CÔNG NGHỆ NANO

Thuật ngữ “công nghệ nano” (nanotechnology)  xuất hiện năm 1974 do nhà khoa học Nhật Norio Taniguchi đề xuất. “Nano” bắt nguồn từ tiếng Latinh “ nanus”, có nghĩa là “nhỏ”, là một đơn vị của hệ thống đo lường quốc tế SI. Nano có nghĩa là một phần tỉ, nanomet (nm) là một phần tỉ của mét (1 nm = 10^-9 m). Đối tượng chính của công nghệ nano là vật liệu nano, vì vậy công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống các vật liệu trên quy mô nanomét. Công nghệ nano đang phát triển nhanh chóng và có những ứng dụng cực kỳ to lớn trong nhiều lĩnh vực như chế tạo máy bay, thiết bị vũ trụ, chế tạo ôtô, y học, các ngành công nghệ thông tin, hoá học, sinh học.v.v…

1/. Cơ sở lý luận khoa học của công nghệ nano: Công nghệ nano được dựa trên 3 định luật cơ bản sau:

- Tính chất lượng tử:  Vật liệu vĩ mô chứa rất nhiều nguyên tử, 1 µm³ có khoảng 10¹² nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa các nguyên tử nầy và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng đối với cấu trúc nano thì có ít nguyên tử hơn và  các tính chất lượng tử được thể hiện rõ ràng hơn, ví dụ một chấm lượng tử (quantum dot) có thể được coi như một đại nguyên tử với các mức năng lượng giống như một nguyên tử.

- Hiệu ứng bề mặt: Vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử, vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt (hiệu ứng bề mặt) sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.

- Kích thước tới hạn: Các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước, nếu vật liệu mà nhỏ hơn giới hạn này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là “kích thước tới hạn”. Ví dụ, điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước bình thường mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của kim loại đó xuống nhỏ hơn “quãng đường tự do trung bình” của điện tử trong kim loại (thường từ vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm không còn đúng nữa, lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các “quy tắc lượng tử”.

Tóm lại, khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanomét, các điện tử không còn di chuyển trong chất dẫn điện như “một dòng sông”, mà biểu hiện ra ở dạng “sóng”. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng lượng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính mới. Ví dụ, chấm lượng tử là một hạt vật chất có kich thuớc nhỏ tới mức nếu bỏ thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó, do sự hạn chế về không gian của những điện tử và một lỗ trống trong vật chất được hình thành bởi sự thiếu vắng một địên tử, hiệu ứng lượng tử sẽ được phát sinh và làm cho tính chất của vật chất thay đổi theo và khi bị kích thích, chấm lượng tử sẽ phát sáng, kích thước càng nhỏ thì năng lượng và cường độ phát sáng của nó càng tăng.

2/. Chế tạo vật liệu nano: Trên cơ sở lý luận khoa học vừa nêu, vật liệu nano có thể được chế tạo bằng một trong 2 phương pháp sau:

- Phương pháp từ trên xuống (top-down method): dùng kỹ thuật “nghiền”  để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong cối của máy nghiền (có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (hạt nano). Trong quá trình nghiền, các kỹ thuật đặc biệt (nhất là nhiệt độ) được sử dụng nhằm tạo ra sự biến dạng lớn mà không làm phá huỷ vật liệu để cho ra các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp nano có chiều dày nm), hoặc dùng kỹ thuật quang khắc (photolithography) để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp hơn.

- Phương pháp từ dưới lên (bottom-up method): chế tạo vật liệu nano từ thành phần cơ bản là các nguyên tử, phân tử hoặc ion bằng phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai. Phương pháp vật lý dùng cách đốt, phóng điện hồ quang… hoặc phương pháp chuyển pha (vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng, RAM, ổ đĩa flash máy tính…. Phương pháp hóa học, với phương thức kết tủa, sol-gel hoặc nhiệt phân các ion để tạo ra vật liệu nano như hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,.v.v… Phương pháp kết hợp: là phương dựa trên các nguyên tắc lý- hóa học như: điện phân, ngưng tụ,... để tạo ra hạt nano từ tính và các sản phẩm nano tương tự.

