PTN Nghiên cứu Ứng dụng Nanocellulose và Hóa học các hợp chất cao phân tử

1. Giới thiệu chung

Trong lĩnh vực nghiên cứu, Hóa học gỗ và cellulose, Công nghệ sản xuất bột giấy, Công nghệ sản xuất giấy, là những học phần thuộc Chương trình đào tạo Ngành Kỹ thuật Hóa học, Chuyên ngành Kỹ thuật Xenlulo-Giấy của Khoa Kỹ thuật Hóa học, vì vậy các nghiên cứu chuyển hóa vật liệu lignocellulose (gỗ và phi gỗ) thành các sản phẩm hữu ích, là một trong những lĩnh vực nghiên cứu gắn liền với các hoạt động NCKH của các giảng viên nhóm chuyên môn Công nghệ Giấy và bao bì. 

Trong 15 năm qua, nhóm nghiên cứu “Vật liệu mới và hóa chất từ sinh khối lignoxenlulo" (Lignocellulosic Biomass based new materials and platform chemicals in Vietnam), đã thực hiện nhiều nghiên cứu bao gồm các nghiên cứu cơ bản và cơ bản định hướng ứng dụng, nghiên cứu triển khai và sản xuất thử nghiệm về công nghệ chuyển hóa nguyên liệu xơ sợi (gỗ, phế phụ phẩm nông nghiệp, chất thải công nghiệp giấy) thành vật mới, vật liệu nano, hóa chất "xanh", ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, môi trường, dược phẩm, mỹ phẩm, ...

Các nghiên cứu chính đã và đang thực hiện cụ thể đối với hóa chất và vật liệu nói chung và nanocellulose nói riêng, bao gồm:

Chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành bioethanol, furfrual, 5-hydromethylfurfural, levulinic axit; methylfuran, dimethylfuran; 

Chế tạo nanocellulose từ các nguồn vật liệu lignocellulose khác nhau (gỗ keo, bột giấy sunfat tẩy trắng, rơm rạ, tre, bã mía, bã sắn, bùn thải nhà máy giấy, bông, vỏ cây gai, sợi lá dứa, chuối, xơ dừa, ...). 

Chế tạo lignin, biosilica từ gỗ, phế liệu gỗ, bã mía, trấu và tre; 

Chế tạo nanochitosan ứng dụng cho tráng phủ giấy;

Chế tạo nano hydropropylmethylcellulose làm màng bảo quản trái cây tươi;

Chế tạo nano cellulose acetate làm màng bọc thực phẩm và khử mặn nước biển;

Chế tạo vật liệu siêu hấp phụ và nanocellulose biến tính làm vật liệu tích trữ năng lượng;

Sản xuất protein từ phế liệu gỗ làm thức ăn chăn nuôi;

Chế tạo than sinh học, biochar và nanocacbon sinh học hàm lượng cacbon cao ứng dụng làm nhiên liệu, vật liệu xúc tác kim loại, điện cực mềm;

Chế tạo vật liệu xúc tác axit rắn trên nền cacbon sinh học dẫn xuất từ sinh khối gỗ và phế phụ phẩm nông nghiệp, xúc tác kim loại trên chất mang nanocacbon dẫn xuất từ nanocellulose, ứng dụng trong chuyển hóa đường dẫn xuất sinh khối thành hóa chất cơ bản và phụ gia nhiên liệu.

