Một đội khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì và Viện Carnegie Washington vừa thành công trong việc “quan sát” trực tiếp các hạt nano đang sinh trưởng.


Kĩ thuật mang tính cách mạng cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu những giai đoạn đầu của sự hình thành hạt nano, một bí ẩn lâu nay do các phương pháp khảo sát không thỏa đáng, và có thể đưa đến hiệu quả tốt hơn của các vật liệu nano trong các ứng dụng như pin mặt trời, cảm biến, và vân vân.

“Sự tăng trưởng tinh thể là nền tảng của công nghệ nano”, phát biểu của nhà nghiên cứu Yugang Sun, một nhà hóa học Argonne. “Việc tìm hiểu nó sẽ cho phép các nhà khoa học thao tác chính xác hơn với các tính chất hạt nano mới và hấp dẫn”.

Các hạt nano trông như thế nào và hành xử ra sao phụ thuộc vào cấu trúc của chúng: kích cỡ, hình dạng, kiểu kết cấu, và hóa tính bề mặt. Điều này, hóa ra, phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện mà dưới đó chúng lớn lên.

“Việc thao tác chính xác trên các hạt nano là rất khó”, Sun giải thích. “Nó thậm chí còn khó hơn việc tái sản xuất các hạt nano giống như vậy từ mẻ này sang mẻ khác, vì chúng ta vẫn không biết tất cả các điều kiện có mặt trong công thức chế tạo. Nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, các tạp chất – chúng đều ảnh hưởng đến sự tăng trưởng, và chúng ta vẫn đang tiếp tục khám phá thêm nhiều yếu tố nữa”.

Để tìm hiểu các hạt nano lớn lên như thế nào, các nhà khoa học cần thật sự quan sát được chúng đang hoạt động. Vấn đề là kính hiển vi điện tử, phương pháp thông dụng dùng để nhìn xuống cấp độ nguyên tử của các hạt nano, đòi hỏi có chân không. Nhưng nhiều loại tinh thể nano lại lớn lên trong môi trường chất lỏng – và chân không trong kính hiển vi điện tử khiến yêu cầu này không thể thực hiện được. Một màng mỏng đặc biệt cho phép một lượng chất lỏng nhỏ xíu được phân tích trong một kính hiển vi điện tử, nhưng nó vẫn hạn chế các nhà nghiên cứu với một lớp chất lỏng chỉ dày 100 nm, khác đáng kể so với các điều kiện thực tế trong sự tổng hợp hạt nano.

Để giải quyết nan đề này, Sun nhận thấy ông nên sử dụng các tia X năng lượng rất cao có tại Phân khu 1 của Nguồn Photon Tiên tiến Argonne (APS), cơ sở liền kề với Trung tâm Vật liệu Nano thuộc phòng thí nghiệm trên, nơi ông đang làm việc. Kiểu tán xạ tia X của mẫu cho phép các nhà nghiên cứu tái dựng lại những giai đoạn sớm nhất của các tinh thể nano từng-giây-một.

“Kĩ thuật này mang lại một báu vật thông tin vô giá, đặc biệt về sự tạo nhân và các bước tăng trưởng của tinh thể, cái trước đây chúng tôi chưa bao giờ có thể làm được”, Sun nói.

Cường độ của tia X thật sự ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của các tinh thể nano, Sun nói, nhưng các tác dụng chỉ trở nên đáng kể sau một thời gian phản ứng đặc biệt lâu. “Việc có được một hình ảnh rõ ràng của quá trình tăng trưởng [tinh thể] sẽ cho phép chúng ta điều khiển các mẫu nhằm mang lại các kết quả tốt hơn, và cuối cùng là những chất liệu nano mới sẽ có nhiều ứng dụng đa dạng”, Sun giải thích.

