Tiềm năng của 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.