Vào 29/12/1959, nhà vật lý nổi tiếng của Hiệp hội Vật lý Mỹ là Richard Feeynman nêu ra ý tưởng “Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta sắp xếp lại các nguyên  tử theo trình tự định sẵn theo ý tưởng của mính” Đây là gợi ý cho lĩnh vực nghiên cứu mới, kỹ thuật nano. Kỹ thuật nano là kỹ thuật kiểm soát sự sắp xêp hay sắp xếp lại vật chất ở mức độ nguyên tữ hay phân tữ. Nano là đơn vị chiều dài bằng một phần tỷ mét  (nm), khái niệm chiều dài này được minh họa ở hình 1. Một sợi tóc có đường kính bằng 80.000 nm, phạm vi mắt trầnchỉ  có thể nhìn thấy được những vật có kích thước lớn hơn 10.000 nm. Nano là đơn vị chiều dài sữ  dụng trong hóa học và vật lý. Thí dụ điển hình là ống carbon nano có đường kính chỉ vài nano nhưng dẫn điện tốt hon dây thép gấp 100 lần và trọng lượng chỉ bằng 1/6 dây thép

Hình 2: Mô hình sợi carbonnano  một lóp(SWCNT) (A) và nhiều lớp (MWCNT) (B)cho thấy đường kính và chiều dài và khoảng cách giữa 2 lớp carbon MWCNTs.
(Source: http://jnm.snmjournals.org/cgi/content/full/48/7/1039/FIG1)

 Kỹ thuật nano trong công nghệ sinh học

Các nhà hóa học đã thành công trong dựng mô hình phân tữ theo không gian 3 chiều, hình thành  mối liên kết giữa công nghệ sinh học và kỹ thuật nano. Họ đã thực hiện mô hình tinh thể DNA bằng cách tạo ra chuổi DNA có thể tự tổng hợp theo trình tự và sắp xếp theo không gian ba chiều. Tinh thể DNA có một đầu dính hay hay một điểm kết dính nhỏ nó có thể thu hút các phân tữ khác để hình thành dạng tinh thể. Khi nhân các sợi xoắn ốc, chúng liên kết nhau qua các điểm kết nối để tạo hình mắt cáo với 6 kiểu sắp xếp khác nhau qua sắp xếp trong không gian 3 chiều như ở hình 3. Kỹ thuật này có thể được ứng dụng trong cải thiện những loại cây trồng quan trọng bắng cách sắp xếp các nối liên kết carbohydrates, lipids, proteins và  nucleic acids với các tinh thể này.

Các tinh thể nano có thể như viên đạn thần kỳ (magic bullets’), chứa thuốc trừ cỏ, hóa chầt hay genes, chuyển vào cây để phóng thích từ từ các chất này. Các viên nano capsule có thể cho phép thuốc trừ cỏ ngấm qua lớp cutin và mô, cho phép phóng thích từ từ các hoạt chất.

Các nhà hóa học ở trường đại học bang Iowa đã sử dụng tinh thể silica nano kích thước 3-nm (mesoporous silica nanoparticle (MSN) để chuyển đoạn DNA và hóa chất vào tế bào phân lập. MSNs là loại màng hóa học được dùng để chứa những gene chuyển vào cây. Màng bao kích thích cây hấp thu các tinh thể qua vách tế bào, ở đó các gen.

 
 Hình 3. a. Mô hình của các tam giác liên kết với nhau; b. Mô hình của các lổ trống (đường trắng) của  tam giác  DNA . (Source: From molecular to macroscopic via the rational design of a self-assembled 3D DNA crystal, Nature, DOI: 10.1038/nature08274)

 Tinh thể nano và tái chế rác nông nghiệp

Kỹ thuật nano còn được ứng dụng trong giảm rác thải nông nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp bông vải. Khi sợi bông được dệt thành vải, những sợi hay bụi bông không sử dụng được sẽ cho ra các sản phẫm có giá trị kinh tế thấp như bông gòn, viên bông ép, chỉ bông. Bằng kỹ thuật mới để giải quyết vấn đề trên gọi là se chỉ điện tữ “electro spinning”, Các nhà khoa học đã tạo ra các sợi bông có đường kính 100 nanometer có thể sử dụng như chất hấp thu phân bón và thuôc trừ sâu. Chất hấp thu mạnh này có thể hấp thu ở địa điểm của cây trồng  theo thời gian thích hợp.

Sản xuất ethanol từ bắp làm thức ăn gia súc đã làm tăng giá lương thực trong 2 năm qua, những nguồn thức ăn gia có nguồn gốc cellulose được quan tâm  trong việc sản xuất xăng sinh học và kỹ thuật nano được khuyến khích tạo ra các enzymes sẽ phân hũy cellulose thành ethanol. Các nhà khoa học về nano công nghệ enzymes cho biết việc chuyển cellulose thành ethanol sẽ rẽ hơn do sử dụng những cây dễ trồng, không có giá trị kinh tế cao.

