CÔNG NGHỆ NANO – CÔNG NGHỆ TIÊN PHONG

Có thể nói Công nghệ nano là một lĩnh vực liên quan đến phát triển vật liệu và thiết bị dựa trên nguyên tử và phân tử. Một nanomet bằng một phần tỷ mét, gấp mười lần đường kính của một nguyên tử hydro. Đường kính của một sợi tóc trung bình là 80.000 nanomet. Ở kích thước này, các tính chất  vật lý và hóa học hoàn toàn thay đổi. Một ví dụ điển hình là các đặc tính của vật liệu chẳng hạn như màu sắc, độ bền, độ dẫn điện dẫn nhiệt  và khả năng phản ứng của chúng, có thể khác nhau đáng kể giữa kích thước nano và macro. Các ‘ống nano’ carbon cứng hơn thép 100 lần nhưng lại nhẹ hơn 6 lần.

Công nghệ Nano có thể làm gì?

Công nghệ nano được ca ngợi là có tiềm năng trong việc tăng hiệu quả tiêu thụ năng lượng, giúp làm sạch môi trường và giải quyết các vấn đề lớn liên quan đến sức khỏe. Công nghệ này tạo điều kiện tăng trưởng sản xuất hàng loạt với chi phí giảm đáng kể. Sản phẩm sử dụng công nghệ Nano sẽ nhỏ hơn, rẻ hơn, nhẹ hơn mà lại có nhiều chức năng hơn và cần ít năng lượng hơn đồng thời tiết kiệm nguyên liệu thô.

Chuyên gia nói gì về công nghệ Nano?

Tháng 6 năm 1999 Richard Smalley- đạt giải Nobel Hóa học- đã có bài phát biểu trước US House Committee on Science về những lợi ích của công nghệ nano đối với sức khỏe, sự phát triển cũng như cuộc sống của con người. Ông nói rằng “Ít nhất sẽ tương đương với những ảnh hưởng tổng hợp của vi điện tử, hình ảnh y tế, kỹ thuật máy tính hỗ trợ và polyme nhân tạo được phát triển trong thế kỷ này.”

Thị trường toàn cầu cho các sản phẩm sử dụng công nghệ Nano

Nhiều chính phủ tin rằng công nghệ Nano sẽ mang lại một kỷ nguyên mới về năng suất và sự thịnh vượng, và điều này được phản ánh qua sự tang lên đáng kể của đầu tư công vào nghiên cứu và phát triển công nghệ Nano trong suốt thập kỷ qua. Một ví dụ điển hình,  trong năm 2002, Nhật Bản đã tiêu tốn 750 triệu đô la Mỹ mỗi năm cho lĩnh vực này, tăng gấp sáu lần so với con số năm 1997.

Ước tính về giá trị của thị trường công ngệ Nano toàn cầu

Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (US National Science Foundation) dự đoán rằng thị trường toàn cầu cho các sản phẩm dựa trên công nghệ Nano sẽ vượt ngưỡng 1 nghìn tỷ USD trong vòng 15 năm. Một nhà nghiên cứu cấp cao tại tổ chức nghiên cứu chính sách Demos của Anh, Paul Miller cho biết vào năm 2002 rằng “Một phần ba ngân sách của các công ty nghiên cứu khoa học lớn nhất tại Mỹ đã và đang sử dụng vào công nghệ Nano” Đồng thời, ngân sách của Sáng kiến ​​Công nghệ Nano Quốc gia Hoa Kỳ (US National Nanotechnology Initiative’s budget) tăng từ 116 triệu đô la Mỹ (1997) lên 849 triệu đô la Mỹ (2004).

Công nghệ Nano ở các nước trên thế giớ

Ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến đã dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ Nano, cụ thể như Mỹ, Đức, Anh, Úc, Pháp, Nhật. Công nghệ Nano đã được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực phát triển của xã hội, với tính năng vượt trội về hiệu quả.

Cùng với sự phát triển của thế giới, Brazil, Chile, Trung Quốc, Ấn Độ, Phi-líp-pin, Nam Triều Tiên, Nam Phi và Thái Lan đã thể hiện cam kết của họ đối với công nghệ Nano bằng cách thiết lập các chương trình và viện nghiên cứu do chính phủ tài trợ. Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Toronto Joint Centre for Bioethics đã xếp những quốc gia này là ‘những người đi đầu’ (Trung Quốc, Nam Triều Tiên, Ấn Độ) và ‘những người theo sau’ (nước Thái Lan, Phi-líp-pin, Nam Phi, Brazil, Chile). Ngoài ra, công nghệ này tại Argentina và Mexico cũng đang có xu hướng phát triển bởi họ có các nhóm nghiên cứu về công nghệ này, tuy nhiên họ chưa nhận được sự hỗ trợ từ phía chính phủ.

Tháng 5 năm 2004, chính phủ Thái Lan công bố kế hoạch sử dụng công nghệ Nano (1% trong tất cả các sản phẩm tiêu dung năm 2013). Giá trị thị trường của chúng vào thời điểm đó được dự đoán là 13 nghìn tỷ baht (hơn 320 tỷ đô la Mỹ theo tỷ giá hối đoái đương thời). Có thể thấy Thái Lan chấp nhận công nghệ Nano và đảm bảo sự phát triển của nó là một phần lớn trong cam kết của chính phủ Thái Lan. Tương tự như vậy, Trung Quốc công bố vào tháng 5 năm 2004 rằng công nghệ nano là trọng tâm trong kế hoạch khoa học và công nghệ quốc gia dài hạn.

Những lợi ích tiềm năng cho các nước đang phát triển là gì?

Công nghệ nano hứa hẹn mang đến những giải pháp mới giải quyết các vấn đề cản trở sự phát triển của các nước nghèo, đặc biệt là liên quan đến sức khỏe và vệ sinh, an ninh lương thực và môi trường. Trong báo cáo năm 2005 mang tên Đổi mới (Innovation), nhóm đặc nhiệm Dự án Thiên niên kỷ của Liên hợp quốc (UN Millennium Projec) áp dụng kiến ​​thức về công nghệ và đổi mới khoa học đã viết rằng “công nghệ Nano có thể đặc biệt quan trọng ở các nước đang phát triển, vì nó liên quan đến lao động, đất đai hoặc bảo trì; nó tạo ra năng suất cao với chi phí thấp; và nó chỉ cần một lượng vật liệu và năng lượng ít ỏi để hoàn thành sản phẩm.”.

Ảnh hưởng của công nghệ nano đối với sức khỏe và vệ sinh

Công nghệ nano đã trở thành một công cụ hữu ích trong nghiên cứu chăm sóc sức khỏe. Tháng 1 năm 2005, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts của Hoa Kỳ đã sử dụng ‘nhíp quang học’ – các cặp hạt thủy tinh nhỏ được kết nối với nhau hoặc di chuyển ra xa bằng cách sử dụng chùm tia laze – để nghiên cứu tính đàn hồi của các tế bào hồng cầu bị nhiễm ký sinh trùng sốt rét. Kỹ thuật này đang giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách thức lây lan của bệnh sốt rét trong cơ thể.

Công nghệ nano có thể cải thiện việc phân phối thuốc như thế nào

Công nghệ Nano mang đến các hệ thống phân phối thuốc rẻ hơn và đáng tin cậy hơn. Ví dụ, các vật liệu được xây dựng trên kích thước Nano có thể cung cấp hệ thống bao bọc bảo vệ và tiết ra các loại thuốc theo một cách chậm rãi và có kiểm soát. Đây có thể là một giải pháp có giá trị ở những quốc gia không có đầy đủ cơ sở bảo quản và mạng lưới phân phối, và đối với những bệnh nhân đang điều trị các chế độ thuốc phức tạp, đặc biệt là những người không có đủ thời gian và tiền bạc để đi khám bệnh xa.

Sử dụng cảm biến Nano trên cây trồng và hạt Nano trong phân bón

Cảm biến siêu nhỏ cung cấp khả năng giám sát mầm bệnh trên cây trồng và vật nuôi cũng như đo lường năng suất cây trồng. Ngoài ra, các hạt Nano có thể làm tăng hiệu quả của phân bón. Tuy nhiên, công ty bảo hiểm SwissRe của Thụy Sĩ đã cảnh báo trong một báo cáo vào năm 2004 rằng chúng cũng có thể làm tăng khả năng của các chất độc hại tiềm tàng, chẳng hạn như phân bón, thâm nhập vào các lớp sâu của đất và di chuyển trên một khoảng cách xa hơn.

Sử dụng kỹ thuật công nghệ nano để trồng cây trồng trong điều kiện thù địch

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu ở cả các nước phát triển và đang phát triển đều đang thử nghiệm loại cây trồng có thể sinh sống trong các điều kiện ‘thù địch’, chẳng hạn như các cánh đồng có hàm lượng muối cao (đôi khi do biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng cao) hoặc thiếu nước. Họ đang làm điều này bằng cách điều khiển yếu tố về gen di truyền của cây trồng, làm việc trên quy mô công nghệ nano với các phân tử sinh học.

Công nghệ Nano có thể được sử dụng như thế nào trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo và bền vững để giúp bảo vệ môi trường

Việc ứng dụng công nghệ Nano trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và bền vững (như pin mặt trời và pin nhiên liệu) có thể cung cấp các nguồn năng lượng sạch hơn và rẻ hơn. Những điều này sẽ cải thiện cả sức khỏe con người và môi trường.

Bộ lọc kích thước Nano và các hạt Nano có thể được sử dụng để làm sạch môi trường

Ví dụ, bộ lọc nước thải nhỏ có thể sàng lọc chất thải từ các nhà máy công nghiệp, loại bỏ ngay cả những chất cặn bã nhỏ nhất trước khi chúng được thải ra môi trường. Các bộ lọc tương tự có thể làm sạch khí thải từ các nhà máy đốt công nghiệp. Và các hạt Nano có thể được sử dụng để làm sạch dầu tràn, tách dầu khỏi cát, loại bỏ dầu khỏi đá và từ lông của những con chim bị kẹt trong một vụ tràn dầu.

