tìm kiếm bằng từ khóa tiêu đề tóm tắt. Có khoảng 0,9% số đăng ký sáng chế được công bố trên phạm vi thế giới, và có khoảng 1,1% số đăng ký tại USPTO năm 2008 thuộc tất cả các lĩnh vực bao gồm các phương diện khoa học và kỹ thuật nano. (4) Giá trị của các sản phẩm có tích hợp công nghệ nano như một thành phần then chốt đã đạt mức 200 tỷ USD trên phạm vi thế giới vào năm 2008, trong số đó có khoảng 80 tỷ USD thuộc về Hoa Kỳ (các sản phẩm này dựa vào các cấu trúc nano tương đối đơn giản). Ước tính được đưa ra vào năm 2000 (Roco and Bainbridge 2001) về giá trị sản phẩm là 1 nghìn tỷ USD vào năm 2015, trong số đó có 800 tỷ thuộc về Hoa Kỳ. Thị trường này đã tăng gấp đôi cứ sau hai năm, là kết quả của sự ứng dụng thành công các sản phẩm mới. Nghiên cứu Lux Research đã đưa ra ước tính giá thị trường năm 2009 toàn thế giới đạt 254 tỷ USD, riêng giá trị các sản phẩm công nghệ nano của Hoa Kỳ năm 2009 đạt 91 tỷ USD, thấp hơn 10% so với đường cong tăng trưởng ước tính của năm 2000. 2000-2009 Tỷ lệ tăng trưởng thế giới hàng năm: 23% Số công bố trong SCI Năm Hình 1: Công bố khoa học trong lĩnh vực công nghệ nano trong SCI 1990-2009. (Nguồn: Dữ liệu từ Web of Science) 6
Số đơn đăng ký sáng chế Hình 2: Tổng số đơn đăng ký sáng chế trong lĩnh vực công nghệ nano đăng ký tại 15 địa điểm đăng ký sáng chế hàng đầu thế giới trong giai đoạn từ 1991-2008. (Nguồn: Dang, Chen, and Roco 2010). (5) Đầu tư toàn cầu hàng năm cho NC&PT công nghệ nano từ các nguồn nhà nước và tư nhân đã đạt 15 tỷ USD trong năm 2008, trong số đó khoảng 3,7 tỷ USD thuộc về Hoa Kỳ, bao gồm cả khoản đầu tư của chính phủ liên bang 1,55 tỷ USD. (6) Đầu tư vốn mạo hiểm toàn cầu cho công nghệ nano đạt 1,4 tỷ USD trong năm 2008, trong đó 1,17 tỷ USD thuộc về Hoa Kỳ. Nguồn tài trợ từ vốn mạo hiểm đã giảm gần 40% trong giai đoạn khủng hoảng tài chính năm 2009. Do có triển vọng to lớn về công nghệ và kinh tế nên công nghệ nano đã thâm nhập vào nhiều lĩnh vực công nghiệp mới nổi và truyền thống, đặc biệt là sau năm 2002- 2003. Sự gia tăng ở tính phức tạp của thành phần nano và tỷ lệ thâm nhập của công nghệ nano diễn ra nhanh hơn trong các lĩnh vực mới nổi như điện tử nano và chậm hơn trong các lĩnh vực công nghiệp cổ điển hơn như công nghiệp gỗ và giấy (xem bảng 2). Sự thâm nhập của công nghệ nano trong các ngành công nghiệp then chốt có tương quan với tỷ lệ phần trăm chi tiêu của ngành công nghiệp cho NC&PT. Hình 3 dưới đây cho thấy cán cân giữa đầu tư công nghệ nano của Liên bang Hoa Kỳ với thu nhập từ đầu tư (kết quả đầu ra) tại Hoa Kỳ năm 2009. Các chỉ số đặc trưng khác về đầu tư quốc gia cho công nghệ nano cho thấy có sự gia tăng mạnh tại Hoa Kỳ kể từ năm 2000:  Chi tiêu bình quân đầu người hàng năm của chính phủ Liên bang Hoa Kỳ cho NC&PT công nghệ nano đã tăng từ 1USD năm tài khóa 2000 lên 5,7 USD năm 2010.  Tỷ lệ đầu tư liên bang cho NC&PT công nghệ nano so với tổng chi tiêu NC&PT thực của liên bang đã tăng từ 0,39% lên 1,5% năm 2008. 7
