Vật liệu thần kỳ: Ống than nano

Trương Văn Tân

Black is beautiful

 

1. Nàng Lọ Lem của thế kỷ 21

Khi nói đến than, tức khắc một h́nh ảnh đen đúa, nhếch nhác, đầu tắt mặt tối hiện ra. Dường như, trong thi văn cũng như trong âm nhạc không có thơ ca nào ca tụng "than", bồ hóng hay... lọ nồi. Thậm chí, cái phố Hàng Than đen đủi nơi mà Huy Cận đă từng trú ngụ vào thời sinh viên, cũng chỉ được ông thốt lên qua những "nỗi sầu", "Phố không cây thôi sầu biết bao chừng... Buồn vạn lớp trên mái nhà dợn sóng"! Có đẹp chăng th́ nhiều lắm là câu chuyện đồng thoại "công chúa Lọ Lem" với hồi kết cuộc quá hiển nhiên để làm vừa ḷng các độc giả nhí. 

Người ta hiểu một cách b́nh thường than chỉ là một vật liệu đốt. Đốt ra tro, rồi than vẫn hoàn than. Không có ǵ phải nói. Nhưng với cặp mắt ṭ ṃ quan sát kỹ hơn th́ than đốt là một kết hợp vô định h́nh (amorphous) của nguyên tố carbon. Than có một người "anh em" cùng họ rất quí phái, đó là kim cương. Cái lấp lánh lung linh của kim cương đă làm cho phái tóc dài, bất luận già trẻ sang hèn, xúc động, mê mẩn, mê man từ ngàn xưa. Nhưng rất ít người biết rằng trong cái đống tro than, bụi than từ những quặng mỏ vĩ đại chứa những lớp than đen, trong đám bụi vũ trụ của các thiên hà bao la, đến bồ hóng của ḷ sưởi hay lọ nồi đóng trên soong chảo của cái bếp nhà quê khiêm tốn, ta có một dạng khác của than. Đó là quả bóng đá fullerene C60 chứa 60 nguyên tố carbon và ống than nano (carbon nanotube). 

Ống than nano có thể gọi là một vật liệu thần kỳ; một nàng Lọ Lem của của thế kỷ 21 đang khuynh đảo cộng đồng nghiên cứu khoa học và cũng đă làm biết bao trí tuệ khoa học phải ngắm nh́n, xem xét và "tương tư". Ống than nano là một trong những ng̣i nổ cùng với những vật liệu nano khác dẫn đến cuộc "nổ lớn" vô tiền khoáng hậu của nền công nghệ nano ở đầu thập niên 90 của thế kỷ trước. Một nhà khoa học đă đặt tên cho phong trào nghiên cứu ống nano là một "cuộc đổ xô t́m ống nano" (nanotube rush) để so sánh với cuộc "đổ xô t́m vàng" (gold rush) tại Mỹ và Úc vài thế kỷ trước. Cuộc đổ xô nano này vẫn c̣n đang tiếp diễn, và rất sôi động.

Người viết mạo muội dùng cụm từ "vật liệu thần kỳ" với ư nghĩa là trong lịch sử khoa học chưa có một vật liệu nào có một đặc tính vô cùng đa dạng, tiềm năng ứng dụng cực kỳ phong phú như ống than nano. Một trong những đặc tính khác thường của ống than nano là cơ tính và lư tính. Ống than nano có độ cứng (stiffness), độ bền (strength) siêu việt và truyền nhiệt tốt. Cấu trúc của ống có thể được thiết kế để thay đổi độ dẫn điện từ mức độ của kim loại đồng đến chất bán dẫn. Quang tính, điện tính (bao gồm điện, điện tử, quang điện tử) của ống than nano cho thấy những tính chất mới lạ chưa từng thấy trong các loại vật liệu hữu cơ lẫn vô cơ. Những đặc tính này đă thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và giới công nghiệp doanh thương. Ngoài các đặc tính vĩ mô, những hiện tượng lượng tử của ống nano như thông tin lượng tử, spintronic và ngay đến hiệu ứng siêu dẫn cũng đang được khảo sát. 

Nói về cơ tính, ống than nano bền và cứng hơn thép. Diễn tả một cách ví von, ống nano mang một sức bền có thể treo vài chục chiếc xe tăng khi ống được phóng đại có đường kính to bằng cây viết ch́. Nếu được triển khai đúng mức, đây là một vật liệu gia cường (reinforcement) quư giá cho các polymer gia dụng. Nói về các đặc tính điện tử và quang điện tử (opto-electronics), ống nano có tiềm năng ứng dụng vượt trội có thể thay thế nguyên tố silicon và các chất bán dẫn khác hiện nay đang thống trị thương trường máy vi tính và các linh kiện điện tử. Giữa thái độ lạc quan, lắm lúc chủ quan, của các nhà nghiên cứu hàn lâm và thái độ đầu tư thận trọng thường thấy của doanh thương, sự phát triển của ống than nano sẽ đi theo một chiều hướng ra sao, phải vượt qua những rào cản kỹ thuật nào, để tạo ra cú hích kinh tế, làm thay đổi bộ mặt xă hội, chế tạo sản phẩm làm ra lợi nhuận cho nền kinh tế quốc gia, nâng cao an ninh quốc pḥng và sự tiện ích cho cuộc sống con người?

Đă có nhiều bài viết đại chúng trên báo chí và các mạng điện tử (tiếng Anh cũng như tiếng Việt) biến ống than nano gần như một huyền thoại. Hy vọng bài viết này mang ống than nano trở về vị trí thực sự của nó và sẽ cho người đọc một vài nhận định cơ bản. 

 

2. Từ cái ḷ luyện thép

Măi cho đến gần đây, hầu như tất cả những bài viết và báo cáo khoa học liên quan đến ống than nano đều cho tiến sĩ Sumio Iijima là người đầu tiên khám phá ra vật liệu này. Sự kiện này gây ra không ít tranh luận về việc ai là người được mang cái danh dự "đầu tiên" trong việc khám phá ống than nano. Để có sự đồng thuận trong cộng đồng nghiên cứu khoa học, người ta đă đi ngược ḍng thời gian tra t́m những tư liệu và báo cáo nghiên cứu về sợi (fibre, filament) carbon. 

Công tŕnh nghiên cứu sợi carbon đă có từ hơn 100 năm nay và vào năm 1889 hai ông T. V. Hughes và C. R. Chambers đă có đăng kư quá tŕnh phát minh tạo sợi carbon qua sự phân hủy của methane (U.S. Patent 405480) [1]. Phương pháp dùng khí methane giống như phương pháp hiện nay tạo ống than nano. Cũng vào thời gian này, đăng kư phát minh của bóng đèn điện trở cũng được trao cho Thomas Edison. Điều này cho thấy công tŕnh nghiên cứu sợi carbon cũng có lịch sử lâu đời như cái bóng đèn điện. Bẵng đi một thời gian dài hơn 60 năm, nghiên cứu sợi carbon dần dà trở lại. Vào đầu thập niên 50 của thế kỷ trước, hai nhà khoa học Nga, L. V. Radushkevich và V. M. Lukyanovich, tuyên bố việc chế tạo ống than nano lần đầu tiên trong bài báo cáo đăng trên tạp chí "Hóa học Vật lư" tiếng Nga [1]. V́ là tiếng Nga và ảnh hưởng chính trị do chiến tranh lạnh gây ra đương thời, sự giao lưu thông tin khoa học bị giới hạn nên bài báo ch́m vào quên lăng. Hai mươi năm sau, giáo sư Endo và cộng sự đă đăng h́nh ảnh của ống than nano trong Journal of Crystal Growth [2]. Một lần nữa, bài báo không tạo được sự kích thích vào cộng đồng nghiên cứu khoa học v́ lúc đó người ta đang tập trung nghiên cứu việc chế tạo và sản xuất đại trà sợi carbon (carbon fibres) từ sự nhiệt phân (pyrolysis) của polyacrylonitrile [3] mà hiện giờ là một sản phẩm gia cường phổ biến trên thương trường cho các loại composite.  Ngoài ra, một đăng kư phát minh Mỹ (US Patent 4 663 230, 1987) của nhà phát minh H. G. Tennent thuộc công ty Hyperion Catalyst Intenational (Mỹ) đă tuyên bố cách sản xuất ống than nano trước Iijima vài năm.

Sợi nano carbon (carbon nanofibres) đă được biết từ lâu nhưng không phải là một đối tượng nghiên cứu hấp dẫn, v́ chỉ là những sản phẩm phụ của công nghiệp than và luyện thép. Các nhà nghiên cứu trong ngành than và thép nhiều năm qua đă khảo sát các cụm than chứa sợi carbon ngắn nằm xen lẫn giữa các mảng bồ hóng đen đúa trong ḷ luyện thép nhằm loại trừ sự thành h́nh phiền toái của chúng trong quá tŕnh luyện thép [1]. Sợi nano carbon (có thể là ống than nano) đă bị các nhà luyện kim hất hủi như những đứa con hoang! Khi Iijima khảo sát fullerene C60 trong bồ hóng bằng kính hiển vi điện tử th́ ông t́nh cờ quan sát được người "anh em" của C60 - ống than nano. Sự "khám phá" t́nh cờ của tiến sĩ Sumio Iijima được đăng tải trên tạp chí Nature năm 1991 với tựa đề "Helical microtubules of graphitic carbon" (Vi mao xoắn của than graphit) [4] đă gây ra một chấn động trong ngành khoa học than và cũng tạo ra nhiều dư chấn đến những bộ môn khác.

Bài báo của Iijima xuất hiện vào đúng thời điểm "thiên thời, địa lợi, nhân ḥa" và nó hoàn toàn thay đổi cục diện nghiên cứu và lề lối suy nghĩ của các nhà khoa học về bộ môn "than" và nguyên tố carbon. "Thiên thời" là khi mà nghiên cứu về fullerene C60 c̣n đang sôi sục và nền công nghệ nano vừa manh nha xuất hiện. Cũng như nàng công chúa Lọ Lem, cái lộng lẫy kiêu sa và cái nhếch nhác lam lũ được định đoạt bởi một thời khắc quan trọng. Bài báo cáo được chấp nhận đăng trên tạp chí quyền uy Nature, là một "địa lợi" tuyệt vời. Và "nhân ḥa" là khi các nhà khoa học không c̣n xem "than" như là một loại bồ hóng vô dụng mà bây giờ là một vật liệu vô cùng quan trọng của nền công nghệ nano.

Trở lại việc xác nhận ai là người đầu tiên trong việc phát hiện ra ống than nano, th́ có lẽ hai nhà khoa học người Nga, L. V. Radushkevich và V. M. Lukyanovich, xứng đáng với danh dự này. Tuy nhiên, ta phải nh́n nhận rằng bài báo cáo của Iijima là cái mốc quan trọng trong việc nghiên cứu và triển khai ống than nano. Kể từ năm 1991, nghiên cứu về ống than nano bùng phát như băo lửa. Gần như một thông lệ, đối với những vật liệu đă từng có một thời gian sôi nổi như chất siêu dẫn, polymer dẫn điện hay fullerene C60, th́ sau khoảng 10 năm kể từ lúc được phát hiện, những công tŕnh nghiên cứu có khuynh hướng trầm lắng xuống và các nhà khoa học cũng như doanh nhân sẽ nh́n lại toàn bộ vấn đề để quyết định một hướng đi áp dụng. Tuy nhiên, cho đến ngày hôm nay (2009) đă 18 năm, việc nghiên cứu cơ bản và triển khai ứng dụng của ống than nano vẫn không giảm tốc. Số bài báo cáo đăng trên các tạp chí chuyên ngành và các đăng kư phát minh (patent) vẫn gia tăng theo hàm số lũy thừa. Ống than nano càng lúc càng cho thấy những đặc tính mới lạ và nhiều chức năng ưu việt, từ đó đưa đến nhiều tiềm năng ứng dụng sâu xa với khả năng thay thế vật liệu hiện có hay đề xuất một ứng dụng hoàn toàn mới.

