Tài liệu Định hướng nghiên cứu công nghệ Nano đến năm 2020 nhằm giải quyết các nhu cầu xã hội

mới để phổ biến cho công chúng, về nhận thức của công chúng và sự tham gia vào NC&PT công nghệ nano, đột phá các rào cản về giới, thu nhập và sắc tộc. Đây là một thách thức lớn trong 10 năm tới. • Thể chế hóa - thiết lập các tổ chức thường trực và các chương trình để tài trợ và quản lý các hoạt động về công nghệ nano, trong NC&PT, đào tạo, chế tạo, y học, môi trường, sức khỏe và an toàn, các vấn đề liên quan đến đạo đức, pháp luật và xã hội và các chương trình quốc tế về công nghệ nano. Các hợp phần quan trọng là các chương trình từ dưới lên, có biện pháp khuyến khích cho công tác nghiên cứu, đào tạo và sự tham gia của công chúng. 3. Xếp hạng các quốc gia về công nghệ nano Sự phát triển công nghệ nano trên phạm vi toàn thế giới là không đồng đều. Các chính phủ hỗ trợ cho công nghệ nano với các mức độ khác nhau, lợi ích doanh nghiệp và khả năng trụ vững về kinh tế có thể thúc đẩy nhanh và cũng có thể gây cản trở sự phát triển và thương mại hóa công nghệ nano. Các chính phủ và các công ty đều dựa vào thế mạnh của các quốc gia khác để bổ sung cho các hoạt động và tri thức chuyên môn riêng của mình. Nghiên cứu Lux Research được tiến hành nhằm đánh giá sự phát triển công nghệ nano trên phạm vi thế giới tại 19 quốc gia bằng cách đánh giá thành tích của họ theo hai khía cạnh: đổi mới sáng tạo công nghệ nano và phát triển công nghệ. - Hoạt động công nghệ nano, đo lường khối lượng tuyệt đối về phát triển công nghệ nano. Yếu tố này xem xét năng lực và động cơ nguồn lực của một quốc gia về đổi mới sáng tạo công nghệ nano, dựa trên 8 thông số đo (bảng 5). Các thông số này được sử dụng để đánh giá Hoạt động công nghệ nano và so sánh dựa trên cơ sở giá trị tuyệt đối, điều đó có nghĩa là các quốc gia nhỏ hơn thường có thứ hạng thấp hơn. Bảng 5: Các thông số đo phản ánh hoạt động công nghệ nano Hạng mục Tỷ trọng điểm số Mô tả Nội dung Xúc tiến công nghệ nano 15% Đánh giá định tính về hiệu quả và phối hợp các xúc tiến công nghệ nano ở các cấp quốc gia, khu vực và địa phương trong những năm gần đây Cho thấy mức độ lên kế hoạch và cảnh báo đối với sự phát triển công nghệ nano 29 Trung tâm công nghệ nano 15% Đánh giá số lượng và chất lượng của các phương tiện công nghệ nano của chính phủ và trường đại học với sự chú trọng vào cả NC&PT và thương mại hóa trong những năm gần đây Cho thấy thế mạnh của cơ sở hạ tầng dùng để hỗ trợ NC&PT công nghệ nano. Tài trợ chính phủ 10% Khối lượng tài trợ ở cấp khu vực và quốc gia phân bổ riêng cho công nghệ nano trong những năm gần đây tính theo USD ppp Cho thấy sự sẵn sàng và năng lực của chính phủ đối với việc thúc đẩy đổi mới sáng tạo công nghệ nano và phát triển sản phẩm Vốn rủi ro 10% Đánh giá định tính sự sẵn có của nguồn vốn rủi ro để cấp kinh phí cho các dự án mạo hiểm mới, bao gồm vốn mạo hiểm, trợ cấp chính phủ và các khoản cho vay trợ cấp Đánh giá sự hỗ trợ đối với các doanh nghiệp thương mại hóa công nghệ nano để có thể vượt qua giai đoạn "thung lũng chết": Chi tiêu doanh nghiệp 10% Ước tính chi tiêu cho NC&PT công nghệ nano của các doanh nghiệp theo đơn vị USD ppp Cho thấy sự sẵn sàng và năng lực của ngành công nghiệp trong thúc đẩy đổi mới sáng tạo công nghệ nano và phát triển sản phẩm Công trình công bố công nghệ nano 15% Số các bài báo về công nghệ nano trên các tạp chí khoa học xuất bản quốc tế Đánh giá hoạt động nghiên cứu công nghệ nano và nguyên liệu thô cho đổi mới sáng tạo Patent công nghệ nano 15% Số các bằng sáng chế công nghệ nano từ một quốc gia được công bố toàn cầu Chỉ số về số lượng các công nghệ có giá trị và dự định thương mại hóa Các công ty hoạt động 10% Đánh giá định tính về thế mạnh và số các công ty hoạt động trong lĩnh vực công nghệ nano, bao gồm doanh nghiệp lớn, vừa và nhỏ, và mới khởi sự Cho thấy khối lượng hoạt động công nghệ nano thương mại 30 - Thế mạnh phát triển công nghệ, là phép đo năng lực thương mại hóa công nghệ. Yếu tố này đánh giá năng lực của một quốc gia phát triển nền kinh tế thông qua đổi mới sáng tạo công nghệ, không chỉ riêng về công nghệ nano, bằng cách xem xét cường độ công nghệ liên quan của nền kinh tế, được tính theo 6 thông số (bảng 6). Các thông số này thực chất không liên quan đến riêng công nghệ nano, nhưng chỉ tiêu Thế mạnh phát triển công nghệ được xác định theo cách tương quan đến dân số hay GDP của mỗi nước, để sao cho các quốc gia nhỏ không bị bất lợi so với các nước lớn. Bảng 6: Các thông số đánh giá Thế mạnh phát triển công nghệ Hạng mục Điểm số Mô tả Nội dung Chế tạo công nghệ cao hoặc trung cao 20% Tỷ trọng đóng góp GDP từ các sản phẩm công nghệ cao hoặc trung cao Cho thấy hiện trạng phát triển và năng lực của nền kinh tế trong việc khai thác công nghệ cao Chi tiêu NC&PT 25% GERD tính theo tỷ lệ phần trăm GDP từ các nguồn công cộng và tư nhân Cho thấy sự dựa vào các công nghệ mới để tăng trưởng kinh tế Vốn tri thức 15% Số người có bằng tốt nghiệp đại học về khoa học và kỹ thuật Cho thấy năng lực thực hiện các khám phá khoa học và đổi mới sáng tạo Nhân lực KH&CN 20% Số các nhà nghiên cứu bình quân trên tỷ USD GDP Cho thấy năng lực chuyển hóa các khám phá khoa học và đổi mới sáng tạo thành các sản phẩm và dịch vụ thương mại Di cư chuyên gia 10% Tỷ lệ người có trình độ đại học rời khỏi đất nước Đo lường khối lượng tri thức ra khỏi đất nước; một cách gián tiếp cho thấy tính hấp dẫn của nền kinh tế đối với các doanh nhân Cơ sở hạ tầng 10% Phép đo tổng hợp bao gồm: sản lượng điện năng bình quân đầu người (20%), số thuê bao điện thoại di động bình quân đầu người (20%), số máy chủ Internet bình quân (20%), số người sử dụng Internet bình quân (20%), tỷ lệ lát đường (20%) Đánh giá khả năng của cơ sở hạ tầng hiện tại để hỗ trợ cho phát triển công nghệ và thương mại hóa 31 Lux Research đã sử dụng các thông số đo nêu trên để đánh giá được thành tích và tiến độ phát triển của các quốc gia trong giai đoạn 2007 đến 2009, và đã phân nhóm các nước thành bốn nhóm với vị trí xếp hạng theo sơ đồ tại hình 11:  Các quốc gia "nổi trội" được xếp ở góc trên bên phải. Đó là các nước có cả hai chỉ tiêu cao về Hoạt động công nghệ nano và Thế mạnh phát triển công nghệ, cần thết để tiến hành thương mại hóa;  Các quốc gia "tháp ngà" xếp tại góc trên bên trái. Đó là các nước có Hoạt động công nghệ nano cao nhưng lại thiếu khả năng phát triển nền kinh tế dựa vào công nghệ nano do chỉ tiêu Thế mạnh phát triển công nghệ tương đối thấp;  Các quốc gia "phù hợp" nằm ở góc dưới bên phải. Đó là các nước có sự phát triển công nghệ mạnh, điểm số về Thế mạnh công nghệ cao nhưng thiếu quy mô để hỗ trợ cho khả năng cạnh tranh quốc tế về Hoạt động công nghệ nano. Kết quả là các quốc gia này tập trung vào các trung tâm phát triển năng lực trong những lĩnh vực cụ thể như điện tử hay màng phủ.  