Lời của Biên tập. Dù là vấn đề ngoại đạo nhưng bên cạnh mục đích thư giãn của trang web bài này cũng cho ta một số thông tin liên quan đến các vấn đề hệ thống mà trước hết là các hệ tự động hóa của các “bộ não” trong sản phẩm mà ta có thể sử dụng để nâng cao độ tin cậy, tìm giải pháp kết cấu nhờ các ý tưởng phi truyền thống hay “ngoài lối mòn:, v.v., …

Đặt vấn đề.

Tương tự như ở các máy móc cơ khí truyền thống để có thể làm việc một cách bình thường các máy nano (MN) hay các máy micro (MM) cũng phải sử dụng năng lượng từ một nguồn nào đó. Đồng thời do điều kiện vận hành rất đặc biệt đòi hỏi chúng phải có tính “tự trị” (autonomous) cao trong suốt quá trình tồn tại và hoạt động của chúng nên phải có những giải pháp thích hợp. Yếu tố này tạo nên sự khác biệt giữa thế giới vĩ mô và vi mô, buộc các nhà công nghệ phải vắt óc suy nghĩ tìm giải pháp cho vấn đề cung cấp năng lượng. Bài này có thể xem như một tổng quan về một chủ đề cụ thể với những phân tích, bình luận theo quan điểm riêng của tác giả không ngoài mục đích trao đổi ý kiến với những ai quan tâm đến lĩnh vực rất mới này ở nước ta trong thời kỳ đổi mới công nghệ và trong tiến trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Là một công nghệ có nhiều tiềm năng tạo nên một cuộc cách mạng quy mô toàn cầu trong lĩnh vực công nghệ, chứa đựng rất nhiều nội dung, nhiều ẩn số cần được giải đáp, chắc chắn sẽ đặt Thanh An ra nhiều bài toán hóc búa nhưng hết sức lý thú về tư duy khoa học, rất thiết thực lại có ý nghĩa kinh tế cao trước nhiều nhà khoa học, những người làm công nghệ thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân nước ta.

Những yêu cầu công nghệ đối với nguồn năng lượng trong MM và MN.

Do những đặc tính riêng về kích thước, kết cấu và nguyên lý vận hành của chúng các MM và MN có một yêu cầu thống nhất là nguồn động lực phải sao cho máy/hệ thống có khả năng tự đảm bảo , còn nói là tự chứa (self contained) để trong suốt tuổi thọ của nó, theo một nghĩa nào đó, “nhiên liệu” không bao giờ cạn kiệt, đảm bảo đủ năng lượng cho hoạt động bình thường.

Do tính hợp lý và cần có độ tin cậy cao nên mỗi loại máy này thường có một nguồn chung, nguồn chính có khả năng cung cấp một dạng năng lượng nào đó (cơ, điện, nhiệt, ...). Song, như đã biết, các thiết bị, nghi khí trong một MN hay MM thường sử dụng các dạng năng lượng khác nhau. Vì vậy, trong hệ thống thiết bị của chúng nhất thiết phải có các bộ biến đổi năng lượng để cung cấp đủ các dạng năng lượng cần thiết từ nguồn năng lượng chung. Liên hệ với việc cung cấp năng lượng trong một xe hơi hiện đại: tia lửa điện do ácqui cung cấp khởi động một quá trình hoá học, quá trình cháy trong động cơ đốt trong làm chuyển động pittông sinh công cơ học. Công cơ học này một mặt, làm xe chuyển động và vận hành một số thiết bị công tác nào đó (nếu có) thông qua một hệ truyền lực nhất định, mặt khác, được chuyển đổi thành điện năng nhờ một đinamô/ máy phát điện để nạp trở lại acqui và vận hành các thiết bị khác (thắp sáng, điều hoà nhiệt độ, điện tử, ...). Như vậy ở đây tồn tại một chu trình họat động tự cấp năng lượng được khép kín, xuất phát từ acqui rồi trở về acqui với nhiều nhánh trích năng lượng khác nhau nhờ rất nhiều bộ biến đổi năng lượng khác nhau, cả về dạng lẫn thông số giao diện.

Tóm lại, tính tự chứa và đi kèm có các bộ chuyển đổi năng lượng là hai nguyên tắc nhất thiết phải đảm bảo đối với hệ động lực cung cấp năng lượng ở các MN và MM. Nguồn năng lượng trong giới tự nhiên rất phong phú nhưng để khai thác có hiệu quả ta phải thoả mãn rất nhiều ràng buộc/chỉ tiêu để có tính khả thi cao thể hiện qua các yếu tố sau đây.

Hiệu suất biến đổi năng lượng là một chỉ tiêu quan trọng, không quá thấp, nhưng cũng không thể đòi hỏi quá cao để rơi vào cực đoan. Vậy bao nhiêu là chấp nhận được, bao nhiêu là tối đa, là “kịch trần”? Để có cơ sở quyết định mức “chấp nhận được” hãy liên hệ với trường hợp của động cơ đốt trong: sau gần 200 năm phát triển, “tiến hoá” hiệu suất chuyển đổi hoá năng thành cơ năng của động cơ đốt trong dao động từ 30% đến 40%. Theo quan điểm của các nhà năng lượng học ngày nay thì nếu hiệu suất này đạt khoảng 10% là tồi nhưng nhiều khi phải chấp nhận nếu đấy là chuyện “không dùng là bỏ phí”, của trời cho; đạt trên 20% và dưới 50% là tốt; đạt trên 50% là xuất sắc.

Diện tích biểu đồ công cơ học đủ lớn: Có thể một chu trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng với hiệu suất nhiệt rất cao nhưng công cơ học do chu trình đó sinh ra lại rất nhỏ, chỉ đủ để thắng ma sát cơ học của hệ thống nên đối với công nghệ khai thác năng lượng chu trình đó hầu như không có ý nghĩa thực tiễn.

Ràng buộc về môi trường: Yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường không cho phép máy xả ra những chất thải đe doạ trực tiếp và ngay lập tức sự tồn tại của bản thân “hộ tiêu thụ” hay hệ sinh thái bao quanh nó như ở các rôbốt nano hoạt động trong hệ tuần hoàn máu cơ thể con người. Nghĩa là chất thải của quá trình tạo năng lượng cấp cho máy phải vô hại đối với môi trường-chủ thể và như vậy “nhiên liệu” ở đây chỉ có thể là H₂ kèm với O₂ để thực hiện phản ứng ôxy hoá, là ATP (Adenozin triphosphat) kèm với nước để thực hiện phản ứng thuỷ phân “đốt” phốtpho, là những chất đại loại tương tự khác tạo các phản ứng toả năng, những chất có “sản phẩm cháy” mà cơ thể sống dễ dàng xử lý được; đó là nước thuần khiết H₂O, là ADP (Adenozin diphosphat) mà đặc biệt lý thú là ADP lại có thể “dùng” làm nguyên liệu để “tái chế” ra ATP [1].

Yêu cầu tự cấp năng lượng ở các MN là một vấn đề hóc búa. Theo lý thuyết, thời gian duy trì phải là “vô hạn”. Nghĩa là trong quá trình máy hoạt động không cần có sự can thiệp giữa chừng của con người. Suy ra, khó khăn này sẽ được giải toả nếu MN lấy năng lượng trực tiếp từ môi trường xung quanh, nơi nó hoạt động, như phương thức có thể thấy ở một số vi sinh vật trong giới tự nhiên. Trường hợp động cơ đốt trong lấy làm ví dụ ở trên, nếu ôxy không lấy được từ khí quyển, chắc chắn giải pháp công nghệ sẽ phức tạp hơn, độ tin cậy và an toàn hệ thống phụ thuộc thêm vào nhiều yếu tố hơn, làm cho vấn đề trở nên phức tạp hơn.

Giao diện được. Một nguồn năng lượng chỉ có thể dùng được để vận hành một thiết bị nào đấy nếu tương thích về mặt giao diện. Vấn đề này không chỉ nảy sinh khi phải giải quyết việc cung cấp năng lượng cho các MM và MN mà đối với cả các máy móc kỹ thuật truyền thống. Ví dụ, không thể “câu” điện trực tiếp từ đường dây 500 kV để thắp sáng do không tương thích điện áp, điều cực kỳ nguy hiểm; hoặc không thể dùng giắt cắm để lấy điện từ ổ cắm cung cấp điện cho một máy tính micro do không tương thích hình học,vì có sự chênh lệch kích thước hàng triệu lần... Về vấn đề giao diện các nhà công nghệ nước ta không ít lần phải đối mặt với những khó khăn khi phải tương hợp hoá các dòng công nghệ khác nhau, mặc dù chúng không hề lạc hậu, thậm chí còn rất tiên tiến. Tóm lại để giao diện được, mọi thông số kĩ thuật phải tương thích nhau. Có thể nói, không dễ gì tương hợp hoá khi các kích thước đặc trưng của các thiết bị tính bằng nano. Việc này chỉ có thể giải quyết ngay từ khi làm thiết kế hệ thống.

Trên đây là những yếu tố công nghệ cần quan tâm trước tiên trong bối cảnh công nghệ hiện tại có những khác biệt lớn về trình độ và kinh nghiệm thực tiễn. Rất có thể trong tương lai, trên con đường phát triển, tiến lên phía trước một số sẽ trở nên thứ yếu, đồng thời những yếu tố mới khác lại nảy sinh.

