Khoa Học Công Nghệ Nano

Tiềm năng của khoa học Công Nghệ Nano

1. Tiềm năng thương mại và chế tạo

Hiện nay, trên thế giới các vật liệu và  thiết bị nano bắt đầu được sản xuất với số lượng ngày càng nhiều và được đánh  giá là sẽ có tiềm năng thương mại cao, mang lại những khoản lợi nhuận khổng lồ.

Theo dự báo của Quỹ Khoa học Quốc gia, Mỹ, giá trị thương mại hàng năm giai đoạn  2011-2015 của tất cả các sản phẩm liên quan tới Công nghệ Nano ( bao gồm cả công  nghệ thông tin và truyền thông ) là khoảng 1000 tỷ USD. Các ôxit kim loại, như  titan điôxit, kẽm ôxit, silic ôxit, nhôm ôxit, ziriconi và sắt ôxit, là các loại  hạt nano thương mại quan trọng nhất. Các vật liệu này có sẵn ở dạng bột khô hoặc  huyền phù lỏng. Số lượng vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực thị trường chăm  sóc da ( titan điôxit, v.v… ) trên thế giới là khoảng 1000 – 2000 tấn/năm, với  vật liệu cấu phần nano trị giá khoảng 10 USD đến 100000 USD/tấn. Mặc dù thị  trường thế giới về hạt nano được dự báo gia tăng trong vài năm tới, nhưng tốc độ  sản xuất tất cả các hóa chất trên toàn cầu là khoảng 400 triệu tấn/năm (EC 2001)  và như vậy các hóa chất dạng hạt nano chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số  hóa chất được sản xuất hiện nay ( khoảng 0,01% ). Bên cạnh đó, vật liệu vô cơ,  kim loại hoặc bán dẫn cỡ nano thường có nhiều chức năng, nên được sử dụng trong  nhiều lĩnh vực công nghiệp. Ví dụ, kẽm ôxit được sử dụng làm vật liệu quang điện  tử ( làm màn hình hoặc pin quang voltaic và pin mặt trời tiên tiến ) ở dạng cố  định trong thành phẩm, nhiều hơn so với làm thành phần sản phẩm chăm sóc da có  hạt nano ở dạng tự do.

Bảng 1 : ước tính sản lượng các loại  vật liệu và thiết bị nano khác nhau của thế giới trên cơ sở các tổng quan và Tạp  chí Hóa học Quốc tế ( 2003 – 2004 ) và nghiên cứu thị trường ( BCC 2001  )

Sản lượng ước tính ( tấn/năm )

Ứng dụng Vật liệu/Thiết bị Hiện nay ( tấn/năm ) 2005 – 2010 ( tấn/năm ) 2011 – 2020 ( tấn/năm )
ứng dụng kết cấu Ceramic, chất xúc tác,  composit, chất phủ, màng mỏng, bột, kim loại 10 1000 10000 – 100000
Sản phẩm chăm sóc da Oxit kim loại ( titan  đioxit, kẽm oxit, sắt oxit ) 1000 1000 1000 hoặc ít  hơn
Công nghệ thông tin và  truyền thông ống nano đơn vách, linh  kiện điện tử nano, vật liệu quang điện tử ( titan đioxit, kẽm oxit, sắt oxit ),  điốt phát sáng hữu cơ (OLEDs) 10 100 1000 hoặc nhiều  hơn
Công nghệ sinh học Vật liệu bao nang nano,  chất cung cấp thuốc đến mục tiêu, chất tương thích sinh học, chấm lượng tử,  composit, cảm biến sinh học ít hơn 1 1 10
Dụng cụ, cảm biến, đặc  trưng MEMS, NEMS, SPM, in litô  bằng bút nhúng, dụng cụ viết trực tiếp 10 100 100 -  1000
Môi  trường Vật liệu lọc nano, màng 10 100 1000 -  10000

Carbon Nano tube ( ống nano cácbon )  cũng đang thu hút sự quan tâm của ngành công nghiệp do có các tính chất rất đáng  chú ý. Công suất sản xuất ống nano cácbon hiện nay ước tính khoảng 100 tấn/năm.  Hầu hết sản lượng ước tính là của các ống nano đa vách, còn ống nano đơn vách  chiếm khoảng 9 tấn/năm.

