Định nghĩa và vai trò của công nghệ nano trong cách mạng công nghiệp 4.0

Định nghĩa: công nghệ nano là gì?

Theo tổng hợp trên Wikipedia, công nghệ nano (nanotechnology) được định nghĩa là chuyên ngành về vật liệu ở kích thước nhỏ cỡ nguyên tử, phân tử và siêu phân tử. Định nghĩa cụ thể hơn về công nghệ nano được đưa ra bởi Hiệp hội Công nghệ nano Hoa Kỳ (NNI), theo đó công nghệ nano là chuyên ngành về vật liệu có kích cỡ tối thiểu từ 1 đến 100 nanomét (1 tỷ nanomét mới bằng 1 mét).

Trong tiếng Anh, nanotechnology thường được dùng ở dạng số nhiều để bao hàm vùng nghiên cứu và ứng dụng rộng lớn với đặc tính chung về kích cỡ như trên, bao gồm sinh học phân tử, linh kiện bán dẫn, lưu trữ năng lượng, lắp ráp.

Trong các quảng cáo tủ lạnh chúng ta vẫn thường nghe thấy công nghệ Silver Nano hay Nano Bạc, là hệ thống được trang bị một lớp tráng với các hạt ion bạc Ag+ có khả năng kháng khuẩn vô cùng mạnh mẽ, ngăn chặn sự hình thành và phát triển của các vi khuẩn gây hại có trong thực phẩm, bảo vệ tối ưu cho sức khỏe.

Nhưng đó chỉ là dấu hiệu sơ khai của công nghệ nano. Nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Trung tâm Florida mới đây đã tạo ra các siêu tụ điện với lõi một chiều làm từ những sợi dây nano bằng Wolfram Trioxide (WO3) đơn tinh thể mật độ cao, bọc bên ngoài là lớp vỏ hai chiều bằng Wolfram Disulfide (WS2), hai thành phần này chỉ cách nhau bằng một khoảng cách dưới nanomet.

Dạng siêu tụ điện dây nano này sẽ giải quyết được vấn đề về kích thước của siêu tụ điện thông thường, vốn có lợi thế đáng kể so với pin lithium-ion ngoại trừ kích cỡ cần quá lớn. Với siêu tụ điện dây nano, chúng ta có thể đặt hàng triệu sợi dây nano trên cùng một kích thước của những viên pin trong smartphone.

Một chiếc tụ điện được tạo ra từ hàng triệu sợi dây nano này sẽ có những đặc tính lý tưởng để thay thế cho các viên pin lithium-ion. Ví dụ, chúng có thể sạc và xả điện với tốc độ nhanh đáng kể.

Lợi thế khác là các siêu tụ điện dây nano này không bị chai giống như pin lithium-ion. Một viên pin lithium-ion trung bình có tuổi thọ từ 1.000 đến 1.500 chu kỳ nạp xả, trong khi đó các siêu tụ điện nano không cho thấy sự suy giảm nào về hiệu suất sau khi trải qua 30.000 chu kỳ nạp xả.

Nếu tất cả những điều trên là chưa đủ thì các siêu tụ điện này còn có một ưu điểm khác, chúng được đặt trên một chất nền linh hoạt, vì vậy có thể được chế tạo theo các hình thù mong muốn hoặc đưa vào trong các thiết bị đeo.

Đó là công nghệ pin, còn trong y học công nghệ nano cũng có những ứng dụng to lớn. Với căn bệnh ung thư, thông thường sau khi phẫu thuật người ta sẽ tiến hành hóa trị hoặc xạ trị để loại bỏ hoàn toàn các tế bào ung thư còn sót lại. Tuy nhiên những năm gần đây, các nhà vật lý và khoa học có vẻ đã đi tìm lời giải tốt hơn cho bài toán này ở công nghệ nano.

Một trong những phương pháp mới được phát triển bởi các nhà khoa học tại trường Đại học Rice ở Houston, Texas, Mỹ cho thấy, các cụm nguyên tử vàng có thể cung cấp một loại "vũ khí" hữu dụng để chống lại các tế bào ung thư.

Thông thường, các khối u rắn thường có các mạch máu rò rỉ. Do đó, khi các hạt nano vàng được tiêm vào máu, chúng sẽ đi qua các lỗ mạch bị mở này và vào bên trong khối u. Khi các tế bào ung thư phát triển chúng sẽ bao phủ các hạt nano vàng này.