 

3. Cơ tính siêu việt

Tập hợp của nguyên tố carbon thường được biết có ba dạng: than vô định h́nh (than đốt, bồ hóng), than ch́ (graphite) thường dùng làm lơi bút ch́ và kim cương. Quả bóng đá fullerene C60 được khám phá vào năm 1985 (giải Nobel Hóa học năm 1996) là dạng thứ tư của than. Ống than nano là một biến dạng của ḍng fullerene (H́nh 1).

H́nh 1: Các dạng của carbon: kim cương, fullerene C60, ống than nano, than ch́ (graphite).

Ống than nano giống như một quả mướp dài với đường kính vài nanomét (nm) và chiều dài có thể dài đến vài trăm micromét (10-6 m), và trong điều kiện thí nghiệm thích nghi có thể dài đến milimét. Ống nano là một phân tử rỗng và rất dài. Trong vài trăm triệu hợp chất hóa học từ trước đến nay, chưa có một phân tử nào có h́nh dạng giống như ống nano. Với đường kính vài nanomét ống nano carbon nhỏ hơn bề dày sợi tóc 100.000 lần. Việc chế tạo ống nano có thể được thực hiện bằng cách phóng điện hồ quang (arc discharge) hoặc dùng laser (laser ablation) bắn vào chất rắn carbon để tạo phân tử khí carbon, hoặc hoặc phun khí chứa carbon (chẳng hạn như khí carbon monoxide, CO, methane, CH4, acetylene, C2H2 v.v…) qua một ḷ nung (furnace) ở nhiệt độ 800 - 1200 °C (chemical vapour deposition, CVD). Khí sẽ phân giải ra các phân tử carbon. Những phân tử này sẽ tụ trên một bề mặt phủ những hạt kim loại như Fe, Co, Ni có kích cỡ nanomét. Hạt kim loại là những chủng tử xúc tác từ đó phân tử carbon sẽ chồng chập lên nhau tạo thành ống nano (H́nh 2). Đường kính của hạt kim loại cũng là đường kính của ống. Sự thành h́nh ống nano không phức tạp, nhưng tạo ra những ống nano giống nhau có cùng đặc tính, cấu trúc, kích thước trong những đợt tổng hợp và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất, đ̣i hỏi những điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác. 

H́nh 2: Quá tŕnh thành h́nh cuả ống than nano. (a) Các hạt xúc tác nano kim loại,
(b) Nguyên tố carbon chồng chập phát triển thành ống đồng thời nâng hạt kim loại lên,
(c) Sự thành h́nh chấm dứt.
 

Dù là một sản phẩm của cùng một pḥng thí nghiệm hay nhà máy, tính chất của ống nano cũng có thể khác biệt tùy theo mảng (batch) sản xuất. Kinh nghiệm của người viết và các cộng sự cho thấy đặc tính của ống than nano thay đổi theo từng mảng (batch) sản xuất mặc dù đă được tinh chế kỹ lưỡng và mua từ một công ty duy nhất. Điều này khiến cho việc xác định tính lập lại (reproducibility) của một thí nghiệm trở nên vô cùng khó khăn. Việc chế tạo ống than nano vẫn c̣n là một "nghệ thuật đen" (black art), không thể giải thích một cách khoa học mà tùy vào thói quen, kinh nghiệm của người điều hành sản xuất và qui tŕnh sản xuất của nhà máy hay pḥng thí nghiệm. Sản phẩm đại trà của ống than nano vẫn chưa có sự đồng nhất về chất lượng v́ người ta không kiểm soát hết các chi tiết trong quá tŕnh chế tạo và chưa có một qui tŕnh kiểm soát chất lượng (quality control) mang tính khoa học.

Dù là một "nghệ thuật đen", việc tổng hợp ống nano cũng đạt được một số tiêu chuẩn nhất định. Tùy vào điều kiện chế tạo, chất xúc tác kim loại và vật liệu nguồn, người ta có thể tổng hợp ống nano một vỏ (single-wall carbon nanotube, SWNT), và nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotube, MWNT). MWNT là một tập hợp của SWNT giống như con búp bê Nga (Russian doll) (H́nh 3). Cấu trúc ống cũng có thể chuyển biến dễ dàng tùy vào điều kiện chế tạo (H́nh 4). Các ống có khuynh hướng thành h́nh như những thân cây mọc thẳng tạo thành một "cánh rừng" ống nano, hay như một "cánh đồng lúa" (H́nh 5). Người ta cũng có thể thay đổi điều kiện tổng hợp để chế tạo ống than nano vỏ đôi (double-wall carbon nanotube, DWNT) hay ống có một kích thước và chiều dài nhất định. 

 

H́nh 3: Một phần của ống than nano nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện tử.
Khoảng cách giữa hai vỏ là 0,34 nm và đường kính của vỏ ngoài cùng 6,5 nm [4].

 

 

H́nh 4: Các cấu trúc khác nhau của ống than nano cho ra các đặc tính khác nhau.

 

 

H́nh 5: Một "cánh đồng" ống than nano [5]

 

Cho đến ngày hôm nay (2009), vẫn chưa có một sự đồng thuận và thống nhất về cơ chế tổng hợp của ống than nano. Đây là một trong những nguyên nhân đưa đến sự không đồng nhất của các mảng sản xuất ở những thời điểm khác nhau. Người ta vẫn chưa biết phản ứng cuả quá tŕnh tăng trưởng ống theo một cơ chế động học (kinetics) nào; chưa giải thích được tại sao khi hạt xúc tác kim loại nhỏ hơn 1 nm th́ ống than nano có khuynh hướng là ống vỏ đơn (SWNT) và khi lớn hơn 2 nm th́ là ống nhiều vỏ (MWNT). Và trong quá tŕnh tăng trưởng vỏ của MWNT, nguyên nhân nào tạo ra các vỏ với một khoảng cách giống nhau (0,1 - 0,5 nm) (H́nh 3)?  

CVD một là phương pháp đơn giản, ít tốn kém và thông dụng nhất hiện nay v́ nó có thể quy mô hóa (scale-up) gia tăng sản lượng để sản xuất đại trà. Ta chỉ cần ḷ nung cao nhiệt và b́nh khí cung cấp carbon nguồn là có thể tổng hợp được những ống than nano cơ bản. Tổng hợp ống nano bằng CVD là một thực nghiệm lư tưởng cho sinh viên năm thứ nhất. Hiện nay (2009), giá cho SWNT và DWNT tinh chế vẫn c̣n rất cao ở mức 500 đô-la/g. MWNT dễ tổng hợp hơn SWNT nên giá ở mức 100 đô-la/g cho loại chất lượng cao và trên dưới 1 đô-la/g với chất lượng trung b́nh. Gần đây Mitsui (Nhật Bản) và nhiều công ty khác tại Mỹ, Trung Quốc có thể sản xuất vài trăm tấn MWNT/năm cho nhu cầu công nghệ với giá 100 đô-la/kg. 

Độ cứng (stiffness) hay là mô-đun Young (Young's modulus) là một thông số cần đề cập trước tiên khi nói đến cơ tính một vật liệu. Nó liên quan đến độ bền (strength) và độ dai (toughness). Mặc dù là một lượng vĩ mô (macroscopic quantity) nhưng độ cứng bị chi phối trực tiếp bởi các loại liên kết hóa học (chemical bonding) của vật liệu. Liên kết cộng hóa trị (covalent bond) là liên kết bền nhất so với các nối khác như nối ion, nối hydrogen và nối van der Waals. Liên kết trong kim loại và ceramic (gốm sứ), kim cương, phần lớn là cộng hóa trị nên độ cứng rất cao. Trong vật liệu polymer, các liên kết là một hỗn hợp của nối cộng hóa trị, nối ion, nối hydrogen, nối van der Waals nên độ cứng nhỏ hơn vài trăm lần. Độ cứng của ống than nano rất cao v́ tùy thuộc vào nối cộng hóa trị sp2 (nối σ).  

Trong trải nghiệm đời thường, ta thường phỏng đoán độ cứng hay độ bền một vật bằng cách bẻ cong hay kéo. Từ những kinh nghiệm này, cách đo độ cứng và độ bền của vật liệu khối đă được chuẩn hóa và thông dụng trong các pḥng thí nghiệm với các loại máy đo cơ tính (uốn, bẻ, kéo, ép) chế tạo bởi công ty Instron hay Shimadzu. Trong trường hợp đo một ống than nano (nghĩa là một phân tử), phương pháp cũng không thay đổi nhưng dụng cụ phải ở cấp độ nanomét. Yu và các cộng sự [6] đưa ra một phương pháp đầy sáng tạo bằng cách dùng đầu ḍ của AFM (atomic force microscope, kính hiển vi lực nguyên tử) để kéo hoặc uốn cong ống nano, định lượng độ cứng và độ bền của một ống than nano (H́nh 6). Đầu ḍ AFM có mũi cực nhọn với đường kính vài nanomét tương đương với đường kính ống nano. Quá tŕnh định lượng cơ tính của ống than nano với đầu ḍ AFM được quan sát bằng kính hiển vi điện tử.

 

H́nh 6: Dùng đầu ḍ AFM (1) để đo cơ tính ống nano (2). (a) Bẻ cong và (b) Kéo thẳng.

 

Cách đo độ cứng và độ bền (tensile strength) cũng đă gây nhiều tranh căi v́ kết quả có một loạt trị số khác nhau (Bảng 1). Lư do là sự khác nhau trong cách đo đạc và phẩm chất vật liệu tùy pḥng nghiên cứu. Nói một cách chính xác hơn, điều kiện thí nghiệm chỉ khác nhau đôi chút cũng đủ làm cấu trúc khác nhau. Ngoài ra c̣n sự khác nhau về kích thước của ống, các khuyết tật cấu trúc và chất tạp trong quá tŕnh sản xuất làm thay đổi các trị số cơ tính. Ta cũng nên chú ư là trị số cơ tính trong Bảng 1 là của một ống nano. Sai số của sự đo đạc ở thứ nguyên nano cũng là một nguyên nhân đưa đến sự khác nhau về kết quả.

Bảng 1 : Cơ tính và mật độ của các loại sợi.

Vật liệu

 

Độ cứng (GPa)*

Độ bền (GPa)**

 Độ căng (%)***

Mật độ (kg/m3)

Thép

203

0.6

-

7.800

Nhôm

75

0.075

1.0

2.600

Sợi carbon# (HS)

240

6.4

1.8

1.800

Sợi carbon #(HM)

310

3.5

-

1.900

Sợi carbon #(UHS)

825

-

-

1.900

Sợi aramid (Kevlar)

180

3.5

3.0

1.440

Sợi thủy tinh (loại E)

76

3.5

4.7

2.900

Sợi thủy tinh (loại S)

96

4.8

-

2.900

Ống than nano

~ 1000

80 - 150

-

1.400

Poly(methylmethacrylate)

2,5

0,06

0.1 - 1

1.200

GPa : giga (G) pascal (Pa), 1 GPa = 109 Pa. Pa (= N/m2) là lực trên một đơn vị diện tích.

*Độ cứng (stiffness) c̣n gọi là mô-đun Young (Young's modulus).

**Độ bền ở điểm đứt (stress at break).

***Độ căng ở điểm đứt (strain at break).

# Tham khảo [3].

Tuy nhiên, cũng như Bảng 1 cho thấy dù các trị số khác nhau nhưng cơ tính của ống than nano nổi bật so với thép và các loại sợi gia cường (reinforcing fibres) hiện có trên thương trường. Nếu ta lấy trị số 1.000 GPa cho độ cứng và 100 GPa cho độ bền, ta thấy ống than nano cứng hơn thép 5 lần, bền hơn thép 160 lần nhưng lại nhẹ hơn thép gần 6 lần. Có thể nói ống than nano là có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay.

