[Tư Liệu] Khí Động Lực Học

Gần 100 năm về trước, nhà vật lý nổi tiếng Joseph John Thomson (người phát minh ra electron, giải thưởng Nobel năm 1906) đã trình bày một bài giảng ở Viện Hoàng gia London về động lực học của những quả bóng gôn. Lời của ông được trích lại như sau:
“Nếu chúng ta có thể chấp nhận được những sự giải thích về chuyển động của quả bóng gôn bằng cả đống tài liệu về trò chơi này... thì trong buổi chiều ngày hôm nay, tôi cần mang đến cho các bạn một môn động lực học mới, và tôi cũng thông báo rằng, những vật chất, khi được chế tạo thành những quả bóng [gôn], chúng sẽ tuân theo những định luật có đặc trưng hoàn toàn khác…”

Khí động lực học của trái bóng
Sự lệch quỹ đạo của một vật thể quay tròn lần đầu tiên được giải thích bởi Lord Rayleigh dựa trên công trình thực hiện năm 1852 của nhà vật lý Đức Gustav Magnus. Thực ra hồi ấy Magnus muốn nghiên cứu xem tại sao những quả đạn lại bị lệch sang một bên khi vừa quay tròn vừa chuyển động, song sự lý giải của ông cũng được áp dụng rất tốt cho trường hợp quả bóng đá.Ta hãy xét một trái bóng đang quay quanh một trục vuông góc với dòng không khí chuyển động trên bề mặt của nó.

Tại một phía mặt bên của bóng, chiều quay của nó cùng chiều với chuyển động của dòng không khí và như vậy dòng khí ở mặt bên này sẽ đi nhanh hơn so với dòng khí ở phần giữa gần trục quay của bóng. Theo nguyên lý Bernouilli, áp suất tại một mặt bên của bóng, nơi có dòng khí chuyển động nhanh hơn sẽ nhỏ hơn áp suất ở phần giữa. Tại mặt bên kia của bóng thì điều này xảy ra ngược lại, vì tại đó chiều quay của bóng sẽ ngược với chiều chuyển động của dòng khí, làm giảm tốc độ dòng khí và từ đó làm tăng áp suất. Như vậy, có một sự không cân bằng về lực và quả bóng sẽ đi lệch sang một bên. Những hiện tượng như thế này thường được gọi là “hiệu ứng Magnus”.
Những lực làm lệch đường đi của quả bóng quay tròn nói chung được chia thành hai loại: một lực nâng và một lực cản. Lực nâng hướng lên trên hoặc hướng sang ngang, đại diện cho hiệu ứng Magnus. Lực cản tác động theo hướng ngược với đường đi của quả bóng. Chúng ta có thể tính được các lực này trong một tình huống đá phạt. Giả sử rằng vận tốc của quả bóng là 25-30m/s và tốc độ quay là khoảng 8-10 vòng mỗi giây, khi đó lực nâng vào khoảng 3,5N. Nếu lấy khối lượng chuẩn của một quả bóng dành cho thi đấu là 410-450g, khi đó nó sẽ có gia tốc là khoảng 8m/s2. Và bởi vì trong một giây, quả bóng có thể đi về phía trước được cỡ 30m nên lực nâng sẽ khiến nó bị lệch khoảng 4m so với quỹ đạo thẳng, quá đủ để gây khó khăn cho bất cứ thủ môn nào.
Lực cản FD (ở đây có thể hiểu là lực cản của không khí) tỷ lệ với bình phương vận tốc v, giả sử rằng mật độ r và tiết diện ngang A của quả bóng không thay đổi : FD = CDrAv2/2. Tuy nhiên, có vẻ như là “hệ số cản” CD cũng phụ thuộc vào vận tốc của bóng. Chẳng hạn, nếu ta vẽ đồ thị hệ số cản theo số Reynold – một tham số không thứ nguyên có giá trị là rvD/μ , trong đó D là đường kính của quả bóng và μ là độ nhớt động học của không khí – ta sẽ thấy rằng hệ số cản giảm đột ngột khi dòng khí ở bề mặt của quả bóng bắt đầu trở nên rối loạn.
Khi các dòng khí phân lớp một cách có trật tự , hệ số cản sẽ lớn, lớp không khí trên bề mặt bóng sẽ bị phân tách khi nó vừa đi qua quả bóng, và từ đó những xoáy khí sớm được hình thành ở ngay sau đuôi quả bóng. Tuy nhiên, khi dòng khí trở nên rối loạn, lớp khí trên bề mặt bám vào quả bóng lâu hơn, nó bị phân tách chậm hơn, và do đó hệ số cản sẽ nhỏ.Giá trị số Reynold mà tại đó hệ số cản giảm sẽ phụ thuộc vào độ nhám trên bề mặt quả bóng. Chẳng hạn, với những quả bóng gôn có độ nhám bề mặt cao, hệ số cản sẽ giảm tại một giá trị số Reynold tương đối thấp (cỡ 2.104). Tuy nhiên, trong trường hợp quả bóng đá, nó nhẵn hơn bóng gôn nên giá trị số Reynold này lớn hơn nhiều (cỡ 4. 105).
Kết quả là một quả bóng chuyển động chậm sẽ phải chịu một lực trễ tương đối lớn. Nhưng nếu bạn có thể sút bóng đủ nhanh sao cho dòng khí đi qua nó bị rối, quả bóng sẽ chịu một lực trễ nhỏ (Hình 4) Do vậy, một quả bóng chuyển động nhanh sẽ gây khó khăn gấp bội cho thủ môn không chỉ vì tốc độ cao của nó mà còn vì nó không bị chậm lại nhiều như người ta tưởng. Có lẽ những thủ môn hàng đầu hiểu về vật lý theo trực giác nhiều hơn là theo suy luận.Năm 1976, Peter Bearman và các cộng sự ở trường Imperial College, London đã thực hiện một loạt các thí nghiệm đối với quả bóng gôn. Họ thấy rằng việc tăng tốc độ quay của quả bóng sẽ tạo ra một hệ số nâng lớn hơn và từ đó là một lực Magnus lớn hơn. Tuy nhiên, việc tăng vận tốc tịnh tiến ở một tốc độ quay cho trước lại làm giảm hệ số nâng. Điều này có nghĩa là một quả bóng chuyển động chậm nhưng quay nhanh sẽ chịu một một lực làm lệch lớn hơn so với quả bóng chuyển động nhanh có cùng tốc độ quay.