Bảng 2: Ví dụ về sự thâm nhập của công nghệ nano trong một số lĩnh vực công nghiệp (Thị phần và giá trị tuyệt đối bị tác động bởi công nghệ nano được thể hiện cho năm 2010) Hoa Kỳ 2000 2010 2020 (ước tính) Công nghiệp bán dẫn 0 (với thang độ
trường các sản phẩm có chứa các cấu phần nano; (***) Ước tính số việc làm liên quan đến công nghệ nano 3. Hai giai đoạn cơ bản trong tiến trình phát triển công nghệ nano Vào năm 2000, theo dự đoán công nghệ nano sẽ phát triển theo hai giai đoạn cơ bản từ các cấu trúc nano thụ động đến các hệ nano phức hợp (Hình 4 và 5): (1) Giai đoạn cơ bản thứ nhất (2001-2010) tập trung vào nghiên cứu liên ngành ở thang độ nano, diễn ra trong thập kỷ đầu của thế kỷ 21 sau khi đã xác định tầm nhìn dài hạn. Kết quả chủ yếu của giai đoạn này là những khám phá các hiện tượng, đặc tính và chức năng mới ở thang độ nano; tổng hợp các thành phần như các đơn thể phục vụ cho các ứng dụng tiềm năng tương lai; xúc tiến về công cụ; cải tiến các sản phẩm hiện thời bằng cách kết hợp các thành phần kích thước nano tương đối đơn giản. Giai đoạn này có đặc điểm nổi trội đó là hệ sinh thái tập trung vào khoa học (science-centric ecosystem), được gọi là giai đoạn "Nano1". (2) Giai đoạn cơ bản thứ hai (2011-2020) chú trọng vào khoa học phạm vi nano và kỹ thuật hợp nhất. Giai đoạn này được dự đoán sẽ chuyển dịch đến các phép đo trực tiếp với giải pháp về thời gian, thiết kế dựa vào khoa học các sản phẩm cơ bản mới, sử dụng đa năng và phổ biến công nghệ nano. Sự tập trung vào NC&PT và các ứng dụng được cho là sẽ hướng tới các hệ nano phức hợp hơn, các lĩnh vực liên quan mới, và các sản phẩm cơ bản mới. Giai đoạn này có đặc trưng nổi trội đó là một hệ sinh thái NC&PT bị chi phối bởi các yếu tố về kinh tế - xã hội; giai đoạn này được gọi là "Nano2". Ứng dụng công nghệ nano đại trà sau năm 2020 Hình 4: Hình thành một lĩnh vực và cộng đồng mới trong hai giai đoạn cơ bản phát triển công nghệ nano 9
Hình 5: Thời điểm bắt đầu tạo nguyên mẫu công nghiệp và thương mại hóa công nghệ nano: Giới thiệu các thế hệ sản phẩm và quy trình sản xuất mới từ 2000- 2020. (Nguồn: Roco 2004, 2006). Sự chuyển tiếp từ giai đoạn Nano1 lên Nano2 chú trọng vào việc đạt được các phép đo trực tiếp ở phạm vi nano, thiết kế dựa trên cơ sở khoa học các vật liệu và hệ thống nano, và hợp nhất công nghệ đa năng. Bảng 3 thể hiện các mục tiêu NC&PT cần đạt được đến năm 2020. Bảng 3: Sự chuyển tiếp giữa hai giai đoạn cơ bản của phát triển công nghệ nano, 2000 đến 2020 Khoảng thời gian 2001-2010 (Nano1) 2011-2020 (Nano2) Đo lường Gián tiếp, sử dụng phương Trực tiếp, với độ chính xác pháp tiếp cận thời gian và nguyên tử trong các lĩnh tính khối lượng trung bình vực sinh học hoặc kỹ thuật, và giải pháp femtosecond (fs). Hiện tượng Khám phá ra từng hiện Các hiện tượng phức hợp tượng và cấu trúc nano đồng thời; tích hợp ở phạm riêng biệt vi nano Các mẫu hình NC&PT mới Khám phá đa lĩnh vực từ Chú trọng vào hiệu năng thang độ nano mới; các lĩnh vực áp dụng mới; một sự chú trọng gia tăng vào đổi mới sáng tạo 10
