Phòng Công nghệ Plasma

02/11/2021 - 11:08 AM 475 lượt xem
CÁC THÀNH TỰU CHÍNH

Trưởng phòng
PGS.TS. Nguyễn Thanh Tùng
CHỨC NĂNG/NHIỆM VỤ:
  • Nghiên cứu cơ bản các quá trình vật lý, hóa-lý xảy ra khi plasma tương tác với vật liệu
  • Nghiên cứu công nghệ Plasma định hướng ứng dụng trong chế tạo và xử lý vật liệu, trong sản xuất nông nghiệp, y tế và chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường
HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHÍNH:
  • Nghiên cứu Công nghệ Plasma được định hướng nghiên cứu làm rõ bản chất các quá trình vật lý xảy ra khi plasma tương tác với vật chất hoặc môi trường bên ngoài.
  • Đồng thời nghiên cứu làm chủ các công nghệ plasma ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, y tế, thực phẩm và môi trường
 tungnt@ims.vast.ac.vn   + 84 912 994 444

CÁC THÀNH TỰU CHÍNH

1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano quy mô pilot bằng phương pháp plasma nhiệt.
Chúng tôi đã nghiên cứu, chế tạo nhiều loại vật liệu nano bằng phương pháp plasma nhiệt (thermal plasma). Đây là một trong những phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ pha khí, trong đó vật liệu được đốt cháy và hóa hơi ở nhiệt độ rất cao (3000-6000 oC), sau đó được lắng đọng, mọc thành các hạt cầu kích thước nano mét. Đây là phương pháp đơn giản, không sử dụng hóa chất, có thể tạo được các hạt nano với kích thước nhỏ, độ đồng đều cao. Phương pháp này phù hợp với chế tạo vật liệu nano vô cơ, ví dụ như nano carbon, nano tungsten, nano copper ... Sử dụng công nghệ plasma nhiệt có thể chế tạo bột nano với số lượng lớn 1-200g/h, đồng thời vẫn đảm bảo độ đồng đều, chất lượng cao.

 

Hình 1. (Trái) Ảnh SEM của vật liệu vảy than chì trước khi xử lý bằng plasma nhiệt
và (Phải) ảnh SEM của các hạt
nano carbon hình cầu được chế tạo bằng phương pháp plasma nhiệt DC.

2. Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ plasma trong nông nghiệp và y sinh.
Chúng tôi đã nghiên cứu, chế tạo và phát triển hệ thiết bị phát plasma jet hoạt động ở tần số cao (20–70 KHz), áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng. Hệ phát plasma jet đã được ứng dụng thử nghiệm để xử lý một số loại hạt giống và đánh giá khả năng kích thích nảy mầm của hạt. Quá trình nảy mầm và phát triển của rễ được tăng cường đáng kể sau khi xử lý plasma. Kết quả so sánh cho thấy plasma lạnh cho hiệu quả tốt hơn các phương pháp xử lý thông thường khác. Nghiên cứu của chúng tôi đã cho thấy plasma jet là một phương pháp tiên tiến kích thích hạt giống nảy mầm và phát triển hiệu quả, nhanh chóng và an toàn mà hoàn toàn không cần sử dụng hóa chất.

 
Hình 2. (A) Xử lý hạt đỗ được xử lý bằng plasma jet. Hiệu quả kích thích nảy mầm của mẫu 25 hạt đỗ ủ trên đĩa petril sau 12 tiếng với các thời gian xử lý plasma khác nhau (1, 2, 4, 6, 8, 10 và 15 phút) so với khi không được xử lý plasma.
 
3.  Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ plasma trong khoa học vật liệu: tổng hợp hạt nano kim loại vàng bằng plasma jet và định hướng ứng dụng để chế tạo đế SERS
Phương pháp tổng hợp dùng công nghệ plasma jet cho hiệu quả tổng hợp cao, thời gian tổng hợp nhanh (2-10 phút), giảm các hóa chất khử (trong một số điều kiện cụ có thể loại bỏ hoàn toàn chất khử) dẫn tới dung dịch tổng hợp có độ sạch cao. Đồng thời phương pháp tổng hợp bằng CN plasma jet có quy trình tổng hợp không phức tạp và thân thiện với môi trường (do giảm lượng hóa chất sử dụng so với các phương pháp khác như tổng hợp hóa học). Chúng tôi đang tiếp tục nghiên cứu để nâng cao độ đồng nhất của kích thước và hình thái của các hạt nano vàng nhằm ứng dụng làm đế SERS.
Hình 3: (a) ảnh chụp các dung dịch nano vàng (AuNPs) tổng hợp với các thời gian chiếu plasma từ 2 đến 15 phút;
b) Phổ hấp thụ của các mẫu AuNPs theo thời gian

 
4.  Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ Plasma trong xử lý môi trường: xử lý các hóa chất tồn dư (thuốc nhuộm, kháng sinh dư thừa…) trong nước thải sinh hoạt.
Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng: Plasma jet có thể phân hủy một số chất màu khác nhau như Rhodamine B, Methyl Blue… trong một thời gia rất nhanh (5 – 35 phút), hiệu quả và rất dễ dàng sử dụng (hệ plasma hoạt động chỉ cần sử dụng điện một chiều), không cần phải thay hóa chất/ màng lọc như các phương pháp thông thường. Dựa trên thành tựu nghiên cứu ban đầu, nhóm nghiên cứu tiếp tục đi sâu nghiên cứu về cơ chế xử lý chất màu và thử nghiệm hiệu quả xử lý các chất tồn dư khác (chất màu, thuốc kháng sinh…) trong nước bằng công nghệ Plasma. Mong muốn của chúng tôi có thể đẩy mạnh hơn nữa và xây dựng một hệ thống mini xử lý các chất thải này và phát triển tới quy mô công nghiệp.

 

Hình 4: Phân hủy chất màu Rhodamine B trong khoảng thời gian 35 phút bằng hệ Plasma jet: a) Hình ảnh dung dịch Rhodamine B bị phân hủy trong 35 phút xử lý plasma; b) Phổ hấp thụ thu được theo thời gian; c) Tốc độ phân hủy Rhodamine B theo thời gian được thể hiện bằng hàm số mũ cho thấy được hiệu ứng phân hủy rất tốt.

5. Nghiên cứu nguyên lý vật lý của siêu vật liệu metamaterials trong khai thác và sử dụng năng lượng điện từ ở tần số GHz và THz
Bên cạnh các hướng nghiên cứu chính liên quan đến công nghệ plasma, chúng tôi cũng nghiên cứu các quá trình thay đổi tính chất plasma điện bên trong các vật liệu điện từ nhân tạo như metamaterials/metasurfaces. Chúng tôi đã làm rõ quá trình chuyển hóa năng lượng trong siêu vật liệu metamaterials hoạt động ở vùng GHz và THz thông qua việc sử dụng cả cộng hưởng điện và cộng hưởng từ trong khai thác năng lượng hiệu suất cao. Ngoài ra, chúng tôi cũng nghiên cứu siêu vật liệu có khả năng hấp thụ trong vùng tần số rộng phục vụ cho khai thác năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau mà không ảnh hưởng tới kích thước của cấu trúc cơ sở. Một số phép đo phối hợp với các đồng nghiệp tại KU Leuven, chúng tôi đã xác định được các quá trình tiêu tán năng lượng chính của năng lượng được hấp thụ trong siêu vật liệu metamaterials hoạt động ở vùng THz và lượng hóa thời gian thực của các quá trình này.

Hình 5: (Trái) Vật liệu hấp thụ metamaterial ở tần số THz chế tạo bằng phương pháp khắc UV laser và bốc bay chùm điện tử trên Journal of Applied Physics 130, 013102 (2021). (Phải) Quá trình quang phân ly của một cấu trúc nano Co8O6+ thành Co và Co7O6+ dưới tác dụng của laser bước sóng 355 nm trên trang bìa tạp chí Journal of Physical Chemistry A số 124, trang 7333, năm 2020.

6. Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học dùng hiệu ứng plasmonic để xác định cấu trúc các G-quadruplex DNA aptamer định hướng ứng dụng trong phát hiện sớm tế bào ung thư
Trong hướng nghiên cứu này chúng tôi sử dụng mảng sắp xếp 2 chiều của các hạt nano bạc và đĩa nano vàng làm đế SERS nhằm tăng cường tín hiệu Raman để xác định cấu trúc G-quadruplex tạo bởi các chuỗi DNA. Dựa trên tín hiệu SERS, chúng tôi sẽ nghiên cứu, phân tích quá trình liên kết của các DNA này với nucleolin nhằm xác định cấu trúc và trình tự tối ưu của G-quadruplex aptamer để tăng độ nhạy, tính đặc hiệu của phương pháp này trong việc phát hiện các tế bào ung thư.

7. Nghiên cứu tính chất vật lý và hóa học của các cấu trúc nano kim loại, hợp kim bằng phương pháp tính toán lượng tử
Các cấu trúc nano được chế tạo bằng phương pháp plasma nhiệt chứa đựng nhiều tính chất lượng tử rất thú vị. Tiên đoán và tìm ra quy luật của những tính chất này không những giúp cho quá trình chế tạo và ứng dụng vật liệu nano bằng phương pháp plasma nhiệt được hiệu quả hơn mà còn giúp mở rộng hiểu biết của chúng ta về những tính chất cơ bản nhất của vật liệu trong thế giới nano. Trong hướng nghiên cứu này chúng tôi sử dụng các phương pháp tính toán vật lý và hóa học lượng tử để tính toán năng lượng của các cấu trúc ở kích thước từ vài đến vài chục nguyên tử. Từ đó, các tính chất vật lý và hóa học của chúng như độ bền liên kết, năng lượng phân ly, mô men từ spin, khả năng hấp phụ sẽ được xác định, và so sánh với các kết quả thực nghiệm để làm rõ cơ chế, nguyên lý của chúng.

CÁC CÔNG BỐ TIÊU BIỂU

Công bố khoa học
  1. Linh Nhat Nguyen, Neha Kaushik, Pradeep Lamichhane, Mumtaz Sohail, Ramhari Paneru, Bhartiya Pradeep, Jae Sung Kwon, Yogendra K. Mishra, Liem Q. Nguyen, Nagendra Kumar Kaushik, Eun Ha Choi*. “In situ plasma-assisted synthesis of polydopamine-functionalized gold nanoparticles for biomedical applications” Green Chemistry, 2020, 22, 19, 6588-6599. (IF: 10.182)

  2. Linh Nhat Nguyen, Neha Kaushik, Pradeep Bhartiya, Sintayehu Kebede Gurmessa, Hwa-Jung Kim, Liem Q. Nguyen, Nagendra Kumar Kaushik, Eun Ha Choi. “Plasma-synthesized mussel-inspired gold nanoparticles promote autophagy-dependent damage-associated molecular pattern release to potentiate immunogenic cancer cell death” Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2021, 100, 99-111. (IF: 6.064)

  3. Linh Nhat Nguyen, Pradeep Lamichhane, Eun Ha Choi, Geon Joon Lee. “Structural and Optical Sensing Properties of Nonthermal Atmospheric Plasma-Synthesized Polyethylene Glycol-Functionalized Gold Nanoparticles”. Nanomaterials, 2021,11,7, 1678. (IF: 5.076)

  4. M. Bejide, A. Vantomme, N. T. Tung, and E. Janssens, “Heat flow dynamics in planar metamaterials excited by far-infrared picosecond laser pulses”, Journal of Physics D: Applied Physics 55, 025105 (2022) (IF: 3.207)

  5. N. T. Mai, N. T. Lan, T. T. Phung, N. M. Tam, N. T. Cuong, S. T. Ngo, N. V. Dang, and N. T. Tung, “A systematic investigation on the structure, stability, and spin magnetic moment of CrMn clusters (M = Cu, Ag, Au and n = 2-20) by DFT calculations”, ACS Omega 6, 20341 (2021) (IF: 3.512) (highlighted in the issue front cover)

  6. M. Bejide, Y. Li, N. Stavrias, B. Redlich, T. Tanaka, V. D. Lam, N. T. Tung, and E. Janssens, “Transient transmission of THz metamaterial antennas by impact ionization on the silicon substrate”, Optics Express 29, 170 (2020) (IF: 3.894)

