Lời
nói đầu của TS Nguyễn Xuân Xanh về

"Cuộc Cách Mạng Công Nghệ NANO", Trương Văn Tân

 

 

Đến năm 2100, số phận của chúng ta sẽ trở thành giống như những vị thần mà chúng ta từng tôn thờ và kính sợ. Nhưng công cụ của chúng ta sẽ không phải là đũa thần và b́nh thuốc ma thuật mà là khoa học máy tính, công nghệ nano, trí tuệ nhân tạo, công nghệ sinh học và hơn hết là lư thuyết lượng tử.

MICHIO KAKU

 

Lời nói đầu.

Danh từ nano, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp νάνος (Latinh nános) nghĩa là “người lùn”, không phải là tên của một loại vật liệu nhất định nào, mà ám chỉ độ nhỏ một phần tỷ (10-9) của cái ǵ đó, như nanomet (nm) là một phần tỷ của mét. Nanomet cũng chính là cấp nguyên tử, phân tử. Nghiên cứu tạo ra và sử dụng các vật liệu rất nhỏ, cấp nano, được gọi là vật liệu nano, là công việc của khoa học và công nghệ nano.

Sự ra đời của công nghệ nano được đánh dấu tại thời điểm bài diễn văn nổi tiếng của nhà vật lư Richard Feynman “Có nhiều chỗ ở miệt dưới” năm 1959 (từ dịch của anh Trương Văn Tân). Nhưng cần đợi đến thập niên 1980 ngành công nghệ nano mới ra đời. Giáo sư Eric Drexler, tác giả của quyển sách The Engines of Creation năm 1986, nhân tố kích thích sự chuyển động công nghệ nano, kể lại, khi ông giảng khóa đầu tiên về công nghệ nano tại ĐH Stanford, “căn pḥng và hành lang đă chật cứng vào ngày đầu tiên, và người sinh viên bước vào cuối cùng phải trèo qua cửa sổ.” [1]

Foresight Institute, một tổ chức phi lợi nhuận tại Palo Alto, California, mà Drexler đồng sáng lập, nhằm khuếch trương công nghệ nano và các công nghệ mới nổi, đă tài trợ hội nghị đầu tiên về công nghệ nano tháng 10, 1986. Tại hội nghị, Drexler nhận ra rằng Nhật Bản từ nhiều năm đă xem công nghệ chế tạo (engineering) những hệ thống phân tử là then chốt cho công nghệ thế kỷ 21.

“Nhiều chỗ cho miệt dưới” cũng là nhiều chỗ cho những giấc mơ. Nhiều khái niệm mới ra đời như công nghệ nano, hay tương đương, công nghệ phân tử, robot nano (nanobot), mạch điện nano, máy nano, computer nano …. Sẽ có những cỗ máy dư thừa (sản xuất thực phẩm), những loại vật liệu siêu nhẹ, những cỗ máy chẩn đoán và chữa trị đến tận các tế bào; giấc mơ tiếp cận nguồn năng lượng sạch và chế tạo nước được khử muối; khả năng làm sạch môi trường khỏi CO2 để trả lại bầu khí quyển về thời kỳ tiền-công nghiệp hóa. Có rất nhiều viễn cảnh đáng và được mơ ước.[2]

Dưới đây TS Trương Văn Tân, tốt nghiệp B. Eng, M. Eng tại Tokyo Institute of Technology, Nhật Bản, và PhD tại University of Adelaide, Úc, nhà khoa học ứng dụng với 70 công tŕnh được công bố trên các tạp chí quốc tế, và là chuyên gia nghiên cứu công nghệ nano 15 năm liền, có nhă ư gửi đến độc giả một bài giới thiệu ngành công nghệ mới này, tập trung vào phần hữu cơ, là phần quan trọng liên quan đến sự sống con người.

Gần mười năm 2008-2016 qua, anh cũng đă bỏ ra công sức và tâm huyết để viết 3 quyển sách về công nghệ nano, rất được ưa chuộng, nhằm quảng bá, đại chúng hóa, và nâng cao hiểu biết về lănh vực mới và tiềm năng này cho độc giả Việt Nam. Một khối lượng kiến thức to lớn. Trước mỗi một chương đều có một câu nói của danh nhân được gắn vào đó, rất minh triết, từ Aristote đến Einstein đến Trịnh Công Sơn. Anh viết những tác phẩm này trong lúc vẫn c̣n bận bịu với công việc nghiên cứu, cho thấy độ dấn thân cao của anh.

Ngoài ra năm 2019 TS Tân c̣n xuất bản thêm quyển sách Bên Lề Khoa Học, đề cập đến rất nhiều đề tài về khoa học và giáo dục, nhân văn và triết lư, cũng như phần Du kư, nơi anh ghi lại những trải nghiệm, quan sát của những chuyến du lịch, để khoa học và thi ca ḥa nhịp. Ng̣i bút của anh là rất sâu sắc, chắc không phụ ḷng người đọc. Thể loại du kư này đă phổ biến ở châu Âu thế kỷ 18, và đă góp phần vào việc thúc đẩy khai minh. Bốn quyển sách có số trang tổng cộng lên tới 1.465. Một công tŕnh đồ sộ của một người. Chẳng phải tác giả là một người thuộc loại đam mê viết hay sao? Nhưng trên hết anh là người đam mê truyền bá khoa học để phục vụ sự phát triển khoa học của đất nước.

Đọc Trương Văn Tân luôn luôn là một điều thú vị, đầy ắp cảm hứng và nhận thức. Anh vừa là nhà khoa học chính xác, rất uyên bác, cũng vừa là một “nhà thơ”. Văn phong anh đầy thi vị, và chất sống. Anh là một người yêu khoa học đích thực. Anh không thấy khoa học với những con số, công thức là buồn tẻ, mà thi vị và làm cho cho cuộc sống trí thức thêm phong phú. Khoa học không phải là con số, mà ư tưởng. Đó là tưp người của xă hội hiện đại tương lai. Việt Nam cần một số lượng tới hạn (critical mass) những con người như thế để có thể h́nh thành nền khoa học nước nhà. Thiếu số lượng đó, khoa học của mọi quốc gia sẽ èo ọt. Khoa học mà èo ọt, quốc gia sẽ không thể nào mạnh mẽ.

Anh Tân có thuyết tŕnh ở Sài G̣n 2 lần (1) tại Thời Báo Kinh Tế Sài G̣n (2009) và (2) tại Đại học Bách Khoa TP HCM (2014). Ngoài ra 1 lần ở Đại học Cần Thơ và 1 lần ở Hà Nội. Tôi có may mắn tham dự hai buổi ở Sài g̣n. Thật là thú vị được nghe và thấy phong cách của anh: đầy ắp tri thức và rất dí dỏm. Tôi mong anh sẽ c̣n có dịp trở lại Việt Nam để diễn thuyết. Có thể nói, các quyển sách của anh là “khai sáng nano“, và anh là một nhà “truyền giáo” rất uyên bác.

Hăy cho dân tộc này nhiều kiến thức, để xây dựng tương lai. Hăy cho dân tộc này nhiều sách, để thông minh hơn. Hăy cho dân tộc này nhiều ánh sáng, để thấy được những chân trời xa.

Với những ḍng giới thiệu quá ngắn ngủi này, tôi cảm thấy ḿnh chưa “công bằng” với Trương Văn Tân, một nhà khoa học tự nhiên có chiều sâu trí thức lẫn tâm hồn tôi rất ngưỡng mộ. Nhưng tôi thấy cần phải giới thiệu công tŕnh tâm huyết của anh hôm nay.

Xin nồng nhiệt giới thiệu, nhất là với các bạn trẻ muốn theo đuổi khoa học, công nghệ, như sự nghiệp tương lai của ḿnh, và như công cụ để thay đổi đất nước tốt đẹp hơn.