Những phương án khả dĩ có nhiều tiềm năng

1/ Pin và acqui. Công nghệ này bắt nguồn từ hơn 2000 năm trước đây khi những người dân thành Bátđa (Bagdad) tìm ra cách mạ kim loại trong chế tác đồ kim hoàn dù ở trình độ sơ khai. Để đạt được những tiến bộ như ngày nay công nghệ này đã kinh qua nhiều giai đoạn phát triển, cải tiến cả về hiệu suất biến đổi lẫn thu nhỏ kích thước và sử dụng vật liệu. Công nghiệp sản xuất pin, acqui ngày nay đẫ đạt được trình độ rất cao. Doanh số thế giới lên đến trên 20 tỉ USD mỗi năm [2] nói lên tầm quan trọng của dạng thức cung cấp năng lượng này trong thực tiễn kỹ thuật. Tuy nhiên, để có được các chỉ tiêu thích hợp với các MM và MN các nhà công nghệ vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, cải tiến, đặc biệt trong các công ty Panasonic, Energizer Holding, Inc và công ty con của họ ở một số trường đại học như Bringham Young University (BYU). Kích thước kỷ lục mà BYU đạt đươc là đường kính cục pin hiện chỉ bằng đường kính sợi tóc. Kích thước này đã hoàn toàn tương hợp các MM. Các nhà công nghệ khác đã kiến nghị dùng ống nano để chế tạo pin có đường kính cỡ 10 nanomét. Phải chăng đây đã là kích thước giới hạn của pin/acqui? Chưa thể trả lời dứt khoát. Người ta cho rằng trong một tương lai gần kích thước này sẽ thực hiện được. Với kích thước như vậy việc dùng pin cung cấp năng lượng cho MN là khả dĩ hay có tính khả thi cao. Như vậy, vật liệu nano sẽ trở thành chỗ dựa không thể thiếu của công nghệ trong tiến trình thực hiện giấc mơ tạo ra các cỗ máy nano, đồng thời chính khả năng ứng dụng mạnh sản phẩm này sẽ tạo ra một động lực to lớn kích thích trở lại sự phát triển của ngành vật liệu nano.

Theo nhận định của giới chuyên môn thì giải pháp pin và acqui sẽ là một trong những dạng thức đầu tiên trong việc cung cấp năng lượng cho các MM và MN. ở đây vật liệu nano có vai trò cực kỳ quan trọng, thậm chí người ta còn dự báo một vai trò tương tự như vậy trong công nghệ chế tao pin nhiên liệu, một loại nguồn năng lượng “họ hàng” ưu việt hơn pin/ácqui. Hướng phát triển của công nghệ pin/ácqui vẫn sẽ là: “nhỏ gọn hơn, dung lượng lớn hơn, hiệu suất cao hơn”. Ngoài ra, cũng theo phương thức sao chép giới tự nhiên người ta có thể lợi dụng môi trường xung quanh để hỗ trợ quá trình sản xuất năng lượng của pin/acqui hay của pin nhiên liệu để cải thiện các chỉ tiêu làm việc của chúng.

2/ Điện nhiệt ngẫu. Đối với các kỹ sư luyện kim các nhà chế tạo vật liệu gốm sứ nói riêng và tất cả những ai phải đo nhiệt độ hàng trăm đến trên một ngàn độ ^OC nói chung, dụng cụ can nhiệt không phải là thứ xa lạ mà là công cụ hết sức quen thuộc áp dụng hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng do Seebeck phát minh vào đầu thế kỷ 19 (1821) cho thấy rằng nếu hàn chập hai đầu của hai dây kim loại khác nhau, ví dụ đồng và nhôm, rồi đặt hai đầu nối đó vào hai vùng có nhiệt độ khác nhau, quanh dây kim loại xuất hiện một từ trường. Có thể thấy, khi nhiệt truyền từ nơi nhiệt độ cao tới chỗ nhiệt độ thấp trong dây kim loại xuất hiện dòng điện tử tự do chảy ngược chiều với dòng nhiệt. Nếu mắc vào một dụng cụ đo dòng ta đo được cường độ dòng điện chảy qua. Chênh nhiệt càng lớn thì dòng càng lớn, nghĩa là chúng tỷ lệ thuận với nhau. Người ta đã áp dụng nguyên lý này vào việc đo nhiệt độ với độ chính xác vừa phải nhưng rất cơ động, bền chắc và tiện lợi trong nhiều ngành kỹ thuật, song phổ biến nhất vẫn là dùng để đo nhiệt độ của lò nung công nghiệp.

Người ta thấy đây là một phương thức tốt để có thể tạo nên một dạng nguồn điện thích hợp cho các thiết bị máy móc hoạt động độc lập, có tính tự trị cao trước hết trong các thiết bị máy móc vĩ mô truyền thống. Trên thực tế loại nguồn như thế này đã có mặt trên thị trường với gam công suất thương mại từ 15 đến 500 W và có khả năng đạt đến 5kW. Hiệu suất của máy phát điện loại này tùy thuộc vào mức chênh nhiệt độ. ở một máy phát trung bình cứ mỗi một chênh nhiệt độ 1^OC có thể tạo ra một chênh điện áp khoảng 30 mV. Như vậy, để máy phát loại này hoạt động bình thường luôn luôn phải tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu nối của một vòng khép kín. Có thể tạo một sự chênh lệch nhiệt độ lâu dài hay “vĩnh cửu” bằng năng lượng mặt trời trên các thiết bị ngoài không gian, giữa hai vùng tối-sáng của một vật, hoặc đốt khí đồng hành trên một giàn khoan xa bờ đòi hỏi tính tự cấp tự túc cao mà không dùng các máy phát phức tạp.... Cũng có thể dùng loại nhiên liệu gần “vĩnh cửu” nào đó thay thế khí đốt nói trên như Mỹ đã dùng nhiên liệu Pluto-238 cho 2 bộ nguồn điện nhiệt vi sai trên tầu Galileo thăm dò sao Thổ (Jupiter) [3]. Đây là một dự án thành công cực kỳ ấn tượng trong thế kỷ 20: tầu đã đi vào quỹ đạo sao Thổ và phát về trái đất những thông tin giúp khẳng định và đánh giá lại những hiểu biết khoa học trước đây về bầu khí quyển sao Thổ. Như vậy công nghệ điện nhiệt vi sai rất hiện thực.

