Lịch sử khoa học và công nghệ nano: Từ những ứng dụng sơ khai đến kỷ nguyên hiện đại

Công nghệ nano đang định hình nhiều lĩnh vực khoa học bằng cách thao tác vật chất ở thang đo 1-100 nm, tạo ra các cấu trúc với đặc tính và chức năng hoàn toàn mới. Dù mới thu hút sự chú ý rộng rãi vào đầu thập niên 2000 , vật liệu nano thực chất đã được con người vô tình ứng dụng từ thế kỷ thứ 4 sau Công nguyên. Bài viết này sẽ hệ thống hóa lịch sử phát triển của lĩnh vực này, trải dài từ các ứng dụng hóa - lý sơ khai đến những đột phá trong y học hiện đại.

Khoa học nano và Công nghệ nano là gì?

Tiền tố "nano" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "chú lùn" hoặc một vật rất nhỏ, đại diện cho một phần tỷ mét.

Tuy thường đi liền với nhau, nhưng chúng ta cần phân biệt rõ hai khái niệm này:

• Khoa học nano (Nanoscience): Là việc nghiên cứu các cấu trúc và phân tử ở thang đo từ 1 đến 100 nm. Để dễ hình dung độ nhỏ của nó, bạn hãy tưởng tượng một sợi tóc của con người dày tới 60.000 nm, còn chuỗi ADN xoắn kép có bán kính chỉ 1 nm.
• Công nghệ nano (Nanotechnology): Là khả năng chuyển đổi lý thuyết khoa học nano thành các ứng dụng thực tế bằng cách quan sát, đo lường, thao tác, và chế tạo vật chất ở kích thước nanomet.

Tiền tố “Nano” bắt nguồn từ Hy Lạp, có nghĩa là một vật rất nhỏ

Dấu ấn của công nghệ nano trong thời kỳ cổ đại và trung cổ

Chiếc cốc Lycurgus huyền thoại của người La Mã

Một trong những ví dụ nổi bật nhất về ứng dụng vật liệu nano trong thời kỳ cổ đại là chiếc cốc Lycurgus, được chế tác từ thế kỷ thứ 4 sau Công nguyên. Chiếc cốc này làm từ thủy tinh lưỡng sắc, mang lại một hiệu ứng thị giác vô cùng độc đáo.

Để dễ hình dung, nếu bạn đặt chiếc cốc ở môi trường bình thường, ánh sáng bên ngoài hắt vào bề mặt cốc và phản xạ lại mắt bạn, chiếc cốc sẽ hiện lên màu xanh lục. Ngược lại, nếu bạn đặt một nguồn sáng vào bên trong lòng cốc để ánh sáng chiếu xuyên qua lớp thủy tinh ra ngoài, chiếc cốc sẽ lập tức chuyển sang màu đỏ tím rực rỡ.

Đến năm 1990, nhờ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), các nhà khoa học phát hiện ra nguyên nhân của hiện tượng này là do sự tồn tại của các hạt nano hợp kim bạc-vàng (kích thước từ 50-100 nm) hòa trộn cùng khoảng 10% đồng (Cu) trong cấu trúc thủy tinh.

Chiếc cốc Lycurgus huyền thoại của người La Mã chứa các hạt nano hợp kim Ag - Au

Thủy tinh có màu xanh lục dưới ánh sáng phản xạ (A) và màu đỏ tím dưới ánh sáng truyền qua (B)

Kính màu nhà thờ và thanh kiếm thép Damascus

Không chỉ người La Mã, vào cuối thời Trung cổ, các cửa sổ kính màu tại nhà thờ châu Âu cũng tỏa sáng rực rỡ với màu đỏ và vàng nhờ sự hòa trộn của các hạt nano vàng và bạc vào thủy tinh.

Bên cạnh đó, từ thế kỷ 13 đến 18, các thợ rèn Hồi giáo đã sử dụng dây nano cementit và ống nano carbon để tạo ra những thanh kiếm Damascus nổi tiếng với sức mạnh, độ đàn hồi và khả năng giữ độ sắc bén tuyệt vời. Những nghệ nhân này đã ứng dụng tính chất của vật liệu nano suốt hàng trăm năm mà không hề biết đến nguyên lý khoa học đứng sau chúng.

Những nhà tiên phong đặt nền móng cho kỷ nguyên Nano

Nhà vật lý người Mỹ và là người đoạt giải Nobel, Richard Feynman, đã giới thiệu khái niệm nền móng về công nghệ nano vào năm 1959 qua bài giảng nổi tiếng mang tên "There's Plenty of Room at the Bottom". Ông đưa ra giả thuyết về việc sử dụng máy móc để chế tạo ra các cỗ máy nhỏ hơn xuống tận cấp độ phân tử. Nhờ tầm nhìn vượt thời đại này, ông được coi là cha đẻ của công nghệ nano hiện đại.

Nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman - Cha đẻ của công nghệ Nano hiện đại 

Mặc dù vậy, phải đến 15 năm sau (vào năm 1974), nhà khoa học người Nhật Norio Taniguchi mới là người đầu tiên chính thức định nghĩa và sử dụng thuật ngữ "công nghệ nano". Đến năm 1986, K. Eric Drexler xuất bản cuốn sách về công nghệ nano, phổ biến lý thuyết "kỹ thuật phân tử" thông qua phương pháp tiếp cận từ dưới lên (bottom-up), tức là lắp ráp các cỗ máy phức tạp từ các nguyên tử riêng lẻ.

Kỷ nguyên Nano hiện đại và những bước đột phá vĩ đại

Sự bùng nổ của công nghệ nano hiện đại thực sự bắt đầu vào năm 1981 khi các nhà khoa học tại IBM Gerd Binnig và Heinrich Rohrer phát minh ra Kính hiển vi quét xuyên hầm (STM). Thiết bị này cho phép các nhà nghiên cứu không chỉ quan sát mà còn có thể tác động vật lý lên các bề mặt ở cấp độ nguyên tử.

Năm 1990, Don Eigler cùng các đồng nghiệp tại IBM đã thực hiện một bước tiến lịch sử: sử dụng kính hiển vi STM để di chuyển độc lập 35 nguyên tử Xenon trên bề mặt Niken, xếp chúng thành biểu tượng logo của IBM.

Cũng trong thời kỳ đó, các vật liệu siêu việt gốc carbon bắt đầu được tìm ra:

• Năm 1985, các nhà khoa học khám phá ra phân tử Carbon C60 (buckyballs) ở dạng hình cầu vô cùng bền vững.
• Năm 1991, ống nano carbon (Carbon nanotubes) với sức mạnh và độ linh hoạt phi thường đã được quan sát thành công bằng kính hiển vi điện tử.
• Năm 2004, sự kiện tìm ra "graphene" và chấm carbon (Carbon dots) đã đưa vật liệu gốc carbon trở thành trụ cột trong hầu hết mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật.

Ứng dụng của công nghệ nano trong thế kỷ 21

Định hình lại các ngành công nghiệp

Trong lĩnh vực khoa học máy tính, công nghệ nano đã giúp thu nhỏ thiết bị một cách kinh ngạc: từ những chiếc máy tính có kích thước bằng cả một căn phòng xuống thành những chiếc laptop mỏng nhẹ, hiệu năng cao.

Vật liệu nano cũng đang được sử dụng để xây dựng một thế hệ pin mặt trời mới, pin nhiên liệu hydro và các hệ thống lưu trữ hydro nhằm cung cấp nguồn năng lượng sạch, thay thế cho nhiên liệu truyền thống gây ô nhiễm.

Cuộc cách mạng trong Y sinh và Điều trị ung thư

Ngày nay, công nghệ sinh học nano (bio-nanotechnology) được xem là một trong những ứng dụng hấp dẫn và có tính bước ngoặt nhất. Rất nhiều sản phẩm chứa vật liệu nano đã có mặt trên thị trường nhằm phục vụ chẩn đoán bệnh, vận chuyển thuốc và tái tạo mô y học.

Đặc biệt, trong lĩnh vực điều trị ung thư, công nghệ nano mang lại niềm hy vọng to lớn. Vật liệu nano hoạt động như những "người vận chuyển" để đưa thuốc hóa trị, protein hoặc acid nucleic nhắm mục tiêu thẳng vào vị trí khối u. Điều này vừa giúp tăng cường tỷ lệ tiêu diệt tế bào ung thư, vừa làm giảm đáng kể các độc tính và tác dụng phụ lên cơ thể người bệnh so với phương pháp hóa trị liệu thông thường.

Công nghệ Nano mang lại hy vọng to lớn trong điều trị ung thư

Kết luận

Sự tiến bộ của khoa học và công nghệ nano đã mở rộng theo nhiều hướng khác nhau trong những thập kỷ qua: từ việc quan sát vật chất siêu vi trong hóa học, thu nhỏ vi mạch trong khoa học máy tính, cho đến việc thao tác từng phân tử sinh học phức tạp bên trong tế bào con người. Những thành tựu này đã chứng minh rằng việc làm chủ thế giới vi mô đang và sẽ mang lại cho chúng ta một cuộc sống dễ dàng, khỏe mạnh và tiện nghi hơn rất nhiều.