Các vật liệu nano có thê dùng trong pin quang điện mặt trời, các bộ cảm biến hóa chất và sinh học, và cả trong kĩ thuật ghi ảnh. Thí dụ, các đĩa nano kim loại quý có thể hấp thụ ánh sáng hồng ngoại gần, cho nên chúng có thể dùng để tăng cường độ tương phản trong các ảnh. Một trường hợp khác, việc đưa thêm các hạt nano đã qua xử lí đặc biệt đến gần khối u của bệnh nhân ung thư có thể làm tăng độ tương phản ảnh giữa các tế bào bình thường và tế bào ung thư, cho nên các bác sĩ có thể lập bản đồ chính xác đối với khối u.

Sáu quy tắc cho thiết kế nano

Một trong những thách thức lớn mà các nhà nghiên cứu công nghệ nano đang đối mặt là tìm hiểu xem các hạt tương tác như thế nào ở cấp độ nano, để thiết kế ra những dụng cụ chắc chắn và đáng tin cậy. Nay một nhóm nhà khoa học ở Mĩ vừa thiết lập một bộ quy tắc cơ bản có thể giúp ích trong công việc này.

Chad Mirkin và các đồng sự tại trường Đại học Northwestern đã đặc biệt khảo sát trường hợp những cấu trúc nano hình thành bởi những hạt nano vàng được nối kết thành mạng bằng ADN. Tuy nhiên, họ cho biết kết quả trên sẽ áp dụng cho bất kì loại hạt nano cầu nào có thể gói đặc khít và kết nối thông qua ADN.

Mục tiêu của nghiên cứu trên là xác định những quy tắc dẫn tới những tương tác nhất định giữa các hạt vàng và ADN, và xây dựng hồ sơ chi tiết của những cấu trúc nano thu được. Sử dụng sự tán xạ tia X góc nhỏ, đội của Mirkin đã xác định đặc trưng cấu trúc cho 41 tinh thể khác nhau nhận một trong chín kiểu mạng. Các nhà nghiên cứu biết rằng đối với từng cấu trúc, họ có thể chỉnh các thông số mạng như kích cỡ và tính ổn định bằng cách điều chỉnh kích cỡ hạt nano và chiều dài của những mối nối ADN. Các phương pháp dùng để tạo ra những mạng nhất định được đúc kết thành một bột gồm sáu quy tắc cơ bản – chúng được trình bày trong một bài báo đăng trên tờ Science.


Chơi cùng những viên bi

“Hãy tưởng tượng có một nắm bi với những màu sắc khác nhau, thí dụ như đỏ, vàng và xanh. Chúng ta có thể lấy những cấu trúc nhỏ xíu đó và gắn ADN vào chúng và để cho bi đỏ đi tới những đốm nhất định, rồi bi vàng và bi xanh đi tới những đốm nhất định, với độ chính xác dưới nano mét”, Mirkin nói. Các nhà nghiên cứu Northwestern giải thích rằng, trên lí thuyết, có thể tuân thủ những quy tắc này để xây dựng nên bất kì loại mạng tinh thể nào. Công trình trên sẽ hỗ trợ các công nghệ nano chế tạo dễ dàng hơn, ví dụ như những tế bào mặt trời có những ma trận hạt nano được thiết kế để khai thác ánh sáng ở hiệu suất cao hơn những công nghệ hiện nay cho phép.

“Khía cạnh tân tiến nhất của nghiên cứu trên là khả năng thiết kế các tinh thể hạt nano”, phát biểu của Alex Travesset, một nhà khoa học vật liệu tại trường Đại học Iowa ở Mĩ. Travesset tin rằng, ở tầm trung hạn, bộ quy tắc trên có thể hỗ trợ việc thiết kế những bộ cảm biến mới và những hệ xúc tác cải tiến.

Oleg Gang, một nhà nghiên cứu vật liệu sinh học nano tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, cũng tin rằng những quy tắc này có thể giúp phát triển nhiều ứng dụng – như sự khai thác năng lượng mặt trời. “Ở tầm dài hạn hơn, những chất liệu này sẽ có tác động rõ rệt đối với mọi lĩnh vực đời sống của chúng ta, giống như polymer đối với nửa sau của thế kỉ vừa qua”, ông nói.