Ưu điểm của loại nguồn này là kết cấu đơn giản nên có độ tin cậy cao, rất ổn định. Vì thế có nhiều tiềm năng trở thành loại nguồn tuổi thọ rất cao, không cần đến sự can thiệp phức tạp từ bên ngoài.

Hiện nay người ta đang tập trung vào nghiên cứu vấn đề vi thể hoá chúng để có thể tương hợp với các MM và MN. Một số công trình nghiên cứu đang sử dụng công nghệ màng mỏng trong công nghệ vi điện tử để tạo nguồn năng lượng kiểu này. Tuy công suất đầu ra còn nhỏ và phụ thuộc vào việc duy trì độ chênh nhiệt độ, công nghệ này tỏ ra rất hứa hẹn đối với các MM. Còn đối với các MN công nghệ này mới chỉ ở dạng tiềm năng và câu trả lời khẳng định còn đang bỏ ngỏ. Vì vấn đề hiệu suất và công suất phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ của hai đầu nối, vấn đề cách nhiệt trong MN sẽ trở nên hết sức gay gắt. Nếu không, phải có giải pháp đặc biệt về công nghệ làm mát cục bộ trong không gian vi mô đo bằng đơn vị nano. Quả thực đây là một thách thức không dễ gì vượt qua, kể cả đối với những “chàng khổng lồ” của công nghệ thế giới.

3/ Năng lượng mặt trời – pin mặt trời. Đối với sự sống trên trái đất chúng ta mặt trời vừa là bàn tay tạo hoá vừa là nguồn năng lượng gần như vô tận mà con người có thể khai thác để duy trì sự sống, sự tồn tại của chính mình. Trong các hướng nghiên cứu thuộc lĩnh vực sản xuất năng lượng pin mặt trời là một đề tài hấp dẫn vì những ưu điểm về tuổi thọ và tính tiện ích của nó, đặc biệt đối với các hộ tiêu thụ nhỏ, không có điều kiện cấp điện từ lưới chung. Ra đời cách đây khoảng 50 năm, thoạt đầu công suất đơn vị nguồn rất nhỏ, nhưng giá thành lại cao. Song, vào những năm 70 của thế kỷ vừa qua giá nguồn điện mặt trời cho mỗi watt công suất tụt xuống từ 500 USD xuống chỉ còn 5 USD. Quá trình giảm giá thành sản phẩm này con tiếp tục diễn ra nhờ có nhiều tiến bộ trong công nghệ chế tạo và sản xuất vật liệu.

Khi công nghệ phát triển đến độ chín muồi các nghiên cứu đi tìm giải pháp năng lượng cho cả MM và MN diễn ra theo hai hướng:

- Giảm kích thước, tức vi thể hoá và

- Tạo ra các thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời ra công cơ học.

Trong hướng thứ nhất, tại Mỹ các nhà khoa học nhận tài trợ từ Quỹ khoa học Quốc gia (National Science Foundation – NSF) đã nghiên cứu và chế tạo pin mặt trời kích thước 100´100m m². Theo họ với công nghệ này kích thước “tấm” pin mặt trời có thể giảm xuống còn 1´1m m² = 1000´1000nm² = 1triệu nm² [2], về diện tích giảm một vạn lần.

Về chỉ tiêu công suất và điện thế, công nghệ cao nhất đã đạt trình độ 1¸2V và khoảng 2mA/cm² đủ để cung cấp năng lượng cho một thiết bị tính toán khiêm tốn. Cũng cần thấy rằng việc giảm thiểu kích thước trong hướng vi thể hoá sẽ vấp phải giới hạn bất khả kháng bởi lẽ nếu không có biện pháp thích hợp tăng mật độ ánh sáng, tức mật độ dòng phôtôn thì khi kích thước tấm pin chỉ còn vài nano (nếu đạt được) xác suất tương tác của nó với phôtôn là nhỏ, mục tiêu hứng được ánh sáng trở nên mong manh, tấm pin nhỏ như vậy sẽ trở nên vô tác dụng. Biện pháp tăng mật độ ánh sáng cũng có thể liên quan tới hướng thứ hai đề cập dưới đây.

