công nghệ nanô và vật liệu nanô từ nghiên cứu đến thị trường

C«ng nghÖ nan« vµ vËt liÖu nan«

tõ nghiªn cøu ®Õn thÞ tr−êng

GS. TS. Phan Hång Kh«i1,2

1. ViÖn Khoa häc VËt liÖu,ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖt Nam

2. Tr−êng §¹i häc C«ng nghÖ, §¹i häc Quèc gia Hµ Néi

Hµ néi 6 - 2006

1

Môc lôc

Trang

I. Më ®Çu 3

II. KHNN vµ CNNN lµ g×? 3

III. Néi dung cña KHNN & CNNN 5

IV. S¶n phÈm cña CNNN vµ thÞ tr−êng 5

V. T×nh h×nh nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn CNNN trªn thÕ giíi 15

5.1. Khu vùc ch©u ¸ Th¸i B×nh D−¬ng 17

5.1.1.ChÝnh s¸ch ph¸t triÓn CNNN cña c¸c n−íc APEC 18

5.1.2. C¸c nç lùc th−¬ng m¹i ho¸ CNNN ë khu vùc ch©u ¸ Th¸i

B×nh D−¬ng

21

5.1.3. §Çu t− cho CNNN cña khu vùc t− nh©n ë khu vùc ch©u ¸

Th¸i B×nh D−¬ng

22

5.1.4. ChÝnh s¸ch vµ Ch−¬ng tr×nh CNNN ë mét sè n−íc ch©u ¸ 23

5.2. ChÝnh s¸ch ph¸t triÓn CNNN cña c¸c n−íc Ch©u ¢u 30

5.3. ChÝnh s¸ch ph¸t triÓn CNNN cña Mü 34

5.4. NhËn xÐt 37

VI. C¸c h−íng −u tiªn cña CNNN ë c¸c n−íc ®ang ph¸t triÓn 38

VII. C¸c ®Ò xuÊt 40

VIII. T×nh h×nh nghiªn cøu CNNN ë ViÖt nam 42

IX. KÕt luËn 44

Tµi liÖu tham kh¶o 46

2

I. Më ®Çu

Trong thêi gian gÇn ®©y nhiÒu nhµ ho¹ch ®Þnh chÝnh s¸ch trªn thÕ giíi , kÓ

c¶ Tæng thèng cña mét sè c−êng quèc c«ng nghiÖp ®· quan t©m vµ thóc ®Èy viÖc

ph¸t triÓn Khoa häc Nan« vµ C«ng nghÖ Nan« (KHNN&CNNN). NhiÒu chÝnh

phñ vµ tËp ®oµn kinh tÕ lín ®· ®Çu t− cho KHNN&CNNN. NhiÒu c«ng tr×nh

khoa häc, nhiÒu b»ng ph¸t minh vµ s¸ng chÕ vÒ KHNN&CNNN ®· ®−îc c«ng

bè. NhiÒu s¶n phÈm cña CNNN, ®Æc biÖt lµ c¸c lo¹i VËt liÖu Nan« (VLNN) ®·

xuÊt hiÖn vµ ®ang ®−îc sö dông ngµy cµng nhiÒu trong hÇu hÕt c¸c lÜnh vùc c«ng

nghiÖp, n«ng nghiÖp, y tÕ, b¶o vÖ m«i tr−êng, an ninh quèc phßng vµ ®êi sèng. ë

ViÖt nam, c¸c nhµ khoa häc ë mét sè viÖn nghiªn cøu, tr−êng ®¹i häc còng ®·

b¾t ®Çu tiÕp cËn víi KHNN&CNNN trªn c¶ hai b×nh diÖn: lý thuyÕt vµ thùc

nghiÖm. Mét vµi c«ng ty th−¬ng m¹i ë trong n−íc còng ®· nhËp khÈu mét sè s¶n

phÈm CNNN cña n−íc ngoµi, VÊn ®Ò ®Æt ra cho chóng ta lµ cÇn t×m hiÓu xem

KHNN&CNNN lµ g× vµ khoa häc, c«ng nghÖ ®ã, h«m nay hoÆc ngµy mai cho

chóng ta c¸i g×? C«ng nghÖ ®ã lµ hiÖn thùc kh«ng? vµ mét ®iÒu quan träng n÷a

lµ, chóng ta cÇn lµm g× ®Ó tiÕp cËn víi KHNN& CNNN?

Tr−íc hÕt chóng ta t×m hiÓu kh¸i niÖm vÒ KHNN&CNNN vµ tiÕn tíi mét

®Þnh nghÜa vÒ khoa häc vµ c«ng nghÖ nµy.

II. Khnn & CnNN lµ g×?

KHNN&CNNN lµ mét lÜnh vùc khoa häc vµ c«ng nghÖ (KH&CN) míi,

hiÖn ®¹i vµ liªn ngµnh, cã thÓ hiÓu d−íi c¸c gãc ®é chuyªn m«n kh¸c nhau. C¸c

nhµ chuyªn m«n ®· cè g¾ng ®−a ra nhiÒu c¸ch diÔn ®¹t ng¾n vµ sóc tÝch, gÇn víi

mét ®Þnh nghÜa: KHNN&CNNN, hiÓu mét c¸ch tæng qu¸t lµ khoa häc vµ c«ng

nghÖ nh»m t¹o ra c¸c vËt liÖu, linh kiÖn vµ hÖ thèng cã c¸c tÝnh chÊt míi, næi

tréi nhê vµo kÝch th−íc nanomÐt (10-9 m), ®ång thêi ®iÒu khiÓn ®−îc c¸c tÝnh

chÊt vµ chøc n¨ng cña chóng ë kÝch th−íc nan«. NhiÒu ®Þnh nghÜa kh¸c vÒ

KHNN&CNNN còng thÓ hiÖn néi dung ®ã.

Nh− vËy KHNN&CNNN lµ KH&CN cña nh÷ng kÝch th−íc nhá, bao gåm

vËt liÖu, linh kiÖn, thiÕt bÞ hoÆc hÖ thèng. KHNN&CNNN bao gåm nhiÒu vÊn ®Ò

cña vËt lý, ho¸ häc, to¸n häc, y-sinh häc vµ c¸c ngµnh KH&CN kh¸c. D−íi ®©y

b¶n chÊt vµ thùc tr¹ng cña KHNN&CNNN sÏ ®−îc tr×nh bµy mét c¸ch tãm t¾t.

Nh©n tè trung t©m cña KHNN&CNNN lµ kÝch th−íc: Khi kÝch th−íc gi¶m

tíi møc nan« mÐt th× c¸c hiÖu øng l−îng tö xuÊt hiÖn, nhê vËy cã thÓ thay ®æi c¸c

3

®Æc tr−ng cña vËt liÖu nh− mÇu s¾c, nhiÖt ®é nãng ch¶y, c¸c tÝnh chÊt nhiÖt, tõ,

®iÖn, quang mµ kh«ng cÇn thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc. §iÒu ®ã dÉn tíi xuÊt hiÖn

c¸c tÝnh chÊt míi, c¸c s¶n phÈm míi kh«ng hÒ cã tr−íc ®©y. Khi kÝch th−íc gi¶m,

tû sè gi÷a bÒ mÆt vµ thÓ tÝch t¨ng m¹nh, hiÖu øng bÒ mÆt chiÕm −u thÕ lµ ®iÒu

kiÖn lý t−ëng cho c¸c vËt liÖu tæ hîp nan« (nanocomposite), c¸c t−¬ng t¸c ho¸

häc, xóc t¸c, c¸c vËt liÖu dù tr÷ n¨ng l−îng, c¸c thuèc ch÷a bÖnh .... thÓ hiÖn tÝnh

chÊt ®Æc thï hoÆc t¨ng kh¶ n¨ng ho¹t ®éng. §ång thêi khi hiÖu suÊt lµm viÖc cña

c¸c vËt liÖu cao lªn th× l−îng vËt liÖu sö dông sÏ nhá h¬n vµ l−îng chÊt th¶i Ýt ®i.

C¸c linh kiÖn vµ hÖ thèng c¬ - quang - ®iÖn tö nan« rÊt nhá, mËt ®é linh

kiÖn cao, qu·ng ®−êng ho¹t ®éng cña ®iÖn tö nhá, tèc ®é nhanh h¬n vµ n¨ng

l−îng tiªu hao Ýt h¬n. V× vËy KHNN&CNNN còng lµ KH&CN th©n thiÖn víi

m«i tr−êng.