Bộ lọc kích thước Nano cải tiến hệ thống lọc nước

Các bộ lọc có cấu tạo sử dụng kích thước Nano hứa hẹn mang lại những hệ thống lọc nước tốt hơn với chi phí sản xuất rẻ, tuổi thọ cao và có thể được làm sạch. Các công nghệ tương tự khác có thể hấp thụ hoặc trung hòa các vật liệu độc hại, chẳng hạn như thạch tín, gây nhiễm độc cho mực nước ngầm ở nhiều quốc gia bao gồm Ấn Độ và Bangladesh.

Kỹ thuật nano – Kỹ thuật trên Quy mô phân tử

Những tiến bộ trong công nghệ nano được xây dựng dựa trên những tiến bộ của kính hiển vi. Cũng như cho phép chụp ảnh các phân tử, Kính hiển vi quét đường hầm (được cấp bằng sáng chế năm 1982) cho phép các nhà nghiên cứu thao tác với chúng bằng cách nhặt và di chuyển các nguyên tử riêng lẻ. Đây là bản chất của công nghệ ‘từ dưới lên’ hay công nghệ nano phân tử – khái niệm cho rằng các cấu trúc phân tử có thể được xây dựng theo từng nguyên tử.

Tầm nhìn của sản xuất có kiểm soát ở cấp độ phân tử thông qua “Người lắp ráp” tự tái tạo (Self-Replicating ‘Assemblers’)

Một số người cho rằng công nghệ Nano cuối cùng có thể dẫn đến việc thu nhỏ quá trình sản xuất có kiểm soát xuống cấp độ phân tử giống như cách xảy ra trong tế bào người, ví dụ, khi các enzym phá vỡ và sắp xếp lại các liên kết giữ các phân tử lại với nhau. Tầm nhìn của các ‘nhà lắp ráp’ có khả năng tự tái tạo, các thiết bị nhỏ bé hoạt động đồng bộ như phiên bản thu nhỏ của dây chuyền lắp ráp nhà máy, để sản xuất ‘vật liệu Nano’, các sản phẩm mới sẽ cách mạng hóa ngành xây dựng, y học, khám phá không gian và điện toán.

Băng tải Nano, ‘Robot DNA’ và Cấu trúc phân tử kéo sợi

Lý thuyết này đi trước thực tế hiện tại và trong khi một số cảnh báo rằng ‘nanobots’ tự sao chép gây ra mối đe dọa to lớn cho nhân loại, những người khác lại bác bỏ ý tưởng này là không thể. Tuy nhiên, việc sản xuất băng tải Nano gần đây có thể di chuyển các dòng hạt thay vì từng hạt riêng lẻ dọc theo ống Nano thể hiện một bước đột phá lớn, cũng như sự phát triển của ‘robot DNA’ dài 10 nanomet cấu tạo từ DNA có khả năng ‘đi bộ’ dọc theo vỉa hè cũng vậy. Những phát triển về việc phát hiện ra các cấu trúc phân tử quay, báo trước khả năng tạo ra năng lượng và chuyển động có thể điều khiển được ở cấp độ phân tử cũng chiếm phần không kém quan trọng.

Hệ thống sản xuất top-down

Trong cách tiếp cận ‘từ trên xuống’, vẫn chiếm ưu thế trong lĩnh vực này, các mảnh vật liệu được gia công và khắc thành các cấu trúc kích thước Nano.

Công nghệ nano sẽ đi về đâu?

Công nghệ Nano đang phát triển nhanh chóng. Số lượng các công bố khoa học trong lĩnh vực này đã tăng từ khoảng 200 bài (1997) lên hơn 12.000 bài(2002). Mặc dù vậy, hiện nay trên thị trường có khá ít sản phẩm sử dụng hạt Nano. Nhìn chung, những thứ đã được bày bán không giải quyết được các vấn đề nêu trên, về sức khỏe, an ninh lương thực và môi trường.

Thay vào đó, họ đã tập trung vào các ứng dụng tiêu dùng bao gồm kem chống nắng được cải tiến, sơn chống nứt và ống kính chống trầy xước. Giống như điện và động cơ đốt trong, công nghệ nano là một công nghệ cho phép. Do đó, nó được dự đoán sẽ tạo ra một loạt các đổi mới.

Con đường phía trước cho công nghệ Nano

Đánh giá vai trò của công nghệ nano và định hướng sự phát triển của nó sẽ đòi hỏi sự tham gia liên ngành của các nhà khoa học, chính phủ, các tổ chức xã hội dân sự và công chúng. Cuộc tranh luận cố gắng tránh sự phân cực của các quan điểm được minh họa bởi vấn đề chỉnh sửa gen. Bài viết này nhằm mục đích cung cấp một loạt thông tin có liên quan cho những người muốn hiểu rõ hơn và tham gia vào cuộc tranh luận quan trọng này.

_________

Tác giả: Catherine Brahic and Mike Shanahan