14/12/2015
Khoa học và công nghệ nano (nanoscience and nanotechnology) là một bộ môn khảo sát, tìm hiểu và ứng dụng đặc tính của những vật chất có kích thước nanomet (1/1.000.000.000 m); (nguyên tử: 0,1 nm, phân tử: 1 nm, vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, sợi tóc: 100.000 nm), nhằm tạo nên những vật thể to hơn. Đó chính là phương pháp “từ dưới lên” (bottom-up method), trái ngược với phương pháp “từ trên xuống”, (top-down method) áp dụng phổ biến trong sản xuất và đời sống, đặc biệt là công nghiệp điện tử từ hơn 50 năm qua.
 |
|
Ứng dụng công nghệ nano bạc trong lĩnh vực trồng trọt |
Sự xuất hiện của khoa học và công nghệ nano đang là một cuộc cách mạng về lề lối suy nghĩ và phương pháp thiết kế các loại vật liệu phục vụ cho mục đích của con người, từ dược phẩm trị liệu đến các linh kiện điện tử với những đặc tính định sẵn ngay từ thang phân tử. Xét về nguồn gốc lịch sử, một trong những sản phẩm mang tính nguyên thủy của “công nghệ nano” là cơ thể con người. Con người và cả sinh, thực vật là do những nguyên tố hóa học tạo nên. Ví dụ bằng một phương pháp nào đó làm phân rã cơ thể con người đến tận thành phần cấu tạo cơ bản, sẽ thu lượm được khí oxygen, hydro và nitro, than (cácbon), canxi, muối, các nguyên tố vô cơ như lưu huỳnh, phốt pho, kim loại (sắt, manhe, natri...) và hơn chục nguyên tố khác. Nếu đánh giá theo tiêu chuẩn thương mại thì toàn bộ các nguyên tố hóa học này gần như không có giá trị. Tuy nhiên, tạo hóa đã biết dùng phương pháp mà bây giờ gọi là “công nghệ nano” để biến những nguyên tố bất động, vô tri trở thành một sinh vật có ý thức, khả năng sinh sản, biết suy nghĩ.
Năm 2007, Mỹ đứng đầu thế giới về đầu tư cho công nghệ nano (1,7 tỷ USD/năm) sau đó là Nhật Bản (1 tỷ USD/năm), Hàn Quốc đứng thứ 6, Ôtxtrâylia thứ 9, Trung Quốc thứ 10, Đài Loan thứ 11 (120 triệuUSD/năm). Tại Việt Nam, hàng năm cũng đã chi hàng trăm tỷ đồng cho việc nghiên cứu và phát triển công nghệ nano.
Mặc dù hiện nay chỉ có một số sản phẩm được chế tạo dựa vào hạt nano nhưng số lượng hạt nano được sản xuất từ 2.300 tấn có khả năng tăng đến 58.000 tấn vào năm 2020. Số lượng sản xuất ống than nano cũng tăng nhanh với những thiết bị chế tạo vài ki lô một thập niên trước đã được cải tiến biến thành máy móc có khả năng chế tạo hàng tấn.
Ứng dụng của khoa học và công nghệ nano mang lại niềm hy vọng lớn nhất cho con người như là trong y học, chủ yếu liên quan đến việc tải thuốc đến các tế bào bệnh và chẩn bệnh chính xác ở cấp phân tử. Việc tận dụng hạt nano làm “vật mang” (carrier) trong việc tải thuốc và nhả thuốc đúng “địa chỉ” là hy vọng sống còn trong trị liệu khối u, ung thư. Liposome chính là “hạt tải thuốc” như vậy. Thành quả nghiên cứu trong vài thập niên vừa qua đã tối ưu hóa cấu trúc liposome, gia tăng hiệu năng cho việc hóa trị liệu ung thư cho con người, do vậy đã được thương mại hóa. Polyme cũng là vật tải thuốc có chức năng tương tự nhưng với một cấu trúc đơn giản hơn. Đó thường là polyme sinh học chitosan (chế biến từ vỏ tôm) hay polyme tổng hợp, poly(butylcyano acrylat). Các polyme kết tập thành các mixen (micelle) có tính tương thích sinh học (bio-compatible) và phân hủy sinh học (bio-degradable). Tương tự như hạt liposome, khi gặp môi trường của khối u, ung thư có độ pH thích ứng, polyme bị phân giải và nhả thuốc với một tốc độ tối ưu định sẵn.