Nguyễn Xuân Xanh , 24. 10. 2020

[1] Xem K. Eric Drexler, The Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Anchor Books năm 1986.

[2] Xem Peter H. Diamandis và Steven Kotler, Abundance. The Future is better than you think. Free Press, 2012. Và K. Erich Drexler, Radical Abundance. How a revolution in nanotechnology will change civilization. PublicAffairs, 2013. Cũng như Gordon Fraser, The New Physics for the Twentieth-first Century. Cambridge University Press, 2006.

 

 

& & &

Cuộc Cách Mạng Công Nghệ NANO

Trương Văn Tân
 

 

Kính tặng những người yêu thích khoa học và đam mê cái vĩ đại của thế giới cực to đến thế giới cực nhỏ.

TRƯƠNG VĂN TÂN

Dẫn nhập

Nano trong cụm từ “công nghệ nano” có nghĩa là nanomét (kư hiệu: nm) bằng một phần tỷ mét (1/1.000.000.000 m), một đơn vị đo lường để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử: 1 – 10 nm, vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trùng: 25.000 nm, sợi tóc: 100.000 nm, đầu cây kim: 1 triệu nm và chiều cao con người: 2 tỷ nm. Một nanomét và một mét như viên bi với quả địa cầu.

Công nghệ nano là một bộ môn khảo sát, t́m hiểu đặc tính những vật chất cực nhỏ, để thao tác (manipulate), chồng chập những vật chất này, xây dựng vật thể to hơn. Người ta gọi phương pháp xây dựng từ vật nhỏ đến vật to và to hơn nữa là phương pháp “từ dưới lên” (bottom-up method). Sự xuất hiện của công nghệ nano đang cách mạng lề lối suy nghĩ và phương pháp thiết kế toàn thể các loại vật liệu từ dược phẩm trị liệu đến các linh kiện điện tử với những đặc tính đă định sẵn ngay từ thang phân tử.

Đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano là vật liệu nano và cấu trúc nano có kích cỡ 1-100 nanomét. Thiết bị nano là những thiết bị hay dụng cụ được thiết kế và chế tạo từ những vật liệu và cấu trúc này. Tiến tŕnh của công nghệ nano trong ba thập niên qua, nếu tính bằng con số, là những số tiền khổng lồ có đơn vị là tỷ đô la đă được các nước tiên tiến đầu tư vào các hoạt động nghiên cứu triển khai, số bài báo cáo và đăng kư phát minh có thể đạt đến con số triệu và hàng ngàn tấn các vật liệu nano như ống than nano, hạt nano, graphene đang được sản xuất hàng năm. Như một chuyên gia đă khẳng định, “công nghệ nano sẽ bám trụ vào cuộc sống đời thường và những ứng dụng của nó chỉ ở giai đoạn mở đầu”.

Một sản phẩm của “công nghệ nano” là cơ thể con người. Công nghệ nano v́ vậy là một thực thể lâu đời như quả đất. Thiên nhiên đă dùng nó như một công cụ tạo ra muôn loài từ thuở hồng hoang. Con người cũng như động thực vật là do những nguyên tố hóa học tạo nên. Nếu có một phương pháp làm phân ră cơ thể con người đến tận thành phần cấu tạo cơ bản, ta sẽ thu lượm được vài chục lít khí oxy, hydro và nitơ; một đống than (cacbon), canxi, muối; vài nhúm nguyên tố vô cơ như sulfur, phosphor, kim loại như sắt, magie, natri và hơn một chục nguyên tố linh tinh khác. Nếu đánh giá theo tiêu chuẩn thương măi th́ toàn bộ các nguyên tố hóa học này gần như không có giá trị. Tuy nhiên, tạo hóa đă biết dùng phương pháp mà bây giờ ta gọi là “công nghệ nano” để biến những nguyên tố bất động, vô tri trở thành một sinh vật có ư thức, có khả năng sinh sản, biết suy nghĩ, biết đi, biết ḅ, biết bơi, biết vui, biết sướng, biết hờn dỗi, biết hỉ nộ ái ố… Phương pháp sinh học “từ dưới lên” là quá tŕnh thụ tinh, tạo phôi rồi phát triển thành sinh vật và con người. Các tế bào phôi chứa phân tử DNA mang những thông tin di truyền và là “nhà máy” sản xuất các tập hợp phân tử sinh học điển h́nh là các loại protein với các chức năng khác nhau cần thiết cho một sinh vật có cảm giác và linh hồn. Quá tŕnh tiến triển từ phôi đơn giản vô tri đến cấu tạo hài ḥa của một con người có ư thức, cảm giác chỉ cần 40 tuần trong điều kiện b́nh thường có nhiệt độ 36 °C và áp suất 1 atm. Đây là một khả năng kỳ diệu của tạo hóa. Giá trị thương măi của sinh vật thông minh này là vô giá!

Con người mô phỏng công nghệ nano của thiên nhiên, sử dụng nó như là một phương thức cách tân để tiến hành một cuộc cách mạng khoa học công nghệ thầm lặng trong thế kỷ 21. Cuộc cách mạng này và sản phẩm liên quan đang bao trùm và ảnh hưởng sâu sắc đến mọi khía cạnh sinh hoạt của con người bao gồm năng lượng, thực phẩm, dược phẩm, y tế, trang phục, giao thông, viễn thông, quốc pḥng và vui chơi. Công nghệ nano là một hoạt động nghiên cứu liên ngành đặt trên cơ sở của các môn học cổ điển và ngược lại những thành quả nghiên cứu nano sẽ trực tiếp tác động trở lại đến các bộ môn này và gia tăng hiệu năng của các sản phẩm liên quan.

Công nghệ nano là một bộ môn liên ngành khoa học

Công nghệ và khoa học nano giờ đây có mặt khắp nơi từ những pḥng thí nghiệm cao cấp đến các ngơ ngách của cuộc sống đời thường. Bài viết này là một tổng quan ngắn nhằm giới thiệu những điểm nhấn quan trọng và thú vị trong công nghệ và khoa học nano. Có rất nhiều bài tổng quan độc đáo và thư tịch cho mỗi lĩnh vực riêng biệt mà người đọc có thể tham khảo thêm.

RICHARD FEYNMAN, NHÀ TIÊN TRI:

“Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới”

Giáo sư Richard Feynman (1918-1988, giải Nobel Vật lư 1965), một thiên tài vật lư, đă có một dự đoán tài t́nh về sự hữu ích của một ngành công nghệ “không tên” mà sao này người đời gọi là “công nghệ nano”. Năm 1959, ông đề cập cách tận dụng những “chỗ trống” trong các nguyên tử và phân tử bằng một bài nói chuyện với nhan đề “There’s plenty of room at the bottom” (Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới)[1] tại California Institute of Technology (Caltech, Mỹ). Ông bông đùa chơi chữ; “bottom” có nghĩa là cái mông đít lại c̣n có nghĩa là cái đáy, cái tận cùng. “Miệt dưới” trong tiếng Việt mang đầy đủ hai ư nghĩa nầy.

Ông đặt vấn đề làm sao có thể chứa toàn bộ 24 quyển Bách khoa Từ điển Britannica trên đầu cây kim có đường kính 1,5 mm (xin mở ngoặc, cây kim ở đây là đinh ghim dùng để cài các loại giấy tờ có h́nh dạng giống cây đinh và đầu kim là phần đầu dẹt không phải là mũi kim). Theo Feynman, khả năng này hiện hữu. Thính giả ngơ ngác, v́ ở năm 1959 dụng cụ điện tử tiên tiến nhất là chiếc tivi điều khiển bằng ống chân không mà mỗi lần bật lên phải đợi vài phút h́nh ảnh mới xuất hiện. Có phải là vấn đề của Feynman đưa ra là một chuyện không tưởng? Feynman trấn an người nghe là ông không “xạo sự”, tất cả những điều ông nói đều khả thi, theo đúng và nằm trong phạm vi cho phép của những quy luật vật lư. Như vậy, Feynman đă thuyết phục thính giả của ông bằng cách nào?

