Skip Ribbon Commands
Skip to main content
Navigate Up
Sign In

 

Ngôn ngữ: Việt Nam | English
 
Website Hữu ích
Vật liệu mới - Vật liệu đặc biệt - Công nghệ NanoThứ 4, Ngày 03/03/2010, 09:40

Cuộc cách mạng về vật liệu mới

Cuộc cách mạng về vật liệu mới (03/03/2010)

Vật liệu mới thường là những động lực quan trọng để ra đời những hệ thống và ứng dụng mới với những ảnh hưởng quan trọng. Những phát triển trong khoa học và kỹ thuật vật liệu có được là nhờ hoạt động nghiên cứu vật liệu liên ngành.
A. Những xu hướng hiện nay trong hoạt động nghiên cứu
Những xu hướng nghiên cứu có thể đem lại những ảnh hưởng toàn cầu tới năm 2020 được phân loại như sau:
1. Thiết kế khái niệm/vật liệu
Bắt chước giới sinh vật (Phỏng sinh học): là sự bắt chước tự nhiên để thiết kế các hệ thống, vật liệu và chức năng của chúng. Những ví dụ của lĩnh vực này hiện nay gồm việc tạo các lớp vật liệu để đạt tới độ cứng của vỏ con bào ngư, hoặc cố tìm hiểu nguyên nhân khiến cho tơ nhện lại khoẻ hơn thép.
Thiết kế vật liệu kết hợp: là sự sử dụng năng lực máy tính (đôi khi được tiến hành cùng với vô số những cuộc thử nghiệm đồng thời) để lọc ra nhiều khả năng khác nhau của các vật liệu nhằm tối ưu hoá các tính chất phục vụ cho những ứng dụng cụ thể (chẳng hạn như các xúc tác, dược phẩm, vật liệu quang học).
2. Lựa chọn, sơ chế và chế tạo vật liệu
Composit là những vật liệu kết hợp các kim loại, gốm, polyme và các vật liệu sinh học để thực hiện được các công việc đa chức năng. Một biện pháp thông thường là gia cường thêm sợi gốm vào polyme hoặc gốm để nâng cao độ bền, trong khi vẫn giữ được tính chất nhẹ và tránh được tính ròn của vật liệu gốm nguyên chất. Các vật liệu được dùng cho cơ thể thường kết hợp các chức năng kết cấu và sinh học (chẳng hạn như để làm vỏ chứa thuốc).
3. Vật liệu nano:
Là những vật liệu với các tính chất có thể kiểm soát được ở kích cỡ nhỏ hơn micron (<10-6m) hoặc nano (10-9m). Đây là một lĩnh vực nghiên cứu ngày càng mạnh mẽ vì những tính chất ở phạm vi này thường khác về cơ bản với các tính chất của vật liệu bình thường. Các ví dụ bao gồm các ống nano cacbon, điểm lượng tử và các phân tử sinh học. Các vật liệu này có thể tạo ra hoặc bằng phương pháp tinh chế, hoặc bằng các phương pháp chế tạo kiểu may đo (Tailor)
4. Xử lý, tính chất và hoạt động
Những lĩnh vực này liên quan mật thiết với nhau: Việc xử lý quyết định tính chất, tiếp đó các tính chất lại quyết định sự hoạt động. Ngoài ra, độ nhạy của dụng cụ và khả năng đo lường thường là yếu tố đảm bảo cho việc tối ưu hoá quá trình xử lý, thí dụ như đối với công nghệ nano, hoặc các hệ thống vi cơ điện (MEM).