Công nghệ nano được áp dụng trong luyện kim để tạo ra các vật liệu có tính năng đặc biệt: độ cứng cao, nhưng lại dẻo, không bị ăn mòn, mài mòn, hệ số ma sát thấp. Sử dụng công nghệ mạ điện nano composite chẳng những làm cho bề mặt vật liệu có những tính năng siêu việt nhất cho công nghệ hiện đại mà còn không cần sử dụng các nguyên tố hóa học rất độc hại (đã bị cấm sử dụng) như ion Cr (VI).
Thành quả của những nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong cơ khí đã đưa đến việc chế tạo một dụng cụ cực nhỏ với những linh kiện cấp micromét gọi là MEMS, viết tắt của “Micro electro-mechanical systems - hệ thống cơ điện vi mô”.MEMS có những ứng dụng quan trọng trong công nghiệp cũng như trong y học và trở thành những sản phẩm được bán ra trên thương trường với tổng ngạch vài tỷ USD hàng năm. Một trong những ứng dụng y học là MEMS gắn vào đèn nội soi để quan sát nội tạng, hay các bộ cảm ứng y học dùng một lần để giúp chẩn bệnh chính xác. Trong công nghiệp xe hơi, bộ dẫn động (actuator) MEMS kích hoạt làm bao không khí (airbag) bung ra để ngăn chặn tai nạn cho người lái xe...
Như vậy, khoa học công nghệ nano về phương diện BVMT trước hết phải khẳng định là một công nghệ “xanh”. Lý do thứ nhất, hãy tưởng tượng, một ngày nào đó, xe cộ chạy trên đường không cần đốt than, dầu hay xăng, không có tiếng ồn, không thải ra bất cứ chất ô nhiễm nào, con người vẫn dùng điện thoải mái mà không cần các nhà máy nhiệt điện đốt than, đốt khí, đốt dầu, gây “ngạt thở” cho quả đất. Nhờ khoa học và công nghệ nano “xanh”, đó hoàn toàn không phải là điều “không tưởng”. Các nhà khoa học nano đã cho ra đời các “siêu phân tử” rotaxane và catenane, chúng có thể chuyển động như các động cơ chỉ bằng kích thích bởi quang, nhiệt, độ pH hay phản ứng ôxy hóa/khử (redox). Rotaxane và catenane là hai động cơ đơn vị trong NEMS mang những ưu điểm đặc biệt, đầy triển vọng và rất lý tưởng trên phương diện BVMT.
Trong số các hạt nano ứng dụng trong BVMT có titan dioxit (TiO2) vừa là chất bán dẫn, quang xúc tác, có thể chuyển hoán năng lượng, đồng thời là sensor (đầu dò) khí. Đó là chất đa năng vừa phân hủy hầu hết các chất ô nhiêm hữu cơ và có thể là sensor để nhận biết và xác định mức độ ô nhiễm của các chất.
Song song với những tiềm năng ứng dụng đầy tính sáng tạo của công nghệ nano trong kỹ thuật, y học, cần đề cao cảnh giác trước các nguy cơ tiềm ẩn của vật liệu nano. Các nhà khoa học đã đúc rút thành quy luật tất yếu, khách quan của vấn đề, như hai mặt của một đồng xu. Trong công tác phòng ngừa, kiểm soát ô nhiễm môi trường đi liên với phát triển kinh tế - xã hội, nó như chân ga và chân phanh của một động cơ ô tô, hai bộ phận này đều không thể tách rời nhau nhằm vận hành một cỗ xe an toàn, đúng chức năng.