Roberto Carlos
Chắc hẳn nhiều người hâm mộ bóng đá vẫn còn nhớ cú sút phạt tuyệt vời của Roberto Carlos trong trận Pháp-Brazil. Quả bóng được đặt cách khung thành khoảng 30m, hơi chếch về phía phải. Carlos sút, quả bóng vòng qua hàng rào của Pháp một cách rất lịch sự rồi có vẻ như sẽ đi chệch sang phía phải cầu môn trước sự hí hửng của thủ thành Fabien Barthez. Nhưng như có phép lạ, quả bóng vẽ thành một đường cong lượn sang trái và đi vào lưới qua góc phải trên khung thành trước sự sững sờ tất cả những ai đang theo dõi trận đấu. Thậm chí, một số bình luận viên hồi ấy, những người vốn không hiểu lắm về khoa học đã quá nhời mà bình luận rằng: “Cú sút của Roberto Carlos đã thách thức tất cả những định luật vật lý”.
Nếu coi sự lạm ngôn của những bình luận viên chính là lời thách thức đối với các nhà vật lý thì như chúng ta đã biết, Magnus đã giải quyết được vấn đề này từ cách đây một thế kỷ rưỡi rồi. Carlos đã sút bằng chân trái đồng thời làm quả bóng quay ngược chiều kim đồng hồ theo phương nhìn từ trên xuống dưới, có lẽ tốc độ quay là 10 vòng mỗi giây và vận tốc tịnh tiến là khoảng 30m/s. Dòng khí đi qua bề mặt bóng bị rối, sức cản trở nên nhỏ đi. Khi quả bóng bay được khoảng 10m, vận tốc giảm xuống, lực Magnus bẻ cong đường đi của nó và hướng nó về phía khung thành. Giả sử rằng, sự quay không bị yếu đi quá nhiều, khi đó hệ số cản tăng. Điều này thậm chí đã dẫn đến một lực làm lệch lớn hơn và bẻ cong đường bóng nhiều hơn. Cuối cùng, bóng bay chậm lại, nó chui vào lưới với một sự bẻ lái vô cùng kỳ thú.