Tuy nhiên, sau khi đã vào được bên trong, các hạt nano này sẽ giống như những chú ngựa Trojan. Khi các nhà khoa học đốt nóng các hạt nano vàng đã được tiêm vào máu, các hạt này sẽ nóng lên đồng thời tiêu diệt các tế bào ung thư.

Những ví dụ trên cho thấy một phần rằng công nghệ nano có thể tạo ra rất nhiều các vật liệu và thiết bị mới với vô vàn ứng dụng trong y học, điện tử, sinh học, mỹ phẩm và các sản phẩm tiêu dùng...

Mặt khác giới khoa học cũng đang tranh cãi về tương lai ảnh hưởng của công nghệ nano, cụ thể công nghệ nano tạo ra lo ngại với các vấn đề giống như nhiều công nghệ mới khác, bao gồm mối lo về nhiễm độc và ảnh hưởng môi trường bởi vật liệu nano. Vì thế trên thế giới cũng đang có ý kiến nên ban hành quy chế đặc biệt cho công nghệ nano.

Vai trò của công nghệ nano trong cuộc cách mạng 4.0

Klaus Schwab, người sáng lập và chủ tịch điều hành Diễn đàn Kinh tế Thế Giới WEF định nghĩa về Cách mạng công nghiệp 4.0 như sau: "Nếu như Cách mạng công nghiệp đầu tiên sử dụng năng lượng nước và hơi nước để cơ giới hóa sản xuất; cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 2 diễn ra nhờ ứng dụng điện năng để sản xuất hàng loạt; cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 3 sử dụng điện tử và CNTT để tự động hóa sản xuất; thì bây giờ cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đang nảy nở từ cuộc cách mạng lần 3, nó kết hợp các công nghệ lại với nhau, làm mờ ranh giới giữa vật lý, kỹ thuật số và sinh học".

Trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, tiến bộ công nghệ sẽ tạo ra sự kết nối giữa thế giới thực, thế giới số và thế giới sinh vật hữu cơ,... tạo ra những công cụ sản xuất hội tụ giữa thực và ảo. Những thành phần điển hình của nền công nghiệp 4.0 được người ta điểm tên thường bao gồm công nghệ Internet Vạn vật (IoT), thành phố thông minh, trí tuệ nhân tạo, xe tự lái, robot, máy in 3D, vật liệu mới, công nghệ sinh học, và công nghệ nano.

Với công nghệ nano, tương lai sẽ có những linh kiện điện tử kích cỡ nano. Bên cạnh đó công nghệ nano trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 cũng đóng vai trò hết sức quan trọng khi giao thoa hội tụ với các xu hướng công nghệ khác, ví dụ như in 3D, để tạo ra những bước đột phá mới.

In 3D là hình thức sản xuất vật thể bằng cách xếp chồng các lớp vật liệu dần lên theo thiết kế sẵn có trong máy tính, và đến nay công nghệ in 3D đã đạt đến trình độ mà sản phẩm và cấu trúc mong muốn có thể được tạo ra dù độ phức tạp của hình khối đến đâu, ngay cả việc in 3D với mô tế bào cũng đang dần khả thi.

Theo bài viết trên nanowerk.com, hiện tại in 3D đã có thể tạo ra pin lithium-ion với kích cỡ của một hạt cát. Đội nghiên cứu của Đại học Illinois (Mỹ) đã in chính xác 2 dãy điện cực pin tí hon, mỗi bên mảnh hơn độ dày của một sợi tóc.

Ứng dụng in 3D vào công nghệ nano có thể mang đến lợi thế cho việc lắp ráp ở kích cỡ nano như nhanh hơn, ít hao phí hơn. Một ví dụ khác cho việc in 3D dần tiến đến kích cỡ nano là khi người ta đã có thể tạo hình chiếc xe đua chiều dài chỉ 285 micromét (1 nghìn nanomét bằng 1 micromét). Ở một số mô hình phức tạp hơn, in 3D ở kích cỡ nano càng phải giải nhiều bài toán ví dụ như gạt bỏ vật liệu thừa.

Trước nay người ta nhắc đến in 3D được dùng để tạo ra các hình khối như tượng, đồ chơi, hoặc có thể tạo ra tạng thay thế trong cấy ghép y học. Nhưng điều đáng chú ý hơn là với công nghệ in 3D ngày càng phát triển thì người ta có thể làm những điều mà ngành sản xuất truyền thống không làm nổi ở kích cỡ micro và nano.

Ví dụ hiện nay đã gần như khả thi để xếp gốm giòn vào một cấu trúc 3D cao cấp hơn.