Việc tạo ra một loại vật liệu mới mới chỉ là bước khởi đầu. Để vật liệu có thể đi vào sản xuất và tạo ra giá trị kinh tế, các nhà khoa học phải làm chủ toàn bộ chuỗi công nghệ, từ chế tạo, xử lý bề mặt, tích hợp với các vật liệu khác đến đánh giá hiệu quả trong điều kiện thực tế. Đây cũng là khâu khó nhất, quyết định khả năng thương mại hóa của các vật liệu tiên tiến.

Sau hai năm triển khai nhiệm vụ "Phát triển nhóm nghiên cứu xuất sắc hạng II về nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu carbon nano tích hợp với một số vật liệu liên quan" (mã số NCXS02.03/24-25), nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, chủ trì đã làm chủ nhiều công nghệ cốt lõi trong chế tạo và ứng dụng vật liệu carbon nano. Kết quả này tạo nền tảng để phát triển các giải pháp mới trong lĩnh vực môi trường, năng lượng và điện tử.

PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc thực hiện đo SEM mapping mẫu TiO₂@graphene cấu trúc lõi - vỏ bằng hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM JSM-IT8000) tại Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (USTH), Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Một trong những kết quả nổi bật của nhiệm vụ là xây dựng được quy trình công nghệ tương đối hoàn chỉnh, thay vì chỉ giải quyết từng công đoạn riêng lẻ. Nhóm đã phát triển thành công phương pháp bóc tách graphene và nitrua bo lục giác (hBN) từ vật liệu khối bằng công nghệ rung siêu âm công suất lớn kết hợp nghiền bi hành tinh. Sau đó, bề mặt vật liệu được chức năng hóa nhằm tăng khả năng liên kết với các vật liệu khác, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Nhóm cũng làm chủ quy trình gắn các hạt nano vàng và bạc lên bề mặt ống nano carbon (CNTs), graphene và hBN. Sự kết hợp giữa vật liệu carbon nano với các hạt nano kim loại tạo ra vật liệu tổ hợp có khả năng truyền điện tích tốt hơn, tăng hoạt tính xúc tác và nâng cao độ nhạy của các hệ cảm biến.

Theo PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc, giá trị lớn nhất của nhiệm vụ không nằm ở số lượng vật liệu được tạo ra mà ở việc làm chủ công nghệ chế tạo và xử lý vật liệu. Khi sở hữu nền tảng công nghệ này, nhóm nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển nhiều sản phẩm phục vụ các lĩnh vực khác nhau mà không phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài. Thành công của nhiệm vụ cũng khẳng định các nhà khoa học Việt Nam hoàn toàn có khả năng tiếp cận và làm chủ những hướng nghiên cứu vật liệu tiên tiến đang được thế giới quan tâm.

Quy trình chế tạo vật liệu tổ hợp giữa ống nano carbon (CNTs) và các hạt nanô kim loại do nhóm nghiên cứu phát triển

Những công nghệ được phát triển đã nhanh chóng được kiểm chứng thông qua nhiều bài toán ứng dụng thực tiễn.

Trong lĩnh vực an toàn thực phẩm, nhóm đã chế tạo điện cực cảm biến trên cơ sở vật liệu tổ hợp graphene, CNTs và nano vàng, có khả năng phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật ở nồng độ rất thấp, cỡ phần tỷ (ppb). Độ nhạy này đáp ứng yêu cầu giám sát chất lượng nông sản, góp phần nâng cao hiệu quả kiểm soát an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Đối với xử lý môi trường, vật liệu tổ hợp giữa graphene, hBN và TiO₂ cho hiệu quả cao trong quang xúc tác phân hủy các chất màu hữu cơ độc hại như Rhodamine B và Methylene Blue - những hợp chất thường xuất hiện trong nước thải của ngành dệt nhuộm, in ấn và nhiều ngành công nghiệp khác.

Ở lĩnh vực quản lý nhiệt, CNTs, graphene và hBN được ứng dụng để phát triển kem tản nhiệt và chất lỏng tản nhiệt dành cho vi xử lý máy tính cũng như chip LED công suất lớn. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả truyền nhiệt được cải thiện đáng kể so với các vật liệu truyền thống, góp phần nâng cao hiệu suất vận hành và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa trong bối cảnh nhu cầu làm mát các trung tâm dữ liệu, hệ thống điện tử công suất lớn và thiết bị năng lượng ngày càng gia tăng.

Các bước chế tạo cảm biến điện hóa ứng dụng màng vật liệu tổ hợp Gr/CNTs/AuNPs trong phát hiện dư lượng thuốc thuốc bảo vệ thực vật

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu còn sử dụng CNTs, graphene và hBN để gia cường các lớp phủ composite nền niken. Các thử nghiệm bước đầu cho thấy vật liệu mới giúp cải thiện cơ tính, tăng khả năng chống mài mòn và nâng cao độ bền của lớp phủ, mở ra triển vọng ứng dụng trong chế tạo các chi tiết cơ khí làm việc trong điều kiện khắc nghiệt.

Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, vật liệu carbon nano tiếp tục được nghiên cứu để ứng dụng trong pin lithium và các linh kiện điện tử. Kết quả bước đầu cho thấy khả năng nâng cao hiệu suất tích trữ năng lượng, cải thiện độ ổn định của điện cực và phát triển các màng dẫn điện trong suốt phục vụ linh kiện quang điện tử thế hệ mới.

Không chỉ tạo ra các kết quả nghiên cứu, nhiệm vụ còn góp phần nâng cao năng lực khoa học trong nước. Trong quá trình triển khai, nhóm đã đào tạo nhiều nghiên cứu sinh và học viên cao học, mở rộng hợp tác với các cơ sở nghiên cứu trong và ngoài nước. Nhiều kết quả đã được công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc nhóm Q1, Q2; đồng thời một sáng chế đã được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ.

Theo đánh giá của Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhiệm vụ đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, đặc biệt trong việc làm chủ công nghệ chế tạo, biến tính và tích hợp vật liệu carbon nano. Hội đồng cũng ghi nhận những đóng góp của nhóm trong việc gắn kết nghiên cứu cơ bản với ứng dụng thực tiễn, thúc đẩy công bố quốc tế và đào tạo đội ngũ nghiên cứu trẻ.

Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển các vật liệu nano đa chức năng phục vụ cảm biến thông minh, công nghệ môi trường, điện tử và năng lượng sạch, đồng thời tăng cường hợp tác với doanh nghiệp nhằm từng bước đưa kết quả nghiên cứu vào sản xuất.

Việc làm chủ các công nghệ vật liệu carbon nano không chỉ khẳng định năng lực nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến mà còn tạo nền tảng để phát triển các công nghệ phục vụ chuyển đổi năng lượng, tăng trưởng xanh và nâng cao năng lực cạnh tranh của khoa học, công nghệ quốc gia trong những năm tới.