A novel process and a new material combined to produce one of the more unusual entries among the fi nalists for the SPE Automotive Innovation Awards last fall. The application was an intercooler air duct for the 2008 Volkswagen Tiguan 2L diesel engine. The duct is suction blow molded; in the past, the attachment brackets were injection molded and then welded onto the duct body, involving three separate steps. Rochling Automotive of Germany and Duncan, S.C., developed a one-step process called Jectbonding, involving simultaneous blow and injection molding. A small injection unit mounted on the blow molding tool injects four attachment points via a runner system, using air infl ation of the duct tube to withstand the injection pressure. The result is said to be 20% stronger bond and greater consistency than with welding, plus time savings, since it all happens within a 60-sec cycle.
Rochling started using the process in 2008 with nylon 66, but this application required higher heat resistance. This is a worldwide first for plastics replacing metal in a highly demanding turbocharger air duct—on the “hot side,” requiring exposure to 230 C/446 F at 2.7 bars overpressure. The application required Ticona of Florence, Ky., to develop a blow moldable grade of Fortron PPS with 15% glass. Roechling is now looking at possibilities for Jectbonding in intake manifolds, fuel tanks, and fuel rails.
Thứ Hai, 19 tháng 4, 2010
Communication Is Key In Designing Blown Film Dies
Over the years I have bought, designed, or helped design quite a number of blown film dies. After few go-arounds, it amazed me how often the process of designing a die was treated as “magic,” with the thought that only a few anointed “die wizards” could actually do the job. Not so.
That being said, there are a few things these wizards do need to know before tackling your project. And if the one you’re working with does not ask for them, find another wizard.
First, a few basics: A die can run one material at one temperature and one output rate perfectly…if it is designed perfectly. To put it more scientifically (it is science, after all), a die is designed for one volumetric throughput of a material with specific viscosity characteristics. If you ask anything more of a die, something will be compromised somewhere. (Of course, some die designs are more forgiving than others).
Gloucester Engineering
The first thing your die designer needs to know is what are you planning to run on it, and how fast. This may sound obvious, but sometimes it is not communicated well. It is not enough to tell a designer, for example, that you’ll be running an 18% 2-MI EVA with a 1-MI HDPE in a 10/90 layer ratio at 1000 lb/hr. That information alone won’t get you the die you need. Rather, the die designer will need the actual rheology curves (tabulated raw data is even better) for the specific resin blends you are running. (Please note: It is the rheology of your blends that counts.) Provide them this rheological data at temperatures that straddle your operating conditions (typically three temperatures).
Always have a confidentiality agreement in place before sharing information with your designer. But if you have a product that is truly super-secret, remember that the designer generally only needs the rheology data, and throughput rates. The designer does not need to know if you’ll be running LDPE or LLDPE (though the rheology curves should provide a pretty good idea, in any event).
After you have given your die designer what he needs, there are some things you need to get from him—guarantees. The more general ones are listed here:
Gauge uniformity: This should be defined up front. Is it two or three standard deviations total range? More importantly, how is it measured? By a micrometer of a given footprint? Every inch? With a beta gauge or a capacitance gauge on the bubble, or in the lab? At a certain speed/width, of data collection? The point is to be clear and specific in writing. This should only concern CD or TD variation, as the die designer has little control over the MD variation of your process.
Layer Uniformity: Almost all coextrusion blown film dies are actually multiple dies “stacked” together in one manner or another. So each “die” module in the stack must be evaluated on its own. The rules are the same as outlined above. The methods of measuring layer thickness and uniformity are different, but should also be defined up front in writing. When defining layer thickness do not forget to specify volume vs. mass, as there can be a wide range of densities between polymers.
Output vs. pressure drop and gauge uniformity: This is a good one to test your die designer and his software. When you get the die up and running, how close did he come to his calculated values? No one is perfect, but…. To be fair, when calculating the pressure drop, the rest of the system needs to be subtracted when throughputs are changed.
Get drawings: The time to get an agreement to have detailed die drawings, both external and internal, is before placing the order. Most die makers will resist giving internal dimensions. (After all, this is the magic.) Sometimes you can get this information if you let them leave out the spiral, or distribution, section. This has worked for me in the past, as the non-distribution areas are my greatest interest as a processor. And if I really want the other dimensions, I can get them (and often have) by measuring them myself.
I recommend taking the die apart when it is first delivered, even though this may be an unpleasant, seemingly unnecessary process. Doing so will give your maintenance people the opportunity to see and learn what will be involved in their future work, and to prepare for it. Plus you can find any defects. And if the die maker refused to supply dimensions, you can get them at this time. (Or, a local machine shop has all the measuring tools and would be happy to do it for you for a marginal fee.)
That being said, there are a few things these wizards do need to know before tackling your project. And if the one you’re working with does not ask for them, find another wizard.
First, a few basics: A die can run one material at one temperature and one output rate perfectly…if it is designed perfectly. To put it more scientifically (it is science, after all), a die is designed for one volumetric throughput of a material with specific viscosity characteristics. If you ask anything more of a die, something will be compromised somewhere. (Of course, some die designs are more forgiving than others).
Gloucester Engineering
The first thing your die designer needs to know is what are you planning to run on it, and how fast. This may sound obvious, but sometimes it is not communicated well. It is not enough to tell a designer, for example, that you’ll be running an 18% 2-MI EVA with a 1-MI HDPE in a 10/90 layer ratio at 1000 lb/hr. That information alone won’t get you the die you need. Rather, the die designer will need the actual rheology curves (tabulated raw data is even better) for the specific resin blends you are running. (Please note: It is the rheology of your blends that counts.) Provide them this rheological data at temperatures that straddle your operating conditions (typically three temperatures).
Always have a confidentiality agreement in place before sharing information with your designer. But if you have a product that is truly super-secret, remember that the designer generally only needs the rheology data, and throughput rates. The designer does not need to know if you’ll be running LDPE or LLDPE (though the rheology curves should provide a pretty good idea, in any event).
After you have given your die designer what he needs, there are some things you need to get from him—guarantees. The more general ones are listed here:
Gauge uniformity: This should be defined up front. Is it two or three standard deviations total range? More importantly, how is it measured? By a micrometer of a given footprint? Every inch? With a beta gauge or a capacitance gauge on the bubble, or in the lab? At a certain speed/width, of data collection? The point is to be clear and specific in writing. This should only concern CD or TD variation, as the die designer has little control over the MD variation of your process.
Layer Uniformity: Almost all coextrusion blown film dies are actually multiple dies “stacked” together in one manner or another. So each “die” module in the stack must be evaluated on its own. The rules are the same as outlined above. The methods of measuring layer thickness and uniformity are different, but should also be defined up front in writing. When defining layer thickness do not forget to specify volume vs. mass, as there can be a wide range of densities between polymers.
Output vs. pressure drop and gauge uniformity: This is a good one to test your die designer and his software. When you get the die up and running, how close did he come to his calculated values? No one is perfect, but…. To be fair, when calculating the pressure drop, the rest of the system needs to be subtracted when throughputs are changed.
Get drawings: The time to get an agreement to have detailed die drawings, both external and internal, is before placing the order. Most die makers will resist giving internal dimensions. (After all, this is the magic.) Sometimes you can get this information if you let them leave out the spiral, or distribution, section. This has worked for me in the past, as the non-distribution areas are my greatest interest as a processor. And if I really want the other dimensions, I can get them (and often have) by measuring them myself.
I recommend taking the die apart when it is first delivered, even though this may be an unpleasant, seemingly unnecessary process. Doing so will give your maintenance people the opportunity to see and learn what will be involved in their future work, and to prepare for it. Plus you can find any defects. And if the die maker refused to supply dimensions, you can get them at this time. (Or, a local machine shop has all the measuring tools and would be happy to do it for you for a marginal fee.)
Communication Is Key In Designing Blown Film Dies
Over the years I have bought, designed, or helped design quite a number of blown film dies. After few go-arounds, it amazed me how often the process of designing a die was treated as “magic,” with the thought that only a few anointed “die wizards” could actually do the job. Not so.
That being said, there are a few things these wizards do need to know before tackling your project. And if the one you’re working with does not ask for them, find another wizard.
First, a few basics: A die can run one material at one temperature and one output rate perfectly…if it is designed perfectly. To put it more scientifically (it is science, after all), a die is designed for one volumetric throughput of a material with specific viscosity characteristics. If you ask anything more of a die, something will be compromised somewhere. (Of course, some die designs are more forgiving than others).
Gloucester Engineering
The first thing your die designer needs to know is what are you planning to run on it, and how fast. This may sound obvious, but sometimes it is not communicated well. It is not enough to tell a designer, for example, that you’ll be running an 18% 2-MI EVA with a 1-MI HDPE in a 10/90 layer ratio at 1000 lb/hr. That information alone won’t get you the die you need. Rather, the die designer will need the actual rheology curves (tabulated raw data is even better) for the specific resin blends you are running. (Please note: It is the rheology of your blends that counts.) Provide them this rheological data at temperatures that straddle your operating conditions (typically three temperatures).
Always have a confidentiality agreement in place before sharing information with your designer. But if you have a product that is truly super-secret, remember that the designer generally only needs the rheology data, and throughput rates. The designer does not need to know if you’ll be running LDPE or LLDPE (though the rheology curves should provide a pretty good idea, in any event).
After you have given your die designer what he needs, there are some things you need to get from him—guarantees. The more general ones are listed here:
Gauge uniformity: This should be defined up front. Is it two or three standard deviations total range? More importantly, how is it measured? By a micrometer of a given footprint? Every inch? With a beta gauge or a capacitance gauge on the bubble, or in the lab? At a certain speed/width, of data collection? The point is to be clear and specific in writing. This should only concern CD or TD variation, as the die designer has little control over the MD variation of your process.
Layer Uniformity: Almost all coextrusion blown film dies are actually multiple dies “stacked” together in one manner or another. So each “die” module in the stack must be evaluated on its own. The rules are the same as outlined above. The methods of measuring layer thickness and uniformity are different, but should also be defined up front in writing. When defining layer thickness do not forget to specify volume vs. mass, as there can be a wide range of densities between polymers.
Output vs. pressure drop and gauge uniformity: This is a good one to test your die designer and his software. When you get the die up and running, how close did he come to his calculated values? No one is perfect, but…. To be fair, when calculating the pressure drop, the rest of the system needs to be subtracted when throughputs are changed.
Get drawings: The time to get an agreement to have detailed die drawings, both external and internal, is before placing the order. Most die makers will resist giving internal dimensions. (After all, this is the magic.) Sometimes you can get this information if you let them leave out the spiral, or distribution, section. This has worked for me in the past, as the non-distribution areas are my greatest interest as a processor. And if I really want the other dimensions, I can get them (and often have) by measuring them myself.
I recommend taking the die apart when it is first delivered, even though this may be an unpleasant, seemingly unnecessary process. Doing so will give your maintenance people the opportunity to see and learn what will be involved in their future work, and to prepare for it. Plus you can find any defects. And if the die maker refused to supply dimensions, you can get them at this time. (Or, a local machine shop has all the measuring tools and would be happy to do it for you for a marginal fee.)
That being said, there are a few things these wizards do need to know before tackling your project. And if the one you’re working with does not ask for them, find another wizard.
First, a few basics: A die can run one material at one temperature and one output rate perfectly…if it is designed perfectly. To put it more scientifically (it is science, after all), a die is designed for one volumetric throughput of a material with specific viscosity characteristics. If you ask anything more of a die, something will be compromised somewhere. (Of course, some die designs are more forgiving than others).
Gloucester Engineering
The first thing your die designer needs to know is what are you planning to run on it, and how fast. This may sound obvious, but sometimes it is not communicated well. It is not enough to tell a designer, for example, that you’ll be running an 18% 2-MI EVA with a 1-MI HDPE in a 10/90 layer ratio at 1000 lb/hr. That information alone won’t get you the die you need. Rather, the die designer will need the actual rheology curves (tabulated raw data is even better) for the specific resin blends you are running. (Please note: It is the rheology of your blends that counts.) Provide them this rheological data at temperatures that straddle your operating conditions (typically three temperatures).
Always have a confidentiality agreement in place before sharing information with your designer. But if you have a product that is truly super-secret, remember that the designer generally only needs the rheology data, and throughput rates. The designer does not need to know if you’ll be running LDPE or LLDPE (though the rheology curves should provide a pretty good idea, in any event).
After you have given your die designer what he needs, there are some things you need to get from him—guarantees. The more general ones are listed here:
Gauge uniformity: This should be defined up front. Is it two or three standard deviations total range? More importantly, how is it measured? By a micrometer of a given footprint? Every inch? With a beta gauge or a capacitance gauge on the bubble, or in the lab? At a certain speed/width, of data collection? The point is to be clear and specific in writing. This should only concern CD or TD variation, as the die designer has little control over the MD variation of your process.
Layer Uniformity: Almost all coextrusion blown film dies are actually multiple dies “stacked” together in one manner or another. So each “die” module in the stack must be evaluated on its own. The rules are the same as outlined above. The methods of measuring layer thickness and uniformity are different, but should also be defined up front in writing. When defining layer thickness do not forget to specify volume vs. mass, as there can be a wide range of densities between polymers.
Output vs. pressure drop and gauge uniformity: This is a good one to test your die designer and his software. When you get the die up and running, how close did he come to his calculated values? No one is perfect, but…. To be fair, when calculating the pressure drop, the rest of the system needs to be subtracted when throughputs are changed.
Get drawings: The time to get an agreement to have detailed die drawings, both external and internal, is before placing the order. Most die makers will resist giving internal dimensions. (After all, this is the magic.) Sometimes you can get this information if you let them leave out the spiral, or distribution, section. This has worked for me in the past, as the non-distribution areas are my greatest interest as a processor. And if I really want the other dimensions, I can get them (and often have) by measuring them myself.
I recommend taking the die apart when it is first delivered, even though this may be an unpleasant, seemingly unnecessary process. Doing so will give your maintenance people the opportunity to see and learn what will be involved in their future work, and to prepare for it. Plus you can find any defects. And if the die maker refused to supply dimensions, you can get them at this time. (Or, a local machine shop has all the measuring tools and would be happy to do it for you for a marginal fee.)
Sơn phun kính thể lỏng chống bụi, kháng khuẩn
Một viện nghiên cứu của Đức vừa nghiên cứu thành công loại sơn phun kính thể lỏng có tác dụng chống bụi và kháng khuẩn, mà không độc hại.
Kính sẽ được bảo vệ nhờ sơn phun kính mới. (Ảnh minh họa: Internet)
Loại sơn phun kính thể lỏng này, được cấu tạo bởi silicon dioxide, không gây độc hại cho sinh vật và môi trường do Viện nghiên cứu vật liệu mới Saarbrucken thực hiện.
Khi phun sơn thể lỏng lên bề mặt vật thể sẽ tạo thành một lớp bảo vệ rất mỏng mà mắt thường không thể thấy được, độ dày chỉ khoảng vài mm/triệu, tương đương với 15 đến 30 phân tử.
Công năng của lớp bảo vệ siêu mỏng này là rất lớn, có thể chống thấm, chống bụi, kháng khuẩn, chịu nhiệt, chịu axít, chống bức xạ và còn có tính thẩm thấu không khí.
Khi phun sơn thể lỏng lên bề mặt gương kính sẽ tạo thành một lớp chống thấm. Khi vi khuẩn và các vi sinh vật khác xuất hiện trên bề mặt lớp sơn này, chúng sẽ rất khó thoát thân hoặc sinh trưởng và sẽ bị tiêu diệt.
Công ty Nano Pool của Đức đã mua bản quyền sáng chế này, và đang thương thảo với các doanh nghiệp và hệ thống dịch vụ y tế quốc gia của Anh để ứng dụng rộng rãi vật liệu mới này trong sản xuất công nghiệp từ việc chế tạo túi xách cho đến công nghiệp tàu hỏa cao tốc./.
Kính sẽ được bảo vệ nhờ sơn phun kính mới. (Ảnh minh họa: Internet)
Loại sơn phun kính thể lỏng này, được cấu tạo bởi silicon dioxide, không gây độc hại cho sinh vật và môi trường do Viện nghiên cứu vật liệu mới Saarbrucken thực hiện.
Khi phun sơn thể lỏng lên bề mặt vật thể sẽ tạo thành một lớp bảo vệ rất mỏng mà mắt thường không thể thấy được, độ dày chỉ khoảng vài mm/triệu, tương đương với 15 đến 30 phân tử.
Công năng của lớp bảo vệ siêu mỏng này là rất lớn, có thể chống thấm, chống bụi, kháng khuẩn, chịu nhiệt, chịu axít, chống bức xạ và còn có tính thẩm thấu không khí.
Khi phun sơn thể lỏng lên bề mặt gương kính sẽ tạo thành một lớp chống thấm. Khi vi khuẩn và các vi sinh vật khác xuất hiện trên bề mặt lớp sơn này, chúng sẽ rất khó thoát thân hoặc sinh trưởng và sẽ bị tiêu diệt.
Công ty Nano Pool của Đức đã mua bản quyền sáng chế này, và đang thương thảo với các doanh nghiệp và hệ thống dịch vụ y tế quốc gia của Anh để ứng dụng rộng rãi vật liệu mới này trong sản xuất công nghiệp từ việc chế tạo túi xách cho đến công nghiệp tàu hỏa cao tốc./.
Sơn hệ nước
Tất cả các loại sơn phủ đều được làm từ 4 thành phần cơ bản: nhựa, màu, dung môi và phụ gia. Các thành phần này quyết định tính chất cuối cùng của hệ sơn phủ. Sơn hệ nước là loại sơn mà nước được dùng làm dung môi cơ bản.
Việc nghiên cứu sơn hệ nước bắt đầu từ những năm 1950 và trải qua gần 4 thập kỷ, ngày nay sơn hệ nước đang được ứng dụng rộng rãi.
Trong nhiều năm, sơn hệ nước bị đánh giá là yếu hơn về mặt hóa học so với hệ sơn dung môi. Nhưng trong những năm gần đây do các quy chế ngặt nghèo và chất lượng không khí nên các hãng sản xuất sơn phải chú trọng ưu tiên vào sản xuất sơn hệ nước. Các tiến bộ kỹ thuật đạt được đã cho phép chúng ta phát triển sơn hệ nước có các cơ tính gần tương đương với sơn dung môi, đồng thời tạo ra nhiều ưu điểm quan trọng.
Ưu điểm sơn hệ nước:
Một trong những ưu điểm quan trọng nhất có thể nói là hạ thấp hàm lượng các chất bay hơi (VOC) mà thậm chí còn thỏa mãn các quy định nghiêm ngặt nhất về khống chế VOC. Thông thường sơn hệ nước có mức VOC thấp dưới 2 pound/gallon ( 238 g/lit).
Do màng sơn tạo thành bằng cách bay hơi nước thay cho dung môi nên sơn hệ nước còn có tiện ích chùi rửa sạch được nên tiết kiệm được đáng kể chi phí dung môi cho các người sử dụng. Trong mọi trường hợp thì viêc giảm mức độ dung môi đồng nghĩa với việc giảm mùi khó chịu và cải thiện môi trường làm việc, giảm nguy cơ cháy và do đó sẽ giảm thiểu chi phí bảo hiểm cơ bàn cũng như là tạo môi trường làm việc an toàn hơn.
Sơn hệ nước còn có thể sơn lên hầu hết các chất liệu, kể cả kim loại, nhựa, gỗ, thủy tinh, tường nhà và bằng hầu hết các phương pháp thông thường kể cả như phun, nhúng. Một số loại sơn hệ nước còn có thể khô bằng không khí và một số loại khác thì khô bằng sấy.
Nhược điểm của sơn hệ nước:
Sơn hệ nước không thích hợp với tất cả các ứng dụng. Lớp sơn làm việc tốt nhất khi đạt độ dày màng khô tới 1,2 mil (0.29 mm). Trong môi trường độ ẩm cao thì sơn hệ nước cần nhiều thời gian hơn để khô đo đó sẽ cần trang bị thêm hệ thống khuấy đảo không khí, khử và thoát ẩm… nên sẽ tăng thêm chi phí so với việc dùng sơn hệ khác.
Các loại sơn hệ nước
Mặc dù không phải là 100% không chứa dung môi nhưng sơn hệ nước chứa một hàm lượng dung môi hữu cơ rất thấp. Lớp sơn khô theo cơ chế tương tự như đối với sơn dung môi, hoặc là thông qua ôxy hóa hay bằng phản ứng khâu mạch nhiệt rắn. Sơn hệ nước latex đóng rắn thông qua viêc các chuỗi latex liên kết lại khi mà cả nước và dung môi cùng bay hơi tạo áp lực cho các hạt latex trong lớp sơn liên kết lại.
Hầu như các loại sơn hệ nước ngày nay sử dụng một trong 3 loại polymer tổng hợp mà qua đó xác định được đặc tính cuối cùng của lớp sơn:
Hệ nhũ tương (water-emulsion): các polymer nhũ tương hoặc phân tán trong nước.
Hệ tan trong nước (water-soluble) : các polymer phân tán hệ keo hoăc tan trong nước.
Hệ nhựa khử được bằng nước (water-reducible):
Ba loại polymer này khác nhau cơ bản về cơ tính và lý tính nên đã tạo ra phạm vị rộng để lựa chọn các công thức sản xuất và phát triển sơn hệ nước. (xem hình)
Như vậy người ta có thể chọn hệ nhựa và công thức sản xuất khác nhau để chế ra các lớp sơn đa dạng về đặc tính vật lý và khác nhau về cấu trúc hóa học. Ví dụ như sơn hệ nước có thể có các đặc tính tốt chẳng hạn như độ cứng, khả năng chịu vết, độ mềm dẻo và khả năng chống ăn mòn. Sơn hệ nước còn có thể đạt độ bóng cao và khả năng tuyệt vời về mức chịu ẩm cũng như chịu dung môi.
Hệ nhũ tương (water-emulsion): sơn hệ nhũ tương chứa các polymer nhũ tương là các hạt hình cầu riêng rẽ của polymer phân tử lượng cao nằm phân tán trong nước. Các hạt này bị tách ra riêng rẽ trong nước nhưng chúng có khả năng tăng khối lượng phân tử của polymer để cải thiện đặc tính cao hơn của hệ sơn mà không làm ảnh hưởng tới độ nhớt của sơn.
Nhờ có ưu thế của khối lương phân tử lớn, hệ nhũ tương cho chúng ta đặc tính nổi trội nhất trong 3 hệ sơn, đó là đặc tính dẻo dai, chịu hóa chất và chịu nước. Nếu áp dụng chế độ khô cưỡng bức thì có thể đạt dộ cứng bút chì 2H hoặc 3 H. Sơn hệ nước hệ nhũ tương cũng cho phép sử dụng hàm rắn cao nhất.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển các loại nhựa nhũ tương chất lương cao tạo cơ hội và các lợi thế cho công nghệ sơn hệ nước – hệ nhũ tương. Đồng thời, thông qua việc lựa chọn và sàng lọc các monomer để khống chế khối lượng phân tử polymer đã giúp rất nhiều cho nâng cấp chất lượng sơn hệ nước, cũng như giúp tăng độ bám dính với bề mặt chất dẻo mới.
Sơn hệ nước hệ nhũ tương có thể khô bằng không khí, hoăc nếu muốn tăng khả năng chịu dung môi và chịu hóa chất thì dùng phản ứng nhiệt rắn, nhưng trong một số trường hợp thì những đăc tính dẻo dai không cải thiện thêm được nếu chỉ điều chỉnh tăng khối lượng phân tử.
Lớp sơn phủ này đang được dùng rộng rãi cho các úng dụng cao cấp về hoàn thiện bề mặt, ví dụ như ô tô xe máy, sơn trên nhựa và các máy móc thiết bị.
Hệ tan trong nước (water-soluble): hệ sơn này chứa các hạt cầu phân tán trong nước. Các hạt này nhỏ hơn các hạt trong hệ sơn nhũ tương (kể trên) và trương lên trong nước do đó mà khối lượng phân tử của nó sẽ nằm trong khoảng giữa polymer như tương và dung dịch. Các hạt này (được gọi là keo phân tán) có mức độ hòa tan khác nhau tùy theo có chứa các nhóm phân cực hoặc a xít hoặc kiềm.
Polymer phân tán dạng keo có thể có thể được coi là lai tạo (hybrid) của nhũ tương và polymer hòa tan vì chúng thể hiện đặc tính của cả hai. Nhờ thế mà lớp sơn hệ tan trong nước cho độ bóng cao, dẻo dai, chịu hóa chất, chịu nước và bền cao cũng như là dễ thi công. Hệ tan trong nước này được ứng dụng phổ biến cho nhiều ngành công nghiệp.
Hệ khử bằng nước: Hệ sơn khử bằng nước chứa các polymer đồng trùng hợp bởi các phản ứng trùng hợp xảy ra trong các loại dung môi hữu cơ có thể trộn với nước, ví như cồn hoặc Este. Nhóm phân cực trong polymer cho phép tạo ra dung dịch polymer tan được trong nước và có tính khử được bằng nước. Không giống như hệ nhũ tương nước, độ nhớt và các đặc tính của hệ sơn này chủ yếu phụ thuộc vào trọng lượng phân tử.
Sơn hệ khử bằng nước có thể có các đặc tính như lớp sơn có độ bóng cao, trong, phân tán và thấm ướt màu và các đặc tính ứng dụng khác. Hệ sơn khử bằng nước được dùng rộng rãi cho các ngành công nghiệp. Một số loại nhựa mới được tạo ra sẽ cho phép cải thiện và hỗ trợ khả năng chịu ăn mòn của lớp sơn.
Các loại nhựa
Các loại nhựa như alkyd, acrylic latex, epoxy, acrylic/epoxy hybrid, polyurethane, polyester và nhựa khác có thể dùng đề sản xuất sơn hệ nước. Nhựa Acrylic là được dùng thường xuyên hơn cho lớp phủ hoàn thiện. Nhựa epoxy ester tan trong nước và alkyds tan trong nước đang thống trị ngành thiết bị phụ tùng ô tô.
Nhựa epoxy khử được bằng nước thường được dùng làm sơn lót vì tương thích với tất cả các lớp sơn bên trên. Thông thường thì người ta phủ lên lớp lót epoxy bằng lớp PU cho mục đích chất lượng cao và chống ăn mòn tốt.
Trong tương lai chúng ta cần liên tục phát huy các ưu điểm về công nghệ sơn hệ nước để tạo ra các hệ sơn siêu việt hơn.
Việc phát triển sản phẩm sơn hệ nước sẽ cải thiện tốt hơn việc sử dụng cũng như các đặc tính chất lượng, giúp cho người dùng các giải pháp hiệu quả để vượt qua các thách thức để phù hợp với quy định khống chế hàm lượng chất bay hơi (VOC)
Việc nghiên cứu sơn hệ nước bắt đầu từ những năm 1950 và trải qua gần 4 thập kỷ, ngày nay sơn hệ nước đang được ứng dụng rộng rãi.
Trong nhiều năm, sơn hệ nước bị đánh giá là yếu hơn về mặt hóa học so với hệ sơn dung môi. Nhưng trong những năm gần đây do các quy chế ngặt nghèo và chất lượng không khí nên các hãng sản xuất sơn phải chú trọng ưu tiên vào sản xuất sơn hệ nước. Các tiến bộ kỹ thuật đạt được đã cho phép chúng ta phát triển sơn hệ nước có các cơ tính gần tương đương với sơn dung môi, đồng thời tạo ra nhiều ưu điểm quan trọng.
Ưu điểm sơn hệ nước:
Một trong những ưu điểm quan trọng nhất có thể nói là hạ thấp hàm lượng các chất bay hơi (VOC) mà thậm chí còn thỏa mãn các quy định nghiêm ngặt nhất về khống chế VOC. Thông thường sơn hệ nước có mức VOC thấp dưới 2 pound/gallon ( 238 g/lit).
Do màng sơn tạo thành bằng cách bay hơi nước thay cho dung môi nên sơn hệ nước còn có tiện ích chùi rửa sạch được nên tiết kiệm được đáng kể chi phí dung môi cho các người sử dụng. Trong mọi trường hợp thì viêc giảm mức độ dung môi đồng nghĩa với việc giảm mùi khó chịu và cải thiện môi trường làm việc, giảm nguy cơ cháy và do đó sẽ giảm thiểu chi phí bảo hiểm cơ bàn cũng như là tạo môi trường làm việc an toàn hơn.
Sơn hệ nước còn có thể sơn lên hầu hết các chất liệu, kể cả kim loại, nhựa, gỗ, thủy tinh, tường nhà và bằng hầu hết các phương pháp thông thường kể cả như phun, nhúng. Một số loại sơn hệ nước còn có thể khô bằng không khí và một số loại khác thì khô bằng sấy.
Nhược điểm của sơn hệ nước:
Sơn hệ nước không thích hợp với tất cả các ứng dụng. Lớp sơn làm việc tốt nhất khi đạt độ dày màng khô tới 1,2 mil (0.29 mm). Trong môi trường độ ẩm cao thì sơn hệ nước cần nhiều thời gian hơn để khô đo đó sẽ cần trang bị thêm hệ thống khuấy đảo không khí, khử và thoát ẩm… nên sẽ tăng thêm chi phí so với việc dùng sơn hệ khác.
Các loại sơn hệ nước
Mặc dù không phải là 100% không chứa dung môi nhưng sơn hệ nước chứa một hàm lượng dung môi hữu cơ rất thấp. Lớp sơn khô theo cơ chế tương tự như đối với sơn dung môi, hoặc là thông qua ôxy hóa hay bằng phản ứng khâu mạch nhiệt rắn. Sơn hệ nước latex đóng rắn thông qua viêc các chuỗi latex liên kết lại khi mà cả nước và dung môi cùng bay hơi tạo áp lực cho các hạt latex trong lớp sơn liên kết lại.
Hầu như các loại sơn hệ nước ngày nay sử dụng một trong 3 loại polymer tổng hợp mà qua đó xác định được đặc tính cuối cùng của lớp sơn:
Hệ nhũ tương (water-emulsion): các polymer nhũ tương hoặc phân tán trong nước.
Hệ tan trong nước (water-soluble) : các polymer phân tán hệ keo hoăc tan trong nước.
Hệ nhựa khử được bằng nước (water-reducible):
Ba loại polymer này khác nhau cơ bản về cơ tính và lý tính nên đã tạo ra phạm vị rộng để lựa chọn các công thức sản xuất và phát triển sơn hệ nước. (xem hình)
Như vậy người ta có thể chọn hệ nhựa và công thức sản xuất khác nhau để chế ra các lớp sơn đa dạng về đặc tính vật lý và khác nhau về cấu trúc hóa học. Ví dụ như sơn hệ nước có thể có các đặc tính tốt chẳng hạn như độ cứng, khả năng chịu vết, độ mềm dẻo và khả năng chống ăn mòn. Sơn hệ nước còn có thể đạt độ bóng cao và khả năng tuyệt vời về mức chịu ẩm cũng như chịu dung môi.
Hệ nhũ tương (water-emulsion): sơn hệ nhũ tương chứa các polymer nhũ tương là các hạt hình cầu riêng rẽ của polymer phân tử lượng cao nằm phân tán trong nước. Các hạt này bị tách ra riêng rẽ trong nước nhưng chúng có khả năng tăng khối lượng phân tử của polymer để cải thiện đặc tính cao hơn của hệ sơn mà không làm ảnh hưởng tới độ nhớt của sơn.
Nhờ có ưu thế của khối lương phân tử lớn, hệ nhũ tương cho chúng ta đặc tính nổi trội nhất trong 3 hệ sơn, đó là đặc tính dẻo dai, chịu hóa chất và chịu nước. Nếu áp dụng chế độ khô cưỡng bức thì có thể đạt dộ cứng bút chì 2H hoặc 3 H. Sơn hệ nước hệ nhũ tương cũng cho phép sử dụng hàm rắn cao nhất.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển các loại nhựa nhũ tương chất lương cao tạo cơ hội và các lợi thế cho công nghệ sơn hệ nước – hệ nhũ tương. Đồng thời, thông qua việc lựa chọn và sàng lọc các monomer để khống chế khối lượng phân tử polymer đã giúp rất nhiều cho nâng cấp chất lượng sơn hệ nước, cũng như giúp tăng độ bám dính với bề mặt chất dẻo mới.
Sơn hệ nước hệ nhũ tương có thể khô bằng không khí, hoăc nếu muốn tăng khả năng chịu dung môi và chịu hóa chất thì dùng phản ứng nhiệt rắn, nhưng trong một số trường hợp thì những đăc tính dẻo dai không cải thiện thêm được nếu chỉ điều chỉnh tăng khối lượng phân tử.
Lớp sơn phủ này đang được dùng rộng rãi cho các úng dụng cao cấp về hoàn thiện bề mặt, ví dụ như ô tô xe máy, sơn trên nhựa và các máy móc thiết bị.
Hệ tan trong nước (water-soluble): hệ sơn này chứa các hạt cầu phân tán trong nước. Các hạt này nhỏ hơn các hạt trong hệ sơn nhũ tương (kể trên) và trương lên trong nước do đó mà khối lượng phân tử của nó sẽ nằm trong khoảng giữa polymer như tương và dung dịch. Các hạt này (được gọi là keo phân tán) có mức độ hòa tan khác nhau tùy theo có chứa các nhóm phân cực hoặc a xít hoặc kiềm.
Polymer phân tán dạng keo có thể có thể được coi là lai tạo (hybrid) của nhũ tương và polymer hòa tan vì chúng thể hiện đặc tính của cả hai. Nhờ thế mà lớp sơn hệ tan trong nước cho độ bóng cao, dẻo dai, chịu hóa chất, chịu nước và bền cao cũng như là dễ thi công. Hệ tan trong nước này được ứng dụng phổ biến cho nhiều ngành công nghiệp.
Hệ khử bằng nước: Hệ sơn khử bằng nước chứa các polymer đồng trùng hợp bởi các phản ứng trùng hợp xảy ra trong các loại dung môi hữu cơ có thể trộn với nước, ví như cồn hoặc Este. Nhóm phân cực trong polymer cho phép tạo ra dung dịch polymer tan được trong nước và có tính khử được bằng nước. Không giống như hệ nhũ tương nước, độ nhớt và các đặc tính của hệ sơn này chủ yếu phụ thuộc vào trọng lượng phân tử.
Sơn hệ khử bằng nước có thể có các đặc tính như lớp sơn có độ bóng cao, trong, phân tán và thấm ướt màu và các đặc tính ứng dụng khác. Hệ sơn khử bằng nước được dùng rộng rãi cho các ngành công nghiệp. Một số loại nhựa mới được tạo ra sẽ cho phép cải thiện và hỗ trợ khả năng chịu ăn mòn của lớp sơn.
Các loại nhựa
Các loại nhựa như alkyd, acrylic latex, epoxy, acrylic/epoxy hybrid, polyurethane, polyester và nhựa khác có thể dùng đề sản xuất sơn hệ nước. Nhựa Acrylic là được dùng thường xuyên hơn cho lớp phủ hoàn thiện. Nhựa epoxy ester tan trong nước và alkyds tan trong nước đang thống trị ngành thiết bị phụ tùng ô tô.
Nhựa epoxy khử được bằng nước thường được dùng làm sơn lót vì tương thích với tất cả các lớp sơn bên trên. Thông thường thì người ta phủ lên lớp lót epoxy bằng lớp PU cho mục đích chất lượng cao và chống ăn mòn tốt.
Trong tương lai chúng ta cần liên tục phát huy các ưu điểm về công nghệ sơn hệ nước để tạo ra các hệ sơn siêu việt hơn.
Việc phát triển sản phẩm sơn hệ nước sẽ cải thiện tốt hơn việc sử dụng cũng như các đặc tính chất lượng, giúp cho người dùng các giải pháp hiệu quả để vượt qua các thách thức để phù hợp với quy định khống chế hàm lượng chất bay hơi (VOC)
Ứng dụng vật liệu nano trong đóng gói thực phẩm
Phần lớn vật liệu ứng dụng trong đóng gói thực phẩm thường không bị phân hủy, liên quan đến vấn đề môi trường. Một số polymer sinh học đang được phát triển để làm vật liệu đóng gói thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng polymer sinh học còn bị một số giới hạn về cơ tính, tính thấm khí, nó có thể được cải thiện bằng cách thêm chất độn, tạo thành vật liệu composite. hầu hết các vật liệu gia cường thường liên kết yếu với nhựa nền, xu hướng giảm kích thước chất độn. Việc sử dụng chất độn nano có thể giải quyết vấn đề này. Hạt nano có diện tích bề mặt tiếp xúc với nhựa nền cao hơn so với kích thước micro cùng bản chất, điều này giúp cho sự tương tác chất độn và nhựa nền thuận lợi và tính năng của vật liệu được cải thiện. Bên cạnh đó vật liệu nano gia cường, hạt nano khi thêm vào trong nhựa nền có thêm những tính năng khác như khả năng kháng khuẩn, ức chế các enzym cảm ứng sinh học, Các loại chính của hạt nano đã được nghiên cứu để sử dụng trong hệ thống bao bì thực phẩm được overviewed, cũng như tác dụng của họ và ứng dụng.
Công nghệ Sinh học Nano
Lịch sử phát triển
Công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối những năm 1970 nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát triển từ 60 năm trước đó [1]. CNSH là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghiệm cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên cứu cơ bản và phát triển các sản phẩm thương mại [2]. Với nền tảng là công nghệ tái tổ hợp, CNSH đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng dụng mới.
CNSH hiện đại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức phân tử. Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học.
Công nghệ nano
Hình 1. Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm. 10 nguyên tử H xếp liền nhau dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu).
Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”. Đến thế kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο là tên một loại bánh bơ có dầu ôliu, sang thế kỷ thứ III sau Công nguyên thì nó lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn. Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm [3]. Vào năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [3]. Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần tỷ m (hình 1).
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể của các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật liệu đang được tiến hành ở quy mô µm [4].
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa CNNN là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử” [5].
Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao [6]
Hình 2. Mối tương quan giữa các thiết bị máy móc (đồng hồ) có kích thước µm đến mm và cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5].
Công nghệ sinh học nano
CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật có kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng” nhất) (hình 2). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa CNSH và CNNN bởi lẽ CNNN mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới [7]. Công nghệ này tạo ra sự hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học [8]. CNSH nano là tập con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng thiết kế và biến đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều cách định nghĩa CNSH nano.
CNSH nano là bất cứ ứng dụng nào của CNNN trong nghiên cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới [9].
Theo NIH, CNSH nano là: 1. Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và 2. Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano.
Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích và tạo ra các hệ thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các hệ thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các định nghĩa CNSH nano nêu trên.
Hình 3. Bức tranh toàn cảnh CNSH nano. Trong đó, các hệ thống, thiết bị riêng lẻ cũng như tích hợp được tạo ra từ nền tảng là sự giao thoa giữa CNSH và CNNN nhằm ứng dụng trong y học, sinh học… (Theo www.nano2life.org)
Hướng nghiên cứu chính
Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang có những bước tiến thành kỳ. Một số ví dụ của CNSH nano trong nghiên cứu và phát triển [11]:
• Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học. • Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật. • Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với nhau. • Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống. • Chuyển gene và đột biến điểm chính xác. • Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng đích • Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, để tạo năng lượng điện hoặc cơ.
Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. Bảng 1 liệt kê một số công ty thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng nghiên cứu chính là (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc và liệu pháp; (iii) thiết bị y học và cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực này, và một lĩnh vực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác [12]. Như một tất yếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể hiện ở số công ty vượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng đã có những công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.
Tiềm năng
Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của một công nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó.
Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho CNNN của các tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD năm 2003[13]. Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu và đào tạo CNSH nano bằng khoảng 6% của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty lớn hiện tập trung ứng dụng CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư trong dược và các hệ thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ đầu tư mạo hiểm chi nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%) [13]. Từ năm 1999, 52% trong số 900 triệu USD trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a). Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b). Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ chốt: các ưu đãi của chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y dược học [9]. Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần đây được chi cho các công ty hoạt động trong CNSH nano [8].
Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà đầu tư. (a) Vốn đầu tư mạo hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ đầu tư mạo hiểm hàng năm chi cho CNNN [9].
Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho CNNN toàn cầu [9]. Các quốc gia khác cũng không đứng ngoài cuộc, sau 3 năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác đã xây dựng các chương trình trong công nghệ này [8]. Năm 2004, chính phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN trong khi đó Nhật và liên minh Châu Âu cũng chi không kém. Thái Lan đang ở giai đoạn giữa của chương trình CNNN quốc gia 6 năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14]. Anh là quốc gia cuối cùng tăng chi tiêu trong công nghệ nano, được giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp đôi cam kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8]. Ngân sách đầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước được thể hiện trong bảng 2.
Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano sẽ đạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào năm 2006 [15].
Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng đã và đang chú trọng vào công nghệ nano. Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường và CNNN đã tăng hơn 50% so với năm 2003 [16].
Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG – TP.HCM [17], ĐHBK – TP.HCM [18], Trường ĐH-KHTN [19] và Đại học Công nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN đã và đang nghiên cứu, đào tạo về công nghệ nano.
Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung đẩy mạnh CNNN [21]. Trong triển khai thực tiễn, thành công rực rỡ nhất của CNNN tại Việt Nam là chế tạo thành công than nano “lỏng” [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi mạch [23]. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về cấu trúc nano đa lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] và đã chế tạo thành công cảm biến nano dùng để xác định nồng độ khí gas hoá lỏng [25]. Khu công nghệ cao TP.HCM cũng đang hợp tác với trung tâm nhiệt đới Việt Nga để chế tạo mặt nạ sinh học dùng than nano [26], giấy và mực nano [27].
Tuy nhiên, CNSH nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt Nam. Trong lĩnh vực đào tạo, trường ĐHBK-HN mới có dự thảo chương trình đào tạo thạc sỹ về CNSH nano. Tại đây cũng bắt đầu triển khai ứng dụng CNNN trong chế tạo thuốc hướng đích. GS. Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH – ĐHQG HN), PGS. Nông Văn Hải (Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam) và GS. Nguyễn Hữu Đức (Trường Đại học Công nghệ – ĐHQG – HN) đang thảo luận để khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong y – sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh [24].
Nói chung, CNSH nano tại Việt Nam hiện chỉ mới đang đặt những viên gạch móng đầu tiên.
Công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối những năm 1970 nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát triển từ 60 năm trước đó [1]. CNSH là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghiệm cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên cứu cơ bản và phát triển các sản phẩm thương mại [2]. Với nền tảng là công nghệ tái tổ hợp, CNSH đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng dụng mới.
CNSH hiện đại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức phân tử. Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học.
Công nghệ nano
Hình 1. Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm. 10 nguyên tử H xếp liền nhau dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu).
Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”. Đến thế kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο là tên một loại bánh bơ có dầu ôliu, sang thế kỷ thứ III sau Công nguyên thì nó lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn. Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm [3]. Vào năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [3]. Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần tỷ m (hình 1).
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể của các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật liệu đang được tiến hành ở quy mô µm [4].
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa CNNN là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử” [5].
Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao [6]
Hình 2. Mối tương quan giữa các thiết bị máy móc (đồng hồ) có kích thước µm đến mm và cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5].
Công nghệ sinh học nano
CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật có kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng” nhất) (hình 2). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa CNSH và CNNN bởi lẽ CNNN mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới [7]. Công nghệ này tạo ra sự hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học [8]. CNSH nano là tập con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng thiết kế và biến đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử [5]. Hiện có nhiều cách định nghĩa CNSH nano.
CNSH nano là bất cứ ứng dụng nào của CNNN trong nghiên cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới [9].
Theo NIH, CNSH nano là: 1. Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và 2. Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano.
Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích và tạo ra các hệ thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các hệ thống kỹ thuật) [10]. Hình 3 thể hiện khái quát các định nghĩa CNSH nano nêu trên.
Hình 3. Bức tranh toàn cảnh CNSH nano. Trong đó, các hệ thống, thiết bị riêng lẻ cũng như tích hợp được tạo ra từ nền tảng là sự giao thoa giữa CNSH và CNNN nhằm ứng dụng trong y học, sinh học… (Theo www.nano2life.org)
Hướng nghiên cứu chính
Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang có những bước tiến thành kỳ. Một số ví dụ của CNSH nano trong nghiên cứu và phát triển [11]:
• Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học. • Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật. • Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với nhau. • Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống. • Chuyển gene và đột biến điểm chính xác. • Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng đích • Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, để tạo năng lượng điện hoặc cơ.
Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. Bảng 1 liệt kê một số công ty thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng nghiên cứu chính là (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc và liệu pháp; (iii) thiết bị y học và cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực này, và một lĩnh vực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác [12]. Như một tất yếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể hiện ở số công ty vượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng đã có những công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.
Tiềm năng
Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của một công nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó.
Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho CNNN của các tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD năm 2003[13]. Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu và đào tạo CNSH nano bằng khoảng 6% của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty lớn hiện tập trung ứng dụng CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư trong dược và các hệ thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ đầu tư mạo hiểm chi nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%) [13]. Từ năm 1999, 52% trong số 900 triệu USD trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a). Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b). Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ chốt: các ưu đãi của chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y dược học [9]. Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần đây được chi cho các công ty hoạt động trong CNSH nano [8].
Hình 4. Sức cám dỗ ngày càng tăng của CNNN với các nhà đầu tư. (a) Vốn đầu tư mạo hiểm chi cho CNSH nano so với các lĩnh vực CNNN khác. (b) Quỹ đầu tư mạo hiểm hàng năm chi cho CNNN [9].
Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho CNNN toàn cầu [9]. Các quốc gia khác cũng không đứng ngoài cuộc, sau 3 năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác đã xây dựng các chương trình trong công nghệ này [8]. Năm 2004, chính phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN trong khi đó Nhật và liên minh Châu Âu cũng chi không kém. Thái Lan đang ở giai đoạn giữa của chương trình CNNN quốc gia 6 năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14]. Anh là quốc gia cuối cùng tăng chi tiêu trong công nghệ nano, được giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp đôi cam kết của nó với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8]. Ngân sách đầu tư cho CNNN của chính phủ một số nước được thể hiện trong bảng 2.
Theo National Science Foundation, thị trường CNSH nano sẽ đạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào năm 2006 [15].
Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng đã và đang chú trọng vào công nghệ nano. Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường và CNNN đã tăng hơn 50% so với năm 2003 [16].
Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG – TP.HCM [17], ĐHBK – TP.HCM [18], Trường ĐH-KHTN [19] và Đại học Công nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN đã và đang nghiên cứu, đào tạo về công nghệ nano.
Khu công nghệ cao TPHCM cũng tập trung đẩy mạnh CNNN [21]. Trong triển khai thực tiễn, thành công rực rỡ nhất của CNNN tại Việt Nam là chế tạo thành công than nano “lỏng” [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi mạch [23]. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về cấu trúc nano đa lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] và đã chế tạo thành công cảm biến nano dùng để xác định nồng độ khí gas hoá lỏng [25]. Khu công nghệ cao TP.HCM cũng đang hợp tác với trung tâm nhiệt đới Việt Nga để chế tạo mặt nạ sinh học dùng than nano [26], giấy và mực nano [27].
Tuy nhiên, CNSH nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt Nam. Trong lĩnh vực đào tạo, trường ĐHBK-HN mới có dự thảo chương trình đào tạo thạc sỹ về CNSH nano. Tại đây cũng bắt đầu triển khai ứng dụng CNNN trong chế tạo thuốc hướng đích. GS. Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH – ĐHQG HN), PGS. Nông Văn Hải (Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam) và GS. Nguyễn Hữu Đức (Trường Đại học Công nghệ – ĐHQG – HN) đang thảo luận để khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong y – sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh [24].
Nói chung, CNSH nano tại Việt Nam hiện chỉ mới đang đặt những viên gạch móng đầu tiên.
Đăng ký:
Bài đăng (Atom)