Thiết bị plasma lạnh: (a) Sơ đồ cấu tạo hệ thiết bị plasma lạnh, (b) Ứng dụng của hệ plasma lạnh trong quy trình tổng hợp vật liệu nano vàng. (Ảnh: Nguồn Viện Hàn lâm KHoa học và Công nghệ Việt Nam)

Việc chế tạo và vận hành ổn định nguồn plasma lạnh sử dụng khí argon không chỉ khẳng định năng lực nghiên cứu trong nước, mà còn mở ra hướng tiếp cận mới cho sản xuất vật liệu nano kim loại quý theo mô hình xanh, an toàn và dễ kiểm soát.

Vật liệu nano kim loại, đặc biệt là nano vàng (Au) và nano bạc (Ag), từ lâu đã được xem là nền tảng cho nhiều ứng dụng tiên tiến trong y sinh, xử lý môi trường và công nghiệp công nghệ cao. Nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, các hạt nano này có khả năng tương tác mạnh với ánh sáng, giúp nâng cao hiệu quả chẩn đoán, diệt khuẩn, xúc tác hay phát triển các hệ vật liệu quang học thế hệ mới. Tuy nhiên, phần lớn các quy trình tổng hợp hiện nay vẫn dựa trên phương pháp hóa học truyền thống, tiêu tốn nhiều năng lượng, sử dụng hóa chất độc hại và phát sinh chất thải, chưa đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững.

Trong bối cảnh đó, plasma lạnh được xem là hướng đi đầy triển vọng nhờ khả năng tạo ra các tác nhân hoạt hóa mạnh, đủ để khử ion kim loại ngay ở điều kiện thường. Dù vậy, việc làm chủ nguồn phát plasma ổn định, an toàn và phù hợp cho tổng hợp vật liệu nano vẫn là thách thức lớn. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn này, TS. Nguyễn Nhật Linh cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu đã triển khai đề tài “Nghiên cứu chế tạo nguồn phát plasma lạnh ứng dụng trong tổng hợp vật liệu nano kim loại có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Au, Ag)”, thuộc Chương trình thu hút các nhà khoa học trẻ của Viện Hàn lâm.

Trong quá trình thực hiện, nhóm nghiên cứu tập trung thiết kế và tối ưu hóa hệ plasma lạnh sử dụng khí argon, với cấu trúc điện cực được tính toán kỹ lưỡng nhằm bảo đảm khả năng khử ion kim loại ở áp suất và nhiệt độ phòng. Hệ thiết bị được xây dựng theo hướng gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn tạo ra mật độ tác nhân hoạt hóa cao, cho phép hình thành nhanh các hạt nano vàng và bạc mà không cần sử dụng chất khử hóa học. Đây là yếu tố then chốt giúp kiểm soát tốt kích thước, hình dạng và độ phân bố hạt, đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng vật liệu nano.

Chia sẻ về quá trình nghiên cứu, TS. Nguyễn Nhật Linh cho biết, thách thức lớn nhất nằm ở việc duy trì trạng thái plasma ổn định trong thời gian dài. Chỉ một sai lệch nhỏ về công suất hay lưu lượng khí cũng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành hạt nano. Do đó, nhóm buộc phải tối ưu đồng bộ từ cấu trúc điện cực, hệ cấp khí đến cơ chế phát plasma, nhằm bảo đảm tính đồng đều và độ lặp lại của sản phẩm.

TS. Nguyễn Nhật Linh (ngoài cùng bên trái) và nhóm nghiên cứu Phòng Công nghệ Plasma - Viện Khoa học vật liệu (Ảnh: Nguồn Viện Hàn lâm KHoa học và Công nghệ Việt Nam)

Song song với việc chế tạo thiết bị, nhóm đã tiến hành khảo sát có hệ thống các thông số ảnh hưởng như công suất plasma, lưu lượng khí, thời gian xử lý và nồng độ muối kim loại. Kết quả cho thấy, phương pháp plasma lạnh không chỉ rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng mà còn tạo ra các hạt nano có độ ổn định cao, phân bố đồng đều và thể hiện rõ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Những kết quả này khẳng định ưu thế nổi bật của công nghệ plasma so với các quy trình hóa học truyền thống, đặc biệt ở khía cạnh giảm thiểu hóa chất độc hại, hạn chế chất thải và dễ mở rộng quy mô.

Theo TS. Nguyễn Nhật Linh, thành quả quan trọng nhất của đề tài là chứng minh được khả năng tổng hợp nano kim loại quý bằng phương pháp hoàn toàn “sạch”, không sử dụng chất khử độc hại. Việc làm chủ nguồn phát plasma lạnh trong nước không chỉ phù hợp với định hướng công nghệ xanh, mà còn góp phần giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu, tạo tiền đề cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn trong lĩnh vực vật liệu nano và vật liệu quang – điện tử.

Giá trị khoa học và thực tiễn của đề tài được thể hiện rõ qua các công bố nghiên cứu, trong đó có năm bài báo đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc nhóm Q1 và Q2, cùng một báo cáo khoa học trong kỷ yếu hội nghị chuyên ngành trong nước. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các sản phẩm cụ thể như hệ plasma jet và vật liệu nano vàng, nano bạc phục vụ nghiên cứu và ứng dụng. Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm đánh giá cao kết quả đạt được và thống nhất xếp loại đề tài loại A.

Thành công của đề tài một lần nữa khẳng định tiềm năng của công nghệ plasma lạnh trong tổng hợp vật liệu nano kim loại quý theo hướng xanh, an toàn và dễ kiểm soát. Việc chế tạo thành công nguồn plasma lạnh ổn định bằng khí argon không chỉ là dấu mốc trong hành trình làm chủ công nghệ nano của Việt Nam, mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong y sinh, môi trường và các lĩnh vực công nghệ cao, đóng góp thiết thực cho mục tiêu phát triển khoa học và công nghệ bền vững.