Các quy trình tổng hợp và Thực nghiệm/bán thực Thiết kế dựa trên cơ sở chế tạo nghiệm; tính trội: tiểu hình khoa học; gia tăng lắp ráp hóa từ trên xuống (top- phân tử từ dưới lên down); thành phần kích (bottom-up); các hệ thống thước nano; các polime và phạm vi nano; các quy vật liệu cứng. trình ngày càng dựa trên cơ sở sinh học Sản phẩm Cải tiến các sản phẩm hiện Các sản phẩm mới có tính thời bằng cách sử dụng các cách mạng cho phép sáng cấu phần nano tạo các hệ thống mới; gia tăng chú trọng vào sinh - y Công nghệ Từ các phân mảng lĩnh vực Hướng đến các công nghệ đến các cụm liên ngành mới nổi và hội tụ Khoa học và kỹ thuật nano Vật liệu, điện tử, hóa chất Gia tăng: công nghệ sinh học thâm nhập vào các công và dược phẩm tiên tiến nano, các nguồn năng lượng, nghệ mới nguồn nước, thực phẩm và nông nghiệp, lâm nghiệp, các phương pháp thiết kế mô phỏng; công nghệ hội tụ Giáo dục Từ vi mô đến phạm vi nano Đảo ngược hình chóp học hỏi theo cách hợp tập sớm hơn các khái niệm chung về công nghệ nano Tác động xã hội Các vấn đề đạo đức và môi Ứng dụng phổ cập; gia tăng trường, sức khỏe và an tính bền vững, năng suất, toàn và sức khỏe; tác động kinh tế - xã hội Điều hành Thiết lập các phương pháp Hệ sinh thái tập trung vào mới; hệ sinh thái tập trung người dùng; sự tham gia vào khoa học ngày càng tăng; phương pháp tiếp cận công nghệ - kinh tế - xã hội Quốc tế Từ một cộng đồng Các tác động liên quan toàn KH&CN; thiết lập thuật cầu về kinh tế, cân bằng thế ngữ, phát minh, và các tổ lực, môi trường, tính bền chức tiêu chuẩn vững 11
Sau năm 2020, NC&PT công nghệ nano được dự đoán sẽ phát triển gần với các công nghệ mới nổi và hội tụ khác, tạo nên các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật mới và cả các mô hình chế tạo mới. Vào năm 1999/2000, một sự hội tụ đã đạt được trong việc định nghĩa thế giới nano bởi vì các hiện tượng điển hình trong các cấu trúc vật chất nano đã được đo lường và hiểu biết rõ hơn bằng một loạt các công cụ mới, và các cấu trúc nano mới đã được nhận dạng trên nền tảng các hệ thống sinh học, chế tạo nano và thông tin liên lạc. Thách thức mới đối với thập kỷ tiếp theo đó là thiết kế các hệ thống từ phạm vi nano, điều đó sẽ đòi hỏi sử dụng kết hợp các quy luật ở phạm vi nano, các nguyên lý sinh học, công nghệ thông tin, và sự tích hợp hệ thống. Sau năm 2020, có thể dự đoán những xu thế phân rẽ như một chức năng của các kiến trúc hệ thống. Các xu thế phân rẽ có thể xảy ra gồm các kiến trúc hệ thống dựa trên lắp ráp phân tử và cao phân tử có điều khiển, rôbôt học, phỏng sinh học và các phương pháp tiếp cận tiến hóa. Một sự chuyển hướng trong nghiên cứu hướng tới các "cấu trúc nano chủ động" nhằm làm thay đổi thành phần hay trạng thái của chúng trong khi sử dụng đã được nhận dạng qua sự gia tăng nhanh chóng của số các công bố liên quan kể từ năm 2005 (Subramanian et al, 2009). Tỷ lệ số bào báo về các cấu trúc nano chủ động đã tăng hơn gấp hai lần, chiếm 11% trong tổng số các bài báo về công nghệ nano trong năm 2006. Sự quá độ tiến đến giới thiệu các hệ thống nano có khả năng tương quan với các mối quan tâm thương mại (hình 6); hơn 50% trong số 270 công ty thuộc lĩnh vực chế tạo được khảo sát cho biết có quan tâm đến việc sản xuất hay thiết kế sử dụng khoa học và kỹ thuật nano vào năm 2011. Sản phẩm thương mại hóa vào 2009 Hình 6: Thời kỳ chuyển tiếp nhanh tiến đến các sản phẩm thương mại ước tính sau năm 2011. (Nguồn: NCMS, 2010) 12
