TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO

I – Khái niệm về công nghệ nano

Trong thập niên vừa qua, nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của công nghệ nano và chứng minh tính hiệu quả vượt trội của công nghệ nano so với các công nghệ vật chất thông thường. Các hạt nano là những hạt chất rắn có đường kính từ 1nm đến 100nm. Hiện nay công nghệ nano được ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau: năng lượng, điện tử, vật liệu xây dựng, y tế và ngành nông nghiệp…

Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử. Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.

Có thể khái niệm về Công nghệ Nano như sau: “Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm; 1 nm = 10-9m)”.

Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài. Tức là khi kích thước vật liệu được thu nhỏ ở dạng nano (từ 1 đến vài chục nanomet) thì tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích là lớn nhất. Ở dạng này vật liệu nano không tuân theo một số định luật, quy luật vật lý thông thường mà nó có nhiều đặc tính ưu việt, tạo ra sự khác biệt lớn so với vật liệu khối truyền thống.

Như vậy công nghệ nano phải bao hàm các lĩnh vực sau:

+ Nghiên cứu và phát triển công nghệ ở cấp độ nano với kích thước ít nhất một chiều (ở trạng thái không bị nén) vào khoảng từ 1 đến 100nm (tuy nhiên trên thực tế các vật liệu nano kim loại thường là 3 chiều).

+ Tạo ra và sử dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có đặc tính và chức năng mới do kích thước vô cùng nhỏ của chúng (thường không tuân theo quy luật chung).

Có thể hiểu một cách đơn giản công nghệ nano là công nghệ chế tạo và điều khiển các tính chất của vật liệu nano.

II – Vật liệu nano (nanomaterials)

2.1 Định nghĩa vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet(nm). Vật liệu nano có thể tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng, khí trong đó vật liệu nano rắn đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại dựa trên hình dạng:

+ Vật liệu nano ba chiều: là vật liệu cả 3 chiều đều có kích thước nanomet (Ví dụ: đám nano, keo nano hạt nano…).

+ Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó chỉ có 2 chiều có kích thước nanomet (Ví dụ: màng nano…).

+ Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó chỉ có duy nhất một chiều có kích thước nanomet(Ví dụ: ống nano, dây nano…).

+ Vật liệu nanocompozit: là vật liệu trong đó chỉ một phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của có 3 chiều, hai chiều và một chiều đan xen nhau (Ví dụ nanocomposit bạc/silica; Bạc/uretan…).

2.2 Đặc điểm, tính chất của vật liệu nano (cơ sở khoa học của công nghệ nano)

Một đặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước vô cùng nhỏ bé, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tử 1 đến 2 bậc. Do vậy số nguyên tử nằm trên bề mặt của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu có kích thước lớn hơn.

Qua 2 bảng phân tích trên chúng ta nhận thấy: Khi kích thước hạt tăng, tổng số nguyên tử trong hạt tăng đồng thời phần trăm số nguyên tử bề mặt giảm. Điều này làm cho các nguyên tử bề mặt bị các lớp ngoài che chắn, năng lượng bề mặt lớn chúng rất khó tách ra khỏi bề mặt và trở lên kém linh động. Ngược lại khi kích thước hạt nhỏ, tổng số nguyên tử trong hạt giảm, phần trăm số nguyên tử trên bề mặt tăng.

Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều được "phơi" ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể, diện tích bề mặt của vật liệu nano tăng lên rất nhiều so với vật liệu thông thường. Khi các nguyên tử tập trung nhiều tại bề mặt của hạt nano chúng sẽ ít bị cản trở bởi lực hút của hạt nhân, các nguyên tử trở lên linh động hơn do năng lượng bề mặt giảm vì thể các nguyên tử rất dễ tách ra và các hạt nano dễ dàng giải phóng các ion mang diện dương, các ion này có tác dụng diệt nấm khuẩn gây bệnh theo cơ chế đặc thù.

nanobacdongcombanner3

Nói cách khác, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ, xúc tác...

Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano 3 hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước.

