Nanotechnology: its development and uses

Nanotechnology: its development and uses

A  Nanotechnology has been hailed by many as being a twentieth-century miracle of science. Essentially, nanotechnology, a term derived from Greek, translating literally as ‘dwarf technology’ is, as the origin of its name suggests, engineering at the atomic level. Scientists work with particles of substances known as ‘nanoparticles’ which may measure no more than 1 nanometre or a billionth of a metre. That’s around 40,000 times smaller than the width of the average human hair. Whilst some of these substances derived from carbon compounds are manufactured, others, such as metals, are naturally-occurring or arise as a by-product of another process e.g. volcanic ash or smoke from wood burning. What makes these substances of such scientific interest is that their minute size facilitates medical and technological processes that would otherwise be impossible.

B  It may be something of a revelation for many of us to learn that nanotechnology – or its concept – is far from cutting-edge science. In fact, nanotechnology as an idea was first referred to in an influential lecture by American physicist, Richard Feynman, as far back as 1959. During the lecture, entitled ‘There’s Plenty of Room at the Bottom’, Feynman outlined the basic concept of nanotechnology. Individual atoms and molecules, he claimed, could in the future be created by a physical process. Such a process, he envisaged, would involve the building of a set of precise tools to build and operate another proportionally smaller set. The building of increasingly minute tools at the microscopic level would in turn produce ultra-microscopic materials, later to become known as ‘nanoparticles’.

C Strangely, what should have sparked a scientific revolution was then virtually forgotten about for the next 15 years. In 1974, a Japanese scientist, Norio Taniguchi, of the Tokyo University of Science reintroduced Feynman’s theory and put a new name to an old concept, referring to the science as ‘nanotechnology’. However, it wasn’t until nearly a decade later, in the 1980s, that the way was paved for nanotechnology to leave the realm of theoretical science and become reality. Two major scientific developments within a relatively short period were to enable practical application of nanotechnology. The invention of the Scanning Tunnelling Microscope (STM), combined with the discovery of nano-sized particles termed ‘fullerenes’, were to prove a turning point in nanotechnology.

D  Fullerenes are derived from carbon molecules and, in common with other nanoparticles, possess chemical and physical properties that are of huge scientific interest. The potential value of fullerenes for medical science was first raised in 2003 and in 2005 when the scientific magazine ‘Chemistry and Biology’ ran an article describing the use of fullerenes as light-activated antimicrobial agents. Since then, fullerenes have been used for several biomedical applications ranging from X-ray imaging to treating cancer by targeting cancer cells. In addition, these nanoparticles have been used in the manufacture of commercial products, from sunscreen to cosmetics and some food products. Furthermore, nanoparticles of metals, like gold and silver, have been used in environmental clean-ups of oil slicks and other forms of pollution. The remarkable properties of nanoparticles are down to two main factors: their greater surface-to-weight ratio, compared to larger particles which promotes the attachment of substances to their surface, and their minute size which allows them to penetrate cell membranes. These properties are of great benefit, for example in medicine, as drugs to fight cancer or AIDS can be attached to nanoparticles to reach their target cell in the human body.

E  However, despite the amazing properties attributed to nanoparticles such as fullerenes, nanotechnology has yet to win wider universal acceptance in scientific circles. For the very properties that make

Công nghệ Nano: quá trình phát triển và ứng dụng

A  Công nghệ Nano được nhiều người ca ngợi là điều kỳ diệu của khoa học trong thế kỷ 20. Về bản chất, công nghệ nano, một thuật ngữ có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, dịch theo đúng nghĩa là ‘công nghệ cực nhỏ’, đúng như tên gọi bắt nguồn của nó, là kỹ thuật ở cấp độ nguyên tử. Các nhà khoa học làm việc với các hạt vật chất được gọi là ‘hạt nano’ kích thước có thể không vượt quá 1 nanomet hay một phần tỷ mét. Chúng nhỏ hơn khoảng 40.000 lần so với đường kính trung bình của sợi tóc con người. Trong khi một số chất có nguồn gốc từ các hợp chất cacbon được con người tạo ra, những chất khác như kim loại, có sẵn trong tự nhiên hoặc là sản phẩm phụ của một quá trình khác, ví dụ như tro núi lửa hoặc khói từ đốt gỗ. Điều khiến những chất này thu hút được sự quan tâm của giới khoa học là kích thước nhỏ của chúng tạo điều kiện thuận lợi cho các quy trình y khoa và kỹ thuật vốn trước đây không thể thực hiện được.

B  Có thể nhiều người trong chúng ta sẽ ngạc nhiên khi biết rằng công nghệ nano – hay khái niệm về nó – không phải là điều gì đó đột phá mới mẻ về mặt khoa học. Trên thực tế, ý tưởng về công nghệ nano lần đầu tiên được đề cập trong một bài thuyết trình có tầm ảnh hưởng của nhà vật lý người Mỹ, Richard Feynman từ năm 1959. Trong bài thuyết trình với tựa đề ‘Có rất nhiều khoảng trống ở cấp độ vi mô’, Feynman đã phác thảo khái niệm cơ bản về công nghệ nano. Ông tuyên bố rằng trong tương lai, các nguyên tử và phân tử riêng lẻ có thể được tạo ra bởi một quá trình vật lý. Theo dự tính của ông, một quá trình như vậy sẽ bao gồm việc thiết kế một bộ công cụ chính xác để tạo ra và vận hành một bộ khác tương ứng nhỏ hơn. Việc chế tạo các công cụ ngày càng nhỏ ở cấp độ vi mô sẽ dần tạo ra các vật liệu siêu vi mô, sau này được biết tới với cái tên là ‘hạt nano’.

C  Kỳ lạ thay, điều này đáng lẽ phải khơi mào cho một cuộc cách mạng khoa học lại hầu như bị lãng quên trong 15 năm sau đó. Năm 1974, nhà khoa học Nhật Bản Norio Taniguchi từ Đại học Khoa học Tokyo, đã giới thiệu lại lý thuyết của Feynman và đặt tên mới cho một khái niệm cũ, gọi theo khoa học là ‘công nghệ nano’. Tuy nhiên, phải đến gần một thập kỷ sau, vào những năm 1980, công nghệ nano mới được mở đường để rời khỏi lãnh địa khoa học lý thuyết và đi vào thực tế. Hai tiến bộ khoa học quan trọng diễn ra trong một thời gian tương đối ngắn đã cho phép công nghệ nano ứng dụng vào cuộc sống. Việc phát minh ra Kính hiển vi quét xuyên hầm (STM), kết hợp với việc phát hiện ra các hạt có kích thước nano được gọi là ‘fullerenes’, đã tạo ra một bước ngoặt với công nghệ nano.

D  Fullerenes có nguồn gốc từ các phân tử cacbon và giống như các hạt nano khác, sở hữu các đặc điểm hóa học và vật lý tạo được sự chú ý lớn về khoa học. Giá trị tiềm năng của fullerenes đối với y khoa lần đầu tiên được đưa ra vào năm 2003 và năm 2005 khi tạp chí khoa học ‘Hóa học và Sinh học’ đăng một bài báo mô tả ứng dụng của fullerenes với vai trò chất kháng khuẩn hoạt hóa bằng ánh sáng. Kể từ đó, fullerenes đã được sử dụng cho một số ứng dụng y sinh khác nhau, từ chụp ảnh bằng tia X đến điều trị ung thư bằng cách hướng mục tiêu vào các tế bào ung thư. Ngoài ra, các hạt nano này đã được sử dụng trong quá trình sản xuất các sản phẩm thương mại, từ kem chống nắng cho đến mỹ phẩm và một số sản phẩm thực phẩm. Tiếp đến, các hạt kim loại nano như vàng và bạc, đã được sử dụng để làm sạch môi trường đối với các vết dầu loang và các dạng ô nhiễm khác. Các đặc tính nổi bật của hạt nano đến từ hai yếu tố chính: tỷ lệ bề mặt trên trọng lượng của chúng lớn hơn so với các hạt lớn giúp các vật chất gắn kết chắc hơn vào bề mặt của chúng và kích thước rất nhỏ cho phép chúng thâm nhập qua màng tế bào. Những đặc tính này mang lại lợi ích to lớn, chẳng hạn trong y học, nhờ đó các loại thuốc trị ung thư hoặc AIDS có thể được gắn vào các hạt nano để tiếp cận tế bào mục tiêu của chúng trong cơ thể con người.

E  Tuy nhiên, bất chấp những đặc tính đáng kinh ngạc do các hạt nano như fullerenes