Những nghiên cứu tiếp theo về bóng đá
Có nhiều nghiên cứu về bóng đá hơn là sự khảo sát đơn giản về chuyển động của quả bóng. Các nhà nghiên cứu cũng rất hứng thú với việc tìm hiểu xem trên thực tế một cầu thủ sút một quả bóng như thế nào. Chẳng hạn, Stanley Plagenhof của Đại học Massachusetts đã nghiên cứu về động học của những cú sút – nói cách khác đó là sự xem xét chuyển động mà không chú ý đến các lực liên quan. Những nhà nghiên cứu khác, chẳng hạn như Elizabeth Roberts và các cộng sự ở Đại học Wisconsin đã thực hiện nghiên cứu về động lực học của những cú sút, nghĩa là xét đến cả các lực liên quan. Những tiếp cận thực nghiệm này đã mang lại những kết quả rất hay, mặc dù vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất là sự khó khăn trong việc đo chuyển động vật lý của các cầu thủ, một phần là bởi vì chuyển động của họ không thể dự đoán trước được. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong việc phân tích chuyển động bằng máy tính đã thu hút được nhều sự chú ý đến lĩnh vực khoa học thể thao, và với sự áp dụng những phương pháp khoa học mới, bây giờ người ta đã có thể thực hiện những phép đo chính xác đối với chuyển động của con người.Chẳng hạn, một nhóm nghiên cứu ở Đại học Yamagata, Nhật Bản đã kết hợp phương pháp máy tính với phương pháp động lực học truyền thống để mô phỏng cách mà các cầu thủ sút bóng. Những mô phỏng này đã cho phép tạo nên những cầu thủ bóng đá “ảo” với nhiều loại khác nhau. Những nhà sản xuất dụng cụ thể thao, chẳng hạn như ASICS cũng rất hứng thú với nghiên cứu này và họ đang tài trợ cho đề tài của Yamagata. Họ hy vọng là sẽ sử dụng các kết quả để thiết kế những dụng cụ thể thao tiện ích hơn, an toàn hơn và kinh tế hơn.

