Tiềm năng ứng dụng của
công nghệ nano đang đi về đâu?

Trương Văn Tân

Việc khám phá quả bóng đá fullerene C₆₀ vào năm 1985 của Harold Kroto, Robert Curl và Richard Smalley và việc tái phát hiện ống than nano của Sumio Iijima vào năm 1991 là hai sự kiện tình cờ trong khoa học nhưng đã mở màn một kỷ nguyên mới của nghiên cứu khoa học và công nghệ. Hai loại vật liệu nano hữu cơ này như một chi lưu quan trọng hòa nhập vào dòng thác "công nghệ nano" manh nha vào thập niên 80 của thế kỷ trước. Cùng với sự phát triển fullerene và ống than nano, các nhà vật liệu học và hóa học đã tổng hợp và tinh chế các loại hạt nano kim loại, hạt nano bán dẫn hay hữu cơ với một kích thước đồng nhất từ 1 đến 100 nanomét. Tổng hợp hạt nano với một kích thước đồng nhất theo ý muốn phải nói là một thành tựu nổi bật trong ngành hóa tổng hợp [1]. Ngoài ra, bề mặt của fullerene, ống than nano và các loại hạt nano được "trang bị" với các nhóm chức, polymer có khả năng cảm quang, cảm nhiệt để chế tạo bộ cảm ứng hóa học, sinh học, sóng điện từ, dụng cụ điện tử, quang điện tử; hay với phân tử dược cho việc trị liệu ung thư.

Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì (graphite). Từ lâu, người ta đã biết rõ cấu trúc lớp (layered structure) của than chì, vì giá rẻ nên không biết làm gì hơn là dùng làm lõi bút chì. Geim và Novoselov dùng một thao tác nano đơn giản bằng cách áp băng keo lên than chì để tách ra một mảng graphene. Từ đó than chì từ một "phó thường dân" được thăng hoa trở thành hoàng tử. Việc tách rời từng lớp graphene từ than chì lần đầu tiên đã cho ngành vật liệu học một vật liệu nano thuần carbon hai thứ nguyên với độ dày của một nguyên tử. Tầm quan trọng trong ứng dụng của graphene và việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lý lý thuyết có lẽ là hai nguyên nhân chính trong việc trao giải Nobel cho Geim và Novoselov, dù rằng hai ông chỉ mới chế tạo graphene vào năm 2004.

Như vậy, trong một phần tư thế kỷ qua carbon trở nên một vật liệu quan trọng với giải Nobel Hóa học (1996) cho fullerene, giải Nobel Vật lý (2010) cho graphene, và các loại vật liệu nano kim loại hay bán dẫn được thiết kế và chế tạo ở mức độ phức tạp đa năng chưa từng thấy trong lịch sử khoa học. Hệ quả là đã có hàng ngàn báo cáo khoa học được phát biểu trên các tạp chí chuyên ngành, hàng ngàn đăng ký phát minh đã xuất hiện và vẫn tiếp tục gia tăng theo con số lũy thừa. Việc khám phá graphene với những tính chất đặc thù của vật liệu nano hai thứ nguyên càng gia tăng sự hào hứng trong các nỗ lực nghiên cứu cơ bản lẫn ứng dụng. Trong cái nhìn của các nhà vật lý, chúng ta đã có đủ toàn bộ vật liệu nano từ hạt nano (chấm lượng tử) với zero thứ nguyên, ống than nano một thứ nguyên và graphene hai thứ nguyên để thực chứng những hiện tượng đã được tiên đoán từ các lý thuyết vật lý trong nhiều năm qua.

Nhưng các ứng dụng thực tiễn và sản phẩm nano thì ra sao? Sau 25 năm nghiên cứu với tổng kinh phí nghiên cứu đầu tư trên toàn thế giới vào công nghệ nano có thể đã vượt qua mốc trăm tỷ đô la, chưa kể chi phí xây dựng hạ tầng cơ sở cho các viện nghiên cứu, cộng với một tài sản trí tuệ của hàng ngàn nhà nghiên cứu từ những khoa học gia tầm cỡ của hành tinh đến các nghiên cứu sinh bình thường, đã đến lúc người ta đặt câu hỏi bao giờ thì kho tàng trí tuệ này mới được đem ra ứng dụng biến chế ra thương phẩm phục vụ con người và làm giàu cho nền kinh tế quốc gia. Liệu nền công nghệ nano có phải là con gà đẻ trứng vàng tạo ra những đợt sóng thần cách mạng công nghệ như các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp đã kỳ vọng? Nếu ta có một cái nhìn khe khắt hơn thì một phần tư thế kỷ có lẽ đã đủ dài để biến một phát minh khoa học trong phòng thí nghiệm thành những sản phẩm trên thương trường. 

