Phòng Công nghệ Plasma

PHÒNG CÔNG NGHỆ PLASMA

Chức năng/ nhiệm vụ: - Làm rõ các quá trình vật lý, hóa-lý xảy ra khi plasma tương tác với vật liệu - Phát triển và làm chủ 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: - Lĩnh vực 1:  Nghiên cứu quy trình chế tạo các loại vật liệu nano kim loại, nano oxit kim loại, nano carbon bằng phương pháp plasma nhiệt - Lĩnh vực 2: Nghiên cứu quy trình tổng hợp các loại vật liệu nano bằng phương pháp plasma lạnh - Lĩnh vực 3: Nghiên cứu chế tạo các thiết bị plasma lạnh phục vụ cho nghiên cứu cơ bản và triển khai ứng dụng (nông nghiệp, y sinh, vật liệu) - Lĩnh vực 4: Nghiên cứu cấu trúc điện tử của những cụm nguyên tử nanoclusters và thiết kế các siêu nguyên tử. - Lĩnh vực 5: Nghiên cứu tin học vật liệu ứng dụng trong tiên đoán các tính chất vật liệu - Lĩnh vực 6: Nghiên cứu phát triển phòng thí nghiệm tự động trong tổng hợp vật liệu nano

Trưởng phòng: GS. TS. Nguyễn Thanh Tùng

Thông tin liên hệ của Trưởng phòng: - Chức danh khoa học, tên đầy đủ: GS. TS. Nguyễn Thanh Tùng - Địa chỉ phòng làm việc:  Phòng: 321, Nhà: A2 - Số điện thoại di động: 0912994444 - Email:  tungnt@ims.(*) - (Chú ý thay (*) = vast.ac.vn)

• Phương pháp plasma lạnh trong tổng hợp vật liệu nano (AuNPs)

Quá trình tổng hợp các hạt nano kim loại (Au, Ag) đã được nghiên cứu rộng rãi với nhiều phương pháp khác nhau như tổng hợp dựa trên cơ chế hóa học hay vật lý. Mỗi phương pháp đều những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp tổng hợp vật liệu cấu trúc nano bằng công nghệ plasma lạnh là sự giao thoa giữa tổng hợp hóa học và tổng hợp vật lý để chế tạo nhiều loại vật liệu nano khác nhau. Chúng tôi đã tiến hành tổng hợp vật liệu hạt nano vàng được chức năng hóa bề mặt bởi polydopamine (Au@PDA NPs) bằng phương pháp plasma lạnh. Các electron tự do và các gốc phản ứng oxy được tạo ra từ plasma có khả năng đồng thời khử ion vàng Au3+ và oxy hóa monomer dopamine (DA) để tạo ra Au@PDA NPs. Tác động của một số tham số quan trọng như nồng độ axit auric, nồng độ dopamine và thời gian phản ứng đã được khảo sát để tìm ra điều kiện phản ứng tối ưu. Các phép đo như TEM, SEM, UV-VIS, XPS và DLS đã được thực hiện để phân tích các tính chất vật lý và hóa học của Au@PDA NPs. Cụ thể, đối với dung dịch 0.2 mM HAuCl4, nồng độ DA tối ưu và thời gian phản ứng là 0.05 mM và 5 phút, tương ứng. Đường kính trung bình của Au@PDA NPs tối ưu được đo là 44.4 ± 4.8 nm. Ngoài ra, Au@PDA NPs ổn định ít nhất 2 tháng sau khi tổng hợp. Bên cạnh đó, các nghiên cứu khác về quá trình tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp plasma lạnh cũng đã được thực hiện tại Phòng CN plasma. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế tạp chí Green Chemistry (2020), Journal of Industrial Engineering Chemistry (2021), Nanotechnology (2021).

• Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Vonfram oxit khuyết oxy bằng công nghệ plasma nhiệt

Vonfram oxit khuyết oxi, ký hiệu là WO3-x, là một dạng cấu trúc khác biệt so với WO3, thể hiện các tính chất vượt trội trong nhiều ứng dụng khác nhau. Mặc dù rất nhiều các phương pháp tổng hợp đã được báo cáo, nhưng việc đạt được quy mô sản xuất hạt nano WO3-x ở quy mô kilogram đồng thời thân thiện môi trường vẫn là điều rất khó để đạt được. Phương pháp plasma nhiệt DC trong nghiên cứu này sử dụng ba đầu phát plasma nhiệt đồng thời để vùng nhiệt độ 6000–10000 K, giúp bóc tách và bay hơi ngay nguyên liệu tiền chất khi vừa tiếp xúc, tiếp theo là quá trình ngưng tụ để dẫn đến sự hình thành và phát triển của các hạt nano. Trong nghiên cứu này, chúng tôi thành công trong việc sản xuất hạt nano WO3-x khuyết oxi từ bột WO3 kích thước lớn làm tiền chất. Bột ban đầu có màu vàng với kích thước hạt ~50µm sau quá trình xử lý bằng plasma nhiệt chuyển sang màu xanh đậm đồng thời kích thước hạt giảm xuống cỡ nanomét. Đây là phương pháp chế tạo trực tiếp, nhanh chóng thu được thành phẩm, không sử dụng chất hóa học gây hại môi trường nên rất phù hợp cho việc sản xuất nhiều loại vật liệu nano khác nhau. Công nghệ plasma nhiệt cho phép sản xuất với quy mô lớn (1-2kg/h) cho ra hạt nano thành phẩm có độ tinh khiết và chất lượng cao (Hình 1a) và đã được đăng ký Sở hữu trí tuệ.

• Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano compozit porphyrin@g-C3N4/Ag nhằm nâng cao quá trình xúc tác quang phân huỷ chất màu hữu cơ trong nước.

Quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn kích hoạt là phương pháp hiệu quả và thân thiện để xử lý nước thải và loại bỏ chất ô nhiễm. Với mong muốn mô phỏng tính chất quang hợp của diệp lục từ porphyrin, chúng tôi đã tổng hợp nano compozit porphyrin@g-C3N4/Ag thông qua phương pháp tự lắp ráp và dịch chiết lá vối đóng vai trò chất khử “xanh” trong quá trình tổng hợp vật liệu g-C3N4/Ag (Hình 1b). Vật liệu tổng hợp cho thấy hiệu quả quang xúc tác vượt trội đối với quá trình phân huỷ RhB với tỷ lệ loại bỏ lên tới 97% sau 90 phút chiếu xạ. Chúng tôi cũng đã thử nghiệm tái sử dụng vật liệu để chứng minh rằng chất xúc tác quang porphyrin@g-C3N4/Ag có độ bền cao và có thể được sử dụng làm chất xúc tác quang để xử lý thuốc nhuộm trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế Environmental Research.

Hình 1. (a) ảnh chụp và ảnh SEM của WO3 đầu vào (hàng trên) và hạt nano WO3 thành phẩm (hàng dưới).

(b) Cơ chế phân huỷ thuốc nhuộm RhB khi sử dụng chất xúc tác quang porphyrin@g-C3N4/Ag

• Nghiên cứu cơ chế và động học của quá trình hấp phụ/hấp thụ hydro trên hệ vật liệu nano AgnCr (n=1-12)

Khả năng hấp phụ/hấp thụ hydro trên các hệ nano hợp kim được quan tâm nghiên cứu do tiềm năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực xúc tác và lưu trữ năng lượng. Nhóm nghiên cứu của GS. TS. Nguyễn Thanh Tùng đã tìm hiểu cơ chế và động học của quá trình hấp thụ/hấp phụ hydro trên hệ vật liệu nano AgnCr theo kích thước (n =1−12) bằng phương pháp tính toán lượng tử. Kết quả cho thấy hydro hấp phụ trên bề mặt AgnCr ở dạng phân tử sau đó phân tử này bị phân ly trên bề mặt hệ vật liệu để hình thành hấp phụ hydro nguyên tử. Vị trí hấp phụ ưu tiên của hydro có thể là Cr hoặc Ag tuân theo quy luật về số phối trí, độ âm điện của các nguyên tử và cấu trúc hình học của hệ vật liệu. Từ kết quả tính toán giá trị năng lượng liên kết và chênh lệch năng lượng bậc hai của các hệ Ag3Cr−H2, Ag6Cr−H2 và Ag9Cr−H2 cho thấy chúng bền vững hơn cấu hình hấp phụ nguyên tử về mặt năng lượng. Tính toán động học của quá trình phản ứng cho thấy sự phân ly H2 bị hấp phụ trên bề mặt Ag2Cr, Ag3Cr, Ag6Cr, và Ag7Cr thuận lợi cả về mặt nhiệt động lực học và động học. Đối với hệ Ag4Cr hoặc các hệ ở kích thước n = 1, 5 và 8−12 sự hấp phụ hydro nguyên tử khó có thể xảy ra vì rào cản năng lượng đáng kể trước khi đạt đến trạng thái cuối hoặc do sự ưu tiên về mặt năng lượng. Đặc biệt, kết quả tính toán cho thấy hệ Ag3Cr-H2 rất ổn định và rào cản năng lượng thấp, không đáng kể trong quá trình phản ứng, có thể đóng vai trò như chất hấp phụ bề mặt hiệu quả cho các ứng dụng xúc tác và lưu trữ hydro. Kết quả đã được công bố trong bài báo A DFT study of hydrogen adsorption on small AgnCr clusters (n = 1-12), Ngo Thi Lan et. al., ACS Omega 7, 37379 (2022) và được Ban biên tập lựa chọn giới thiệu trên trang bìa của tạp chí vào tháng 10/2022.

