Vật liệu polymer được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong y tế và kỹ thuật nhờ tính mềm dẻo, dễ tạo hình. Mặc dù vậy, các tổn thương cơ học như vết nứt, xước vi mô phát sinh trong quá trình vận hành thường khiến kết cấu suy giảm độ bền, làm giảm tuổi thọ sử dụng. Đối với màng phủ cấy ghép y sinh hay linh kiện điện tử co giãn, việc thay thế hoặc sửa chữa thủ công đòi hỏi chi phí lớn cùng quy trình phức tạp.

Để giải bài toán này, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu, Khoa Công nghệ Vật liệu (Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM) dẫn dắt, đã tập trung phát triển dòng vật liệu polyurethane thông minh có khả năng tự phục hồi. Thay vì bổ sung các vi nang chứa chất hàn gắn bên ngoài – vốn chỉ đáp ứng được một lần tổn thương, nhóm lựa chọn cơ chế tự lành nội tại dựa trên các liên kết hóa học thuận nghịch.

PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu cùng các cộng sự trao đổi về công nghệ tổng hợp vật liệu polymer tự lành tại phòng thí nghiệm.

Cốt lõi khoa học của nghiên cứu nằm ở kỹ thuật thiết kế giao diện cứng - mềm trong mạng lưới phân tử polyurethane. Bằng việc phân bổ các liên kết động Diels-Alder vào đúng vị trí bề mặt phân pha thay vì sắp xếp ngẫu nhiên, vật liệu vừa duy trì được độ bền kéo cao, vừa kích hoạt phản ứng nối lại các chuỗi polymer bị đứt gãy. Khi xuất hiện vết cắt hoặc vết rạn, vật liệu chỉ cần tác động nhiệt nhẹ khoảng 65°C trong thời gian ngắn để các liên kết hóa học tự tái tạo, khôi phục lại gần như nguyên vẹn trạng thái ban đầu.

Thử nghiệm thực nghiệm cho thấy mẫu vật liệu đạt hiệu suất phục hồi lực kéo trên 85% sau khi chịu va đập cơ học. Độ tương thích sinh học cao giúp màng polyurethane tự lành mở ra triển vọng lớn trong việc chế tạo da nhân tạo, màng phủ cấy ghép có thể tự hàn gắn tổn thương ngay trong cơ thể người, hoặc làm nền cho các thiết bị vi điện tử đeo trên cơ thể.

Bề mặt màng polyurethane tự nối liền các chuỗi phân tử bị đứt gãy sau khi tác động nhiệt nhẹ.

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế chuyên ngành Chemistry of Materials và ghi dấu ấn lớn khi PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu - nhà khoa học nữ duy nhất được vinh danh tại Giải thưởng Tạ Quang Bửu năm 2022 

Cơ chế tự chữa lành của liên kết động Diels-Alder

Liên kết Diels-Alder (DA) là một dạng liên kết cộng hóa trị thuận nghịch theo nhiệt độ. Khi vật liệu polyurethane chịu tác động cơ học làm nứt rạn, việc gia nhiệt nhẹ ở mức 65–70°C sẽ kích hoạt phản ứng đứt gãy thuận nghịch (retro-DA) giữa vòng furan và maleimide, tạo điều kiện cho các chuỗi phân tử dịch chuyển linh hoạt tại vùng tổn thương. Khi hạ nhiệt độ về mức bình thường, phản ứng ghép đôi DA diễn ra trở lại, kết nối các đầu mạch phân tử và khép kín vết rạn nứt mà không cần bất kỳ hóa chất phụ trợ nào khác. 

Kết quả nghiệm thu đề tài nghiên cứu cấp Đại học Quốc gia TP.HCM khẳng định năng lực làm chủ công nghệ vật liệu tiên tiến của đội ngũ trí thức trong nước. Sự dấn thân của các nhà khoa học nữ trong lĩnh vực vật liệu thông minh đang trực tiếp rút ngắn khoảng cách giữa nghiên cứu cơ bản với sản phẩm ứng dụng y sinh thực tế, đóng góp tích cực cho hệ sinh thái đổi mới sáng tạo, tương tự những ghi nhận dành cho TS. Hà Thị Thanh Hương - Nhà khoa học được TP.HCM vinh danh điển hình tiên tiến 

PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu Đại học Bách khoa TP.HCM nghiên cứu polymer

Nguồn box: Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM Link nguồn: https://hcmut.edu.vn/