Mười đến chín: phổ biến về công nghệ nano

Mười đến chín: phổ biến về công nghệ nano

"Cơ học phổ biến" №4, 2009

Gần đây ở Nga rất khó để tìm thấy một ấn phẩm mà không đề cập đến từ "công nghệ nano" có hoặc không có nó. Tuy nhiên, ý nghĩa thực sự của thuật ngữ này là xa rõ ràng với mọi người. Trong dự án này, được chuẩn bị với sự tham gia của các chuyên gia từ RUSNANO, chúng tôi sẽ cố gắng cho bạn biết từ này thực sự có ý nghĩa gì.

"Nano" là gì?

Tiền tố "nano" (trong tiếng Hy Lạp – "lùn") có nghĩa là "một phần tỷ". Tức là, một nanomet (1 nm) là một phần tỷ của một mét (10)-9 m). Để ước tính quy mô, hãy tưởng tượng một quả địa cầu và một xu xu – một đồng hồ và một nanomet tương ứng xấp xỉ theo cách như vậy.

Milimet (tính bằng phần nghìn mét) đánh dấu đường dây trường học, micromet (chúng là micron, một phần triệu mét) – kích thước của những gì được nhìn thấy trong một kính hiển vi tốt (tế bào, vi khuẩn và các cơ quan của chúng). Hàng trăm nanomet đo kích thước của virus, hàng chục – các phân tử protein lớn, gần đây hơn – các bóng bán dẫn trong các bộ vi xử lý máy tính. Các phân tử đơn giản được đo bằng đơn vị nanomet, nguyên tử – tính bằng phần mười.

Nanoscale

Ở phạm vi nano, nó là phong tục để đo lường kích thước vừa với phạm vi từ nguyên tử đến virus (0,1-100 nm).Tại sao phạm vi của nguyên tử nano lại làm tăng sự quan tâm của các nhà khoa học và nhà công nghệ? Thực tế là các nhà nghiên cứu gần đây đã học được cách vận hành trên các vật thể có kích thước này. Nhưng ở cấp độ này, nhiều quá trình quan trọng cơ bản được quan sát – từ phản ứng hóa học đến các hiệu ứng lượng tử. Kiến thức về các quy trình này sẽ cho phép bạn tạo ra các cấu trúc nano, cung cấp vật liệu và thiết bị hữu ích và đôi khi là những đặc tính phi thường.

Khoa học và công nghệ

Các cách để tạo ra các cấu trúc nano như vậy được gọi là công nghệ nano. Nói chung, công nghệ nano không phải là một nhánh khoa học độc lập. Thay vào đó, nó là một phức hợp của các công nghệ được áp dụng, các nguyên tắc cơ bản trong đó được nghiên cứu trong các ngành như hóa keo, vật lý bề mặt, cơ học lượng tử, sinh học phân tử, v.v.

Cảm nhận thế giới nano

Độ phân giải của một kính hiển vi quang học thông thường (khoảng một nửa bước sóng ánh sáng) là không đủ đối với các vật thể nano. Để nhìn thấy thế giới nano, tôi phải phát triển các phương pháp khác.

Giới hạn nhiễu xạ cho ánh sáng khả kiến ​​làm cho nó có thể đạt được độ phóng đại gấp 1000 lần – điều này tương ứng với độ phân giải của hàng trăm nanomet.Đối tượng trong hàng chục, và thậm chí nhiều hơn như vậy trong các đơn vị của nanomet trong kính hiển vi như vậy không thể được phân biệt. Do đó, bước đầu tiên hướng tới thế giới nano là một kính hiển vi điện tử.

