CNQP&KT - Hiện nay, với nhiều ưu điểm vượt trội, công nghệ na-nô được coi là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quân sự. Do đó, các cường quốc quân sự rất quan tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ này trong phát triển các vật liệu mới, nhất là trong trang bị cho hải quân.

CÔNG NGHỆ NA-NÔ TRONG TÁC CHIẾN BIỂN

Công nghệ na-nô liên quan đến 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 na-nô-mét (1 nm = 10−9 m). Nhờ những ưu điểm vượt trội về khả năng liên kết, kết nối mạng, hỏa lực và khả năng cơ động, tự bảo vệ… công nghệ na-nô đã được ứng dụng rộng rãi trong quân sự. Trong tác chiến biển, công nghệ na-nô cho phép tạo lập những khả năng hoàn toàn mới và rất cấp thiết đối với các hạm đội hải quân hiện đại.

Đầu những năm 1980, các chương trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ na-nô trong môi trường tác chiến của hải quân đã được triển khai và đạt được nhiều thành tựu. Hầu hết các chương trình này được thực hiện bởi các viện nghiên cứu ở Bắc Mỹ, châu Âu và châu Á, nhằm tăng cường khả năng nhận biết tình hình, bảo vệ tài sản và đảm bảo an toàn, an ninh cho các tàu hải quân neo đậu trên các bến cảng, căn cứ hải quân trong điều kiện giảm thiểu nhân lực. Đặc biệt, Hải quân Mỹ và một số nước châu Âu, châu Á đã xem xét việc ứng dụng công nghệ na-nô để nhận biết, dự báo, chuẩn bị và trả đũa các vụ tấn công khủng bố, tấn công phi đối xứng nhằm vào những cơ sở vật chất kỹ thuật cao và các tàu hải quân neo đậu trong cảng. Công nghệ này còn giúp tăng cường hệ thống trinh sát cho tàu thuyền, cải thiện vỏ giáp cho các tàu mặt nước, nâng cao hệ thống kiểm soát thiệt hại trên tàu (bao gồm hệ thống phòng, chống cháy nổ), các bộ phận cảm biến trên biển, trên không nhằm phát hiện các hoạt động bất hợp pháp trong vùng duyên hải. Đồng thời, tăng khả năng thu thập tin tức tình báo chiến thuật cho các lực lượng viễn chinh; trang bị kỹ thuật tẩy độc, tẩy xạ và tẩy trùng trên các tàu hải quân. Công nghệ na-nô cho các vi hệ thống cũng được ứng dụng trong các bộ cảm biến hoàn toàn mới và được sử dụng cho các phương tiện bay không người lái (UAV) nhằm phát hiện các mục tiêu xa bờ…

MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU THÔNG MINH TỪ NA-NÔ

Vật liệu na-nô có cấu trúc là các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng... có kích thước khoảng từ 1 na-nô-mét đến 100 na-nô-mét. Loại vật liệu này tồn tại ở thể rắn, lỏng và thể khí. Vật liệu na-nô còn được gọi theo hình dáng, bao gồm vật liệu na-nô không chiều (đám na-nô, hạt na-nô), vật liệu na-nô một chiều (dây na-nô, ống na-nô), vật liệu na-nô hai chiều (màng mỏng), vật liệu mang cấu trúc na-nô hay na-nô com-po-sít. Các phương pháp chế tạo vật liệu na-nô phổ biến gồm: hóa ướt (phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và đồng kết tủa); cơ khí na-nô (phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học); bay hơi nhiệt (phương pháp quang khắc, lắng đọng trong chân không); pha khí (phương pháp nhiệt phân, nổ điện, đốt la-de, bốc hơi ở nhiệt độ cao, plasma); hóa học (dung dịch muối kim loại thông qua quá trình phản ứng oxi hóa khử chuyển ion sang kim loại ở kích thước na-nô)…

Các phương pháp chế tạo vật liệu na-nô phổ biến gồm: hóa ướt, cơ khí na-nô, bay hơi nhiệt, pha khí và hóa học…

Hầu hết các chương trình nghiên cứu công nghệ na-nô hiện nay đều tập trung vào vật liệu thông minh được sử dụng trong lĩnh vực đóng tàu và đã phát huy hiệu quả trong những điều kiện khắc nghiệt của môi trường biển. Các nhà khoa học cho rằng, các vật liệu na-nô com-po-sít được cải tiến có thể giúp các hạm đội giảm được chi phí mua và bảo dưỡng các tàu sử dụng vật liệu phủ bằng gốm. Đó có thể là các hợp kim nhôm - những hợp chất bền, bám dính và rất dẻo. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã dùng vật liệu phủ bằng gốm gia cố thêm nhôm và cho nhựa teflon (loại nhựa chống ăn mòn) vào các lỗ rỗng. Một lớp mỏng vật liệu gốm là hydroxyapatite - thường được sử dụng để phủ răng trong nha khoa. Các lớp phủ có độ dày từ vài mi-crô-mét tới vài mi-li-mét có thể được tạo ra. Trên các tàu chiến của Mỹ đã từng sử dụng các lớp phủ làm từ vật liệu na-nô gốm cho các bộ phận máy khác nhau, như: trên thân của kính tiềm vọng, cần trục của chân vịt, các van hút và xả khí của tàu ngầm. Nhờ vậy, đã tiết kiệm được hàng chục triệu USD trong 10 năm qua.