Bên cạnh đó, Nanocellulose cũng được một số nhóm nghiên cứu trong nước thực hiện, như Đại học KHTN-ĐHQG Hà Nội, ĐHBK - ĐHQG Tp.HCM, Đại học Công nghiệp Tp.HCM, Trường Đại học Lâm nghiệp, Viện Công nghiệp giấy và xenluylô. Tuy nhiên các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở các nghiên cứu chế tạo nanocellulose ở quy mô PTN với ứng dụng hạn chế, mà chưa tạo ra công nghệ có tiềm năng phát triển ở quy  mô lớn hơn. Trong khi đó, công nghệ chế tạo nanocellulose theo phương pháp thủy phân giới hạn bằng axit sunfuric loãng bổ sung hydropeoxit của nhóm nghiên cứu của ĐHBK HN là công nghệ mới, có khả năng phát triển sản xuất nanocellulose chất lượng tốt có đường kính xơ sợi <100 nm ở quy mô công nghiệp, đã được áp dụng thử nghiệm để sản xuất ở quy mô pilot 10 kg/mẻ từ bột giấy sunfat tẩy trắng tại Xưởng thực nghiệm của Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô trong khuôn khổ hợp tác thực hiện nhiệm vụ KHCN “Nghiên cứu ứng dụng nanocellulose và nanochitosan cho sản xuất giấy bao gói thực phẩm”, cho thấy có thể làm chủ công nghệ và tính khả thi lớn về triển khai công nghệ sản xuất ở quy mô công nghiệp. 

Về lĩnh vực các hợp chất cao phân tử và cao su, các kết quả đạt được bao gồm quy trình chế tạo protein đơn bào hàm lượng protein cao làm thức ăn chăn nuôi từ phế liệu gỗ và lõi ngô; chế phẩm lignosunfonat biến tính làm chất kết sinh gia cố nền đường và chống sạt lở đất đồi; cao su kỹ thuật từ cao su tự nhiên và blend cao su tự nhiên cao su tổng hợp sử dụng làm cao su chống rung giảm chấn tiêu âm (trong ngành giao thông vận tải đường sắt, cảng biển…) cao su chịu mài mòn trong ngành công nghiệp ô tô, cao su chịu dầu, chịu hóa chất, chịu thời tiết, cao su xốp... PLA, PBAT, PHA gia cường bằng nanocellulose ứng dụng trong y sinh và bao bì phân hủy sinh học. 

Trên thế giới, trong vòng mười năm gần đây, nanocellulose (NC) hay cellulose dạng cấu trúc nano, đã được chứng minh là một trong những vật liệu xanh nổi bật nhất của thời hiện đại. Vật liệu NC ngày càng được quan tâm nhờ các đặc tính hấp dẫn và tuyệt vời như sự đa dạng kích thước, tỉ trọng cao, tính chất cơ học tốt hơn, khả năng tái tạo và tính tương thích sinh học. 

Các nhóm chức hydroxyl phong phú của nanocellulose cho phép mở rộng khả năng một loạt chức năng hóa thông qua các phản ứng hóa học, từ đó có thể phát triển các dạng vật liệu khác nhau với các tính năng có thể điều chỉnh được. Điều này được phản ánh trong hàng loạt các công bố dưới dạng các bài báo khoa học, tổng quan, sách tham khảo và báo cáo khoa học của các chương trình nghiên cứu của nhiều quốc gia phát triển trên thế giới. 

Ngày nay, ứng dụng vật liệu xanh, vật liệu tái tạo và bền vững, để sản xuất các sản phẩm giá trị cao khác nhau với tác động môi trường thấp, ngày càng trở nên quan trọng hơn. Lĩnh vực nghiên cứu này đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều học giả và giới công nghiệp, bởi những vật liệu như vậy hóa ra là một giải pháp thay thế cho các nguồn không thể tái tạo đang ngày càng cạn kiệt, sự ô nhiễm môi trường, trái đất nóng lên và khủng hoảng năng lượng.

Trong bối cảnh này, những polyme sinh học, như cellulose, tinh bột, alginate, chitin, chitosan và gelatin đã được xác định là những ứng cử viên đầy hứa hẹn, nhờ sự sẵn có dồi dào của chúng từ nhiều nguồn khác nhau và phân bố khắc nơi trên thế giới, ngay cả ở những nơi còn ít người sinh sống nhất. Trong số đó, cho đến nay cellulose là hợp chất tái tạo phong phú nhất, được tổng hợp từ sinh quyển và nó có thể được tìm thấy trong thực vật thân cứng, rêu, tảo, động vật giáp xác và kể cả một số vi khuẩn. Tuy nhiên, gỗ hay thực vật phi gỗ chứa xơ sợ, vẫn là nguồn vật liệu dễ tiếp cận và có tiềm năng trữ lượng lớn nhất. Loại polyme hấp dẫn này, được coi là một nguồn nguyên liệu thô vô tận, có tiềm năng được biến đổi và chức năng hóa với một số mục đích sử dụng công nghiệp sẵn có và vẫn còn rất nhiều điều để khám phá và hay gây dấu ấn đối với cellulose.