Để có một ư tưởng về sức bền siêu việt này, ta hăy làm một vài thí nghiệm tưởng tượng. Giả dụ ta có thể phóng đại ống than nano thành loại ống có đường kính vài cm, th́ ta có thể làm được ǵ? Với độ bền 100 GPa, nếu ống than có độ lớn cỡ cây viết ch́, th́ ống có thể treo vật nặng 1 triệu kg. Nghĩa là, treo 5 chiếc máy bay Jumbo 747 mỗi chiếc nặng 200.000 kg, hay 20 chiếc xe tăng mỗi chiếc 50.000 kg (Phụ lục 1)!

Tơ nhện là một loại sợi bền nhất trong các loại sợi thiên nhiên lẫn nhân tạo. Một chú ruồi nhặng bay hết tốc độ vẫn không thoát khỏi lưới nhện. Giáo sư Ray Baughman (University of Texas, Mỹ) cho biết ống than nano có cơ tính tương tự như tơ nhện [7]. Phóng đại việc "ruồi mắc lưới nhện" thành một sự kiện đời thường, con ruồi bây giờ là chiếc 747 nặng 200.000 kg đang thong dong bay ở tốc độ 1000 km/h, liệu ống than nano có thể kéo dừng lại chiếc máy bay hay không? Theo sự tính toán đơn giản dùng cơ tính tiêu biểu trong Bảng 1 và phóng đại ống nano thành "dây thừng" có đường kính 10 cm, một "mạng nhện" 10 dây ngang, 10 dây dọc, mỗi dây dài 20 m sẽ kéo chiếc máy bay dừng lại (Phụ lục 2). Một chiếc máy bay 747 bay ở vận tốc 1000 km/h có sức công phá mănh liệt, dễ dàng làm sập ṭa nhà chọc trời như ta đă thấy trong sự kiện 9/11. Khả năng kéo chững lại chiếc máy bay bằng lưới ống than nano, ít ra trên phương diện tính toán, cũng đă chứng tỏ một cái ǵ rất phi thường của vật liệu này.

Xin nhấn mạnh đây chỉ là thí nghiệm tưởng tượng khi ống nano được phóng đại và giữ nguyên cơ tính siêu việt của nó. Trên thực tế, ta phải xe sợi (spinning) hoặc bện thành dây thừng từ những ống nano li ti để thực hiện thí nghiệm thật. Tiếc rằng, như sẽ được đề cập ở phần kế tiếp, kỹ thuật hiện nay chưa chế tạo được sợi ống than nano có cơ tính tuyệt vời của các ống nano tạo thành. 

 

4. Gia cường

Gia cường các loại polymer/epoxy là một đề tài nghiên cứu quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp từ nhiều thập niên. Việc triển khai composite giữa polymer/epoxy và ống than nano là một hướng đi tất nhiên trong lĩnh vực gia cường. Như những trải nghiệm hàng ngày cho ta biết những đồ gia dụng polymer (plastic) rất tiện lợi v́ giá rẻ, dễ chế biến, nhẹ nhưng gịn, dễ găy nứt. Bảng 1 cho thấy cơ tính của một polymer tiêu biểu thông dụng, poly (methylmethacrylate), một loại plastic trong suốt như kính, chỉ cần 1 % ống than nano cũng đủ làm tăng cơ tính của polymer nhiều hơn 5 lần. Cần phải nhấn mạnh rằng cơ tính của ống than nano trong Bảng 1 là của một ống riêng lẻ (tức là 1 phân tử). Trên thực tế, ống than nano không hiện hữu từng ống một mà nhiều ống xoắn vào nhau thành những cụm hay bó (H́nh 7). Trong quá tŕnh sản xuất, sự kết tập của ống thành cụm hay bó xảy ra một cách tự nhiên v́ ống có diện tích bề mặt rất lớn nên lực van der Waals tạo ra sức hút rất hữu hiệu giữa các ống. Tiếc rằng, độ cứng (mô-đun Young) của những cụm này chỉ bằng 1/10 và độ bền lắm lúc chỉ c̣n 1/100 trị số của các ống nano tạo thành. 

 

H́nh 7: "Cụm tóc rối" ống nano (ảnh của tác giả).

 

"Cụm tóc rối" hay bó ống nano thật ra là những hạt ở kích cỡ micromét và việc gỡ rối cho ra từng ống riêng lẻ để tận dụng tối đa cơ tính của ống than nano là một trong những công tŕnh nghiên cứu quan trọng. Các cụm ống than nano được cho vào dung dịch nước chứa chất hoạt tính bề mặt và sao đó được đặt vào máy siêu âm [8]. Sự rung phát ra từ máy siêu âm và tác dụng của chất hoạt tính làm giảm sức căng bề mặt gỡ rối các cụm ống. Nhưng phương pháp này mang một khuyết điểm là có khuynh hướng cắt ngắn hay gây khuyết tật cấu trúc trên các ống nano đưa đến việc giảm thoái cơ tính của ống. Ngoài ra, tàn dư của chất hoạt tính bề mặt trên ống nano trở thành chất tạp làm giảm tác dụng gia cường của ống.

Sự thành bại của composite giữa polymer và ống than nano tùy thuộc vào cách tinh chế, gỡ rối và phân tán của các cụm và bó ống nano [9]. Việc sử dụng siêu âm cho một số thành quả nhất định nhưng sự gia cường vẫn chưa đạt đến trị số như lư thuyết đă dự đoán. Điều này chứng tỏ sự gỡ rối và phân tán ống nano vẫn chưa đạt đến mức mong muốn. Các phương pháp khác nhau như phay (milling), trộn (blending) với các chất hoạt tính bề mặt hay với phân tử DNA đă được khảo sát để tối ưu hóa sự gỡ rối và phân tán [10]. Cho đến ngày hôm nay (2009), chưa có một phương pháp hữu hiệu nào để tách các ống than nano hoàn toàn thành những ống riêng lẻ. Ngoài ra, bề mặt ống nano được gắn với các nhóm chức (functional group) thích hợp để tạo liên kết cộng hóa trị giữa chất nền và ống nano nhằm gia tăng sự gia cường đến mức tối đa.

Một phương pháp khác tận dụng cơ tính của ống nano cho ứng dụng gia cường là xe sợi (spinning). Giáo sư Ray Baughman và các cộng sự là những chuyên gia xe sợi ống nano với những kỹ thuật hàng đầu trên thế giới. Trong bài báo cáo ngắn với tựa đề "Super-tough carbon nanotube fibres" (Sợi ống than nano siêu dai) [7], Baughman cho biết sợi ống than của nhóm ông có độ dai (toughness) cao hơn thép, sợi Kevlar và tương đương với tơ nhện; được biết tơ nhện là loại tơ có độ dai cao nhất trong tất cả loại tơ sợi. Như vậy, sợi Baughman có khả năng làm áo giáp chống đạn rất tốt. Nhưng dù nhóm Baughman đă tạo được sợi ống nano siêu dai, độ cứng và độ bền vẫn chưa đạt đến trị số của ống nano (độ cứng, độ bền và độ dai là ba khái niệm khác nhau). Tương tự như "cụm tóc rối", độ cứng của sợi ống nano chỉ là 80 GPa (bằng khoảng 1/10 của một ống) và độ bền là 1,8 GPa (gần 1/100 của một ống) (Bảng 1) [7]. 

Nhóm Baughman tiếp tục triển khai sợi ống than nano bằng phương pháp trực tiếp kéo sợi từ "cánh đồng" ống nano [11]. Với phương pháp này những bó ống nano xoắn xuưt, chồng chéo sẽ được kéo thẳng ra và tạo thành sợi có đường kính 2 mm (H́nh 8A). Phương pháp kéo của nhóm Baughman c̣n có thể tạo ra mạng lưới ống nano thật mỏng và trong suốt với độ bền khá cao (H́nh 8B) [12]. Hiện tại, phương pháp tạo sợi và mạng có cơ tính đạt đến trị số của từng ống than cấu thành vẫn c̣n là một thử thách lớn lao. Tại sao lại có sự khác biệt to lớn giữa cơ tính sợi/mạng ống nano và ống nano tạo thành? Đây là một vấn đề nổi cộm trong lĩnh vực gia cường và màn bí mật của nó vẫn chưa được vén mở.

 

         

H́nh 8: (A): Kéo sợi và (B): Kéo mạng từ "cánh đồng" ống than nano.

 

5. Vật liệu chống rung

Các ṭa nhà cao tầng cần có thiết kế chống chấn động gây bởi động đất. Máy bay, tàu thủy, xe hơi cần những vật liệu chống rung để giảm tiếng ồn trong khoang và tránh sự găy đứt bất thần xảy ra bởi hiện tượng mỏi (fatigue). Bệ phóng tên lửa trên phi cơ chiến đấu hay tàu chiến cần thiết bị chống rung để gia tăng độ chính xác truy lùng và nhắm mục tiêu. Chân vịt tàu ngầm cần được thiết kế với vật liệu giảm rung để duy tŕ sự thao tác trong im ĺm và sự sống c̣n của chiếc tàu ngầm. Cán vợt tennis cũng cần vật liệu chống rung để gia tăng kỹ năng chơi banh và sức khoẻ của vận động viên. Sự chống hoặc giảm rung của ống than nano cho thấy một tiếm năng ứng dụng cực kỳ quan trọng từ các công tŕnh xây dựng đến cây vợt tennis.

Đă có những phương pháp xử lư rung qua sự kết hợp của các vật liệu mang tính đàn nhớt (viscoelastic), đàn hồi, từ tính, tính áp điện (piezoelectric), các loại chất lỏng điện lưu biến (electro-rheological) hay từ lưu biến (magneto-rheological) (chất lỏng có khả năng gia giảm một cách thuận nghịch độ nhớt dưới ảnh hưởng của điện trường hay từ trường). Nguyên tắc của sự chống/giảm rung là vật liệu phải mang một cơ chế hấp thụ năng lượng rung và cơ chế này khác nhau tùy vào đặc tính của vật liệu. Những vật liệu trên có khả năng hấp thụ năng lượng rung rất hiệu quả nhưng khi kết hợp chúng vào một hệ thống (thân tàu, thân máy bay, thân xe, bệ phóng tên lửa, chân vịt tàu ngầm, máy móc...) th́ có nhiều bất tiện trong vấn đề thiết kế xảy ra. Những vướng mắc này trở nên một chướng ngại cho việc hiện thực hóa thiết bị chống rung.

Giáo sư Pulickel Ajayan (Rensselaer Polytechnic Institute, Mỹ) là một người tiên phong trong các nghiên cứu về nanocomposite chứa ống than nano trên hai thập niên qua. Gần đây, nhóm nghiên cứu của ông đă xác nhận đặc tính chống rung của ống than nano [13-15]. Nhóm Ajayan đă chế tạo một phim nano dày 0,05 mm (50 mm) chứa ống than nano nhiều vỏ (MWNT). Mặc dù rất mỏng nhưng phim này có tác dụng chống rung rất hiệu quả. MWNT hấp thụ và tiêu tán (dissipation) năng lượng rung qua sự biến dạng (deformation) của những cụm ống nano trong phim và trượt (shear) lên nhau. Ta thấy rơ phim MWNT là một hệ thống động, nhận năng lượng rung và tiêu tán nó bằng những biến đổi nội tại.

Một nhóm nghiên cứu khác của giáo sư Wang [16] đă dựa vào kết quả của nhóm Ajayan để chế tạo một composite giữa epoxy và ống than nano vỏ đơn (SWNT). Composite này có tiềm năng ứng dụng rất cao v́ chỉ chứa một lượng nhỏ SWNT (0,5 - 5 %). H́nh 9 cho thấy sự giảm rung rất hiệu quả mặc dù lượng SWNT rất ít. Cơ chế hấp thụ và tiêu tán năng lượng rung là do sự di động trượt của ống nano và cọ xát với chất nền. Như vậy theo một lôgic đơn giản, muốn có sự giảm rung hiệu quả th́ ta cần bề mặt tiếp xúc giữa ống nano và chất nền thật rộng và độ cứng thật cao. Muốn thực hiện được điều này th́ đường kính của chất độn (filler, trong trường hợp này là ống nano) phải thật nhỏ (Phụ lục 3). Như đă tŕnh bày (Bảng 1), ống than nano có độ cứng siêu việt. Trong các loại ống than, SWNT là một loại có đường kính nhỏ nhất (vài nanomét) so với ống nano vỏ đôi hay nhiều vỏ (> 5 nm). V́ vậy, dùng SWNT trong composite là một lựa chọn hợp lư. Ta có thể mường tượng SWNT có tác dụng như một cây kim cứng trượt tới lui khi bị rung. Sự trượt khó có thể xảy ra khi vật liệu quá mềm và điều này có thể lư giải được qua những trải nghiệm thường ngày. 

