Cảm biến phát hiện thuốc sâu từ vật liệu mỏng hơn sợi tóc

Làm chủ vật liệu nano

Trên thế giới, graphene, CNTs và hBN được xem là những vật liệu chiến lược của thế kỷ XXI. Chúng xuất hiện trong nhiều hướng nghiên cứu như cảm biến thông minh, pin lưu trữ năng lượng, thiết bị điện tử linh hoạt hay công nghệ xử lý môi trường.

Trong khi đó tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu mới chỉ dừng ở từng vật liệu riêng lẻ, chưa hình thành chuỗi công nghệ hoàn chỉnh từ chế tạo, biến tính bề mặt đến tích hợp vào sản phẩm.

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 hướng tiếp cận xuyên suốt: làm chủ toàn bộ quy trình từ tạo vật liệu nền đến thử nghiệm ứng dụng.

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 (Ảnh: VAST).

Một trong những kết quả nổi bật là phát triển thành công 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 - kỹ thuật nghiền cơ học năng lượng cao giúp tạo ra các lớp vật liệu siêu mỏng với chất lượng ổn định.

Sau quá trình bóc tách, bề mặt vật liệu tiếp tục được xử lý và chức năng hóa để dễ dàng kết hợp với nhiều vật liệu khác, mở rộng khả năng ứng dụng trong cảm biến, lưu trữ năng lượng, điện tử và xử lý môi trường.

Song song đó, nhóm cũng làm chủ công nghệ gắn các hạt nano vàng (Au) và bạc (Ag) lên bề mặt CNTs, graphene và hBN.

Theo các nhà nghiên cứu, đây là bước then chốt bởi khi kết hợp giữa vật liệu carbon nano với nano kim loại sẽ tạo ra các vật liệu tổ hợp đa chức năng có khả năng truyền điện tích tốt hơn, tăng hoạt tính xúc tác và cải thiện đáng kể độ nhạy của các hệ cảm biến.

Chia sẻ về ý nghĩa của nhiệm vụ, PGS.TS Nguyễn Văn Chúc cho biết, điều quan trọng nhất không phải chỉ tạo ra vật liệu mới mà là làm chủ 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 những hướng nghiên cứu vật liệu tiên tiến của thế giới bằng chính năng lực của các nhà khoa học trong nước", ông nói.

Quy trình chế tạo vật liệu tổ hợp giữa ống nano carbon và các hạt nano kim loại do nhóm nghiên cứu phát triển (Ảnh: VAST).

Từ phòng thí nghiệm đến các bài toán thực tế

Không dừng lại ở việc tạo ra vật liệu mới, nhóm nghiên cứu còn đưa chúng vào nhiều bài toán ứng dụng khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả trong điều kiện thực tế.

Ở lĩnh vực môi trường, nhóm đã phát triển điện cực cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp graphene, CNTs và nano vàng có khả năng phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật ở nồng độ chỉ cỡ phần tỷ (ppb).

Độ nhạy này 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.

Ở một hướng nghiên cứu khác, vật liệu tổ hợp giữa graphene, hBN và TiO₂ được chứng minh có hiệu quả cao trong quá trình quang xúc tác phân hủy các chất màu độc hại như Rhodamine B và Methylene Blue - những hợp chất thường xuất hiện trong nước thải dệt nhuộm, in ấn và nhiều ngành công nghiệp.

Bên cạnh xử lý môi trường, nhóm nghiên cứu cũng hướng đến bài toán đang được nhiều doanh nghiệp công nghệ quan tâm là quản lý nhiệt cho các thiết bị điện tử.

CNTs, graphene và hBN được ứng dụng để phát triển kem tản nhiệt và chất lỏng tản nhiệt dành cho vi xử lý máy tính cũng như chip LED công suất lớn.

Kết quả thử nghiệm cho thấy các vật liệu mới giúp cải thiện đáng kể khả năng truyền nhiệt so với vật liệu truyền thống. Điều này không chỉ giúp thiết bị vận hành ổn định hơn mà còn kéo dài tuổi thọ trong bối cảnh trung tâm dữ liệu, máy tính hiệu năng cao và hệ thống chiếu sáng công suất lớn ngày càng phát triển.

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

Đèn LED công suất 450W được sử dụng trong các thử nghiệm quản lý nhiệt (Ảnh: VAST).

Ở lĩnh vực năng lượng, nhóm nghiên cứu tiếp tục thử nghiệm ứng dụng các vật liệu nano trong pin lithium - loại pin đang được sử dụng rộng rãi trên xe điện và thiết bị điện tử.

Các kết quả bước đầu cho thấy khả năng nâng cao hiệu suất lưu trữ năng lượng, tăng 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.

Các kết quả của nhóm đã được công bố trên nhiều tạp chí khoa học quốc tế thuộc nhóm Q1, Q2. Đồng thời, một sáng chế 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 đã làm chủ nhiều công nghệ chế tạo, biến tính và tích hợp vật liệu carbon nano tiên tiến; đồng thời phát triển thành công nhiều hướng ứng dụng trong các lĩnh vực môi trường, năng lượng và điện tử.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm sẽ tiếp tục phát triển các vật liệu nano 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 sản xuất.

Theo Báo Dân Trí