Kính hiển vi điện tử (EM)

Theo nguyên tắc của nó, nó giống như một kính hiển vi thông thường, nhưng thay vì ánh sáng, các electron được tập trung bởi các thấu kính từ tính hoạt động ở đây. Tia điện tử, đi qua một mẫu mỏng, tương tác với nó, và sau đó rơi trên một màn hình phát quang, làm cho hình ảnh hiển thị cho mắt người. Trong các bức ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền dẫn, cho phép bạn đạt được độ phóng đại hàng triệu lần, các lớp và bước nguyên tử đã được nhìn thấy. Các nguyên tử có dạng điểm, và để kiểm tra bề mặt chi tiết, chúng ta cần nhiều công cụ nâng cao hơn sử dụng các nguyên tắc khác.

Kính hiển vi điện tử
Cho đến những năm 1980, một kính hiển vi điện tử được phát triển vào những năm 1930 là cách duy nhất để nhìn vào thế giới nano. Đang quét EM (bên phải) cho phép thu thập dữ liệu không chỉ về bề mặt mẫu mà còn về thành phần hóa học của nó. Hình ảnh: Cơ học phổ biến

Kính hiển vi điện tử như thế nào

Công việc của EM dựa trên thực tế là các electron, giống như photon, thể hiện cả hai thuộc tính cơ bản (nội tại với các hạt) và các đặc tính sóng cùng một lúc. Ép xung thành năng lượng cao, chúng có thể có bước sóng de Broglie trong hàng trăm nanomet (15 keV tương ứng với 0,01 nm). Và mặc dù các ống kính electron thấp hơn đáng kể so với các đặc tính lấy nét quang học, độ phóng đại của kính hiển vi điện tử có thể đạt tới hàng triệu lần và độ phân giải chỉ bằng vài phần mười nanomet.

Kính hiển vi điện tử quét

Nếu mẫu không mờ, nhưng việc quét bề mặt của nó tập trung bởi một chùm electron tập trung vào một điểm rất nhỏ (vài nanomet), thì không chỉ phân tán trên các nguyên tử mẫu mà còn tạo ra các electron thứ cấp, tia X và bức xạ khả kiến. Việc đăng ký các dữ liệu này dựa trên hoạt động của kính hiển vi điện tử quét. Không giống như EM mờ, nó có thể được sử dụng để kiểm tra các mẫu “dày”. Bằng cách đăng ký các góc tán xạ, cường độ bức xạ và năng lượng của các electron thứ cấp, người ta không chỉ nghiên cứu bề mặt, mà còn là thành phần hóa học của mẫu, cũng như cấu trúc của mẫu trong lớp bề mặt (hàng chục và hàng trăm nanomet).Độ phân giải của kính hiển vi điện tử quét thường nhỏ hơn một chút so với điện tử truyền, và dao động từ đơn vị đến hàng chục nanomet.

Kính hiển vi quét đường hầm

Xem xét các nguyên tử riêng lẻ cho phép một thiết bị sử dụng hiệu ứng đường hầm lượng tử – một kính hiển vi quét đường hầm (STM). Tuy nhiên, để được chính xác, kính hiển vi quét đường hầm không kiểm tra, nhưng thay vì "mò mẫm" bề mặt đang được điều tra. Không phải theo nghĩa đen, tất nhiên: một đầu dò kim rất mỏng với một đầu một nguyên tử dày di chuyển trên bề mặt của vật thể ở khoảng cách thứ tự của một nanomet. Trong trường hợp này, theo luật của cơ học lượng tử, các electron vượt qua hàng rào chân không giữa vật thể và kim – đường hầm, và dòng điện bắt đầu chảy giữa đầu dò và mẫu. Độ lớn của dòng điện này phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách giữa đầu kim và bề mặt của mẫu – khi khoảng cách thay đổi theo phần mười nanomet, dòng điện có thể tăng hoặc giảm theo bậc độ lớn. Vì vậy, di chuyển đầu dò dọc theo bề mặt với sự giúp đỡ của các yếu tố áp điện và theo dõi sự thay đổi trong hiện tại, bạn có thể khám phá cứu trợ của nó gần như chạm vào.

