Khoa học và công nghệ nano:

trong một thế giới cực nhỏ

 Trương Văn Tân (*)

"There's plenty of room at the bottom"
Richard Feynman (Nobel Vật lý 1965)

Nano có nghĩa là nanomét (ký 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 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.

Khoa học và công nghệ nano (nanoscience and nanotechnology) là một bộ môn khảo sát, tìm 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 khoa học và 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 đã định sẵn ngay từ thang phân tử.

Một sản phẩm của công nghệ nano là cơ thể con người. Con người, động vật và thực vật là do những nguyên tố hóa học tạo nên. Giả dụ có một phương pháp có thể làm phân rã cơ thể con người đến tận thành phần cấu tạo cơ bản, ta sẽ thu lượm được vài chục lít khí oxygen, hydrogen và nitrogen; một đống than (carbon), calcium, muối; vài nhúm nguyên tố vô cơ như sulfur, phosphorous, kim loại như sắt, magnesium, sodium và hơn một chục nguyên tố linh tinh khác. Nếu đánh giá theo tiêu chuẩn thương mãi thì toàn bộ các nguyên tố hóa học này gần như không có giá trị. Tuy nhiên, tạo hóa đã 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 ý thức, có khả năng sinh sản, biết suy nghĩ, biết đi, biết bò, biết bơi, biết vui, biết sướng, biết hờn dỗi, biết hỉ nộ ái ố... Giá trị thương mãi của sinh vật thông minh này là vô giá!

"Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới"

Tiến sĩ Richard Feynman (1918-1988, giải Nobel Vật lý 1965) là một thiên tài vật lý. Năm 1959, ông đã có một dự đoán tài tình về công nghệ nano trong một bài nói chuyện với tựa đề "There's plenty of room at the bottom" (Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới) tại California Institute of Technology (Caltech, Mỹ) [1]. Ông là người có tính hài hước, bình dị, thích bông đùa, tếu táo. Lúc sinh thời ông là một tay trống nhạc Samba, thích hòa đồng với đám sinh viên của ông. Điều nầy cũng phản ánh qua cái tựa đề của bài nói chuyện. Ông chơi chữ; "bottom" có nghĩa là cái mông đít, bàn tọa lại còn có nghĩa là cái đáy, cái tận cùng. "Miệt dưới" trong tiếng Việt mang đầy đủ hai ý nghĩa nầy.

Đọc qua tựa đề bài nói chuyện, không ít người trong thính giả hoang mang hỏi ông "Ông Feynman ơi! Chắc ông lại đùa nữa rồi?". Nhưng ông Feynman không đùa, ông nói chuyện nghiêm túc. Ông đặt vấn đề làm sao có thể chứa toàn bộ 24 quyển Bách khoa Từ điển Britannica với tổng cộng 25.000 trang giấy trên đầu cây kim có đường kính 1,5 mm. Theo Feynman, khả năng nầy hiện hữu. Thính giả ngơ ngác, vì ở năm 1959 dụng cụ điện tử tiên tiến nhất là cái tivi điều khiển bằng ống chân không mà mỗi lần bật lên phải đợi vài phút hình ảnh mới xuất hiện. Cũng ở thời điểm nầy, ông chủ hãng Sony (Nhật Bản), Morita Akio, vừa tung ra thị trường thế giới radio transistor bỏ túi dùng pin. Từ cái radio to đùng với ống chân không dùng điện nhà đến cái radio bỏ túi là một thành quả ngoạn mục của kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization) đương thời. 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 qui luật vật lý. Như vậy, Feynman đã thuyết phục thính giả của ông bằng cách nào?

Ông giải thích bằng con số rất đơn giản. Muốn đặt 25.000 trang giấy trên mặt của đầu kim ta chỉ cần thu nhỏ 25.000 ngàn lần toàn thể bộ bách khoa 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 ký hiệu nhỏ nhất. Sau khi thu nhỏ 25.000 lần, dấu chấm vẫn còn có một kích cỡ của tập hợp 1000 nguyên tử. Con số 1000 nguyên tử còn rất to và cho rất nhiều lựa chọn để con người thao tác (manipulate) bằng một phương pháp vật lý nào đó. Feynman tiếp tục luận điểm của mình. 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 thì 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 còn 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 công cụ lớn làm nên nhưng 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 ý mình.

