Công nghệ nano đang thay đổi thế giới

Quần áo của tương lai

Thật khó để tưởng tượng những cách mà chúng ta có thể biến quần áo thông thường thành công nghệ cao. Hầu như không có gì tầm thường như một chiếc áo thun hay đôi tất, nhưng công nghệ nano đang thay đổi tất cả những điều đó. Xử lý vật liệu vải hiện có bằng hạt nano có thể mang lại cho chúng rất nhiều đặc điểm thú vị.

Một số công ty đã bắt đầu làm việc trong không gian này - bao gồm Nanotex, Aspen Aerogel, BASF và Nano-Horizons. Rất khó xác định chính xác cách mỗi công ty xây dựng và áp dụng lớp phủ hạt nano hoặc sợi nano của họ lên vải, vì chúng thường là bí mật thương mại, nhưng nghiên cứu đã công bố tiết lộ một số chi tiết về chức năng của chúng.

Các lớp phủ này hoạt động bằng cách phủ một lớp phân tử kỵ nước lên vải, khiến chúng có khả năng đẩy chất lỏng đơn giản như nước hoặc phức tạp như cà phê, rượu vang và mù tạt. Do đó, các loại vải được xử lý dường như không thấm nước hoặc bị ố. Bản thân lớp phủ gần như không trọng lượng và về cơ bản không làm thay đổi tính chất của vải. Do đó, không có thay đổi đáng chú ý nào trong trải nghiệm của người mặc. Ngoài việc ngăn ngừa vết bẩn, nghiên cứu chỉ ra khả năng kháng khuẩn thông qua việc sản xuất các loại oxy phản ứng. Kết quả cuối cùng là vi khuẩn gây mùi không tích tụ trong vải và quần áo của bạn sẽ thơm lâu hơn.

Làm cho máy móc nhẹ hơn và mạnh mẽ hơn

Công nghệ nano cho phép kỹ sư sửa đổi vật liệu hiện có và cải thiện đặc tính của chúng. Cũng giống như việc trộn các loại kim loại khác nhau tạo ra hợp kim tốt hơn, việc trộn các vật liệu thông thường với hạt nano có thể thay đổi cách vật liệu đó hoạt động theo những cách thú vị. Để đạt được mục tiêu đó, nhóm nhà khoa học từ Đại học bang Michigan chế tạo một hệ thống tách lớp than chì thành các tấm dày chưa đến 10 nanomet. Để so sánh, sợi tóc trung bình của con người rộng từ 80.000 đến 100.000 nanomet.

Vật liệu của họ, được gọi là xGnP Exfoliated Graphite NanoPlatelets, được sử dụng riêng hoặc kết hợp với nhựa để giúp cho sản phẩm cứng hơn, nhẹ hơn và bền hơn. Họ đề xuất sự kết hợp vật liệu mới lạ này có thể được sử dụng để tạo ra những chiếc ô tô mạnh hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và thậm chí cả tên lửa, nhẹ hơn nhưng đủ mạnh để bay vào không gian. Hơn nữa, vật liệu này dẫn điện và dẫn nhiệt, và đủ nhỏ để sử dụng trong các lớp phủ trong suốt, mở ra con đường ứng dụng khác trong lĩnh vực năng lượng. Trong tương lai, nó có thể được sử dụng trong một loại pin mới hoặc làm lớp phủ dẫn điện cho tấm pin mặt trời.

Điện tử tự phục hồi

Màn hình điện thoại bị nứt hoặc thiết bị điện tử bên trong bị hỏng nhanh chóng biến khoản đầu tư của bạn thành một cục chặn giấy đắt tiền. Giá như thiết bị điện tử có thể chữa lành như cơ thể chúng ta! Với loại công nghệ nano phù hợp, giờ đây khoa học có thể làm được. Nhóm nhà khoa học từ Viện Công nghệ Israel làm việc với các tinh thể nano perovskite kép khi phát hiện chúng có khả năng chữa lành tổn thương cho cấu trúc của chúng trong điều kiện thích hợp. Perovskite kép có đặc tính quang điện, làm cho chúng trở thành một vật liệu thay thế tốt cho các vật liệu hiện đang được sử dụng trong các sản phẩm điện tử.

Quan sát tinh thể bằng kính hiển vi điện tử, nhóm nhà khoa học nhận ra rằng đôi khi chúng có khoảng trống tinh thể. Bằng cách chế tạo bề mặt của tinh thể, nhóm nhà khoa học làm cho chúng loại bỏ các khoảng trống bẩm sinh, cũng như những khoảng trống có được. Tinh thể có thể di chuyển các khoảng trống về phía rìa và ra ngoài, tự chữa lành một cách hiệu quả. Điều này có thể dẫn đến một loại thiết bị điện tử có khả năng tự sửa chữa hư hỏng của chúng.

Nguồn năng lượng mới

Khi biến đổi khí hậu do con người gây ra đang hoành hành, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế đang tăng tốc. Các nhà khoa học hiện đang phát triển hệ thống công nghệ nano thu năng lượng từ môi trường, hoặc thậm chí từ chuyển động của con người. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas ở Dallas tạo ra một dạng sợi mà họ gọi là twistron, có chứa các sợi nano. Khi sợi được kéo căng hoặc uốn cong, động năng được chuyển thành năng lượng điện, có thể đo hoặc thu được.

Về mặt tạo năng lượng quy mô lớn, các sợi này có thể được triển khai thành thiết bị đặt trong môi trường và thu thập năng lượng từ chuyển động tự nhiên của sóng hoặc gió. Có lẽ thú vị hơn, các sợi này được dệt thành quần áo hàng ngày và được mặc, tạo ra điện năng khi người mặc đi lại trong ngày.

Để kiểm tra ứng dụng tiềm năng đó, nhóm nhà nghiên cứu chế tạo chiếc găng tay có chứa các twistron. Sau đó, người đeo di chuyển các ngón tay của họ để tạo thành các chữ cái khác nhau bằng ngôn ngữ ký hiệu. Chiếc găng tay không chỉ tạo ra điện thành công mà nhóm nhà nghiên cứu còn có thể phân biệt các dấu hiệu khác nhau được tạo ra dựa trên năng lượng đầu ra. Do đó, chiếc găng tay cũng có thể được sử dụng như một thiết bị dịch ngôn ngữ ký hiệu tự cấp nguồn.

Lọc nước

Tiếp cận với nước uống sạch là một trong những nhu cầu cơ bản nhất của con người, tuy nhiên khoảng một phần ba dân số toàn cầu không có nguồn nước sạch đáng tin cậy. Thu thập đủ nước cho dân số lớn, đảm bảo an toàn để uống và cung cấp cho đại chúng thường đòi hỏi cơ sở hạ tầng đáng kể. Việc xây dựng những hệ thống đó rất tốn kém và mất thời gian, nhưng công nghệ nano đưa ra một giải pháp thay thế.

Nhóm nhà khoa học từ École polytechnique fédérale de Lausanne, một trường đại học nghiên cứu công lập ở Thụy Sĩ, tạo ra thiết bị lọc nước mới sử dụng dây nano titan dioxide và ống nano carbon. Khi kết hợp với ánh sáng mặt trời, hệ thống này sẽ tiêu diệt mầm bệnh trong nước một cách hiệu quả thông qua phản ứng quang xúc tác. Điều này dẫn đến việc sản xuất các loại oxy phản ứng như hydro peroxide.

Nghiên cứu cung cấp bằng chứng cho thấy hệ thống có hiệu quả trong việc loại bỏ vi khuẩn và virus trong nước, đồng thời nó cũng có thể tốt trong việc loại bỏ những chất gây ô nhiễm khác. Trong một nghiên cứu thí điểm, nhóm nhà nghiên cứu thu được bằng chứng sơ bộ cho thấy hệ thống cũng loại bỏ dấu vết một số loại thuốc và thuốc trừ sâu. Thiết bị thử nghiệm của họ tương đối nhỏ và có thể được triển khai đến khu vực cần thiết mà không cần dựa vào cơ sở hạ tầng phức tạp.

Dọn dẹp tràn dầu

Sự cố tràn dầu là một trong những thảm họa môi trường gây thiệt hại nặng nề nhất có thể xảy ra và chúng nổi tiếng là khó làm sạch. Vào ngày 24/3/1989, Exxon Valdez đã làm đổ 11 triệu gallon dầu thô tại Prince William Sound ở Alaska. Bất chấp nỗ lực dọn dẹp phối hợp, các túi dầu vẫn được tìm thấy trong khu vực ngày nay.

Chuyển sang các nguồn năng lượng thay thế có thể ngăn chặn bất kỳ sự cố tràn dầu nào trong tương lai, nhưng ngoại trừ điều đó, hạt nano có thể cung cấp một giải pháp làm sạch thay thế. Nhóm nhà khoa học khám phá một loạt hạt nano kim loại bao gồm các hạt oxit sắt, vật liệu tổng hợp nano và ống nano carbon như những phương pháp tiềm năng để đơn giản hóa nỗ lực dọn dẹp dầu tràn.

Quá trình này tương đối đơn giản. Những hạt này có thể được triển khai tại một vị trí tràn nơi chúng sẽ trộn lẫn với dầu. Vì các hạt kỵ nước nên ít có nguy cơ chúng hòa vào nước. Khi chúng ta có hỗn hợp dầu và hạt nano, vấn đề chỉ là sử dụng nam châm để hút hỗn hợp và tách nó ra khỏi nước. Hơn nữa, nhóm nhà nghiên cứu đề xuất các hạt này sau đó có thể được loại bỏ khỏi dầu, nếu muốn, để được sử dụng như dự định.

Giảm biến đổi khí hậu

Đưa hành tinh chúng ta đến trạng thái trung tính carbon hoặc âm tính carbon trong tương lai gần là một dự án lớn, nhưng chúng ta cần đạt được nếu hy vọng giảm thiểu tác động xấu nhất của biến đổi khí hậu. Một cách để làm điều đó là giảm lượng khí thải; hai là để nắm bắt khí thải. Có khả năng chúng ta sẽ cần sự kết hợp của cả hai vì nồng độ carbon đã cao hơn mức chúng ta mong muốn.

Một công ty khởi nghiệp có tên SkyNano - được thành lập bởi Anna Douglas, tiến sĩ từ Đại học Vanderbilt - phát triển một quy trình điện hóa để thu giữ khí thải CO2 dạng khí và chuyển đổi chúng thành các ống nano carbon rắn. Khí nhà kính đi vào, ống nano carbon và oxy đi ra. Công nghệ này có lợi ích là cô lập carbon có thể xâm nhập vào khí quyển - thực tế, công ty tuyên bố carbon có thể được lưu trữ trong hơn 1.000 năm - và có thêm các ứng dụng tiếp theo. Công nghệ này có khả năng giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất của nhân loại và biến nó thành nguồn tài nguyên hữu ích. Họ ước tính rằng họ có thể giải quyết 10% lượng khí thải toàn cầu, đây không phải là giải pháp toàn diện, nhưng không có gì đáng để chế giễu.

Cách tốt hơn chống lại bệnh ung thư

Các phương pháp điều trị ung thư tiêu chuẩn có phạm vi rộng và có nguy cơ làm hỏng các mô khỏe mạnh gần đó. Cho dù bác sĩ chọn phẫu thuật, hóa trị hay xạ trị, rất khó để nhắm mục tiêu khối u. Do đó, một số bệnh nhân có thời gian phục hồi kéo dài và những tác dụng phụ không mong muốn.

Liệu pháp công nghệ nano cung cấp khả năng xâm nhập vào cơ thể và đưa thuốc hoặc phương pháp điều trị khác trực tiếp đến tế bào ung thư được nhắm mục tiêu mà không làm hỏng mô khỏe mạnh. Mặc dù hạt nano nhỏ hơn tế bào riêng lẻ nhưng chúng vẫn đủ lớn để bao bọc các hợp chất phân tử. Điều đó làm cho chúng trở thành những con tàu vận chuyển thuốc hiệu quả. Hơn nữa, chúng có thể được điều chỉnh để tìm kiếm các đặc điểm đặc trưng cho mô ung thư.

Trong cuộc chiến chống ung thư, công nghệ nano không chỉ dừng lại ở việc cung cấp phương pháp điều trị mới; nó cũng giúp làm cho các phương pháp điều trị hiện có hiệu quả hơn. Một số bệnh ung thư có khả năng kháng lại phương pháp điều trị như hóa trị và liệu pháp miễn dịch.

Tuy nhiên, nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Tel Aviv đã phát triển hạt nano sử dụng RNA để vô hiệu hóa hiệu quả lớp áo giáp tích hợp của khối u, khiến chúng dễ bị tấn công từ những phương pháp điều trị thông thường. Nó thực hiện một cú đấm có một không hai làm tắt enzym HO1 của ung thư nhằm làm suy yếu khả năng phòng vệ của khối u đồng thời tăng cường phản ứng miễn dịch của bệnh nhân.

Chữa lành chấn thương cột sống

Chấn thương cột sống là một trong những điều tàn khốc nhất xảy ra đối với một người về mặt phục hồi, phần lớn là do cột sống rất kém trong việc tự chữa lành. Thông thường, sau chấn thương cột sống nghiêm trọng, mô sẹo xơ sẽ hình thành xung quanh vị trí vết thương, ngăn cản các dây thần kinh và mạch máu kết nối lại.

Cơ thể gửi tín hiệu để chữa lành vết thương, nhưng không tái tạo các kết nối trước đó. Giờ đây, một nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm nhà khoa học tại Đại học Northwestern (Mỹ) đã tìm ra giải pháp. Phương pháp điều trị của họ sử dụng phương pháp tiêm sợi nano tạo ra giàn giáo có khả năng kích thích kết nối và giao tiếp giữa các mô cột sống, tạo điều kiện tái tạo. Thuốc tiêm bao gồm các giàn giáo fibril peptide siêu phân tử với hai trình tự peptide.

Sau khi được tiêm, chúng làm chậm quá trình hình thành mô sẹo xơ, thúc đẩy quá trình tái tạo sợi trục, ngăn chặn sự chết của tế bào thần kinh và cải thiện quá trình sản xuất mạch máu. Phương pháp điều trị đã được thử nghiệm trên những con chuột bị chấn thương cột sống dẫn đến tê liệt. Thật đáng kinh ngạc, 4 tuần sau khi điều trị, những con chuột đã đi lại được. Hơn nữa, thuốc tiêm được cơ thể hấp thụ mà không có tác dụng phụ có thể quan sát được trong khoảng 12 tuần.