Quét kính hiển vi đường hầm. Hình ảnh: Cơ học phổ biến

Việc tạo ra STM là một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của thế giới nano. Năm 1986, Gerda Binnig và Heinrich Rohrer thuộc Trung tâm Nghiên cứu IBM tại Zurich đã được trao giải Nobel cho thành tựu này.

STM cho phép bạn xem các chi tiết của bề mặt với độ phân giải của hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn nanomet (tương ứng với tăng khoảng 100 triệu lần). Trong thực tế, như đã đề cập, đây không phải là một bức ảnh. Đây chỉ là một đại diện đồ họa về cách khoảng cách giữa đầu dò và bề mặt thay đổi để duy trì một giá trị hiện tại không đổi. Sự tương tác của đầu dò STM với vỏ electron của các nguyên tử làm cho nó có thể nghiên cứu các chi tiết nhỏ nhất hiện nay.

Chụp cắt lớp điện từ cộng hưởng

Chụp cắt lớp cộng hưởng từ (MR) đã thực sự cách mạng hóa y học hiện đại. Lần đầu tiên, nó đã trở thành có thể quan sát các quá trình sinh học trong thời gian thực, mà không làm phiền quá trình tự nhiên của chúng. Tuy nhiên, độ phân giải cao nhất của các máy chụp cắt lớp hiện đại được đo bằng các phần của milimét và các vấn đề bắt đầu phát sinh khi chuyển sang một quy mô nhỏ hơn.Kính hiển vi MR đặc biệt có độ phân giải thứ tự của micromet – đây là tất cả những gì có thể thu được bằng cách sử dụng phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ truyền thống. Độ chính xác lớn hơn bị cản trở bởi nhiễu trong tín hiệu nhận được bởi các cuộn dây.

Cách xem vi-rút trực tiếp
Mẫu được đặt trên đầu của cần trục, theo đó có một nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường gradient. Một từ trường tần số vô tuyến được tạo xung quanh dây, tương tác giữa các spin với trường được xác định bởi biên độ của độ lệch dầm. Hình ảnh: Cơ học phổ biến

Nhưng các nhà khoa học đã đưa ra một cách để phá vỡ giới hạn này: trong các kính hiển vi điện từ cộng hưởng từ gần đây, một phép đo trực tiếp lực tương tác của từ trường gradient với các spin của hạt nhân hydrogen trong một mẫu nằm trên đầu của một cantilever được sử dụng. Độ lệch hẫng được đo bằng giao thoa kế laser. Sử dụng kỹ thuật này, năm 2007 đã đạt được độ phân giải khoảng 0,1 micron tại Trung tâm nghiên cứu Almaden của IBM ở San José (trên một mẫu vô cơ). Gần đây hơn, ở cùng một nơi, các nhà nghiên cứu đã xây dựng và trình diễn khả năng quét MR-chiều ba chiều trên một mẫu vi rút khảm thuốc lá (đường kính 18 nm và chiều dài lên tới 300 nm).Bằng cách kết hợp kính hiển vi lực với quét cơ học ba chiều và sử dụng thuật toán đặc biệt để xử lý dữ liệu thu được, các nhà khoa học đã có thể đạt được độ phân giải không gian khoảng 4 nm khi quét mẫu sinh học.

Kính hiển vi lực nguyên tử

STM có một giới hạn quan trọng: chỉ có kim loại hoặc chất bán dẫn mới có thể là đối tượng nghiên cứu (nhớ lại rằng hiệu ứng này dựa trên đường hầm). Dielectrics trong STM "xem xét" sẽ không hoạt động. Đối với nghiên cứu của họ bởi các nhà phát triển của STM, một phương pháp khác đã được đề xuất, được gọi là quét kính hiển vi lực nguyên tử. Nguyên lý hoạt động của nó là ở khoảng cách nhỏ giữa đầu dò và mẫu, lực tác động, cường độ và hướng phụ thuộc vào khoảng trống. Lực này được đo bằng cách cố định kim đầu dò trên hệ thống treo côngxon đàn hồi (cantilever) và xác định độ võng của nó. Sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử, bạn có thể nghiên cứu bất kỳ bề mặt nào – bất kể chúng là dây dẫn hay dielectrics.

Kính hiển vi lực nguyên tử
Kính hiển vi lực nguyên tử nghĩa là cảm nhận mẫu, ghi lại lực tương tác giữa đầu dò và bề mặt.Hình ảnh: Cơ học phổ biến

Một trong những ưu điểm quan trọng của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là khả năng sử dụng nó trong nghiên cứu các mẫu sinh học: nó không đòi hỏi chân không hoặc các lớp mỏng (không giống như kính hiển vi điện tử). AFM cũng có thể nghiên cứu không chỉ địa hình bề mặt, mà còn là sự tương tác giữa các đối tượng phân tử cụ thể – đủ để “sửa” một trong những phân tử được nghiên cứu trên đầu dò. Tuy nhiên, AFM kém hơn nhiều so với STM ở độ phân giải (theo thứ tự vài nanomet) do tiếng ồn nhiệt mạnh ảnh hưởng đến các phép đo.

Xem nanomet

AFM và STM là trường hợp đặc biệt của cái gọi là kính hiển vi thăm dò dò tìm, một công cụ nghiên cứu rất mạnh mẽ cho phép bạn nghiên cứu các tính chất khác nhau của bề mặt, chứ không phải chỉ là cứu trợ. Tất cả mọi thứ được xác định bởi những gìvề sử dụng như một đầu dò. Ví dụ, bằng cách sử dụng một kim dẫn điện, người ta có thể nghiên cứu các tính chất điện môi địa phương của một bề mặt với độ chính xác nanomet – đây là kính hiển vi lực điện (EFM). Sử dụng đầu dò sắt từ, người ta có thể nghiên cứu sự phân bố của từ trường trên thang đo nanomet (MSM, kính hiển vi lực từ).

Một trong những biến thể thú vị và kỳ lạ nhất của kính hiển vi thăm dò là quét kính hiển vi quang học gần trường (BOM) được phát triển bởi Dieter Pohl của Trung tâm nghiên cứu IBM tại Zurich. Trong trường hợp này, một cơ hoành với đường kính vài nanomet được sử dụng như một đầu dò. Ánh sáng với bước sóng hàng trăm nanomet có thể xuyên qua một màng pha bước sóng như vậy theo luật của cơ học lượng tử, nhưng đối với một khoảng cách ngắn có thể so sánh với đường kính lỗ (đây là cái gọi là trường gần). Nếu bạn đặt một mẫu ở đó, ánh sáng phản chiếu từ nó có thể được đăng ký. Đồng thời, một hình ảnh thực sự của bề mặt trong ánh sáng nhìn thấy được thu được, tùy thuộc vào tính chất quang học của nó, và với độ phân giải nanomet!

Công nghệ nano xung quanh chúng ta

Giống như ông Jourdain của “Người giao dịch trong giới quý tộc” của Moliere, người không biết những gì ông đã nói trong văn xuôi, nhiều người không nhận ra rằng một số điều bình thường xung quanh chúng ta đã là thành tựu của công nghệ nano.

Nếu bạn nghĩ rằng công nghệ nano là một tương lai xa hoặc khoa học viễn tưởng nói chung, thì bạn bị nhầm lẫn.Thiên nhiên "phát minh ra" công nghệ nano (cũng như nhiều thứ khác) lâu trước khi một người đàn ông chỉ trong vài thập kỷ qua đi theo cùng một con đường, cố gắng lặp lại một số phát minh của mình. Những thành công cho đến nay là khá khiêm tốn, nhưng các nhà khoa học đã đạt được một số thành tựu trong lĩnh vực công nghệ nano. Đây chỉ là một vài ví dụ.

Trên mọi bảng

Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất về hoạt động thành công và công nghệ nano hàng loạt là các linh kiện điện tử. Một vài năm trước đây, khu vực này được gọi là vi điện tử, nhưng bây giờ nó có thể được gọi là nanoelectronics một cách đúng đắn: vào năm 2003, công ty Intel chuyển sang công nghệ xử lý 90 nanomet, hoàn toàn nằm dưới định nghĩa của công nghệ nano (dưới 100 nm). Có, và tiến bộ trong lĩnh vực này rất nhanh – hiện tại, các bộ vi xử lý của Intel đã được phát hành trên công nghệ 45nm. Và đây là một sản xuất hàng loạt và nối tiếp, đứng trong hầu hết mọi máy tính hiện đại. Một bộ xử lý như vậy bao gồm hàng trăm triệu bóng bán dẫn, mỗi bộ xử lý có kích thước chỉ vài chục nanomet.So với thế hệ trước (công nghệ 65 nanomet), tần số đồng hồ đã tăng (khoảng 3 GHz), số lượng bóng bán dẫn đã tăng (gần gấp đôi), và việc giải phóng nhiệt đã giảm đáng kể. Trong vài năm tới, công ty Intel có kế hoạch chuyển sang công nghệ chế tạo 32nm và sau đó là công nghệ chế tạo 22nm.

Bụi hữu ích

Một trong những loại sản phẩm nano phổ biến nhất là bột siêu mịn. Các chất mài để hạt nano với kích thước hàng chục hoặc hàng trăm nanomet thường mang lại cho họ những phẩm chất hữu ích mới. Thực tế là một hạt nano như vậy chỉ bao gồm vài nghìn hoặc hàng triệu nguyên tử, vì vậy tất cả chúng đều trở nên gần với bề mặt, trên biên giới với thế giới bên ngoài, và tương tác mạnh mẽ với nó. Tổng bề mặt của các hạt trong một chất nano như vậy trở nên rất lớn.

Ví dụ, bạc ở dạng hạt nano trở nên cực kỳ phá hoại đối với vi khuẩn – tài sản này được sử dụng thành công trong băng hàn vết thương hiện đại, cũng như trong các mô kháng khuẩn. Sử dụng nanopowder lốp khi được thêm vào nhựa đường nguyên liệu làm cho bề mặt đường cực kỳ chịu mài mòn.Trong những năm gần đây, các hạt nano đất sét đã được sử dụng tích cực trong lớp phủ cách điện của dây cáp điện – cách nhiệt này cháy rất kém và rất tốt cho sự an toàn của các tòa nhà. Các hạt nano titanium dioxide (cơ sở của tất cả các titan trắng được biết đến) là chất xúc tác quang học rất hiệu quả và được sử dụng như một thành phần hoạt tính trong các bộ lọc chất tẩy rửa không khí gia đình. Và các hạt nano bạch kim được sử dụng trong xúc tác xúc tác của xe hơi hiện đại để giảm phát thải các chất có hại vào khí quyển.

Thuốc Nano

Thật không may, nanorobot y tế (nanobot), mô tả trong đó là rất phổ biến trong văn học phổ biến, là tuyệt vời. Tuy nhiên, điều này không làm giảm sự thành công của công nghệ nano trong y học hiện đại. Một trong những lĩnh vực chính của công việc là các viên nang nano để phân phối thuốc theo mục tiêu. Phương pháp này cho phép bạn làm việc chỉ trên các tế bào bị ảnh hưởng mà không làm tổn hại đến những tế bào khỏe mạnh. Ý tưởng này được xây dựng vào đầu thế kỷ 20 bởi bác sĩ người Đức Paul Ehrlich và được ông gọi là “viên đạn ma thuật” – nhưng chỉ có công nghệ nano (ví dụ, đặt chất hoạt tính trong viên nang liposome).Các chế phẩm thuộc loại này (liposomal) để điều trị một số dạng ung thư và nhiễm nấm nhất định, thuốc bảo vệ gan và thậm chí cả vắc-xin cúm đã có sẵn trên thị trường từ giữa những năm 1990.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: