cấu trúc về bÀn chÂn THẠCH SÙNG ^^ --- PHẦN 1 ---

MỘT CÂU CHUYỆN LÝ THÚ GIỮA 1 LOÀI ĐỘN VẬT NHỎ BÉ VÀ 1 ỨNG DỤNG ĐỒ SỘ
Câu chuyện về bàn chân thạch sùng chỉ là một trong
nhiều thí dụ về cấu trúc nano có những hiệu ứng cực kỳ thú vị và không
lường trước được. Vì không thể lường trước nên con người phải đợi hơn
2000 năm để giải toả cái băn khoăn Aristotle và 200 năm để làm sáng tỏ
cơ chế bám dính không keo.




Bàn
chân thạch sùng cũng cho ta thấy khi vật chất bị thu nhỏ đến vài triệu,
vài tỷ lần thì một đặc tính hay hiệu ứng nào đó sẽ lộ diện với số lần
phóng đại tương đương. Sẽ còn hàng trăm hàng ngàn hay nhiều hơn nữa
những cấu trúc nano trong thiên nhiên hiện hữu như một thách đố, ẩn
tàng đâu đó để con người phát hiện và mô phỏng.


Dẫn nhập


Những cuộc cách mạng kỹ nghệ như những ngọn sóng thần.
Khi còn ở ngoài khơi, nó âm thầm băng trùng dương với bước sóng vừa cao
vừa dài không dễ phát hiện. Chỉ khi đến gần bờ người ta mới thật sự
nhận ra sức mạnh long trời lở đất của nó. Công nghệ nano là ngọn sóng
thần kỹ nghệ đương đại mà những ứng dụng của nó đang dần dần xuất hiện,
bùng nổ và sẽ tạo ra sức va đập mãnh liệt vào cuộc sống của xã hội loài
người. Đã có nhiều chuyên gia kinh tế dự đoán rằng những ảnh hưởng và
biến chuyển xã hội gây ra bởi cách mạng công nghệ nano sẽ làm cho cuộc
cách mạng công nghệ tin học xảy ra trong vòng ba thập niên vừa qua chỉ
như một làn gió thoảng.


Dù sao đây cũng là một lời dự đoán kinh tế đặt trên
nhiều giả thuyết. Để có một cảm giác thực sự về công nghệ nano ta hãy
nhìn vào nền tảng khoa học và thực chất của nó. Nói một cách rõ ràng
hơn, cốt lõi của nền công nghệ nano xoay quanh các phương thức chế biến
những vật liệu nano, khảo sát hóa tính, lý tính, cơ tính, điện tính, từ
tính và tìm kiếm những ứng dụng cho các loại vật liệu này. Chúng là các
loại hạt nano (nanoparticles) hay cấu trúc nano (nanostructure) với
nhiều mô dạng ở thứ nguyên từ 1 đến 100 nanomét (nm). Một phân tử có
kích thước khoảng 1 nm, nên vật liệu hay cấu trúc nano là những tập hợp
từ vài phân tử đến 100 phân tử. Sự hiểu biết về nguyên tử hay các phân
tử đơn giản ở mức độ nhỏ hơn 1 nm đã được hoàn bị hơn 100 năm nay, giúp
con người thông suốt những thuộc tính cơ bản của vật chất và trở thành
các bộ môn trong khoa học tự nhiên nằm trong các khóa trình của hóa học
tổng quát, hóa học lượng tử và cơ học lượng tử. Những đặc tính của vật
liệu có kích thước lớn hơn 100 nm (= 0,1 micromét, µm) thuộc phạm vi
micromét, lớn hơn nữa tiến đến trung mô (mesoscale: mm, cm) rồi đến vĩ
mô (macroscale), cũng đã được hình thành một cách có hệ thống trong các
bộ môn như vật lý chất rắn và cơ học Newton. Nằm giữa hai thái cực của
thế giới vi mô nguyên tử, phân tử và thế giới vĩ mô của vật liệu trong
trạng thái cụm, mảng, khối; vật liệu và cấu trúc nano là một vùng sa mù
mờ ảo. Trên mặt vật lý lý thuyết, nó là một vùng xám giao thoa giữa cơ
học lượng tử và cơ học Newton, giữa cái bất định và tất định.


Từ khi khoa học hiện đại xuất hiện, có phải chăng vật
chất với kích cỡ 1 đến 100 nm, hay đặc thù hơn từ 1 đến 10 nm, một cách
vô tình hay cố ý đã bị bỏ quên? Sự thật là cho đến 20 năm gần đây các
nhà khoa học không có một phương tiện hữu hiệu nào, chẳng hạn như kính
hiển vi quét đường hầm (scanning tunelling microscope), cho việc thao
tác, khảo sát và tìm hiểu các vật liệu nano hơn là lỗi lầm của một sự
lãng quên. Thế rồi, như để giải tỏa cái ức chế trăm năm, nền công nghệ
nano bùng phát như vũ bão. Hàng loạt thuật ngữ khoa học với tiền tố
"nano" xuất hiện: hạt nano, cấu trúc nano, chùm nano (nanocluster),
tinh thể nano (nanocrystal), ống nano (nanotube), tướng nano
(nanophase)... Các nhà nghiên cứu đủ mọi ngành nghề từ y học đến vật lý
học, từ hóa học đến sinh học bị thu hút vào dòng xoáy nano. Ở các cuộc
hội thảo khoa học, trong các bài báo cáo, những cuộc thảo luận không ai
không thốt ra thuật ngữ thời thượng này.


Như kho tàng Ali Baba trong chuyện cổ tích Ả rập, khi
cánh cửa kho tàng vật liệu nano đã mở các nhà nghiên cứu choá mắt đến
kinh ngạc trước những đặc tính muôn hình vạn trạng hoàn toàn bị chi
phối bởi độ to nhỏ ở kích thước nano. Đây là một điểm cực kỳ quan trọng
trong khoa học và công nghệ nano. Nói chính xác hơn, khi một vật liệu
được thu nhỏ cho đến thứ nguyên nano, tất cả những tính chất như lý
tính, hóa tính, cơ tính, quang tính, điện tính, từ tính ở trạng thái vĩ
mô (mảng, khối) hoàn toàn bị thay đổi. Khi ta cắt một mảnh nhôm thành
từng miếng nhỏ, thậm chí đến mức micromét, nhôm vẫn là nhôm. Nhưng khi
ta nghiền đến độ nhỏ vài chục nanomét, thì miếng nhôm hiền lành kia sẽ
biến thành chất nổ. Hạt nano nhôm là chất xúc tác cho nhiên liệu tên
lửa. Khi trở thành hạt nano, vàng sẽ không phát ra màu vàng quyến rũ
"cố hữu" mà là những màu sắc xanh đỏ khác nhau tùy vào kích cỡ.


Tương tự như hạt nano, khi bề mặt vật liệu có mô dạng
hay cấu trúc ở thứ nguyên nano, diện tích bề mặt không những gia tăng
lên hàng triệu hay hàng tỷ lần so với bề mặt không mô dạng, mà còn tạo
ra những đặc tính với nhiều thú vị bất ngờ. Bề mặt với cấu trúc nano
hiện hữu xung quanh ta ở các loài thực vật, động vật. Ngỡ rằng nó bình
thường nên ta chỉ xem như một chuyện đương nhiên. Hãy tưởng tượng ta
đang ngồi trong phòng học, vừa thưởng thức những bài Đường thi, vừa
nhâm nhi ly cà phê nóng Trung Nguyên, thỉnh thoảng ta nhìn ra ngoài
vườn hoa trước cái hồ sen nhỏ tìm... ý thơ. Dưới tia nắng xuân ấm áp,
những cánh bướm đủ màu sắc bay thơ thẩn tìm hoa hút nhụy. Một làn gió
nhẹ thổi qua làm gợn sóng mặt hồ, lùa những hạt nước tinh khôi lăn tròn
trên lá sen, lung linh trong ánh nắng. Ý thơ sắp hình thành thì bỗng
nhiên một chú thạch sùng xuất hiện trên trần nhà, lừng lững tiến đến
một con ruồi đậu nhầm chỗ. Nhanh như chớp, như con cọp vồ mồi chú thạch
sùng xơi tái tại chỗ con ruồi xấu số! Cái cảnh sinh tồn cá lớn nuốt cá
bé làm ta cụt hứng, vụt mất ý thơ, nhưng thay vào đó nếu biết biến cái
lãng mạn thi văn thành lãng mạn khoa học, đặt toàn cảnh trong tâm tình
hòa đồng với đất trời ta sẽ có nhiều câu hỏi: tại sao cánh bướm lại
mang nhiều màu sắc; tại sao nước không bám như "giọt mưa trên lá" mà
lại lăn tròn trên lá sen và tại sao thằn lằn có thể sinh hoạt thoải mái
ở tư thế lộn đầu mà không rớt xuống đất? Câu trả lời chung cho những
câu hỏi nầy là: cánh bướm, bề mặt lá sen và bàn chân thạch sùng có một
cấu trúc nano tạo ra những hiệu ứng không ngờ nhưng hoàn toàn phù hợp
với các định luật vật lý.


Bài viết này sẽ nói về nguyên do lực bám của bàn chân thạch sùng và tiềm năng ứng dụng của "mặt dính nano" nhân tạo.