+ Hiệu ứng lượng tử: Đối với các vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1 µmthể tích vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử), các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét các giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với cấu trúc nano, do kích thước của vật liệu rất nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiện tượng lượng tử kỳ thú như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang phi tuyến của vật liệu, hiệu ứng đường ngầm....

+ Hiệu ứng bề mặt: Ở vật liệu nano, đa số các nguyên tử đều nằm trên bề mặt, do vậy mà diện tích bề mặt của vật liệu nano tăng lên rất nhiều so với các vật liệu truyền thống. Vì thế, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt...của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều các vật liệu dạng khối. Điều này đã mở ra những ứng dụng kỳ diệu cho lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu.

+ Hiệu ứng kích thước: Các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đại lượng vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit...Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ là bất biến nếu kích thước của vật liệu đủ lớn (thường là lớn hơn 100 nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hơn 100 nm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước. Kích thước mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi tính chất được gọi là kích thước tới hạn. Ví dụ: Điện trở của một kim loại ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày sẽ tuân theo định luật Ohm. Nếu ta giảm kích thước của kim loại xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường là từ vài nano mét đến vài trăm nano mét) thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử.

Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm nên các tính chất này đều có biểu hiện khác thường thú vị ở vật liệu nano so với các vật liệu khối truyền thống.

Hình ảnh mô hình hóa so sánh giữa kích thước nanomet với kích thước dạng khối truyền thống

III - Ứng dụng của công nghệ nano trong lĩnh vực y học

Do có nhiều tính năng  độc đáo và kích thước tương đương với các phân tử sinh học nên hiện nay, công nghệ nano đang được đầu tư nghiên cứu đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh. Các ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano trong lĩnh vực này là:

Chẩn đoán: Sử dụng các hạt nano (hạt nano vàng, nano từ, chấm lượng tử…) để đánh dấu các phân tử sinh học, vi sinh vật, phát hiện các chuỗi gen nhờ vào cơ chế bắt cặp bổ xung của DNA hoặc cơ chế bắt cặp kháng nguyên – kháng thể.

Vận chuyển thuốc: Cung cấp thuốc cho từng tế bào cụ thể bằng cách sử dụng các hạt nano nhằm tiết kiệm thuốc và tránh các tác dụng phụ.

Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc

Mô kỹ thuật: Công nghệ nano có thể giúp cơ thể tái sản xuất hoặc sửa chữa các mô bị hư hỏng bằng cách sử dụng “giàn” dựa trên vật liệu nano và các yếu tố tăng trưởng.

IV - Ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp

Các chế phẩm nano kim loại được sản xuất theo công nghệ nano tiên tiến. Mục đích chính là phòng và đặc trị bệnh do nấm, khuẩn và virus gây bệnh trên cây trồng và vật nuôi.

Các dòng chế phẩm nano sử dụng với mục đích phòng và trị bệnh được ứng dụng trong nông nghiệp:

+ Đối với trồng trọt:

*Phòng và trị bệnh do nấm, vi khuẩn, virus gây bệnh: Nano hợp kim bạc đồng, nano đồng oxyclorua, nano đồng...

Bổ sung vi lượng, hạn chế rụng quả non, thúc đẩy tăng trưởng quả, chống mưa axít hại hoa-quả non: nano kẽm, nano canxi, nano canxi cacbonate(chống mưa axít), nano silic. Ngoài ra nano silic còn được sử dụng phối trộn với cơ chất (nguyên liệu) trồng nấm ăn (nấm sò, mộc nhĩ, nấm, linh chi…).

NANOBACDONG2

+ Đối với chăn nuôi thủy sản, gia súc - gia cầm: nano bạc, nano kẽm oxít, nano kẽm, nano hợp kim đồng sắt…

Đối với trồng trọt hiện có 2 dòng chế phẩm nano hợp kim bạc đồng và nano đồng oxyclorua mang lại hiệu quả phòng và đặc trị bệnh toàn diện do tính cộng hưởng của chúng. Khi phun/tưới hỗn hợp nano bạc đồng và nano đồng oxyclorua theo tỷ lệ 2/1 hoặc 1/1 cho cây trồng thì hầu hết các nhóm bệnh do nấm, vi khuẩn đều được kiểm soát chủ động, giúp nhà nông tiết kiệm chi phí BVTV, sản phẩm lại không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường.