Chuyển động của các cầu thủ được theo dõi bằng video tốc độ cao tới 4500 hình mỗi giây, và sự va chạm giữa chân và bóng được nghiên cứu bằng sự phân tích phần tử hữu hạn. Những thí nghiệm ban đầu đã chứng minh điều mà hầu hết các cầu thủ đều biết: nếu bạn dùng mu bàn chân sút vào tâm trọng lực của bóng, khi đó quả bóng sẽ bay đi theo đường thẳng. Tuy nhiên, nếu bạn sút bằng phần trước của bàn chân với một góc giữa ống chân và bàn chân là 90o, bóng sẽ đi theo đường cong. Trong trường hợp này sự va chạm là lệch tâm, nó sinh ra một lực tác động như một momen xoắn làm quay quả bóng.Các thí nghiệm cũng chỉ ra rằng sự quay mà quả bóng có được là liên quan mật thiết với hệ số ma sát giữa bóng và bàn chân cũng như khoảng cách giữa bàn chân và tâm trọng lực của bóng. Mô hình phần tử hữu hạn cho sự va chạm giữa bàn chân và quả bóng được viết bằng phần mềm DYTRAN và PATRAN của tập đoàn MacNeal Schwendler đã được sử dụng để phân tích theo phương pháp số những hiện tượng này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự tăng hệ số ma sát giữa bóng và bàn chân khiến quả bóng quay nhiều hơn. Nó cũng sẽ quay nhiều hơn nếu vị trí bàn chân ở càng xa tâm trọng lực. Hai hiệu ứng thú vị khác cũng được quan sát. Thứ nhất, nếu khoảng cách bàn chân-tâm trọng lực tăng thì chân sẽ chạm bóng trong thời gian ngắn hơn và trên một vùng nhỏ hơn, điều này làm giảm cả vận tốc lẫn sự quay của bóng. Như vậy có một vị trí lý tưởng để sút bóng nếu bạn muốn nó quay mạnh nhất, nếu bạn sút vào vị trí quá gần hoặc quá xa tâm trọng lực, quả bóng sẽ chẳng quay gì hết. Hiệu ứng thú vị thứ hai là, ngay cả khi hệ số ma sát bằng không, quả bóng vẫn sẽ quay ở mức độ nào đó nếu bạn sút chệch khỏi tâm trọng lực. Quả bóng chịu một sự biến dạng hướng vào tâm, điều này gây nên một lực tác dụng gần tâm trọng lực. Như vậy, các cầu thủ vẫn có thể làm quả bóng quay trong những ngày trời mưa, mặc dù nó quay kém hơn so với những điều kiện khô ráo.
Dĩ nhiên, những sự phân tích này cũng có một vài hạn chế. Không khí bên ngoài quả bóng bị bỏ qua, và giả sử rằng không khí bên trong quả bóng diễn biến tùy thuộc vào độ nén, đó là mô hình dòng chảy nhớt. Đúng ra, một cách lý tưởng, cả không khí bên trong và bên ngoài quả bóng đều cần được xét đến, và những độ nhớt được mô hình hóa bằng việc sử dụng các phương trình Navier-Stokes. Cũng phải giả thiết rằng bàn chân là đồng nhất, khi đó rõ ràng là một bàn chân trên thực tế sẽ phức tạp hơn nhiều. Mặc dù không thể tạo ra một mô hình hoàn hảo có xét đến mọi yếu tố, nhưng mô hình này cũng đã bao gồm những yếu tố quan trọng nhất.

Thay cho tiếng còi chung cuộc
Nào! Bây giờ, chúng ta có thể học được gì từ Roberto Carlos ? Nếu bạn đá quả bóng đủ mạnh để dòng khí chạy qua bề mặt của nó trở nên bị rối, khi đó lực cản sẽ nhỏ và quả bóng sẽ “bay thực sự”. Nếu bạn muốn một đường bóng cong, hãy làm nó quay thật mạnh bằng việc sút vào vị trí lệch tâm của nó. Tuy làm việc này vào ngày khô ráo sẽ dễ dàng hơn ngày ẩm ướt, nhưng về nguyên tắc vẫn có thể làm được, bất chấp mọi điều kiện. Đường bóng sẽ cong đi khi quả bóng chậm lại và hình thành các lớp không khí có trật tự, vì vậy bạn cần phải luyện tập, thử nghiệm để đảm bảo rằng sự biến chuyển này xảy ra đúng nơi, đúng lúc – chẳng hạn như ngay sau khi quả bóng vượt qua hàng rào bảo vệ.

[Học tập]Chào Mừng Ngày Vật Lý Của Trường Đai Học Sư Phạm Tp.HCM

Tên bài: Công nghệ nano
Đọc là công nghệ nanô, (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 10-9 m). Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:
Cơ sở khoa học nano
Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nm
Chế tạo vật liệu nano
Ứng dụng vật liệu nano
Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ, đám nano, hạt nano...
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ, dây nano, ống nano,...
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ, màng mỏng,...
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano.
Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 micrômét3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.
Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ phần đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.
Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.
Lĩnh vực
Tính chất

