Vật liệu nano là gì? ứng dụng trong cuộc sống

1. Tổng quan về vật liệu nano là gì?

Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước từ 1 đến 100 nanomet với cấu trúc đa dạng. Chúng có thể có hình dạng sợi, hạt, ống hoặc tấm mỏng. Từ thế kỉ 10, người ta đã khám phá ra các hạt nano và chế tạo được đa dạng các vật liệu nano dù hiểu biến về chúng còn hạn chế. Các loại vật liệu này tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, từ lỏng, rắn và cả dạng khí. 

Tên gọi của mỗi loại vật liệu này thường thể hiện cả cấu trúc và hình dạng của chúng, ví dụ như Vật liệu nano hai chiều (dạng màng mỏng), một chiều (dạng ống nano, dây nano), Vật liệu mang tính chất nano (dạng vật liệu hỗn hợp hoặc hợp chất nano), nano composite

Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước từ 1 đến 100 nanomet với cấu trúc đa dạng

2. Tính chất và đặc điểm của vật liệu nano

Vật liệu nano có tính chất và đặc điểm đặc biệt so với các vật liệu thông thường. Nhờ khả năng kiểm soát tính chất của chúng, con người đã mở ra cánh cửa cho việc chế tạo các loại vật liệu và công nghệ tiên tiến với nhiều ứng dụng khác nhau trong đời sống. 

2.1 Đặc điểm cấu trúc

 Cấu trúc của vật liệu này được mô tả theo hai khía cạnh: cấu trúc hình học và cấu trúc tinh thể. 

• Cấu trúc hình học đa dạng: hình nhánh, hình que, hình cầu phẳng và nhiều hình dạng khác nhau

• Cấu trúc tinh thể: có cấu trúc tương tự như các vật liệu thông thường silic, kim cương, hoặc có cấu trúc không tinh thể như các quantum dót và nanotube

2.2 Tính chất

• Tính chất vật lý của vật liệu này còn tùy thuộc và phân loại thành phần tương ứng. Ví dụ vật liệu nano kim loại có tính dẫn điện tốt với từ tính mạnh hơn so với các loại kim loại thông thường có cùng thành phần. 

• Vật liệu này cũng có tính ổn định, có thể tương tác với các chất khác và có khả năng phản ứng hoá học. 

Việc nghiên cứu và tìm hiểu về tính chất, đặc điểm cấu trúc của vật liệu này là điều quan trọng để tạo ra các loại vật liệu mới ứng dụng trong các công nghệ hiện đại.

Vật liệu nano có tính chất và đặc điểm đặc biệt so với các vật liệu thông thường

2.3 Phân loại

Dựa vào hình dáng vật liệu, người ta phân loại vật liệu này thành 3 loại sau

• Vật liệu không chiều: Cả ba chiều đều của vật liệu đều có kích thước nano, không có chiều tự do nào cho điện tử. (VD: hạt nano, đám nano,...)

• Vật liệu một chiều: Hai chiều của vật liệu có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều của vật liệu (VD: ống nano, dây nano)

• Vật liệu hai chiều: Một chiều của vật liệu có kích thước nano, điện tử được tự do trên hai chiều của vật liệu (VD: màng mỏng)

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano, nanocomposite trong đó một phần vật liệu có kích thước nanomet, hoặc trong cấu trúc có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen nhau. 

3. Tìm hiểu công nghệ vật liệu nano là gì?

Công nghệ nano là một bước tiến lớn mở ra kỷ nguyên chế tạo nhiều công nghệ hiện đại dựa trên vật liệu nano. 

3.1 Định nghĩa

Công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học chuyên thiết kế, phân tích và chế tạo ra các thiết bị, sản phẩm có kích thước siêu nhỏ trên quy mô nanomet (nm) trong đó:

 1m = 1.000.000.000 nm. 

Đây được coi là một cuộc cách mạng là tiền đề phát triển nhiều lĩnh vực trong đời sống như sinh học, điện tử, y tế, năng lượng, bảo vệ an ninh, môi trường,...

3.2 Những dấu mốc trong lịch sử của công nghệ nano

• 1959: Nhà vật lý Richard Feynman đã tiên đoán con người có thể dùng các cỗ máy nhỏ tạo ra nhiều cỗ máy nhỏ hơn, sắp xếp vị trí các nguyên tử để chế tạo nhiều sản phẩm theo ý muốn

• 1974: Nhà khoa học người Nhật Bản Norio Taniguchi lần đầu đặt tên thuật ngữ “công nghệ nano” để miêu tả gia công chính xác

• 1982: Kính hiển vi quét đường hầm đã được các nhà khoa học phát minh. Đây là công cụ quan trọng để nghiên cứu về nano, cho thấy rõ hình dạng nguyên tử và phân tử.