Lợi ích của cellulose có thể được mở rộng hơn nữa, khi các chuỗi cellulose được kết bó lại với nhau, tạo ra các vùng có trật tự cao, mà sau đó có thể được phân lập dưới dạng các hạt nano, được gọi là vật liệu nanocellulose hoặc nanocelluloses, được coi là loại vật liệu tương lai hữu ích, nhờ các đặc điểm hóa lý của chúng. Ngoài khả năng tái tạo và phong phú, các dạng vật liệu nanocellulose còn kết hợp tính trơ hóa học, độ cứng tuyệt vời, độ bền cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, tỉ trọng thấp, ổn định kích thước và khả năng biến đổi hóa học bề mặt của chúng. 

Một số dạng nanocellulose có thể được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau và từ các nguồn cellulose khác nhau. Hình thái, kích thước và các đặc điểm khác nhau của mỗi lớp nanocellulose phụ thuộc vào nguồn gốc cellulose, điều kiện phân lập và xử lý cũng như các phương pháp xử lý trước hoặc sau hình thành. 

Cơ hội sản xuất nanocellulose với các tính năng khác nhau được coi là một chủ đề khá thú vị, có thể thúc đẩy việc khám phá những loại sinh khối chưa được khám phá. Những lợi ích của cấu trúc nano phân cấp 3-D của nanocellulose và các đặc điểm hóa lý của nó ở cấp độ nano, đã mở ra triển vọng mới trong một số ứng dụng. 

Về tiềm năng phát triển kỹ thuật chế tạo, công nghệ sản xuất, ứng dụng và nhu cầu thị trường, theo Viện nghiên cứu Marketsand MarketsTM, thị trường nanocellulose được dự báo sẽ đạt 783 triệu USD vào năm 2025. Nhu cầu gia tăng trưởng sử dụng và các ứng dụng mới, đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp khai thác nhiều hơn nữa các công việc nghiên cứu và sản xuất nanocellulose. Ngoài ra, số lượng các bài báo ngày càng tăng qua từng năm, phản ánh mối quan tâm cao đối với loại vật liệu nano này. Sự chú ý này thể hiện qua việc Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO), Hiệp hội Kỹ thuật Công nghiệp Giấy và Bột giấy (TAPPI) và Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada (CSA) đang soạn thảo và ban hành Tiêu chuẩn về nanocellulose, làm nổi bật sự quan tâm của thị trường.

Hiện nay nanocellulose có thể được sản xuất ở quy mô công nghiệp với hàng tấn mỗi ngày, có thể được sử dụng trong một số lĩnh vực trong cuộc sống, như vật liệu nanocompozit, sản phẩm y sinh, chất kết dính gỗ, siêu tụ điện, khuôn mẫu cho linh kiện điện tử, pin, chất mang xúc tác, polyme đãn điện, sợi nhân tạo và hàng dệt may, mang bọc thực phẩm, màng ngăn/màng ngăn cách, màng kháng khuẩn, sản phẩm giấy, mỹ phẩm, xi măng và nhiều ứng dụng mới nổi khác.

Việc tìm kiếm các ứng dụng mới và cải thiện các đặc tính của vật liệu dựa trên nanocellulose hiện nay, là động lực quan trọng cho nghiên cứu và phát triển (R&D) trong các nhóm nghiên cứu khác nhau và ngày càng tăng trong các doanh nhiệp trên thế giới. Có thể thấy, một loạt công bố, tài liệu đánh giá đã được xuất bản trong vài năm qua và hầu hết trong số chúng tập trung vào sản xuất nanocellulose, biến tính và ứng dụng của chúng. Các ứng dụng mới nổi khác của nanocellulose như sản xuất giấy, khoan dầu khí và xi măng, hệ thống lưu trữ năng lượng, cảm biến và cảm biến sinh học, cũng đã được đánh giá rộng rãi trong những năm gần đây.

