Học công nghệ nano sẽ biết làm những gì?

Trong các bài trước, ta đã làm quen với khái niệm công nghệ nano là một lĩnh vực đa ngành với đối tượng chủ đạo là các vật thể có kích thước nhỏ. Hình ảnh trực quan là một “bùng binh” với nhiều con đường dẫn tới, mỗi con đường là một ngành truyền thống. Ta có thể tiếp cận “bùng binh” bằng cách đi theo những con đường nhánh, hoặc “nhảy dù” thẳng vào bùng binh bằng cách học trực tiếp các chương trình được thiết kế đặc biệt cho công nghệ nano. Vậy học xong các công nghệ nano thì chúng ta biết làm gì? Chắc hẳn đây là câu hỏi mà người học kỳ vọng nhận được câu trả lời thỏa đáng nhất.

Một giờ học tại lớp Công nghệ nano, Đại học Việt – Nhật. Nguồn: VJU.

Trước hết, chúng ta cần phải phân biệt rõ ràng hai khái niệm: biết (kiến thức – knowledge) và biết làm (knowhow). Khi đi học biết có thể mang lại cho chúng ta điểm cao. Tuy nhiên khi ra trường, biết làm mới khiến chúng ta được đánh giá cao. Người nào có khả năng biến những thứ biết được dạy tại trường thành biết làm thì cơ hội thành công trong công việc cao hơn. Cũng như vậy, chương trình đào tạo nào giúp người học vận dụng kiến thức trên lớp thành kỹ năng thực tế, chương trình đó sẽ được các nhà tuyển dụng đánh giá cao hơn. Học công nghệ nano, chúng ta sẽ được học kiến thức đa ngành, vậy nếu vận dụng tốt những kiến thức đa ngành đó, chúng ta có biết làm đủ thứ như một “con dao Thụy Sĩ” hay không?

Hiển nhiên, tại các bậc học khác nhau thì biết và biết làm cũng sẽ khác nhau.

Đối với trình độ cử nhân, bậc học chính quy thấp nhất của công nghệ nano¹, với các kiến thức về hóa học đã được truyền thụ, sinh viên ít nhất sẽ biết thực hiện các phản ứng hóa học, sau đó biết phân loại các hóa chất sau khi dùng để xử lý. Với các kiến thức về Vật lý được học, sinh viên ít nhất biết xử lý các mạch điện cơ bản, biết sử dụng các phần mềm mô phỏng các quá trình vật lý cơ bản như cơ nhiệt điện quang. Với các kiến thức về phần mềm kỹ thuật, sinh viên ít nhất cũng biết vẽ các bản vẽ kỹ thuật cơ bản hay lập trình viết lệnh sử dụng các phần mềm tính toán như Mathlab. Các kiến thức về tính chất của vật liệu là một yếu tố không thể thiếu của công nghệ nano, mà nhờ đó sinh viên ít nhất sẽ biết sử dụng các thiết bị chụp chiếu khảo sát các tính chất cơ điện cấu trúc của vật liệu và phân tích chi tiết các kết quả.

Khi học lên các bậc học cao hơn của công nghệ nano, các kiến thức và kỹ năng sẽ không ở trạng thái chung chung như bậc cử nhân mà bắt đầu phụ thuộc rất nhiều vào lựa chọn của từng cá nhân. Tại bậc học thạc sĩ, việc lựa chọn định hướng và chủ đề đào sâu đã được định hình ngay từ năm đầu tiên, dựa trên hai nhánh chính là thực nghiệm hay lý thuyết tính toán mô phỏng. Với mỗi lựa chọn này, học viên cao học cũng bắt đầu đào sâu hơn theo hướng “đi từ trên xuống²” kiểu vật lý hay “đi từ dưới lên³” kiểu hóa học, hay hướng vào các ứng dụng trong y sinh, dược phẩm hoặc môi trường. Các biết làm sẽ chuyên sâu hơn nhiều so với bậc cử nhân, tương ứng với lựa chọn định hướng. Ví dụ, nếu học viên cao học đã lựa chọn đi theo hướng hóa học thì sẽ biết làm nhiều về tổng hợp hay đo đạc phân tích tính chất đặc trưng cho hóa học. Tại bậc học này thời gian làm luận văn đặc biệt quan trọng vì nó sẽ quyết định bước đi nghề nghiệp tiếp theo. Trường hợp muốn đi theo hướng hàn lâm học thuật, học viên cao học phải biết đọc và hiểu các bài báo khoa học chuyên ngành bằng tiếng Anh. Một số bạn có thể biết viết các công bố khoa học chuyên ngành bằng tiếng Việt hoặc tiếng Anh. Trường hợp muốn đi theo hướng làm việc tiếp tại các doanh nghiệp, học viên cao học nên làm luận văn tại nơi họ muốn tìm việc sau đó.