Ông giải thích bằng con số rất đơn giản. Khi phóng đại đầu kim 25.000 lần th́ diện tích đầu kim tương đương với diện tích toàn thể các trang sách của bộ từ điển. Như vậy, muốn đặt toàn bộ 24 quyển Bách khoa Từ điển Britannica trên mặt của đầu kim ta chỉ cần thu nhỏ 25.000 lần toàn thể bộ từ điển. Có nghĩa là những chữ in cũng phải thu nhỏ 25.000 lần. Trong các mẫu tự, dấu chấm trên đầu chữ “i” là kư hiệu nhỏ nhất. Sau khi thu nhỏ 25.000 lần, dấu chấm vẫn c̣n có một kích cỡ của tập hợp 1000 nguyên tử. Con số 1000 nguyên tử là rất to, cho rất nhiều “chỗ trống” và lựa chọn để con người thao tác (manipulate) bằng một phương pháp vật lư nào đó. Feynman tiếp tục luận điểm của ḿnh. Ông phỏng chừng có 24 triệu quyển sách trong các thư viện trên toàn thế giới. Nếu tất cả được thu nhỏ 25.000 lần th́ toàn thể sách viết biểu hiện tri thức của loài người trên quả đất sẽ được “in” vỏn vẹn trên 35 trang giấy A4! Feynman c̣n nói đến khả năng làm những sợi dây dẫn điện phân tử và các linh kiện điện tử như transistor ở thang phân tử. Ông nói đến việc chế tạo một công cụ lớn làm nên những công cụ nhỏ hơn và nhỏ hơn nữa để giúp con người di dời, thao tác và điều khiển nguyên tử và phân tử theo ư ḿnh.

CÔNG NGHỆ NANO

Tuy nhiên, Feynman không dừng ở kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization), ông phác họa khả năng h́nh thành một nền công nghệ mới trong đó con người có thể di chuyển, chồng chập các loại nguyên tử, phân tử để thiết kế một dụng cụ cực kỳ nhỏ ở thang vi mô (microscopic) hay thiết kế một dụng cụ to ngay từ cấu trúc phân tử của nó. Phương pháp đó ở thế kỷ 21 được gọi là công nghệ nano với cách thiết kế từng nguyên tử một “từ dưới lên” (bottom-up method). Thật ra, kỹ thuật thu nhỏ hay là phương pháp “từ trên xuống” (top-down method) đă là xương sống của việc xây dựng và phát triển công nghiệp điện tử từ 60 năm qua. Transistor là một linh kiện chính trong các vi mạch của các loại dụng cụ điện tử. Nó là “linh hồn” từ cái máy tính tay (calculator) khiêm tốn đến cái máy tính phức tạp. Phương pháp “từ trên xuống” đă được áp dụng để thu nhỏ transistor có độ to ban đầu khoảng vài cm ở thời điểm phát minh (năm 1947) cho đến ngày hôm nay th́ đến bậc nanomét; vài chục triệu lần nhỏ hơn.

Câu chuyện tàng trữ những quyển sách của Feynman không là chuyện trà dư tửu hậu mà giờ đây là những chuyện nghiên cứu nghiêm túc và liên quan đến việc chế tạo bộ nhớ (memory chip). Trong máy tính ta có bộ nhớ để tàng trữ dữ liệu. Những dữ liệu này có thể là một bài viết, một quyển sách, nhạc, phim, h́nh ảnh và được số hóa để chứa vào bộ nhớ dưới dạng nhị phân (binary) qua hai con số 0 và 1, một con số là một bit. Ngày nay, ta có những đĩa CD nhạc, DVD của những bộ phim là một dạng tàng trữ dữ liệu. Những dạng tàng trữ cũng được thu nhỏ theo thời gian. Những người yêu thích âm nhạc, phim ảnh đều biết cái băng nhựa đến đĩa laser (laser disc) cồng kềnh rồi đến CD, DVD nhỏ hơn có mật độ chứa gia tăng với khả năng chứa nhiều bài nhạc, phim ảnh cho thấy sự tiến bộ của việc thu nhỏ trong lĩnh vực này.

Các nhà khoa học muốn chế tạo bộ nhớ (hay bộ tàng trữ) nhỏ đến tận cùng của vật chất. Nếu ta có thể dùng 2 loại nguyên tử khác nhau đại diện cho 0 và 1, th́ con người có thể chế tạo bộ nhớ nguyên tử. Một CD b́nh thường có 109 (1 tỷ) bit, có thể dễ dàng chứa toàn bộ 1 quyển sách dày. Một bộ nhớ nguyên tử có độ lớn 1 cm3 (1 x 1 x1 cm) chứa khoảng 1022 (10.000 tỷ tỷ) nguyên tử. Như vậy, ta có thể chứa 1013  (10.000 tỷ) quyển sách. Nếu một thư viện mỗi năm mua 10.000 quyển sách, th́ thư viện này có thể mua liên tục 1 tỷ năm và tàng trữ thoải mái trong bộ nhớ nguyên tử 1cm3 ! Sự tính toán trên cho ta thấy một viễn cảnh huy hoàng và thật sự đang xảy ra trước mắt với nhưng cây USB với sức chứa dữ liệu vài trăm gigabyte và tiếp tục gia tăng. Đây là thành quả của các công tŕnh nghiên cứu của điện tử nano (nanoelectronics).

VẬT LIỆU NANO

Trong hai thập niên (1985 – 2004), các nhà khoa học đă liên tục tổng hợp được những vật liệu nano của nguyên tố cacbon (C). Harold Kroto và Richard Smalley tổng hợp được “quả bóng đá” fullerene C60 (1985, Nobel Hóa học 1996)[2]. Năm 1991, Sumio Iijima tái phát hiện ống than nano[3]. Andre Geim and Konstantin Novoselov chế tạo graphene (2004, Nobel Vật lư 2010)[4] từ than ch́ (graphite) làm bút ch́. Graphene là vật liệu 2 chiều đúng nghĩa, mỏng nhất trong vũ trụ (độ dày là 1 nguyên tử). Việc phát hiện graphene đă mang tới cộng đồng khoa học một niềm vui v́ đây là lần đầu tiên trong lịch sử khoa học con người có thể nh́n, sờ và sử dụng được một vật liệu mỏng tận cùng có bề dày của 1 nguyên tử.

Như vậy, trong ṿng hai thập niên (1985 – 2004) các nhà khoa học đă tổng hợp một loạt vật chất nano thuần cacbon có zero chiều (C60), 1 chiều (ống than nano) và 2 chiều (graphene). Ngoài ra, rất nhiều hạt nano kim loại hay oxit kim loại như vàng, bạc, đioxit titan v.v… được chế tạo cho các ứng dụng xúc tác hay y dược.

Các loại vật chất nano thuần cacbon: (a) fullerene C60, (b) ống than nano và (c) graphene. (Google search)

Sự bùng nổ của các loại vật liệu nano đưa đến một hệ quả là truy t́m những ứng dụng công nghệ hữu ích mà chúng có thể mang lại. Ngoài những ứng dụng điện tử, các ứng dụng y học là một điểm nổi bật trong các ứng dụng của sản phẩm nano. Fullerene C60 được ra đời sớm nhất nhưng vẫn chưa có một ứng dụng rộng khắp ngoài việc kết hợp phân tử fullerene với DNA cho việc trị liệu y khoa hay với polyme dẫn điện cho các loại pin mặt trời hữu cơ. Đặc tính tải thuốc (drug delivery) đến các tế bào và chẩn bệnh trong cơ thể con người của các loại vật liệu y học được khảo sát từ nhiều năm qua. Trong lĩnh vực này, hạt nano có tiềm năng rất lớn. Hạt được điều khiển đi theo hướng được chỉ định, biết cảm ứng và có khả năng nhận thuốc và nhả thuốc vào tế bào nhiễm bệnh ở một “địa chỉ” nhất định. Ống than nano được dùng làm giàn giáo cho tế bào xương phát triển để hàn các vết găy nứt của xương. Ống than nano có khả năng xuyên thủng màn tế bào như cây kim nano, có thể là một công cụ để tải thuốc, vắc xin, dược liệu chống ung thư vào các tế bào nhiễm bệnh.

