Công nghệ nano – Lĩnh vực mới với những ứng dụng mới
LTS: Tiếp theo loạt bài nâng cao cơ hội nghề nghiệp cho những sinh viên theo đuổi nghề lập trình, Tia Sáng xin giới thiệu loạt bài định hướng nghề nghiệp trong một lĩnh vực hết sức mới mẻ không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới – đó là công nghệ nano, của TS Nguyễn Trần Thuật ở Trung tâm Nano và Năng lượng (NEC), ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội. Loạt bài này sẽ tập trung trả lời các câu hỏi như: công nghệ nano là gì; học công nghệ nano sẽ được học những gì và biết làm những gì; những cơ hội nào đang mở ra cho người học công nghệ nano tại Việt Nam…
Các nghiên cứu viên làm thí nghiệm phủ màng và khắc khô phản ứng tạo hình các linh kiện cấu trúc nano tại phòng sạch của Trung tâm Nano và Năng lượng (NEC). Ảnh: Đặng Tuấn Linh.
Công nghệ nano là một khái niệm khá mới ngay cả trên thế giới. Định hướng một nghề nghiệp mới tại một nước đang phát triển như Việt Nam là một chủ đề khó. Do đó chúng ta cần nhìn nhận và hiểu vấn đề này một cách tương đối thận trọng, với nhiều cách nhìn khác nhau và dần dần từng bước.
Vậy trước hết công nghệ nano là gì? Nói đơn giản, công nghệ nano là loại công nghệ đi sâu vào các vật thể có một, hai hoặc cả ba chiều dài, rộng, cao có kích thước bé cỡ nano mét, tức một phần một tỷ của mét.
Một trong số các câu trích dẫn nổi tiếng về công nghệ nano của Richard Feynman1, đó là “Có rất nhiều không gian ở dưới đáy” (There’s plenty of room at the bottom2). Một cách hình tượng, Feynman muốn nói có rất nhiều điều có thể được khám phá tại những kích thước nhỏ nhất. Thực tế là như vậy, khi một trong số các kích thước của vật thể được làm thành rất nhỏ thì sẽ xuất hiện các tính chất mới mà vật thể kích thước lớn không thể có.
Lấy một ví dụ đơn giản, nếu ta có một khối đồng kích thước 1x1x1(m) thì diện tích mặt ngoài của khối đồng là 6m2 và với khối lượng là 8,96 tấn3, tỉ lệ diện tích mặt ngoài trên khối lượng của khối đồng này là 6m2/8,96 tấn. Nếu ta dùng một công cụ tinh vi, xẻ khối đồng thành một tỉ bản đồng có bề dầy 1 nano mét thì cũng khối lượng đồng 8,96 tấn, ta có diện tích mặt ngoài 2 tỉ m2. Tổng tỉ lệ diện tích mặt ngoài trên khối lượng của các bản đồng này là 2 tỉ m2/8,96 tấn. Tiếp tục, nếu ta dùng công cụ tinh vi hơn xẻ một bản đồng thành 1 tỉ thanh đồng có chiều dài 1m và tiết diện 1 nano mét x 1 nano mét, thì cũng với khối lượng 8,96 tấn ta có 4 tỉ m2. Tổng tỉ lệ diện tích mặt ngoài trên khối lượng đồng lúc này sẽ là 4 tỉ m2/8,96 tấn. Điều đó có nghĩa là nếu diện tích mặt ngoài là một yếu tố quan trọng, như cho việc tăng hiệu năng xúc tác các phản ứng hóa học hoặc tăng cường khả năng hấp phụ các chất độc trong nước, thì bằng cách xẻ khối đồng thành 1 tỉ thanh đồng, kích thước mặt ngoài tăng lên hàng tỉ lần với khối lượng không đổi. Đây là thứ chỉ có thể thu được với công nghệ nano.
Ví dụ trên đã mô tả một cách tương đối đơn giản về công nghệ nano và tại sao công nghệ nano lại quan trọng. Tuy nhiên sẽ có hàng tá các câu hỏi khác, đơn giản nhất là làm thế nào để có một công cụ phức tạp cho phép ta xẻ một khối đồng thành một tỉ tấm đồng hay làm thế nào để có thể “cầm” được một tấm đồng mỏng như vậy để còn xẻ tiếp thành một tỉ thanh đồng? Như vậy hiểu theo nghĩa rộng, công nghệ nano là một tập hợp hệ sinh thái cho phép con người có thể chế tạo ra các vật thể kích thước nano mét, hoặc vật thể lớn nhưng lại cấu trúc nano mét (như việc ta xếp một tỉ thanh đồng cách đều nhau thành một khối đồng có cấu trúc rỗng), cho phép con người khai thác các tính chất mới, đặc biệt là các tính chất lượng tử, và sử dụng kết hợp một cách khéo léo các tính chất mới đó để có các ứng dụng tốt hơn trong cuộc sống. Hệ sinh thái này có tính bao trùm, gồm các lĩnh vực chế tạo thiết bị, chế tạo vật liệu, chế tạo linh kiện4, ứng dụng vật liệu và linh kiện, thậm chí cả lĩnh vực mô phỏng tính toán.
Một cách hình tượng hơn, công nghệ nano có thể được nhìn như một lĩnh vực “bùng binh”, trong đó mỗi con đường dẫn tới “bùng binh” này là một ngành truyền thống như Vật lý, Hóa học, Sinh học, Toán ứng dụng, chế tạo máy, chế tạo linh kiện… Điều kiện duy nhất để các lĩnh vực này hội tụ tại “bùng binh” là phải làm việc trên những vật thể có kích thước hoặc cấu trúc cỡ nano mét. Đến đây, có thể ta có cảm tưởng công nghệ nano như một lĩnh vực nào đó hàn lâm học thuật, phức tạp, bế tắc như bùng binh Ô Chợ Dừa, và không thực sự có ích trong cuộc sống hằng ngày. Tuy nhiên cũng giống như bản chất của cơ học lượng tử luôn đánh lừa trực giác con người, công nghệ nano thoạt nhìn có vẻ khá phức tạp nhưng đem lại ngày càng nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống con người mà không phải ai trong số chúng ta cũng biết. Ví dụ, TV màu 4K QLED do Samsung mới giới thiệu trên thị trường thế giới. Không gian màu5 của các TV này được mở rộng đáng kể bởi các màu đơn sắc6 từ việc sử dụng các chấm lượng tử7. Khi không gian màu tăng, hình ảnh sẽ thật hơn và sống động hơn. Ví dụ khác, nếu ta coi công nghệ nano là công nghệ liên quan đến các vật thể mà một trong các chiều có kích thước cỡ nano mét thì mỗi lần bật máy tính là ta đã sử dụng các thành tựu của công nghệ nano vì về cơ bản các chip máy tính ngày nay là tập hợp của hàng triệu các transistor hiệu ứng trường có chiều dài cực cổng (gate) cỡ vài chục nano mét8, dự kiến tới năm 20209 sé là 5 nano mét.
Kỳ tới: Hai cách tiếp cận “bùng binh” công nghệ nano.
1 Richard Feynman là một trong số các bộ óc “đẹp” nhất của Vật lý trong thế kỷ 20. Ông được biết đến với khả năng đơn giản hóa các vấn đề phức tạp. Giản đồ Feynman là như vậy. Đây là loại giản đồ “đơn giản” theo cách xây dựng, nhưng làm nền tảng cho thuyết lượng tử của tương tác điện từ trường. Ông được giải Nobel Vật lý cho lý thuyết này. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/feynman-facts.html.
2Tiêu đề của một bài giảng về lĩnh vực vật lý mới của Richard Feynman tại hội nghị thường niên của Hội Vật lý Mỹ năm 1959.
3Khối lượng riêng của đồng là 8,96 g/cm3.
4Hiểu một cách đơn giản, linh kiện là một vật thể tập hợp nhiều vật liệu, mỗi vật liệu có một hình dạng nhất định.
5 https://en.wikipedia.org/wiki/CIE _1931_color_space
6 Nếu ba màu cơ bản (đỏ, lục, xanh) tạo nên màu của một điểm ảnh của TV càng đơn sắc thì không gian màu căng bởi ba màu cơ bản này càng rộng. Màu đơn sắc nhất mà con người tạo được hiện nay là từ các nguồn laser.
7 Chấm lượng tử là một vật thể có ba chiều nằm trong khoảng một tới vài nano mét, là một trong số các chủ đề ưa thích của công nghệ nano. Khi kích thước bị thu nhỏ, các chấm lượng tử có được các tính chất điện tử và khả năng tương tác mới với ánh sáng. Hiệu quả thu được là ánh sáng phát xạ từ các chấm lượng tử, nhờ chuyển mức năng lượng của điện tử khu trú trong chấm lượng tử, có độ đơn sắc hơn nhiều so với ánh sáng từ các vật liệu khối cấu tạo nên các bóng LED trong TV phẳng“truyền thống”.
8 Cực cổng là cực quan trọng nhất điều khiển các mức logic 0 -1 của transistor hiệu ứng trường, do đó kích thước của cực cổng được sử dụng như một thước đo để phân biệt các thế hệ khác nhau trong công nghiệp chế tạo chip. Công nghệ bán dẫn được biết là một bệ phóng của của công nghệ nano, sự phát triển của công nghệ nano quay trở lại cho phép công nghệ bán dẫn vượt qua được các giới hạn vật lý để tiếp tục thu nhỏ kích thước các chi tiết, giảm tiêu thụ điện và tăng hiệu năng tính toán.
9 Research alliance builds new transistor for 5nm technology – https://phys.org/news/2017-06-alliance-transistor-5nm-technology.html