5. Tạo nguyên mẫu nhanh (Rapid Prototyping)
Là khả năng kết hợp việc thiết kế và chế tạo được hỗ trợ bằng máy tính với các phương pháp sản xuất nhanh, cho phép tạo ra chi tiết với giá rẻ (so với chi phí phải bỏ ra nếu dùng dây chuyền sản xuất bình thường). Phương pháp tạo nguyên mẫu nhanh có thể giúp công ty thử nghiệm một vài nguyên mẫu khác nhau với giá rẻ trước khi quyết định đầu tư kết cấu hạ tầng cho một phương án nào đó. Nếu được kết hợp với việc hoàn thiện hệ thống chế tạo để có được sự linh hoạt về phương án và thiết bị thì khả năng tạo nguyên mẫu nhanh này có thể giúp cho việc chế tạo trở nên hết sức mau lẹ. Nói cách khác, công ty có thể sử dụng năng lực thiết kế ở thực tế ảo, sau đó chuyển việc chế tạo sản phẩm cho các đối tác ở ngoài, như vậy giúp giảm được vốn đầu tư và rủi ro. Năng lực này là sự phối kết năng với cuộc cách mạng thông tin theo nghĩa: đó là một nhân tố nữa giúp cho việc toàn cầu hoá năng lực chế tạo và tạo điều kiện cho các tổ chức ít vốn có thể có được ảnh hưởng công nghệ quan trọng.
6. Tự lắp ráp (Self-assembly)
Đây là phương pháp được áp dụng trong xử lý và sản xuất vật liệu dựa vào khuynh hướng của một số loại vật liệu có khả năng tự tổ chức thành những mảng có trật tự (chẳng hạn như những chất keo lơ lửng). Đây là phương tiện để nhận được các vật liệu cấu trúc theo kiểu “từ dưới đi lên” (bottom up), ngược lại với các phương pháp chế tạo như kiểu in ảnh litô (lithography) mà ngày nay bị hạn chế bởi năng lực của dụng cụ và phương pháp đo lường. Ví dụ, các polyme hữu cơ đã được gắn với các phân tử nhuộm để hình thành phên đan ở phạm vi bước sóng ánh sáng nhìn thấy và phên đan này có thể thay đổi được tuỳ thuộc vào hoá chất. Ở đây ta nhận được loại vật liệu có tính chất huỳnh quang và thay đổi màu sắc để cho thấy sự có mặt của những hoá chất đặc thù.
7. Chế tạo bằng ADN
Phương pháp này học theo cách thức sản xuất xảy ra trong thế giới sinh vật. Nó bao gồm việc sử dụng ADN tạo chức năng cho các hạt (phần tử, hoặc chi tiết xây dựng-building block), sau đó bằng các quá trình nhận dạng ADN, các phần tử hoặc chi tiết xây dựng đó được lắp ráp với nhau tạo ra các cấu trúc dự kiến. Sử dụng cách tiếp cận này Mirkin và các cộng sự đã tạo ra một phương pháp xét nghiệm có tính chọn lọc cao và cực kỳ nhạy, trong đó họ đã gắn các chuỗi ADN vào các hạt vàng (Au) có đường kính 13 nano. Cách tiếp cận này tương hợp với phương pháp vẫn thường được dùng là phản ứng chuỗi polyme hoá (Polymerase chain reaction-PCR) để tăng cường lượng chất mà ta dự định.
8. Chế tạo ở cấp micron và nano
Ví dụ về phương pháp này là phép in lito các chi tiết micron và nano lên cùng một vật liệu bán dẫn hoặc sinh học. Có một lưu ý quan trọng là để phát triển được các kỹ thuật này đã có sự phát triển hết sức quan trọng diễn ra song song của các dụng cụ và thiết bị đo lường như kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope-AFM) và các loại kính hiển vi quét mẫu (Scanning Probe Microscope-SPM).