Graphene và graphene oxit (GO) cũng có nhiều tiềm năng ứng dụng y khoa. Một trong những ứng dụng quan trọng cho thấy GO có thể sử dụng như một tác nhân chống ung thư. Ngoài ra, GO có nhiều nguyên tử oxy gắn trên bề mặt mạng graphene nên GO rất ổn định trong môi trường chứa nước như cơ thể con người hay động vật nên mang nhiều tiềm năng ứng dụng trong sinh y học. GO sẵn sàng ḥa nhập trong môi trường sinh học dễ dàng tiếp giáp với bề mặt tế bào. GO v́ vậy là một ứng viên tốt cho việc tải thuốc đến tế bào.

TRANSISTOR VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Việc thu nhỏ transistor là một nỗ lực xuyên thế kỷ. Khi transistor được thu nhỏ th́ mọi dụng cụ điện tử trở nên mỏng, nhẹ và xử lư nhanh. Máy tính của thập niên 50 của thế kỷ trước to bằng cái tủ nặng ngàn kư th́ ngày nay những laptop, iPad, thậm chí chiếc điện thoại cầm tay iPhone, ngàn lần nhẹ hơn và có vận tốc xử lư 10 triệu lần nhanh hơn. Transistor đươc chế tạo bởi nguyên tố bán dẫn silic (Si) đă làm nên những điều huyền diệu và đă tiến đến kích cỡ 5 -10 nanomét. Nhưng tham vọng thu nhỏ của con người muốn biến kích thước transistor có độ nhỏ tương đương với nguyên tử hay phân tử (0,1 – 1 nanomét), độ nhỏ tận cùng của vật chất.

Năm 1998, nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Phaedon Avouris của viện nghiên cứu IBM chế tạo transistor dùng một phân tử ống than nano có chức năng vượt trội hơn transistor silic. Nhóm Avouris là một trong những nhóm nghiên cứu tiên phong đóng góp rất nhiều tri thức trong việc dùng ống than nano như là một vật liệu cho transistor thay cho silic[5]. Trên phương diện lư tính và điện tính, do bản chất rỗng của ống than nên electron di chuyển rất nhanh trong ống v́ không có sự va chạm, được gọi là di chuyển đạn đạo. Cho nên ống than nano có độ di động electron cao hơn và điện dung nhỏ hơn silic. Hai đặc tính này là điều kiện cần cho transistor. Transistor ống than nano có tiềm năng thu nhỏ đến kích thước phân tử, ít phát nhiệt và do đó sự tiêu hao năng lượng thấp hơn 10 lần so với transistor silic. Như vậy, liệu ống than nano có thể lật đổ sự thống trị của nguyên tố silic trở thành vật liệu làm transistor để điều khiển và vận hành máy tính? Trước khi có câu trả lời chúng ta hăy nh́n vào kết quả công tŕnh của nhóm đại học Stanford (Mỹ).

Nghiên cứu của nhóm Stanford rất ấn tượng. Năm 2013, họ đă tŕnh làng một máy tính dùng transistor ống than nano đầu tiên[6]. Họ chế tạo một mạch tích hợp chứa 178 transistor làm con chip xử lư dữ liệu. Mỗi transistor chứa 10 đến 200 ống than nano và có độ lớn 8 micromét, 400 lần to hơn transistor silic trong các máy tính hiện đại. V́ vậy, sức mạnh xử lư của máy tính ống than nano chỉ tương đương với máy tính trong thập niên 50, 60 của thế kỷ trước. Trên lĩnh vực học thuật, nhóm nghiên cứu này đă tạo một bước nhảy vọt chứng tỏ tiềm năng vi tính của ống than qua việc chế tạo con chip xử lư trung tâm (CPU), bộ năo của máy tính, hoàn toàn bằng ống than một cách đầy sáng tạo. Nhưng, trên lĩnh vực công nghệ việc sản xuất đại trà và chế tạo một mạch tích hợp có thể chứa hàng tỷ transistor ống than nano tập trung trên một diện tích vài xentimét vuông như mạch tích hợp của transistor silic là một vấn đề bất khả thi. Trong khả năng công nghệ hiện tại, chưa có phương pháp chế tác nào có thể thực hiện được việc này.

Nhưng ống than nano vẫn không lùi bước. Một triển khai quan trọng khác đáng ghi nhận là sản phẩm điện tử ống than nano của của công ty Nantero (Mỹ). Công ty này chuyên nghiên cứu và thương mại hóa chip nhớ (memory chip) hoàn toàn với ống than nano gọi là nano RAM (NRAM)[7]. Có thể gọi đây là bộ nhớ phân tử trên đường thương phẩm hóa và hy vọng sẽ là chiếc cầu bắc đến bộ nhớ nguyên tử trong tương lai. Mục tiêu của Nantero là sẽ dùng NRAM trong máy tính, điện thoại cầm tay, máy chụp ảnh kỹ thuật số và các dụng cụ điện tử khác. Nantero dự tính NRAM sẽ có doanh thu 100 tỷ đô la hằng năm, và hiện nay (2018) đă bán sản phẩm ra thị trường.

Graphene tiếp tục phát huy con đường triển khai của ống than nano cho các ứng dụng điện tử và vi tính như transistor, bộ cảm ứng sinh hóa học. Ngoài ra, với đặc điểm là vật liệu 2 chiều, graphene có những ứng dụng đặc thù riêng cho ḿnh như màn h́nh hiển thị cho tivi, máy tính, điện thoại cầm tay. Graphene tương tác rất mạnh với sóng điện từ terahertz. Từ đặc tính này, graphene có thể dùng trong bộ cảm ứng terahertz để phát hiện vũ khí, chất nổ dấu trong người hay hành lư ở các sân bay.

Graphene không là chất duy nhất có cấu trúc hai chiều. Những hợp chất vô cơ như boron nitride (BN), tungsten đisulphit (WS2) và molydenum đisulphit (MoS2)  có một quá khứ khiêm tốn được dùng làm chất nhờn, hay các loại oxit kim loại như TiO2, MnO2, V2O5  và nhiều hợp chất khác giờ đây cũng đă thăng hoa như graphene v́ là những tinh thể hai chiều. Hàng chục ngàn bài báo cáo về graphene đă được xuất bản trong nhiều năm qua cho thấy nghiên cứu về graphene với cấu trúc giản đơn lục giác hai chiều đă gần đạt tới đỉnh điểm và cái mới lạ cũng dần dà phôi pha. Hiện nay, những thủ thuật nano tách than ch́ ra từng lớp mỏng tạo graphene một lớp, hai lớp, ba lớp, v.v… đă không c̣n quá khó khăn. Tuy nhiên, graphene sẽ là cột mốc cơ bản làm bệ phóng cho các chế biến ứng dụng, cho việc khai thác các vật liệu hai chiều khác hay thiết kế một tập hợp các mặt phẳng nguyên tử với cấu trúc phức tạp hơn. Theo Andre Geim, sắp đặt từng mạng graphene theo một trật tự nhất định có thể tạo ra một loại graphene có vùng cấm (bandgap) để có chức năng mở/đóng của transistor nhưng vẫn duy tŕ độ di động electron tuyệt vời nhằm thay thế silic trong transistor tương lai. Hoặc là sắp mạng graphene chồng lên với các mặt phẳng nguyên tử khác như mạng MoS2 hay mạng BN, được ví von như một tṛ chơi “Lego nguyên tử”. Chiếc “bánh kẹp” nhiều tầng chứa các bề mặt nguyên tử khác nhau giống như tập hợp những tấm Lego được nối kết bằng lực liên mạng van der Waals có tên gọi là “cấu trúc dị thể van der Waals” (van der Waals heterostructures). Andre Geim tiếp tục cuộc hành tŕnh tưởng tượng đi t́m kiếm “vùng đất hứa mộng mơ” cho những chiếc bánh kẹp “cấu trúc dị thể” của ḿnh với niềm hy vọng mang lại các ứng dụng hữu ích chưa từng có.