Các quốc gia xếp hạng "yếu" được xếp ở góc dưới bên trái. Các nước này không đạt các chỉ tiêu cao về cả Hoạt động công nghệ nano và thế mạnh phát triển công nghệ và có năng lực yếu trong việc phát triển và thương mại hóa công nghệ nano toàn cầu. Hình 11: Sơ đồ hiện trạng hệ sinh thái công nghệ nano tại 19 nước/và vùng lãnh thổ. Nguồn: Lux Research, 2012. Thế mạnh phát triển công nghệ 32 Xếp hạng tổng thể quốc tế về công nghệ nano năm 2009 cho thấy một số quốc gia nổi trội như sau:  Hoa Kỳ rơi vào vùng "tháp ngà": Đạt điểm số cao về các thống số đánh giá Hoạt động công nghệ nano, có kết quả cao nhất. Chương trình Xúc tiến công nghệ nano (NNI) của Hoa Kỳ đã được điều phối tốt và được tài trợ mạnh, giúp hỗ trợ hoạt động khởi sự doanh nghiệp và hệ sinh thái nghiên cứu học thuật. Các doanh nghiệp như 3M và IBM, các nhà nghiên cứu và các nhà đầu tư tư nhân đóng một vai trò quan trọng, họ đã đầu tư hàng tỷ đôla cho công nghệ nano và đăng ký hàng nghìn sáng chế trong năm 2009. Tuy nhiên, chỉ số về Thế mạnh phát triển công nghệ của Hoa Kỳ lại dưới mức trung bình (2,8). Nền kinh tế Hoa Kỳ rất đa dạng với các ngành dịch vụ phát triển, và sản lượng chế tạo HMHT (công nghệ cao và trung cao) tương đối thấp, mặc dù các ngành công nghiệp này thuộc loại lớn nhất thế giới nếu tính theo giá trị tuyệt đối. Mẫu hình tương tự đối với chi tiêu NC&PT và nhân lực KH&CN: điểm số khá thấp mặc dù số tuyệt đối lớn. Số nhân lực có trình độ đại học về khoa học và kỹ thuật bình quân đầu người thuộc nhóm thấp nhất, chưa bằng một nửa của Đài Loan, Hàn Quốc, và Singapo, và chưa bằng một phần ba số lượng của Nga, điều này ảnh hưởng đến thế mạnh phát triển công nghệ của Hoa Kỳ trong dài hạn. Mặt khác, tỷ lệ di cư ở số người có trình độ đại học của Hoa Kỳ thuộc loại thấp nhất, điều đó có nghĩa là các sinh viên tốt nghiệp lựa chọn cách ở lại và hầu hết dân di cư trên thế giới đã đến sinh sống tại Hoa Kỳ, bổ sung thêm vào nguồn vốn tri thức của quốc gia này.  Nhật Bản đạt điểm số cao thứ hai về Hoạt động công nghệ nano (4,2). Mặc dù không được điều phối hay được tài trợ mạnh như của Hoa Kỳ, nhưng Nhật Bản có một chương trình chính phủ lành mạnh và hệ thống các trung tâm nghiên cứu hỗ trợ cho công nghệ nano, và khu vực tư nhân định hướng công nghệ của nước này đã giúp lấp đi khoảng cách về tài trợ. Số bằng sáng chế và công bố công trình của Nhật Bản khá lớn, và các tập đoàn khổng lồ như Toray và Sumitomo rất tích cực trong nghiên cứu và thương mại hóa công nghệ nano. Về chỉ tiêu Thế mạnh phát triển công nghệ Nhật Bản bị giảm hơn đôi chút, đạt điểm 4,0 trong năm 2009, nhưng vẫn thuộc loại mạnh nhất thế giới. Chi tiêu NC&PT luôn duy trì ở mức cao cho thấy sự phụ thuộc mạnh vào đổi mới sáng tạo công nghệ để phục vụ tăng trưởng kinh tế, và tầm quan trọng của lĩnh vực chế tạo HMHT (ngành này đóng góp 20% GDP) đã làm vững mạnh thêm mối liên kết này, điều đó cho thấy Nhật Bản là một nơi hấp dẫn đối với thương mại hóa công nghệ nano. Cũng giống như Hoa Kỳ, Nhật Bản có một nguồn nhân lực KH&CN lớn, số tốt nghiệp đại học khoa học và kỹ thuật thấp, và tỷ lệ di cư rất thấp. Điểm số của Nhật Bản giảm đi đôi chút là do sự cải tiến tổng thể về cơ sở hạ tầng của các quốc gia khác, điều đó làm cho vị trí tương đối của Nhật Bản yếu đi.  Trung Quốc đã thay đổi mạnh mẽ, nhưng vẫn còn xa mới đến mức có thể thách thức các vị trí nấc cao. Điểm số về chi tiêu Hoạt động công nghệ nano của Trung Quốc đã tăng từ 2,35 lên 2,5 vào năm 2008 và 2009. Công nghệ nano là một chủ đề 33 luôn được đề cập đến trong nhiều kế hoạch quốc gia, và hai nguồn tài trợ nhà nước và tư nhân đều đã tăng nhanh chóng trong những năm qua, mặc dù thiếu sự điều phối. Chỉ số về độ trễ của đổi mới sáng tạo cao, tồn tại các vấn đề tiềm năng liên quan đến khả năng bảo hộ sáng chế và thực hiện kém hiệu quả các biện pháp khuyến khích các nhà nghiên cứu làm cho điểm số của Trung Quốc thấp. Các công ty công nghệ nano của Trung Quốc thường là các nhà sản xuất vật liệu nano thông dụng (như Shanghai Huzheng Nano Technology Co. hay nhà phát triển Tianjin Tianhezhongxin Chemicals), điều này phù hợp với quan điểm cho rằng nghiên cứu của Trung Quốc tạo ra ít công nghệ độc quyền và có khả năng thương mại. Thế mạnh phát triển công nghệ của Trung Quốc duy trì ở mức đạt được năm 2008, với điểm số 2,7. Tuy nhiên điều đó không có nghĩa là tiến triển đã dừng. Trong giai đoạn từ 2005 đến 2009, số sinh viên tốt nghiệp đại học về khoa học và kỹ thuật đã tăng 50% và việc xây dựng cơ sở hạ tầng được duy trì với tốc độ ngoạn mục. Hơn nữa, động thái di chuyển của cư dân Trung Quốc dường như đã có chiều đảo ngược trong những năm gần đây, nhiều cư dân hải ngoại đã trở về nước và giờ đây các cơ hội này đang phát triển mạnh ở Trung Quốc. Các ngành chế tạo HMHT của Trung Quốc phát triển mạnh, nhưng chi tiêu cho NC&PT vẫn còn thiếu nghiêm trọng, điều này dẫn đến quan điểm cho rằng nền kinh tế Trung Quốc còn bao gồm nhiều sản phẩm mang tính nghiên cứu đảo ngược và bắt chước. Trung Quốc sẽ cần phải gia tăng năng lực NC&PT của mình và thúc đẩy hoạt động đổi mới sáng tạo riêng của mình nếu như họ muốn duy trì chiều hướng đi lên từ sự trì trệ.  