Vấn đề chuyển đổi trực tiếp quang năng thành cơ năng cũng đã được các nhà công nghệ nghĩ đến từ lâu khi người ta đo được áp suất của ánh sáng và như thế có thể dùng để đẩy một vật thể dù với một gia tốc cực nhỏ, ví dụ một phi thuyền ngoài không gian chuyển động nhờ những cánh buồm cực lớn hứng ánh nắng mặt trời. Trên kích thước vi mô cũng đang tồn tại một bộ chuyển đổi làm chức năng nguồn động lực. Đó là thành quả nghiên cứu của nhóm hỗn hợp các nhà khoa học Nhật bản- Cộng hoà Liên bang Đức tại Trường Đại học liên kết Nhật Đức. Dựa vào quan sát thấy rằng khi quang tử đập vào liên kết (bond) giữa 2 nguyên tử cácbon làm liên kết này căng ra, sau đó lai co trở lại. Đó là biến dạng cơ học. Trên cơ sở đó họ đã chế tạo ra một động cơ gồm 58 nguyên tử, theo một kết cấu thích hợp, quay với số vòng quay n = 1/3 v/phút khi rọi ánh sáng vào và chỉ làm việc ở nhiệt độ khoảng 60^OC. Đây là một công nghệ chuyển đổi quang năng đáng kể, đầy ấn tượng. Tuy nhiên để có thể đi đến thương mại hoá được các nhà công nghệ còn phải cải thiện một số chỉ tiêu và tính năng như tăng số vòng quay, nới lỏng ràng buộc nhiệt độ môi trường làm việc bằng một cơ chế thích hợp nào đó. Ví dụ có thêm một hộp số tăng tốc (số vòng quay) tương hợp; một bộ sưởi nóng hay làm mát thích hợp,... Một số kết quả lên quan tới phương tức biến quang năng thành cơ năng sẽ được nhắc tới trong dạng thức 7/ dưới đây mặc dù được tiếp cận dưới một góc độ khác.

4/ Hơi nước và hơi. Trước Công nguyên 200 năm loài người đã phát kiến khả năng sinh công của hơi nước. Tuy nhiên, mãi 2000 năm sau động cơ hơi nước mới trở thành nguồn động lực, làm nên một cuộc cách mạng công nghiệp hồi đầu thế kỷ 18. Hầu hết các xí nghiêp, nhà máy, nhiều tầu biển cỡ lớn đã chuyển sang dùng động cơ hơi nước làm nguồn động lực. Bản thân hơi nước không gây ô nhiễm môi trường, một yếu tố rất đáng quan tâm khi sử dụng. Về kết cấu, động cơ hơi nước thuộc loại đơn giản gồm nguồn nhiệt, bình chứa nước, pittông chuyển động theo giãn nở/bành trướng của hơi nước và bộ ngưng hơi nước (hơi lả) do động cơ thải ra giúp thu hồi nước trở lại. Động cơ hơi nước làm quay máy phát điện và các máy công tác thông qua một hệ truyền động phù hợp nên trong công nghiệp truyền thống nó đã từng là nguồn động lực vạn năng.

Về nguyên lý các loại hơi đều có thể dùng làm nguồn động lực. Tuy nhiên do yếu tố môi trường cần có sự cân cân nhắc sao cho đảm bảo. Biết rằng, cùng điều kiện áp suất như nhau hơi có khối lượng riêng càng lớn, suất sinh công trên trọng lượng càng lớn. Trong thực tiễn kỹ thuật có thể thấy nhiều động cơ loại này không dùng nước. Động cơ Sterling cũng là một dạng động cơ hơi, hoàn toàn tự cấp, biến sự dãn nở của khí hoặc chất lỏng thành công cơ học hoặc điện học mà không cần đến chu trình đốt trong. Yêu cầu cơ bản để duy trì hoạt động của động cơ loại này là phải duy trì liên tục một độ chênh nhiệt nhất định (tuân thủ chu trình Carnot).

Trong thế giới vi mô của các MM và MN nguyên lý dùng hơi làm nguồn động lực đẫ trở thành đề tài được nhiều nhà công nghệ quan tâm và đã có những giải pháp khả dĩ, như sản phẩm của nhóm Hệ thống Vi cơ điện của SNL (Mỹ) đã nhắc đến trong một tổng quan trước đây [4]. Để có thể vi thể hoá một hệ động lực nào đó, ngoài kích thước của thiết bị nguồn ban đầu còn phải tập trung vào khâu giảm thiểu kích thước của các thiết bị đi cùng do yêu cầu phải có sự chuyển đổi dạng năng lượng. Cụ thể là Động cơ hơi nước, thiết bị động lực nguồn ban đầu, sinh công cơ học quay một máy phát điện cho nhu cầu điện năng. Như vậy kích cỡ của máy phát cũng là yếu tố quan trọng quyết định kích thước của toàn hệ. Ta cũng biết rằng các máy phát điện theo nguyên lý quen thuôc trong kỹ thuật truyền thống (đinamô) thường rất cồng kềnh. Song cũng với nguyên lý tương tác giữa dây dẫn điện và từ trường (cảm ứng) bằng việc tăng mật độ của từ trường lên một độ siêu cao như ở các đĩa từ hoặc băng từ siêu mỏng mà công nghệ hiện tại đã đạt được có thể tạo ra các máy phát điện (như đầu đọc đĩa, băng từ) có kích thước phù hợp cho các MM. Để có thể dùng cho các MN cần có thời gian để tiếp tục tìm ra các giải pháp mới về công nghệ chế tạo và cải thiện các thông số kỹ thuật.

Tóm lại, trên nhiều phương diện, trước hết trên quan điểm độ tin cậy và môi trường các máy hơi có nhiều ưu thế. Trong nhiều phương thức di động của các MM và MN (sẽ được đề cập trong một bài khác) ta sẽ thấy loại nguồn động lực này rất thích hợp. Tuy nhiên trong điều kiện dễ dàng có được nguồn điện dư thừa với thiết bị chuyển đổi điện-cơ hiệu suất cao, người ta sẽ không chọn “công nghệ hơi” làm chủ đạo mà chỉ dùng nó như một nguồn phụ trợ trong toàn bộ hệ thống.

