Phát triển công nghệ nano

Phong phú sản phẩm ứng dụng công nghệ nano

Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước cực nhỏ ở mức nanomet (nm) của một chiều đến ba chiều. Nếu vật liệu có kích thước bằng hoặc nhỏ hơn 100 nm ở một chiều sẽ có dạng tấm, ví dụ tấm graphene từ graphite carbon; ở hai chiều sẽ có cấu trúc sợi hoặc hình ống như các ống nano carbon; ở ba chiều sẽ có cấu trúc hình cầu như các hạt nano kim loại,…

Các hạt nano có kích thước rất nhỏ mắt thường không nhìn thấy được. Ở kích thước nano vật liệu có diện tích bề mặt rất lớn nên có hoạt tính hóa học rất mạnh và các tính chất quang, nhiệt… rất khác so với vật liệu tương ứng bình thường. Ví dụ dung dịch nano bạc kim loại chứa lượng lớn hạt bạc kim loại kích thước nano. Với cùng nồng độ khối, nhưng hạt càng nhỏ thì nồng độ hạt càng lớn (Bảng 1) và nhờ số lượng hạt rất lớn nên nano bạc kim loại có hoạt tính hóa học rất mạnh và các tính chất quang, nhiệt rất khác so với bạc kim loại khối. 
 

Bảng 1. Liên hệ giữa nồng độ khối, nồng độ hạt và kích thước hạt
của hạt nano bạc kim loại
 

Nguồn: Công ty TNHH Sinh hóa Môi trường Bình Lan, Nano bạc kim loại, tính chất và ứng dụng, 2015.

H.1: Ảnh một số vật liệu nano

H.2: Thể hiện một số vật thể qua kích thước nano

Nguồn: Kai Savolainen, Ulrika Backman, Derk Brouwer, Bengt Fadeel,…; Nanosafety in Europe 2015-2025: Towards Safe and Sustainable Nanomaterials and Nanotechnology; Institute of Occupational Health, 2013.

Công nghệ nano không là một lĩnh vực độc lập mà phát triển cùng với nhiều lĩnh vực khác nhau, tùy theo mục đích sử dụng. Vật liệu nano kết hợp với những công nghệ hiện có trong nhiều lĩnh vực sẽ là động lực để công nghệ phát triển mạnh mẽ và được kỳ vọng về kinh tế. Công nghệ nano ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sinh tổng hợp, y-dược, mỹ phẩm, điện tử-điện, quốc phòng, nông nghiệp, thực phẩm, dệt, phương tiện vận chuyển,… (H.3)
 

H.3 : Công nghệ nano được ứng dụng rộng rãi

Nguồn: McDermott Will&Emery, 2013 Nanotechnology Patent Literature Review.

Các ứng dụng công nghệ nano nhằm mục tiêu tạo sản phẩm hiệu quả, bền, nhẹ, rẻ và ít hao năng lượng. Một số vật liệu nano đã được sử dụng phổ biến trong sản xuất như hạt nano bạc kim loại được sử dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau từ các sản phẩm quang, điện tử, các máy đo sinh học, thuốc dùng cho người và cây trồng, và nhiều sản phẩm tiêu dùng hàng ngày như xà bông, kem đánh răng, khử mùi, son môi, dụng cụ trang điểm, lược…; vật liệu nano carbon nhẹ, bền, dẫn điện và nhiệt tốt được sử dụng trong sản xuất pin, dụng cụ thể thao, bộ phận xe…; các hạt nano từ oxít sắt dùng truyền dẫn thuốc; TiO₂ và ZnO kích thước nano chống nắng trong mỹ phẩm hay nano vàng được sử dụng chữa lành vết thương...

Ngày càng nhiều sản phẩm được gắn “nhãn nano”, năm 2010 công nghệ nano đã xuất hiện trong 1.317 dòng sản phẩm trong khi năm 2005 chỉ có trong 54 dòng sản phẩm (BĐ 1). Hiện có hơn 1.600 sản phẩm dựa vào công nghệ nano đã được thương mại.

BĐ 1: Phát triển số lượng sản phẩm ứng dụng công nghệ nano

Nguồn: Alexandrina Soldatenko -University of Strasbourg, Current Uses of Nanotechnology, 2011.

BĐ 2: Lĩnh vực xuất hiện nhiều sản phẩm ứng dụng công nghệ nano

Nguồn: Alexandrina Soldatenko -University of Strasbourg, Current Uses of Nanotechnology, 2011.

Lĩnh vực có nhiều sản phẩm ứng dụng công nghệ nano như chăm sóc sức khỏe và làm đẹp, nhà và vườn, tự động hóa, thực phẩm và đồ uống, lớp phủ, điện tử và máy tính, thiết bị gia dụng, sản phẩm cho trẻ em (BĐ 2). Khu vực có nhiều sản phẩm ứng dụng công nghệ nano là Mỹ, châu Âu và Đông Á (BĐ 3).