Nga thực hiện được cú đẩy lớn, nhưng vẫn thuộc nhóm có thứ hạng yếu. Nga đã cải thiện đôi chút điểm số của mình về Hoạt động công nghệ nano năm 2008 tăng từ 2,45 lên 2,6 năm 2009. Rasnano, tổ chức đầu tư công nghệ nano do nhà nước tài trợ đã được thành lập năm 2007, liên tục được dành những khoản kinh phí lớn để tài trợ cho nghiên cứu và thương mại hóa , trong một nỗ lực đem lại sức sống cho nền kinh tế. Giống như kết quả trực tiếp của sự thành lập Rusnano, Nga tăng khá mạnh nguồn tài trợ chính phủ, thực hiện các xúc tiến công nghệ nano, thành lập các trung tâm NC&PT công nghệ nano và làm tăng số công trình công bố, nhưng sẽ phải mất vài năm để chi tiêu chính phủ bắt đầu tạo ra được tác động đến năng lực của khu vực tư nhân. Nền kinh tế Nga vẫn còn phụ thuộc nặng vào nguồn thu từ dầu mỏ, và đổi mới sáng tạo công nghệ theo truyền thống vẫn chỉ chiếm vị trí thứ yếu. Mặc dù Nga có một đội ngũ dư thừa các nhà nghiên cứu và những người tốt nghiệp đại học về khoa học và kỹ thuật, nhưng dường như tài năng của họ không được sử dụng một cách hiệu quả, dẫn đến tình trạng nhiều người có trình độ giáo dục cao đã rời bỏ đất nước. Kết quả là điểm số của Nga về Thế mạnh phát triển công nghệ vẫn đạt mức thấp, 2,6 điểm năm 2009. 34 Kết luận Trong giai đoạn phát triển thứ nhất của công nghệ nano, có nhiều bài học chiến lược có thể học hỏi như sau:  Cần tiếp tục và chú trọng đầu tư vào lý thuyết, các phương pháp nghiên cứu và hoạt động đổi mới sáng tạo ở phạm vi nano nhằm hiện thực hóa việc thiết kế các vật liệuvà hệ thống nano tạo ra các sản phẩm mới có tính cách mạng, bởi vì công nghệ nano vẫn còn đang ở giai đoạn hình thành. Các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng có vai trò quan trọng đối với các quy trình thiết kế và chế tạo ở phạm vi nano.  Tiềm năng của công nghệ nano hỗ trợ phát triển bền vững các nguồn tài nguyên như nước, năng lượng, khoáng sản và các nguồn khác còn cao hơn so với những kết quả đã hiện thực hóa trong 10 năm qua, vì vậy gia tăng chú trọng vào NC&PT là cần thiết.  Công nghệ nano EHS (công nghệ nano liên quan đến môi trường, y tế và an toàn) cần được thúc đẩy phát triển như một bộ phận tích hợp của chương trình nghiên cứu chung về lý-hóa-sinh và cần được coi như một điều kiện ứng dụng công nghệ mới. Kiến thức là cần thiết không chỉ đối với thế hệ cấu trúc và hệ thống nano thứ nhất mà cả với các thế hệ mới nữa.  Bên cạnh các lĩnh vực mới nổi, các ngành công nghiệp truyền thống cũng có thể mang lại các cơ hội ứng dụng quy mô lớn của công nghệ nano trong các lĩnh vực như chế biến khoáng sản, chất dẻo, gỗ và giấy, dệt, nông nghiệp và các hệ thống thực phẩm.  Sự tham gia nhiều thành phần và của nhà nước trong phát triển công nghệ nano là điều thiết yếu nhằm giải quyết tốt hơn các vấn đề xã hội; cần gia tăng các nỗ lực trong lĩnh vực này.  Hợp tác công - tư là cần thiết để mở rộng nghiên cứu và giáo dục. Công nghệ nano vẫn còn ở giai đoạn phát triển ban đầu, các kiến thức cơ bản và các công cụ vẫn còn ở giai đoạn của những ý tưởng và đổi mới sáng tạo. Các chủ đề nghiên cứu then chốt đang được thúc đẩy bằng khám phá mở trong thập kỷ qua. Trong thập kỷ tới, NC&PT công nghệ nano có khả năng sẽ chuyển hướng sự chú trọng đến sự điều tiết theo các nhu cầu kinh tế xã hội, với những hệ quả quan trọng liên quan đến các chính sách khoa học, đầu tư và pháp lý. Cũng như vậy, đầu tư NC&PT sẽ ngày càng chú trọng vào các hệ thống khoa học và kỹ thuật, với các cấu trúc phức tạp và lớn, và có mối liên quan xã hội. Điều quan trọng trong thập kỷ tới là cần chú trọng vào bốn khía cạnh tiến bộ quan trọng về công nghệ nano gồm: (1) Bằng cách nào khoa học và kỹ thuật nano có thể nâng cao sự hiểu biết về bản chất, bảo vệ sự sống, tạo ra các khám phá và đổi mới mang tính đột phá, dự đoán hành vi của vật chất, chế tạo các vật liệu và hệ thống bằng thiết kế ở phạm vi nano - tiến bộ về kiến thức; (2) Bằng cách nào công nghệ nano có thể tạo ra giá trị về kinh tế và y học - tiến bộ về vật chất; (3) Bằng cách nào công nghệ nano có thể thúc đẩy sự an toàn trong xã hội, phát triển bền vững và hợp tác quốc tế - tiến bộ toàn cầu; (4) Sự điều hành công nghệ nano theo cách có trách nhiệm như thế nào để có thể nâng cao chất lượng cuộc sống và công bằng xã hội - tiến bộ về đạo đức. 35 PHỤ LỤC: Những thành tựu chủ yếu về công nghệ nano từ năm 2000 và mục tiêu đến 2020 NC&PT CNNN thập kỷ qua có thể được mô tả bằng phát triển các kiến thức nền tảng (như plasmonics) các tiếp cận phát triển hay tích hợp (ví dụ như tích hợp điện tử nano và điện tử quang học) và các tiếp cận có tính chất cách mạng (như dẫn thuốc nhờ CNNN dùng Abraxane) và những tiếp cận này ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào. Phụ lục dưới đây giúp minh họa các cách thức mà các thành tựu tương trong lai có thể đạt được dựa trên các thành tựu trong quá khứ. Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 Lý thuyết, mô hình, mô phỏng Khám phá các hiện tượng, tính chất và quá trình cơ học, quang học, điện tử học từ tính và sinh học ở cấp nano Các lý thuyết mới về sự phức tạp của các hiện tượng và tích hợp hệ thống xảy ra đồng thời ở cấp nano sẽ đẩy nhanh sự khám phá Các hiệu ứng lượng tử được xác định và đo lường trong hàng loạt cấu trúc nano, như các chấm lượng tử, ống nano và dây nano Các khung cấu trúc điện tử trong trạng thái kích thích gồm các hiệu ứng tương quan điện tử với 10.000 nguyên tử (và động lực cặp ion-điện tử thực tế đối với 1000 nguyên tử). Tiến bộ 100x này sẽ mở cánh cửa cho hiểu biết mới ở cấp điện tử và có tiềm năng để đánh giá thông lượng cao các vật liệu nano mới cho quang hợp nhân tạo và các ứng dụng khác, chủ yếu là truyền năng lượng Xác định và viễn di thông tin giữa 2 nguyên tử, có thể thực hiện tính toán lượng tử Viễn di có kiểm soát các thông tin giữa 2 nguyên tử trong các hệ thống cấp nano. Các tiến bộ trong mô