Lịch sử khoa học cho thấy việc áp dụng chất bán dẫn vào transistor chế tạo các dụng cụ điện tử kể cả máy tính tạo ra cuộc cách mạng tin học, hay việc phát minh ra sợi nylon tạo ra các loại vải vóc nhân tạo thay thế tơ tằm, len dạ thiên nhiên làm thay đổi khái niệm "mặc" của con người, cũng như việc sử dụng các loại sợi gia cường như sợi carbon (carbon fibres), sợi Kevlar để chế tạo composite công nghệ vừa nhẹ vừa bền thay thế kim loại; tất cả những sự kiện khoa học công nghệ này từ phòng thí nghiệm cho đến thương trường không quá 30 năm. Tuy nhiên, trong cùng một thời gian ta phải khách quan nhìn nhận rằng dù vật liệu nano càng ngày càng đa dạng và tinh vi nhưng cho đến nay chúng vẫn chưa mang tới cho nhân loại một sản phẩm đổi đời như transistor, vải vóc nhân tạo hay composite gia cường đã làm trong quá khứ.

Tại các hội nghị khoa học hay trong các bài báo cáo, các nhà khoa học có thói quen dự phóng, thậm chí cường điệu những tiềm năng ứng dụng của một phát hiện có lẽ để kích thích sự lắng nghe của các cơ quan tài trợ với niềm hy vọng tìm được kinh phí cho tài khóa tới, sẽ mua thêm được nhiều thiết bị và ban phát nhiều học bổng cho các nghiên cứu sinh xuất sắc. Cuối cùng, họ sẽ xuất bản những bài báo trên những tạp chí có chỉ số ảnh hưởng cao (high impact factor) và giáo sư chỉ đạo sẽ có nhiều cơ hội tìm thêm kinh phí mới. Trước những khám phá khoa học, doanh nhân có một cái nhìn khác, sâu sắc và lạnh lùng hơn vì mục đích cuối cùng của doanh nghiệp là lợi nhuận. Một doanh nhân đã từng tuyên bố: "Một phát minh cần phải 10 lần tốt hơn và 10 lần rẻ hơn sản phẩm hiện có thì mới có cơ hội xuất hiện trên thương trường". Sự sống còn của một doanh nghiệp tùy vào sự thỏa mãn của khách hàng và lòng hoan hỉ của các chủ cổ đông. Từ phòng thí nghiệm đến sàn chứng khoán là con đường dài cho một phát minh và cũng lắm khi nó buộc phải bị chôn sống giữa đường. Công nghệ nano cũng không nằm ngoài các quy luật thương mãi. Thêm vào đó ta có thể tìm thấy sự trì trệ trong việc thương phẩm hóa của vật liệu nano gây ra từ các nguyên nhân sau: (1) sự đa dạng của vật liệu nano, (2) sự đa dạng của các ứng dụng, (3) sự cạnh tranh về giá cả, hiệu năng và phương pháp sản xuất của vật liệu "cổ điển" hiện có trên thương trường và (4) vấn đề an toàn sức khoẻ và độc tính của vật liệu nano. Ta có thể hình dung nền công nghệ nano như một người đang đi vào cái tuổi trung niên có cái đầu bách khoa rất to nhưng tứ chi chậm phát triển, có mầm bệnh lại thêm cái tính gàn dở muốn làm nhiều việc cùng một lúc! Nói như thế xem chừng quá ngôn nhưng sự đa dạng của vật liệu nano với nhiều ứng dụng đa ngành từ vật lý đến sinh y học, từ điện tử học đến hóa học đã làm chậm tiến trình thương phẩm hóa. Nền công nghệ nano trở thành người tù trong sự thông thái của mình.

Ta hãy xem vài tiềm năng ứng dụng của ống than nano. Ống than nano có cơ tính tuyệt vời, cứng hơn thép 5 lần, bền hơn thép 160 lần nhưng lại nhẹ hơn thép gần 6 lần. Có thể nói ống than nano có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay. Cần phải nhấn mạnh rằng đây là cơ tính của một ống than riêng lẻ. Gia cường các loại polymer/epoxy là một đề tài nghiên cứu quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp từ nhiều thập niên. Việc triển khai composite giữa polymer/epoxy và ống than nano là một hướng đi tất nhiên trong lĩnh vực gia cường. Trải nghiệm hằng ngày cho ta biết những đồ gia dụng polymer (plastic) rất tiện lợi vì giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ nhưng giòn, dễ gãy nứt. Poly (methylmethacrylate), một loại plastic gia dụng trong suốt như kính, chỉ cần 1 % ống than nano cũng đủ làm tăng cơ tính của polymer nhiều hơn 5 lần. Người ta có thể chế tạo áo giáp với composite ống than nano với cường độ bảo vệ lớn hơn nhiều lần so với áo giáp Kevlar hiện có. Trên thực tế, ống than nano không hiện hữu từng ống riêng lẻ mà nhiều ống dính vào nhau thành cụm hay bó (Hình 1). Trong quá trình sản xuất, sự kết tập của ống thành cụm hay bó xảy ra một cách tự nhiên vì ống có diện tích bề mặt rất lớn nên lực van der Waals tạo ra sức hút rất hữu hiệu giữa các ống. Tiếc rằng, độ cứng (mô-đun Young) của những cụm này chỉ bằng 1/10 và độ bền lắm lúc chỉ còn 1/100 trị số của các ống nano tạo thành. 

Hình 1: Sự kết tập của ống than nano do lực van der Waals (ảnh của tác giả).

Việc gia cường với ống than nano cần phải có những ống riêng lẻ. Vì vậy, sự thành bại của composite giữa polymer và ống than nano tùy thuộc vào cách tinh chế, gỡ rối cụm và bó ống nano và phân tán hiệu quả từng ống nano trong chất nền. Cho đến ngày hôm nay (2010), chưa có một phương pháp hữu hiệu nào để tách các ống than nano hoàn toàn thành những ống riêng lẻ. Cơ tính tuyệt vời của ống vẫn chưa được tận dụng và composite được gia cường bằng ống than nano chưa là sản phẩm trên thương trường.

Một ứng dụng lớn khác của ống than nano là công nghiệp điện tử. Những công ty tầm cỡ như IBM (Mỹ), Samsung (Hàn Quốc), NEC (Nhật Bản) đã đầu tư vào việc nghiên cứu sử dụng ống than vào các dụng cụ điện tử. Ống than mang đặc tính dẫn điện đạn đạo (electrical ballistic conduction), nghĩa là nhờ vào hình dạng ống electron có thể di chuyển tự do mà không bị va chạm vào thành ống, nhờ vậy việc phát nhiệt được giảm thiểu tối đa. Độ dẫn điện của ống có thể điều chỉnh từ mức bán dẫn đến kim loại. IBM đã tận dụng những đặc tính này để chế tạo transistor ống nano [2]. Vật liệu chính của transistor hiện tại là chất bán dẫn silicon. Cột sống của các dụng cụ điện tử, máy tính và công nghệ tin học là transistor silicon. Trong vòng 40 năm cho đến ngày nay, transistor silicon đã được thu nhỏ vài chục triệu lần và giá cả chế tạo một transistor giảm đi một triệu lần. Nếu giá chiếc xe hơi có độ giảm giá giống như transistor thì ngày hôm nay ta có thể mua một chiếc xe hơi với giá vài xu! Hiện nay, transistor "Penryn" do hãng Intel chế tạo từ nguyên tố silicon và hafnium có kích thước 45 nanomét là transistor nhỏ nhất trên thương trường. Transistor này nhỏ đến mức người ta có thể xếp 2000 transistor trong một khoảng không gian dày bằng đường kính sợi tóc. Kỹ thuật sản xuất chip vi tính hiện nay đã phát triển đến mức 1 tỷ transistor trong một chip chỉ to vài cm². Theo luồng chế biến này, người ta dự đoán rằng transistor silicon với kích cỡ 16 nanomét sẽ được tung trên thương trường vào năm 2018.

Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor làm dụng cụ càng linh hoạt, chức năng càng cao, ứng đáp càng nhanh chóng, kích thước càng mỏng, nhỏ và gọn gàng. Từ những ưu điểm này, sự đòi hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mãnh liệt. Tuy nhiên, sự thu nhỏ của transistor silicon không thể vượt mức nhỏ hơn 10 nanomét. Nhưng các công trình nghiên cứu của IBM và các nhóm nghiên cứu khác trong 15 năm qua cho thấy transitor ống than nano có thể vượt qua mốc 10 nanomét. Gần đây, graphene nhập cuộc. Năm 2008, nhóm Manchester của Geim và Novoselov đã chế tạo transistor graphene ở kích cỡ 1 nanomét. Có thể đây là kích cỡ nhỏ tận cùng của một transistor. Rõ ràng là một đột phá nhưng chỉ mang tính hàn lâm. Sẽ còn rất lâu transistor ống nano hay graphene mới có thể thay thế transistor silicon vì vấn đề kỹ thuật và giá cả. Chướng ngại kỹ thuật thứ nhất là sự đồng nhất tuyệt đối của vật liệu sử dụng. Ống than nano dùng cho transistor cần phải có kích thước đồng nhất ở cấp nanomét và độ dẫn điện giống nhau. Yêu cầu này đã thúc đẩy việc sản xuất ống than nano chất lượng cao (Bảng 1) nhưng vẫn chưa đạt được yêu cầu của transistor [3]. Chướng ngại thứ hai là các nhà khoa học chưa triển khai được quá trình chế tạo siêu vi mạch tạo ra chip chứa hàng trăm triệu transistor ống nano hay graphene như chip transistor silicon hiện tại.

Ứng dụng trong gia cường và transistor của ống than nano là hai ứng dụng có tiềm năng tạo nên một cuộc cách mạng công nghệ trong thế kỷ 21. Tuy nhiên, viễn ảnh thành công vẫn còn mờ mịt. Bảng 1 cho thấy hiện trạng ứng dụng và hướng phát triển của của ống than nano phần lớn vẫn còn trong thời kỳ nghiên cứu hay triển khai sản phẩm.

Bảng 1: Nghiên cứu và triển khai của các sản phẩm ống than nano [4]

Mặt khác, ứng dụng sinh y học của hạt nano tạo ra những dược liệu trị liệu và chẩn đoán ung thư [5]. Nhân loại đang chờ đợi một cuộc cách mạng hóa trị và xạ trị ung thư. Đã có nhiều báo cáo về việc tổng hợp các loại hạt nano "thông minh" có thể cảm nhận được tế bào ung thư, có khả năng tải thuốc và nhả thuốc tấn công vào các tế bào này. Hạt nano tải thuốc phải tương thích với cơ thể con người và tự phân hủy khi hoàn thành nhiệm vụ mà không sinh ra độc tố. Đây là hai yếu tố tiên quyết cho việc chấp nhận là dược phẩm trị liệu. Bảng 2 cho thấy "Cục quản lý thực phẩm và dược liệu" (Food and Drug Administration, FDA) của chính phủ Mỹ cho đến nay chỉ chấp nhận cho phổ biến hạt nano liposome và albumin, vốn là phân tử sinh học tương thích với cơ thể và có thể tự đào thải ra ngoài.

Bảng 2: Các dược liệu nano trị ung thư [6]

Vấn đề an toàn sức khỏe và độc tính của vật liệu nano đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của chính phủ và các doanh nghiệp đang đầu tư vào công nghệ nano. Nó như một luồng nước ngầm nguy hiểm đang cuồn cuộn chảy dưới một dòng sông êm đềm lấp lánh ánh hào quang. Khả năng gây ung thư của ống than nano và sự kiện về hạt nano titanum dioxide trong kem chống nắng có thể phá hỏng não bộ của chuột đã phần nào làm lu mờ ánh hào quang và gây sự quan ngại trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Đây là một vấn đề rất lớn liên quan đến an toàn sức khỏe của công nhân hằng ngày tiếp xúc với vật liệu nano và người tiêu dùng sử dụng thành phẩm nano [7]. Các chính phủ tại Bắc Mỹ, châu Âu, Úc và Nhật Bản đã ban hành những quy định liên quan đến sự an toàn, cách xử lý và chế ngự trong các quy trình sản xuất và sử dụng vật liệu nano [8-10]. Những công trình nghiên cứu về tác động và cơ cấu xâm nhập vào tế bào sinh vật của vật liệu nano càng lúc càng gia tăng [11-14]. Vật liệu nano lành hay dữ? Hiện tại chúng ta chưa có câu trả lời dứt khoát.