Lĩnh vực
Tính chất
Độ dài tới hạn (nm)
Tính chất điện
Bước sóng điện tử
10-100
Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi
1-100
Hiệu ứng đường ngầm
1-10
Tính chất từ
Độ dày vách đô men
10-100
Quãng đường tán xạ spin
1-100
Tính chất quang
Hố lượng tử
1-100
Độ dài suy giảm
10-100
Độ sâu bề mặt kim loại
10-100
Tính siêu dẫn
Độ dài liên kết cặp Cooper
0,1-100
Độ thẩm thấu Meisner
1-100
Tính chất cơ
Tương tác bất định xứ
1-1000
Biên hạt
1-10
Bán kính khởi động đứt vỡ
1-100
Sai hỏng mầm
0,1-10
Độ nhăn bề mặt
1-10
Xúc tác
Hình học topo bề mặt
1-10
Siêu phân tử
Độ dài Kuhn
1-100
Cấu trúc nhị cấp
1-10
Cấu trúc tam cấp
10-1000
Miễn dịch
Nhận biết phân tử
1-10
Chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn về kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng có thể là đùn thủy lực, tuốt, cán, ép. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...). Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí,... Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,...
Hướng ứng dụng chung
Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có. Chúng có thể đuợc lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng.
Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng luợng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory).
Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đuờng cho sự tiếp cận với những hệ thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micrômét.
Khoa học nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm tường tận. Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất.
Các nguyên lý và hiệu ứng dùng
Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thuớc. Vật chất khi ở dạng vi thể (nano-size) có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dang nguyên thể (bulk) không thể thấy đuợc.
Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanômét, các điện tử không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính cơ luợng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng. Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tuợng luợng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới. Một vài hệ quả của hiệu ứng luợng tử bao gồm, chẳng hạn như:
Hiệu ứng đường hầm: điện tử có thể tức thời chuyển động xuyên qua một lớp cách điện. Lợi điểm của hiệu ứng này là các vật liệu điện tử xây dựng ở kích cỡ nano không những có thể được đóng gói dầy đặc hơn trên một chíp mà còn có thể hoạt động nhanh hơn, với ít điện tử hơn và mất ít năng luợng hơn những transistor thông thuờng.
Sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn như tính chất điện và tính chất quang phi tuyến (non-linear optical).
Bằng cách điều chỉnh kích thuớc, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật chất ở dạng nguyên thể.
Thí dụ: Chấm luợng tử, đuợc viết tắt là QD (quantum dots). Một QD là một hạt vật chất có kich thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó theo một cách hữu ích nào đó. Do sự hạn chế về không gian (hoặc sự giam hãm) của những điện tử và lỗ trống trong vật chất (một lỗ trống hình thành do sự vắng mặt của một địên tử; một lỗ trống hoạt động như là một điện tích dương), hiệu ứng luợng tử xuất phát và làm cho tính chất của vật chất thay đổi hẳn đi. Khi ta kích thích một QD, QD càng nhỏ thì năng luợng và cuờng độ phát sáng của nó càng tăng. Vì vậy mà QD là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới.
Hiện nay liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thước là chúng tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law). Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của môt chất rắn (chẳng hạn như ferromagnetism và magnetic hysteresis), và band gap của chất bán dẫn (semiconductor) phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới hạn của kích thước nanômét. Hầu hết bất cứ một thuộc tính nào trong vật rắn đều kết hợp với môt kích thước đặc biệt, và duới kích thước này các tính chất của vật chất sẽ thay đổi.
Mối quan hệ này mở đường cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những tính chất mong muốn, không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử, mà còn bởi sự điều chỉnh kích thuớc và hình dạng.
Các thiết bị dùng trong việc nghiên cứu và quan sát các cấu trúc nano
Phương tiện chính đuợc dùng trong công nghệ nano là kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM). Nó chủ yếu bao gồm một ngòi viết cực nhỏ có thể quét trên bề mặt. Tuy nhiên, do ngòi viết này chỉ cách bề mặt của vật cần đo đạt vào khoảng vài nguyên tử và ngòi (tip) của nó có cấu trúc tinh vi (kích thuớc cỡ chừng khoảng vài phân tử hoặc nguyên tử), cho hiệu ứng cơ luợng tử xảy ra. Khi ngòi viết đuợc quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vuợt qua khoảng không gian giữa bề mặt của vật liệu và đầu của ngòi viết. Kỹ thuật này làm cho một máy tính có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân tử và nguyên tử của vật chất.
Những phương tiện dụng cụ khác bao gồm:
Molecular beam epitaxy
Molecular self-assemly
Electron microsopy
X-ray crystallography
NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy
AFM (Atomic Force Microsopy)
SEM (Scanning Electron Microscopy)
TEM (Tranmission Electron Microscopy).
Điều chế vật liệu
Những kỹ thuật lắp ráp các vi cấu trúc thành những kiểu mẫu cấu trúc được thấy nhiều nhất trong lãnh vực vi điện tử. Những kỹ thuật phổ biến bao gồm photolithography, X-ray lithography, e-beam lithography, soft lithography, solgel.
Các phương pháp tính toán
Bên cạnh thực nghiệm, việc nghiên cứu các vi cấu trúc có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phép tính lượng tử (chẳng hạn như hoá lượng tử) và mô phỏng (simulation). Phương pháp ab initio là phương pháp phổ biến nhất hiện nay.
Những thí dụ bao gồm ab initio molecular dynamics, quantum Monte Carlo, quantum mechanics, vv... Những phương pháp này đặc biệt hữu hiệu trong việc tìm hiểu tính chất của vật chất ở dạng vi mô bởi vì những vi cấu trúc chỉ chứa vài nguyên tử