Cấu trúc dị thể van der Waals được tạo ra bằng cách chồng những vật liệu khác nhau (graphene, hBN, MoS2, WSe2, fluorographene) giống như lắp ráp các mảnh Lego nhiều màu lại với nhau[8].

Trở lại linh kiện transistor. Rơ ràng, trong nhiều năm qua các nhà khoa học đă dùng ống than nano và graphene “tung chưởng” nhằm lật đổ sự thống trị của silic trong việc chế tác transistor và mạch tích hợp. Tiếc thay, hai vật liệu hữu cơ thuần cacbon này không đủ sức “truất phế” silic dùng cho máy tính. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa transistor hữu cơ trở nên một thứ sản phẩm hàn lâm. Transistor hữu cơ sẽ cùng với polymer dẫn điện/bán dẫn tạo nên thời đại “Điện tử plastic” (plastic electronics) với các sản phẩm plastic hữu cơ như màn h́nh hiển thị có thể gấp lại, cuốn tṛn hay các bộ cảm ứng mềm (soft) y học có thể cấy vào mô con người. Các loại transistor hữu cơ sẽ được cài trong những sản phẩm mềm mỏng nơi mà tốc độ xử lư không cần phải “nhanh như ánh sáng” như máy tính hay điện thoại cầm tay.

ĐỘNG CƠ VÀ XE HƠI NANO NHÂN TẠO

Sau bài nói chuyện nổi tiếng mang đầy tính thuyết phục của Feynman, hàng ngàn khoa học gia trong 60 năm qua đă nghiên cứu, thu thập tri thức, sáng tạo ra nhiều phương pháp, ṃ mẫm đi vào thế giới cực nhỏ để “vào hang hùm bắt cọp con”! “Cọp con” ở đây là những nguyên tử và phân tử mà các nhà khoa học muốn nh́n thấy, muốn nắm bắt, di chuyển chúng theo chủ ư của ḿnh và cuối cùng thiết lập những đặc tính cho một ứng dụng nào đó.

Kể từ khi khái niệm về nguyên tử trong khoa học tự nhiên ra đời cách đây hơn 100 năm, người ta đă xác nhận nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của vạn vật nhưng trên thực tế chưa ai nh́n thấy được chúng cho đến năm 1981. Vào năm này, hai nhà nghiên cứu của công ty IBM, G. Binning và H. Rohrer, tuyên bố với thế giới là hai ông đă “nh́n” thấy nguyên tử bằng kính hiển vi quét đường hầm (scanning tunnelling microscope, STM) do hai ông phát minh và đoạt giải Nobel cho thành tựu này.

“Trăm nghe không bằng một thấy”, nhưng con người vẫn chưa thỏa măn. Sự ṭ ṃ của con người thôi thúc bắt đôi bàn tay phải táy máy hành động, v́ “Trăm thấy không bằng một sờ”! Ngoài việc nh́n thấy nguyên tử, STM c̣n cho khả năng di chuyển nguyên tử. Năm 1990, D. Eigler và E. Schweizer cũng tại IBM lần đầu tiên “sờ” được nguyên tử. Hai ông dùng đầu ḍ (tip) của STM để di chuyển từng đơn vị nguyên tử theo ư của ḿnh. Lời tiên đoán của Feynman năm 1959 nay đă thành hiện thực. Thí nghiệm của Eigler và Schweizer đă được thực hiện trong chân không và nhiệt độ cực thấp (-270 °C). Hai ông đă di chuyển 35 nguyên tử xenon để tạo ra 3 mẫu tự “IBM”. Chiều ngang của toàn thể 3 mẫu tự này chỉ có 3 nanomét. Đến nay, đây là mẫu tự nhỏ nhất của thế giới loài người!

Mẫu tự nhỏ nhất bằng nguyên tử xenon của thế giới loài người. (Nguồn: Wikipedia)

Việc di chuyển nguyên tử tuy là việc đơn giản nhất, nhưng với kỹ thuật hiện tại vẫn c̣n rất khó khăn. V́ vậy, kéo hai nguyên tử kết hợp thành phân tử rồi chồng chập các phân tử lên nhau tạo thành một động cơ hay một công cụ siêu nhỏ như thiên nhiên đă làm là một điều khó khăn nếu không muốn nói là hoang tưởng ở thời điểm hiện tại.

Các nhà hóa học có một cách làm khác. Họ là những chuyên gia hiểu rất rơ về các liên kết hóa học (chemical bonding). Họ biết từng đặc tính của nguyên tử, từ đó tổng hợp bằng nhiều phương pháp cho ra các sản phẩm phân tử và tạo ra nhiều loại vật liệu hơn 200 năm qua. Họ không lôi kéo một cách “vật lư” các nguyên tử để tạo thành phân tử hay hợp chất, nhưng họ trộn dung dịch này với dung dịch kia, thực hiện các phản ứng hóa học. Như một nhà ảo thuật, với hơn 100 nguyên tố hóa học các nhà hóa học đă “bốc ra” từ chiếc nón “kỳ diệu” của ḿnh hàng trăm triệu hợp chất với những đặc tính khác nhau và vô số cấu trúc phân tử. Với những phương pháp tổng hợp gần như đi từ trực cảm và kinh nghiệm và bằng những dụng cụ thí nghiệm đơn sơ như ống nghiệm, lọ thủy tinh, ống chưng cất, họ tạo ra những hợp chất ảnh hưởng đến mọi sinh hoạt của con người. Hóa tổng hợp “cổ điển” đă sản xuất phần lớn các hợp chất để chế tạo dược liệu, chất xúc tác, thuốc nổ, bột giặt, sơn, phân bón, thuốc sát trùng, tơ sợi, đến các loại polyme khác nhau có nhiều ứng dụng công nghiệp. Với bàn tay “phù thủy”, họ có thể cắt vài nguyên tử ra khỏi phân tử mẹ hay gắn vào một nhóm nguyên tử khác, hoặc kết hợp các phân tử khác nhau trở thành phân tử mới với đặc tính định sẵn bằng những phản ứng hóa học rất hiệu quả. Ở một khía cạnh nào đó, họ đă tạo ra những vật liệu bằng những thao tác nano, di dời các nguyên tử bằng các phản ứng hóa học. Từ truyền thống lâu đời này, các nhà hóa học ở một vị trí lư tưởng để chế tạo ra những động cơ hay công cụ phân tử nhân tạo.