4. Sáng kiến công nghệ nano quốc gia của Hoa Kỳ Sáng kiến công nghệ nano quốc gia của Hoa Kỳ (NNI) đã được Tổng thống Clinton công bố vào tháng 1 năm 2000, đưa ra viễn cảnh về một thế giới mới có thể trở thành hiện thực nhờ công nghệ nano. Sau đó, IWGN - Nhóm công tác liên cơ quan về khoa học, kỹ thuật và công nghệ nano đã xúc tiến chuẩn bị một kế hoạch của Liên bang về đầu tư NC&PT trong lĩnh vực công nghệ nano và nhận dạng các cơ hội then chốt và khả năng tham gia của các cơ quan khác nhau trong xúc tiến được kiến nghị này. NNI đã bắt đầu được thực hiện từ năm tài khóa 2001 với sự hỗ trợ liên tục của chính phủ trải qua các chính quyền, từ thời kỳ Tổng thống Clinton đến chính quyền Tổng thống Bush và Tổng thống Obama. NNI là một chương trình NC&PT lâu dài bắt đầu với sự tham gia của tám cơ quan liên bang, gồm: Các Bộ Quốc phòng, Năng lượng và Giao thông vận tải, Cục bảo vệ môi trường, Cơ quan hàng không và vũ trụ quốc gia, và Quỹ khoa học quốc gia. Vào thời điểm năm 2010, NNI điều phối các hoạt động liên quan đến công nghệ nano của 25 bộ và cơ quan độc lập thuộc liên bang. NNI đưa ra tầm nhìn về các cơ hội và lợi ích dài hạn của công nghệ nano. Với chức năng là vị trí trung tâm liên lạc, hợp tác và cộng tác cho tất cả các cơ quan liên bang mong muốn tham gia, NNI cũng cung cấp kinh nghiệm và kiến thức cần thiết để hướng dẫn và hỗ trợ tiến bộ của lĩnh vực rộng lớn và phức tạp này. NNI tạo ra cơ chế cho chương trình NC&PT công nghệ nano toàn diện bằng cách xây dựng các mục tiêu, ưu tiên và chiến lược chung, và nó cũng mở ra hướng đi từng cơ quan để khai thác hiệu quả các nguồn lực của tất cả các cơ quan tham gia 4 mục tiêu của NNI bao gồm:  Xúc tiến chương trình NC&PT công nghệ nano tầm cỡ thế giới;  Nuôi dưỡng chuyển giao các công nghệ mới thành các sản phẩm mang lại lợi ích cho cộng đồng và thương mại;  Phát triển và duy trì các nguồn lực đào tạo, lao động có kỹ năng, và các hạ tầng và công cụ cho phát triển công nghệ nano;  Hỗ trợ phát triển công nghệ nano một cách có trách nhiệm. Các nguyên tắc tổ chức của NNI trải qua hai giai đoạn chính trong khoảng năm 2001 đến 2010, và giai đoạn thứ ba được dự kiến bắt đầu từ năm tài khóa 2011: (1) Trong giai đoạn từ năm tài khóa 2001 đến 2005, nghiên cứu công nghệ nano tuân theo NNI tập trung vào 5 phương thức đầu tư: (i) nghiên cứu cơ bản, (ii) các lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên, (iii) các trung tâm xuất sắc, (iv) cơ sở hạ tầng, và (v) tác động xã hội và giáo dục. Phương thức thứ hai được coi là những "thách thức lớn", chú trọng vào 9 lĩnh vực NC&PT cụ thể liên quan trực tiếp đến các ứng dụng công nghệ nano; các lĩnh vực này cũng được xác định là có tiềm năng làm hiện thực hóa trong khoảng một thập kỷ những tác động to lớn của công nghệ nano đối với kinh tế, xã hội và chính 13