Hiện trạng nghiên cứu của công nghệ nano là hai mặt mâu thuẫn. Một mặt là nghiên cứu cơ bản mang tính hàn lâm, các phát hiện mới về đặc tính điện tử, quang điện tử và lượng tử của vật liệu nano vẫn không suy giảm dù thời gian đã kéo dài 25 năm. Graphene lại bùng ra một cao trào mới. Sau khi được giải Nobel, Novoselov cao hứng tuyên bố: "Graphene là một mỏ vàng nghiên cứu. Nó sẽ kéo dài mãi như bất tận". Mặt kia là các vướng mắc kỹ thuật như đã đề cập ở trên, làm trì hoãn các dự án sản xuất đại trà sản phẩm nano khiến cho nền công nghệ nano hiện tại nhấp nhô như những gợn sóng lăn tăn trên mặt hồ thu hơn là những ngọn sóng thần đại dương làm khuynh đảo thế giới.

Trong một nước đang phát triển như Việt Nam và trước sự đa dạng và phức tạp của công nghệ nano, trên bình diện đối nội, chính phủ cần có một nhận thức khách quan về tiềm năng và rủi ro của nền công nghệ này để định hướng và xác lập các lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên nhằm đưa ra chính sách cung cấp kinh phí cho việc tuyển chọn các đề án nghiên cứu thực tế phù hợp với sinh hoạt người dân và làm giàu cho nền kinh tế quốc gia. Đồng thời tạo ra nội lực trong các lĩnh vực nghiên cứu ưu tiên. Như trình bày ở trên, chúng ta đang có một kho tàng tri thức nano công khai gần như miễn phí được tích tụ trong một phần tư thế kỷ lại được hỗ trợ bằng những lý thuyết vật lý tuyệt vời đang chờ đợi những cái đầu kinh thương khoa học biến thành sản phẩm. Việt Nam có nhiều lý thuyết gia lỗi lạc nhưng hầu như thiếu vắng những nhà nghiên cứu tinh thông trong chế tác (manufacturing). Nền công nghệ nano đang cần những đầu óc và bàn tay chế tạo các sản phẩm nano. Trên bình diện đối ngoại, để bắt kịp thế giới việc hợp tác và gởi nghiên cứu sinh làm việc tại các viện công nghệ nano quốc tế, đặc biệt cơ quan nghiên cứu R&D của các công ty danh tiếng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Có lẽ chính phủ ta cũng nên đầu tư tạo mối liên hệ với các giáo sư tầm cỡ hay giám đốc công ty R&D đã nghĩ hưu qua các hoạt động tư vấn. Ngoài kiến thức chuyên môn, sau lưng các vị này là một mạng lưới dày đặc những quan hệ mà ta cần để khắc phục khó khăn trong việc phát triển khoa học và công nghệ.

Trương Văn Tân

Melbourne, tháng Giêng 2011.

Tài Liệu Tham Khảo

1. J. Kim, J. E. Lee, J. Lee, Y. Jang, S.-W. Kim, K. An, J. H. Yu and T. Hyeon, Agnew. Chem., 118 (2006), 4907. Agnew. Chem. Int. Ed., 45 (2006) 4789.

2. P. Avouris, Z. Chen and V. Perebeinos, Nature Nanotechnology, 2 (2007) 605.

3. J. Appenzeller, Proceedings of the IEEE, 96 (2008) 201.

4. G. Gunner, Scientific American, May 2007, 76.

5. "Nanofunctional Materials in Cancer Research", MRS Bulletin, 34 (June 2009).

6. J. R. Heath, M. E. Davis and L. Hood, Scientific American, February 2009, 44.

7. P. Gould, Nano Today, 1 (May 2006), 34.

8. "Engineered Nanomaterials: A Review of the Toxicology and Health Hazards", Safe Work Australia, November 2009.

9. "Engineered Nanomaterials: Evidence on the Effectiveness of Workplace Controls to Prevent Exposure", Safe Work Australia, November 2009.

10. "Approach to Safe Nanotechnology", NIOSH, March 2009.

11. A. D. Maynard, Nano Today, 1 (May 2006) 22.

12. N. Lewinski, V. Colvin and R. Drezek, Small, 4 (2008) 26.

13. S. M. Hussain et al, Adv. Mater. 21 (2009), 1549.

14. Y. Lee and K. E. Geckeler, Adv. Mater. 22 (2010), 4076.