Mục đích bài nói chuyện của Feynman không phải chỉ dừng ở kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization) mà còn phác họa khả năng thành hình 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 ngay từ cấu trúc phân tử của nó. Phương pháp đó ở thế kỷ 21 được người ta 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) đã là xương sống của việc xây dựng và phát triển công nghiệp điện tử từ hơn 50 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 vi tính phức tạp. Phương pháp "từ trên xuống" đã 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 thì đến bậc nanomét; vài triệu lần nhỏ hơn.

"Định luật" Moore

Liên quan đến kỹ thuật thu nhỏ, Gordon Moore, một trong những nhà sáng lập của công ty Intel (Mỹ), trong một bài viết của ông vào năm 1965 về sự thu nhỏ, đã tiên đoán bằng trực giác của một nhà khoa học là cứ mỗi hai năm mật độ của các transistor được nhồi nhét vào một chip cho máy vi tính sẽ tăng gấp đôi nhờ vào kỹ thuật chế biến thu nhỏ và đặc tính của nguyên tố silicon. Người ta đặt cái tên "Định luật" Moore (Moore's law) cho sự tiên liệu này, dù nó không phải là một định luật dựa theo lý thuyết trong ý nghĩa thông thường. Cũng vào thời điểm 1965, Intel chế tạo một cái chip có diện tích vài cm2 chứa 30 transistor. Chip này đủ "thông minh" làm công việc đơn giản cộng trừ nhân chia thay cho cái bàn toán Tàu. Đây là bước đầu thành công cho thấy sự tiến bộ của việc thu nhỏ từ cm đến mm. Chip của máy vi tính hiện tại cũng có một diện tích vài cm2 nhưng chứa vài chục triệu đến trăm triệu transistor. Càng nhiều transistor thì hiệu năng của máy vi tính càng nhanh, càng cao và càng ít hao năng lượng.

Định luật Moore đã đúng hơn 40 năm qua kể từ năm 1965 và sẽ tiếp tục đúng trong vòng 15 năm tới. Tuy nhiên, đặc tính thu nhỏ của silicon sẽ đến một mức giới hạn và dừng lại ở một kích thước nhất định nào đó. Để giải quyết khó khăn nầy, tháng 11 năm 2007 Intel tung ra thị trường thế giới một transistor mới với kích cỡ 45 nanomét dùng một nguyên tố gọi là hafnium để thay thế silicon. Transistor này nhỏ đến mức người ta có thể xếp 2000 transistor trong một khoảng không gian dày bằng sợi tóc. Hằng tỷ transistor được tập tích trong một chip vi tính cũng chỉ to vài cm2. Muốn nhìn các transistor này ta cần kính hiển vi điện tử với độ phóng đại vài trăm nghìn lần.

Với những thành quả ngoạn mục của phương pháp thu nhỏ "từ trên xuống" trong công nghiệp điện tử, người ta không khỏi thắc mắc tại sao lại phải cần đến công nghệ nano "từ dưới lên", vì dù sao các công cụ cũng đã đạt đến thứ nguyên nanomét? Vấn đề chính của các transistor thu nhỏ là sự phát nhiệt. Càng được thu nhỏ, transistor càng nóng. Sự phát nhiệt làm tổn hại và giảm công năng của các dụng cụ điện tử. Nếu tò mò một chút, ta thấy trong các máy vi tính lúc nào cũng có chiếc quạt gió để làm nguội chip. Nhu cầu thu nhỏ hơn nữa và tránh sự phát nhiệt cần phải nhờ đến giải pháp "từ dưới lên" của công nghệ nano và khái niệm "phân tử điện tử học" (molecular electronics) ra đời. Một thí dụ của phân tử điện tử học là transistor phân tử (molecular transistor). Trong những năm gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu dùng phân tử ống than nano làm vật liệu để chế tạo transistor phân tử có kích thước vài nanomét. Đây là một transistor đã đụng đến "tận đáy" của vật chất. Ngoài ra, ống than nano có đặc tính dẫn điện đạn đạo (ballistic conductivity) mà không gây sự phát nhiệt. Việc nghiên cứu transistor ống than nano đang tiến triển khả quan cho nhiều hứa hẹn. Người ta dự đoán nếu transistor ống than nano được dùng cho máy vi tính thì máy sẽ thu nhỏ bằng cục đường uống cà phê (2 x 2 x 2 cm)!