Các xu hướng nêu ở trên có thể kết hợp với nhau để giúp các kỹ sư thiết kế tạo ra những vật liệu tiên tiến với những tính chất như sau:
* Thông minh
Những vật liệu có khả năng phản ứng, vừa cảm nhận, vừa dẫn động, có thể kết hợp thêm với máy tính để đáp ứng và thay đổi tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh (Tuy nhiên, có một số hạn chế cần lưu ý là độ nhạy cảm của các bộ cảm biến, khả năng thực hiện của bộ dẫn động, việc có được nguồn năng lượng với kích thước phù hợp với hệ thống cho trước). Ví dụ về vật liệu này có thể là những robot được chế tạo giống như các con côn trùng hoặc chim để dùng trong các công việc như thám hiểm vũ trụ, xác định vị trí và xử lý vật liệu độc hại và máy bay không người lái.
* Đa chức năng
MEM và các chip thí nghiệm (Lab.on-a.chip) là những ví dụ tuyệt vời về những hệ thống có nhiều chức năng kết hợp. Một ví dụ nữa là hệ thống giải phóng thuốc, trong đó ứng dụng hydrogel với lớp bên ngoài có tính ưa nước, còn lớp bên trong có tính kỵ nước. Cũng có thể kể đến loại vật liệu dùng làm vỏ máy bay có khả năng lẩn tránh được sự theo dõi của rađa.
* Các vật liệu thích hợp hoặc tồn tại được trong môi trường
Sự phát triển của các vật liệu composit và khả năng thao tác ở cấp nguyên tử để “may đo” vật liệu tạo cơ hội để có được những vật liệu phù hợp hơn với môi trường xung quanh. Ví dụ gồm các thiết bị giả để thay ghép mà có công dụng như bộ khuôn để nuôi cấy mô tự nhiên, hay các vật liệu cấu trúc mà có thể khoẻ lên trong khi phục vụ (chẳng hạn như thông qua những thay đổi pha do nhiệt độ và ứng suất gây nên).
B. Các vật liệu thông minh
1. Công nghệ
Có một số loại vật liệu vừa có khả năng cảm nhận, vừa có khả năng tạo ra những dịch chuyển, thí dụ vật liệu sắt điện (trong đó có điện áp tạo ra tuỳ thuộc vào điện trường bên ngoài tác dụng vào), hay các hợp kim có khả năng nhớ hình dạng (shape-memory alloys, với khả năng thay đổi hình dạng nhờ biến đổi pha, tuỳ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ), hay các vật liệu từ giảo (trong đó có điện áp tạo thành tuỳ thuộc vào từ trường bên ngoài tác dụng vào). Những hiệu ứng này cũng tác dụng theo chiều ngược lại, bởi vậy có thể dùng những vật liệu này ở dạng riêng rẽ hay kết hợp với nhau, để vừa có khả năng cảm nhận, vừa thực hiện những dịch chuyển tương ứng với điều kiện môi trường bên ngoài. Hiện nay chúng đang được ứng dụng rộng rãi, từ máy in phun, đến các bộ truyền động đĩa từ và các thiết bị chống đông cứng.
Một nhóm vật liệu thông minh có tầm quan trọng là các composit được tạo ra trên cơ sở chì ziriconat titanat (PZT) và các loại vật liệu sắt điện có liên quan để cho phép tăng độ nhạy cảm, phản ứng lại với nhiều tần số và có khả năng thay đổi tần số. Ví dụ về nhóm vật liệu này là vật liệu có tên gọi là “Moonie”. Đó là bộ biến năng PZT được đặt bên trong một hốc bán nguyệt, có tác dụng khuyếch đại phản ứng của nó lên nhiều lần. Một ví dụ khác là composit của bari stronti titanat và các vật liệu phi sắt điện, với khả năng phản ứng với tần số hay trường biến thiên nhanh. Chúng được ứng dụng để làm các bộ cảm biến và dẫn động với khả năng hoặc là thay đổi tần số, hoặc là làm thích hợp tín hiệu, hoặc mã hoá tín hiệu. Hiện nay, những vật liệu sắt điện đã được ứng dụng cho các bộ nhớ lâu bền, hoặc các thẻ thông minh (Smart Card), hoặc dùng trong các ván trượt tuyết với khả năng thay đổi hình dạng tuỳ theo áp lực.