 

H́nh 9: Độ rung giảm nhanh khi SWNT gia tăng từ 0 đến 1% trong composite.

 

Một điều thú vị có sự khác nhau giữa composite ống nano cho sự gia cường và sự chống rung. Trong khi ở composite gia cường cần liên kết cộng hóa trị giữa ống nano và chất nền để sự gia cường có hiệu quả tối đa, th́ ngược lại ở composite chống rung, liên kết giữa ống nano và chất nền phải yếu hoặc không liên kết để có sự trượt và cọ xát xảy ra. Các composite chứa sợi thủy tinh, sợi aramid (Kevlar) hay sợi carbon không có đặc tính chống rung v́ đường kính sợi ở cấp micromét, vài lần ngàn to hơn ống nano và chưa đủ cứng để sự trượt xảy ra khi rung động. 

Composite giữa polymer và ống than nano vẫn c̣n trong giai đoạn thí nghiệm. Ta cần phải đợi thêm một thời gian nữa để "gỡ rối" ống nano và có một thương phẩm composite ống nano thay thế các composite "cổ điển" gia cường bằng các loại sợi thủy tinh, Kevlar hay carbon. Ta có thể hy vọng composite ống nano tương lai sẽ cho nhiều đặc tính như độ cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt, chống rung và hiệu quả "tàng h́nh" cho các ứng dụng quân sự. 

 

6. "Bắc thang lên hỏi ông trời"

Cơ tính tuyệt vời của ống than nano làm bừng sống giấc mơ "cái thang không gian" (space elevator) của nhiều nhà khoa học và hiện thực hóa những điều tưởng tượng của các tác giả tiểu thuyết khoa học viễn tưởng. Người viết chợt nhớ đến câu chuyện "Cu Jack và dây leo đậu" (Jack and the Beanstalk), kể chuyện hạt đậu nở ra thành dây leo to bằng cổ thụ xuyên thủng trời xanh, mà hằng đêm người viết vừa đọc vừa vẽ vời tô điểm để đưa các con vào giấc ngủ. Giấc mơ "thang trời" cũng đă xuất hiện cách đây hàng ngàn năm. Trong kinh Sáng Thế (Genesis), Jacob nằm mơ thấy cái thang nối liền quả đất và trời, có những thiên thần nhộn nhịp lên lên xuống xuống. 

Cũng cái chuyện leo lên trời, người viết lại nghĩ đến cụm từ "bắc thang lên hỏi ông trời", thỉnh thoảng xuất hiện trong thi ca b́nh dân. Dân ta thường thắc mắc những chuyện không đâu nhưng lại không t́m ra câu trả lời, nên muốn "bắc thang lên hỏi ông trời". Hay có những kẻ lăng mạn hơn muốn bắc thang lên cung Nguyệt t́m gặp Hằng Nga. Vào Google đánh vào cụm từ này, hàng loạt câu hỏi "giải đáp tâm t́nh", vấn kế ông trời được đặt ra, chẳng hạn có người viết rằng: "Bắc thang lên hỏi ông trời. Sao cho con lấy những người con yêu. Ối dzời mày chớ có liều. Lấy nhiều tàn mạt tiêu điều nghe con!"... Đại loại như thế. Dân ta chỉ nghĩ chuyện gặp ông trời nhưng không ai nói đến phương tiện hay cách làm cái thang. Có lẽ nó lắm vẻ hoang đường nên dân ta thực tế không cần thiết phải bàn nhiều hay chăng?

Tuy nhiên, ư tưởng làm cái thang trời đă manh nha vào cuối thế kỷ 19 từ ư tưởng một nhà khoa học người Nga, Konstantin Tsiolkovsky. Công tŕnh cao nhất thời đó là cái tháp Eiffel tại Paris, ông nh́n tháp nghĩ đến chuyện làm cái thang không gian. Như Einstein từng nói, sự tưởng tượng đưa con người đi khắp tất cả mọi nơi. Cái thang không gian xem chừng như là chuyện không tưởng và ngoài chuyện đồng thoại "Dây leo đậu" nó đă là đề tài hấp dẫn trong những quyển tiểu thuyết khoa học viễn tưởng. Nhưng trên quan điểm khoa học việc xây dựng thang không vi phạm một qui luật vật lư nào, nếu con người có khả năng thực hiện và sở hữu một vật liệu thật bền chắc.

Vậy cái thang trời cần phải cao bao nhiêu th́ mới... đụng trời? Tính ra con số th́ phải cao đến 100.000 km, 20 lần dài hơn Vạn Lư Trường Thành, gấp 2 lần xích đạo của quả đất. Để có một sự so sánh ta hay tham khảo vài con số, máy bay dân sự bay ở độ cao 10 km (cao hơn đỉnh Everest khoảng 1 km), các vệ tinh truyền thông, thời tiết, trinh sát bay ở độ cao vài trăm đến vài chục ngàn km và khoảng cách từ quả đất đến mặt trăng là 380.000 km. Cái thang không gian sẽ lơ lửng giữa trời nhưng nó không cụp xuống, v́ ở đỉnh thang được đặt một khối đối trọng (counterweight) nặng 80 tấn sao cho trọng tâm thang cách mặt đất khoảng 36.000 km (H́nh 10). Thang sẽ là một dải băng rôn của ống than nano. Dải băng rôn than nano lúc nào cũng bị căng do hai lực: (1) lực kéo xuống hướng về mặt đất do trọng lực và (2) lực hướng lên do lực ly tâm tác động lên khối đối trọng gây ra bởi sự quay của quả đất. Hăy tưởng tượng ta quay một viên đá ở đầu một sợi giây. Chiếc xe (climber) chuyên chở bám vào thang chạy lên xuống như những thiên thần trong giấc mơ của Jacob, mang theo người, dụng cụ làm việc, các loại tải trọng (payload) như vệ tinh để thả vào không gian.

 

H́nh 10: Khái niệm của thang không gian. Earth: trái đất, Climber: xe đi lại,
Cable: băng vận chuyển, Center of mass: trọng tâm của hệ thống thang,
Counterweight: đối trọng (Nguồn: Wikipedia).

 

Cơ tính ưu việt của ống than nano đă trở thành một kích thích tố thúc đẩy mạnh việc xây dựng cây thang vạn lư. Những cuộc hội thảo về thang không gian được tổ chức thường xuyên đă thu hút hàng trăm khoa học gia và kỹ sư toàn thế giới trong mỗi lần họp mặt. Những tin tức về nghiên cứu liên tục xuất hiện trên báo chí và các phương tiện truyền thông có lẽ v́ sự táo bạo, nửa hiện thực nửa viễn tưởng của nó. Tuy nhiên, đối với một số nhà khoa học đây là công tŕnh nghiêm túc, không phải chuyện đùa viễn tưởng phí phạm tiền thuế nhân dân!

Nếu thành công, việc phóng vệ tinh vào không gian sẽ giống như ta đứng trên ban-công mở lồng thả chim bay. Phí tổn để phóng một vật thể vào không gian bằng tên lửa hay tàu không gian con thoi (space shuttle) là 100.000 đô-la cho mỗi 0,5 kg. Dùng thang không gian, phí tổn sẽ giảm xuống c̣n 100 đô-la 1000 lần ít hơn, tương đương với dịch vụ giao hàng nhanh của FedEx. Tàu con thoi có thể bị trục trặc nổ tung khi bay vào không gian cũng như có thể bốc cháy khi trở về quả đất nếu bay lệch góc khi vào khí quyển. Theo chuyên gia, thang không gian sẽ an toàn hơn. Khi ra ngoài không gian không c̣n ảnh hưởng trọng trường, chiếc xe bị lực ly tâm tác động và như được chắp cánh thiên thần có thể leo với vận tốc 30.000 km/h và khi gần đến mặt đất sẽ lên xuống nhẹ nhàng với tốc độ giảm đến 20 km/h. Ngoài việc "thả" vệ tinh, có một ư nghĩ cực kỳ điên rồ của các chuyên gia Mỹ cho rằng thang không gian là phương pháp rẻ tiền và thoải mái nhất để "chôn" các chất thải hạch nhân bằng cách tống khứ tất cả vào vũ trụ!

Theo sự tính toán sơ khởi dùng sức bền là 100 GPa và mật độ 1.400 kg/m3 (Bảng 1), ống than nano thỏa măn điều kiện bền chắc cho vật liệu thang không gian. Về h́nh dạng của thang, có người bảo chỉ cần tạo một dải ống than nano bề ngang 1 m mỏng như mảnh lụa đào, rồi thả vào không gian vô tận. Nhưng để có sự bền chắc tối đa, phân bố ứng suất (stress) phải giống nhau trên toàn dải băng rôn ống than nano; bề ngang phải cực tiểu trên mặt đất và cực đại ở điểm cao 36.000 km (trọng tâm của dải băng rôn). Theo tiến sĩ Nicola Pugno [17], tỷ số giữa bề ngang cực đại và cực tiểu của thép là 1033 cho thép và 2,6 x 108 cho Kevlar! Hai con số quá to và không tưởng cho việc thiết kế. Tuy nhiên, tỷ số này chỉ là 1,9 (cực tiểu 1 m trên mặt đất và 1,9 m ở độ cao 36.000 km) cho ống nano. Như vậy, đề nghị "dải lụa đào" bề ngang 1 m thả vào không gian tạm thời chấp nhận được v́ rất gần với h́nh dạng tối ưu. Thật là một điều đáng mừng và thêm một lần nữa, ống than nano vượt qua một thử thách khác.

Nhưng cái nồng nhiệt ban đầu từ từ bốc hơi khi những đ̣i hỏi khe khắt hơn xuất hiện. Những chi tiết này đă được tŕnh bày trong bài viết xuất sắc của tiến sĩ Nicola Pugno với tựa đề "Space elevator: out of order?" (Cái thang máy không gian: hỏng rồi chăng?) [17]. Theo Pugno, sự lo lắng của ông có một cơ sở khoa học chắc chắn. Ông áp dụng "cơ học găy đứt" (fracture mechanics) ở mức phân tử để tính toán độ bền của ống than nano. Có thật hay không "Cái thang máy không gian: hỏng rồi chăng?". Con số tuyệt vời 100 GPa cho độ bền và 1.000 GPa cho độ cứng là cơ tính của một ống than nano toàn bích không có khuyết tật cấu trúc (structural defect). Tuy nhiên, nếu 1 ống than nano chỉ cần mất đi 1 nguyên tử carbon, th́ ống sẽ mất ngay 30 % độ bền. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến việc thiết kế thang không gian. Dù các nhà khoa học có thể tạo ra ống than nano lư tưởng, 100 % không khuyết tật, sự va đập ngoại vật trong lúc sử dụng và thao tác cũng gây vết t́, trầy xước. Những yếu tố gây tác hại trong khi sử dụng như sấm sét đánh vào, sự dao động bởi những trận cuồng phong gây ra hiện tượng mỏi (fatigue) ở hạ tầng khí quyển, vẫn thạch vũ trụ va đập vào thang, tia tử ngoại ngoài không gian là nguyên nhân nghiêm trọng gây ra sự găy đứt các liên kết carbon ở mức vi mô cho đến những t́ vết ở mức vĩ mô.   

