1
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
2
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
3
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
4
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
5
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
/Hoa Kỳ/
Lực lượng
lao động
chính
Số bài
báo có
CSDL
Bằng
sáng chế
Thị
trường
sản phẩm
cuối cùng
Tài trợ
NC&PT
công và
tư
2000
60.000
/25.000/
18.085
/5.342/
1.197
/405/
30 tỷ
USD
/13 tỷ
USD/
1,2 tỷ
USD
/0,37 tỷ
USD/
2008
400.000
/150.000/
70.287
/15.000/
12.776
/3.729/
200 tỷ
USD
/80 tỷ
USD/
15 tỷ USD
/3,7 tỷ
USD/
2000-
2008 (%
tăng
trưởng
trung
bình)
25
18
35
25
35
2015 (ước
tính)
2.000.000
/800.000/
1.000 tỷ
USD
/400 tỷ/
2020
(ngoại
suy)
6.000.000
/2.000.000/
3.000 tỷ
USD
/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