Xu hướng công nghệ vật liệu tương lai: Vật liệu nano

0
228

Vật liệu nano thể hiện các đặc tính quang, điện và từ độc đáo, có thể khai thác trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ chăm sóc sức khoẻ đến công nghệ năng lượng. Tuy nhiên, các giới hạn kỹ thuật và sự không chắc chắn về độc tính của chúng đối với con người và môi trường vẫn tiếp tục là trở ngại cho việc áp dụng rộng rãi.

Sự phát triển sinh học tổng hợp đối mặt với nhiều trở ngại, trong đó có mối quan tâm đến nguy hiểm sinh học.

Sự phát triển công nghệ này đặt ra một số rủi ro đối với an toàn và an ninh sinh học. An toàn sinh học bao gồm một loạt các chính sách và thông lệ được thiết kế để bảo vệ người lao động và môi trường tránh các trường hợp áp dụng sai không chủ ý hoặc sự phóng thích các tác nhân hay vật liệu nguy hiểm trong phòng thí nghiệm. An ninh sinh học thường liên quan đến việc kiểm soát các vật liệu và thông tin sinh học quan trọng nhằm ngăn chặn việc sở hữu trái phép, lạm dụng hoặc cố tình phóng thích.

Vật liệu nano có đặc tính độc đáo

Vật liệu nano được định nghĩa là loại vật liệu có kích thước ngoài nằm trong thang độ nano (10-9 mét) hoặc có cấu trúc trong hay cấu trúc bề mặt thuộc kích cỡ nano, trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm. Vật liệu nano có thể được chế tạo, thiết kế theo cách tự nhiên, ngẫu nhiên hoặc nhân tạo. Vật liệu nano bao gồm các sản phẩm có chứa cacbon; các kim loại cấu trúc nano, hợp kim và chất bán dẫn; hạt nano gốm; polyme; nano composit; vật liệu nung kết và sinh học. Trong số các vật liệu cacbon, các công nghệ ống nano và graphene được chú ý đặc biệt phục vụ cho các mục đích nghiên cứu và công nghiệp. Ngoài ra còn có các loại vật liệu như nano dioxide titan, oxit nano kẽm, graphit, aerogel và nano bạc.

Vật liệu nano được dự báo sẽ có tác động đáng kể đến nghiên cứu và các ứng dụng thương mại trong nhiều ngành công nghiệp. Chúng đại diện cho một bước đột phá trong điều khiển vật chất ở phạm vi mà ở đó hình dạng và kích thước của các tập hợp nguyên tử đơn lẻ quyết định tính chất và chức năng của toàn bộ vật liệu và hệ thống, bao gồm cả các sinh vật sống. Ngoài ra, bằng cách khai thác các hiệu ứng lượng tử, các đặc tính quang học, từ tính, điện và các tính chất độc đáo khác xuất hiện ở quy mô này. Đó là do các vật liệu nano, ngược với vật liệu vĩ mô, cho thấy đạt tỷ lệ cao giữa các nguyên tử bề mặt so với các nguyên tử lõi. Hành vi của chúng chủ yếu là do hóa học bề mặt. Tỷ lệ bề mặt cao hơn làm tăng năng lượng bề mặt của các hạt, làm cho điểm nóng chảy hạ thấp hơn và khả năng phản ứng hóa học tăng.

Vật liệu nano có nhiều lĩnh vực ứng dụng

Giá trị hiện tại của thị trường vật liệu nano vào khoảng 20 tỷ Euro và phổ ứng dụng thương mại khả thi được dự báo sẽ tăng trong vài năm tới. Mặc dù số lượng bán trên thị trường vẫn còn nhỏ theo con số tuyệt đối, các ứng dụng hàng hóa như cacbon đen và silic vô định hình đã đạt đến mức độ trưởng thành và chiếm khối lượng lớn trên thị trường vật liệu nano. Các lĩnh vực đã ứng dụng bao gồm y học, tạo ảnh, năng lượng và lưu trữ hydro, xúc tác, xây dựng nhẹ và chống tia cực tím. Các lĩnh vực có khả năng ứng dụng cao nhất là những nơi vật liệu nano có thể thay thế cho một vật liệu có kích thước hạt lớn hơn hoặc khó điều chỉnh hơn. Ứng dụng trong những lĩnh vực này bị chi phối bởi những cải tiến về hiệu suất nhờ vào việc điều khiển vật liệu ở phạm vi nanomet, cũng như còn do hiệu quả sử dụng nguồn lực mà việc giảm kích thước hạt đưa đến. Quy mô ứng dụng được phản ánh qua sự gia tăng số bằng sáng chế về công nghệ nano trong mười lĩnh vực ứng dụng đại diện của công nghệ này.