5/ Ađênôzin Triphốtphát (ATP). Công nghệ dùng ATP làm nhiên liệu thực chất là công nghệ tìm thấy trong mọi sự sống của giới tự nhiên mà ta biết đến. Có thể nói ATP là một loại phân tử phổ biến nhất của thế giới sinh vật trên trái đất, là nhiên liệu có mặt trong hầu hết các tế bào sống, ở động vật cũng như thực vật. Người ta đã biết rằng phản ứng thuỷ phân ATP thành ađênôzin điphốtphát (ADP) là phản ứng xuất năng lượng (exoergic) và trong cơ thể động vật có khả năng biến đổi trực tiếp điện năng thành cơ năng. Ngược lại, một phản ứng cộng đường vào ADP để có lại ATP là phản ứng thu năng lượng (endoergic). Phản ứng thuận nghịch ATP « ADP có thể xảy ra dưới điện áp lên đến 1,1 vôn với hiệu suất tổng 42% (vào loại xuất sắc theo đánh giá ở trên). Các nghiên cứu sâu về chức năng và cơ chế hoạt động của màng tế bào sinh vật và vi khuẩn học đã chỉ cho thấy phản ứng ATP ® ADP (tạo ra điện áp cỡ 0,158 vôn) là nguồn năng lượng duy nhất của động cơ rôto sinh học (rotary biological motor). Các động cơ loại này giúp một số tế bào sinh vật trong đó có một số vi khuẩn như vi khuẩn E.coli, vi khuẩn Gram dương, đơn bào Amip,... di động trong môi trường sinh tồn của chúng [1], [5].

Nếu nói một cách nghiêm túc về sự tồn tại của các động cơ nanô, các MN thì có lẽ không thể không nói đến thành công lớn nhất của các nhà công nghệ nano đã đạt được: bắt chước được giới tự nhiên để tạo ra các loại động cơ nhỏ nhất thế giới bằng công nghệ nối gen (gene-splicing technique) hoặc biến đổi gen (gene modification) từ vi khuẩn E. coli để được động cơ rôto và từ một “týp” siêu vi trùng cúm để được loạt thử nghiệm một kiểu động cơ nano tuyến tính từ prôtêin siêu vi trùng (viral protein linear nano actuator [6]). Dự báo đến 2007 loại động cơ này sẽ “xuất đầu lộ diện”. Khoảng 5 năm trở lại đây người ta đã tạo ra động cơ rôto để quay một trục nhỏ với số vòng quay vài vòng/phút và đến nay đã tồn tại “dây chuyền sản xuất” mỗi mẻ cho 10²⁴(một triệu tỉ tỉ) sản phẩm đủ để “đóng” vào một lon bia cỡ một phần 3 lít. Người ta đã thành công trong việc nối “trục” của động cơ này với ống cácbon nano (có cường độ gấp 100 lần thép). Các động cơ rôto ở vỏ các tế bào sinh vật có số vòng quay đạt đến 6000 v/phút [1].

Tuy xuất xứ từ vật liệu của tế bào sống nhưng nguyên lý hoạt động của các động cơ này cũng dựa trên tương tác tĩnh điện như ở các động cơ tĩnh điện trong cơ khí động lực. Nguồn điện tử lấy từ phản ứng ATP hoá ADP theo một phương thức “khống chế-tiết lưu” nhất định. Những loại động cơ như thế này nếu hoạt động trong môi tường có đường như ở cơ thể động vật thì vấn để cung cấp năng lượng sẽ không có khó khăn nhờ chu trình Krebs diễn ra trong cơ thể sống liên tục tạo ra đường, hỗ trợ cho quá trình chuyển hoá ADP thành ATP trên cơ sở lấy nguồn đường từ môi trương xung quanh. Điều đó đồng nghĩa với tuổi thọ hoạt động của động cơ được duy trì cho đến khi chủ thể/vật chủ còn tồn tại. Đây cũng là lý do khiến cho đến nay người ta ít sử dụng chúng ngoài môi trường sống.

6/ Động cơ Brown. Năm 1963 nhà vật lý R. Feynman đề nghị một phương án kỹ thuật khai thác năng lượng từ chuyển động Brown trong chất lỏng và chất khí, đó là động cơ Brown [7]. Nguyên lý khai thác khá đơn giản: trên cơ sở hoạt động của một cơ cấu hãm một chiều chuyển động như kiểu líp xe đạp quen thuộc, chỉ nhận tác động – xung động của phần tử chất lỏng tác động từ một chiều của chuyển động Brown, chuyển động hỗn loạn của các phân tử chất lỏng với cường độ phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường. Nếu loại động cơ này được thực hiện, con người sẽ có một nguồn động lực vô tận cung cấp cho một hệ thống nào đó.

Người ta đã tạo ra một số kết cấu của loại đông cơ này song đến nay chưa có loại nào thực sự hoạt động. Tác giả có nhắc đến một sự vi phạm định luật thứ 2 của nhiệt động lực học và theo chúng tôi đó có thể là một nguyên nhân dẫn đến kết cục trên. Nhưng cũng có thể do công mà các động cơ hiện có tạo ra còn quá bé, chỉ vừa hoặc chưa đủ để thắng nổi ma sát của nội bộ hệ thống, dù nó là rất nhỏ. Hơn nữa xét về mặt nào đó ở một hệ không kín nguyên lý khai thác năng lượng này chắc gì đã là một sự vi phạm định luật 2? Khi ta thu năng lượng từ chuển động Brown thì chắc chắn nhiệt độ chất lỏng bao quanh phải giảm và trong một hệ mở không giới hạn bao bên ngoài vùng chất lỏng bi tụt nhiệt độ sẽ “hút” nhiệt từ “bên ngoài”. Trong vũ trụ bao la không ít các hiện tượng cục bộ nếu xét trên phạm vi nhỏ dễ đi đến kết luận sai lầm rằng định luật 2 bị vi phạm. Hiện nay vẫn tiếp tục có những nỗ lực thiết kế và chế tạo các động cơ Brown bởi người ta đã nghĩ đến sự tồn tại của nó trong việc thực hiện quá trình “bơm” ion qua màng tế bào sống, mặc dù trong việc chuyển tải qua lại các ion qua màng tế bào chu trình ATP « ADP có vai trò quan trọng.

Thực tiễn cho thấy trong thời điểm hiện tại động cơ Brown còn đang là đối tượng tìm kiếm lâu dài, nhưng là một hướng đầy tiềm năng, rất có giá trị trong các giải pháp năng lượng cho các hệ động lực nano.

7/ Môi trường nhân tạo. Suy xét lại ta thấy ánh sáng mặt trời với phổ ánh sáng (bước sóng) rất rộng, trải từ hồng ngoại đến cực tím, trên một nghĩa nào đó là môi trường khá đồng nhất trong không gian mà một số máy, thiết bị nano có thể khai thác năng lượng tự cấp cho hoạt động của mình một cách liên tục (ở những điều kiện nhất định có thể đảm bảo được) trong khoảng thời gian không hạn chế. Điều này dẫn đến ý tưởng: sẽ có kết quả tương tự nếu con người cũng tạo ra một môi trường cục bộ, đường kính nhiều ngàn nanômét trở lên với các dòng “ánh sáng” mà rộng ra là các dòng năng lượng (tia cực tím, tia hồng ngoại, chùm tia điện tử, chùm tia lade,...). Đơn cử một ví dụ: 10 giờ 24 phút sáng ngày 23 tháng 4 năm 2002 hãng thông tấn UPI (Mỹ) loan tin ngắn về một báo cáo của các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Havớt (Havard University) và Viện Khoa học Vaixơman(Weizmann Science nstitute) rằng lade có thể trở thành nhiên liệu tương lai cho các rôbôt kĩ thuật nano và các phương tiện có trang bị động lực, nhỏ tới mức chúng có thể điều khiển, lèo lái cá thể các tế bào và các phân tử. Hoặc trường hợp dùng tia tử ngoại mà chúng tôi đã nêu trong [4] cho viên nang nano diệt tế bào ung thư. Các nhà khoa học trên đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng ánh sáng (tia lade, tia hồng ngoại) có thể làm quay các ống nano cacbon đường kính nhỏ cỡ một phần ngàn lần đường kính sợi tóc, vách dày khoảng một nguyên tử với tần số góc siêu cao. Như vậy, thông qua chuyển đổi lượng tử quang (phôtôn) thành lượng tử âm (phônôn) động lượng quay này có thể làm quay các phân tử khác. Từ đây có thể suy ra rằng bằng phương pháp biến điệu (modulation) thích hợp vấn đề tương thích hoá có thể giải được cho vấn đề áp dụng dạng thức này.

Thảo luận và kiến nghị.

Khi đề cập đến chủ đề năng lượng và nguồn năng lượng cũng như công nghệ khai thác chúng cho việc vận hành các máy móc siêu nhỏ, bằng mắt thường không nhìn thấy, ta có thể phải đối mặt với một loạt vấn đề hết sức liên ngành, trải rộng từ lý thuyết cơ bản đến thực tiễn trong phòng thí nghiệm, trong cuộc sống sản xuất thường nhật của một công nghệ cao còn nhiều điều bỏ ngỏ, nhiều điều cần được làm rõ. Trong điều kiện nước ta còn hạn hẹp về kinh phí cho nghiên cứu cơ bản, dài hơi và không ít rủi ro trước những vấn đề còn hết sức mới mẻ, lại đòi những khoản đầu tư không nhỏ này thiết nghĩ, các nhà nghiên cứu có thể tranh thủ thời gian cập nhật những thông tin mới nhất từ nhiều kênh khác nhau để chọn điểm đột phá tốt nhất cho công việc nghiên cứu mà không quá tốn kém, đông thời không bị chệch hướng. Chọn đề tài lý thuyết sẽ có những cái thuân lợi song cũng không ít khó khăn vì có thể bắt đầu ngay với khoản kinh phí không đáng kể, tận dụng được vốn sức mạnh tư duy để định hình một vài vấn đề khả dĩ nhất đối với mình. Sau đó hoạch định bước tiếp theo. Đối với những vấn đề bỏ ngỏ - theo thiển nghĩ của chúng tôi - đội ngũ làm lý thuyết của chúng ta có thể sẵn sàng “tham chiến” một cách có hiệu quả, sẽ không có rủi ro kinh tế, nếu xét trên quan niệm coi đây là việc sử dụng “công suất dư thừa” cho một việc hết sức có ý nghĩa. Ví dụ xung quanh vấn đề lý thuyết của động cơ Brown. Có người cho rằng Feynman đã đề nghị “một cái không có gì”, là ở đây có sự vi phạm định luật thứ 2 của nhiệt động lực học. ở trên chúng tôi đã sơ bộ nói lên quan điểm của mình, coi đó là vấn đề đáng quan tâm, là chân lý cần tìm kiếm câu trả lời đúng đắn, chặt chẽ vè mặt khoa học song quan trọng nhất vẫn là tìm hiểu một khả năng công nghệ to lớn, nếu quả thực chẳng có chuyện vi phạm định luật nào đó thì tốt đẹp biết bao.

Chúng ta thấy, con đường dẫn đến thành tựu to lớn, đến những phát minh của nhiều tập thể, nhóm các nhà khoa học thế giới cũng như ở ta, bắt nguồn từ thành công trong việc biết tập hợp, hợp tác giữa các đồng nghiệp, với những người “dị nghiệp”, không có sự phân biệt và cũng chẳng bao giờ nghĩ đến chuyện “lấn sân”, “lộn sân”. Cứ nhìn “xuất xứ nghề nghiệp” của các thành viên các nhóm tác giả của hiệu ứng quang-cơ, của nhóm chế tạo động cơ nano tuyến tính dùng protêin siêu vi trùng, của nhóm nghiên cứu cơ chế chuyển động của các đơn bào, của nhóm nghiên cứu các động cơ rôto của màng tế bào, v.v... thì có thể thấy được những suy nghĩ trên có phần hữu lý.

Chế tạo vật liệu nano quy mô phòng thí nghiệm và nghiên cứu, thử nghiệm một số tính chất vật lý mà các phòng thí nghiệm ở nước ta có thể thực hiện được, không câu nệ bị coi là “phát minh lại”, giống như 15 năm trước đây ta đã làm với đề tài siêu dẫn nhiệt độ cao. Chúng tôi cho rằng tương tự các loại vật liệu khối, vật liệu nano có rất nhiều loại. Giá thành và “độ khó” về công nghệ chế tạo cũng trải trên một phổ rất rộng. Do vậy, khả năng lựa chọn đối tượng có nhiều. Kết hợp với nhu cầu thực của cuộc sống (nhu cầu về các loại vật liệu lọc, có thể là vật liệu cần cho y tế, chế tạo thuốc men,...) các nhà công nghệ đã có cơ sở để hình dung bước đi từ dễ đến khó đối với một loại vật liệu cụ thể. Với chủ trương đúng đắn của các nhà quản lý chính sách, quản lý sản xuất, chủ đầu tư chúng ta có quyền tin rằng xã hội chúng ta có thể tạo ra được môi trường tốt cho sự phát triển vững chắc của công nghệ này. Kinh nghiệm của những năm trước đây cho thấy, chỉ với thông tin tương đối đầy đủ, với một trình độ hiểu biết vừa phải là đã có thể vững tâm khi tiếp cân, tiếp nhận một công nghệ mới; ngược lại, chúng ta phải trả giá đắt hoặc trở nên vô lý, không thoả đáng trong các quan hệ trao đổi, mua bán công nghệ.

Trên đây là những suy nghĩ chủ quan của một cá nhân. Vì vậy có thể có những chỗ chưa thoả đáng, chưa chính xác. Tác giả xin ghi nhận, tham khảo và rất cảm ơn mọi ý kiến đóng góp xây dựng.

Tài liệu tham khảo

[1] Hoàng Văn Tiến, Lê Khắc Thận, Lê Doãn Diên : Sinh hoá học với cơ sở khoa học của công nghệ gen. NXB Nông nghiệp, 1997. Hà Nội.

[2] Glenn Fishbine : The investor’s guide to nanotechnology & micromachine. John Wiley & Sons, Inc. New York. Copyright 2002 by Glenn Fishbine.

[3] NASA’s Ames Research Center, Mountain View, CA.: Galileo probe suggests planetary science reappraisal. January 22, 1996.

[4] Trần Văn Đắc : Công nghệ nano, thách thức hay cơ hội? Tạp chí Hoạt động khoa học, Bộ khoa học và Công nghệ. Số 4. 2004 (539) năm thứ 45 , trang 55-59. ISSN 0866 – 7152.

[5] Edward M. Purcell: The efficiency of propulsion by a rotating flagellum. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Vol. 94, pp. 11307-11311, October 1997. Biophysic.

[6] A. Dubey, C. Mavroidis, A. Thornton, K. Nikitczuk, M.L. Yarsmush : Viral protein (VPL) nano-actuators. Technical proceedings of the 2004 NSTI Nanotechno-logy Conference and Trade Show. Vol. 1. Chapter 3: Bio Molecular Motors.

[7] P. P. Feynman, R. B. Leighton, and M. Sands: The Feynman Lecture on Physics. Vol. 1. (Reading, M A: Addison – Wesley, 1963).