phỏng cấp nguyên tử và hạt nano Ab initio, các khung cấu trúc điện tử ở trạng thái kích thích với xử lý thực tế các hiệu ứng tương quan điện tử Các mô phỏng động lực phân tử (MD) với liên kết hóa học Tự lắp ráp các hạt nano chức năng hóa Các tiến bộ trong mô phỏng đa cấp bằng cách kết hợp lý thuyết cấu trúc điện tử với các phương pháp MD Tăng năng lực tính toán lên 10.000 lần để có thể thực hiện: - mô phỏng ab initio (tiên nghiệm) Hartree- Foch đầy đủ các chấm lượng tử - mô phỏng quá trình tự lắp ráp của các vật liệu được lập trình - tự động tạo ra trường lực và các trường lực phản ứng cho các mô phỏng MD các vật liệu - lập mô hình đa cấp toàn bộ cho các pin mặt trời tiếp đôi và các thiết bị phát sáng 36 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 Lập mô hình một số polyme gia cường hạt nano Lý thuyết về plasmon trong các hạt nano kim loại và plasmon tăng cường ở các quá trình trong các hệ thống bán dẫn và phân tử Kiểm soát và sử dụng plasmonic trong các hệ thống nano Phát triển hiểu biết về các giao diện giữa các vật liệu sinh học và vô sinh, tự nhiên và nhân tạo và các hệ thông nano ở cấp nano Tiếp cận dự kiến khả năng tương thích và lắp ráp các vật liệu sinh học và vô sinh Các lý thuyết thống kê vật liệu và thiết bị cấu trúc nano phức tạp Các tiếp cận chung trong mô phỏng đa cấp/đa hiện tượng cho thiết kế tính toán các vật liệu, thiết bị cấp nano và các hệ thống nano tích hợp từ các nguyên lý cơ bản sử dụng các mô hình và lý thuyết mới. Những mô phỏng sẽ tập trung vào các quá trình như tự lắp ráp, xúc tác, và động lực của các hệ thống phức tạp. Gói phần mềm cho phép mô phỏng nhanh các tính chất quang học của các cấu trúc nano và các mô phỏng cấp nguyên tử các bóng bán dẫn nano Mô phỏng vận chuyển lượng tử/dòng điện ở cấp phân tử trong các thiết bị hoạt động như bóng bán dẫn nano Đo lường , dụng cụ và tiêu chuẩn Quan sát ở femto giây các tương tác cấp nano (di chuyển của nguyên tử) trong các quá trình hóa học Dò được điện tích đơn, spin đơn, kích thích spin và các rung động liên kết ở cấp nguyên tử Mô phỏng với độ phân giải nguyên tử, ảnh 3 chiều với các đặc điểm hóa học và phân giải thời gian của các hiện tượng cấp nano. Các công cụ cho đo lường và tái cấu trúc vật chất với độ chính xác ở cấp nguyên tử, cho phân giải thời gian các phản ứng hóa học, và cho các phạm vi kỹ thuật và sinh học liên quan. Theo dõi 3D ở cấp đơn phân tử các động cơ protein, enzym, liposome và các cấu trúc nano sinh học khác. Chụp ảnh 3D cấu trúc bên trong với đặc tính hóa học ở độ phân giải nguyên tử các protein đơn lẻ Định mẫu thường xuyên trên các bề mặt được nâng quy mô để có thể ứng dụng được Phát triển công cụ tại chỗ để kiểm soát quá trình sản xuất nano Phát triển công cụ dễ sử dụng cho người không có chuyên môn vá các ứng dụng trong giảng dạy 37 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 Tổng hợp, lắp ráp và chế tạo Tạo ra trong phòng thí nghiệm một thư viện các thành phẩn nano như các hạt, ống, tấm và các cấu trúc 3D Phát triển thư viện các cấu trúc nano (hạt, dây, ống, tấm, các lắp ráp khối) của các hỗn hợp khác nhau với số lượng ở quy mô công nghiệp Tạo được các cấu trúc nano tự lắp ráp tương đối đơn giản Hiểu biết căn bản các quá trình tự lắp ráp hay lắp ráp có kiểm soát các nguyên tử hay phân tử thành các cấu trúc nano và hệ thống nano lớn, bền vững và phân cấp. Hiểu rõ hơn vai trò có mặt của vật liệu xúc tác hay cấu trúc định hướng Các khái niệm mới về lắp ráp 3D có thể lập trình (dùng các tương tác tĩnh điện, hóa học và sinh học) đã được kiểm tra trong phòng thí nghiệm. Đã thiết kế được các phân tử polyme mới cho các mục đích tự lắp ráp và các vật liệu polyme phân cấp Lắp ráp theo định hướng sử dụng các khối đồng polyme, như dùng grapheo epitaxy để chứa dữ liệu Tạo các cấu trúc nano hướng-sinh học trong các điều kiện phòng thí nghiệm (xem chương 3) Các máy phân tử đầu tiên được chế tạo theo thiết kế Tiếp cập hệ thống để thiết kế và chế tạo các cấu trúc và thiết bị 3 chiều lắp ráp theo định hướng, phân cấp có thể điều chỉnh quy mô; lắp ráp có thể lập trình Sử dụng cả các quá trình cân bằng và phi cân bằng trong các thiết bị và hệ thống Mở rộng các quy trình cấp nano thân thiện môi trường Chế tạo các sản phẩm nano thay thế các vật liệu độc hại hay kém hiệu quả và các sản phẩm hiện nay Sử dụng hạ tầng hiện nay như in lito và các phương tiện in con lăn (roll-to-roll) để tạo ra các phương pháp chế tạo nano mới Khám phá graphen (2004), các tính chất độc đáo của nó, và sự chuyển động nhanh chóng hướng tới sản xuất quy mô lớn của nó Chứng minh graphen là vật liệu có thể phát triển hay điện cực trong suốt và các quy trình cán con lăn diện tích lớn dùng cho sản xuất Chứng minh graphen là vật liệu dẫn điện, và giới thiệu các quy trình sản xuất tấm lớn để thay thế indium Các ngành vật lý mới (photon và hành vi eletron, các dụng cụ lắp ráp) dẫn đến các ứng dụng mới (transito graphen nhanh hơn, trong suốt 98%, liên kết với các hệ thống nano, cảm biến, các vật liệu composit) Sản xuất bền vững các vật liệu nano cacbon tích hợp vào hàng loạt sản phẩm điện tử trên diện rộng Dùng graphen làm cơ sở cho thế hệ các thiết bị phẳng 2 chiều mới bổ sung hay thay thế silic Sản xuất các ống nano cacbon tách đối Chế tạo các mẫu ống nano cacbon thuần 38 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 xứng khiết để loại bỏ yêu cầu chọn lọc sau chế tạo Khám phá ra siêu vật liệu (metamaterial), các tính chất độc đáo của nó, và chuyển động nhanh chóng hướng tới sản xuất quy mô lớn Phát triển các phương pháp chế tạo các vật liệu nano Thương mại hóa các phương pháp mới cho in phân tử và dựa vào vật liệu ở cấp nano dựa trên các hệ thống quét thăm dò (như bút nhúng, bút polyme và in đồng polyme khối, v.v..) Kỹ thuật in tiếp xúc dựa trên các chất đàn hồi mềm đã trở thành các công cụ nghiên cứu được sử dụng rộng rãi Thương mại hóa các kỹ thuật dựa vào ánh sáng độ phân giải cao như in lito vết nano, bắt đầu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn Phát triển nhà máy để bàn, như máy in để bàn, cho phép các nhà nghiên cứu nhanh chóng tạo mẫu các thiết bị thực tế với giá rẻ mà không cần phòng sạch. Kỹ thuật in phân tử cho phép định vị phân tử đơn protein lên bề mặt và kiểm soát các quá trình kích thích bề mặt quan trọng như biệt hóa tế bào gốc (ở quy mô lớn) Tạo bộ công cụ chế tạo đầy đủ và các quy tắc thiết kế để tích hợp bằng kỹ thuật in lito vết nano Kỹ thuật vết nano thay thế in lito trong một số ứng dụng phân giải cao. Chế tạo màn hình video bằng công nghệ nano Sự dụng rộng rãi của màn hình mềm dẻo, lớn và kinh tế Các nguyên lý và thiết bị đo lường mới cho cảm biến dùng các cấu trúc và hiện tượng cấp nano Phát triển cảm biến cấp nano có thể theo dõi quy trình, giám sát sức khỏe, định chuẩn và theo dõi môi trường Công nghệ nano trong các vấn đề môi trường, sức khỏe và an toàn Phát triển khái niệm cho rằng các tính chất độc đáo của các vật liệu nano được chế tạo cho phép tương tác trên phạm vi lớn với các phân tử sinh học và các quá trình sinh học có thể tạo cơ sở độc hại của vật liệu nano cũng như là cơ sở cho các lựa chọn chẩn đoán và điều trị mới Hiểu biết thêm về tương tác nano-sinh học thông qua sự phát triển các dụng cụ cải tiến, các phương pháp luận thông lượng nhanh và in silico dẫn đến những hiểu biết sâu hơn về các tương tác sinh-lý-hóa cần thiết cho kiểm soát độc hại, đánh giá rủi ro, và thiết kế vật liệu nano an toàn và chẩn đoán và chữa bệnh cải tiến Chứng minh rằng việc sử dụng các quá trình gây tổn thương độc tính ở cấp tế bào đóng góp cơ sở khoa học mạnh mẽ để tạo ra Sử dụng các quá trình gây tổn thương độc tính làm cơ sở cho xét nghiệm thông lượng cao, có thể kiểm tra, phân loại độc hại khối 39 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 các kiến thức về các tính chất độc hại tiềm tàng của các vật liệu nano. Chứng minh rằng việc sản xuất cơ bản ô-xy là cơ chế tổn thương độc tính là kết quả của sự phát triển quá trình phản ứng ức chế o-xy hóa phân cấp là nền tảng để xếp hạng độc hại của các vật liệu nano được chế tạo sinh ra cấc loại o-xy phản ứng sinh học và phi sinh học lượng lớn và xếp ưu tiên các thông tin này cho thí nghiệm trên động vật có mục đích và có giới hạn. Mặc dù thí nghiệm trên động vật vẫn cần để đánh giá phỏng đoán của các phương pháp xét nghiệm in vitro, các kiến thức bổ sung được tạo ra theo các quy trình in vitro thông minh có thể dẫn tới giảm thiểu thí nghiệm trên động vật kéo theo các chi phí. Hiểu được tầm quan trọng của các phương pháp được xác nhận và được chấp nhận rộng rãi để kiểm tra in vitro và in vivo các tính độc hại của vật liệu nano cho phép các nhà khoa học phát triển cơ sở đánh giá rủi ro song song với sự phát triển của công nghệ nano Phát triển các phương pháp kiểm tra độc tính dự đoán cho phép cân bằng giữa kiểm tra in vitro và in vivo có thể được thực hiện bằng công nghệ thông lượng cao và các công cụ ra quyết định in silico đẩy nhanh tốc độ sản sinh kiến thức Phát triển các phương pháp thí nghiệm và dự đoán cho tiếp xúc và độc tính đối với các hợp chất cấu trúc nano theo nhiều cách khác nhau Hình thành những hợp tác đối tác công-tư thúc đẩy hiệu quả nhận thức về CNNN đối với môi trường, sức khỏe và an toàn cũng như các chiến lược giảm rủi ro, ví dụ như DuPont và Khung rủi ro nano bảo vệ môi trường (2007) Sự tham gia tích cực của khu vực công nghiệp vào CNNN đối với môi trường, sức khỏe và an toàn, gồm đánh giá rủi ro và độc hại, phân tích vòng đời, công bố thông tin về sản phẩm không an toàn, và triển khai các chiến lược thiết kế an toàn Các nỗ lực tình nguyện của các nhà khoa học quốc tế hàng đầu để phát triển các quy tắc hài hòa có thể được xác nhận bằng kiểm tra round-robin, ví dụ Liên minh Hài hòa Nano Quốc tế Các tiêu chuẩn được chấp nhận quốc tế cho đánh giá sự độc hại của vật liệu nano và các chiến lược đánh giá rủi ro cho vòng đời sản phẩm. Triển khai các thí dụ đầu tiên của các bài viết kiểm tra thông lượng cao cho đánh giá sự độc hại của hạt nano Thể hiện rằng các độc hại cấp nano tiềm tàng cần phải được đánh giá theo chức năng kích thước hạt, và các hạt nano không có nghĩa là nguy hiểm Phát triển như một phần tích hợp trong chương trình mới tin học-nano và các công cụ ra quyết định in silico có thể giúp lập mô hình và dự đoán vật liệu nano độc hại, đánh giá rủi ro, và thiết kế an toàn các vật liệu nano 40 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 Công nghệ nano cho phát triển bền vững: môi trường, khí hậu và tài nguyên Cảnh báo những tác động phụ thuộc lẫn nhau trên toàn hệ sinh thái hoạt động của con người trên Trái đất và tiềm năng của CNNN cung cấp một số giải pháp Phát triển sự tiếp cận có điều phối để sử dụng đổi mới trong CNNN cho các giải pháp đột phá trong phát triển bền vững Tổng hợp các sợi nano polyme và vô cơ trên phạm vi rộng cho tách lọc môi trường (phin lọc, màng lọc) và xúc tác Sự xuất hiện của điện tử spin như một kỹ thuật đa năng để tổng hợp các sợi nano polyme, vô cơ và ghép polyme-vô cơ Các hệ thống xúc tác quang và phân tách chạy bằng năng lượng mặt trời (như các màng xốp nano bắt chước kênh ion) tách nước sạch, năng lượng và các thành phần giá trị (như dinh dưỡng và khoáng chất) từ nước không sạch như nước thải, nước lợ và nước biển, với tỷ lệ thu hồi nước đạt 99%. Phát triển các màng nanocomposit (như màng thẩm thấu ngược nanocomposit zeolite và màng dây nano siêu kỵ nước), các vật liệu hấp thu nano (như các hạt nano oxit sắt từ) và các hạt nano ô-xy hóa khử (như các hạt nano sắt không hóa trị) để lọc nước, dọn sạch dầu tràn, và phục hồi môi trường Tích hợp các sợi nano và hạt nano chức năng hóa thành các hệ thống để phát triển các hệ thống tách và xúc tác nhằm: - giảm ô nhiễm - phục hồi môi trường - sản xuất xanh Các đề xuất các phương pháp thu hồi cacbon dùng CNNN Khám phá các vật liệu cấu trúc nano có độ xốp cao như các khung hữu cơ kim loại (MOF), khung hữu cơ cộng hóa trị (COF), và khung zeolit imidazolate (ZIF) để chứa hydro và cô lập cacbon Thu cacbon và nito bằng các cấu trúc nano và tái sử dụng ở quy mô công nghiệp Áp dụng các hệ thống màng tách/hấp thụ đa chức năng với MOF, COF và ZIF có thể tách Co2 một cách chọn lọc và chuyển hóa thành các phụ phẩm hữu ích Các đề xuất khái niệm và thí nghiệm địa kỹ thuật sử dụng các hạt nano từ hay sulfate ở khí quyển tầng cao để phản chiếu ánh nắng Phát triển các dự án quốc tế về địa kỹ thuật với sự kiểm soát hiệu ứng làm nguội Trái đất và với khía cạnh đa dạng sinh học và an toàn môi trường Các phương pháp sử dụng hiệu quả nguyên liệu thô bằng CNNN đã được nghiên cứu Phát triển các hệ thống tách hiệu quả hơn và phù hợp với môi trường để thu hồi các khoáng chất quan trọng như các nguyên tố đất hiếm (REE) từ những chất thải mỏ và nước thải từ những nhà máy xử lý và luyện kim/khoáng chất. Phát triển các chất thay thế REE không độc, chi phí hiệu quả và 41 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 giảm dần, dẫn tới loại bỏ sự phát thải các chất ô nhiễm độc hại vào đất, nước và không khí Công nghệ nano cho phát triển bền vững: Năng lượng Tiến bộ nhanh chóng về hiệu quả và khả năng nâng quy mô sử dụng CNNN cho chuyển đổi năng lượng mặt trời Sử dụng đại trà và kinh tế CNNN cho chuyển đổi năng lượng mặt trời vào 2005- 2006 ở Hoa Kỳ Các công thức mới xử lý bằng dung dịch của các bán dẫn vô cơ cho quang điện giá rẻ, tấm lớn Tăng hiệu quả modul và giảm giá thành sản xuất và lắp đặt để có quy trình hướng tới hệ thống điện mặt trời giá thành 1USD/ tấm 1 W (Wp) Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các pin mặt trời hữu cơ cấu trúc nano tăng gần 800% từ năm 2000 Sử dụng các hạt nano và chấm lượng tử trong các chiến lược khuếch đại vật tải và thu gom vật tải nóng (hot-carrier) để vượt qua giới hạn hiệu suất Shockley-Queisser 31% ở các thiết bị quang điện màng mỏng Nâng cao hiệu suất của quang điện hữu cơ từ dưới 2% lên trên 8% thông qua tách pha cấp nano và kỹ thuật nano của cấu trúc thiết bị Nâng cao tuổi thọ của quang điện hữu cơ bằng công nghệ nano Thay thế silic tinh thể bằng các vật liệu khác rẻ và có nhiều trên trái đất, như disunfit sắt, dùng cho quang điện Tăng mật độ năng lượng của pin ion liti lên trên 50%, cho phép các xe ô-tô điện lai hoạt động thực tế Các pin chế tạo bằng CNNN dùng cho ô-tô điện hoạt động trên khoảng cách lớn Khung hữu cơ kim loại (MOF) quy mô công nghiệp đầu tiên được công ty BASF tổng hợp năm 2010 để chứa hydro (nâng quy mô và triển khai MOF để chứa khí (H2 và CH4) Tăng hiệu suất các thiết bị quang điện đơn chất lên trên 31% thông qua kích nhân vật tải (Multi-exciton generation - MEG), thu hồi vật tải nóng, hay các hiện tượng mới khác để vượt qua giới hạn nhiệt động học Bức xạ ánh sáng lục và các khám phá cơ bản khác cho phép chiếu sáng trạng thái rắn Tăng hiệu suất phát sáng trạng thái rắn lên trên 50% thông quan cường độ trường (plasmonics) tăng cường nano và tỷ lệ bức xạ và khả năng ghép cặp đôi trường Các hệ thống nano và y học nano 42 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 Phát triển các phương pháp chẩn đoán nhạy tới cấp picomole và attomole và cho phép đa phân tích đồng thời bằng các phương pháp phòng thí nghiệm trên chip Chẩn đoán y tế chính xác (point of care- POC): tăng nhiều cấp đối với độ nhạy, khả năng chọn lọc, và các khả năng đa nhiệm với giá rẻ cho phép chẩn đoán và điều trị chính xác theo từng trường hợp, những khả năng này sẽ cho phép bác sỹ phát hiện và chữa trị bệnh - trong một số trường hợp sẽ sớm hơn nhiều năm so với các công cụ thông thường. Các công cụ chẩn đoán nano sẽ trở thành nền tảng của y học lâm sàng vào năm 2020, tạo ra sự chuyển dịch từ phòng thí nghiệm đến bệnh viện và dần dần sẽ tới từng nhà Chẩn đoán sinh học; chụp ảnh tế bào sống bình thường với khả năng xác định và định lượng các thành phần chính của tế bào (các axit nhân, phân tử nhỏ và ion sắt) cho phép tạo ra các phương pháp mới trong nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị một số bệnh gây suy yếu mạnh nhất (ung thư, tim mạch và alzheimer). Những chẩn đoán không can thiệp dựa trên phát hiện cấp nano đối với hơi thở và nước bọt Abraxane, liệu pháp nano chứng tỏ hiệu quả đối với chữa trị ung thư vú được FDA phê chuẩn và trở thành sản phẩm dược giá trị nhiều tỷ đôla; nó bao gồm các hệ thống dẫn thuốc bằng hạt nano, gồm các hạt cầu mỡ, polyme và albumin. Liệu pháp nano: Vượt qua nhiều thách thức như dược động học, phân tán sinh học, nhắm mục tiêu và xâm nhập mô v.v.. để hỗ trợ sự áp dụng đại trà của các ngành công nghiệp liệu pháp nano Tối thiểu 50% tất cả các loại thuốc dùng trong năm 2020 sẽ được hỗ trợ bởi CNNN; nhiều thuốc trong đó sẽ dùng điều trị các bệnh như u nguyên bào đệm, ung thư tụy, và ung thư tử cung, những bệnh khó đoán sớm bằng các liệu pháp hiện nay Sử dụng rộng rãi các vật liệu nano trong cộng đồng dược phẩm để tăng hiệu quả của hóa học trị liệu đồng thời hạn chế các tác dụng phụ độc hại Trên 50 công ty dược phẩm của Hoa Kỳ có 50% thuốc ung thư tụy và ung thư tử cung 43 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 các giải pháp dựa trên CNNN để điều trị ung thư trong thử nghiệm lâm sàng (science 10/2010) sẽ được sản xuất bằng CNNN Sử dụng các sợi polyme nhạy nhiệt để bọc các đĩa nuôi cấy tế bào dùng cho các mục đích sửa tấm tế bào và chứng tỏ rằng công nghệ này có thể sử dụng để chữa cơ tim, giác mạc hay thực quản bị tổn thương Dùng các cấu trúc nano và tạo hình tổng hợp để sửa mô, gồm liệu pháp tế bào gốc, tạo cơ quan nội tạng mới (như nguyên quả tim hay bàng quang) và tái tạo tủy sống Sử dụng đại trà vào năm 2020 việc tạo mô bằng CNNN để chữa hư hại tim (ở các nạn nhân nhồi máu cơ tim) Phát triển có kiểm soát các phân tử để thúc đẩy sửa chữa và tái sinh mô tại chỗ Tế bào gốc: sử dụng sinh học nano và y học hano hỗ trợ cho tìm hiểu và kiểm soát sự biệt hóa tế bào gốc và đưa các tế bào gốc vào ứng dụng y tế đại trà; những tiến bộ này sẽ được sự hỗ trợ bởi các tiến bộ trong chẩn đoán, sửa gen trong tế bào và công cụ xác định hình mẫu phân giải cao Có thể sử dụng các hệ thống dẫn hạt nano đa chức năng để dẫn thuốc và siRNA (ARN can thiệp kích thước nhỏ), cũng như kết hợp cả hai; nền tảng đa chức năng có thể được hỗ trợ thêm bằng các van nano có kiểm soát, sự phối tử bề mặt bám vào mô ung thư hay sử dụng các thể thức hình ảnh Sử dụng rộng rãi vào năm 2020 các liệu pháp dựa trên tế bào gốc dùng CNNN để làm tái sinh tủy sống Thành tựu trong kiểm soát sinh học tổng hợp cấp nano Sử dụng sinh học tổng hợp trong y học tái sinh, công nghệ sinh học, dược phẩm và các ứng dụng trong năng lượng. Tác động kinh tế: chuyển dịch nhiều vật liệu nano sinh học trong lĩnh vực y tế với quy mô thị trường cho các tiến bộ y học nano tăng lên tới 200 tỷ USD vào năm 2020, theo các ước tính khác nhau, và giảm đáng kể chi phí chăm sóc sức khỏe Điện tử học nano và từ tính học nano Khám phá hiệu ứng spin lượng tử Hall và chứng minh momen chuyển spin, cho phép Khám phá các vật liệu điện-từ/đa sắt sẽ cho phép kiểm soát vùng từ tính và spin bằng 44 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 kiểm soát trực tiếp spin điện tử và các cung từ tính bằng dòng điện điện áp thay cho dòng điện Khám phá ra hành vi tập thể ở nhiệt độ thường của các vật tải ở các vật liệu mới như graphen hay vật liệu cách ly topo cho phép tạo ra các thiết bị điện nano tiêu thụ năng lượng thấp Các thí nghiệm đầu tiên về tính toán lượng tử sử dụng một số lượng nhỏ các bit lượng tử Hiện thực hóa máy tính lượng tử đặc dụng Định luật Moore vẫn tiếp tục được tuân thủ Đưa quy mô CMOS đến kích thước 30 nm, gồm cổng cách ly xấp xỉ 1nm, với mức chính xác đơn lớp trên tấm nền 300nm Đạt được kiểm soát 3D ở cấp gần nguyên tử cho các vật liệu kích thước nhỏ cho phép tạo ra hành vi điện tử nano và từ tính nano, Kết hợp kỹ thuật in lito và tự lắp ráp đối với các cấu trúc nửa tùy ý với mức chính xác 1 nm Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ nhớ không bay hơi MRAM đầu tiên Hạ mật độ dòng chuyển mạch và giảm tỷ lệ lỗi do giao động nhiệt trong quá trình đảo từ tính hóa trong MRAM Đạt được các cấu trúc hiệu quả về giá thành cho bộ nhớ và logic tích hợp dùng MRAM Làm sáng tỏ các tính chất nhiệt, quang và điện tử của các ống nano cacbon và graphen, hình thành một lớp vật liệu điện tử mới: điện tử cacbon Khám phá ra thiết bị logic mới có thể chuyển mạch với năng lượng ở cấp độ vài kT, có tiếm năng sử dụng trạng thái thay thế có thể thay đổi cho thể hiện thông tin Khám phá các tuổi thọ spin rất dài ở các tâm trống ni-tơ trong kim cương; trạng thái lượng tử của các tâm này có thể được tạo ra, điều khiển và đo lường với độ chính xác cao ở nhiệt độ thường Phát triển bộ chuyển tiếp (repeater) lượng tử cho liên lạc lượng tử cự ly dài gồm viễn di các bit lượng tử Quang tử học (Photonics) nano và plasmonics Tạo được ánh sáng di chuyển chậm trong các cấu trúc quang tử nano trạng thái rắn; cho phép có các ứng dụng và hệ thống thông tin chưa từng có trước đây đối với các hệ thống quang tử, như làm chậm và lưu trữ các tín hiệu quang học Lưu giữ ánh sáng trong thời gian miligiây hoặc lâu hơn; mặc dù ánh sáng "chậm" đã được trình diễn nhưng vẫn chưa giữ lại được ánh sáng; điều này có thể đạt được thông qua các cấu trúc cộng hưởng tổn hao cực thấp và Q cực cao Nhiều tiến bộ nhanh trong lĩnh vực plasmonics, và những đổi mới đi liền với Sử dụng bức xạ và thăm dò plasmonic nâng cao để đạt được sự hấp thụ và bức xạ ánh 45 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 plasmonics, như chụp ảnh quang học độ phân giải cực cao sáng có kiểm soát từ các đơn phân tử Lần đầu tiên trình diễn các siêu vật liệu (metamaterial) (vật liệu có chỉ số khúc xạ âm) ở các ánh sáng khả kiến và cận hồng ngoại Tạo ra "siêu thấu kính" cho chụp ảnh và "phủ" (cloaking) phân giải siêu cao ở nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau (thay đổi mẫu quang học) Hiện thực các laser ở ngưỡng siêu chậm, ở các ngưỡng vài chục nanoWatt Đạt được các laser "vô ngưỡng", tại đó hiệu quả truyền năng lượng lớn tới mức laser có thể được kích hoạt với đầu vào cực nhỏ để thu được năng lượng đặc biệt cao Các xúc tác cấu trúc nano Khả năng ban đầu xác định đặc tính một số quá trình xúc tác trong "trạng thái hoạt động" Chụp được ảnh (snapshot) đầy đủ một quá trình xúc tác nhiều bước Kiểm soát kích cỡ, cẫu trúc và mặt tinh thể của chất xúc tác cỡ nano Đảm bảo cường độ và độ bền của các xúc tác cỡ nano Đã trình diễn khả năng theo dõi sự kiện xúc tác đơn lẻ. Mục tiêu chung: kiểm soát chính xác hỗn hợp và cấu trúc của các chất xúc tác về cỡ kích thước dài từ 1nm đến 1 micromet, cho phép kiểm soát hiệu quả các quá trình phản ứng Các xúc tác cấu trúc nano được đưa vào sản xuất sau năm 2000 chiếm 30-40% tổng số chất xúc tác toàn cầu Các chất xúc tác cấu trúc nano mới chiếm ít nhất 50% thị trường toàn cầu vào năm 2020 Các vấn đề nổi bật của vật liệu nano Hình thành các chiến lược tổng hợp và phân tách để sản xuất các vật liệu nano đơn phân tán, như các ống nano cacbon phân tách đối xứng bàn tay Phát triển thư viện hoàn chỉnh các vật liệu nano đơn phân tán với số lượng ở quy mô công nghiệp Tạo được các lớp phủ/nano composit số lượng lớn với các tính chất độc đáo và dự đoán được dựa trên các khối kiến thiết cấp nano đơn phân tán (như các cuộn cảm ứng trong suốt bằng ống nano và graphen) Tạo được các vật liệu cấu trúc nano phân cấp có khả năng điều chỉnh độc lập các đặc tính đi kèm từ trước (tách riêng các đặc tính điện và quang cho quang điện, tách riêng các đặc tính điện và nhiệt cho nhiệt điện) Phát triển các kim loại từ tinh thể micro đến tinh thể nano, polyme micro composit thành nano composit, và các lớp phủ hạt từ cấp micro thành cấp nano Các lớp phủ nanocomposit với các tính chất cải thiện về cơ học, nhiệt, hóa học, điện, từ tính và quang học so với các lớp phủ tiên tiến nhất hiện nay 46 