Mẹ Thiên nhiên, nhà khoa học siêu phàm, cũng đă tạo ra vô số động cơ phân tử sinh học trong con người và các loài động thực vật cho việc sinh tồn trong suốt quá tŕnh tiến hóa từ thuở khai thiên lập địa. Trong khi các nhà nghiên cứu sinh học khảo sát các diễn biến rất ngoạn mục qua việc chuyển động của động cơ sinh học để duy tŕ sự sống, và trước khi có ư tưởng về “động cơ phân tử” th́ các nhà hóa học đă an nhiên bằng ḷng với những ống nghiệm, dụng cụ thủy tinh các thứ, lắc lắc xoay xoay để tiến hành phản ứng, tinh chế sản phẩm tạo ra các phân tử “bất động”. Vậy làm sao có thể chế tạo bánh răng, trục quay, piston, van, công tắc phân tử để lắp ráp thành một động cơ phân tử biết chuyển động? Các nhà hóa học phải nh́n đến sinh học để t́m kiếm những mô h́nh thích hợp v́ sự chuyển động là một đặc trưng trung tâm của sự sống. Công nghệ nano và sự mô phỏng thiên nhiên ở mức phân tử tạo ra một cơ hội mới cho ngành hóa tổng hợp. Bắt nguồn từ những cảm hứng sinh học, các giáo sư Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart và Bernard L. Feringa mô phỏng các động cơ sinh học, với nhiều cách thiết kế phân tử tài ba và bằng các phương pháp tổng hợp độc đáo họ đă tạo ra các phân tử biết di động. Ba ông đă đoạt giải Nobel Hóa học (2016) cho công tŕnh này.

Tuy nhiên, ta phải khiêm cung nói rằng con người đang tập tành bắt chước tạo hóa làm những công cụ phân tử ở mức sơ đẳng nhất. Nói cho dễ hiểu, trong khi con người đang cưa đẽo những khúc gỗ làm chiếc xe cút kít th́ tạo hóa đă hoàn bị một chiếc xe Mercedes hạng sang! Dù là một cỗ máy to lớn hay là tập hợp phân tử, động cơ chẳng qua là một công cụ chuyển hoán năng lượng; từ hóa năng hay điện năng thành cơ năng. Động cơ phân tử sinh học biết xoay, biết đi, biết ḅ, biết ứng xử với môi trường xung quanh là một tập hợp phân tử cực kỳ phức tạp. Hiện tại, tạo ra một động cơ nano (phân tử) nhân tạo với phương pháp nano “từ dưới lên” tương tự như hệ thống sinh học là một việc không tưởng. Tuy nhiên, như Sauvage, Stoddart và Feringa đă thực hiện, các nhà hóa học đă có khả năng tạo những bộ phận đơn giản cho động cơ nano. Việc đầu tiên là tổng hợp những siêu phân tử (supramolecule) làm nên các bộ phận nano, sau đó “ráp” các bộ phận này thành động cơ. Trong mười năm qua, họ đă tổng hợp các bộ phận nano có tác dụng như một bật điện, khối quay (rotor), cánh quạt, trục, phanh, bánh răng, bánh cóc (ratchet) v.v… Nhiên liệu cho các động cơ nổ là xăng, cho động cơ nano nhân tạo là ánh sáng mặt trời. Dù đây là những động cơ rất đơn giản so với động cơ phân tử sinh học nhưng chúng đ̣i hỏi nhiều nỗ lực và kiến thức trong hóa hữu cơ và quang hóa học (photochemistry).

Năm 2011, Feringa làm nên một thành tích tuyệt vời, từ mô-tô phân tử ông và cộng sự chế ra xe hơi nano. Nhóm Feringa tổng hợp một phân tử giống như chiếc xe hơi mà 4 bánh xe là cái quạt mô-tô. Khi chiếc xe nano được cung cấp năng lượng th́ 4 “bánh xe chân vịt” sẽ quay làm di động chiếc xe trên một mặt phẳng. Nghe đâu, các nhóm nghiên cứu động cơ nano toàn thế giới dự định tổ chức cuộc đua quốc tế Grand Prix Nano. Chờ xem.

Xe hơi nano từ các phân tử hóa học

Khi một vật thể vi mô có kích thước nanomét hay thậm chí micromét, những hiện tượng ta không thấy hoặc không quan trọng ở thế giới b́nh thường vĩ mô (macroscopic) sẽ xuất hiện hoặc trở nên quan trọng ở thế giới vi mô. Chẳng hạn, khi các vật thể ở đơn vị mét (vĩ mô) được thu nhỏ đến micromét hay nanomét, diện tích bề mặt sẽ tăng từ một triệu đến một tỷ lần – những con số cực kỳ lớn. Sự gia tăng bề mặt rất hữu ích trong các chất xúc tác cho phản ứng hóa học, ứng dụng quang tổng hợp và chuyển hoán năng lượng mặt trời. Nhưng cũng v́ sự gia tăng bề mặt, lực kéo của môi trường xung quanh (như của nước hay không khí), sức căng bề mặt nhanh chóng gia tăng làm cản trở sự di động của vật này. Mặt khác, bằng mô h́nh vi tính (computer model) người ta dự đoán rằng lực ma sát gần như zero trong cấu trúc nano. Điều này rất quan trọng cho sự bền bỉ, ít hao ṃn v́ không có sự ma sát của các bộ phận di động, xoay, nhảy, bước của động cơ nano. Dù lực ma sát zero chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm, nhưng khi ta nh́n lại cơ thể con người và so với các loại cỗ máy nhân tạo, phải công nhận rằng “bộ máy” con người từ mức vi mô đến vĩ mô ít bị bào ṃn và “xài” tốt, ít nhất cũng đến cái tuổi “cổ lai hi”!

Ngoài ra, trong thế giới cực nhỏ nano, cơ học cổ điển Newton áp dụng cho các vật vĩ mô trở nên vô hiệu và chúng ta đi vào mảnh đất của cơ học lượng tử. Một quả bóng tennis khi va vào một bức tường th́ sẽ bật trở lại. Đây là một việc hiển nhiên thường ngày. Nhưng khi được thu nhỏ đến kích thước nano th́ quả bóng có thể đi xuyên bức tường giống như một bóng ma trong phim kinh dị! Đây là một hiện tượng vật lư thật sự và được gọi là hiệu ứng đường hầm (tunnelling effect) – một hiệu ứng cơ bản trong cơ học lượng tử. Hiệu ứng này cho electron nhiều ứng dụng đặc biệt nhờ khả năng đi xuyên qua lá chắn cách điện. V́ vậy, những linh kiện điện tử ở thang nano không những làm gia tăng mật độ tập tích mà c̣n tạo ra một môi trường cho electron di chuyển tự do, dẫn đến sự giảm nhiệt và gia tăng hiệu suất.

Về mặt lư thuyết, cơ học lượng tử là một cơ sở vững chắc để dự đoán và giải thích các hiện tượng của thế giới nano. Mặt khác, nhiệt động học là một bộ môn cổ điển của vật lư từ thế kỷ 19, khảo sát các hiện tượng vĩ mô thông qua các biến số như nhiệt độ, áp suất và năng lượng. Dù bộ môn này chỉ dựa trên “hiện tượng luận” (phenomenological) nhưng nó đă đưa ra những định luật cực kỳ chính xác cho việc lư giải từ sự cân bằng hóa học đến cơ cấu vận hành và hiệu suất của động cơ nổ.

Trong lĩnh vực sinh học, hiện nay người ta vẫn chưa hiểu rơ cơ chế hoạt động của động cơ phân tử sinh học trong tế bào, v́ vậy chưa định lượng được hiệu suất chuyển hoán năng lượng của các loại động cơ tí hon này. Muốn lư giải vấn đề này ta cần đến nhiệt động học. Nhưng liệu các định luật khoa học áp dụng cho thế giới b́nh thường vĩ mô có thể kéo dài đến tận đáy của thế giới vi mô (nano)? Chúng ta chưa có một câu trả lời dứt khoát v́ hai lư do. Thứ nhất, đối tượng khảo sát của nhiệt động học phải ở trong một môi trường cô lập. Điều này đúng ở các động cơ nổ, trong đó piston chỉ hoạt động trong ống xi lanh có nhiệt độ và áp suất riêng mà không bị ảnh hưởng bởi thế giới bên ngoài. Ngược lại, động cơ sinh học hoạt động trong một tế bào là một hệ thống mở giao lưu với môi trường xung quanh. Thứ hai, nhiệt động học khảo sát một tập hợp hàng tỷ phân tử. Thí dụ, động cơ chiếc xe Toyota Camry 2,4 lít chứa khoảng 1022 (10.000 tỷ tỷ) phân tử. Làm sao có thể ngoại suy các định luật nhiệt động học của một tập hợp hằng tỷ phân tử trở thành định luật cho một vài phân tử? Đây là một thử thách mà các nhà khoa học phải trực diện để hoàn bị cách kiến giải và thực hành của khoa học và công nghệ nano. Nếu việc ngoại suy này đạt được kết quả mong muốn, nhiệt động học sẽ cho ta biết những cơ chế chuyển hoán năng lượng tạo ra sự chuyển động từ những động cơ thật to như đầu máy xe lửa đến các động cơ thật nhỏ trong tế bào sinh học. Có thể lúc đó các nhà khoa học sẽ tiến rất gần đến việc thiết lập “lư thuyết cho tất cả mọi vật” (theory of everything) từ cực lớn đến cực nhỏ, điều mà các nhà vật lư lư thuyết từng mơ ước hơn 100 năm nay.