Theo đó chế phẩm nano đồng oxyclorua khi phun qua lá hoặc tưới gốc, các hạt nano đồng oxyclorua sẽ sản sinh ra các nguyên tử Oxi và nguyên tử Clo có tính oxi hóa cực mạnh, các nguyên tử oxi và clo này sẽ tác động trực tiếp đến cấu trúc của tế bào vi khuẩn(màng tế bào), bào tử nấm làm bộ phận màng tế bào của chúng dễ dàng bị tổn thương. Sau đó các hạt nano bạc - đồng hợp kim sẽ dễ dàng xâm nhập và phá vỡ cấu trúc của tế bào vi khuẩn, nấm, virus theo cơ chế đặc thù riêng. Do sự cộng hưởng của nano bạc đồng và nano đồng oxyclorua  nên hiệu quả diệt nấm khuẩn gây bệnh trên cây trồng là rất nhanh và mạnh hơn nữa phổ diệt nấm khuẩn gây bệnh cũng rộng hơn vì thế bộ đôi nano bạc đồng và nano đồng oxyclorua có khả năng phòng trị được nhiều nhóm bệnh trên cây ăn quả, cây lương thực, cây công nghiệp và cây rau hoa màu…

Một số vấn đề cần biết khi sử dụng các sản phẩm nano ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp

Vấn đề thứ nhất: Chúng ta cần phân biệt nano bạc đồng hợp kim với nano bạc đơn chất (dạng nano hợp kim giữa bạc và đồng - gọi tắt là nano bạc đồng. Nano bạc đơn chất gọi tắt là nano bạc).

Dung dịch Nano bạc chỉ bao gồm các hạt nano bạc phân bố trong dung dịch (có nước và pH phù hợp, môi trường là hệ phân tán). Trong khi đó Dung dịch nano hợp kim Bạc - Đồng bao gồm các hạt nano hợp kim bạc đồng (Ag-Cu) phân bố đều trong các chất biến tính bề mặt, có tác dụng diệt khuẩn và diệt nấm gây bệnh trên cây trồng, vật nuôi nói chung. Đặc trưng cơ bản của dung dịch nano hợp kim Ag-Cu này là các Vi Khuẩn có hại gây bệnh trên cây trồng được diệt bởi Nano Bạc, còn Nấm gây bệnh trên cây trồng được diệt bởi các hạt Nano Đồng. Do đó nano hợp kim bạc đồng có khả năng diệt cả vi khuẩn và nấm gây bệnh (hiệu lực cao hơn so với nano bạc, nano đồng đơn thuần).

Thực tế cho thấy khi sử dụng trên cây trồng, hiệu quả diệt nấm khuẩn của nano bạc là kém hơn rất nhiều so với nano hợp kim bạc đồng. Do nano bạc khi sử dụng phun qua lá thường bị oxy hóa nhanh tạo thành Bạc Oxit (Ag2O) do đó khả năng diệt nấm khuẩn giảm đi rất nhiều, trong khi đó nano hợp kim bạc đồng gần như rất ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện tự nhiên, hơn nữa sự kết hợp giữa nano bạc đồng hợp kim với nano silic siêu hoạt tính sẽ tạo nên độ nhớt cao hơn, khả năng bám dính trên lá tốt hơn do đó sử dụng nano bạc đồng hợp kim trong việc phòng trị bệnh do nấm khuẩn mang lại hiệu quả vượt trội hơn rất nhiều so với nano bạc (chủ yếu được sử dụng trong chăn nuôi thủy sản). Chính vì vậy giá thành để sản xuất thành phẩm chế phẩm nano bạc đơn chất là thấp hơn (rẻ hơn) so với nano bạc đồng hợp kim. Cần lưu ý thêm hiệu ứng màu sắc của nano bạc đồng khác với hiệu ứng màu của nano bạc.