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 Chế tạo các vật liệu dẫn điện cao hơn và nhẹ hơn cho máy bay, vệ tinh và dây dẫn trên tàu vũ trụ Chế tạo được các nanocomposit cho các thành phần kết cấu, nhờ đó cho phép giảm 40% trọng lượng trong các thiết kế máy bay với tính năng hoạt động về cơ bản tốt hơn Chế tạo các thiết bị và hệ thống chất lỏng nano Tạo được các hệ thống chất lỏng nano có thể nâng quy mô để xử lý trong công nghệ sinh học, dược phẩm, và kỹ thuật hóa chất Đưa sợi gỗ xenlulo vào các vật liệu nano composit Sử dụng đại trà trong CNNN các vật liệu tái tạo và có nhiều trên trái đất Hạ tầng phương tiện nghiên cứu Mở rộng nhanh chóng các trung tâm sử dụng khoa học nano liên ngành, gồm các cơ sở quy mô lớn, làm đầu tàu cho khám phá khoa học và kỹ thuật liên ngành Mở rộng phạm vi năng lực các trung tâm liên ngành và mở rộng sự phân bố địa lý cho sự tiếp cận rộng rãi hơn Thành lập trên 150 trung tâm nghiên cứu liên ngành và các cơ s sử dụng ở Hoa Kỳ và nhiều nước khác trên thế giới, cung cấp sự tiếp cận rộng rãi vào các cơ sở chế tạo và mô tả đặc tính Đạt được việc sử dụng rộng rãi việc kiểm soát từ xa dựa vào mạng đối với các dụng cụ và hỗ trợ kỹ thuật ở các cơ sở nghiên cứu để có thể giảm yêu cầu đi lại và tăng sự tiếp cận của sinh viên Hạ tầng đào tạo CNNN đã bắt đầu nuôi dưỡng các hướng tầm nhìn liên ngành trong khoa học và kỹ thuật ở tất cả các cấp giáo dục khoa học kỹ thuật và toán học Giáo dục khoa học và kỹ thuật cấp nano gắn liền với tiêu chuẩn và chương trình học chuẩn quốc tế ở tất cả các cấp giáo dục, đặc biệt chương trình phổ thông nâng cao NanoHub, NISE và Cổng Giáo dục Nano NACK của NCLT cung cấp truy cập web tới các nguồn lực khoa học và kỹ thuật cấp nano Thành lập mạng các địa điểm trung tâm vùng - "Mạng Trung tâm Đào tạo CNNN" - với hạ tầng chắc chắn Xuất bản trên 50 sách giáo khoa cho các khoa học KHKT cấp nano bậc đại học cho các văn bằng KHKT cấp nano ngành phụ (và một số ngành chính) và/hay chứng chỉ Chuyển giáo dục về KHKT cấp nano từ chỗ bổ sung cho các môn truyền thống thành chuyên ngành riêng, tức là các tổ chức, văn bằng và chuyên ngành đào tạo nano CNNN nổi lên thành chủ đề quan tâm trên các trang web, triển lãm, và trong các chương trình giáo dục ở các bảo tàng khoa học trên toàn thế giới, trong đó có Trung tâm Epcot của Thế giới Walt Disney Lồng ghép KHKT cấp nano vào tất cả các cấp giáo dục khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học và "đảo nghịch tháp nghiêng" bằng sự kết hợp ban đầu các khái niệm thống nhất về tự nhiên, sinh học, thông tin 47 Các thành tựu/đột phá chính từ 2000 Những mục tiêu cơ bản/mục tiêu hướng tới và các rào cản cần vượt qua vào 2020 và nhận thức Quản trị Hình thành các phương pháp quản lý riêng cho CNNN: phương pháp quản lý đa cơ quan từ dưới lên, đánh giá lợi ích đa bên, phát triển kịch bản Đặt ra các nguyên tắc và tổ chức mới để quản lý rủi ro đối với các thế hệ sản phẩm và quy trình CNNN mới có sự gia tăng về tính phức tạp, động lực, nội dung sinh học và tính không chắc chắn. Hình thành cộng đồng chuyên gia và tổ chức quốc tế, trong đó có cộng đồng vì môi trường, sức khỏe và an toàn của CNNN (EHS) và ELSI Chuẩn bị năng lực pháp lý, kiến thức và con người tập trung vào việc sử dụng rộng rãi CNNN vào năm 2020 Phát triển về thuật ngữ, sáng chế, tiêu chuẩn và các tài liệu chuẩn Tạo ra các tài liệu tham khảo được quốc tế công nhận, thuật ngữ, chứng chỉ vật liệu, và các tiêu chuẩn đo lường cho vật liệu nano Tạo ra các chương trình đầu tư liên ngành, các lĩnh vực ứng dụng và các cơ quan tài trợ Thể chế hóa các chương trình tài trợ cho nghiên cứu, giáo dục và chế tạo CNNN, EHS và ELSI công nghệ nano, có thể áp dụng từ các cấu trúc nano thụ động đến các hệ thống nano chủ động Thành lập mạng lưới "CNNN trong Xã hội" với tài trợ tương đương với các dự án khoa học cơ bản Thể chế hóa sự lồng ghép ban đầu những chương trình liên quan xã hội với các chương trình khoa học cơ bản và của các cơ quan nghiên cứu, sản xuất và quản lý Hình thành ngành tin học nano (nanoinformatics) là một lĩnh vực mới cho thông tin liên lạc, thiết kế, chế tạo, và y tế trong CNNN Phát triển mạng lưới quốc gia và quốc tế về tin học nano Phát triển "cách tiếp cận kịch bản" để cảnh báo và quản lý công nghệ nano Tăng các cơ chế tài trợ quốc tế cho các lĩnh vực CNNN để sử dụng và lợi ích chung sao cho CNNN trở thành hoạt động kinh tế-xã hội ngày càng tăng Khởi xướng các chương trình tài trợ cho nghiên cứu cơ bản phục vụ công nghiệp với các ngành công nghiệp dùng Ủy ban hợp tác vì tiến bộ CNNN Tích hợp khám phá và các chương trình đổi mới vào cơ chế đối tác công-tư, trong đó các cơ sở nghiên cứu, công nghiệp, nhà kinh tế, và nhà quản lý tham gia ở tất cả các giai đoạn của quá trình đổi mới Biên soạn: Trung tâm Xử lý và Phân tích Thông tin 48 Tài liệu tham khảo 1. Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020: Retrospective and Outlook. WTEC Panel Report. Springer, 9/2010. 2. Mihail C. Roco, Chad A. Mirkin: Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020 - RetRospective and outlook suMMaRY. NSF/WTEC report. 3. Mario Coccia • Ugo Finardi • Diego Margon: Current trends in nanotechnology research across worldwide geo-economic players. Journal Technol Transf (2012) 37:777–787. 4. Vincent Mangematin, Steve Walsh: THE FUTURE OF NANOTECHNOLOGIES. Technovation 1/2012. 5. David Hwang. Ranking the nations on nanotech. Lux Research 8/2010. 6. Chen, H., and M. Roco. 2009. Mapping nanotechnology innovations and knowledge. Global and longitudinal patent and literature analysis series. Berlin, Germany: Springer. 7. Nanoscale Science, Engineering, and Technology Subcommittee of the National Science and Technology Council Committee on Technology (NSTC/NSET). 2004. The National Nanotechnology Initiative strategic plan. Washington, D.C.: NSTC/NSET. 8. The National Nanotechnology Initiative strategic plan. Washington, D.C.: NSTC/NSET. 2007.