AN TOÀN SINH HỌC VÀ ĐỘC TÍNH

Vật liệu và sản phẩm nano là con dao hai lưỡi. V́ là những vật cực nhỏ, chúng có thể là phương tiện trị liệu nhưng cũng là mầm mống gây bệnh ở mức tế bào. Trên phương diện “sức khoẻ và an toàn chức nghiệp” (occupational health and safety), người ta vẫn chưa hiểu rơ những tác hại nào có thể xảy ra khi hạt nano đi vào cơ thể mà không bao giờ bị phân hủy theo quá tŕnh chuyển hóa tự nhiên (metabolism). Hiện nay vẫn chưa có một quy định chặt chẽ nào cho việc sử dụng và xử lư các sản phẩm vật liệu nano, điển h́nh là ống than nano và hạt nano. Song song với những tiến bộ khoa học, khả năng tác hại của những mối nguy hiểm ẩn tàng cần phải đặc biệt cảnh giác.

Một trong những ứng dụng quan trọng của các vật liệu nano là việc tải thuốc đến tế bào ung thư. Hạt nano và ống than nano là hai loại vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất được dùng làm mặt nền (platform) tải thuốc và được chức năng hoá với những nhóm chức (functional group) thích hợp để cảm nhận độ pH, nhiệt và kích động sự nhả thuốc khi gặp mục tiêu. Chúng giống như những chiếc tàu ngầm tí hon được bơm vào mạch máu, len lỏi vào các tế bào để tiêu diệt các tế bào bệnh nhưng chừa lại tế bào tốt. Ống than nano có tác dụng như cây kim đi xuyên qua tế bào mục tiêu và sau đó được kích hoạt nhả thuốc. Hiện nay, hạt sinh học lyposome chính thức được dùng để tải thuốc trị ung thư doxorubicin. Nhưng lyposome chỉ có thể tải 8 – 10 wt% thuốc trong khi ống than nano có thể tải đến 60 wt%. Ngoài ra, thuốc được tải bằng ống than nano có thể được phóng thích dễ dàng qua sự kích hoạt của tia cận hồng ngoại.

Dù có nhiều ưu điểm hơn liposome, ống than nano vẫn chưa hội đủ điều kiện cần thiết để đưa vào cơ thể con người. Thứ nhất, khi ống than nano đi vào cơ thể th́ nó phải có sự tương thích sinh học (biocompatibility), không gây độc tính và dị ứng đối với cơ thể. Thứ hai, sau khi hoàn thành sứ mạng tải và nhả thuốc ống than nano phải tự phân hủy và những chất phân hủy không phải là độc tố và cần được thải ra ngoài. Ống than nano chưa thỏa măn hai điều kiện này. Việc thực dụng hóa trong y học sẽ bế tắc nếu hai điều kiện cơ bản trên không được giải quyết. Nhưng đă có một số công tŕnh, dù rất khiêm tốn, được thực hiện nhằm thay đổi bề mặt của ống than nano để gia tăng tính tương thích và tự phân hủy. Một công tŕnh nổi bật là gắn nhóm chức lên trên ống than nano và qua nhóm chức phản ứng phân hủy xảy ra dưới sự chi phối của các enzyme trong cơ thể động vật[9].

Tính tương thích sinh học và độc tính của các vật liệu nano bao gồm hạt nano và carbon nano (fullerene, ống than nano, graphene) là một đề tài được công chúng đặc biệt quan tâm. Có một lúc, cụm từ “công nghệ nano” được các doanh nghiệp in lên nhăn mác để lăng xê sản phẩm của ḿnh. Nhưng gần đây, trên nhiều mỹ phẩm hay kem chống nắng lại được ghi là “không sử dụng vật liệu nano”. Giới tiêu dùng rất hoang mang v́ không rơ thực hư thế nào. Tuy rằng đă có nhiều công tŕnh khảo sát vật liệu nano trong cơ thể sinh vật, từ nhiều năm qua số liệu thực nghiệm vẫn chưa đáp ứng kịp với sự đa dạng càng ngày càng gia tăng của sản phẩm và vật liệu nano. Ngoài ra, các kết quả lắm khi mâu thuẫn bởi phương thức thực nghiệm không giống nhau giữa các nhóm nghiên cứu. Trong nhiều hội thảo khoa học, độc tính nano lúc nào cũng là một đề tài nóng và thường đưa đến những cuộc tranh luận gay gắt giữa các nhà khoa học, luật sư và công đoàn.

Trong trường hợp ống than nano, khả năng phát viêm gây ung thư phổi giống như sợi a-mi-ăng (asbestos) là một quan ngại sâu xa trong các ứng dụng y học cũng như trong sản xuất và xử lư công nghiệp. Ngoài ra, như được đề cập ở trên việc giảm thiểu độc tính và gia tăng tính tự phân hủy bằng phương pháp chức năng hoá bề mặt ống với nhóm chức thích hợp cũng đă được chứng thực. Nhưng đây chỉ là bước đầu của một con đường dài trước mắt.

Độc tính của graphene trở thành một vấn đề cần được khảo sát cẩn thận và có hệ thống. Theo thống kê, số lượng sản xuất graphene toàn cầu đă tăng lên đến 15 tấn trong năm 2011 và tiếp tục gia tăng, nhưng dữ liệu độc tính của graphene vẫn c̣n trong t́nh trạng sơ đẳng. Một số cơ sở nghiên cứu trên thế giới đă thực hiện nhiều khảo sát độc tính trong môi trường, trên mô sinh vật hay trong cơ thể sinh vật nhưng vẫn chưa đạt được sự đồng thuận và thống nhất giữa các nhóm nghiên cứu. Thậm chí, có những kết quả thực nghiệm mâu thuẩn nhau gây ra nhiều tranh căi. Việc này đă xảy ra với ống than nano mà phần lớn do điều kiện thí nghiệm khác nhau và mẫu vật liệu khác nhau. Hiện nay một tiêu chuẩn và quy định quốc tế chung cho các thí nghiệm độc tính vẫn chưa được thiết lập. Ngoài ra, những yếu tố vật lư như số lớp (layer) của graphene, diện tích bề mặt hay các yếu tố hóa học như đặc tính bề mặt, sự hiện diện của oxy, hydroxide hay những nhóm chức năng trên bề mặt có ảnh hưởng sâu sắc đến những tác động sinh học của graphene. V́ vậy, sự liên hệ giữa cấu trúc và độc tính là một yếu tố quan trọng và cũng là một thách thức trong việc khảo sát độc tính graphene có hệ thống.