Ngoài ra, như đă đề cập ở phần trên, hiện nay những sợi vật liệu tạo từ ống than nano chỉ có độ cứng (mô-đun Young) bằng 1/10 trị số của ống than tạo thành. Và dựa trên kết quả lư thuyết, khi độ bền chỉ c̣n 10 GPa th́ tỷ số bề ngang cực đại và cực tiểu của dải ống nano tăng lên 613; 1 m ở mặt đất và 613 m ở độ cao 35.000 km. Một việc trên thực tế rất khó thực hiện. Tệ hơn nữa, độ bền sợi ống than nano của kỹ thuật hiện tại chỉ là 1,8 GPa [7]. 

Pugno nghĩ như thế nào về "cây leo" ống than nano? Ông kết luận rằng "Không thực hiện được! Với kỹ thuật hiện tại, không bao giờ!". Nhưng cũng có ư kiến lạc quan hơn "Đừng bao giờ nói không bao giờ" (Never say never) [18]. Công tŕnh thang không gian vẫn tiếp diễn và các triển khai đạt độ bền tối đa cho sợi ống nano vẫn là đề tài nghiên cứu "nóng". Những nỗ lực làm thang không gian trên thế giới không đâu sôi động bằng Mỹ và Nhật. NASA đă dự trữ vài triệu đô-la tiền nghiên cứu cho công tŕnh này. Số tiền không nhiều nhưng cũng là một nỗ lực đáng ghi nhận. Công ty Mỹ, LiftPort, được thành lập chuyên thiết kế thang không gian. Chính phủ Nhật Bản đang dự tính đầu tư vài tỷ đô-la. Nhưng có lẽ v́ khủng hoảng kinh tế toàn cầu, tạm thời hơn 100 chuyên gia Nhật phải làm công việc khác kiếm tiền để có thể chu cấp kinh phí tiếp tục công tŕnh thang không gian [19].

Trong khi đó các cuộc hội thảo về thang không gian vẫn được tổ chức thường xuyên, các nhà khoa học, kỹ sư, doanh nhân vẫn tiếp tục gặp nhau nói chuyện trên trời. Họ là những chuyên gia nhiệt t́nh với nghề, đầy ắp niềm tin, mang nhiều hoài băo hay chỉ là một nhóm người sống trong mơ, xa rời thực tại. Thời gian sẽ trả lời. 

 

7. Các ứng dụng điện tử

Ống than nano có đường kính từ vài nanomét đến vài chục nanomét nhưng có thể dài đến micromét, thậm chí milimét. Nó lại dẫn điện. V́ vậy, ống nano có thể xem như một dây dẫn điện có đường kính cực nhỏ và có thể xem như dây dẫn điện lư tưởng một thứ nguyên, 1-D (one dimension). Từ điểm xuất phát này các nhà khoa học nghĩ đến các ứng dụng trong điện tử (electronics) hay quang điện tử (opto-electronics). H́nh dạng ống lại đưa đến một tính chất đặc biệt rất quan trọng là sự truyền điện đạn đạo (ballistic conduction). "Đạn đạo" ở đây không liên quan ǵ đến vũ khí mà chỉ dùng để diễn tả quá tŕnh truyền điện trong đó điện tử (electron) di động thẳng theo một phương hướng nhất định như tên lửa, không bị vướng mắc và không có sự va chạm đến các nguyên tử của vật liệu. Sự truyền điện thông thường trong kim loại thường gây ra nhiệt v́ khi di động điện tử thường xuyên va chạm vào nguyên tử và đó nguyên nhân của điện trở và nhiệt. Ta có thể mường tượng sự di chuyển "phi đạn đạo" của các điện tử trong kim loại là một con đường ngoằn ngoèo, bá vào người này chạm vào người kia của một người chạy bộ giữa chốn đông người. Truyền điện đạn đạo khác sự truyền điện siêu dẫn là truyền đạn đạo không có hiệu ứng từ tính Meissner và khi tắt nguồn điện ḍng điện triệt tiêu, nhưng trong chất siêu dẫn ḍng điện vẫn tiếp tục hiện hữu [20]. 

Bằng những thiết kế thí nghiệm tinh vi và sáng tạo, nhóm de Heer (Georgia Institute of Technology, Mỹ) đă xác định sự truyền điện đạn đạo trong SWNT và MWNT [21-22]. Điểm nổi bật rất quan trọng của ống than nano là sự truyền điện đạn đạo có thể xảy ra ở nhiệt độ b́nh thường, trong khi nhiều vật liệu khác hiện tượng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ âm vài trăm độ C. Một điểm nổi bật khác là ống than nano có thể tải điện ở mật độ rất cao 109 - 1010 Ampere/cm2, hay là 1000 lần cao hơn đồng [23]. Điều này cho thấy một tiềm năng ứng dụng rất đa dạng trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử khi linh kiện và mạch điện càng lúc càng thu nhỏ đến mức nanomét. 

Con người đang ở thời đại của cách mạng tin học. Chiếc máy vi tính, điện thoại cầm tay, máy ảnh kỹ thuật số, màn h́nh tivi mỏng với độ phân giải cao, iPod, iPhone, và nhiều dụng cụ điện tử khác trở thành những vật không thể thiếu trong một cuộc sống văn minh. Đằng sau những dụng cụ này là một linh kiện điện tử quan trọng gọi là transistor. Và vật liệu làm nên transistor là nguyên tố bán dẫn silicon. Độ lớn, độ mỏng và các chức năng đa dạng của các dụng cụ điện tử, quang điện tử tùy thuộc vào sự thu nhỏ của transistor. Transistor là đầu năo hoạt động của các dụng cụ điện tử hiện tại. Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor làm dụng cụ càng linh hoạt, chức năng càng cao, ứng đáp càng nhanh chóng, kích thước càng mỏng, nhỏ và gọn gàng. Từ những ưu điểm này, sự đ̣i hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mănh liệt. Trong ṿng 40 năm, transistor đă thu nhỏ vài chục triệu lần và giá cả chế tạo một transistor giảm đi một triệu lần. Giá một chiếc máy vi tính thật ra giảm rất nhiều so với tính năng càng lúc càng phong phú của nó. Nếu giá chiếc xe hơi có độ giảm giá giống như transistor th́ ngày hôm nay ta có thể mua một chiếc xe hơi với giá vài xu! Hiện nay, transistor "Penryn" do hăng Intel chế tạo từ nguyên tố silicon và hafnium có kích thước 45 nm là transistor nhỏ nhất trên thương trường. Theo luồng chế biến này, người ta dự đoán rằng transistor silicon với kích cỡ 16 nm sẽ được tung trên thương trường vào năm 2018.

Silicon quả là một vật liệu điện tử tuyệt vời mang đến biết bao điều thoải mái, tiện ích, nâng cao đời sống vật chất và tinh thần của con người. Nhưng cuộc vui nào cũng phải có giây phút chấm dứt. Khi transistor càng nhỏ, ḍng điện bị thất thoát càng cao do sự ṛ điện (leakage) gây ra sự phát nhiệt không cần thiết. Trong tất cả máy vi tính, người ta gắn quạt và bộ phận hút nhiệt để làm giảm nhiệt độ bộ phận xử lư trung tâm (CPU chip) nơi tập trung hàng trăm triệu transistor. Các nhà khoa học và kỹ sư vi mạch có tham vọng thiết kế transistor ở cấp phân tử, mức nhỏ nhất của vật chất. Nhưng transistor phân tử là một linh kiện của vài thế hệ kế tiếp; một viễn cảnh của 20 -30 năm sau. Cái thực thể "ngh́n trùng xa cách" chỉ cho ta một cái cảm giác hụt hẫng, nhưng giữa cái xa xăm này và cái transistor silicon ta đang có, là khả năng chế tạo transistor ống than nano.

Đường kính cực nhỏ cuả ống nano có thể giảm độ lớn của transistor đến kích cỡ vài nanomét. Ngoài ra, đặc tính truyền điện đạn đạo của ống nano sẽ cho những ứng đáp siêu nhanh (ultrafast response). Đại học công nghiệp Delft (Delft University of Technology, Hà Lan) và công ty IBM đă nghiên cứu transistor ống than nano từ năm 1998 (H́nh 11).

 

H́nh 11: Transistor ống than nano. (a) Cấu trúc, S: cực nguồn (source), D: cực máng (drain), Si back gate: cổng silicon. 
(b): Mặt trên của mẫu transistor với cực S và D là hợp kim Au/Ti được nối với một SWNT bắc ngang [24].

 

Điều làm ta có thể lạc quan về tương lai của ống than nano là những công ty lớn như IBM vẫn tiếp tục đầu tư vào các nghiên cứu ứng dụng điện tử của ống nano. Silicon không có khả năng thu nhỏ hơn nữa cho việc chế tạo transistor đến cấp phân tử và đây là một điều khẳng định trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Ngành công nghiệp điện tử phải sang trang để có một vật liệu mới và hướng đi mới. Tiến sĩ Phaedon Avouris và các cộng sự ở công ty IBM gần đây đă viết một bài tổng quan đặc sắc với tựa đề "Carbon-based electronics" (Điện tử học dùng carbon) [25], tổng kết những tiến bộ trong 10 năm qua của transistor ống than nano và gần đây của graphene [26]. Nhóm Avouris đă chứng tỏ tiềm năng của ống than nano qua sự thiết kế một mạch lôgic tích hợp (integrated logic circuit) chứa 10 transistor trên một ống than nano dài 18 mm [27]. Mạch tích hợp đầu tiên này có một độ nhỏ rất ấn tượng là 20 mm hay là 1/5 của bề dày sợi tóc. 

Trong việc thiết kế vi mạch, một bài viết của một nhóm nghiên cứu tại đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) xuất hiện trong số mới nhất của tạp chí Advanced Materials báo cáo một mạch điện phân tử dùng transistor ống than vỏ đơn (SWNT) và dùng ống than nhiều vỏ (MWNT) cho việc nối mạng (interconnect) thay v́ dùng kim loại (đồng, vàng, bạch kim) (H́nh 12) [28]. Nhóm nghiên cứu này tận dụng được đặc tính truyền điện đạn đạo cho ứng dụng transistor và mật độ tải điện tuyệt vời cho ứng dụng nối mạch và đă chứng tỏ mạch điện phân tử là một việc khả thi mà trong đó ống nano là viên gạch thiết kế cơ bản (building block).

 

H́nh 12: Transistor toàn ống nano: hai MWNT song song là cực nguồn (source)
và cực máng (drain) nối hai đầu SWNT của transistor.

 

Sự lựa chọn SWNT làm vật liệu cho transistor và MWNT làm dây "điện" phân tử liên mạng là một quyết định hợp lư, v́ SWNT có độ dẫn điện trong vùng bán dẫn như silicon, và MWNT có độ dẫn điện của kim loại. Tuy nhiên, như đề cập bên trên kỹ thuật tổng hợp ống than nano cho ta "mớ ḅng bong" vàng thau lẫn lộn. Cái "mớ ḅng bong" SWNT có 2/3 ống bán dẫn và 1/3 c̣n lại có độ dẫn điện kim loại. Ngoài ra, để tận dụng tính dẫn điện của MWNT, những vỏ bên trong cũng phải truyền điện đồng loạt. Như vậy, ta cần liên kết các vỏ bằng hạt kim loại hay carbide kim loại [29]. Sàng lọc SWNT để tuyển ra các ống nano bán dẫn và liên kết các vỏ của MWNT đang được nghiên cứu và thực hiện nhưng sẽ rất tốn kém trong quá tŕnh sản xuất.