Tiềm năng tạo ra lợi nhuận của các  Carbon Nano tube cũng rất lớn. Theo một bản báo cáo mới đây của NanoMarket LC,  một công ty tư vấn và nghiên cứu thị trường của Mỹ, thì các tính chất vật lý,  nhiệt và điện đặc biệt của các ống nano cácbon sẽ tạo ra 3,6 tỷ USD trong kinh  doanh cho các khu vực điện tử và bán dẫn tới năm 2009. Nghiên cứu của NanoMarket  chỉ ra rằng các ống nano cácbon đang trở thành một sản phẩm chủ chốt mà các công  ty điện tử rất quan tâm. Bản báo cáo cho biết khu vực chế tạo các thiết bị cảm  biến, màn hình và bộ nhớ sẽ tạo ra lợi nhuận từ các linh kiện điện tử dựa trên  ống nano. Mỗi một thị trường này sẽ có các sản phẩm dựa trên Carbon Nano tube  trị giá hơn 200 triệu USD tới năm 2007.

Cũng theo một nghiên cứu của công ty  này về 20 nước có Khoa học công nghệ Nano phát triển nhất trên thế giới thì thị  trường bào chế dược phẩm sử dụng công nghệ Nano sẽ đạt 1,3 tỷ USD tới năm 2009.  Nghiên cứu này chỉ ra, Công nghệ Nano sẽ mang lại những ích lợi hữu hình cho quá  trình bào chế dược phẩm thông qua:

- Cải thiện sự hiểu biết về hóa chất ở  cấp độ tế bào/phân tử,

- Cải thiện việc xác định và công nhận  các dược phẩm và tế bào mục tiêu,

- Tăng thông lượng,

- Giảm thời gian bào chế những loại  dược phẩm mới,

- Giảm lượng chất phản ứng quý giá cần  thiết để tiến hành thử nghiệm dược phẩm tiềm năng,

- Cải thiện sự hình dung về các tương  tác dược phẩm.

Bản báo cáo cũng dự đoán, tới năm 2009,  19% doanh thu bào chế dược phẩm sử dụng công nghệ Nano sẽ thu được từ điều khiển  và phân tích tế bào, 13% từ sắp xếp ADN/ARN, các electropherroresis và định  lượng hóa. Phân loại gen ( Genotyping ) sẽ chiếm 11% doanh thu và xét nghiệm  thông lượng cao sẽ chiếm 10%. Những công ty lớn đang nghiên cứu những công nghệ  chủ chốt như các hệ vi lỏng và phòng thí nghiệm trên con chíp sẽ thu được những  khoản lợi nhuận khổng lồ vì những công ty này sẽ sáng tạo ra nhiều giải pháp,  không chỉ trong bào chế dược phẩm mà còn cả trong việc cung cấp thuốc theo mục  tiêu và ngăn ngừa bệnh tật.

1.2. Tiềm năng của khoa học – công nghệ  nano trong công cuộc giảm đói nghèo toàn cầu

Viện Nanotech Foresight, một cơ quan  chuyên về lĩnh vực công nghệ Nano được thành lập năm 1986 của Mỹ, đã xác định  những nhiệm vụ tổng thể của công nghệ nano đối với thế giới trong giai đoạn hiện  nay, gồm:

- Đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu  bằng những giải pháp sạch,

- Cung cấp nước sạch cho toàn  cầu,

- Tăng sức khoẻ và tuổi thọ cho con  người,

- Tối đa hoá sản xuất nông  nghiệp,

- Làm cho công nghệ thông tin có mặt ở  mọi nơi,

- Tạo điều kiện để phát triển hiểu biết  về vũ trụ.

Nhưng bên cạnh đó, khoa học và công  nghệ Nano còn là một công cụ hữu hiệu để giải quyết một nhiệm vụ quan trọng, cấp  bách nhất của thế giới. Đó là làm giảm nạn đói nghèo mà hơn 5 tỷ người sống ở  những nước nghèo đang phải đối mặt. Các nhà khoa học cho rằng, hầu hết các làn  sóng công nghệ đều làm tăng khoảng cách giữa các nước giàu với các nước nghèo,  nhưng việc khai thác Công nghệ Nano lại là một cơ hội để thu hẹp khoảng cách  này. ứng dụng Công nghệ Nano có tiềm năng rất lớn để cải tiến những tiêu chuẩn  sống cơ bản của những người nghèo.

Bản Báo cáo về Phát triển Con người năm  2001 của Chương trình Phát triển Liên hiệp quốc (LHQ) đã minh hoạ rõ ràng vai  trò làm giảm tỷ lệ tử vong và cải thiện đời sống con người của KH&CN trong  giai đoạn 1960-1990, nhưng không nhấn mạnh đặc biệt tới vai trò của Công nghệ  Nano. Trong một bản báo cáo mới được công bố vào đầu năm 2005, Lực lượng đặc  nhiệm về Khoa học, Công nghệ và Đổi mới của Liên hiệp quốc ( một bộ phận được  thành lập để hỗ trợ cho các cơ quan của Liên hiệp quốc nhằm thực hiện được các  Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ của Liên hiệp quốc ) đã nêu bật tiềm năng to  lớn của Công nghệ Nano đối với sự phát triển bền vững.

Vậy cộng đồng khoa học quốc tế có thể  làm gì để hỗ trợ cho việc ứng dụng công nghệ Nano ở các nước nghèo ? Năm 2002,  Các Viện Y học Quốc gia (Mỹ) đã khái quát hoá một Lộ trình nghiên cứu y học để  xác định những phương hướng trong nghiên cứu y-sinh và chỉ ra y học nano là một  trong những lĩnh vực hứa hẹn giải quyết những vấn đề mà các nước nghèo đang phải  đối mặt. Một số nhà khoa học từ Trung tâm Đạo đức Sinh học của trường Đại học  Toronto và Chương trình Hệ gen và Y tế Toàn cầu Canađa, đã tiến hành một chương  trình đánh giá tiềm năng sử dụng các ứng dụng của Công nghệ Nano để thực hiện 8  Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ của Liên hiệp quốc bằng các phương pháp khoa  học và đã rút ra được kết luận thể hiện ở bảng 5. Trong đó, 8 mục tiêu Phát  triển Thiên niên kỷ là:

I – Xoá đói và giảm nghèo;

II – Phổ cập giáo dục;

III- Đẩy mạnh bình đẳng giới và trao  quyền cho phụ nữ;

IV – Giảm tỉ lệ tử vong ở trẻ em;

V – Tăng cường sức khoẻ cho bà mẹ;

VI – Chống lại HIV/AIDS, sốt rét và các  bệnh khác;

VII – Đảm bảo môi trường bền vững;

VIII – Xây dựng quan hệ đối tác toàn  cầu để phát triển.

Bảng 5: Các ứng dụng công nghệ Nano  phục vụ Tám Mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ

Các ứng dụng của công nghệ  Nano Ví dụ Mục tiêu Phát triển Thiên  niên kỷ tương ứng
Tàng trữ, sản xuất và  chuyển hoá năng lượng - Các hệ thống tích trữ  hyđrô mới dựa trên các ống nano cácbon và các vật liệu nano có trọng lượng nhẹ.  – Các pin quang điện và các thiết bị phát sáng vô cơ dựa trên các chấm lượng tử.  Các ống nano cácbon ở các lớp vỏ màng composit dùng cho pin mặt trời. – Các chất  xúc tác nano để sản xuất hyđrô. – Các màng mô phỏng sinh học lai ghép  protein-polime. VII
Nâng cao sản lượng nông  nghiệp - Các zeolit xốp nano dùng  để cung cấp chậm, hiệu quả nước và phân bón cho cây trồng, chất dinh dưỡng,  thuốc cho vật nuôi, – Các viên nang nano để cung cấp thuốc diệt cỏ, – Các cảm  biến nano để giám sát chất lượng đất và cây trồng, – Nam châm nano để loại trừ  chất gây ô nhiễm đất. I, IV, V, VII
Xử lý và làm sạch nước - Màng nano để làm sạch  nước, khử muối và giải độc,- Các cảm biến nano để phát hiện ra chất gây ô nhiễm  và mầm bệnh,- Các zeolit xốp nano, các polime xốp nano và các loại đất sét dùng  để làm sạch nước,- Các hạt nano từ tính dùng để xử lý và làm sạch nước, – Các  hạt TiO2 dùng để làm thoái hoá các chất gây ô nhiễm nước. I, IV, V, VII
Kiểm tra và chẩn đoán bệnh - Phòng thí nghiệm trên  chip. – Các dãy cảm ứng nano dựa trên ống nano cácbon. – Các chấm lượng tử dùng  để chẩn đoán bệnh. – Các hạt nano từ tính dùng làm cảm biến nano. – Các liên hợp  dendrimer (polime tầng) kháng thể điều trị HIV-1 và ung thư. – Các cảm biến nano  dây nano và đai nano để chẩn đoán bệnh. – Các hạt nano dùng làm chất nâng cao  chất lượng chụp hình trong y học. IV,V,VII
Các hệ thống cung cấp thuốc - Các viên nang nano, các  liposome (hạt mỡ), các dendrimer, các quả bóng buckyball, các hạt nano sinh học  từ tính và các loại đất sét để dùng cho các hệ thống cung cấp thuốc lâu dài và  từ từ. IV,V,VI
Tích trữ và chế biến Thực  phẩm - Các nano composit dùng  cho các lớp màng phủ dẻo được sử dụng để bao gói thực phẩm. – Các nhũ tương nano  chống vi trùng sử dụng cho các ứng dụng khử độc ở các dụng cụ thực phẩm, đóng  gói thực phẩm hoặc ở thực phẩm. – Các cảm biến sinh học phát hiện kháng nguyên  dựa trên Công nghệ Nano để xác định được các chất nhiễm bệnh. I, IV, V
Ô nhiễm không khí và làm  trong sạch không khí - Quá trình thoái hoá xúc  tác quang học dựa trên các hạt nano TiO2 các chất ô nhiễm không khí ở các hệ  thống tự làm sạch. – Các chất xúc tác nano dùng cho các bộ biến đổi xúc tác hiệu  quả hơn, rẻ hơn và được kiểm soát hơn. – Các cảm biến nano để phát hiện ra các  chất độc và rò rỉ các chất độc. – Các thiết bị nano tách khí. IV, V, VII
Xây dựng - Các cấu trúc nano phân tử  để tạo ra nhựa đường và bê tông cứng hơn chống thấm nước. – Các vật liệu nano  chịu nhiệt để ngăn ngừa tia cực tím và bức xạ hồng ngoại. – Các vật liệu nano  làm vỏ bọc bền và rẻ hơn, các bề mặt, các lớp bọc, các loại keo, bê tông và chất  ngăn ánh sáng, nhiệt. – Các bề mặt tự làm sạch ( ví dụ như cửa sổ, gương,  toa-lét ) với các lớp phủ hoạt tính sinh học. VII
Giám sát sức khoẻ - Các ống nano và các hạt  nano sử dụng cho các cảm biến đường, CO2 và Cholesterol và cho việc giám sát sức  khoẻ tại nhà. IV, V, VI
Kiểm soát và phát hiện sinh  vật gây hại - Các cảm biến nano để phát  hiện sinh vật gây hại. – Các hạt nano sử dụng cho các loại thuốc trừ sâu bọ, côn  trùng gây hại. IV, V, VI

