Công nghệ Nano là gì? Ứng dụng như thế nào trong cuộc sống hiện đại

Công nghệ Nano là gì?

Trước khi tìm hiểu công nghệ Nano là gì chúng ta cần hiểu rõ về Nano? Nano là một loại vật liệu có cấu trúc dạng hạt của các hạt, các sợi, dạng ống dài hoặc các tấm siêu mỏng với kích thước rất nhỏ chỉ nằm trong khoảng từ 1 – 100 nanomet.

Công nghệ Nano là ngành công nghệ liên quan đến việc triển khai thi công thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng những cấu trúc, các thiết bị và các hệ thống bằng việc thực hiện điều khiển hình dáng và kích thước ở trên quy mô nanomet (nm). Trong đó, kích thước 1m = 1.000.0000.000 nm.

Công nghệ Nano nghiên cứu, phát triển và ứng dụng phổ biến kể từ sau sự ra đời của cuộc cách mạng công nghệ 4.0 vào những năm đầu thế kỉ 21. Công nghệ Nano hiện nay được ứng dụng một cách rộng rãi trong các thiết bị, các loại hình máy móc phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học, phục vụ cho công nghiệp sản xuất hàng hóa. Trong đó, ứng dụng nổi bật là ứng dụng kính hiển vi có đầu dò quét, có thể quan sát rất rõ, chi tiết kích thước của từng nguyên tử hay các phân tử. 

Công nghệ nano có thể làm gì?

Công nghệ nano được ca ngợi là có tiềm năng tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, giúp làm sạch môi trường và giải quyết các vấn đề lớn về sức khỏe. Nó được cho là có thể tăng sản lượng sản xuất chế tạo công nghiệp với chi phí giảm đáng kể. Các sản phẩm của công nghệ nano sẽ nhỏ hơn, rẻ hơn, nhẹ hơn nhưng có nhiều chức năng hơn và cần ít năng lượng hơn cũng như ít nguyên liệu thô hơn để sản xuất, những người ủng hộ công nghệ nano tuyên bố.

Các chuyên gia nói gì về công nghệ nano?

Vào tháng 6 năm 1999, Richard Smalley, người đoạt giải Nobel về hóa học, đã phát biểu trước Ủy ban Khoa học của Hạ viện Hoa Kỳ về lợi ích của công nghệ nano. “Tác động của công nghệ nano đối với sức khỏe, sự giàu có và cuộc sống của con người,” ông nói, “ít nhất sẽ tương đương với tác động kết hợp của vi điện tử, hình ảnh y tế, kỹ thuật hỗ trợ máy tính và polyme nhân tạo được phát triển trong thế kỷ này.

Các loại công nghệ nano

Các loại công nghệ nano khác nhau được phân loại theo cách chúng tiến hành (từ trên xuống hoặc từ dưới lên) và phương tiện mà chúng hoạt động (khô hoặc ướt):

Giảm dần (từ trên xuống)

Các cơ chế và cấu trúc được thu nhỏ ở quy mô nanomet - kích thước từ một đến 100 nanomet. Nó là phổ biến nhất cho đến nay, đặc biệt là trong điện tử.

Tăng dần (từ dưới lên)

Bạn bắt đầu với một cấu trúc nanomet - ví dụ như một phân tử - và thông qua quy trình lắp ráp hoặc tự lắp ráp, bạn tạo ra một cơ chế lớn hơn cơ chế mà bạn đã bắt đầu.

Công nghệ nano khô

Nó được sử dụng để sản xuất các cấu trúc sản phẩm bằng than, silicon, vật liệu vô cơ, kim loại và chất bán dẫn không hoạt động trong môi trường có độ ẩm.

Công nghệ nano ướt

Nó dựa trên các hệ thống sinh học có trong môi trường nước -  bao gồm vật liệu di truyền, màng, enzym và các thành phần tế bào khác.

Lợi ích của công nghệ nano

Công nghệ nano có nhiều ứng dụng tiềm năng có thể tạo ra những tiến bộ trong điều trị y tế, công nghệ dược phẩm, vận chuyển thực phẩm và công nghiệp điện tử. Một nanomet, thang đo được sử dụng cho công nghệ nano, là một phần tỷ mét. Để có cảm giác về quy mô, một tờ giấy dày 100.000 nanomet. Như bạn có thể thấy, công nghệ nano, bất kỳ công nghệ nào hoạt động trong khoảng 1-100 nanomet, đều hoạt động ở quy mô cực nhỏ. Tuy nhiên, mặc dù có nhiều dấu hiệu tích cực cho thấy công nghệ này có thể có tác động xã hội, vẫn có một số người phản đối phản đối tương lai của khoa học trên cơ sở đạo đức và pháp lý. Tuy nhiên, nhiều lập luận của họ được xác định một cách mơ hồ và thiếu bằng chứng xác đáng. Điều chắc chắn là công nghệ nano đang đi đầu trong công nghệ và ngành công nghiệp. Khoa học có nhiều lợi ích cụ thể đã được nghiên cứu để cải thiện sức khỏe tim mạch, cung cấp năng lượng mặt trời hiệu quả hơn và kéo dài thời hạn sử dụng của rau quả.

Công nghệ nano trong ngành y tế

Nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi các nhà khoa học tại Đại học Bath và Bristol đã sử dụng công nghệ nano để phát triển máy điều hòa nhịp tim có thể giúp ngăn ngừa suy tim và kéo dài cuộc sống của những người mắc bệnh tim mạch. Nghiên cứu giải thích rằng tim đập có mối tương quan với phổi, tạo ra các kiểu nhịp điệu cho phép tim hoạt động hiệu quả. Điều đó có nghĩa là, nhịp thở của chúng ta ảnh hưởng trực tiếp đến nhịp tim của chúng ta. Bệnh tim mạch gây ra các biến thể về nhịp tim đồng bộ hóa với sự phồng lên của phổi, gây ra sự bất hòa có thể dẫn đến suy tim. Thiết bị do các nhà khoa học tạo ra, một máy tạo nhịp tim cập nhật, giúp tăng cường khả năng bơm máu hiệu quả của tim và tiết kiệm năng lượng. Máy tạo nhịp tim do nhóm tạo ra được thu nhỏ, có kích thước bằng một con tem bưu chính và họ hy vọng có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của những người bị suy tim.

Máy tạo nhịp tim truyền thống được thiết lập để giữ cho nhịp tim đập ở tốc độ không đổi, trong khi tim không hoạt động theo cách đó một cách tự nhiên trong cơ thể. Máy tạo nhịp tim có khả năng hoạt động gần phổi hơn và hình thành nhịp điệu tự nhiên với cơ thể giúp giảm căng thẳng cho cơ bắp.

Công nghệ nano trong nông nghiệp

Trong khoa học thực phẩm, việc sử dụng công nghệ nano có khả năng kéo dài tuổi thọ của trái cây và rau quả. Ví dụ, điều này có thể đạt được bằng cách đưa các hạt nano bạc vào thực phẩm để hoạt động như một tác nhân kháng khuẩn. Những hạt nano này sẽ không phải là một thành phần đủ lớn của thực phẩm để có tác dụng gây hại hoặc thay đổi hương vị. Trên thực tế, nhiều nhà sản xuất thực phẩm đã sử dụng công nghệ nano trong thực phẩm.

Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm không có quan điểm cụ thể về công nghệ nano. Tuy nhiên, tổ chức gần đây đã yêu cầu các công ty sử dụng công nghệ nano tham khảo ý kiến của tổ chức để thảo luận về sản phẩm. Điều này có thể bao gồm nhiều loại sản phẩm bao gồm dịch vụ y tế, thực phẩm và mỹ phẩm, mặc dù FDA đặc biệt tập trung vào hai sản phẩm sau. Hiện tại, có vẻ như FDA chủ yếu muốn được coi là nhà tư vấn khi các công ty chọn sử dụng công nghệ nano. Kem dưỡng ẩm da, kem chống nắng và các loại mỹ phẩm khác đã sử dụng hạt nano trong một thời gian, nhưng FDA thường ít kiểm soát hơn đối với ngành này.