BĐ 3: Số lượng sản phẩm ứng dụng công nghệ nano theo khu vực

Nguồn: Alexandrina Soldatenko -University of Strasbourg, Current Uses of Nanotechnology, 2011.

Gia tăng đầu tư công nghệ nano

Mỹ được xem là quốc gia sớm phát triển công nghệ nano. Giai đoạn 2001 đến 2014 có hơn 60 quốc gia quan tâm phát triển công nghệ nano, từ các quốc gia tiên tiến ở châu Âu đến Trung Quốc, Brazil, Ấn Độ và cả các quốc gia đang phát triển như Malaysia, Pakistan, Sri Lanka…(BĐ 4).
 

BĐ 4: Công nghệ nano hiện diện ở một số nước

Nguồn: Kirsten Rodine-Hardy Research Team, Nanotechnology in a Globalized World: Strategic Assessments of an Emerging Technology, 2014.

Đầu tư cho hoạt động nghiên cứu và triển khai (R&D) trong lĩnh vực nano ngày càng tăng cao, mức chi trên toàn cầu tính đến cuối năm 2011 khoảng 65 tỉ USD, ước sẽ gia tăng gần 120 tỉ USD vào năm 2015 (BĐ 5)
 

BĐ 5: Gia tăng chi cho hoạt động R&D lĩnh vực nano trên toàn cầu

Nguồn: Cientifica, Global Funding of Nanotechnologies & Its Impact, 2011.

BĐ 6: Chi cho hoạt động R&D lĩnh vực nano ở một số nước

Nguồn: Cientifica, Global Funding of Nanotechnologies & Its Impact, 2011.

Mỹ chú tâm phát triển và là nước dẫn đầu chi cho R&D vào công nghệ nano (nhiều nhất là lĩnh vực sinh học nano, chủ yếu về dược phẩm và chẩn đoán bệnh, kế đến là sản xuất thiết bị và vật liệu công nghệ sinh học nano và phần mềm điều khiển) kế đến là Nga, Trung Quốc, Nhật và Đức (BĐ 6). Giai đoạn 2008-2010, tính riêng phần đầu tư từ phía nhà nước, tổng đầu tư của các quốc gia trên thế giới cho R&D công nghệ nano ước khoảng 50 tỉ USD, dẫn đầu là Mỹ kế đến là các nước Nhật, Nga, Đức… (BĐ 7); ở khối doanh nghiệp, Mỹ cũng là tiên phong, sau đó lần lượt đến các nước Nhật, Đức, Trung Quốc, Pháp, Hàn Quốc ((BĐ 8). Có thể thấy khối doanh nghiệp ở các nước Mỹ, Nhật chi cho lĩnh vực nano nhiều hơn nhà nước; trong khi Nga, Trung Quốc, Pháp ngược lại, nhà nước có mức đầu tư lớn hơn.

BĐ 7: 10 quốc gia dẫn đầu mức chi của nhà nước cho hoạt động R&D lĩnh vực nano

Nguồn: Kirsten Rodine-Hardy Research Team, Nanotechnology in a Globalized World: Strategic Assessments of an Emerging Technology, 2014.

BĐ 8: 10 quốc gia dẫn đầu mức chi của doanh nghiệp cho hoạt động R&D lĩnh vực nano

Nguồn: Kirsten Rodine-Hardy Research Team, Nanotechnology in a Globalized World: Strategic Assessments of an Emerging Technology, 2014.

Đẩy mạnh R&D công nghệ nano
 

Những năm gần đây hoạt động R&D về công nghệ nano phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Điều này được phản ánh qua lượng tài liệu cũng như đăng ký sáng chế (SC) về công nghệ nano gia tăng hàng năm và phát triển mạnh từ 2004 đến nay (BĐ 9, BĐ 10).

BĐ 9: Công bố tài liệu về công nghệ nano ở các nước

Nguồn: Mike Roco, Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020, OECD, 2012.

BĐ 10: Phát triển số lượng sáng chế về công nghệ nano

Ghi chú: Apps: số đơn đăng ký SC tại USPTO (Cơ quan Sáng chế và Nhãn hiệu Mỹ); Patents: số bằng SC được cấp tại USPTO; WIPO: số liệu SC tại WIPO (Tổ chức Sở hữu Trí tuệ Thế giới). 

Nguồn: McDermott, Will & Emery, 2013 Nanotechnology Patent Literature Review.