Trong một bài báo cáo của một nhóm nghiên cứu tại Đại học Brown (Mỹ), kết quả sơ bộ cho thấy graphene có tác dụng như chiếc lưỡi lam nano. Khi những mảnh graphene ở độ lớn khoảng 10 micomét có nhiều góc cạnh đặt trong tế bào phổi hay da con người, chúng có thể cắt xuyên tế bào để đi vào trong. Ngoài ra, sự khác biệt về độc tính giữa graphene và GO được xác nhận trong mẫu tế bào phổi của chuột. Trong khi graphene không cho tác dụng xấu th́ GO gây thương tích và phát viêm trong tế bào. Chức năng hóa bề mặt nhằm tạo đặc tính tương thích sinh học và phân hủy sinh học (biodegardation) cho các ứng dụng sinh học và giảm thiểu độc tính đă cho nhiều kết quả tốt đẹp. Thí dụ, GO đă được phủ một lớp polymer như poly(ethylene glycol) hay chitosan có thể gia tăng tính tương thích sinh học và kéo dài thời gian hiện diện của GO trong môi trường sinh học.

Mặc dù có nhiều thí nghiệm về độc tính của graphene hay GO trên mô sinh vật (in vitro) hay trong sinh vật sống (in vivo), theo sự t́m hiểu của người viết trên các tư liệu nghiên cứu cho đến năm 2017, không thấy có báo cáo về những dấu hiệu đưa đến khả năng gây ung thư của graphene hay GO. Điều này tương phản với ống than nano; có một số ống than nano hành xử giống như sợi a-mi-ăng cho thấy sự phát viêm trong mô sinh vật. Đây là một tin mừng cho graphene, nhưng không có nghĩa graphene là chất hoàn toàn vô hại. Người xưa có câu “dĩ độc trị độc”. Như đề cập bên trên graphene có tác dụng như lưỡi lam nano có thể cắt lớp da tế bào đi vào trong gây xáo trộn những quá tŕnh sinh học của tế bào. Tuy nhiên, người ta có thể dùng đặc tính này để tải thuốc, nhất là các loại thuốc chống ung thư như doxorubicin. Các phân tử thuốc được cài lên bề mặt graphene và được đưa vào trong tế bào ung thư cho việc trị liệu.

Ngành nghiên cứu độc tính nano (nanotoxicology) nay đă xuất hiện. Những công tŕnh về độc tính, tính tương hợp, cơ cấu phân hủy trong cơ thể đang gia tăng rất nhanh nhưng vẫn chưa bắt kịp với số lượng sản xuất và sử dụng vật liệu nano. Các ứng dụng của công nghệ nano trong lĩnh vực gia cường vật liệu, năng lượng, điện tử, quang điện tử, vi tính đă được thương mại hóa và xuất hiện trên thị trường. Nhưng ở thời điểm hiện tại các vật liệu nano bao gồm hạt nano, ống than nano và graphene vẫn c̣n được xét nghiệm và chưa sẵn sàng cho các ứng dụng y học có tiếp xúc với cơ thể con người.

LỜI KẾT

Đă hơn 60 năm kể từ ngày Feynman thốt ra những dự đoán thiên tài, nền công nghệ nano đă thành h́nh và đang đưa loài người đến cuộc cách mạng kỹ nghệ lần thứ hai. Ba mươi năm đă trôi qua, cuộc cách mạng công nghệ nano vẫn tiếp diễn một cách thầm lặng với nhiều bước đột phá.

Về mặt lư thuyết, cơ học lượng tử – bộ môn vật lư của thế giới vi mô – đă khẳng định vai tṛ độc tôn của ḿnh trong việc giải thích và tiên liệu những hiện tượng nano. Thêm vào đó, việc triển khai nhiệt động học cổ điển đến các hệ thống vi mô bằng ngôn ngữ của công nghệ nano và công nghệ sinh học là một đề tài quan trọng trong vật lư lư thuyết, không những để giải thích cơ chế và hiệu suất vận hành của các động cơ phân tử nhân tạo mà c̣n dẫn dắt chúng ta thoát khỏi ṿng vô minh để lư giải nguồn cội xuất hiện của sự sống dựa vào các động cơ phân tử sinh học. Trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản, đă có ba giải Nobel cho nghiên cứu nano và 166.000 bài báo cáo khoa học lẫn đăng kư phát minh, đứng đầu là Trung Quốc, được ghi nhận cho năm 2018[10]. Tổng số các bài báo cáo có thể vượt một triệu trong 30 năm qua. Cuộc cách mạng nano đă có một đóng góp khai sáng vào tri thức của loài người.

Về mặt công nghệ và sản xuất, sự kết hợp của chính sách quản lư khoa học sáng suốt có tầm nh́n xa của chính phủ tại một số nước tiên tiến và số vốn đầu tư kếch sù của các doanh thương đă đẩy mạnh những tiến bộ trong nghiên cứu cơ bản và nhanh chóng thương mại hóa những thành quả trong pḥng thí nghiệm tạo ra nhiều sản phẩm. Tại Mỹ, theo thống kê 1.900 công ty có hoạt động nghiên cứu và triển khai (R&D) công nghệ nano. Chính phủ Trung Quốc đặt công nghệ nano lên hàng quốc sách. Ngày nay, công nghệ nano là một trong nhiều lĩnh vực tiến nhanh nhất với số doanh thu dự đoán sẽ đạt tới $125 tỷ đô la vào năm 2024 gần gấp đôi con số thực của năm 2018[11].

Thị phần dành cho vật liệu nano cũng gia tăng bởi các ứng dụng mới trong lĩnh vực năng lượng và điện tử. Hạt nano chiếm 85% lượng sản xuất của vật liệu nano. Số lượng sản xuất graphene đang bùng phát do nhu cầu những sản phẩm chứa graphene gia tăng. Hiện nay, graphene chỉ hiện diện trong các sản phẩm công nghệ thấp (low tech). Nhưng trong ṿng vài năm tới, những thành tựu của nghiên cứu cơ bản sẽ chuyển dịch graphene đến sản phẩm công nghệ cao bao gồm pin, tụ điện, linh kiện điện tử, màn h́nh hiển thị và các bộ cảm biến. Graphene sẽ là một vật liệu đột phá và thay đổi cuộc chơi (game changer). Ống than nano sau một thời gian im tiếng v́ những quan ngại độc tính, giờ đây trở lại như một vật liệu gia cường cho các loại nano composit.

Dù có những thành tựu rực rỡ trong khoa học, công nghệ và số doanh thu dồi dào, độc tính của vật liệu nano vẫn là một vấn đề nghiêm trọng, nhiều thử thách và cần thời gian. Sự đa dạng của vật liệu nano và các phản ứng phức tạp đối với tế bào sinh học là hai nguyên nhân chính làm tŕ trệ việc t́m hiểu thấu đáo độc tính nano. Độc tính sẽ liên tục ẩn hiện song hành với các hoạt động triển khai công nghệ. Mọi sự việc lúc nào cũng có mặt sáng và mặt tối; hoa hồng có gai. Công nghệ nano cũng không là ngoại lệ.

Melbourne, tháng 10, 2020

[1] Richard Feynman, “There’s plenty of room at the bottom” (Google search).

[2] H. W. Kroto et al, Nature 318 (6042) 162.

[3] S. Iijima, Nature 354 (1991) 56.

[4] K. S. Novoselov et al, Science 306 (2004) 666.

[5] P. Avouris and R. Martel, MRS Bulletin 25 (April 2010) 306.

[6] M. M. Shulaker et al, Nature 501 (2013) 526.

[7] www.nantero.com.

[8] A. K. Geim and I. Grigorieva, Nature 499 (2013) 419.

[9] A. Bianco, K. Kostarelos and M. Prato, Chem. Comm. 47 (2011) 10182.

[10] https://statnano.com/news/65056/Nanotechnology-Publications-of-2018-An-Overview.

[11] https://nano-magazine.com.

 


Cảm tưởng xin gởi về :  vantantruong@hotmail.com

© "Khi phát hành lại bài này cần phải có sự đồng ư của tác giả 
và ghi rơ nguồn lấy từ www.erct.com"