Một trong những lĩnh vực có nhiều triển vọng ứng dụng vật liệu nano tiên tiến nhất (ví dụ: vật liệu nano có thành phần và hình dạng phức tạp, được thiết kế để có những đặc tính riêng) đó là trong y học, hiện chiếm tỷ trọng ứng dụng cao nhất các sản phẩm nano tiên tiến. Vật liệu nano được hy vọng sẽ làm tăng khả năng chẩn đoán theo nhiều cách: ví dụ như tăng độ nhạy của các chip chẩn đoán (lab-on-a-chip) sẽ cho phép chẩn đoán sớm bệnh ung thư; Các chất đánh dấu huỳnh quang mạnh sử dụng vật liệu nano có thể làm tăng độ tin cậy của chẩn đoán trong ống nghiệm (in-vitro); Và các hạt nano vàng đánh dấu sẽ thúc đẩy sự phát triển tạo ảnh phân tử và còn có thể sử dụng để sàng lọc nhanh các loại thuốc ung thư, đòi hỏi thiết bị ít chuyên dụng hơn so với phương pháp truyền thống. Vật liệu nano cũng được mong đợi sẽ tăng cường điều trị y tế, ví dụ: Xenluloza nano tương thích sinh học có thể được áp dụng trong điều trị bỏng.

Ngoài lĩnh vực y tế, vật liệu nano ngày càng được sử dụng trong các vật dụng hàng ngày. Ví dụ, sợi nano tạo khả năng phát triển các loại vải dệt có khả năng chống thấm nước, chống nhăn và vết bẩn, thậm chí còn có khả năng thẩm thấu chọn lọc. Kết hợp với dệt điện tử (e-textiles), chúng có thể đóng góp cho việc phát triển các loại vải thông minh, vải chức năng, cũng có thể sử dụng trong các ứng dụng quân sự và ứng phó khẩn cấp tăng cường an toàn cho con người. Các vật liệu nano cũng có thể tạo điều kiện cho sự phát triển vật liệu xây dựng chức năng như bê tông tự làm sạch. Trong lĩnh vực năng lượng và môi trường, vật liệu nano polyme thông minh dự báo được sử dụng trong bao bì và hydrogel có khả năng phân huỷ sinh học, trong khi tinh thể nano silic được sử dụng trong các tế bào quang điện. Vật liệu nano còn tạo khả năng cho nhiều đổi mới quy trình. Ví dụ, việc có sẵn các loại mực chức năng đã làm thay đổi nhiều quy trình in, từ việc tạo ra các thiết bị in điện tử trong các quy trình in phun chính xác cao, quy trình in đắp lớp vật liệu lớp khổ rộng cho đến sản xuất lưu lượng cao các tế bào năng lượng mặt trời thế hệ thứ ba trong quy trình in lô. Ngành công nghiệp bao bì thực phẩm đã sử dụng vật liệu nano hấp thụ ánh sáng hồng ngoại trong các chai PET để giảm lượng điện năng sản xuất cần thiết và rút ngắn thời gian lưu hóa trong quá trình sản xuất.

Những mối quan ngại còn tồn tại về kỹ thuật và môi trường gây hạn chế áp dụng vật liệu nano 

Nghiên cứu và phát triển vật liệu nano cũng như việc thương mại hóa đã phát triển chậm hơn nhiều so với dự đoán ban đầu vào những năm 1980, khi công nghệ nano được ca tụng như “cuộc cách mạng công nghiệp kế tiếp”. Nguyên nhân của sự tiến bộ chậm đó là: thứ nhất, chi phí của các thiết bị NC&PT cần thiết phục vụ cho nghiên cứu vật liệu nano tiên tiến gây ảnh hưởng đến nghiên cứu ở nhiều phòng thí nghiệm và cản trở đổi mới trong các công ty nhỏ. Thứ hai, sản xuất quy mô thương mại các vật liệu nano tiên tiến thường bị trì hoãn, do sự hiểu biết không đầy đủ về các quy trình lý hóa ở thang độ nanomet và do thiếu khả năng điều khiển các thông số sản xuất lưu lượng cao ở quy mô này. Những hạn chế kỹ thuật này tiếp tục cản trở việc phát triển các ứng dụng thương mại quy mô lớn và chi phí hiệu quả của vật liệu nano.

Ngoài ra còn có những câu hỏi xoay quanh về các mối nguy hại (tác dụng độc) không mong muốn đối với con người và môi trường. Mặc dù chỉ riêng kích cỡ hạt không đủ để tính độ độc, việc sử dụng vật liệu nano trong một số môi trường cụ thể có thể cần được quy định. Ví dụ, do có kích thước nhỏ, hạt nano có thể xâm nhập qua màng tế bào trong cơ thể (hấp thụ qua da, nuốt hoặc hít vào) và di chuyển đến những nơi mà các hạt lớn hơn không thể tiếp cận được. Cũng nên cân nhắc cùng một nguy cơ như vậy khi sử dụng các hạt nano trong nông nghiệp. Việc đánh giá rủi ro vẫn phải đối mặt với việc thiếu dữ liệu về vật liệu nano tiếp xúc với môi trường, đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn. Sự không chắc chắn liên tục trong các yêu cầu kiểm soát gây ảnh hưởng tiêu cực đến NC&PT và thương mại hóa nhiều ứng dụng vật liệu nano tiềm năng trong tương lai.

NASATI (Theo OECD Science, Technology and Innovation Outlook)