phủ. Các lĩnh vực thách thức lớn đối với nghiên cứu đó là: - Vật liệu cấu trúc nano theo thiết kế; - Chế tạo ở phạm vi nano; - Phát hiện hóa chất - sinh học - rơngen - chất nổ và bảo vệ; - Dụng cụ và đo lường phạm vi nano; - Điện tử, quang tử và từ học nano; - Chăm sóc sức khỏe, trị liệu và chẩn đoán; - Chuyển hóa và lưu trữ năng lượng hiệu suất cao; - Máy bay cực nhỏ và rôbôt; - Quy trình nano cải thiện môi trường; - Các chương trình nghiên cứu trọng tâm và các xúc tiến cơ sở hạ tầng lớn trong vòng 5 năm đầu đã dẫn đến sự hình thành cộng đồng nano ở nước Hoa Kỳ, tạo dựng một cơ sở hạ tầng NC&PT mạnh và các chương trình giáo dục về công nghệ nano mới. (2) Trong giai đoạn từ 2006 đến 2010, nghiên cứu công nghệ nano định hướng bởi NNI đã chú trọng vào bốn mục tiêu và 7 hoặc 8 hạng mục đầu tư (NSET 2004 and 2007). Các mục tiêu bao gồm: xúc tiến một chương trình NC&PT tầm cỡ thế giới; thúc đẩy chuyển hóa nhanh các công nghệ mới thành các sản phẩm vì lợi ích thương mại và lợi ích công cộng; phát triển và duy trì các nguồn lực giáo dục, xây dựng lực lượng lao động có kỹ năng, cơ sở hạ tầng hỗ trợ và các công cụ để xúc tiến công nghệ nano; và hỗ trợ sự phát triển công nghệ nano theo cách có trách nhiệm. Các hạng mục đầu tư NNI (ban đầu gồm 7, đến năm 2007 được điều chỉnh thành 8 hạng mục), bao gồm các lĩnh vực thành phần sau: - Các hiện tượng và quy trình nano cơ bản; - Vật liệu nano; - Thiết bị và hệ thống nano; - Dụng cụ nghiên cứu, đo lường, và tiêu chuẩn về công nghệ nano; - Chế tạo nano; - Thiết bị và dụng cụ nghiên cứu lớn; - Môi trường, y tế và an toàn; - Giáo dục và các khía cạnh xã hội. (3) Bắt đầu từ năm tài khóa 2011, NNI sẽ giới thiệu ba "Sáng kiến đặc biệt" (signature initiatives) về NC&PT nhằm tạo ra các cơ hội ứng dụng quan trọng ngắn và dài hạn, đó là: (1) Ứng dụng công nghệ nano đối với năng lượng mặt trời, (2) chế tạo nano bền vững, và (3) Điện tử nano đến năm 2020 và xa hơn. Các sáng kiến nghiên cứu đặc biệt khác và các kế hoạch nhằm củng cố hệ thống đổi mới sáng tạo và các kết quả xã hội của công nghệ nano cũng được cân nhắc (NSET 2010). 14
Hình 7: Ngân sách NNI trong các năm tài khóa 2001-2011 theo đơn vị triệu USD. Ngân sách năm 2009 không bao gồm 511 triệu USD tài trợ bổ sung một lần theo Luật Phục hồi và tái đầu tư Hoa Kỳ (ARRA). Đầu tư từ NNI cho NC&PT công nghệ nano Tổng đầu tư NC&PT của NNI cho công nghệ nano đã tăng khoảng 6,6 lần trong thập kỷ qua, từ 270 triệu USD năm tài khóa 2000 lên 1,8 tỷ USD năm 2010 (Hình 7). Tất cả các số liệu thể hiện trong hình đều là chi tiêu thực, ngoại trừ số liệu của năm 2011 là số liệu ước tính. Chi tiêu của năm 2009 không bao gồm 511 triệu USD tài trợ bổ sung tuân theo Luật Phục hồi và tái đầu tư nước Hoa Kỳ (ARRA). Ngân sách năm 2011 không bao gồm nguồn kinh phí riêng của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ năm 2009 là 117 triệu USD. Bảng 5 dưới đây thể hiện số liệu ước tính ngân sách của chính phủ một số quốc gia và của EU dành cho công nghệ nano. Đầu tư chính phủ năm 2009 trên phạm vi thế giới đạt tổng số 7,8 tỷ USD, trong đó có 1,7 tỷ USD thuộc về Hoa Kỳ (thông qua NNI). So sánh số liệu về đầu tư cho công nghệ nano của các quốc gia cho thấy, trong khi đầu tư công nghệ nano của Hoa Kỳ tăng nhưng vẫn chậm hơn so với đầu tư công nghệ nano của các quốc gia khác (Hình 9). 15