Transitor và liên mạng dùng ống nano của nhóm nghiên cứu đại học Bắc Kinh là một công cụ phân tử tuyệt vời. Ta đang nh́n thấy tương lai! Tuy nhiên, trên mặt kỹ thuật transistor ống nano vẫn c̣n nhiều vướng mắc, về mặt giá cả nó chưa phải là một sản phẩm đại trà. Vấn đề kỹ thuật cơ bản vẫn là việc chế tạo chính xác cấu trúc của ống nano. Để có thể là một ứng viên tốt, độ dẫn điện của ống than nano phải ở trong một vùng nhất định với cấu trúc vi mô, kích thước giống nhau. Như đă đề cập ở phần trên, các mảng sản xuất không có sự đồng nhất và chính trong những mảng này lại là một "mớ ḅng bong" có một loạt ống nano với h́nh dáng, cấu trúc, cơ tính, độ dẫn điện, truyền nhiệt khác nhau. Nhưng các nhà khoa học không dễ dàng thối lui. Trong mười năm qua, người ta đă thấy những nỗ lực dồn vào việc tổng hợp các ống nano đồng nhất, chất lượng cao cho các ứng dụng điện tử (xem Bảng 2 ở Phần 10). Hơn nữa, các nhà khoa học đă nghiên cứu tính chất tự lắp ráp (self-assembly) của ống nano, một tính chất quan trọng cho việc chế tạo các công cụ điện tử ở cấp độ nanomét.

Một triển khai quan trọng khác đáng ghi nhận là sản phẩm điện tử ống nano của Nantero. Công ty Nantero (Mỹ) (www.nantero.com), một công ty nhỏ chuyên nghiên cứu và thương măi hóa chip nhớ (memory chip) hoàn toàn với ống than nano gọi là nano RAM (NRAM). Mục tiêu của Nantero là sẽ dùng NRAM trong máy vi tính, điện thoại, máy chụp h́nh kỹ thuật số và các dụng cụ điện tử khác. Nantero dự đoán NRAM sẽ có doanh thu 100 tỷ đô-la hằng năm, và hiện đang ở giai đoạn mẫu thử (prototype).

Như vậy, liệu transistor và chip ống than nano có thế thay thế linh kiện silicon trong vài năm tới và máy vi tính chúng ta đang sử dụng có thể thu nhỏ bằng cục đường cà phê 2 x 2 x 2 cm có bộ nhớ và sức mạnh thao tác tương đương? Không, hiện tại chúng ta vẫn chưa đạt đến tŕnh độ đó. Con đường thu nhỏ transistor bằng ống than nano là một con đường đầy hoa thơm cỏ lạ nhưng hiện nay nó vẫn c̣n lầy lội lắm chông gai. Một sản phẩm mới phải có sức cạnh tranh theo tư tưởng thực tế của thương trường là 10 lần tốt hơn và 10 lần rẻ hơn. Kỹ thuật dựa trên silicon có thể thu nhỏ transistor đến 16 nm, và hiện tại vốn chế tạo một chip vi tính chứa 109 (1 tỷ) transistor chỉ vào khoảng 50 đô-la. Dùng vật liệu mới thay thế silicon phải cần 20 năm để có một quy tŕnh công nghệ sản xuất đại trà với phí tổn tương đương [30]. Như vậy lúc nào th́ ống nano có thể chen chân vào thị trường transistor? Một chuyên gia dự đoán là trong khoảng 2015. Ta có thể thu nhỏ nhưng lợi nhuận th́ sao? Để có lợi nhuận ta cần phải đợi thêm vài thập niên nữa.

 

8. Bộ cảm ứng hóa học và sinh học

Ống than nano có thể dùng trong bộ cảm ứng bị kích thích bởi sóng điện từ (quang), nhiệt, điện, áp suất, lực, hóa chất hay phân tử sinh học (các loại phân tử trong cơ thể, DNA, enzyme, kháng thể, vi khuẩn, vi-rút...). Những tác nhân kích thích này làm thay đổi đặc tính của ống nano. Sự biến đổi điện trở hay điện dung (capacitance) của vật liệu cảm ứng là hai thông số thường được dùng để truy t́m hay phát hiện tác nhân kích thích. Polymer dẫn điện [31] là một trong những vật liệu được dùng cho mục tiêu này. Ống than nano cũng có một đặc tính tương tự.

Tuy nhiên, v́ sự đa dạng trong các tính chất của ống nano, vật liệu này được tận dụng để chế tạo cho những bộ cảm ứng hóa và sinh học (chemical and biological sensors) có thể phát quang. Việc đo đường trong máu là một việc cần thiết cho những người mắc chứng tiểu đường. Tiến sĩ Michael Strano (Đại học Illinois, Mỹ) thiết kế một bộ cảm ứng chứa ống than nano, phát quang khi bị kích thích bởi tia cận hồng ngoại. Tia cận hồng ngoại có thể đi xuyên qua mô mà không gây sự tổn hại đến tế bào nên rất phổ biến trong việc chẩn đoán y học. Ống nano được phủ lên một hóa chất phản ứng với đường glucose. Phản ứng này sẽ làm thay đổi cấu trúc điện tử của ống và khi chiếu tia cận hồng ngoại (bước sóng 700 - 900 nm) th́ ống nano sẽ phát quang. Cường độ phát quang càng to khi lượng đường càng nhiều. Bộ cảm ứng được cấy dưới da để theo dơi lượng đường mà không cần trực tiếp lấy máu theo phương pháp thông thường.

Công nghệ thực phẩm cũng cần bộ cảm ứng để quản lư phẩm chất của thịt, sữa. Sự rữa thối do vi khuẩn cần phải được phát hiện sớm để tránh ngộ độc thực phẩm. Bộ cảm ứng hóa và sinh học ống than nano được dùng để kiểm tra độ tươi của thịt hay định lượng chất phụ gia (additives), thuốc sát trùng, diệt cỏ, hóa chất độc hại trong thịt tươi hay thịt biến chế. "Mũi điện tử" ống than nano được nghiên cứu dùng trong quốc pḥng và chống khủng bố để "đánh hơi" bom hay vũ khí sinh hóa học dấu trong hành lư, xe hơi, máy bay. Khả năng cảm ứng của ống nano cho một tiềm năng ứng dụng rất rộng lớn.

Một trong những thiết kế của bộ cảm ứng là bộ cảm ứng dùng transistor. Mặc dù transistor ống than nano hiện tại chưa đạt đến tŕnh độ tinh vi thay thế hoàn toàn transistor silicon dùng trong vi tính hay các dụng cụ điện tử cao cấp, nhưng nó thừa khả năng tạo các bộ cảm ứng có độ nhạy thật cao. Hơn nữa, sự thu nhỏ của bộ cảm ứng không có sự đ̣i hỏi gắt gao như trong vi tính, nên việc triển khai transistor ống nano thành bộ cảm ứng hóa và sinh học trở thành một lĩnh vực áp dụng rộng răi cho công nghiệp và y học.

Ống than nano dùng cho bộ cảm ứng được xử lư hóa học bằng cách phản ứng với một hóa chất hay "gắn" trên bề mặt ống nhóm chức (functional group), phân tử sinh học thích hợp để có tác dụng chọn lựa với phân tử cần phải truy t́m. Phân tử này có thể là khí độc hay DNA, protein, enzyme, kháng thế, vi-rút, các loại vũ khí hóa học và sinh học. Độ nhạy của bộ cảm ứng thường được tính theo nồng độ của phân tử chất phân tích với đơn vị "phần triệu" (par per million, ppm) hay là "phần tỷ" (par per billion, ppb). Trong bộ cảm ứng thông thường, vật liệu cảm ứng là vật liệu khối (bulk) chứa hàng tỷ, tỷ tỷ phân tử. Nhưng vật liệu cảm ứng của transistor chỉ là một ống than nano, tức là một phân tử (H́nh 11). Hăy tưởng tượng vài phân tử khí độc tác dụng lên hàng tỷ phân tử của vật cảm ứng, như một giọt nước nhỏ vào ly nước, sự thay đổi rất khó phát hiện. Nhưng chỉ cần một phân tử này tác động lên ống nano (nghĩa là phản ứng giữa 2 phân tử) là ta thấy ngay sự thay đổi điện tính của transistor. Bộ cảm ứng transistor nếu được thiết kế hợp lư có thể dễ dàng đạt đến độ nhạy "phần tỷ".

 

9. Các ứng dụng khác

Sự cần thiết của việc định lượng cơ tính ở cấp nano đă khiến những thao tác nano (nano-manupilation) như kéo, bẻ, gắn ống nano có những tiến bộ khả quan. Một trong những thao tác này là việc khảo sát sự liên kết giữa các vỏ của ống than nano nhiều vỏ (MWNT). Cumings và Zettl [32] đă thực hiện một thí nghiệm rất ấn tượng với những thao tác nano trong đó vỏ ngoài cùng được cắt phần đầu để lộ ra vỏ bên trong. Vỏ bên trong được kéo ra vào như động tác "rút kiếm" hay điều chỉnh ống nḥm thiên văn. Sau khi kéo ra, vỏ bên trong được thả tự do và vỏ này sẽ tự động thụt vào do lực hút van der Waals giữa bề mặt vỏ ngoài và vỏ trong (H́nh 13). Lực hút van der Waals tác động khi hai bề mặt kề cận ở một khoảng cách cực nhỏ. Khoảng cách giữa hai vỏ tiếp cận của MWNT trong khoảng 0,1 - 0,5 nm (bằng độ lớn của một nguyên tử) (H́nh 3).

 

H́nh 13: Thao tác nano với MWNT. (a) MWNT nguyên trạng, (b) Cắt phần đầu, lộ vỏ bên trong,
(c) Gắn với đầu ḍ, (d) Kéo ra vào và (e) Thả tự do, trở lại vị trí ban đầu (thụt vào) bởi lực van der Waals.

 

Động tác "rút kiếm" ra vào được này được lặp lại nhiều lần để quan sát sự ma sát và mài ṃn ở thứ nguyên nano. Ngoài việc thiết kế một thí nghiệm có một không hai này, Cumings và Zettl đưa ra một kết luận rất quan trọng là ở cấp nano sự ma sát rất ít và do đó sự mài ṃn rất nhỏ. Đặc tính này tương tự như các động cơ phân tử sinh học trong cơ thể con người (thí dụ như động cơ phân tử ATPase trong tế bào). Có phải chăng ở cấp nano, dù là nhân tạo hay thiên nhiên, ma sát và mài ṃn không c̣n là yếu tố quan trọng? Sự quan sát của Cumings và Zettl cho thấy một triển vọng to lớn trong việc chế tạo những động cơ nano nhân tạo có năng suất cao và tuổi thọ lâu dài trong đó MWNT có thể dùng như ổ trục (bearing) hay một bộ dẫn động (actuator) nano.

Công tŕnh của Cumings và Zettl được nhanh chóng triển khai bởi các đồng nghiệp [33]. Họ áp dụng phương pháp của Cumings và Zettl để "cắt nano" vỏ ngoài cùng, tạo dáng cho MWNT. Lúc th́ cắt một đầu, lúc hai đầu, lúc th́ cắt phần giữa chừa lại hai đầu v.v... Một kỹ thuật thiết kế vỏ nano (nano-shell engineering) được phát huy triệt để. Sau đó, những ống sẽ được gắn vào nhau dưới kính hiển vi điện tử được phóng đại vài trăm ngàn lần, theo một mô h́nh mong muốn như trẻ con lắp ráp Lego. Họ không dùng lực cơ để kéo mà dùng lực tĩnh điện hay dùng điện áp để kích thích động tác đi ra đi vào của lớp vỏ bên trong. Tùy vào tần số của tác động bên ngoài (thí dụ, tần số của điện áp), động tác ra vào có thể đạt đến hàng tỷ lần trong một giây (Gigahertz). Những ống than nano có h́nh dạng khác nhau này sẽ là những bộ phận ráp nối tạo ra con robot nano biết đi, biết nhảy, biết rung động. Từ đây đến con nano robot là một hành tŕnh dài, nhưng MWNT với các loại vỏ khác nhau hy vọng sẽ là những viên gạch làm ra động cơ phân tử điều khiển con robot theo ư muốn.

Những tiềm năng khác của ống than nano c̣n rất nhiều như chế tạo siêu tụ điện (super-capacitor) hay vật liệu cho pin mặt trời. Một số nhà khoa học áp dụng ống nano vào y học. Họ dùng ống than nano như một giàn giáo (scaffold) để xương phát triển nối liền hai khúc xương găy. Ống nano có thể xuyên thủng vỏ tế bào và được sử dụng như một ống thông thương để truyền dược liệu trực tiếp vào tế bào. Tất cả những ứng dụng này phải cần ít nhất một thập niên để chính thức đưa vào trị liệu.

Tuy nhiên, ống than nano không phải là một vật liệu sáng tỏa phép mầu, "bách chiến bách thắng"! Có một lúc cộng đồng nghiên cứu khoa học bị khuấy động lên về việc ống nano có khả năng chứa rất nhiều khí hydrogen. Việc tồn trữ hydrogen như một nguồn năng lượng liên quan trực tiếp pin nhiên liệu (fuel cell) và rất thích hợp cho quan niệm năng lượng "xanh". Điều quan trọng là hydrogen cần được chứa một cách an toàn ở mật độ cao. Nếu vấn đề này được giải quyết, việc dùng pin nhiên liệu sẽ có một ảnh hưởng sâu đậm đến mọi ngành công nghiệp nhất là công nghiệp xe hơi. Thật không ǵ bằng khi ống nano có thể chứa hydrogen trong cái khoảng rỗng của ống. Nếu ống chứa được 6 - 10 % khí hydrogen cho mỗi đơn vị trọng lượng của ống nano th́ một cuộc cách mạng sẽ nổ ra trong nền công nghiệp xe hơi. Tính toán ban đầu cho thấy khả năng chứa đạt đến 60 %. Quá tuyệt vời! Nhưng con số này bị cho là sai lầm và thực tế ống than nano chỉ chứa nhiều lắm 1 %. Mọi việc nhẹ nhàng ch́m vào dĩ văng. 

Một đặc tính khác của ống nano là sự phát xạ trường (field emission). Khi điện thế được áp đặt vào một đầu của ống nano, đầu kia sẽ liên tục phát ra điện tử (electron). Đă có nhiều dụng cụ (thí dụ: ống tia âm cực) có đặc tính phát xạ trường nhưng ống nano có thể vận hành ở điện thế thấp, phát xạ trong một thời gian dài mà không bị tổn hại. Áp dụng trực tiếp của phát xạ trường là màn h́nh tivi và vi tính. Đây là một công nghệ mang lại 50 tỷ đô-la mỗi năm. Màn h́nh mỏng tinh thể lỏng đang thống trị công nghệ màn h́nh, thay thế dần các màn h́nh ống tia âm cực nặng nề, kềnh càng. Ống nano có thể làm màn h́nh mỏng hơn nữa, rơ nét và dùng điện 10 lần ít hơn. Các công ty điện tử đă làm mẫu thử (prototype) từ năm 1995 -1998, hy vọng chiếm lĩnh thị trường màn h́nh nhỏ hơn 5 inches. Nhưng các khuyết điểm của tinh thể lỏng như độ phân giải, h́nh ảnh mờ khi nh́n góc nghiêng đă lần lượt được giải quyết và vượt qua kỹ thuật ống nano. Nhiều công ty đă bỏ cuộc và hiện nay chỉ c̣n tập đoàn Samsung (Hàn Quốc) vẫn bám vào ống nano lội ngược ḍng! 

 

10. Con đường đi đến sản phẩm

Xuất phát từ năm 1991 khi Sumio Iijima tái phát hiện ống than nano th́ việc nghiên cứu và triển khai ống than nano đă đi qua 18 năm với số báo cáo khoa học lên đến chục ngàn và hàng ngàn đăng kư phát minh (patent). Việc nghiên cứu triển khai và ứng dụng ống than nano bao trùm hầu như tất cả mọi lĩnh vực trong khoa học, từ vật lư đến sinh y học, từ vật liệu học đến hoá học. Ngay trong ngành vật lư, bóng dáng ống than nano xuất hiện trong các hiện tượng vĩ mô như cơ tính, truyền nhiệt, dẫn điện, cho đến các hiện tượng vi mô, lượng tử như điện tử học, quang điện tử, quang tử học (photonics). Như một phản ứng dây chuyền, cái ống nano rỗng và dài không ngừng lộ ra những đặc tính kỳ diệu, cái này tiếp nối cái khác, liên tục kích thích sự hiếu kỳ của các nhà khoa học. Chẳng hạn, khi người ta chưa t́m hiểu hết đặc tính truyền dẫn đạn đạo th́ đồng thời phát hiện sự phát quang điện học (electro-luminescence) trong ống do sự lượng tử hóa, và khi cắt ống thành những ống nhỏ th́ các ống ngắn là những điểm lượng tử (quantum dot). Tiếp đến, những thao tác nano trong việc đo cơ tính đă đưa đến hàng loạt kỹ thuật để tạo ra những con robot nano mà MWNT là bộ phận cấu thành cơ bản. 

Mặt khác, từ những khám phá hàn lâm đến một ứng dụng ta lại có một loạt vấn đề cần phải giải quyết để quyết định ống than nano có phải là vật liệu mới thay thế cho vật liệu cũ cho một ứng dụng hiện có, hay một ứng viên sáng giá cho một ứng dụng hoàn toàn mới. Những vấn đề c̣n tồn đọng như cơ chế tổng hợp các ống nano giống nhau, tinh chế loại bỏ chất tạp, gỡ rối, xe sợi cần phải được giải quyết để có một sản phẩm ống nano đồng nhất dù đó là một nanocomposite gia cường, bộ cảm ứng, một ứng dụng y học hay là một transistor nano. Ống than nano vô h́nh chung trở thành người tù v́ sự đa dạng của ḿnh. Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu hàn lâm phần lớn chỉ dừng lại ở điểm là công bố những bài báo cáo và dùng số lượng bài báo như là một thành tích để tiếp tục t́m kiếm kinh phí cho một đề tài khác.

Nếu gọi là "vật liệu thần kỳ" với những đặc tính kỳ diệu và tiềm năng ứng dụng bao trùm nhiều lĩnh vực khoa học th́ không ít người sẽ hỏi rằng ống than nano hiện nay đă có sản phẩm ǵ trên thương trường. Phải nói là rất ít v́ các lư do trên. Những khám phát thú vị của ống than nano giờ đây đă được thu tóm trong một số thư tịch điển h́nh là quyển "Carbon Nanotubes: Advanced Topics in the Synthesis, Structures, Properties and Applications" ("Ống than nano: Những đề tài tiên tiến về Tổng hợp, Cấu trúc, Đặc tính và Ứng dụng) [34], dày ngót 700 trang. Nội dung quyển sách phấn lớn đề cập rất nhiều đến những thành quả rực rỡ của các nghiên cứu cơ bản hay tiềm năng ứng dụng trong tương lai, rất ít về các sản phẩm. Nhưng điều đáng mừng là phần lớn những công tŕnh nghiên cứu của ống nano đều phát sinh từ động lực ứng dụng. Theo thống kê, hơn 1/3 các báo cáo ống nano đều quan tâm đến ứng dụng. Một cách khách quan, ống than nano - một vật liệu chiếm một phần quan trọng của nền công nghệ nano - không phải không có một tương lai, nhưng các nhà khoa học cần hiểu rơ hơn quá tŕnh chông gai từ khám phá đến thương phẩm, gạt bỏ cái lạc quan "tếu", cần nhiều kinh phí nghiên cứu và nhiều thời gian hơn để tạo ra các sản phẩm giá trị.

Những điều viết bên trên cho thấy ống than nano cho con người một tiềm năng sâu rộng mặc dù việc nghiên cứu vẫn c̣n nhiều thử thách và khó khăn chập chùng. Nh́n một cách công bằng hơn, các sợi gia cường như sợi Kevlar, carbon "cổ điển" [3], cần đến 30 năm để trở thành một công nghệ trưởng thành trên thương trường. Việc thương măi hóa ống than nano vẫn c̣n nhiều thời gian và đă có những thành quả khả quan. Bảng 2 tŕnh bày động hướng triển khai trong lĩnh vực sản xuất doanh thương, chủ yếu chú trọng nhiều đến các công ty Mỹ. Đây không phải là một bảng đầy đủ nhưng nó biểu thị một thái độ "có thể làm" (can do) của giới doanh thương hay dùng khẩu hiệu thời thượng của Barack Obama là "Yes! We can". Giữa hai ư tưởng tương phản "chốn ấy hang hùm chớ mó tay" và "vào hang hùm mới bắt được cọp con", sự kết hợp giữa khoa học và doanh thương chứng tỏ phong cách của các nhà khoa học và tầm nh́n của các doanh nhân là một thái độ dấn thân "vào hang hùm", và cái "hang hùm" ống nano quả là rất đáng được "mó tay"...

 

Bảng 2: Nghiên cứu và triển khai của các sản phẩm ống than nano [35]

Công ty

Sản phẩm

Giai đoạn

Ống than nano chất lượng cao cho các ứng dụng điện tử

CarboLex  (Mỹ)

Chế tạo bằng hồ quang hay CVD

Sản xuất

Carbon Nanotechnologies (Mỹ)

Chế tạo bằng CVD

Sản xuất

Carbon Solutions (Mỹ)

Chế tạo bằng hồ quang

Sản xuất

SouthWest NanoTechnologies (Mỹ)

Ống than nano đặc biệt từ CVD

 

Thomas Swan (Anh)

Ống than nano sản xuất đại trà từ CVD

Sản xuất

Phim trong suốt

Battelle Memorial Institute (Mỹ)

Lớp phủ trong suốt

Nghiên cứu 

Eikos (Mỹ)

Mực in dẫn điện

Triển khai sản phẩm

Eastman Kodak (Mỹ)

Lớp phủ quang học trong suốt

Nghiên cứu, mẫu thử (prototype)

Unidym (Mỹ)

Phim cho màn h́nh chạm (touch screen), pin mặt trời, diode phát quang

Triển khai sản phẩm

 Linh kiện

DuPont (Mỹ)

Linh kiện điện tử trong suốt

Nghiên cứu 

IBM (Mỹ)

Transistor nano cho vi tính

Nghiên cứu 

Intel (Mỹ)

Liên mạng (interconnect)

Nghiên cứu 

Motorola (Mỹ)

Bộ cảm ứng hóa và sinh học

Mẫu thử 

Nanomix (Mỹ)

Bộ cảm ứng hóa và sinh học

Triển khai sản phẩm

Nantero (Mỹ)

Công nghệ bộ nhớ

Mẫu thử 

Samsung (Hàn Quốc)

Màn h́nh 

Nghiên cứu 

 

Bảng 2 cho thấy sự phát triển lôgic đi từ giai đoạn sản xuất các loại SWNT và MWNT chất lượng cao cho các ứng dụng điện tử, gia cường, đến các mẫu thử của bộ cảm ứng và giai đoạn nghiên cứu các linh kiện điện tử với những đ̣i hỏi khắt khe hơn. Các ứng dụng xuất hiện tương ứng với quá tŕnh sản xuất từ dễ đến khó, từ áp dụng vĩ mô đến vi mô, từ cơ tính đến điện tử. Sản phẩm đầu tiên của ống than nano nằm trong lĩnh vực gia cường v́ sản phẩm này có nhiều ứng dụng trong đời thường. Là một công ty có đăng kư phát minh đầu tiên về ống nano, từ cuối thập niên 80 của thế kỷ trước Hyperion Catalyst International (Mỹ) đă sản xuất MWNT ở đơn vị chục tấn hằng năm. Công ty này chế tạo nanocomposite giữa polymer (plastic) và ống nano cho công nghệ xe hơi. Cho đến ngày hôm nay đây là một sản phẩm ống than nano được phổ cập rộng răi. Những bộ cảm ứng ống than nano đang được triển khai trên quy mô nhỏ. Công ty Nantero đă tuyên bố việc ra đời bộ nhớ NRAM vào năm 2004 nhưng vẫn c̣n trong giai đoạn "mẫu thử" (prototype) chưa tung ra thị trường.

