Trong vòng 10-15 năm qua, công nghệ nano đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của con người. Các hạt nano được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, y học và thẩm mỹ, đồng thời là một phần của các sản phẩm bổ sung chế độ ăn uống, vệ sinh và đóng gói được sử dụng rộng rãi.

Công nghệ nano, với khả năng ở quy mô nguyên tử điều khiển phần lớn động lực học của thế giới tự nhiên và vật chất, có khả năng tạo ra những tiến bộ chưa từng có trong lịch sử loài người. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận về các ứng dụng của công nghệ nano trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta và tầm quan trọng của công nghệ nano.

Giới thiệu

Công nghệ nano, xuất hiện vào 1/4 cuối thế kỷ 20, đang phát triển nhanh chóng. Hầu như mỗi tháng đều có tin tức về các dự án mới mà cách đây một hoặc hai năm dường như là một điều hoàn toàn viển vông. Công nghệ nano là một công nghệ sản xuất dự kiến ​​tập trung vào việc sản xuất các thiết bị và chất giá rẻ với cấu trúc nguyên tử được xác định trước. Điều này có nghĩa là nó hoạt động trên các nguyên tử riêng lẻ để thu được các cấu trúc với độ chính xác nguyên tử. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa công nghệ nano và các công nghệ khối “thể tích” hiện đại thao tác với các vật thể vĩ mô.

Hãy để chúng tôi nhắc người đọc rằng nano là tiền tố biểu thị 10-9. Tám nguyên tử oxy có thể được định vị trên chiều dài một nanomet.

Các vật thể nano (ví dụ: các hạt nano kim loại), theo quy luật, có các đặc tính vật lý và hóa học khác với tính chất của các vật thể lớn hơn từ cùng một vật liệu và tính chất của từng nguyên tử. Giả sử nhiệt độ nóng chảy của hạt vàng 5-10 nm thấp hơn hàng trăm độ so với nhiệt độ nóng chảy của miếng vàng 1 cm3.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi kích thước nano nằm ở giao điểm của các ngành khoa học, thường nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu ảnh hưởng đến các lĩnh vực công nghệ sinh học, vật lý chất rắn và điện tử.

Nhà khoa học y học nano hàng đầu thế giới Robert Freitas cho biết: “Các cỗ máy nano trong tương lai phải được tạo thành từ hàng tỷ nguyên tử, vì vậy việc thiết kế và chế tạo chúng sẽ cần một nhóm chuyên gia. Mỗi thiết kế rô-bốt nano sẽ cần nỗ lực kết hợp của nhiều nhóm nghiên cứu. Chiếc Boeing 777 là được thiết kế và chế tạo bởi nhiều nhóm trên khắp thế giới. Robot y tế nano của tương lai, bao gồm một triệu (hoặc thậm chí nhiều hơn) bộ phận hoạt động, sẽ phức tạp như một chiếc máy bay.”

Tại sao các hạt nano lại đặc biệt và khác biệt như vậy?

Trong các hạt nano, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất cao, trong khi ở các vật thể vĩ mô thì tỷ lệ này thấp hơn nhiều. Tính năng này dẫn đến sự xuất hiện của các tính chất độc đáo mới của hạt nano – trước hết là khả năng xuyên thấu cao của chúng. Các hạt nano có thể xâm nhập vào tế bào thông qua các lỗ của màng tế bào, lớn hơn nhiều so với chúng. Một cách khác là các cơ chế khác nhau của endocytosis. Thứ nhất, đây là quá trình thực bào, tức là dinh dưỡng tế bào, và thứ hai là quá trình pinocytosis, tức là tế bào thu giữ chất lỏng. Thụ thể của màng tế bào cũng có thể liên kết với chất phối tử, sau đó xảy ra quá trình chuyển đổi cấu trúc của phân tử theo kiểu “khóa phím”. Cuối cùng, chất kết thúc trong không gian nội bào. Một cơ chế như vậy được hình thành trong quá trình tiến hóa để cung cấp cho các tế bào của cơ thể các chất cần thiết cho sự phát triển của chúng. Do đó, hạt nano có thể xâm nhập vào tế bào theo một cách cụ thể. Nó di chuyển từ cơ quan này sang cơ quan khác với lưu lượng máu, vượt qua các rào cản tự nhiên của cơ thể và có thể xâm nhập vào các tế bào mô.

Công nghệ nano có thể làm gì?

Công nghệ nano có thể cung cấp các công cụ để chế tạo cả vật chất vô cơ và hữu cơ ở cấp độ nguyên tử với khả năng sắp xếp lại xã hội và thay đổi cấu trúc của doanh nghiệp. Nó cũng có thể đưa các mô hình kinh doanh, công cụ thiết kế và chiến lược sản xuất mới vào cuộc sống với mức giá thấp và hiệu quả cao.

