Trong cuộc đua phát triển công nghệ vật liệu tiên tiến trên thế giới, các bon nanô như ống nanô các bon (CNTs), graphene hay nitrua bo lục giác (hBN) đang được xem là các vật liệu nền tảng cho nhiều công nghệ thế hệ mới. Từ cảm biến phát hiện ô nhiễm môi trường, pin lưu trữ năng lượng, linh kiện điện tử cho đến các giải pháp quản lý nhiệt cho thiết bị công suất cao, những vật liệu có kích thước siêu nhỏ này đang mở ra nhiều hướng ứng dụng quan trọng cho nền kinh tế xanh và công nghiệp công nghệ cao.
Tuy nhiên, để làm chủ được công nghệ chế tạo, biến tính và tích hợp các vật liệu nanô vào những sản phẩm ứng dụng thực tế vẫn là thách thức đối với nhiều quốc gia đang phát triển. Đây cũng chính là động lực để nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc, Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam triển khai nhiệm vụ “Phát triển nhóm nghiên cứu xuất sắc hạng II về nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu các bon nanô tích hợp với một số vật liệu liên quan” (mã số: NCXS02.03/24-25).
PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc đo SEM mapping mẫu TiO2@graphene cấu trúc lõi vỏ trên hệ thiết bị Kính hiển vi phát điện tử quét phát xạ trường điện tử (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
Sau hai năm thực hiện, nhiệm vụ không chỉ đạt được nhiều kết quả khoa học có giá trị mà còn góp phần xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến, hướng tới mục tiêu trở thành một trong những nhóm nghiên cứu hàng đầu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu các bon nanô đạt trình độ trong khu vực và quốc tế.
Làm chủ công nghệ vật liệu nanô tiên tiến
Trên thế giới, graphene, CNTs và hBN được đánh giá là những vật liệu chiến lược của thế kỷ XXI nhờ khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt vượt trội, độ bền cơ học cao và diện tích bề mặt lớn. Nhiều tập đoàn công nghệ và viện nghiên cứu lớn đang tập trung khai thác các vật liệu này cho cảm biến thông minh, thiết bị điện tử thế hệ mới, pin lưu trữ năng lượng và công nghệ môi trường. Tại Việt Nam, mặc dù đã có một số nghiên cứu về CNTs và graphene, song việc phát triển đồng bộ từ khâu chế tạo vật liệu, chức năng hóa bề mặt đến thử nghiệm ứng dụng vẫn còn hạn chế.
Trong bối cảnh đó, nhiệm vụ này được triển khai theo hướng xuyên suốt, từ nghiên cứu vật liệu nền tảng đến kiểm chứng hiệu quả trong các ứng dụng thực tế. Một trong những kết quả quan trọng nhất là việc phát triển thành công phương pháp bóc tách các tấm nanô graphene và hBN từ vật liệu khối bằng công nghệ rung siêu âm công suất lớn và nghiền bi hành tinh (là kỹ thuật nghiền cơ học năng lượng cao, trong đó vật liệu được nghiền bằng các viên bi chuyển động với tốc độ lớn trong bình nghiền). Sau đó, bề mặt các vật liệu này được xử lý và cải biến để dễ kết hợp với các vật liệu khác, góp phần mở rộng khả năng ứng dụng trong cảm biến, xử lý môi trường, lưu trữ năng lượng và thiết bị điện tử.
Nhóm cũng làm chủ quy trình gắn các hạt nanô vàng (Au) và bạc (Ag) lên bề mặt CNTs, graphene và hBN. Đây là bước quan trọng bởi sự kết hợp giữa vật liệu các bon nanô và nanô kim loại tạo nên các vật liệu tổ hợp đa chức năng có khả năng truyền dẫn điện tích tốt hơn, tăng hoạt tính xúc tác và nâng cao độ nhạy trong các hệ cảm biến.
Quy trình chế tạo vật liệu tổ hợp giữa ống nanô các bon (CNTs) và các hạt nanô kim loại do nhóm nghiên cứu phát triển
Chia sẻ về ý nghĩa của nhiệm vụ, PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc cho biết: Điều quan trọng nhất không chỉ là tạo ra được vật liệu mới mà là làm chủ được công nghệ chế tạo và xử lý vật liệu. Khi có nền tảng đó, chúng ta có thể phát triển nhiều ứng dụng khác nhau phục vụ môi trường, năng lượng và điện tử. Thành công của nhiệm vụ cho thấy, Việt Nam hoàn toàn có khả năng tham gia vào những hướng nghiên cứu vật liệu tiên tiến của thế giới bằng chính năng lực của các nhà khoa học trong nước.