Thực trạng và tiềm năng ứng dụng của nanocellulose các sản phẩm trên nền cellulose, hay các sản phẩm nguồn gốc tự nhiên khác, là lĩnh vực của khoa học và công nghệ vật liệu, khoa học sự sống, thậm chí còn vượt ra ngoài phạm vi của những lĩnh vực này, như lĩnh vực hàng không vũ trụ, điện tử, quốc phòng, ... Có thể thấy, lĩnh vực nanocellulose và dẫn xuất là một hướng nghiên cứu phát triển công nghệ đáng chú ý trong lĩnh vực vật liệu mới, vật liệu nano sinh học. Sản xuất nanocellulose ở quy mô bán công nghiệp, quy mô công nghiệp và ứng dụng, đã trở thành mối quan tâm lớn của nhiều nhà khoa học và giới doanh nghiệp phát triển công nghệ, nhằm tạo ra sản phẩm là vật liệu nano nguồn gốc tự nhiên, tái sinh và có tiềm năng trữ lượng lớn, với những ứng dụng tiềm năng ngày càng rộng mở.

Phát triển kỹ thuật chế tạo và công nghệ sản xuất cacbon sinh học ngày nay gắn liền với mục tiêu sản xuất NetZero, trong đó nhiên liệu rắn từ nguồn cacbon sinh học và biochar (vật liệu cacbon sinh học có hàm lượng cacbon cao) vẫn là nguồn nhiên liệu hấp dẫn và tiềm năng, vì vậy phát triển nghiên cứu và ứng dụng cacbon sinh học vẫn là đề tài thu hút và mang tính thời sự. Nanocellulose là nguồn vật liệu tiềm năng cho sản xuất nanocacbon ứng dụng trong các lĩnh vực thiết yếu mới như vật liệu tích trữ năng lượng, vật liệu bán dẫn, xúc tác kim loại đa hóa trị hydro hóa nitơ cho sản xuất hydro xanh. 

Tăng cường sử dụng vật liệu phân hủy sinh học, trong đó các loại polyme sinh học/phân hủy sinh học giữ vai trò là chất nền, vẫn là vấn đề chính trong các lĩnh vực ưu tiên phát triển công nghệ của nhiều quốc gia. Cellulose và dẫn xuất hay một số hợp chất cao phân tử, như polylactic axit, chitosan, casein, có thể được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tiềm năng của Việt Nam, cho đến nay vẫn chưa làm chủ được công nghệ sản xuất. Vì vậy, đây vẫn là hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ cần thiết.     

Trong lĩnh vực chế biến cao su, Việt Nam có nguồn nguyên liệu cao su thiên nhiên dồi dào, nhưng cao su hiện đang được xuất khẩu dưới dạng sản phẩm thô, chưa có sản phẩm tinh. Kể cả kỹ thuật cao su tổng hợp hay cao su tự nhiên và cao su tổng hợp, cũng chưa được phát triển tương xứng với tiềm năng và nhu cầu. Trong khi đó, nhiều lĩnh vực như giao thông đường sắt, hàng hải hay hàng không, y sinh, và an ninh quốc phòng, ..., đều có nhu cầu thiết yếu về các loại vật liệu cao su đa dạng. Vì vậy tăng cường nghiên cứu kỹ thuật chế tạo và công nghệ sản xuất là bức thiết và cần tập trung hơn nữa. 