CÊu tróc kÝch th−íc nan« lµ ®Æc ®iÓm cña cÊu tróc sinh häc, h¬n thÕ n÷a c¸c

c¬ thÓ sèng x©y dùng cÊu tróc nµy b»ng ph−¬ng ph¸p tù l¾p ghÐp. C¸c th«ng tin,

tÝn hiÖu cho qu¸ tr×nh l¾p ghÐp n»m trªn bÒ mÆt c¸c cÊu tö nan«. C¸c s¶n phÈm

cña CNNN víi mËt ®é cao, gÇn víi cÊu tróc sinh häc, v× vËy sù kÕt hîp gi÷a

C«ng nghÖ Sinh häc vµ CNNN t¹o ra c¸c néi dung míi cho khoa häc c«ng nghÖ,

®Êy lµ Sinh häc Nan«.

Tãm l¹i, VLNN víi kÝch th−íc tõ d−íi nan« tíi vµi chôc nan« mÐt cã c¸c

tÝnh chÊt riªng, kh¸c h¼n víi tÝnh chÊt cña tõng nguyªn tö riªng biÖt vµ ®ång thêi

còng kh¸c so víi vËt liÖu khèi. Nh− vËy cã thÓ ®−a ra thªm mét "chiÒu" n÷a cho

b¶ng tuÇn hoµn c¸c nguyªn tè: ®ã lµ sè l−îng nguyªn tö N trong cÊu tróc vËt

chÊt. RÊt nhiÒu c¸c tÝnh chÊt nh− c¬ häc, ®iÖn, tõ häc, quang häc, ho¸ häc thay

®æi ®ét biÕn khi sè l−îng nguyªn tö N h¹n chÕ trong ph¹m vi vµi tr¨m, thËm chÝ

vµi ngh×n nguyªn tö. Nh− vËy, ngoµi nguyªn tö A vµ sè ®iÖn tö ho¸ trÞ n, sè N

còng trë thµnh mét ®¹i l−îng qui ®Þnh tÝnh chÊt cña vËt chÊt.

KHNN&CNNN h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh tÝch luü c¸c c¸c thµnh tùu khoa

häc c«ng nghÖ: Kü thuËt ®Çu dß quÐt nan« mµ ®iÓn h×nh lµ hiÓn vi lùc nguyªn tö

(AFM), hiÓn vi tunen (STM), hiÓn vi quang häc tr−êng gÇn (NOM), c¸c kü thuËt

kh¾c ®iÖn tö, c¸c VLNN xuÊt hiÖn vµo cuèi nh÷ng n¨m 80 cña ThÕ kû tr−íc lµ

nh÷ng tiÒn ®Ò quan träng ®Ó h«m nay, ng−êi ta cã thÓ m¹nh d¹n nãi vÒ mét

ngµnh KH&CN míi, hiÖn ®¹i víi nh÷ng tÝnh chÊt vµ chøc n¨ng ch−a tõng cã vµ

thèng nhÊt b»ng kÝch th−íc nan« mÐt. ChÝnh tÝnh hiÖn ®¹i víi c¸c tÝnh chÊt míi

vµ tÝnh ®a ngµnh lµm cho CNNN ®−îc coi lµ mét b−íc ngoÆc trong sù ph¸t triÓn

KH&CN hµng ®Çu cña ThÕ kû 21 nµy.

4

III. Néi dung cña KhNN & CNNN

3.1. Lý thuyÕt vµ m« pháng: §©y lµ hai c«ng cô nh»m dù ®o¸n, chØ ra c¸c

tÝnh chÊt vµ thiÕt kÕ c¸c lo¹i vËt liÖu vµ linh kiÖn nan«.

3.2. VLNN - c¸c tÝnh chÊt vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o: §©y lµ mét tËp hîp hÕt

søc ®a d¹ng c¸c lo¹i vËt liÖu kÝch th−íc nan« vµ cã c¸c tÝnh chÊt míi do hiÖu øng

kÝch th−íc quy ®Þnh. §Êy lµ c¸c vËt liÖu v« c¬ hoÆc h÷u c¬, tinh thÓ hoÆc v« ®Þnh

h×nh, ®¬n pha hoÆc ®a pha. VLNN cã c¸c tÝnh chÊt vµ kh¶ n¨ng øng dông hÕt søc

®a d¹ng nh−: èng nan« cacbon (CNT) võa cã tÝnh chÊt c¬ häc siªu bÒn, võa cã

c¸c tÝnh chÊt dÉn ®iÖn, dÉn quang; c¸c chÊm l−îng tö (QDs) lµ mét bé phËn cÊu

thµnh cña transito ®¬n ®iÖn tö; c¸c ®Çu dß nan« (nanotip); C¸c sîi l−îng tö dïng

®Ó dÉn c¸c nguyªn tö; thuèc viªn nan« cã kh¶ n¨ng hÊp thô vµo c¬ thÓ cao h¬n

nhiÒu so víi thuèc viªn hiÖn nay... C¸c vËt liÖu nµy ®−îc chÕ t¹o b»ng c¸c

ph−¬ng ph¸p vËt lý, ho¸ häc vµ sinh häc, ®−îc ph©n chia thµnh hai nhãm c«ng

nghÖ chÝnh lµ Trªn-Xuèng (Top-Down) vµ D−íi-Lªn (Bottom-Up).

3.3. Linh kiÖn vµ thiÕt bÞ micr«-nan«: VLNN cã thÓ dïng trùc tiÕp nh−

chÊt xóc t¸c, chÊt hÊp phô vµ còng cã thÓ lµ mét phÇn cÊu thµnh trong c¸c linh

kiÖn ®iÖn tö, quang tö nh− tranzito ®¬n ®iÖn tö (SET) chÕ t¹o trªn c¬ së chÊm

l−îng tö (QDs), l−u tr÷ th«ng tin trªn c¬ së hiÖu øng tõ trë khæng lå (GMR).

3.4. C¸c ph−¬ng tiÖn ®Ó chÕ t¹o vµ quan s¸t cÊu tróc nan«: ViÖc chÕ t¹o

ra c¸c linh kiÖn nan« ®ßi hái nhiÒu c«ng cô tinh vi nh−:

+ KÝnh hiÓn vi quang häc tr−êng gÇn (NOM) cã ®é ph©n gi¶i nan« do lo¹i

trõ ®−îc hiÖu øng giao thoa vµ cã kh¶ n¨ng ph©n cùc c¸c nguyªn tö vµ ®· trë

thµnh mét c«ng cô dïng ®Ó quan s¸t cÊu tróc nan«, ®ång thêi dïng ®Ó dÉn c¸c

nguyªn tö trong qu¸ tr×nh cÊy ghÐp nguyªn tö còng nh− dïng ®Ó thùc hiÖn kü

thuËt kh¾c víi ®é ph©n gi¶i nan«.

+ Kü thuËt kh¾c nan« kh«ng dïng ¸nh s¸ng (Nano Lithography) còng lµ

mét c«ng cô kh«ng thÓ thiÕu ®Ó chÕ t¹o c¸c linh kiÖn ®iÖn tö - quang tö nan«.

+ C¸c c«ng cô quÐt ®Çu dß nan« (SPM) dùa trªn c¸c hiÖu øng lùc, tõ, ®iÖn,

nhiÖt, quang, ho¸... lµ nh÷ng c«ng cô cho phÐp quan s¸t vµ nhËn biÕt ë qui m« d−íi

nan« kh«ng chØ h×nh th¸i vËt chÊt mµ cßn thµnh phÇn, nhiÖt ®é, c¸c qu¸ tr×nh vËt lý -

ho¸ häc - ho¸ sinh x¶y ra trong c¸c tÕ bµo hoÆc trong c¸c chÊm l−îng tö.

IV. s¶n phÈm cña CNNN vµ thÞ tr−êng

CNNN cßn t×m ®−îc nhiÒu øng dông rÊt cã hiÖu qu¶ trong c«ng nghÖ ho¸

häc, c«ng nghÖ n¨ng l−îng, c«ng nghÖ sinh häc c«ng nghÖ xö lý m«i tr−êng.

5