Lên đến bậc tiến sĩ, câu trả lời cho biết và biết làm có lẽ sẽ không quá quan trọng vì làm luận án tiến sĩ là một dự án mang tính nghề nghiệp chứ không đơn thuần là đi học. Để được phép tiến hành một dự án nghề nghiệp, chắc chắn các nghiên cứu sinh đã phải biết làm một số việc quan trọng phù hợp với chủ đề tiến sĩ của mình. Một lần nữa cần nhấn mạnh, đối với lĩnh vực công nghệ nano, sau khi xong bậc tiến sĩ, các kiến thức sẽ chuyên sâu và rộng hơn nhiều so với hai bậc học trước đó. Ngoài các biết làm mang tính chuyên sâu trong lĩnh vực công nghệ nano mà ví dụ ở dưới sẽ đề cập, biết làm tại bậc tiến sĩ cũng phong phú hơn: nếu đi theo hướng hàn lâm học thuật, các tiến sĩ trẻ sẽ biết viết các đề xuất nghiên cứu phù hợp với năng lực và tổ chức gọi tài trợ; nếu đi theo hướng quản lý, các tiến sĩ trẻ cũng biết quản lý công việc theo hướng đa nhiệm, biết truyền cảm hứng cho những người theo mình và đặc biệt biết tập trung làm việc với cường độ cực lớn trong khoảng thời gian đủ lâu để có thể vượt qua trở ngại hoàn thành nhiệm vụ.

Phần trình bày ở trên mang một đặc điểm là tập trung vào từng bậc học để phân tích người học sẽ có các kỹ năng gì, kiến thức nào và biết làm gì. Vậy liệu có thể nhìn theo chiều dọc về một thứ biết làm được phát triển từ bậc cử nhân, lên thạc sĩ và tiến sĩ? Có thể tìm thấy một phần câu trả lời qua ví dụ cụ thể như sau: đa số sinh viên theo học ngành công nghệ nano, ít hay nhiều, đều thắc mắc tại sao phải học môn đại số tuyến tính và làm bài tập chéo hóa ma trận. Những kiến thức được học này sẽ được chuyển thành biết làm nào và có ích gì cho công việc trong tương lai của họ? Đối với bậc cử nhân, ta vận dụng kiến thức chéo hóa ma trận vào việc chia vấn đề thành các bài toán nhỏ độc lập để giải quyết. Đây là một biết làm rất quan trọng trong hầu hết mọi công việc nghề nghiệp sau này.

Lên đến bậc thạc sĩ, giả sử học viên cao học muốn đi sâu vào vật liệu và các tính chất vật lý đằng sau vật liệu đó, chắc chắn họ cần ứng dụng chéo hóa ma trận trong cơ học lượng tử. Cụ thể hơn, khi phải giải và hiểu bài toán của điện tử trong chất rắn, chéo hóa ma trận được mở rộng thành giải phương trình giá trị riêng của các toán tử tác dụng lên các hàm bình phương khả tích, ở đây là hàm sóng của điện tử, từ đó thu được sự lượng tử hóa động lượng điện tử và đặc biệt là sự phụ thuộc của năng lượng vào động lượng. Từ sự phụ thuộc này, học viên cao học có thể hiểu được các tính chất quang học, như hấp thụ hay phát xạ của vật liệu, các tính chất dẫn điện dẫn nhiệt của vật liệu và biết phân tích các kết quả đo đạc thu được với các tính chất tương ứng của vật liệu. Một trong số các thông tin thu được là khi nằm trong chất rắn, điện tử có thể được coi là tự do với khối lượng hiệu dụng có thể nhỏ hơn rất nhiều khối lượng tĩnh của điện tử⁴.