Hình 2. Trang bìa của tạp chí ACS Omega giới thiệu về bài báo “A DFT study of hydrogen adsorption on small AgnCr clusters (n = 1-12)”

• Nghiên cứu, xây dựng và ứng dụng mô hình thí nghiệm tự động (autonomous lab.) trong tổng hợp vật liệu tiên tiến và sản xuất dữ liệu vật liệu

Trong giai đoạn 2026-2030, Phòng Công nghệ Plasma tập trung phát triển dự án “Nghiên cứu, xây dựng và ứng dụng mô hình thí nghiệm tự động trong tổng hợp vật liệu tiên tiến và sản xuất dữ liệu vật liệu” nhằm phát triển một hệ thống thí nghiệm hiện đại, tích hợp cao giữa kỹ thuật plasma lạnh, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo (AI) để phục vụ nghiên cứu vật liệu tiên tiến. Mục tiêu chính của dự án là thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm tự động (autonomous laboratory) có khả năng tổng hợp vật liệu nano kim loại sử dụng plasma lạnh, đồng thời thu thập, xử lý và quản lý dữ liệu theo các nguyên tắc FAIR (Findable – Accessible – Interoperable – Reusable). Hệ thống này cho phép tối ưu hóa quy trình thực nghiệm, giảm thiểu sự can thiệp thủ công và tăng hiệu suất khám phá vật liệu mới. Bên cạnh đó, dự án hướng đến tổng hợp một số vật liệu nano tiên tiến từ hệ thí nghiệm tự động và khai thác hiệu quả dữ liệu thu được để ứng dụng AI trong dự báo vật liệu mới hoặc tính chất mới. Qua đó, dự án không chỉ góp phần thúc đẩy quá trình nghiên cứu – phát triển vật liệu theo hướng dữ liệu hóa và tự động hóa, mà còn mở ra triển vọng ứng dụng AI trong khoa học vật liệu tại Việt Nam.

Hình 3. Mô phỏng phòng thí nghiệm tự động trong tổng hợp vật liệu nano bằng công nghệ plasmaCÁC CÔNG BỐ TIÊU BIỂU

1. Mai NT, , Tung NT et al. “Systematic Investigation of the Structure, Stability, and Spin Magnetic Moment of CrMn Clusters (M = Cu, Ag, Au, and n = 2–20) by DFT Calculations” ACS Omega (2021), 6, 31, 20341-20350. Front cover: https://pubs.acs.org/toc/acsodf/6/31

2. Mai NT, Tung NT et al. “Photofragmentation Patterns of Cobalt Oxide Cations ConOm+ (n = 5–9, m = 4–13): From Oxygen-Deficient to Oxygen-Rich Species” The Journal of Physical Chemistry A (2020) 124 (37), 7333-7339. Front cover: https://pubs.acs.org/toc/jpcafh/124/37

3. Lan NT, Tung NT et al. “Exploring hydrogen adsorption on nanocluster systems: Insights from DFT calculations of Au9M2+ (M= Sc-Ni)” Chemical Physics Letters (2023), 831, 140838. Front cover: https://www.sciencedirect.com/journal/chemical-physics-letters/vol/831/suppl/C.

4. Linh NN, Liem NQ et al. “In situ plasma-assisted synthesis of polydopamine-functionalized gold nanoparticles for biomedical applications” Green Chemistry (2020), 22, 19, 6588-6599.

5. Xuan LTQ, Linh NN, Thuan DN “Synthesis of stabilizer-free, homogeneous gold nanoparticles by cold atmospheric-pressure plasma jet and their optical sensing property” Nanotechnology (2021), 33, 10, 105603.

6. Thu MN, Tung NT, Linh NN “The Outlook of Flexible DBD-Plasma Devices: Applications in Food Science and Wound Care Solutions” Materials Today Electronics (2024), 7, 100087.

7. Tung NT, Giang NT, Tung NH et al. “Facile preparation of porphyrin@ g-C3N4/Ag nanocomposite for improved photocatalytic degradation of organic dyes in aqueous solution” Environmental Research (2023), 231, 115984

8. Lan NT, Tung NT et al. “Density Functional Study of Size-Dependent Hydrogen Adsorption on AgnCr (n = 1–12) Clusters” ACS Omega (2022), 7, 42, 37379-37387. Front cover: https://pubs.acs.org/toc/acsodf/7/42

9. Tung NH et al. “Temperature Dependence of Optical Properties of MoS2 and WS2 Heterostructures Assessed by Spectroscopic Ellipsometry” Nanomaterials (2025), 15, 76.

TRANG THIẾT BỊ CHÍNH