Trấu là  sản phẩm phụ trong quá trình xay xát lúa gạo được dùng làm chất đốt, sau khi đốt. một lượng tro đáng kể với hàm lượng nanosilica chất lượng cao có thể được dùng để sản xuất những vật liệu khác như kính hay beton. Kể từ đó, kỹ thuật nano đã giải quyết vấn đề xả trấu  xuống sông.

Kỹ thuật nano trong quản lý thuốc bảo vệ thực vật, dinh dưỡng, chất điều hòa sinh trưởng   

Hệ thống quản lý các chất như nước, chất dinh dưỡng và hóa chất có thể tăng  hiệu quả và chính xác cao thông qua nano cảm biến (nanosensors) và nano thông minh (nano-based smart). Qua sử dụng các vật liệu nano và hệ thống định vị tòan cầu bằng hình ảnh thu qua vệ tinh, các nhà quản lý trang trại có thể phát hiện từ xa các sâu bệnh hay hạn hán, Khi đó nó có thể tự động phun thuốc trừ sâu bệnh hay tưới nước. Bộ cảm biến nano có thể được lắp đặt ở trên ruộng để phát hiện virus hay tình trạng dinh dưỡng của cây. Viện nanocapsule có thể phóng thích phân bón từ từ theo hướng tiết kiệm và giảm ô nhiễm môi trường

Thanh nano mã vạch (Nanobarcodes) hay nano   chế biến (nanoprocessing) được sử dụng trong hướng quản lý chất lượng sản phẩm nông nghiệp. Các nhà khoa học của trường đại học Cornel đã sử dụng lọai mã vạch theo hướng rẻ tiền, tiện lợi, nhanh và dễ thao tác để phát hiện bệnh. Họ sản xuất thanh mã vạch điện tữ (microscopic probes) hay thanh nano (nanobarcodes) có thể dễ dàng phát hiện nhiều lọai mầm bệnh trên đồng ruộng và kiểm tra bằng bất kỳ lọai đèn hùynh quang nào. Dự án phát triển theo hướng chế tạo thiết bị xách tay cho kiểm tra viên để nhanh chóng kiểm tra chất lượng sản phẩm mà không cần qua khóa huấn luyện đặc biệt nào. Dự án đang hợp tác với Bộ Nông nghiệp Mỹ để kỳ vọng sẽ đưa ra ứng dụng vào cuối năm 2011

Qua kỹ thuật nano, các nhà khoa học có thể nghiên cứu các chất điều hòa tăng trưởng như auxin là chất kích thích ra rễ và đâm chồi. Các nhà khoa học tại trường đại học Purdue đã chế tạo bộ cảm biến nano (nanosensor) với chất auxin. Mối tương tác tạo ra tín hiệu điện và qua đó có thể biết được nồng độ của auxin ở điểm đo. Hệ thống này cho phép ta biết được tế bào hấp thu hay thải auxin ra môi trường. Đây là đột phá mới vì khi nghiên cứu về auxin, các nhà khoa học sẽ hiểu rõ cách rễ cây thích nghi với môi trường, đặc biệt là lọai đất xấu

Tác động của kỹ thuật nano

Kỹ thuật nano có thể giải quyết các vấn đề về lương thực, thực phẩm trong nông nghiệp. Cũng giống như công nghệ sinh học, những vấn đề về an toàn thực phẩm, đa dạng sinh học là những tiêu chí cần thiết để đánh giá và cấp phép kỹ thuật  nano. Tuy nhiên các sản phẩm  nano trong sát trùng băng bó vết thương, chống rỉ sét trong các công trình xây dựng, kem chống nắng đã được thương mại hóa  rất lâu.

Nhà khoa học đọat giải Richard Smalley đã trình bày ích lợi của kỹ thuật nano trước Hội đồng Khoa học Mỹ năm  1999. Ông nhấn mạnh tác động của kỹ thuật nano đối với các khía cạnh của đời sống con người như sức khỏe, tiện nghi tương đương với các khám phá về mạch điện tữ, chẩn đóan siêu âm trong y học. máy tính điện tữ và chất polymer được khoa học khám phá trong thế kỹ 20. Đến nay, các nhà khoa học nano đã thành công trong việc sắp xếp các nguyên tữ theo mục tiêu áp dụng chẳng những cho nông nghiệp, mà còn ở lĩnh vực y học, điện tữ. tin học, công nghệ thông tin và  đánh giá môi trường.

Tài liệu tham khảo

Nanotechnology in Agriculture http://www.isaaa.org/resources/publications/pocketk/39/default.asp

Nguyễn Phước Tuyên