Vấn đề thứ hai: Phân loại các dòng sản phẩm nano ứng dụng trong nông nghiệp

Hiện nay có rất nhiều các dòng sản phẩm nano được ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp. Để bà con dễ hiểu chúng tôi có thể chia thành 2 nhóm sau:

+ Nhóm 1: Các dòng sản phẩm nano có khả năng phòng và trị bệnh trên cây trồng nói chung (có khả năng tiêu diệt nấm, khuẩn và virus gây bệnh): Nano bạc đồng hợp kim, nano đồng oxyclorua, nano bạc, nano đồng, nano silic...

+ Nhóm 2: Các dòng sản phẩm nano có khả năng bổ sung dinh dưỡng vi lượng, trung lượng cho cây trồng (nano dinh dưỡng, phân bón lá nano): nano canxi, nano canxi cacbonat, nano đồng, nano đồng oxyclorua, nano kẽm, nano magie, nano Silic và đất hiếm..

Như vậy trong 2 nhóm trên có nano đồng, nano đồng oxyclorua, nano bạc đồng và nano silic vừa có khả năng phòng trị bệnh lại vừa có khả năng bổ sung dinh dưỡng vi lượng cho cây. Ngoài ra có thể kể đến nano bạc có ứng dụng rộng rãi nhất vì nó vừa có khả năng dùng cho trồng trọt vừa có khả năng dùng trong chăn nuôi tuy nhiên việc ứng dụng nano bạc trong trồng trọt sẽ kém hiệu quả hơn so với nano bạc đồng hợp kim (như trên đã phân tích).

Trung tâm phát triển nông nghiệp công nghệ cao Nanotech với nhiều năm chuyên nghiên cứu về công nghệ nano ứng dụng trong nông nghiệp chúng tôi có vài nhận xét đánh giá về khả năng ứng dụng và tính hiệu quả kinh tế của các dòng sản phẩm nano như sau:

Nano bạc: Trước kia khi nano bạc đồng hợp kim chưa được nghiên cứu ứng dụng thì nano bạc tỏ ra phổ biến và được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên trong 2-3 năm trở lại đây nano bạc đồng hợp kim đã cho thấy tính đặc hiệu khi sử dụng trên cây trồng vượt trội hơn hẳn so với nano bạc do đó nano bạc hiện nay được sử dụng trong lĩnh vực thủy sản, chăn nuôi gia súc gia cầm mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với dùng cho trồng trọt.

Nano bạc đồng hợp kim: Cho khả năng diệt nấm khuẩn mạnh mẽ, đặc biệt khi kết hợp với nano đồng oxyclorua chúng đem lại hiệu quả diệt nấm khuẩn cực mạnh, phổ rộng, có thể sử dụng trên nhiều đối tượng cây trồng từ cây rau hoa màu, cây lượng thực, cây ăn quả và cây công nghiệp. Do nano bạc đồng hợp kim đã khắc phục được nhược điểm của nano bạc đó là chúng hầu như rất bền và ít bị oxy hóa khử trong điều kiện tự nhiên ngoài đồng ruộng. Hiện nay Trung tâm phát triển nông nghiệp công nghệ cao đã nghiên cứu và thực nghiệm thành công 2 loại nano bạc đồng hợp kim dạng tích hợp:

Dạng 1: nano bạc đồng hợp kim plus (gọi tắt là nano Bạc Đồng Plus). Nano bạc đồng plus bao gồm các hạt nano bạc đồng hợp kim (Ag-Cu) kết hợp với nano canxi và nano kẽm.

Tác dụng cơ bản: Phòng trị bệnh do nấm khuẩn gây ra đồng thời nâng cao sức đề kháng cho cây trồng, giúp cây trồng chống đổ ngã (bổ sung dinh dưỡng trung vi lượng: Canxi và kẽm).

