Từ vật liệu nền đến công nghệ ứng dụng

Graphene, ống nano carbon (CNTs) và nitride bo lục giác (hBN) được xem là những vật liệu quan trọng của thế kỷ XXI nhờ các tính chất đặc biệt về độ bền, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt và diện tích bề mặt lớn. Những vật liệu này đang được nghiên cứu để phát triển cảm biến thông minh, pin lưu trữ năng lượng, thiết bị điện tử linh hoạt và các công nghệ xử lý ô nhiễm.

Tuy nhiên, để một vật liệu từ phòng thí nghiệm có thể đi vào đời sống, việc tạo ra vật liệu mới mới chỉ là bước đầu. Điều quan trọng hơn là phải làm chủ được cả quá trình chế tạo, xử lý bề mặt, kết hợp với các vật liệu khác và tạo thành sản phẩm có khả năng giải quyết những vấn đề cụ thể. Đây cũng là hướng đi được nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Văn Chúc, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam lựa chọn.

Các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano carbon tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Việc làm chủ quy trình chế tạo, biến tính và tích hợp vật liệu là nền tảng để phát triển các ứng dụng trong môi trường, năng lượng và điện tử.

Một trong những kết quả nổi bật của nhóm là phát triển quy trình bóc tách các tấm nano graphene và hBN từ vật liệu khối bằng công nghệ rung siêu âm công suất lớn kết hợp nghiền bi hành tinh. Đây là những kỹ thuật cơ học năng lượng cao, giúp tạo ra các lớp vật liệu có độ mỏng ở kích thước nano với chất lượng tương đối ổn định. Sau khi được bóc tách, bề mặt vật liệu tiếp tục được xử lý và chức năng hóa. Có thể hiểu đơn giản, đây là quá trình "điều chỉnh" bề mặt vật liệu để chúng dễ kết hợp với những vật liệu khác, từ đó tạo ra các tính chất mới và mở rộng khả năng ứng dụng.

Nhóm nghiên cứu cũng làm chủ công nghệ gắn các hạt nano vàng và bạc lên bề mặt CNTs, graphene và hBN. Sự kết hợp này tạo ra các vật liệu tổ hợp đa chức năng, có khả năng truyền điện tích tốt hơn, tăng hoạt tính xúc tác và nâng cao độ nhạy của cảm biến.

Theo PGS.TS Nguyễn Văn Chúc, giá trị quan trọng của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc tạo ra một loại vật liệu mới, mà ở khả năng làm chủ công nghệ chế tạo và xử lý vật liệu. Khi có nền tảng công nghệ này, các nhà khoa học có thể tiếp tục phát triển nhiều sản phẩm phục vụ những nhu cầu khác nhau trong môi trường, năng lượng và điện tử.

Đây cũng là dấu hiệu cho thấy Việt Nam có thể tham gia sâu hơn vào những hướng nghiên cứu vật liệu tiên tiến, dựa trên năng lực nghiên cứu trong nước.

Khi vật liệu nano giải quyết những bài toán thực tế

Một hướng ứng dụng đáng chú ý của kết quả nghiên cứu là phát triển cảm biến phục vụ giám sát môi trường và an toàn thực phẩm. Nhóm đã chế tạo điện cực cảm biến từ tổ hợp graphene, CNTs và nano vàng, có khả năng phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật ở nồng độ cỡ phần tỷ (ppb). Đây là mức phát hiện rất thấp, có ý nghĩa trong việc kiểm soát chất lượng nông sản, giám sát an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trong xử lý nước thải, vật liệu tổ hợp graphene, hBN và TiO₂ cho thấy hiệu quả trong quá trình quang xúc tác phân hủy các chất màu độc hại như Rhodamine B và Methylene Blue. Đây là những hợp chất có thể xuất hiện trong nước thải từ ngành dệt nhuộm, in ấn và một số hoạt động sản xuất công nghiệp.

Nếu tiếp tục được hoàn thiện và phát triển ở quy mô phù hợp, hướng nghiên cứu này có thể góp phần tạo ra các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả hơn, đặc biệt trong bối cảnh yêu cầu kiểm soát ô nhiễm công nghiệp ngày càng cao.

Vật liệu nano carbon cũng được thử nghiệm cho một vấn đề đang trở nên quan trọng trong ngành công nghệ: tản nhiệt cho thiết bị điện tử. Từ CNTs, graphene và hBN, nhóm nghiên cứu đã phát triển kem tản nhiệt và chất lỏng tản nhiệt cho vi xử lý máy tính và chip LED công suất lớn. Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng truyền nhiệt được cải thiện so với vật liệu truyền thống. Điều này có thể giúp thiết bị hoạt động ổn định hơn, giảm nguy cơ quá nhiệt và kéo dài tuổi thọ. Đây là hướng có tiềm năng trong bối cảnh máy tính hiệu năng cao, trung tâm dữ liệu và các hệ thống chiếu sáng công suất lớn ngày càng phát triển.

Ngoài ra, nhóm còn nghiên cứu sử dụng CNTs, graphene và hBN để gia cường lớp phủ composite nền niken. Kết quả bước đầu cho thấy vật liệu có thể cải thiện cơ tính, khả năng chống mài mòn và độ bền của các chi tiết cơ khí làm việc trong điều kiện khắc nghiệt.

Trong lĩnh vực năng lượng, các vật liệu nano tiếp tục được thử nghiệm trong pin lithium, loại pin phổ biến trên xe điện và nhiều thiết bị điện tử. Kết quả bước đầu cho thấy tiềm năng nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng, tăng độ ổn định của điện cực và phát triển màng dẫn điện trong suốt cho các linh kiện quang điện tử thế hệ mới.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên nhiều tạp chí khoa học quốc tế thuộc nhóm Q1, Q2. Một sáng chế của nhóm cũng đã được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ.

Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đánh giá nhóm nghiên cứu đã làm chủ nhiều công nghệ chế tạo, biến tính và tích hợp vật liệu carbon nano tiên tiến, đồng thời phát triển được nhiều hướng ứng dụng trong môi trường, năng lượng và điện tử.

Từ những vật liệu có kích thước siêu nhỏ, nghiên cứu đang mở ra những khả năng ứng dụng rất cụ thể. Chặng đường từ phòng thí nghiệm đến sản xuất vẫn còn nhiều bước cần hoàn thiện, nhưng việc làm chủ được công nghệ nền là tiền đề quan trọng để Việt Nam tiếp tục phát triển các vật liệu nano đa chức năng, hướng tới cảm biến thông minh, năng lượng sạch, điện tử thế hệ mới và công nghệ môi trường.

Trong giai đoạn tới, nhóm nghiên cứu dự kiến tăng cường hợp tác với doanh nghiệp, từng bước đưa các kết quả từ phòng thí nghiệm vào thực tiễn sản xuất. Đây có thể là bước chuyển quan trọng để những thành quả nghiên cứu vật liệu tiên tiến không chỉ dừng ở các công bố khoa học mà trở thành những giải pháp phục vụ đời sống và phát triển kinh tế.