• 1990: Hội nghị Khoa học và Công nghệ Nano Quốc tế được tổ chức lần đầu tiên tại Baltimore, Hoa Kỳ, đánh dấu sự ra đời chính thức của ngành khoa học và công nghệ nano

• 1901: Ống nano cacbon được phát hiện ra với khối lượng bằng 1/6 khối lượng thép cùng loại nhưng độ bền gấp 10 lần.

• 1998: Bộ luật nano được Hoa Kỳ ban hành

• 1999: “Cân” nhỏ nhất thế giới áp dụng khi tiến hành thí nghiệm trên ống nano cacbon được phát hành bởi các nhà khoa học người Brazil và Hoa Kỳ tạo tiền đề cho nhiều bước tiến khoa học. Cân có thể dùng để xác định trọng lượng tương đương một con virus.

Từ sau năm 2000, công nghệ nano đi vào đời sống của con người với doanh thu của các sản phẩm hàng năm lên tới hơn 50 tỷ đô.

Ống nano cacbon

4. 4 ứng dụng của vật liệu nano

Điểm tên 4 ứng dụng của vật liệu nano trong đời sống ngày nay cụ thể như sau

4.1 Năng lượng

Lĩnh vực năng lượng đã bước lên tầm cao mới nhờ vật liệu nano. Chúng giúp nâng cao chất lượng của pin mặt trời, giúp tăng tính dự trữ và tính hiệu của của siêu tụ điện và pin mặt trời. Đây cũng là tiền đề của chất siêu dẫn thành dây điện, sử dụng để vận chuyển điện đường dài được tốt hơn 

4.2 Trong y học

Theo các nghiên cứu, hạt nano có thể can thiệp trực tiếp vào các phân tử và tế bào trong cơ thể con người. Người ta đã chế tạo ra các hạt nano có tính sinh học giúp hỗ trợ chẩn đoán các loại bệnh, dẫn truyền thuốc tốt hơn và tiêu diệt các tế bào ung thư. Đây là một bước tiến đột phá mới trong lĩnh vực y học.

Công nghệ nano trong cơ thể người

4.3 Ngành thực phẩm và may mặc

Vật liệu nano mang đến nhiều chất dinh dưỡng hơn cùng những hương vị mới lạ cho các món ăn. Thực phẩm có thể được bảo quản trong thời gian lâu hơn với công nghệ nano nhờ những vật liệu đựng đồ ăn có khả năng diệt khuẩn tốt

Ngành may mặc có những bước tiến nhất định khi áp dụng công nghệ nano. Các loại hạt nano bạc có khả năng thu hút và tiêu diệt được các loại vi khuẩn gây mùi khó chịu trong quần áo. Đặc biệt vật liệu này được ứng dụng rất nhiều khi sản xuất quần áo thể thao vì tính dẻo dai bền bỉ và khử mùi, rất thích hợp cho việc hoạt động thể thao trong thời gian dài.

4.4 Điện tử, cơ khí

Vật liệu nano được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực điện tử. Chúng là nguyên liệu để chế tạo ra các linh kiện nano, thế hệ máy tính nano hoạt động năng suất hơn. Ngoài ra, chúng giúp chế tạo các thiết bị ghi thông tin có kích thước nhỏ áp dụng nhiều trong đời sống. Các công nghệ điện tử như điện thoại, màn hình máy tính, xe hơi, tàu vũ trụ, máy bay,... đều có sự góp mặt của nano

Vật liệu nano là nguyên liệu để chế tạo ra các linh kiện nano

4.5 Môi trường

Các vấn đề về môi trường được xử lý gọn gàng nhanh chóng hơn nhờ vật liệu nano. Chúng giúp làm sạch nguồn nước dùng, xử lý chất thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ví dụ các hạt nano có thể ứng dụng để tạo ra chất hấp thụ giúp loại bỏ chất bẩn làm ô nhiễm trong nước, hoặc dùng làm màng lọc tách chất ô nhiễm có trong không khí

Bài viết này đã giải đáp các thắc mắc của bạn đọc về vật liệu nano và ứng dụng của chúng trong đời sống. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về loại vật liệu đặc biệt này, hãy truy cập vào website Đông Á để biết thêm nhé