Kể từ 2009 trở về trước, các nhà khoa học Mỹ đứng đầu về công bố tài liệu về nano; từ 2010 đến nay, số lượng tài liệu được công bố của Trung Quốc trong lĩnh vực này đã vượt lên hàng đầu, Mỹ xếp thứ hai rồi đến Đức (thuộc khối EU) (BĐ 11). Tương tự, về số lượng đăng ký SC, từ 2004 trở về trước, Mỹ cũng luôn dẫn đầu nhưng từ 2005 đến nay, Trung Quốc đã vượt Mỹ, giai đoạn 2005-2009 Trung Quốc có gần 16.000 SC đăng ký liên quan đến công nghệ nano, trong khi Mỹ chỉ khoảng 14.000 SC đăng ký (BĐ 12). Tuy nhiên đăng ký theo Hiệp ước PCT Mỹ chiếm tỉ lệ cao nhất, trên 35%, Trung Quốc xếp sau các nước Nhật, Hàn Quốc, Đức. Pháp, Vương Quốc Anh (BĐ 13). 
 

BĐ 11: Số lượng tài liệu về công nghệ nano ở các nước

Nguồn: Kirsten Rodine-Hardy Research Team, Nanotechnology in a Globalized World: Strategic Assessments of an Emerging Technology, 2014; PCAST, 2012.

BĐ 12: Số lượng đăng ký sáng chế về công nghệ nano ở các nước
(Từ năm 1990-2009)

Ghi chú: số liệu từ cơ sở dữ liệu sáng của Cơ quan Sáng chế châu Âu (EPO) 

Nguồn: Kirsten Rodine-Hardy Research Team, Nanotechnology in a Globalized World: Strategic Assessments of an Emerging Technology, 2014; PCAST, 2012.

BĐ 13: Tỷ lệ đăng ký sáng chế về công nghệ nano ở các nước
(Theo Hiệp ước PCT, từ năm 2009-2011)

Ghi chú: Số liệu dựa trên sáng chế được đăng ký theo Hiệp ước PCT (Patent Cooporation Treaty)  

Nguồn: OECD, Key Nanotechnology Indicators, 2014.

Công nghệ nano đã được nghiên cứu phát triển ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Công nghệ nano ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp điện tử và máy tính, điều này được minh chứng qua lượng SC về ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực này nhiều nhất, tiếp theo là hóa, sinh…(BĐ 14) và xu hướng sẽ phát triển trong nhiều lĩnh vực khác.

BĐ 14: Số lượng SC ứng dụng công nghệ nano trong các lĩnh vực

Nguồn: McDermott, Will & Emery, 2013 Nanotechnology Patent Literature Review.

Hấp dẫn nhiều doanh nghiệp
 

Nhờ nhiều triển vọng, nên ngày càng có nhiều doanh nghiệp (DN) phát triển các hoạt động liên quan đến công nghệ nano. Hai nước có nhiều DN hoạt động trong lĩnh vực này là Mỹ có trên 5.000 DN và Đức trên 1.000 DN, trong đó chuyên về công nghệ nano ở Mỹ có trên 500 DN và Đức có khoảng 300 DN (Bảng 2). Tương lai hấp dẫn nhưng không ít cạnh tranh khiến các công ty mạnh tay chi cho R&D về công nghệ nano như Mitsubishi, Motorola, Lucent, Hitachi, Nec, Sony, Microsoft, IBM, Hewlett - Packard… Mitsubishi hy vọng sẽ tạo ra những loại sợi carbone nhỏ chắc hơn thép 100 lần và nhẹ hơn thép 6 lần; IBM đang tạo ra những phân tử nano có hai tính chất: vừa là kim loại vừa mang tính bán dẫn nhằm tạo ra những thế hệ máy tính khỏe và bền; các hãng điện thoại di động như Nokia, Motorola hay Ericsson đều đang trông chờ vào vật liệu nano để tạo ra những loại pin siêu bền, những loại điện thoại ngâm dưới nước hay chịu được nhiệt độ cao; Hewlett - Packard cũng không muốn chậm chân, đang thử nghiệm nhiều loại vật liệu nano… Trong danh sách 15 đơn vị dẫn đầu đăng ký SC liên quan đến công nghệ nano có các công ty đều trong lĩnh vực điện tử và máy tính, dẫn đầu là IBM, Hon Hai Precision Industry hay Samsung (Bảng 3).

Bảng 2: Số công ty hoạt động trong lĩnh vực công nghệ nano ở các nước
 

Ghi chú:

*: doanh nghiệp dùng công nghệ nano sản xuất các sản phẩm, thực hiện các dịch vụ hay nghiên cứu công nghệ nano
**: thực hiện hoạt động nghiên cứu công nghệ nano, có ít nhất 75% sản phẩm/dịch vụ hay hoạt động R&D  

Nguồn: OECD, Key Nanotechnology Indicators, 2014.