[Học tập]Một số link dùng để tham khảo trực tuyến (sưu tầm)

http://rapidshare.com/files/6759996/VIBA_-_VE_TINH.rar
http://rapidshare.com/files/6759234/TU_DONG_HOA_QUA_TRINH_NHIET_P3.pdf
http://rapidshare.com/files/6759233/TU_DONG_HOA_QUA_TRINH_NHIET_P1__2.rar
http://rapidshare.com/files/6759008/tu_dien_dich_thuan_danh_cho_cau_duong.doc
http://rapidshare.com/files/6758928/tri_tue_nhan_tao_DHQG_HA_NOI.pdf
http://rapidshare.com/files/6758433/TINH_TOAN_THIET_KE_HE_THONG_DIEU_HOA_KHONG_KHI.pdf
http://rapidshare.com/files/6757336/THUAT_TOAN_THUAT_GIAI.pdf
http://rapidshare.com/files/6756617/ROBOT_CONG_NGHIEP.rar
http://rapidshare.com/files/6756616/nang_luong_mat_troi.rar
http://rapidshare.com/files/6756439/MPLS.pdf
http://rapidshare.com/files/6756438/mausacI.pdf
http://rapidshare.com/files/6756047/logo.pdf
http://rapidshare.com/files/6755218/KY_THUAT_THONG_TIN_SO.pdf
http://rapidshare.com/files/6754747/KY_THUAT_SO.rar
http://rapidshare.com/files/6754746/KY_THUAT_NHIET_-_DIEN.pdf
http://rapidshare.com/files/6754189/KY_THUAT_LAP_TRINH__TREN_WINDOWS.rar
http://rapidshare.com/files/6754188/KHAO_SAT_UNG_DUNG_MATLAB_TRONG_DKTD.rar
http://rapidshare.com/files/6751361/HE_THONG_MAY_VA_THIET_BI_LANH.zip
http://rapidshare.com/files/6751360/GiaotrinhvekythuatKT.rar
http://rapidshare.com/files/6751359/Giaotrinhmonmang.pdf
http://rapidshare.com/files/6749379/DO_AN_CONG_NGHE_CHE_TAO_MAY.rar
http://rapidshare.com/files/6748800/dien_tu_tuong_tu.pdf
http://rapidshare.com/files/6748798/co_hoc_dat.rar
http://rapidshare.com/files/6748497/CHUYEN_MACH.pdf
http://rapidshare.com/files/6748495/CAU_TRUC_PHAN_CUNG_PC.zip
http://rapidshare.com/files/6747498/Cac_ham_API_danh_cho_VB.zip
http://rapidshare.com/files/6747084/Bai_giang_DK_so.pdf
http://rapidshare.com/files/6746789/autocad.rar
Tuy không đầy dủ và đôi khi sai chủ đề nhưng thank những ai đóng góp thêm