Chẳng hạn, đặc tính chống khuẩn, chống nấm của huyền phù (colloid) bạc kích cỡ micromét (1/1.000 milimét), đã được biết hơn 100 năm qua. Khi một vật liệu được chế tạo có kích cỡ giảm đi 1.000 lần thì diện tích bề mặt sẽ tăng lên 1.000 lần, như vậy, hạt nano bạc sẽ có hiệu quả chống khuẩn khoảng ngàn lần cao hơn, nhưng độc tính của nano bạc cũng sẽ tăng lên một cấp độ tương đương. Bạc đã được xác nhận là một chất có độc tính, làm ô nhiễm môi sinh (đặc biệt là ion bạc). Khi vào cơ thể, vì kích cỡ cực nhỏ, hiện tượng hạt nano có thể đi theo đường huyết quản rồi tập trung ở các cơ quan như phổi và não bộ là một khả năng rất lớn. Vài năm trước, trên thị trường đã xuất hiện loại nội y chứa hạt nano bạc chống khuẩn và khử mùi.Những sản phẩm này hiện nay đã bị cấm sản xuất và lưu hành.
Một bài viết nói về ống than nano (các bon nanotube) gây ra sự phát viêm (inflammation) trong tế bào giống như amiang (asbestos - chất gây ung thư, đã bị cấm sử dụng), kết quả khác do Cơ quan BVMT Mỹ (EPA) thông báo, hạt nano titan dioxit (TiO2)có thể phá hỏng não bộ của chuột, đã gây sự lo lắng trong cộng đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ nano.
Hàng năm, cứ vào mùa xuân, dị ứng với phấn hoa làm hơn 20% dân số thế giới bị mắc bệnh.Khi hạt phấn với kích thước micromét đi vào đường hô hấp, hệ thống miễn nhiễm sẽ phát hiện, tế bào tiết ra một chất histamine, ngăn ngừa sự xâm nhập của phấn hoa. Hệ thống miễn nhiễm là một chức năng phản ứng tức thời để loại trừ vật lạ, vi khuẩn, virút xâm nhập, nhưng chỉ với hạt kích thước micromet. Đối với hạt nano, hệ thống miễn nhiễm trở nên vô hiệu.Vì kích thước quá nhỏ hạt nano có thể vượt qua bức tường phòng thủ của hệ thống tiến sâu vào nội tạng. Trên mặt tích cực, đặc điểm này giúp hạt tải thuốc nano di động vượt “rào cản”, đánh lừa hệ thống miễn nhiễm tiến đến mục tiêu. Trên mặt tiêu cực, ta vẫn chưa hiểu rõ những gì sẽ xảy ra khi vật liệu nano di chuyển tùy tiện, vô trật tự, tiếp cận với tế bào phổi, não và những cơ quan quan trọng của cơ thể.
Thay vì mang thuốc trị liệu, hạt nano có thể mang chất độc. Vì hàm lượng độc chất rất nhỏ, có thể vũ khí nano không có tác dụng tức thời nhưng sự đa dạng của nó còn độc hại hơn cả vũ khí sinh hóa học cổ điển, sẽ có tác dụng lâu dài trên môi sinh, động thực vật và con người. Kịch bản này có thể chỉ là một lo xa không cơ sở, nhưng trong tình trạng khủng bố toàn cầu hiện nay chúng ta cần có những đối sách phòng ngừa và một kiến thức dự bị trước khi quá muộn.