Mở rộng ứng dụng từ môi trường đến năng lượng và điện tử
Trong quá trình thử nghiệm, nhóm của PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc đã lựa chọn nhiều bài toán thực tiễn khác nhau để đánh giá hiệu quả của vật liệu sau khi chế tạo. Để kiểm chứng được những ưu thế của vật liệu mới, nhóm đã thử nghiệm từ cảm biến phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản, xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp cho đến các giải pháp tản nhiệt với thiết bị điện tử. Kết quả thu được cho thấy, vật liệu không chỉ có những đặc tính tốt trong phòng thí nghiệm mà còn có tiềm năng ứng dụng trong thực tế.
Trong lĩnh vực môi trường, nhóm đã chế tạo thành công các điện cực cảm biến trên cơ sở vật liệu tổ hợp graphene, CNTs và nanô vàng nhằm phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật ở nồng độ rất thấp, cỡ phần tỷ (ppb). Đây là ngưỡng phát hiện có ý nghĩa quan trọng trong giám sát chất lượng nông sản, kiểm soát an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
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
Các vật liệu tổ hợp giữa graphene, hBN và TiO₂ cho thấy hiệu quả cao trong quá trình quang xúc tác phân hủy các chất màu độc hại như Rhodamine B hay Methylene Blue, thường xuất hiện trong nước thải của ngành dệt nhuộm, in ấn và một số hoạt động sản xuất công nghiệp.
Ở lĩnh vực quản lý nhiệt, các vật liệu CNTs, graphene và hBN được sử dụng để 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 cải thiện hiệu quả truyền nhiệt rõ rệt so với các vật liệu truyền thống. Đây là hướng nghiên cứu có tính thời sự cao trong bối cảnh nhu cầu làm mát các thiết bị điện tử, trung tâm dữ liệu, hệ thống chiếu sáng công suất lớn và các thiết bị năng lượng ngày càng gia tăng. Việc giảm nhiệt độ vận hành không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Trong lĩnh vực vật liệu kỹ thuật, nhóm đã ứng dụng CNTs, graphene và hBN để gia cường cho các lớp phủ composite nền niken. Các kết quả thử nghiệm cho thấy tiềm năng cải thiện cơ tính, khả năng chống mài mòn và độ bền của lớp phủ, mở ra triển vọng ứng dụng trong các chi tiết cơ khí và thiết bị làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
Ảnh chụp minh họa bôi kem tản nhiệt CNTs, Gr và hBN cho vi xử lý máy tính
Thiết kế và đèn pha LED công suất 450W sử dụng trong thử nghiệm
Đặc biệt, nhóm cũng nghiên cứu ứng dụng các vật liệu nanô trong pin lithium - loại pin phổ biến trong các thiết bị điện tử, xe điện hiện nay và các linh kiện điện tử. Những kết quả ban đầu đã làm rõ 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.
Ngoài giá trị khoa học, kết quả nghiên cứu còn đóng góp tích cực trong công tác đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao thông qua các hoạt động đào tạo nghiên cứu sinh, học viên cao học và mở rộng hợp tác với nhiều cơ sở nghiên cứu trong và ngoài nước. Đây là nền tảng quan trọng để hình thành đội ngũ nghiên cứu trẻ trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến của Việt Nam. Các kết quả còn được công bố trên nhiều tạp chí quốc tế uy tín thuộc nhóm Q1, Q2 và một sáng chế 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 cao những kết quả của nhóm trong việc làm chủ các công nghệ chế tạo, biến tính và tích hợp vật liệu các bon nanô tiên tiến. Nhóm đã phát triển thành công nhiều hướng ứng dụng trong lĩnh vực môi trường, năng lượng và điện tử. Hội đồng nhận định, nhiệm vụ đã hoàn thành tốt mục tiêu xây dựng nhóm nghiên cứu xuất sắc, tạo được sự gắn kết giữa nghiên cứu cơ bản với ứng dụng thực tiễn và đẩy mạnh công bố quốc tế và đào tạo thế hệ cán bộ khoa học trẻ.
Từ những kết quả đã đạt được, nhóm sẽ tiếp tục phát triển các vật liệu nanô đa chức năng phục vụ cảm biến thông minh, năng lượng sạch, điện tử và công nghệ môi trường; đồng thời tăng cường hợp tác với doanh nghiệp để từng bước đưa các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất.
Thành công của nhiệm vụ đã khẳng định năng lực nghiên cứu của các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong việc làm chủ các công nghệ vật liệu tiên tiến tại Việt Nam. Đây là tiền đề quan trọng để phát triển các giải pháp công nghệ phục vụ tăng trưởng xanh, chuyển đổi năng lượng và nâng cao năng lực cạnh tranh của nền khoa học công nghệ quốc gia trong giai đoạn tới.
Nguồn tin: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".