Những kết luận của công trình nghiên  cứu này là một định hướng rất bổ ích đối với những nước nghèo để hoạch định phát  triển Công nghệ Nano theo những hướng thiết thực nhất phù hợp với hiện trạng của  đất nước. Hiện nay, trên thế giới chỉ mới có các chất có cấu trúc nano được sử  dụng để xây dựng nên thế hệ tiếp theo của tế bào năng lượng mặt trời và tế bào  nhiên liệu hyđrô. Các nhà khoa học đang nghiên cứu sử dụng Công nghệ Nano để  phát triển phương pháp dự trữ hyđrô. Hệ thống dự trữ hyđrô phù hợp có nghĩa là  sẽ có năng lượng thay thế sạch hơn cho những nước vẫn phụ thuộc vào nhiên liệu  hoá thạch. Mặt khác, các nhà khoa học cũng phát triển ứng dụng Công nghệ Nano để  cải thiện độ phì nhiêu của đất và sản lượng cây trồng, các bộ cảm biến nano có  thể giám sát tình hình cây trồng vật nuôi và các chất từ nano có thể loại bỏ  những chất gây ô nhiễm cho đất. Cũng nhờ vào Công nghệ Nano, các nhân viên y tế  có thể xét nghiệm máu bằng một mẩu nhựa nhỏ bằng đồng xu. Tương tự, nếu sử dụng  tiến bộ của Công nghệ Nano có thể thực hiện chẩn đoán bệnh chỉ trong vài phút và  rút ngắn thời gian cũng như chi phí xét nghiệm các bệnh truyền nhiễm như sốt rét  và HIV/AIDS. Công nghệ Nano cũng có vai trò rất lớn trong việc xử lý nước. Hiện  nay, 1/6 dân số toàn cầu không có nước sạch, hơn 1/3 người dân ở những vùng nông  thôn châu Phi, châu Á và châu Mỹ La tinh không có nước sạch và hàng năm có hai  triệu trẻ em chết vì bị những bệnh phát sinh do nước bẩn. Trong khi đó, màng và  ống nano là những hệ thống rất rẻ, dễ di chuyển và có thể lọc, giải độc và khử  muối trong nước hiệu quả hơn phương pháp lọc bằng vi khuẩn và vi rút thông  thường. Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu đang tìm cách phát triển phương pháp  sản xuất hàng loạt các ống lọc bằng nano cácbon nhằm nâng cao chất lượng nước.  Như vậy, với khả năng tạo ra những ứng dụng thiết thực nhất đối với đời sống của  con người, Công nghệ Nano sẽ có vai trò rất lớn để cải thiện cuộc sống của người  dân, giải quyết những vấn đề nan giải nhất mà nhân loại đang phải đối mặt.

@thegioinano

This entry was posted in Khoa Học, Khoa Học Kỷ Thuật. Bookmark the permalink.

Comments are closed.