Bảng 4: Ước tính chi tiêu chính phủ cho NC&PT công nghệ nano, 2000-2010 (triệu USD/năm) Khu vực Quốc 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 gia / vùng lãnh thổ EU+ 200 225 400 650 950 1050 1150 1450 1700 1900 Nhật 245 465 720 800 900 950 950 950 950 950 Bản Hoa 270 464 697 862 989 1200 1351 1425 1554 1702 1.762 Kỳ* + 511 Các 110 380 550 800 900 1100 1200 2300 2700 2700 nước khác Tổng số 825 1534 2367 3112 3739 4200 4651 6125 6904 7252; 7763* %Tỷ lệ 135 206 174 133 104 114 117 98 91 90; Hoa 116** Kỳ/EU %Tỷ lệ 33 30 29 28 26 29 29 24 23 22; Hoa 28** Kỳ/tổng Chú thích: Số liệu của EU bao gồm chi tiêu quốc gia và của EU, EU+ gồm các quốc gia thành viên EU và Thụy Sĩ. "Các nước khác" bao gồm: Ôxtrâylia, Canađa, Trung Quốc, Nga, Ixrael, Hàn Quốc, Singapo, Đài Loan (Trung Quốc) và các nước khác có tiến hành NC&PT công nghệ nano. (*): tài trợ bổ sung một lần cho công nghệ nano theo ARRA; (**): bao gồm cả tài trợ bổ sung một lần theo ARRA. 16
Đầu tư chính phủ cho NC&PT công nghệ nano của các quốc gia EU, Nhật Bản, Hoa Kỳ và các nước khác được thể hiện ở hình 8. Đầu tư toàn cầu đã có sự thay đổi vào năm 2000 khi NNI của Hoa Kỳ được công bố và vào năm 2005-2006 tương ứng với sự giới thiệu thế hệ sản phẩm công nghệ nano thứ hai (cũng là những nguyên mẫu công nghiệp đầu tiên dựa trên các cấu trúc nano chủ động). Năm 2006, đầu tư của ngành công nghiệp cho NC&PT công nghệ nano đã vượt quá đầu tư công tại cả Hoa Kỳ và trên toàn thế giới. Hình 8: Đầu tư công cho NC&PT công nghệ nano 2000-2009. (Sử dụng định nghĩa của NNI về công nghệ nano). 17
II. NHỮNG TIẾN BỘ CÔNG NGHỆ NANO ĐẠT ĐƯỢC HIỆN NAY VÀ TRIỂN VỌNG ĐẾN NĂM 2020 1. Tiến bộ đạt được kể từ năm 2000 • Khả năng phát triển và tầm quan trọng đối với xã hội của khoa học nano, kỹ thuật nano và các ứng dụng công nghệ nano đã được khẳng định, đồng thời những dự đoán cực đoan, cả ủng hộ và phản đối, đã giảm xuống. Các thành tựu về cơ sở khoa học và cơ sở hạ tầng vật lý đã được thúc đẩy từ việc thống nhất định nghĩa và tầm nhìn của “Nano1” được đưa ra vào năm 1999. • Công nghệ nano đã được công nhận là lĩnh vực khoa học và công nghệ có tính cách mạng, có thể sánh ngang với việc ra đời của các cuộc cách mạng về điện, công nghệ sinh học và thông tin kỹ thuật số. Trong khoảng từ năm 2001 đến 2008, nhiều phát minh, sáng chế, công trình nghiên cứu về công nghệ nano, các chương trình tài trợ cho NC&PT và thị trường công nghệ nano tất cả đều gia tăng với tỷ lệ trung bình hằng năm là 25%. Thị trường sản phẩm có kết hợp công nghệ nano trên thế giới năm 2009 đạt khoảng 254 tỷ USD. (Hình 9). Hình 9. Thị trường của sản phẩm cuối cùng kết hợp công nghệ nano: tầm nhìn dài hạn 2000-2020 và kết quả trong năm 2009 (khảo sát của Lux Research). Tập trung vào NC&PT từ những khám phá cơ bản của giai đoạn 2000-2010 (Nano1) cho các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu hệ thống nano định hướng ứng dụng trong năm 2010-2020 (NaNo2) 18
Các phương pháp và công cụ - Công cụ mới đã cho phép đo đạc ở kích thước femto giây với độ chính xác ở mức nguyên tử trong các lĩnh vực liên quan đến kỹ thuật. Kính hiển vi đơn phonon và các phép đo mật độ điện tử trong phân tử ở mức nhỏ hơn nano mét đã được thực hiện. Các phương pháp mô tả đặc điểm của đơn phân tử và đơn nguyên tử đã được phát triển cho phép các khoa học nghiên cứu bản chất phức tạp và tính chất động lực học của các cấu trúc nano theo nhiều phương thức mà trước đây là không thể. Cho đến nay một bộ dụng cụ đã được thiết lập. • Việc mô phỏng từ các nguyên lý cơ bản đã được phát triển mở rộng cho các tập hợp nguyên tử lớn gấp 100 lần so với của năm 2000, và “các vật liệu được tạo ra bằng thiết kế” hiện nay đã ứng dụng cho một số cấu trúc polyme và các cấu trúc nano khác. • Các nghiên cứu cấu trúc-chức năng cơ bản về vật liệu nano đã dẫn đến việc phát minh và phát triển các hiện tượng quan trọng mới như công nghệ plasmonics (công nghệ ép sóng điện từ thành những cấu trúc rất nhỏ có thể đưa đến một thế hệ mới các chip máy tính siêu nhanh và bộ cảm biến phân tử siêu nhạy), chỉ số khúc xạ âm của bức xạ bước sóng hồng ngoại/nhìn thấy, lực Casimir, Nanofluidics (nghiên cứu về hành vi, thao tác, và kiểm soát chất lỏng được giới hạn trong cấu trúc nano mét (thường là 1-100 nm) kích thước đặc trưng (1 nm = 10-9 m), tạo mô hình ở kích thước nano (nanopatterning), viễn tải (teleportation) thông tin giữa các nguyên tử, và tương tác sinh học ở cấp độ nano. Các hiện tượng nano khác đã được hiểu rõ hơn và được định lượng, như giam giữ lượng tử, đa hóa trị và dị hướng hình dạng. Mỗi một hiện tượng này lại trở thành nền tảng cho các lĩnh vực mới của khoa học và kỹ thuật. • Một minh chứng là việc khám phá ra sự truyền mômen spin (là khả năng chuyển đổi quá trình từ hóa của nam châm bằng dòng spin phân cực), có các ứng dụng quan trọng đối với bộ nhớ, logic, cảm biến và bộ dao động nano. Một nhóm thiết bị mới đã có thể được tạo ra, ví dụ sự cạnh tranh trên thế giới để phát triển bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên truyền mômen spin (spin torque transfer random access memory (STT-RAM)), bộ nhớ này sẽ được thương mại hóa trong thập niên tới. • Các công cụ dò quét để in một phân tử hoặc cấu trúc nano lên bề mặt trên diện tích lớn với độ phân giải nhỏ hơn 50 nm đã trở thành hiện thực trong nghiên cứu và các thiết lập thương mại. Điều này đã đặt nền tảng cho việc phát triển các khả năng của “nhà máy để bàn” (desktop fab) thực sự, cho phép các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp nhanh chóng đưa ra các sản phẩm thử nghiệm và đánh giá các vật liệu hoặc thiết bị có cấu trúc nano ngay tại thời điểm sử dụng. Phát triển bền vững và an toàn • Tầm quan trọng của các vấn đề môi trường, sức khỏe và an toàn của thế hệ sản phẩm công nghệ nano đầu tiên, và các vấn đề liên quan đến đạo đức, pháp luật và xã hội của công nghệ nano ngày càng được thừa nhận. Hiện nay nguời ta chú ý nhiều đến 19
kiến thức hiểu biết về vật lý-hóa học-sinh học, những thách thức pháp lý đối với các vật liệu nano đặc biệt, các phương pháp kiểm soát dưới các điều kiện không chắc chắn và thiếu kiến thức, các khung đánh giá rủi ro và phân tích vòng đời dựa trên sự đánh giá của chuyên gia, sử dụng mã tự chọn (voluntary codes), và việc kết hợp các nghiên cứu về an toàn vào các công đoạn thiết kế và sản xuất các sản phẩm nano mới. Sự tăng cường quan tâm này bao gồm cả các phương thức tham gia của Nhà nước trong quá trình ra quyết định và tham gia giám sát chung về công nghệ nano. • Công nghệ nano đã cung cấp các giải pháp cho khoảng một nửa số dự án mới về chuyển hóa năng lượng, lưu trữ năng lượng và lưu giữ cacbon trong thập niên qua. • Các nhóm vật liệu xốp và có cấu trúc nano hoàn toàn mới có diện tích bề mặt rất lớn đã được tìm ra, bao gồm khung kim loại hữu cơ, khung hữu cơ cộng hóa trị và khung zeolit imidazolat, để cải thiện quá trình trữ hydro và tách CO2. • Hàng loạt loại sợi nano polyme và vô cơ và các composit của chúng dùng cho các quy trình tách trong môi trường (màng lọc nước và không khí) và quy trình xử lý có xúc tác đã được tổng hợp. Các màng nano composit, các chất hấp thu nano và các hạt nano oxy hóa khử đã được phát triển dùng để lọc nước, làm sạch vết dầu loang và xử lý ô nhiễm môi trường. Hướng tới các ứng dụng công nghệ nano • Nhiều ứng dụng hiện nay dựa trên cơ sở các cấu trúc nano “thụ động” (chức năng không đổi) tương đối đơn giản, được sử dụng như các thành phần cho phép tạo ra hoặc cải thiện sản phẩm (ví dụ polyme được gia cường bằng hạt nano). Tuy nhiên, từ năm 2005, nhiều sản phẩm tinh tế hơn với cấu trúc và thiết bị nano “chủ động” đã được phát triển để đáp ứng các yêu cầu vốn không giải quyết được bằng các công nghệ hiện hành (ví dụ các công cụ chẩn đoán tại chỗ ở mức phân tử và các loại thuốc nhằm cứu sống con người). • Các nhóm vật liệu hoàn toàn mới đã được khám phá và phát triển, cả về mặt khoa học và công nghệ. Những vật liệu này bao gồm dây nano một chiều và các điểm lượng tử của các thành phần khác nhau, các cấu trúc nano kim loại quý đa hóa trị, graphen, siêu vật liệu, các siêu mạng dây nano, và hàng loạt các thành phần hạt khác nữa. Một bảng tuần hoàn của các cấu trúc nano đang được phát triển, với các mục được xác định bởi thành phần, kích cỡ, hình dạng và chức năng bề mặt của hạt. • Các khái niệm hoàn toàn mới đã được chứng minh: năm 2010, thiết bị lượng tử đầu tiên được chế tạo và thử nghiệm, tế bào nhân tạo đầu tiên có bộ gen tổng hợp đã được hoàn thiện, và các cấu trúc thứ bậc đầu tiên bằng cách thiết kế đã được tính toán. • Một thư viện đa năng về các cấu trúc nano mới và các phương pháp tạo mẫu bề mặt mới đã được phát minh, tạo động lực cho sự phát triển của lĩnh vực này, bao gồm các hệ thống đã được thương mại hóa như các loại hạt nano, các lớp nano, polyme, kim loại, gốm và compossit có cấu trúc nano, các quy trình in litô nano “nhúng”, in litô nano (nanoimprint lithography), và in cuộn (roll-to-roll) để chế tạo graphen và các 20