Dạng 2: Nano bạc đồng hợp kim super (gọi tắt là nano Bạc Đồng Super). Nano bạc đồng plus là sự kết hợp của nano bạc đồng hợp kim với nano silic siêu hoạt tính ở nồng độ cao (nano Si – 5000ppm). ở dạng nano bạc đồng super khi kết hợp với nano đồng oxyclorua chúng sẽ tạo nên khả năng diệt nấm, khuẩn và virus cộng hưởng. Ngoài ra nano silic còn ức chế, kìm hãm sự phát sinh, phát triển của nấm gây bệnh, làm tăng sức đề kháng của cây trồng, hạn chế chích hút của côn trùng.

Nói chung tùy điều kiện thời tiết, tùy đối tượng cây trồng và loại bệnh mà chúng ta có thể lựa chọn nano bạc đồng plus hay nano bạc đồng super kết hợp với nano đồng oxyclorua trong việc quản lý dịch bệnh trên cây trồng.

Nano đồng oxyclorua: hoạt chất đồng oxyclorua đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong việc phòng trị bệnh do nấm gây ra trên cây trồng nói chung. Thực tế cho thấy hầu hết các thuốc có chứa đồng oxyclorua thường có tỷ lệ hàm lượng rất cao (ví dụ như thuốc Mancozeb chứa 38% đồng oxyclorua). Việc này sẽ gây ra các tác hại như: lượng hoạt chất lớn đôi khi gây ngộ độc cây, gây ra các tác dụng phụ không mong muốn như cháy lá, rụng hoa quả non. Ngoài ra còn gây ra lượng tồn dư trên nông sản sau thu hoạch. Tuy nhiên khi ở dạng nano (nano đồng oxyclorua) hàm lượng được giảm xuống vài chục đến vài trăm lần nhưng hiệu quả diệt nấm lại được tối ưu so với dạng truyền thống. Điều này làm triệt tiêu khả năng bị ngộ độc cây và ô nhiễm môi trường, không gây tồn dư kim loại nặng trên nông sản sau thu hoạch.

 

Vấn đề thứ ba: Chất lượng các dòng sản phẩm nano ứng dụng trong nông nghiệp

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều đơn vị sản xuất kinh doanh các dòng sản phẩm nano, bên cạnh đó tồn tại nhiều các sản phẩm nano kém chất lượng. Trên thị trường hiện nay nano bạc được làm giả, làm kém chất lượng chiếm tỷ lệ cao nhất (thường là dung dịch muối Bạc Nitrat – AgNO3). Chất lượng của các dòng sản phẩm nano dùng trong sản xuất nông nghiệp phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Kích thước hạt nano: các sản phẩm nano như nano bạc, nano bạc đồng, nano đồng oxyclorua có tác dụng diệt nấm khuẩn mạnh mẽ. Tuy nhiên hiệu lực diệt nấm khuẩn của các hạt nano phụ thuộc vào kích thước hạt, kích thước hạt càng nhỏ khả năng diệt nấm khuẩn càng mạnh tuy nhiên khi hạt nano ở kích thước nhỏ thì chi phí sản xuất sẽ lớn hơn. Thông thường để đạt chất lượng cao, khả năng diệt nấm khuẩn mạnh thì các hạt nano phải đạt kích thước ở vào khoàng 8-20 nanomet (nm). Các hạt nano có kích thước lớn thường có hiệu suất diệt nấm khuẩn kém hơn. Trung tâm phát triển nông nghiệp công nghệ cao thường sản xuất các hạt nano ở các kích thước từ 8-25 nanomet (nm).

+ Dung môi chứa đựng các hạt nano: Để các hạt nano tồn tại trong thời gian dài các nhà khoa học cần phải tính toán và thiết kế chúng ở trong điều kiện chống oxy hóa khử, môi trường có hệ phân tán với mục đích chống keo tụ, giữ được chất lượng hat nano ở trạng thái tốt nhất. Trong quá trình bảo quản nếu môi trường không tốt các hạt nano có thể keo tụ lại tạo thành dạng khối lớn hơn làm giảm tác dụng diệt nấm khuẩn vốn có của hạt nano. Với công nghệ hiện đại, hiện nay chúng tôi có khả năng sản xuất ra các hạt nano bạc, nano bạc đồng dạng bọc PVP (nhằm tránh hiện tượng quần tụ, keo tụ các hạt nano).