Những thành quả này khó xảy ra nếu không có chính sách mang tầm nh́n xa và chiến lược của chính phủ ở những nước tiên tiến. Các cơ quan tài trợ kinh phí nghiên cứu tại Bắc Mỹ, châu Âu, Úc, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan đều xem tiềm năng ứng dụng của các đề án công nghệ nano là quốc sách, trong đó ống nano chiếm vị trí hàng đầu. Từ Bắc Kinh đến Berlin, từ Seoul đến Singapore, hàng chục, hàng trăm triệu đô-la đă được đầu tư hằng năm vào vật liệu nano nói chung và ống than nano nói riêng. Chính phủ Mỹ có chính sách tài trợ các công ty nhỏ "start-up" như Nantero để biến những ứng dụng ống nano thành thương phẩm. Chính phủ Úc có những chương tŕnh đầu tư bằng cách thiết lập những Trung tâm Ưu việt (Centre of Excellence) và Trung tâm Hợp tác Nghiên cứu (Cooperative Research Centre) với sự tham gia và đóng góp của doanh thương tư nhân, cơ quan nghiên cứu chính phủ và đại học với chính sách nghiên cứu trải rộng từ cơ bản đến ứng dụng và sản xuất. Tại Đài Loan, Viện Nghiên cứu Khoa học Công nghiệp (Industrial Technology Research Institute) được thiết lập với mục đích là thương phẩm hóa các vật liệu nano. 

 

11. Lời kết

Từ pḥng thí nghiệm đến nhà máy sản xuất và xa hơn nữa là sàn chứng khoán, ta thấy khung thời gian của con người thay đổi tùy theo tư duy và chức năng. Để đạt đến mục tiêu, nhà khoa học có khung thời gian vài thập niên, kỹ sư nhà máy có khung thời gian vài năm và người đầu tư chỉ nghĩ nhiều lắm vài tháng. Sự thành bại của một thương phẩm xuất phát từ khám phá ở các pḥng thí nghiệm tùy vào sự dung ḥa khéo léo giữa các khung thời gian này. Điều này không chỉ riêng cho ống nano mà c̣n áp dụng cho mọi khám phá khoa học khác.

Đối với việc nghiên cứu và triển khai của ống nano, ta c̣n một chướng ngại cuối cùng nhưng cực kỳ quan trọng. Đó là tính an toàn. Đă có báo cáo cho biết rằng một ống nano như SWNT khi cấy vào tế bào sẽ làm tế bào phát viêm (inflammation), một hiện tượng giống như sợi thạch miên (asbestos). Khi ở trạng thái cụm hoặc bó, SWNT không gây sự phát viêm. Thạch miên được xác nhận là vật liệu gây ung thư phổi. Hiện nay vật liệu này bị nghiêm cấm sản xuất và sử dụng. Người ta đang khảo sát khả năng gây ung thư của ống nano sau khi gây phát viêm. Nếu khả năng này thực sự xảy ra giống như thạch miên, người viết thiển nghĩ việc nghiên cứu triển khai, cơ bản lẫn ứng dụng của ống nano trên toàn thế giới sẽ đứng chững lại như một đoàn tàu thắng gấp và có nguy cơ sụp đổ!

Ống nano là người hùng hay sát thủ. Ta hăy thận trọng và kiên nhẫn chờ xem.

Mùa Phục Sinh, April 2009.

TVT

 

Phụ lục: Những cách tính toán đơn giản

(1) Độ bền, σ, của ống than nano

σ = 100 GPa = 1011 Pa = 1011 N/m2

          ≈ 1010 kgf/m2 = 106 kgf/ cm2

V́ vậy, giả dụ ta có thể phóng đại ống nano to cỡ cây viết ch́ (đường kính khoảng 1 cm), ống sẽ treo được 1 triệu kg. Chiếc máy bay Jumbo 747 nặng 200.000 kg, treo được 5 chiếc. Chiếc xe tăng Leopard nặng 50.000 kg, treo được 20 chiếc.

(2) "Mạng nhện" kéo chững chiếc máy bay 747

Chiếc máy bay Jumbo 747 nặng 200.000 kg bay với vận tốc v = 1000 km/h. Động năng E1 của chiếc máy bay là,

E1 = 1/2(mv2)                                             (1)

m = 2 x 105 kgf = 2 x 106

v = 1.000 km/h ≈ 300 m/s

E1 =  9 x 1010 J                                          (2)

Ta có độ cứng Y (mô-đun Young) là 1.000 GPa (=1012 Pa) và độ bền (ứng suất) ở điểm đứt là σ = 100 GPa (=1011 Pa) tương ứng với độ căng (strain) là e. Giữa σe, ta có tương quan,

σ = Ye                                                        (3)

Ống than nano chứa một năng lượng, E2, được định nghĩa là

E2 = 1/2(σe)                                              (4)

Từ phương tŕnh (3) và (4) ta có,

E2 = 1/22/Y) 

    = 1/2 [(1011)2/1012]

    = 5 x 109 N/m2 (J/m3)                           (5)

 

Như vậy để có thể kéo chiếc 747 dừng lại ta cần

E1/E2 = 18 m3 ống than nano

Giả dụ ống có thể phóng đại lên thành ống có đường kính 10 cm th́ ta cần một mạng nhện có tổng cộng chiều dài khoảng 2000 m. Hay là, 10 x 10 ống, mỗi ống dài 20 m.

 

(3) Bề mặt tiếp xúc giữa ống nano và chất nền

Ta xem ống nano là một ống h́nh trụ có bán kính r và chiều dài ( >> r).

Diện tích của 1 ống nano là a = 2p rℓ. Thể tích của ống là vf =p r2 . Gọi f là tỷ lệ của ống nano trong composite. V là thể tích composite. Như vậy thể tích của toàn thể ống nano là fV. Ta có toàn thể số ống nano, n, là:

n = fV/vf = fV/p r2

Như vậy diện tích tiếp xúc, a, giữa ống nano và chất nền là:

a = n(2p rℓ)  = 2fV/r

 

Tài liệu tham khảo và ghi chú

 

1.                      N. Grobert, Materials Today, 10 (January - February 2007) 28.

2.                      A. Oberlin, M. Endo, T. Koyama, J. Cryst. Growth, 32 (1976) 335.

3.                      Đây là sợi carbon hiện có trên thương trường không phải sợi làm từ ống than nano. Loại sợi này đặc ruột có đường kính ở cấp micromét được chế tạo từ sự nhiệt phân (pyrolysis) của polyacrylonitrile. Sợi được xe thành sợi to rồi dệt thành "vải" (fabric) cho các ứng dụng gia cường.

4.                      S. Iijima, Nature, 354 (1991) 56.

5.                      P. Joseph, C. Cottin-Bizonne, J.-M. Benoît, C. Ybert, C. Journet, P. Tabeling and L. Bocquet, Phys. Rev. Letts, 97 (2006) 156104.

6.                      M-F Yu, O Lourie, M. J. Dyer, K. Moloni, T. F. Kelly and R. S. Ruoff, Science, 287 (2000) 637.

7.                      A. B. Dalton, S. Collins, E. Muñoz, J. M. Razal, V. H. Ebron, J. P. Ferraris, J. N. Coleman, B. G. Kim and R. H. Baughman, Nature, 423 (2003) 703.

8.                      R. F. Gibson, E. O. Ayorinde and Y.-F. Wen, Composites Science and Technology, 67 (2007) 1.

9.                      R. C. Haddon, J. Sippel, A. G. Rinzler and F. Papadimitrakopoulos, MRS Bulletin, April 2004, 252.

10.                 J. Hilding, E. A. Grulke, Z. G. Zhang anf F. Lockwood, J. Dispersion Science and Technology, 24 (2003) 1.

11.                 M. Zhang, K. R. Atkinson and R. H. Baughman, Science, 306 (2004) 1358.

12.                 M. Zhang, S. L. Fang, A. A. Zakhidov, S. B. lee, Ạ Ẹ Aliev, C. D Williams, K. R. Atkinson and R. H. Baughman, Science, 309 (2005) 1215.

13.                 N. Koratkar, B. Wei, P. M. Ajayan, Adv. Mater., 14 (2002) 997.

14.                 N. Koratkar, B. Wei, P. M. Ajayan, Composites Science and Technology, 63 (2003) 1525.

15.                 J. Suhr, N. Koratkar, P. Keblinski and P. M. Ajayan, Nature Mater., 4 (2005) 134.

16.                 X. Zhou, E. Shin, K. W. Wang and C. E. Bakis, Composites Science and Technology, 64 (2004) 2425.

17.                 N. M. Pugno, Nanotoday, 2 (December 2007) 44.

18.                 Phỏng theo một tựa đề của phim điệp viên James Bond 007 "Never say never again".

19.                 Theo tin tức của hăng truyền thông CNN, tháng 10, 2008.

20.                 Xem Wikipedia với từ khóa "ballistic conduction".

21.                 S. Frank, P. Poncharal, Z. L. Wang and W. A. de Heer, Science, 280 (1998) 1774.

22.                 P. Poncharal, C. Berger, Y. Yi, Z. L. Wang and W. A. de Heer, J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 12104.

23.                 J. Robertson, Materials Today, October 2004, 47.

24.                 B. L. Allen, P. D. Kichambare and A. Star, Adv. Mater., 19 (2007) 1439.

25.                 P. Avouris, Z. Chen and V. Perebeinos, Nature Nanotechnology, 2 (2007) 605.

26.                 Than ch́ hay than graphit (graphite) là một cấu tạo chồng chập song song của nhiều mặt phẳng liên kết các nguyên tố carbon. Một mặt phẳng gọi là graphene (xem H́nh 1).

27.                 Z. Chen, J. Appenzeller, Y.-M. Lin, J. Sippel-Oakley, A. G. Rinzler, J. Tang, S. J. Wind, P. M. Solomon and P. Avouris, Science, 311 (2006) 1735.

28.                 X. Liang, S. Wang, X. Wei, L. Ding, Y. Zhu, Z. Zhang, Q. Chen, Y. Li, J. Zhang and L.-M. Peng, Adv. Mater., 21 (2009) 1339.

29.                 J. Robertson, Materials Today, 10 (January-February 2007) 36.

30.                 S. E. Thompson and S. Parthasarthy, Materials Today9 (June 2009) 20.

31.                 Trương Văn Tân, "Vật liệu tiên tiến: Từ polymer dẫn điện đến ống than nano", nxb Trẻ, TP HCM, 2008.

32.                 J. Cumings and A. Zettl, Science, 289 (2000) 602).

33.                 L. Dong, A. Subramanian and B. J. Nelson, Nanotoday, 2 (December 2007) 12.

34.                 "Carbon Nanotubes: Advanced Topics in the Synthesis, Structures, Properties and Applications", A. Jorio, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus (Eds.), Springer, Berlin Heidelberg, 2008.

35.                 G. Gunner, Scientific American, May 2007, 76.

 


(*) Anh Trương Văn Tân sinh quán tại tỉnh Sa Đéc, cựu học sinh trường trung học Sa Đéc và Tống Phước Hiệp (Vĩnh Long). Anh Tân đến Nhật cuối năm 1969. Anh tốt nghiệp  Bachelor Eng. (1975), Master Eng. (1977) trường Tokodai (Tokyo Institute of Technology) và PhD (1980, University of Adelaide, Úc).
Anh Tân hiện làm việc tại Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Pḥng (Defence Science and Technology Organisation) trực thuộc Chính Phủ Liên Bang Úc. Anh chuyên về Vật Liệu Học và hiện nghiên cứu về polymers dẫn điện và ống nano carbon. Anh đă công bố gần 70 bài báo cáo khoa học trên các tạp chí khoa học quốc tế. Xem thêm những bài viết của anh Trương Văn Tân trên ERCT

Cảm tưởng xin gởi về : 

© "Khi phát hành lại bài này cần phải có sự đồng ư của tác giả 
và ghi rơ nguồn lấy từ www.erct.com"