Trước những cứ liệu khoa học, xác thực đã được cảnh báo ở trên, đã đến lúc, chúng ta nên để tâm nhiều hơn đến công tác này. Không phải ngẫu nhiên mà SAICM (Một thỏa thuận quốc tế về biện pháp tiếp cận mang tính chiến lược nhằm quản lý hóa chất), cùng với Viện Nghiên cứu và Đào tạo Liên hợp quốc (UNITAR) đã đưa nội dung an toàn nano (nano-Safety) lên song hành với công nghệ nano (nano-Tech)tại các diễn đàn khoa học.
Việt Nam, một trong những quốc gia mới nghiên cứu và phát triển công nghệ nano, nhưng là một trong những thị trường tiềm năng của ứng dụng, chuyển giao, tiếp cận và sử dụng công nghệ nano. Bên cạnh những giải pháp mang tính tổng thể về định hướng phát triển công nghệ nano tại Việt Nam, cần có kế hoạch phù hợp nhằm đánh giá, xác định các nguy cơ, thách thức tiềm ẩn về sức khỏe và môi trường, xác định các biện pháp, lộ trình phòng ngừa và kiểm soát các nguy cơ và phân công trách nhiệm cụ thể. Do đó, cần đưa nội dung “quản lý an toàn nano” thành một trong những nội dung của Kế hoạch hành động quốc gia về sức khỏe môi trường. Trước mắt, cần có những hoạt động tuyên truyền, phổ biến nhằm nâng cao nhận thức, kiến thức để quản lý an toàn nano trong quá trình sản xuất - lưu thông - sử dụng - thải bỏ, tránh để lại hậu quả không thể khắc phục được trong tương lain
Tổng hợp các vật liệu nano được áp dụng làm sạch môi trường
|
Hạt nano |
Chất ô nhiễm |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
TiO2 |
Các chất ô nhiễm hữu cơ |
Không độc hại, hòa tan tốt trong nước, ổn định quang |
Đắt, khó loại bỏ |
|
Hạt nano sắt |
Kim loại và ion kim loại nặng Chất ô nhiễm hữu cơ (khử hợp chất clo hữu cơ) |
Xử lý được trong đát và trong nước, giá thành rẻ, độ an toàn cao |
Khó loại bỏ, tạo bùn, khó làm sạch bùn, độc hại |
|
Hạt nano lưỡng kim |
Khử hợp chất clo hữu cơ Khử nitrat hữu cơ |
Độ hoạt hóa cao |
Khó loại bỏ Sinh bùn |
|
Nanoclay |
Kim loại nặng, chất ô nhiễm hữu cơ |
Giá thấp, ổn định lâu dài, dung lượng hấp phụ cao, tổng bề mặt lớn, độ xốp cao |
Sinh bùn |
|
Nanotube và Fullerene |
Kim loại và ion kim loại nặng |
Xử lý chất ô nhiễm khỏi nước và đất. Độ ổn định hóa học cao |
Đắt, khả năng hấp phụ hạn chế, khó làm sạch, độc hại |
|
Các Mixel |
Chất hữu cơ trong đất |
Ái lực cao với các chất ô nhiễm hữu cơ kỵ nước |
Đắt |
|
Hạt nano từ tính |
Kim loại năng và các chất ô nhiễm hữu cơ |
Phân tách đơn giản |
Đắt |
|
Màng lọc nano |
Các hợp chất vô cơ và hữu cơ |
Không cần áp lực |
Đắt |
Tài liệu tham khảo
L. Philliponi, Application of Nanotechnology: Environment, NanoScience Center (iNANO), Aarhut Unviversity of Denmark, 2007.
G.A. Mansoori, et.al. Environmental application of nanotechnology,Annual Review of Nano Research, Vol.2, Chap.2, 2008, University of Illinois at Chicago, USA
Trương Văn Tân, Những bài viết về công nghệ nano trên Web: ERCT.com.
TS. Nguyễn Viết Huệ
Hội Khoa học Vật liệu
ThS. Nguyễn Hoàng Ánh
Hội Bảo vệ Thiên nhiên và Môi trường Việt Nam
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường sô 11 - 2015)