Bảng 3: Các đơn vị dẫn đầu đăng ký SC về công nghệ nano, năm 2013
 

Nguồn: McDermott, Will & Emery, 2013 Nanotechnology Patent Literature Review.

Việt Nam với công nghệ nano 
 

Ở Việt Nam, tuy khá khiêm tốn, nhưng từ 1998 đã bắt đầu có những đầu tư cho nghiên cứu công nghệ nano. Đến nay, nhiều kết quả nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano được công bố từ các đơn vị như Trung tâm Nghiên cứu Triển khai (Khu Công nghệ cao TP. HCM), Viện Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), ĐH Khoa học Tự nhiên Hà Nội, ĐH Khoa học Tự nhiên TP. HCM, ĐH Bách khoa Hà Nội, ĐH Bách khoa TP. HCM… Các phòng thí nghiệm công nghệ nano được thành lập nhằm tăng cường năng lực R&D ứng dụng công nghệ nano như Phòng Thí nghiệm Công nghệ nano (Đại học Quốc gia TP. HCM), Phòng Thí nghiệm Công nghệ micro và nano (Đại học Công nghệ).

Cùng các đơn vị nghiên cứu, khối doanh nghiệp cũng đã mạnh dạn ứng dụng công nghệ nano trong sản xuất như:

   • Các nhà khoa học Viện Hóa học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã chế tạo thành công nano curcumin chiết xuất từ củ nghệ vàng và chuyển giao nguồn nguyên liệu quý này cho Công ty Dược Mỹ phẩm CVI kết hợp với Đại học Dược Hà Nội và Công ty Cổ phần Dược phẩm Mediplantex cho ra thị trường sản phẩm CurmarGold có tác dụng phòng ngừa và hỗ trợ điều trị ung thư, viêm loét dạ dày tá tràng, bệnh lý gan mật và một số bệnh mạn tính.
 

   • Trung tâm Nghiên cứu Triển khai (Khu Công nghệ cao TP. HCM) phối hợp Công ty Mori A Phương Vy đưa hạt nano titandioxit và nano vàng vào các sản phẩm làm đẹp da.
 

   • Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế vi mạch (Đại học Quốc gia TP. HCM) hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu Triển khai (Khu công nghệ cao TP. HCM), với sự đầu tư của Sở KH&CN TP.HCM, đã chế tạo thành công chip sinh học vi cân tinh thể thạch anh QCM (Quatzt Crystal Microbalance), biochip này cho phép phát hiện nhanh phẩy khuẩn tả.
 

   • Sản phẩm silicate nano tách ra từ vỏ trấu được dùng để tổng hợp colloidal do PGS. TS. Nguyễn Thị Hòe (Chủ tịch Tập đoàn Sơn Kova) sáng chế được dùng cho nhiều lĩnh vực như sơn, chống thấm, mỹ phẩm, dược phẩm, vi tính… Và các loại sơn nano đặc biệt được làm từ vỏ trấu như Sơn chống đạn - Sơn chống cháy - Sơn kháng khuẩn đã được Tập đoàn Sơn Kova giới thiệu ra thị trường.
 

   • Công ty TNHH Sinh hóa Môi trường Bình Lan giới thiệu sản phẩm nano bạc làm nguyên liệu cho các ngành sản xuất phân bón và thuốc nông nghiệp, sơn, mỹ phẩm, dược phẩm,…tại Techmart “Sáng chế và kết quả nghiên cứu sẵn sàng chuyển giao” trong tháng 7/2015 tại Sàn Giao dịch công nghệ TP. HCM.
 

Kích thước siêu nhỏ của vật liệu nano đã tạo ra những “đột biến” thần kỳ trong rất nhiều lĩnh vực, tác động trực tiếp đến đời sống con người. Tuy nhiên, hiện nay các sản phẩm ứng dụng công nghệ nano được đưa ra thị trường hầu như chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ những ảnh hưởng của chúng lên sức khỏe con người và môi trường. Đây là quan ngại rất lớn của các nhà khoa học bởi những hạt nano rất nhỏ có thể xâm nhập qua da, di chuyển qua hệ thống ống lympho để đi đến các hạch bạch cầu (lymph nodes) và cuối cùng là đến các cơ quan như gan, thận và lá lách…, hay khi hít vào thì những hạt nano sẽ đi sâu vào phổi hơn so với những hạt có kích thước lớn hơn...Và khi môi trường với đủ loại vật liệu nano sẽ tác động ra sao đến nguồn nước, đất đai, động thực vật… Vì thế, rất cần những nghiên cứu cẩn trọng đánh giá tác động đến sức khỏe và môi trường của vật liệu nano trước khi đưa ra thị trường, và các nhà sản xuất cần cung cấp đầy đủ những thông tin về cách thức sử dụng những hạt nano hay sản phẩm có ứng dụng vật liệu nano một cách an toàn.