Nếu tiến bộ trong công nghệ nano có thể đạt đến khối lượng tới hạn trong việc mang lại những tiến bộ mang tính đột phá triệt để như khả năng tự lắp ráp tự động, thì hầu hết các ngành công nghiệp sẽ bị ảnh hưởng. Chuỗi cung ứng công nghiệp và hậu công nghiệp sẽ thay đổi.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chi phí sản xuất và phát triển thuốc giảm 70%?

Điều gì sẽ xảy ra nếu việc sản xuất điện không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch?

Điều gì sẽ xảy ra nếu dây chuyền sản xuất máy tính cắt giảm 50% chi phí?

Điều gì sẽ tác động nếu công nghệ nano được áp dụng trong việc giảm chi phí hàng hóa và dịch vụ thiết yếu ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống, sức khỏe, môi trường sống và giao thông vận tải?

Chắc chắn sẽ có một tác động lịch sử đối với lối sống. Hầu hết các chuỗi giá trị, liên kết hỗ trợ, liên minh và kênh phân phối sẽ bị gián đoạn. Các dịch vụ tài chính, tổ chức học tập và sản xuất sẽ được cải cách.

Hãy tưởng tượng sự xuất hiện của một con chip nano với sức mạnh xử lý của mười siêu máy tính với giá của một chiếc đồng hồ thạch anh và thấp hơn một chiếc móc khóa hoặc một vật liệu siêu bền và rẻ để xây dựng và có khả năng loại bỏ thị trường thép và kim loại. Khi nền kinh tế toàn cầu tiếp tục được chuyển đổi bởi các công nghệ mới, một cuộc chạy đua khốc liệt sẽ phát triển về năng lực, sở hữu trí tuệ, vốn và kiến ​​thức công nghệ.

Khi công nghệ nano thay đổi từ lý thuyết sang thực tiễn, ảnh hưởng có thể có đối với xã hội, doanh nghiệp và nền kinh tế sẽ ngày càng trở nên rõ ràng hơn, thúc đẩy các phản ứng cần thiết cho các vấn đề hiện tại. Chúng ta phải có khả năng định hình tương lai công nghệ nano chiến lược của các quốc gia.

Công nghệ nano trong cuộc sống hàng ngày

Hầu hết chúng ta thường xuyên sử dụng một số hoặc những tiến bộ khác trong công nghệ nano mà không hề hay biết. Ví dụ, vi điện tử hiện đại không còn là vi mô nữa mà là nano: các bóng bán dẫn được sản xuất ngày nay – nền tảng của tất cả các con chip – nằm trong phạm vi lên đến 90 nm. Và việc thu nhỏ hơn nữa các thành phần điện tử đến 60, 45 và 30 nm đã được lên kế hoạch. Hơn nữa, Hewlett-Packard đã thông báo rằng các bóng bán dẫn truyền thống sẽ được thay thế bằng cấu trúc nano. Một phần tử như vậy là ba dây dẫn rộng vài nanomet: hai trong số chúng song song và phần thứ ba nằm vuông góc với chúng. Các dây dẫn không chạm vào nhau mà đi qua như những cây cầu nối tiếp nhau. Trong trường hợp này, các chuỗi phân tử được hình thành từ vật liệu của dây nano dưới tác động của điện áp đặt vào chúng đi xuống từ dây dẫn phía trên xuống dây dẫn phía dưới. Các mạch được xây dựng bằng công nghệ này đã chứng tỏ khả năng lưu trữ dữ liệu và thực hiện các phép toán logic, nghĩa là thay thế các bóng bán dẫn. Với công nghệ mới, kích thước của các bộ phận vi mạch sẽ giảm đáng kể xuống dưới mức 10-15 nanomet, đến mức mà các bóng bán dẫn bán dẫn truyền thống đơn giản là không thể hoạt động. Có lẽ, trong nửa đầu thập kỷ tới, các vi mạch nối tiếp (vẫn là truyền thống, silicon) sẽ xuất hiện, trong đó một số nguyên tố Nano được tạo ra bằng công nghệ mới sẽ được chế tạo. Công ty Kodak 2004 phát hành giấy in phun Ultima. Nó có chín lớp. Lớp trên cùng bao gồm các hạt nano gốm làm cho giấy dày hơn và bóng hơn. Các lớp bên trong chứa các hạt nano sắc tố 10 nm giúp cải thiện chất lượng in. Và quá trình cố định sơn nhanh chóng được tạo điều kiện thuận lợi nhờ các hạt nano polymer có trong lớp phủ. Bây giờ chúng ta đã chứng kiến ​​​​sự khởi đầu của cuộc cách mạng nano: đây là những con chip máy tính mới, những mô mới không để lại vết bẩn và việc sử dụng các hạt nano trong chẩn đoán y tế. Ngay cả ngành công nghiệp mỹ phẩm cũng quan tâm đến vật liệu nano. Họ có thể tạo ra nhiều hướng phi tiêu chuẩn mới trong mỹ phẩm mà trước đây không có.

Trong phạm vi kích thước nano, hầu như bất kỳ vật liệu nào cũng thể hiện các đặc tính độc đáo. Ví dụ, các ion bạc được biết là có hoạt tính khử trùng. Một giải pháp của các hạt nano bạc có hoạt tính cao hơn nhiều. Nếu bạn xử lý băng bằng dung dịch này và bôi lên vết thương có mủ thì sẽ hết viêm và vết thương sẽ lành nhanh hơn so với dùng các loại thuốc sát trùng thông thường. Mối quan tâm trong nước “Công nghiệp nano” đã phát triển một công nghệ sản xuất các hạt nano bạc ổn định trong dung dịch và trạng thái hấp phụ. Các loại thuốc thu được có phổ tác dụng kháng khuẩn rộng. Do đó, có thể tạo ra một loạt các sản phẩm có đặc tính kháng khuẩn với một chút thay đổi trong quy trình công nghệ của các nhà sản xuất các sản phẩm hiện có. Các hạt nano bạc có thể được sử dụng để sửa đổi truyền thống và tạo ra vật liệu mới, lớp phủ, chất khử trùng và chất tẩy rửa (bao gồm cả kem đánh răng và làm sạch, bột giặt, xà phòng) và mỹ phẩm. Lớp phủ và vật liệu (phức hợp, vải dệt, sơn và vecni, carbon và các loại khác) được biến đổi bằng các hạt nano bạc có thể được sử dụng làm phương pháp kháng khuẩn dự phòng ở những nơi có nguy cơ lây nhiễm bệnh tăng cao: trong giao thông vận tải, tại các cơ sở ăn uống công cộng, trong nông nghiệp và chăn nuôi tòa nhà, trong trẻ em, thể thao, cơ sở y tế. Các hạt nano bạc có thể được sử dụng để làm sạch nước và tiêu diệt mầm bệnh trong bộ lọc điều hòa không khí, bể bơi, vòi hoa sen và những nơi công cộng tương tự khác.

Các sản phẩm tương tự được sản xuất trong mọi lĩnh vực. Một công ty sản xuất lớp phủ bằng các hạt nano bạc để điều trị viêm mãn tính và vết thương hở.

Một loại vật liệu nano khác là ống nano carbon với độ bền khổng lồ. Đây là những phân tử polymer hình trụ đặc biệt có đường kính khoảng nửa nanomet và chiều dài lên tới vài micromet. Chúng được phát hiện lần đầu tiên cách đây chưa đầy 10 năm dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình tổng hợp fullerene C60. Tuy nhiên, các thiết bị điện tử có kích thước nanomet đã được tạo ra dựa trên các ống nano carbon. Dự kiến ​​trong tương lai gần, chúng sẽ thay thế nhiều phần tử trong mạch điện tử của các thiết bị khác nhau, bao gồm cả máy tính hiện đại.

Tuy nhiên, ống nano không chỉ được sử dụng trong điện tử. Hiện trên thị trường đã có những loại vợt tennis được gia cố bằng ống nano carbon để hạn chế xoắn và cung cấp lực đánh mạnh hơn. Chúng cũng được sử dụng trong một số bộ phận của xe đạp thể thao.

Tổng kết

Do đó, sự phát triển công nghệ nhanh chóng đã hình thành cơ sở cho sự phát triển theo cấp số nhân của đổi mới. Những tiến bộ trong công nghệ mới đã vượt xa khả năng của chúng ta trong việc dự đoán chính xác tác động của chúng đối với xã hội, doanh nghiệp và nền kinh tế. Cần phải có kiến ​​thức phù hợp để hình dung bối cảnh mới trong thời gian thực. Chúng ta đang ở giữa một sự thay đổi mô hình, trong đó các ngành khoa học nhằm mục đích hiểu biết về tự nhiên được thay thế bằng các khoa học-công nghệ tích hợp nhằm biến đổi tự nhiên để khôi phục các mô hình đã mất, đáp ứng nhu cầu kinh tế xã hội và làm cho sự sống trên Trái đất trở nên khả thi…

Nền văn minh của chúng ta đang chứng kiến ​​sự thay đổi công nghệ nhanh nhất và toàn diện nhất trong lịch sử. Công nghệ nano có những đặc điểm cần thiết để xác định lại, định hình lại và biến đổi các nền kinh tế và xã hội trên phạm vi toàn cầu. Lần đầu tiên, việc thao túng vật chất ở cấp độ nguyên tử sẽ buộc phải đánh giá lại các thị trường, nền kinh tế và ngành công nghiệp toàn cầu ở quy mô chưa từng có trước đây của loài người. Bản chất có mặt khắp nơi của công nghệ nano với tư cách là một ngành khoa học-công nghệ cơ bản có ứng dụng trong nhiều dịch vụ và ngành liên quan, trong số những ngành khác, với sức khỏe, vật liệu, điện tử, rô-bốt, quang tử và bảo vệ môi trường.