Trên thực tế, tàu hải quân có rất nhiều hệ thống máy móc và các thiết bị kiểu xi-lanh hoạt động liên tục, nên các vật liệu cấu trúc na-nô như vật liệu phủ NFC (các-bon gần phi ma sát) sẽ được sử dụng cho các bề mặt tàu để chống lại môi trường nước biển. Nhiều năm qua, các-bon đã được sử dụng là một thành phần của các vật liệu com-po-sít trong các ngành công nghiệp. Hiện nay, đã có những tiến bộ đáng kể trong phát triển loại vật liệu phủ bằng phim các-bon siêu cứng có độ trơn/bóng gấp nhiều lần so với teflon; giúp các bộ phận lăn, trượt và quay có tuổi thọ lớn hơn nhiều so với khi sử dụng các vật liệu bôi trơn truyền thống như sun-phua mô-lip-đen (MoS2). Bên cạnh đó, loại dầu bôi trơn truyền thống còn có nhược điểm là gây trở ngại cho quá trình bảo dưỡng tàu do các vi khuẩn thường phản ứng với lưu huỳnh trong thành phần của dầu bôi trơn và sản sinh ra cả a-xit sun-phua-ríc và sun-pha-mic có thể làm ăn mòn các bộ phận kim loại. Một số loại hình khác của cấu trúc vật liệu na-nô cũng đã được ứng dụng để chống gỉ sét cho các tàu hải quân. Do hợp chất chống gỉ kẽm tributyl bị cấm trên diện rộng, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu phát triển các loại hạt na-nô để thay thế. Các hạt đồng ô-xít kích thước na-nô đã được kiểm chứng có thể tăng khả năng chống gỉ sét, kéo dài chu kỳ làm vệ sinh và thay thế. Tập đoàn Nanophase Technologies (Mỹ) đã quảng bá về loại vật liệu kẽm ô-xít dạng lỏng cho các ứng dụng nêu trên. Kích thước hạt na-nô riêng rẽ của các loại vật liệu này (chứa cả đồng, nhôm và bạc) đều nhỏ hơn 100 na-nô-mét. Bên cạnh tác động chống gỉ sét, nấm và vi khuẩn, những loại vật liệu này được sử dụng ngày càng nhiều trong chế tạo các linh kiện điện quang. Sự ổn định nhiệt của vật liệu sẽ giúp tăng độ bền của linh kiện, cho phép vật liệu có thể được tích hợp vào các tấm nhựa và trên các bề mặt hoạt động trong môi trường biển khắc nghiệt. Theo đánh giá, loại vật liệu này đã giảm được sự cản trở ma sát giữa thân tàu và nước biển, góp phần đáng kể vào việc giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí các-bon-nic.

Ngoài ra, trên chiến trường hiện đại, người lính có thể nhanh chóng nạp lại nguồn năng lượng nhờ các tấm pin na-nô tích điện nhanh hơn và có bề mặt diện tích lớn hơn nhiều so với các loại pin khác. Các nhà hoạch định chiến lược tại Cơ quan về các đề án nghiên cứu tiên tiến quốc phòng (DARPA) thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ đề cập đến giải pháp sử dụng các tế bào/pin mặt trời được làm từ các vật liệu na-nô. Những tấm pin này có thể cung cấp năng lượng từ xa cho các binh sĩ, phương tiện bay không người lái và hệ thống cảm biến chạy bằng năng lượng mặt trời. Công nghệ na-nô còn có thể tạo ra nhiều cách để đưa dòng điện ra chiến trường trên cơ sở phát triển các loại pin/tế bào nhiên liệu hoàn toàn mới. Văn phòng nghiên cứu Hải quân Mỹ tập trung nghiên cứu về các tế bào nhiên liệu vi sinh có tiềm năng đáng kể trong việc phát điện trên các tàu chiến bằng cách chuyển đổi các vi sinh vật thành dòng điện. Những tế bào này chuyển đổi các nhiên liệu tự nhiên và các chất ô-xy hóa trong môi trường biển thành điện năng, tạo ra một nguồn pin sạch, hiệu quả và đáng tin cậy thay thế cho các loại pin và nhiên liệu có hại cho môi trường. Đồng thời, đây cũng là nguồn năng lượng hiệu quả phục vụ các hoạt động dài ngày của các phương tiện không người lái dưới nước, trong các cảm biến dưới nước và thiết bị phục vụ trinh sát và quan trắc môi trường biển. Các nhà nghiên cứu tại Công ty Luke Lester Optoelectronics đã phát triển được loại tế bào/pin mặt trời dạng phim mỏng lượng tử điểm (QD) linh hoạt và nhẹ, sử dụng cho các ứng dụng công nghệ hệ thống siêu nhỏ tự hành (MAST), được gắn vào một rô-bốt bay siêu nhỏ tự hành (COMBAT) để phát năng lượng. Trong dự án nghiên cứu này, pin năng lượng mặt trời indium arsenide (InAs) QD đang được nghiên cứu. Ngoài ra, Hải quân đánh bộ Mỹ đã phát triển loại công nghệ sợi com-po-sít không dệt hiện đại thay thế cho các loại sợi để sản xuất quân phục chiến đấu tiện ích và ngụy trang, với mục đích tận dụng công nghệ không dệt mới nhất để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí vòng đời cho các loại vải may quân phục dã chiến…

Có thể thấy, vật liệu thông minh từ na-nô đã được ứng dụng hiệu quả, góp phần nâng cao sức bền, tính năng của tàu, thuyền, tăng cường hiệu suất chiến đấu của người lính lực lượng hải quân và tiếp tục hứa hẹn những tiềm năng mới trong tương lai.

ĐOÀN HÙNG