Một nhóm vật liệu thông minh cũng rất quan trọng nữa là các polyme thông minh (chẳng hạn các gel ion có khả năng biến dạng tuỳ thuộc vào tác dụng của điện trường). Những polyme chịu tác dụng của điện trường đó hiện đã được áp dụng để tạo ra “cơ bắp nhân tạo”. Tuy những vật liệu tạo ra hiện nay vẫn còn hạn chế về cơ học, nhưng nó là lĩnh vực nghiên cứu tích cực, với những ứng dụng tiềm năng cho rôbốt thám hiểm vũ trụ, làm việc trong môi trường độc hại v.v... Những hydrogel có khả năng nở ra hoặc co lại tuỳ thuộc vào sự thay đổi của độ pH hoặc nhiệt độ có thể mở ra những lĩnh vực ứng dụng mới, chẳng hạn như để bọc thuốc đưa vào cơ thể và giải phóng vào những thời điểm cần thiết dựa theo nồng độ hoá chất của cơ thể (thí dụ, dùng để bọc insulin). Một phương án khác trong xu thế giải phóng thuốc có sự giám sát này là sử dụng loại vật liệu có lớp ngoài ưa nước và lớp trong kỵ nước.
2. Những vấn đề và ảnh hưởng liên quan
Một thế giới trong đó có vô vàn các bộ cảm biến và dẫn động được phân bố khắp nơi và kết mạng với nhau sẽ có triển vọng tăng cường, tối ưu hoá và làm thích ứng năng lực của các hệ thống/thiết bị thông qua những thông tin thu nhận được và khả năng dẫn động trực tiếp hơn. Việc tiếp tục có thêm nhiều khả năng truyền thông hơn, cộng thêm với năng lực đưa vào danh mục và định vị các tin tức cá nhân gắn vào và phối hợp các chức năng hỗ trợ đã tán thành, coi đó là những lợi ích và có thể sẽ được thực thi vào năm 2020.
Việc phát triển tiếp tục các bộ cảm biến sinh trắc kích thước nhỏ, cùng với những tiến bộ trong việc nhận dạng giọng nói, chữ viết và vân tay có thể đem lại những hệ thống an ninh hiệu quả cho từng người. Chúng có thể ứng dụng trong việc nhận dạng để phục vụ cho cơ quan cảnh sát/quân sự, cũng như trong kinh doanh, giải trí và cho cá nhân.
Những ứng dụng tiềm năng khác của vật liệu thông minh có thể đem lại vào năm 2020 bao gồm: quần áo thay đổi theo thời tiết, giao tiếp với các hệ thống thông tin, giám sát các dấu hiệu quan trọng, giải phóng thuốc trong cơ thể có giám sát, tự động bảo vệ vết thương, những toà nhà tự điều chỉnh theo thời tiết, những chiếc cầu và đường giao thông có khả năng nhận biết và tự sửa chữa những nứt rạn ngầm, những bếp đun làm việc theo lệnh truyền đến bằng sóng vô tuyến, những trung tâm giải trí và điện thoại áp dụng thực tại ảo (virtual reality), những thiết bị chẩn đoán y tế cá nhân (có thể liên hệ trực tiếp với các trung tâm y tế). Mức độ phát triển và ứng dụng những công nghệ đó vào cuộc sống hàng ngày có thể sẽ phụ thuộc nhiều hơn vào thái độ tiếp nhận của mọi người so với các vấn đề liên quan tới kỹ thuật.
Ngoài các chức năng giám sát và nhận dạng mà các vật liệu thông minh có thể đảm nhận như đã được đề cập ở trên, những phát triển mới trong lĩnh vực rôbốt có thể đem lại những năng lực nhạy cảm mới và tinh tế hơn, giúp phát hiện và phá huỷ chất nổ và hàng lậu và để hoạt động trong môi trường độc hại. Việc tăng cường năng lực của vật liệu, cả về nguồn năng lượng lẫn khả năng nhạy cảm và dẫn động, cũng như việc kết hợp những chức năng đó với năng lực máy tính có thể đem lại những ứng dụng đó.