  7. N. T. Mai, S. T. Ngo, P. Lievens, and E. Janssens, and N. T. Tung, “Photofragmentation patterns of cobalt oxide cations ConOm+ (n=5-9, m=4-13): from oxygen-deficient to oxygen-rich species”, Journal of Physical Chemistry A 124, 7333 (2020) (IF: 2.781) (highlighted in the issue front cover)

  8. U. T. D. Thuy, N. T. Thuy, N. T. Tung, E. Janssens, and N. Q. Liem, “Large-area cost-effective lithography-free infrared metasurface absorbers for molecular detection”,  APL Materials 7, 071102 (2019) (IF: 5.089) (Editor’s pick)

  9. Dao, N. T., R. Haselsberger, M. T. Khuc, A. T. Phan, A. A. Voityuk and M.-E. Michel-Beyerle (2021). Photophysics of DFHBI bound to RNA aptamer Baby Spinach. Scientific Reports 11(1):7356.

  10. Le, T. Q. X., Nguyen, N. N., Dao, N. T. (2018) Development and fabrication of a tunable high frequency, high voltage power supply for atmospheric-pressure plasma jet generation. Journal of Military Science and Technology 57A (11): 19-87.

  11. Dao N.T., Ung T.D.T, Le. T.Q.X. (2019) Recognition of dimer G-quadruplex DNA by intrinsic fluorescence in comparison with NMR spectroscopy. Vietnam J. Chem. 57(2): 290-293

  12. Le, Q. X. T., Tran, H. Q., Trinh, T. H. and Dao, N. T. (2021). Removal of Rhodamine B dye by plasma jet oxidation process. Communications in Physics 31(1): 95

TRANG THIẾT BỊ CHÍNH

1. Hệ tổng hợp vật liệu nano bằng plasma nhiệt:
Đây là hệ thiết bị hiện đại cho phép tổng hợp vật liệu nano bằng 3 đầu phát plasma nhiệt DC tổng công suất hơn 100 kW, hoạt động với nguồn điện áp 380 VAC. Bằng việc sử dụng buồng phản ứng thiêu kết Plasma ở nhiệt độ từ 3000-6000 oC giúp chế tạo nhiều loại vật liệu ở kích thước nano mét (10 – 100 nm) với quy mô pilot (~ 250g/ giờ).
 

2. Hệ thiết bị Plasma jet
Hệ thiết bị sử dụng bộ nguồn cao áp - điện áp cao hoạt động trong dải tần số 20 - 80 kHz, điện áp 2 – 6 kV đạt được công suất 1 đến 5W. Bộ nguồn phát kết hợp với các đầu chiếu plasma, sử dụng khí Ar hoặc Ar pha trộn với O2 và N2 để tiến hành phát chùm tia plasma jet. Nhóm nghiên cứu tiến hành ứng dụng trong các thiết bị thử nghiệm chế tạo các hạt nano kim loại trong dung dịch, xử lý một số chất thải màu môi trường và nông y sinh.


3. Hệ thiết bị Microwave Plasma
Sử dụng nguồn điện áp đầu vào 220 V – 50 Hz với công tối đa có thể đạt được là 4 KW. Hệ thiết bị sẽ được hướng tới ứng dụng trong việc sử lý các bề mặt vật liệu ở diện rộng.
Ngoài ra, phòng công nghệ Plasma còn được trang bị: các hệ nguồn phát plasma jet (công suất 1 KW), Nguồn plasma DBD (công suất 1 KW), Nguồn DC cao áp (công suất 10W), thiết bị van điều khiển lưu lượng khí với độ chính xác rất cao, tủ vi khí hậu (công suất 1.8 KW) để phục vụ trong các quá trình tiến hành ứng dụng công nghệ Plasma vào các lĩnh vực sản xuất, chế tạo các loại vật liệu và xử lý môi trường, nông nghiệp, y sinh….


Viện khoa học vật liệu
  • 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
  • Điện thoại: 024 37564 129
  • Email: office@ims.vast.ac.vn
  • Giờ làm việc: 08h30 tới 17h00 từ thứ Hai đến thứ Sáu
© 2021 Bản quyền thuộc về VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU.