Dẫn Nhập về Nanotechnology 1. Mở Đầu: Khoa học và kỹ thuật vi mô (10 -9 m) (Nanoscience and Nanotechnology) là lãnh vực khoa học hàng đầu trong thập niên gần đây. Trong ngôn ngữ khoa học, chữ nano có nghiã là môt phần triệu của một đơn vị nào đó. Thí dụ nhu khi nó dùng với một giây thì nó có nghiã là một phần triệu giây, hay khi đuợc dùng với một mét thi là một phần triệu mét. Vì lý do tiện nghi trong vấn đề thuật ngữ, những từ “Nanoscience” và “Nanotechnology” sẽ đựoc dùng trong bài viết này. Nanoscience và nanotechnology nói chung đề cập đến thế giới khi làm việc ở quy mô nanomét (từ môt nanomét đến mấy trăm nanomét). Những thí dụ cho những vật chất ở quy mô nanomét bao gồm những phân t ử nhỏ trong tự nhiên chứa vài nguyên tử nhu là phân tử H 2 O đến những phân tử protein rất lớn như hemoglobin với hàng ngàn nguyên tử và những phân tử khổng lồ DNA chứa hàng ngàn nguyên tử. Nói khác hơn, những vi cấu trúc (nanostructures) có kích thuớc từ kich thuớc của những phân tử đến kích thuớc vài micromét (10 -6 ). Những cấu trúc này chứa vô số những nguyên tử, và do đó, đặc biệt thích hợp cho việc nghiên cứu ở mức độ chi tiết nguyên tử. Nhìn ở mức độ phân tử, chúng lớn đến nổi chúng cung cấp những phương tiện tiếp cận với đặc trưng luợng tử (quantum behavior) mà những phương tiện khác không thể có đuợc. Khi nhìn ở góc độ vật chất, chúng nhỏ tới mức chúng có những đặc trưng mà ở những cấu trúc lớn hơn (ngay cả 0.1 mm) không thể quan sát đuợc. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory). Những cấu trúc vi mô còn là nơi trú ngụ và xuất thân tự nhiên cho những hiệu ứng luợng tử. Những vi cấu trúc này hình thành cơ sở cho những kỹ thuật vi điện tử hiện tại. Mặc dù những vi cấu trúc nhỏ so với kích thuớc thực nghiệm của con nguời, đặc tính vật lý của chúng đa dạng cũng như vật lý của những hệ thống trong thế giới vi mô. Trên căn bản, những vi cấu trúc khác hẳn: các đặc trưng của chúng, đặc biệt về điện và từ tính, hoàn toàn đuợc thống trị bởi biểu hiện luợng tử (quantum behavior). Chúng có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có. Chúng có thể đuợc lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những vi cấu trúc co thể đóng gói lại chặt chẽ và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao cung là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận (thỉnh thoảng, không kế cận). Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng luợng giữa những cấu hình khác nhau có thể có có thể được thay đổi cách đáng kể bởi những tuong tác đó. Trong vài trường hợp, sự hiện diện của liên diện giữa các bề mặt, với những tính chất khác với chính các vi cấu trúc làm tăng thêm sự phức tạp. Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá vàviệc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đuờng cho sựtiếp cận với những hệ thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micromét Nanoscience là một trong những biên giới khoa học chưa thám hiểm. Nó cung cấp cho những phương diện lý thú nhât cho những phát minh kỹ thuật 2. Tính Chất Cơ Bản của Vi Cấu Trúc Một trong những tính chất quan trọng của nanostructures là sự phụ thuộc vào kích thuớc của nanostructures. Vật chất khi ở dạng vi thể (nano-size) có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dang nguyên thể (bulk) không thể thấy đuợc. Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ và càng nhỏ hon nữa (tới kíck thuớc nanomét), các electron không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ luợng tử của các electrons biểu hiện ra ở dạng sóng. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tuợng luợng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới. Một vài hệ quả của hiệu ứng luợng tử bao gồm, chẳng hạn như: (i) hiệu ứng đuờng hầm (tunneling effect): electrons có thể tức thời chuyển động xuyên qua một lớp cách điện (insulator). Lợi điểm của hiệu ứng này là các vật liệu điên tử xây dựng ở nanoscale không những có thể được đóng gói dầy đặc (densly packed) hơn trên một con chip mà còn co thể hoạt động nhanh hơn, với ít electrons hon và mất ít năng luợng hon những transistor thuờng lệ. (ìi) sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn nhu tính chất điện (electrical) và tính chất quang không tuyến tính (non-linear optical). Bằng cách điều khiển kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật chất ở dạng nguyên thể (bulk). Môt thí dụ là "điểm luợng tử," đuợc viết tắt là QD (quantum dots). Một QD là một hạt vật chất có kich thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay lấy đi một electron làm thay đổi tính chất của nó theo một cách hữu ích nào đó. Do sự hạn chế về không gian (hoặc sự giam hãm) của những điện tử (electrons) và lỗ hỗng (holes) trong vật chất (một lỗ hỗng hình thành do sự vắng mặt của một electron; một lỗ hỗng hoạt động như là một điện tích dương), hiệu ứng luợng tử xuất phát và làm cho tính chất của vật chất thay đổi hẳn đi. Khi ta kích thích một QD, QD càng nhỏ thì năng luợng và cuờng độ phát sáng của nó càng tăng. Vì vậy mà QD là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới. Hiện nay liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thuớc đuợc biết là tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law). Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của môt chất rắn (chẳng hạn nhu ferromagnetism và magnetic hysteresis), và band gap của chất bán dẫn (semiconductor) phụ thuộc rất nhiều vào kích thuớc của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới hạn của kích thuớc nanomét. Hầu hết bất cứ một tính chất nào trong vật rắn đều kết hợp với môt kích thuớc đặc biệt, và duới kích thuớc này các tính chất cuả vật chất sẽ thay đổi. Mối quan hệ này mở đuờng cho cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất cấp tiến có đuợc những tính chất mong muốn, không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử hợp thành, mà còn bởi điều chinh kích thuớc và hình dạng. 3. Phương Pháp và Dụng Cụ Dùng Trong Đặc Trưng Hóa (Characterization) của Vi Cấu Trúc Phương tiện mới nhất đuợc dùng trong nanotechnology là Scanning Tunneling Microscope (STM), phát minh bởi nhóm nghiên cứu IBM Research Center ở Switzerland, dẫn đầu bởi Gred Binning và Heinrich Rohrer. Nó chủ yếu bao gồm một ngòi viết cực nhỏ có thể quét trên bề mặt. Tuy nhiên, do ngòi viết này chỉ cách bề mặt của vật cần đo đạt vào khoảng vài nguyên tử và đầu (tip) của nó có cấu trúc tinh vi (kích thuớc cở chừng khoảng vài phân tử hoặc nguyên tử), hiệu ứng cơ luợng tử xảy ra. Khi ngòi viết đuợc quét trên bề mặt, electrons có thể vuợt qua khỏi (tunneling) khoảng cách không gian giữa bề mặt và đầu của ngòi viết. Kỹ thuật này làm cho một computer có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân tử và nguyên tử của vật chất. Những phương tiện dụng cụ khác bao gồm molecular beam epitaxy, moleculaer self-assemly, electron microsopy, X-ray crystallography, NMR (nuclear nagnetic resonance) spectroscopy, AFM (Atomic Force Microsopy), SEM (Scanning Electron Microscopy), and TEM (Tranmission Electron Microscopy). 4. Lắp Ráp và Điều Chế Trong những năm gần đây việc tổng hợp và kết hợp những vi cấu trúc đạt được nhiều tiến bộ đáng kể. Những phương pháp điều chế đi từ việc tổng hợp của những vi tinh thể đến việc điều chế những điểm lượng tử, từ việc tổng hợp những fullerenes (fullerene là một dạng đồng hình khác của carbon có cấu trúc hình cầu, chẳng hạn như C 60 , C 80, vv ), nanotubes (nanotube cũng là một dạng đồng hình khác của carbon có dạng hình trụ rất dài; nó là đại phân tử có thể chứa tới hàng ngàn cho tới hàng chục ngàn nguyên tử carbon) và những vi cấu trúc một chiều đến việc điều chế những hợp chất vô cơ có kích thước trung gian (micromet). Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu cũng bắt đầu tập trung vào việc tổng hợp dentrimer và đồng polymer (block copolymer) có cấu trúc phức tạp. Hiện tại, việc kết hợp và tự lắp ráp của những vi cấu trúc riêng lẽ thành những cấu trúc tập hợp có thiết kế phức tạp cũng bắt đầu được chú ý đến. Những kỹ thuật lắp ráp các vi cấu trúc thành những kiểu mẫu cấu trúc được thấy nhiều nhất trong linh vực vi điện tử. Những kỹ thuật phổ biến bao gồm photolithography, X- ray lithography, e-beam lithography, soft lithography. 5. Tính Toán Bên cạnh thưc nghiệm, việc nghiên cứu các vi cấu trúc có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phép tính lượng tử (e.g. quantum chemistry) và mô hình (simulation). Phương pháp ab initio là phương pháp phổ biến nhất hiện nay. Những thí dụ bao gồm ab initio molecular dynamics, quantum Monte Carlo, quantum mechanics, vv Những phương pháp này đặc biệt hữu hiệu trong việc tìm hiểu tính chất của vật chất ở dạng vi mô bởi vì những vi cấu trúc chỉ chứa vài nguyên tử. . Dẫn Nhập về Nanotechnology 1. Mở Đầu: Khoa học và kỹ thuật vi mô (10 -9 m) (Nanoscience and Nanotechnology) là lãnh vực khoa học hàng. tiện nghi trong vấn đề thuật ngữ, những từ “Nanoscience” và Nanotechnology sẽ đựoc dùng trong bài viết này. Nanoscience và nanotechnology nói chung đề cập đến thế giới khi làm việc ở quy. electron không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ luợng tử của các electrons biểu hiện ra ở dạng sóng. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tuợng luợng tử mới và