Những xu hướng phát triển ở trên cũng làm nảy sinh nhiều vấn đề. Việc nhận được thông tin từ những bộ cảm biến được bố trí ở khắp nơi và việc tiếp cận với dữ liệu thu thập được làm nảy sinh ra những mối lo ngại lớn về khả năng xâm hại tới những điều khoản bí mật cá nhân. Ngoài ra, tốc độ phát triển của các loại vật liệu mới đó có thể sẽ tuỳ thuộc vào mức đầu tư và động lực thị trường. Nhiều khi, những lợi ích tức thì và việc tiết kiệm phí tổn nhờ ứng dụng các vật liệu thông minh sẽ tiếp tục tạo động lực phát triển, nhưng việc nghiên cứu ra những vật liệu kỳ diệu hơn có thể sẽ phụ thuộc vào quyết tâm và niềm tin của Chính phủ trong việc đầu tư cho những lợi ích dài hạn.
C - Phương pháp tự lắp ráp vật liệu
1. Công nghệ
Ví dụ về các vật liệu tự lắp ráp gồm những mạng tinh thể dạng keo, với những ô mạng cỡ trung bình (50-100 nano), hình thành nên những cách tử nhiễu xạ ánh sáng, do đó có thể thay đổi màu sắc khi mạng tinh thể co lại dưới tác dụng của sự thay đổi nhiệt và hoá chất. Trường hợp hydogel có gắn vào bên một nhóm phân tử có khả năng nhận dạng những phân tử đặc thù, ta sẽ có một cảm biến hoá chất. Những chất keo lơ lửng tự lắp ráp với nhau đã được ứng dụng để tạo ra điôt phát quang, mạng kim loại xốp (tạo ra nhờ kết tủa sau đó gỡ bỏ chất nền keo), và bộ chuyển mạch máy tính có kích cỡ phân tử.
Quá trình tự lắp ráp dựa vào ADN mà ta nêu ở trên đã tạo ra được nhờ gắn những dải ADN không liên kết vào những hạt kim loại cỡ nano và bổ sung thêm một chất liên kết để tạo ra tấm phên đan ADN (lattice). Có thể chuyển quá trình này thành bộ cảm biến sinh học, hoặc kỹ thuật in lito ở cấp nano để áp dụng cho các phân tử sinh học.
2. Những vấn đề và ảnh hưởng liên quan
Việc phát triển của phương pháp tự lắp ráp kết cục sẽ thách thức đối với các cách tiếp cận dùng phép in lito và chế tạo cấp phân tử. Bởi vậy ở một giai đoạn nào đó sau 2020, nó có thể sẽ quyết định đến phương pháp chế tạo. Ví dụ, sau 10 hoặc 20 năm nữa, phương pháp này có thể sẽ đặt dấu chấm hết cho phép in lito đã từng tạo nên cuộc cách mạng của vật liệu bán dẫn.
D - Phương pháp tạo nguyên mẫu nhanh
1. Công nghệ
Cách tiếp cận này kết hợp phương pháp thiết kế được máy tính trợ giúp (CAD) với kỹ thuật tạo nhanh để nhanh chóng có được nguyên mẫu (đôi khi có gắn thêm các cảm biến) để có thể dùng để quan sát hoặc thử nghiệm chi tiết trước khi đầu tư vào thiết bị cần thiết cho công việc sản xuất. Thoạt đầu, các nguyên mẫu được làm từ chất dẻo hoặc gốm và không phải là những mô hình chức năng, nhưng hiện nay đã có thể tạo ra chi tiết chức năng, chẳng hạn làm từ titani. Có thể tham khảo thêm phần nói về việc chế tạo xương theo kỹ thuật đảo ngược trình tự ở mục kỹ thuật y-sinh học.