Tóm lại, các phương pháp trên đã được ứng dụng để cho ra các sản phẩm vật liệu nano thường gặp là:

• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử): đám nano, hạt nano...
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều: dây nano, ống nano,...
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do: màng nano.
• Vật liệu nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Và MÀNG NANO là vật liệu được sử dụng phổ biến trong công nghệ tinh lọc nước uống.

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO VÀO CÔNG NGHỆ LỌC NƯỚC CÓ CHỨA ASEN (Thạch tín)

Những chất liệu lọc truyền thống như cát, sỏi, than củi hay cao cấp hơn như than hoạt tính, chất liệu nhựa polypropylene… chỉ khử bỏ những chất bẩn thô, những hạt huyền phù (suspended solids) và một phần nhỏ các hợp chất đã kết tủa như sắt, man-gan… Màng lọc nano còn đảm trách thêm vai trò như rào cản vật lý, ngăn chặn các hạt và vi sinh vật lớn hơn lỗ của màng lọc và loại bỏ có chọn lọc các chất ô nhiễm.

Màng lọc Nano có kích thước lỗ lọc từ 0.1 đến 0.001 micron (nhỏ hơn kích thước của các loại vi khuẩn, virus) nên màng có thể loại bỏ các tạp chất, hầu như chỉ cho nước đi qua, đảm bảo cho nước sau khi lọc sẽ tuyệt đối an toàn, có thể uống trực tiếp .

Vật liệu nano lọc được nước đòi hỏi 2 tính chất rất quan trọng: vật liệu phải sạch đồng thời không gây ra bất kỳ một phản ứng hóa học nào khi có nước chảy qua.

Trong trường hợp nguồn nước có chứa Asen với nồng độ trên mức cho phép (>5 ppm) thì ngoài phương thức thức sử dụng màng lọc nano kể trên còn kết hợp với những phương pháp lọc cổ điển khác như cho asen kết tụ với muối sắt hay oxyt silic hoặc dùng Al₂O₃ để hoạt hóa… Nhưng để đạt được kết quả tối ưu - giảm lượng asen xuống dưới mức cho phép - công nghệ nano là một giải pháp hoàn hảo.

Giải pháp kết hợp với màng lọc nano để lọc Asen phổ biến hiện nay là:

- Dùng vật liệu chuyên dùng để lọc asen là N-CAS (Nano Composite Arsenic Sorbent) nghĩa là nano composit hấp thụ Asen: N-CAS gồm những hạt hyđrô oxit sắt kích cỡ nanomét, từng hạt có lớp vỏ mỏng là polyme. Hyđrô oxit sắt có tính chất hấp thụ mạnh asen, và với kích cỡ nanomét của các hạt làm cho diện tích mặt ngoài cực lớn, tính ra một gam N-CAS có diện tích trên 300 mét vuông. Vừa hấp thụ mạnh vừa có diện tích lớn nên lọc asen bằng N-CAS rất có hiệu quả.

- Vật liệu chủ yếu là oxid sắt (Fe₃O₄), gọi nôm na là rỉ sắt, được chế tạo thành “bột từ nano Fe₃O₄” bằng phương thức nhiệt phân, hạt này có từ tính rất mạnh. Khi cho vào nước cần lọc Asen, hạt bột từ sẽ phân tán đều và hút dính các hạt Asen. Chỉ cần một từ trường nhỏ, kiểu như từ trường của nam chậm vĩnh cửu cầm tay là có thể làm cho các hạt từ co cụm lại và dễ dàng tách riêng ra, nghĩa là lọc được Asen ra khỏi nước.

Tóm lại công nghệ nano ra đời là một bước tiến dài trong lĩnh vực khoa học công nghệ, là một công nghệ được áp dụng vào rất nhiều ngành nghề, làm cho nhiều ngành có những bước đi đột phá, thí dụ, phát hiện và điều trị ung thư trong y khoa; hạt nano cảm biến sinh học giúp chẩn đoán trong công tác khám chữa bệnh…Và là công nghệ không thể thiếu trong lĩnh vực tinh lọc nước, một vấn đề nóng trong cuộc sống hiện tại.