Công nghệ nano và sinh học

Những dự đoán thiên tài của giáo sư Feynman gần 50 năm trước không còn là một "khả năng" mà đã trở thành sự thật ở thế kỷ thứ 21. Thật ra, khoa học và công nghệ nano mở rộng một thế giới mới cho con người, nhưng chúng đã là một "ngành" rất xa xưa của thiên nhiên. Từ những tế bào mang sự sống đầu tiên thành hình trên quả đất hơn 3 tỷ năm trước cho đến sự xuất hiện của loài linh trưởng homo sapiens có ý thức và linh hồn, trải qua hằng trăm triệu năm tạo hóa đã dùng công nghệ nano thao tác các nguyên tử và phân tử vô tri gieo mầm cho sự sống, tạo ra muôn loài sinh linh biết thích ứng với môi trường sống xung quanh trong đó có con người - đỉnh cao của quá trình tiến hóa - với trí thông minh kỳ diệu. Đây là quá trình thiết kế "từ dưới lên" dùng những thành phần đơn giản nhất để cuối cùng hoàn thành một cấu trúc phức tạp nhất trong những điều kiện bình thường nhất (nhiệt độ 0 - 40 C, áp suất 1 atm của khí quyển).

Một thí dụ khác trong phạm vi nhỏ hơn có quá trình phát triển và tiến hóa ngắn hơn cũng theo phương pháp "từ dưới lên" là quá trình 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 hình là các loại protein với các chức năng khác nhau cần thiết cho một sinh vật có cảm giác và linh hồn. Quá trình tiến triển từ phôi đơn giản vô tri đến cấu tạo hài hòa của một con người có ý thức, cảm giác chỉ cần 40 tuần. Đây là một khả năng kỳ diệu của tạo hóa!

Các loại protein là những thí dụ cụ thể các loại động cơ, công cụ điện (electrical device) sinh học ở thứ nguyên nanomét. Hay nói một cách khác đây là những phân tử hay tập hợp phân tử biết chuyển hoán năng lượng thành cơ năng để đi, bò, nhún nhảy, quay tròn, truyền đạt tín hiệu điện, đã hiện hữu ngay trong các loài vi khuẩn hoang sơ có một cấu trúc sinh học đơn giản từ 3 tỷ năm trước. Con bào ngư cũng biết lợi dụng công nghệ nano làm vỏ để bao bọc thân thể. Giữa vỏ bào ngư và viên phấn viết bảng có sự giống nhau và khác nhau. Cả hai đều là calcium carbonate (CaCO3) nhưng vỏ bào ngư là một vật liệu rất cứng, chống nước mặc dù độ dày chỉ khoảng vài mm, trong khi viên phấn có thể bị bẻ gãy dễ dàng và tan rã trong nước. Vỏ có độ cứng 3.000 lần lớn hơn viên phấn. Nguyên nhân là sự khác biệt của cấu trúc vi mô. Con bào ngư như một kỹ sư xây dựng thiên tài tạo ra vỏ có cấu trúc nano bằng cách trải từng lớp calcium carbonate ở độ dày 500 - 800 nanomét (1/100 sợi tóc) (Hình 1) như anh thợ nề lót từng viên gạch tường, trong khi viên phấn chỉ là những hạt calcium carbonate được ép vào nhau vô thứ tự. Kinh nghiệm thường ngày cho thấy, khi dùng búa đập vào mảng bức tường theo chiều dọc rất khó làm tan nát các viên gạch. Tương tự, khi có một va đập vào vỏ bào ngư, vết nứt không xuyên thủng qua vỏ nhưng nó sẽ đi dọc theo đường biên giữa các mảng calcium carbonate, nhờ vậy vỏ được bảo toàn. Cấu trúc nầy được các nhà khoa học mô phỏng để làm áo giáp và mũ cối quân đội.