2. Những vấn đề và ảnh hưởng liên quan
Ngành công nghiệp sẽ tiến đến một nền sản xuất mau lẹ, có thể tạo mối liên hệ giữa khách hàng với sản phẩm xuyên vòng đời của nó và hình thành ra những doanh nghiệp hoạt động ở quy mô toàn cầu. Một đơn hàng có thể được xử lý bằng phương pháp CAD, hệ thống sản xuất có thể được cấu hình ở thời gian thực phục vụ cho một sản phẩm cụ thể (chẳng hạn như kiểu dáng, mẫu mã, màu sắc và tuỳ chọn), nguyên liệu và cấu phần có thể nhận được đúng thời điểm, và sản phẩm có thể được phân phối và theo dõi suốt cả vòng đời của nó (kể cả bảo dưỡng và quay vòng với sự nhận biết của khách hàng). Những bộ phận doanh nghiệp có thể năng động bố trí ở những nơi có hiệu quả nhất, toàn bộ được nối mạng ở quy mô toàn cầu. Sự gia tăng loại hình doanh nghiệp này sẽ làm mạnh thêm quá trình toàn cầu hoá hoạt động kinh doanh.
E - Một số ứng dụng của các vật liệu mới
1. Vật liệu mới
Tới năm 2020, việc nghiên cứu vật liệu có thể sẽ giúp hoàn thiện các tính chất ở một số lĩnh vực bổ sung, đưa lại những ảnh hưởng quan trọng. SiC, GaN và các vật liệu bán dẫn khác đang được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực điện tử công suất cao.
Những vật liệu mà tính chất của chúng thay đổi dần từ thái cực này sang thái cực khác có thể tạo thành những lớp liên kết giữa những bộ phận đa dạng về cơ, nhiệt hoặc điện.
Các anôt, catôt và chất điện phân có dung lượng và tuổi thọ cao đang được phát triển để chế tạo ra acquy và pin nhiên liệu tốt hơn.
Các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao hiện nay có thể sử dụng nitơ lỏng (thay cho hêli lỏng trước đây rất đắt tiền). Các thiết bị nguyên mẫu như cáp truyền tải điện, máy biến áp, các bộ trữ điện, động cơ điện, các bộ hạn chế dòng ứng dụng vât liệu siêu dẫn như vậy đã được chế tạo và trình diễn. Tới năm 2020, ở các hệ thống cung cấp điện có thể sẽ có những ứng dụng phần nào những thiết bị đó (như thay thế đường cáp ngầm ở đô thị và các trạm biến áp cũ).
Những vật liệu quang học phi tuyến như LiNbO3 pha tạp đang được nghiên cứu để tạo ra các laze cực tím (thí dụ để có được phép in lito cho những chi tiết nhỏ hơn nữa). Những nỗ lực đang được tiến hành trong lĩnh vực này nhằm mở rộng giới hạn bị hư hỏng, tăng hiệu suất biến đổi, giảm thiểu độ phân tán và làm thích hợp chiều hấp thụ.
Những vật liệu cứng như các chất phủ và kim cương có tinh thể nano đang được phát triển để ứng dụng tương ứng làm các ổ đĩa máy tính và mũi khoan thăm dò dầu khí.
Những vật liệu chịu nhiệt cao như các composit gốm và liên kết nhiều kim loại, có tính dẻo, đang được phát triển để ứng dụng cho các lĩnh vực vũ trụ, các hệ thống biến đổi năng lượng và hoá dầu hiệu suất cao.
Vật liệu nano
Lĩnh vực này kết hợp công nghệ nano và nhiều ứng dụng của các vật liệu được tạo ra ở cấp nano. Một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng là việc tạo ra các chấm lượng tử bán dẫn (quantum dot-tức là một số tinh thể có nhiều mặt, kích cỡ nano), bằng cách bơm những chất tiền tố (mà thường dùng trong quá trình kết tủa hơi hoá chất để sản xuất vật liệu bán dẫn) lên bề mặt chất lỏng nóng. Trên thực tế, điểm lượng tử là một phân tử macro, vì nó được phủ một lớp chất bề mặt nhằm ngăn ngừa sự kết hợp. Những vật liệu này phát sáng với màu sắc khác nhau tuỳ thuộc vào kích cỡ của chúng.
Một nhóm vật liệu nano quan trọng nữa là các ống nano cacbon. Những ứng dụng tiềm năng của chúng bao gồm các màn hiển thị phát xạ trường (công trình nghiên cứu của Mitsubishi), các dây nano dùng trong pin, bộ chứa Li và H2, các ống dẫn và cách nhiệt. Một khả năng ứng dụng các ống nano (hoặc những sợi tạo ra từ chúng) là để gia cường vật liệu composit. Do bản chất của mối liên kết, những vật liệu chế tạo dựa vào ống nano có thể khoẻ hơn thép từ 50-100 lần, trong khi trọng lượng chỉ bằng 1/6.
Những cấu trúc cỡ nano với những tính chất cơ, lý cần thiết cũng có thể tạo ra được thông qua quá trình xử lý. Ví dụ, có thể gia cường cho các hợp kim bằng cấu trúc hạt ở cỡ nano, tăng tính dẻo của kim loại bằng các vi cấu trúc có kích thước nano đa pha và tăng độ chịu lửa của các composit nano của chất dẻo.
Căn cứ vào sự phát triển của khoa học, kỹ thuật vật liệu và công nghệ chế tạo, những loại vật liệu dưới đây sẽ có khả thi vào năm 2020:
* Các loại vải có kết hợp nguồn điện, mạch điện tử và sợi quang;
* Các loại vải có khả năng phản ứng với kích thích bên ngoài, chẳng hạn như sự thay đổi nhiệt độ, hoặc các chất đặc biệt;
* Chế tạo theo nhu cầu đối với các chi tiết và sản phẩm phục vụ nhu cầu cá nhân và các đặc trưng mà doanh nghiệp cần có;
* Áp dụng rộng rãi các phương pháp chế tạo thân thiện với môi trường, giảm đáng kể việc áp dụng các vật liệu độc hại;
* Các chất phun phủ và vật liệu composit có kết cấu nano, giúp tăng cường độ bền, độ cứng, độ chịu mòn;
* Các mạch/linh kiện điện tử hữu cơ, giúp tăng cường độ ánh sáng của đèn và màn hình;
* Các pin mặt trời diện rộng được chế tạo từ vật liệu composit có chứa vật liệu kết cấu nano, vật liệu hữu cơ và vật liệu phỏng sinh học;
* Các hệ thống tinh chế và khử ô nhiễm nước, dựa vào các màng và bộ lọc hoạt hoá có kết cấu nano;
* Các chất xúc tác hoá học, được thiết kế trên cơ sở kết hợp giữa kỹ thuật tính toán nhanh với sàng lọc vật liệu;
* Các mô đa chức năng được tạo ra để nuôi cấy trong cơ thể từ các cấu trúc tự phân huỷ.
2. Ứng dụng làm nhà ở và trụ sở
Việc nghiên cứu vật liệu composit, quản lý phế thải và tái chế đã đạt tới mức giúp cho việc khả thi hiện nay trong việc xây dựng các toà nhà bằng các vật liệu có tỷ lệ lớn là phế thải ở địa phương và vật liệu tái chế. Cách tiếp cận này đang có được ngày càng nhiều các ứng dụng đạt hiệu quả về giá thành, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Ví dụ, toà tháp đôi Petronas ở Kuala Lumper, Malaixia, một toà nhà cao nhất thế giới được làm bằng bê tông gia cường nhiều hơn là thép. Vật liệu dùng làm mái nhà ở Ấn Độ được làm từ sợi thiên nhiên và phế thải nông-công nghiệp. Các vật liệu composit chế tạo sẵn để xây lắp các toà nhà đã được phát triển ở Mỹ và một công ty Hà Lan đang phát triển một cách tiếp cận làm nhà ở giá rẻ, có tiềm năng sẽ được áp dụng ở khắp nơi nhất là các nước đang phát triển, bằng cách sử dụng phương pháp đúc phun lên lớp vỏ khí có thể căng phồng lên.
3. Ứng dụng trong giao thông vận tải
Một xu hướng quan trọng trong giao thông vận tải là phát triển những vật liệu nhẹ dùng cho ô tô để tăng hiệu năng, đồng thời giảm được phát thải. Vấn đề mấu chốt ở đây là mối tương quan giữa tỷ số độ bền/trọng lượng với giá cả. Loại composit tiên tiến chứa ma trận polyme, kim loại hoặc gốm và sự gia cường gốm hiện đã được ứng dụng ở các tàu vũ trụ và máy bay. Những composit này còn quá đắt để dùng cho ô tô, bởi vậy đang phát triển các hợp kim nhôm để chế tạo ô tô, chẳng hạn Honda Insight, Audi A8, Al2 và GM EV1. Mặc dù cần có những đổi mới hơn nữa về thiết kế và chế tạo thì những cấu trúc làm toàn bộ từ nhôm đó mới được ứng dụng phổ biến, nhưng hiện nay hàm lượng nhôm trong các ô tô sang trọng và máy kéo hạng nhẹ đang ngày càng chiếm tỷ trọng cao. Loại composit độn sợi cacbon, hoặc chứa ma trận polyme có thể giúp chế tạo các xe ô tô chạy đường dài, nhưng hiện nay sợi cacbon vẫn còn đắt hơn thép vài lần. Những nghiên cứu do Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ, được tiến hành ở Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đang tìm cách phát triển những sợi cacbon giá rẻ để có thể sử dụng đại trà trong thập kỷ tới.
4. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng
Cùng với sự đầu tư vào nghiên cứu phát triển điện mặt trời, những đầu tư hiện nay cho công nghệ acquy và pin nhiên liệu có thể tiếp sức cho những xu hướng đang tiếp diễn đối với các thiết bị và hệ thống di động, đồng thời kéo dài được thời gian hoạt động.
Những phát triển mới trong khoa học và công nghệ vật liệu có thể giúp tới năm 2020 các hệ thống năng lượng sẽ phân bố rộng hơn, với khả năng tích trữ cao hơn, cũng như việc chỉ huy, giám sát và truyền thông của hệ thống năng lượng. Các cáp, máy biến thế, thiết bị trữ điện sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có thể sẽ bước đầu nâng cao khả năng truyền tải và phân phối, cũng như chất lượng điện năng trong khoảng thời gian tới năm 2020.
Những phát triển sắp tới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo có thể tăng cường thêm nhờ sự kết hợp với các vật liệu rẻ, nhẹ và có khả năng tái chế (và có thể cả công nghệ gen để sản xuất ra nhiên liệu sinh khối nữa) sẽ giúp cung cấp điện giá rẻ cho các nước đang phát triển, đặc biệt là cho các vùng sâu, vùng xa mà  không cần xây dựng các kết cấu hạ tầng năng lượng hiện đại. Tuy nhiên, ở những nước phát triển có thể diễn ra những thay đổi quan trọng do các lực lượng xã hội, chính trị và kinh doanh vì những nhiên liệu được dùng tới năm 2020 vẫn còn dựa chủ yếu vào nhiên liệu hoá thạch.


Số lượt người xem: 4975Bản in Quay lại
Xem theo ngày:

SỐ LƯỢT TRUY CẬP