Lên bậc học tiến sĩ, từ việc hiểu sự phụ thuộc của năng lượng vào động lượng của điện tử trong chất rắn, và bằng việc sử dụng các thiết bị chế tạo vật liệu cấu trúc nano, nghiên cứu sinh có thể chế tạo được các linh kiện mà tại đó có sự tương tác đặc biệt giữa ánh sáng truyền trong vật liệu và điện tử kích thích trong vật liệu đó. Tương tác này tạo ra một loại giả hạt⁵ phức (exciton-polariton), có thể hiểu nôm na là hạt tạo bởi ánh sáng liên kết với vật chất, liên kết mạnh đến nỗi vận tốc truyền ánh sáng bị giảm đi rất nhiều. Khi nghiên cứu dòng chuyển động của các giả hạt này và vận tốc của sóng âm trong vật liệu, nghiên cứu sinh có thể giả lập được đường chân trời sự kiện⁶ của lỗ đen⁷. Hay với một loại cấu trúc linh kiện khác, nghiên cứu sinh có thể tạo được các ngưng tụ Bose-Einstein⁸ cho các giả hạt exciton-polariton tại nhiệt độ phòng, điều mà từ trước chỉ có thể đạt được tại nhiệt độ vô cùng thấp⁹, và đặc biệt hơn, nghiên cứu sinh còn phát ánh sáng laser từ các ngưng tụ này¹⁰. Như vậy từ kiến thức ban đầu là chéo hóa ma trận, khi học công nghệ nano theo định hướng linh kiện vật lý, ta có thể hiểu rõ hơn tính chất của điện tử trong chất rắn, kết hợp với biết cách chế tạo vật liệu nano, ta có thể giả lập được lỗ đen, một vật thể vũ trụ con người không thể với tới, trong một mẩu bán dẫn cấu trúc nano, hay làm được các nguồn laser hoàn toàn mới so với các nguồn đang dùng trong cuộc sống hằng ngày.

Kỳ tới: Cơ hội cho người học công nghệ nano ở Việt Nam
——
¹ Hiện tại chưa có hình thức đào tạo nghề hay trung cấp về công nghệ nano.
²Đi từ trên xuống (top-down approach) là cách chế tạo vật liệu và linh kiện kích thước nhỏ từ vật liệu khối kích thước lớn thông qua các phương pháp vật lý như đục, đẽo, khắc, phủ, mài, ép.
³Đi từ dưới lên (bottom-up approach) là cách chế tạo vật liệu và linh kiện kích thước nhỏ từ các nguyên tử phân tử thông qua các phản ứng hóa học.
⁴Khối lượng tĩnh của điện tử me= 9.1×10-31 kg.
⁵Giả hạt (quasiparticle) là một loại hạt gắn với hạt thật và tương tác với các hạt khác hoặc với môi trường xung quanh.
⁶Một lỗ đen tồn tại khi khối lượng vật chất được tích tụ vượt qua một giá trị tới hạn, khi đó dưới sức mạnh của trọng trường ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra được nếu ở đủ gần lỗ đen. Giới hạn này gọi là chân trời sự kiện.
⁷H.S. Nguyen, D. Gerace, I. Carusotto, D. Sanvitto, E. Galopin, A. Lemaitre, I. Sagnes, J. Bloch, A. Amo, Acoustic Black Hole in a Stationary Hydrodynamic Flow of Microcavity Polaritons, Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 36402.
⁸Ngưng tụ Bose-Einstein chỉ áp dụng cho các hạt có spin bằng không hoặc nguyên, có thể coi là một trạng thái khác của vật chất tại đó tất cả các hạt đều nằm tại một mức lượng tử. Các hạt có spin bán nguyên tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli sẽ không thể tạo được ngư tụ này.
⁹M.H. Anderson, J.R. Ensher, M.R. Matthews, C.E. Wieman, E.A. Cornell, Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor, Science. 269 (1995) 198–201.
¹⁰S. Christopoulos, G.B.H. von Högersthal, A.J.D. Grundy, P.G. Lagoudakis, A. V. Kavokin, J.J. Baumberg, G. Christmann, R. Butté, E. Feltin, J.-F. Carlin, N. Grandjean, Room-Temperature Polariton Lasing in Semiconductor Microcavities, Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 126405.