Câu hỏi dễ nhưng để hiểu cặn kẽ, ta cần bắt đầu từ nguồn gốc

Gõ từ khóa Nano trên thanh tìm kiếm của Google, có 485.000.000 kết quả được xác nhận chỉ trong 0,56 giây, nhanh hơn rất nhiều so với một cái chớp mắt (trung bình mỗi người nháy mắt 15 – 20 lần/phút) cho thấy ‘hiện tượng Nano’ đã phổ biến hết sức rộng rãi

Vậy Nano là gì?

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, sau đây là vài ví dụ:

• 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 trung bình của con người: 2 tỷ nm.

Một sản phẩm điển hình và giàu hình ảnh nhất 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 phân ly cơ thể  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 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 sống thông minh này là vô giá!  

Vậy Công nghê Nano khởi điểm khi nào?

“There’s plenty of room at the bottom”

Richard Feynman (Nobel Vật lý 1965)

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 nhan đề “There’s plenty of room at the bottom” (Có rất nhiều chỗ trống ở ‘miệt dưới’) tại California Institute of Technology (Caltech, Mỹ). Ông là người có tính hài hước, bình dị, thích bông đùa. Sinh thời ông là một tay trống nhạc Samba, thích hòa đồng với sinh viên. Điều nầy cũng phản ánh qua cái nhan đề của bài nói chuyện. Ông chơi chữ; “bottom” có nghĩa là cái bàn tọa lại còn có nghĩa là cái đáy, cái tận cùng.

Đọc qua nhan đề bài nói chuyện, không ít người trong thính giả hoang mang hỏi: “Thầy Feynman ơi! Chắc thầy lại đùa nữa rồi?”. Nhưng thầy Feynman không đùa, thầy 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 này 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 này, ông chủ hãng Sony (Nhật Bản), Morita Akio, vừa tung ra thị trường thế giới đài radio bán dẫn (transistor radio) bỏ túi dùng pin. Từ cái radio to kềnh càng 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! 

Mục đích bài nói chuyện của Feynman không phải chỉ dừng ở kỹ thuật thu nhỏ (miniaturization) mà còn phác họa khả năng hình thành 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)

Phương pháp đó ở thế kỷ 21 được 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 chục triệu lần nhỏ hơn.  

“Trăm nghe, trăm thấy và một sờ”

Sau bài nói chuyện nổi tiếng mang đầy tính thuyết phục của Feynman, hàng 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 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 “sờ” được nguyên tử. Hai ông 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 này chỉ có 3 nanomét. Đây là mẫu tự nhỏ nhất của thế giới loài người! 

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 này 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 vào một bức tường thì sẽ bật trở lại. Đây là một việc hiển nhiên thường ngày. Nhưng khi được thu nhỏ đến kích thước nano thì quả banh có thể đi xuyên bức tường giống như một bóng ma trong phim kinh dị! Đây là một hiện tượng vật lý thật sự và được gọi là hiệu ứng đường hầm Esaki (Esaki’s tunneling effect) – một hiệu ứng cơ bản trong cơ học lượng tử.

“Ta đang sống trong thời đại Nano”

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 công ty hang đầu đã đẩy mạnh những tiến bộ khoa học và nhanh chóng thương mãi hóa nhưng thành quả nghiên cứu tạo ra sản phẩm. Năm 2004, Mỹ đứng đầu thế giới trong việc đầu tư vào công nghệ nano (1,7 tỷ đô la/năm) sau đó là Nhật Bản (1 tỷ đô la/năm), Hàn Quốc (đứng thứ 6), Úc (thứ 9), Trung Quốc (thứ 10) và Đài Loan (thứ 11, 120 triệu đô la/năm). Dựa theo những số tiền đầu tư to lớn này, 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. Những vật cực nhỏ sẽ cho nhân loại tiềm năng kinh tế cực to ở thế kỷ 21.

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. (5)   F. Simonis and S. Schilthuizen, “Nanotechnology: innovation opportunities for tomorrow’s defence” (Google search).