Ứng dụng của công nghệ nano trong xã hội

Có lẽ khía cạnh hấp dẫn nhất của công nghệ nano liên quan đến nông nghiệp là tiềm năng quang hợp nhân tạo được sử dụng liên quan đến năng lượng mặt trời. Các nhà khoa học đã sử dụng một thiết bị gọi là bộ tách nước cho phép sản xuất hydro để tạo ra năng lượng khi mặt trời không chiếu trực tiếp. Nhưng thiết bị này dựa vào silicon, chất bị ăn mòn nhanh chóng khi tiếp xúc với chất điện phân, và do đó trước đây chỉ có thể được sử dụng trong thời gian ngắn. 

Sử dụng công nghệ nano để phát triển năng lượng mặt trời có khả năng tăng tính bền vững. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã ngăn chặn sự ăn mòn của bộ tách nước làm từ silicon bằng cách mạ nó bằng niken hai nanomet.Việc mạ niken cho tế bào silicon đã mang lại kết quả đầy hứa hẹn, nhưng cần thử nghiệm thêm để làm cho phương pháp tiếp nhiên liệu có hiệu quả về mặt chi phí.

Công nghệ nano cũng đang được sử dụng để phát triển các chức năng làm sạch môi trường lâu dài, đặc biệt là giúp loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi không khí và nước.11 Điều này đang được thực hiện bằng cách tạo ra các bộ lọc cực nhỏ để thu thập các hạt độc hại. Công nghệ này cũng đã được sử dụng trong các phát triển trong ngành công nghiệp điện tử, CNTT và vận tải.

Ý nghĩa đạo đức và pháp lý của công nghệ

Công nghệ nano đi kèm với một số rủi ro, đặc biệt là đối với thực phẩm, vì các sản phẩm sử dụng công nghệ này chưa trải qua thử nghiệm nghiêm ngặt và hiện không phải dán nhãn. Lý do các tổ chức như FDA vẫn chưa có lập trường mạnh mẽ đối với các sản phẩm công nghệ nano là vì vẫn chưa có bất kỳ bằng chứng chắc chắn nào cho thấy các hạt nano có rủi ro về an toàn. Tổ chức muốn lập danh mục và theo dõi quá trình phát triển sản phẩm một cách thận trọng, nhưng không có bất kỳ lý do nào để ngăn cản việc sử dụng. Tuy nhiên, một số nhóm ủng hộ chứng thực rằng việc thiếu dán nhãn và quy định về các sản phẩm nano có tác động có hại cho xã hội.12 Trọng tâm của các nhóm này, chẳng hạn như Những người bạn của Trái đất, là thay đổi chính sách để dán nhãn các sản phẩm thực phẩm sử dụng hạt nano. Ngoài ra, tổ chức tập trung vào các hạt nano có khả năng gây độc hại có trong kem chống nắng và mỹ phẩm.

Công nghệ nano trong tương lai

Có những điểm sáng và điểm tối trong tương lai của công nghệ nano. Một mặt, lĩnh vực này dự kiến sẽ phát triển trên toàn cầu, được thúc đẩy bởi những tiến bộ công nghệ, tăng cường hỗ trợ của chính phủ, tăng đầu tư tư nhân và nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị nhỏ hơn, v.v. Tuy nhiên, những rủi ro về môi trường, sức khỏe và an toàn của công nghệ nano và những lo ngại liên quan đến việc thương mại hóa công nghệ này có thể cản trở việc mở rộng thị trường.

Hoa Kỳ, Brazil và Đức sẽ dẫn đầu ngành công nghệ nano vào năm 2024, với sự hiện diện quan trọng trong Top 15 quốc gia châu Á như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ, Đài Loan và Malaysia. Lĩnh vực mỹ phẩm sẽ leo lên vị trí đánh cắp vị trí thứ ba từ lĩnh vực y sinh trong một bảng xếp hạng sẽ dẫn đầu bởi điện tử và năng lượng, như hiện tại.

Công nghệ Nano đã và đang có những đóng góp rất lớn đối với nhiều ngành nghề lĩnh vực khác nhau. Công nghệ này chắc chắn sẽ có những bước tiến vượt bậc hơn nữa trong tương lai