Hình 1: Vỏ bào ngư với những mảng CaCO3.
Độ dày mảng là 500 - 800 nm (1/100 sợi tóc). (Nguồn: www.treehugger.com)

Bài học vỏ bào ngư đã cho các nhà khoa học một nhận thức quan trọng là mặc dù cùng một nguyên tố cấu thành nhưng tùy phương cách thiết kế ở thang vi mô vật liệu sẽ có những đặc tính khác nhau. Sinh vật đã có một một lịch sử tiến hóa hằng trăm triệu năm, là một mô hình hoàn thiện nhất để con người bắt chước. Thật ra, mô phỏng từ Mẹ thiên nhiên không phải là điều xa lạ đối với con người. Loài người nhìn chim muông để tạo ra phi cơ bay trong bầu trời, phi thuyền bay vào vũ trụ; nhìn kình ngư để tạo ra tàu thủy lướt sóng, tàu ngầm vượt lòng đại dương. Nhưng ở thế kỷ 21, sự mô phỏng không còn giới hạn ở cái phiến diện bên ngoài mà đã đi vào "tận đáy" của các hệ thống sinh học. Thật vậy, sự vận hành của các động cơ và công cụ sinh học ở thang phân tử đã đặt một câu hỏi lớn cho các nhà khoa học là con người có thể nào tận dụng kỹ thuật nhân tạo để mô phỏng thiên nhiên tạo ra những động cơ và công cụ ở thứ nguyên nanomét. Những thách thức nầy đã thúc đẩy sự thành hình của nền khoa học và công nghệ nano.

Mặc dù vào thập niên 70 của thế kỷ trước đã lác đác xuất hiện vài quyển sách giáo khoa về sinh học vật lý viết bằng tiếng Anh và tiếng Nhật, nhưng mãi cho đến cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 các nhà vật lý mới chú ý đến các loại động cơ, dụng cụ, chất xúc tác sinh học siêu nhỏ ở mức vi mô. Theo thiển kiến của người viết, nguyên nhân chính là một bức tường vô hình chắn sự giao lưu của hai ngành sinh học và vật lý. Các nhà vật lý thường ít chuyên tâm đến các ngành khác. Nếu có thì cũng chỉ vươn đến ngành hóa trong đó bộ môn hóa lý (physical chemistry) và hóa học lượng tử (quantum chemistry) đã trở thành hai nhịp cầu nối liền vật lý và hóa học. Mặt khác, các nhà sinh học biết rất ít về những qui luật vật lý, có khuynh hướng tránh xa toán học, họ chỉ quan sát các hiện tượng mang nhiều tính định tính hơn là định lượng. Tuy nhiên, sự thành hình của nền công nghệ nano đã kéo hai ngành vật lý và sinh học xích lại gần nhau. Sự tương tác giữa vật lý, hóa học và sinh học là một nền tảng vững chắc và cần thiết cho khoa học và công nghệ nano.

"Trăm nghe, trăm thấy và một sờ"

Sau bài nói chuyện nổi tiếng mang đầy tính thuyết phục của Feynman, hằng ngàn khoa học gia trong 50 năm qua đã nghiên cứu, thu thập tri thức, sáng tạo ra nhiều phương pháp, mò 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 nhìn thấy, muốn nắm bắt, di chuyển chúng theo chủ ý của mình 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 đã xác nhận nguyên tử là một phần tử nhỏ nhất của vạn vật nhưng trên thực tế chưa ai nhìn thấy được 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 đã "nhìn" thấy nguyên tử bằng kính hiển vi quét đường hầm (scanning tunelling microscope, STM) do hai ông phát minh và đoạt giải Nobel cho thành quả này.

"Trăm nghe không bằng một thấy", nhưng con người vẫn chưa thỏa mãn. Sự tò mò của con người thôi thúc bắt đôi bàn tay phải táy máy hành động, vì "Trăm thấy không bằng một sờ"! Ngoài việc nhìn thấy nguyên tử, STM còn cho khả năng di chuyển nguyên tử. Năm 1990, D. Eigler và E. Schweizer cũng tại IBM lần đầu tiên dùng đầu dò (tip) của STM để di chuyển từng đơn vị nguyên tử theo ý của mình. Lời tiên đoán của Feynman năm 1959 nay đã thành hiện thực. Thí nghiệm của của Eigler và Schweizer đã được thực hiện trong chân không và nhiệt độ cực thấp (-270 C). Hai ông đã di chuyển 35 nguyên tử xenon để tạo ra 3 mẫu tự "IBM" (Hình 2). Chiều ngang của toàn thể 3 mẫu tự nầy chỉ có 3 nanomét. Đây là mẫu tự nhỏ nhất của thế giới loài người!

Hình 2: Mẫu tự nhỏ nhất của thế giới loài người. (Nguồn: Wikipedia)

Việc di chuyển nguyên tử là một việc đơn giản nhất, nhưng với kỹ thuật hiện tại vẫn còn rất khó khăn. Vì 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 đã làm là một điều khó khăn nếu không muốn nói là hoang tưởng ở thời điểm hiện tại.

Động cơ nano nhân tạo

Các nhà hóa học có một cách làm khác. Họ là những chuyên gia hiểu rất rõ về các liên kết hóa học (chemical bonding). Họ biết từng đặc tính của nguyên tử, từ đó tổng hợp (synthesize) bằng nhiều phương pháp cho ra các sản phẩm phân tử tạo ra các loại vật liệu hơn hai trăm năm nay. Họ không lôi kéo một cách "vật lý" các nguyên tử để tạo thành phân tử hay hợp chất, nhưng họ trộn dung dịch nầy với dung dịch kia, cho vào ống nghiệm lắc lắc xoay xoay. Với bàn tay "phù thủy", họ có thể cắt một nguyên tử nầy ra khỏi một phân tử mẹ hay gắn vào một nhóm nguyên tử khác, hoặc kết hợp các phân tử khác nhau trở thành một phân tử mới với một đặc tính định sẵn bằng những phản ứng hóa học rất hiệu quả. Ở một khía nào đó, họ đã 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 lý tưởng để chế tạo ra những động cơ hay công cụ phân tử nhân tạo.

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 kút kít thì tạo hóa đã hoàn bị một chiếc xe Mercedes hạng sang! Dù là một cỗ máy to đùng 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. Một động cơ phân tử sinh học biết xoay, biết đi, biết bò, biết ứng xử với môi trường xung quanh là một tập hợp phân tử cực kỳ phức tạp. Tinh trùng là một thí dụ. 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. Nhưng các nhà hóa học đã 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 các bộ phận cấu thành, sau đó "ráp" các bộ phận nano này thành động cơ. Trong mười năm qua, họ đã tổng hợp các bộ phận phân tử có tác dụng như một bật điện, khối quay (rotor), cánh quạt, trục, phanh, bánh răng, bánh cóc (rachet) v.v... [2]. Nhiên liệu cho các động cơ nổ là xăng, cho động cơ nano nhân tạo là ánh sáng mặt trời. Đương nhiên, đây là những động cơ rất đơn giản so với động cơ phân tử sinh học nhưng cũng đòi hỏi nhiều cố gắng và kiến thức trong hóa hữu cơ và quang hóa học (photochemistry).

Khi một vật thể vi mô có kích thước nanomét hay thậm chí micromét (độ dày sợi tóc là 0,1 mm = 100 micromét = 100.000 nm), những hiện tượng ta không thấy hoặc không quan trọng ở thế giới bình 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 vì 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 hình vi tính (computer model) người ta dự đoán rằng lực ma xát gần như zero trong cấu trúc nano. Điều nầy rất quan trọng cho sự bền bỉ, ít hao mòn vì không ma xát của các bộ phận di động, xoay, nhảy, bước của động cơ nano. Dù lực ma xát zero chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm, nhưng khi ta nhìn lại cơ thể con người và so với các loại cỗ máy nhân tạo, phải công nhận rằng "bộ máy" con người từ mực vi mô đến vĩ mô ít bị bào mòn và "xài" tốt, ít nhất cũng đến cái tuổi "thất thập 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 banh tennis khi va chạm vào một bức tường thì sẽ bật trở lại. Đây là một việc hiển nhiên thường ngày. Nhưng khi quả banh thu nhỏ đến kích thước nano thì quả banh có thể đi xuyên bức tường giống như một bóng ma của các loại phim kinh dị! Đây là một hiện tượng vật lý thật sự và được gọi là hiệu ứng đường hầm Esaki (Esaki's tunnelling effect) - một hiệu ứng cơ bản trong cơ học lượng tử. Hiệu ứng nầy cho điện tử nhiều ứng dụng đặc biệt nhờ khả năng đi xuyên qua lá chắn cách điện. Vì vậy, những linh kiện điện tử ở thang nano không những làm gia tăng mật độ tập tích mà còn tạo ra một môi trường cho điện tử di chuyển tự do, dẫn đến sự giảm nhiệt và gia tăng hiệu suất.

Trên mặt lý 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 (thermodynamics) là một bộ môn cổ điển của vật lý 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 đã đưa ra những định luật cực kỳ chính xác cho việc lý 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 rõ cơ chế hoạt động của động cơ phân tử, vì vậy chưa định lượng được hiệu suất chuyển hoán năng lượng của các loại động cơ tí hon này [3]. Muốn trả lời câu hỏi này ta phải cần đến nhiệt động học. Nhưng liệu các định luật khoa học áp dụng cho thế giới bình 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 vì hai lý 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 xy 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 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 "lý thuyết cho tất cả mọi vật" (theory of everything) từ cực lớn đến cực nhỏ, điều mà các nhà vật lý lý thuyết từng mơ ước hơn 100 năm nay.

Tiềm năng ứng dụng và nguy hiểm ẩn tàng

Công nghệ là một quá trình liên quan đến cách áp dụng kiến thức khoa học vào việc chế tạo các sản phẩm kinh tế tạo ra sự giàu có, các phương tiện để phục vụ con người hay bảo vệ sự sống còn của một đất nước. Cho đến thời điểm hiện tại động cơ và công cụ nano vẫn là một khái niệm trong phòng nghiên cứu, chưa là một thực thể trên thương trường. Tuy nhiên, về mặt vật liệu và cấu trúc nano đã có sự tiến triển rõ rệt vì nhu cầu đổi mới của các nền công nghệ hiện có. Ống than nano là một vật liệu nano được chú trọng nhiều nhất vì đây là vật liệu mới cho nhiều khả năng chế tạo các dụng cụ với điện tính và cơ tính siêu việt, có tiềm năng ứng dụng rộng lớn vào cuộc sống đời thường kể cả y học và quốc phòng. Nhu cầu này thúc đẩy sự phát triển vượt bực trong kỹ thuật sản xuất, làm giá của ống than nano giảm hơn 1.000 lần trong 10 năm qua, từ vài trăm đô la Mỹ xuống đến vài xu cho một gram.

Các cấu trúc nano của ống than nano được hình thành có hình dạng như một cánh rừng nhiệt đới trong đó các ống nano mọc thẳng như thân cây. Với hình dạng nầy, ống than nano có thể đạt đến diện tích bề mặt 1.000 m2 (bằng một miếng đất để xây nhà) cho một gram vật liệu, rất cần thiết khi dùng làm bộ cảm ứng (sensor). Thể xốp (porous) titanium dioxide (TiO2) với những lỗ nano có diện tích bề mặt 200 - 500 m2 (bằng một sân tennis) cho một gram TiO2. Tinh thể nano (hay là chấm lượng tử, quantum dot) silicon đã được chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm. Thể xốp nano titanium dioxide và chấm lượng tử silicon là những cấu trúc nano được thiết kế cho pin mặt trời tương lai.

Động cơ và các công cụ nano trong lĩnh vực phân tử điện tử học cho thấy nhiều tiềm năng ứng dụng nhưng hiện nay vẫn còn là những đề tài nghiên cứu cơ bản. Việc thương mãi hóa các sản phẩm nano có thể thực hiện trong vòng 10 đến 20 năm và thời gian này kéo dài hay rút ngắn tùy vào chính sách đầu tư vào nghiên cứu của chính phủ. Áp dụng vào y học là một điểm nổi bật trong các ứng dụng của sản phẩm nano. 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, động cơ nano có tiềm năng rất lớn. Động cơ cần được điều khiển đi theo hướng được chỉ định như tinh trùng biết tiến về noãn sào trong quá trình thụ tinh, 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 gãy 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 [4].

Các ứng dụng của công nghệ nano được đặc biệt lưu tâm trong lĩnh vực quốc phòng. Có lẽ cũng vì lý do nầy, ngân khoản dành cho nghiên cứu cơ bản hay ứng dụng trong công nghệ nano đạt đến hàng tỷ đô la hằng năm ở các nước tiên tiến. Các vật liệu mới được hình thành theo phương pháp "từ dưới lên" sẽ có ứng dụng rộng khắp trong công nghệ quốc phòng. Giống như tiến trình tạo vỏ bào ngư, các nhà khoa học nghiên cứu các loại vật liệu nano tạo ra kim loại, ceramic, polymer vừa mỏng, vừa nhẹ, vừa siêu cứng cho chiến hạm, xe tăng, máy bay và áo giáp cá nhân có khả năng chống bom đạn. Những loại vật liệu "tàng hình" thông minh biết hấp thụ hay phản hồi radar tùy lúc, hay biết đổi màu giống môi trường xung quanh đang được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả tàng hình và ngụy trang. Transistor phân tử và transistor sinh học (biotransistor) dùng DNA là những đề tài nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực truyền thông quốc phòng.

Vật liệu và sản phẩm nano là con dao hai lưỡi. Vì là những vật cực nhỏ, chúng có thể là phương tiện trị liệu nhưng cũng là mầm móng 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 rõ những tác hại nào có thể xảy ra khi hạt nano đi vào cơ thể mà không bao giờ bị phân hủy theo qua trình chuyển hóa tự nhiên (metabolism). Hiện nay vẫn chưa có một quy định chặt chẽ nào cho việc sử dụng và xử lý các sản phẩm vật liệu nano, điển hình là ống than nano và fullerene C60. 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.

***

Đã gần nửa thế kỷ từ ngày Feynman thốt ra những lời dự đoán thiên tài, nền công nghệ nano dần dần được thành hình và đang đưa loài người đến cuộc cách mạng kỹ nghệ lần thứ hai. Về mặt lý thuyết, cơ học lượng tử - bộ môn vật lý của thế giới vi mô - đã khẳng định vai trò độc tôn của mình 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 lý lý thuyết, không những để giải thích cơ chế và hiệu suất vận hành của các động cơ nano nhân tạo mà còn dẫn dắt chúng ta thoát khỏi vòng vô minh để lý giải nguồn cội xuất hiện của sự sống dựa vào các động cơ phân tử sinh học. Về mặt công nghệ, sự kết hợp của chính sách quản lý khoa học sáng suốt có tầm nhìn xa của chính phủ tại một số nước tiên tiến và số vốn đầu tư kếch sù của các doanh thương đã đẩy mạnh những tiến bộ khoa học và nhanh chóng thương mãi hóa nhưng thành quả nghiên cứu tạo ra sản phẩm. Nền công nghệ nano chắc chắn sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến xã hội và sinh hoạt của chúng ta trong vài thập niên tới.

TVT
19 December 2007

Tài liệu tham khảo:

(1) Richard Feynman, "There's plenty of room at the bottom" (Google search).
(2) A. Credi, "Artificial molecular motors powered by light", Aust. J. Chem. 59 (2006) 157.
(3) M. Haw, "The industry of life", Physics World, November 2007, 25.
(4) L. Lacerda, S. Raffa, M. Prato, A. Bianco and K. Kostarelos, "Cell-penetrating CNTs for delivery of therapeutics", Nano Today 2 (December 2007) 38.