Mối quan tâm sâu rộng đồng thời với những đầu tư lớn tiềm năng đến từ các doanh nghiệp trong nước, như các doanh nghiệp Hiệp hội Giấy và bột giấy Việt Nam, trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm tráng phủ giấy, tận dụng phế phụ phẩm sản xuất bột giấy và giấy, Hiệp hội Bao bì Việt Nam về nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất bao bì phân hủy sinh học, Tập đoàn công nghiệp cao su Việt Nam trong phát triển công nghệ chế biến cao su, sản xuất vật liệu chăm sóc sức khỏe từ nguồn cellulose của gỗ cao su; Công ty Nanotechnology ® về ứng dụng bao bì lỏng trên nền nanocellulose cho bảo quản trái cây tươi; Công ty TNHH và TM SIC về chế tạo vật liệu cao su đặc biệt, ..., các đối tác nước ngoài, như  Công ty CelluFAB và Công ty Daechang Co.Ltd của Hàn Quốc về phát triển công nghệ và ứng dụng nanocellulose trong vật liệu xây dựng thông minh và cầu đường, lấn biển, các đối tác là các Đại học và doanh nghiệo Nhật Bản trong Dự án “Green innovation from banana stem waste and sustainable future life in Vietnam” (dự kiến đề xuất thực hiện năm 2026-2030),...là những động lực cho thành lập và phát triển PTN nghiên cứu, để triển khai hiệu quả các nhiệm vụ KHCN, phù hợp với xu hướng tăng cường sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên tái sinh, phát triển công nghệ sản xuất công nghiệp giảm nhẹ phát thải khí cacbon, như một phần then chốt của tiến trình chuẩn hóa phát thải cacbon trong mọi lĩnh vực công nghiệp. 

Xét trên bình diện của Đại học Bách khoa Hà Nội, huy động các nguồn lực trong nước và quốc tế cho nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, tăng cường cơ sở vật chất, để phục vụ đào tạo và thương mại hóa sản phẩm từ các nghiên cứu, góp phần thúc đẩy phát triển KHCN ứng dụng các lĩnh vực công nghiệp và đời sống, hội nhập quốc tế, luôn là một trong những mục tiêu của Đại học, nhận được sự quan tâm của Ban Giám hiệu, các cấp Lãnh đạo của các Đơn vị trực thuộc và trăn trở của đội ngũ giảng viên, cán bộ kỹ thuật. Vì vậy, luôn là những cơ hội tốt cần tận dụng và phát huy khi có thể tập trung và làm đầu mối hợp tác bình đẳng với các đối tác trong nước và nước ngoài từ các quốc gia có mối quan hệ tốt với Việt Nam, thuộc lĩnh vực hoạt động đào tạo, và NCKH và CGCN của Đại học Bách Khoa, trong khuôn khổ luật pháp cho phép.

Rõ ràng, bên cạnh những thành tích nghiên cứu đáng khích lệ của đội ngũ cán bộ ĐHBK HN, những khó khăn trong việc phát triển và thương mại hóa sản phẩm luôn tồn tại, không chỉ về việc hạn chế huy động kinh phí, nhu cầu thị trường, mà cả đội ngũ triển khai ứng dụng và đưa sản phẩm KHCN đến với Thế giới. Vì vậy, việc thành lập Phòng thí nghiệm nghiên cứu là cần thiết, để làm đầu mối, tăng cường tiềm lực KHCN, tranh thủ sự hỗ trợ của đối tác, hợp tác toàn diện để phục vụ lợi ích chung của Đại học, cũng như trên bình diện quốc gia.   

2. Mục tiêu chung

Các mục tiêu chung của PTN Nghiên cứu ứng dụng Nanocellulose và Hóa học các hợp chất cao phân tử bao gồm:

• Nâng cao chất lượng các hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử theo cả hai tiêu chí là tính hàn lâm và tính ứng dụng, đạt trình độ khu vực và quốc tế.

• Tập hợp và xây dựng tập thể cán bộ khoa học mạnh, đủ năng lực giải quyết các nhiệm vụ khoa học và công nghệ quốc gia, khu vực và quốc tế trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử.

• Phối hợp nâng cao chất lượng đào tạo sau đại học theo chuẩn quốc tế trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử.

• Tạo ra các công nghệ mới, nắm bắt các công nghệ chủ chốt và dẫn dắt hướng nghiên cứu chính trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử tại Việt Nam.

Mục tiêu cụ thể

Các mục tiêu cụ thể của PTN Nghiên cứu ứng dụng Nanocellulose và Hóa học các hợp chất cao phân tử bao gồm:

• Thu hút tài trợ, đầu tư của các đơn vị thông qua đề tài, dự án và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử.

• Tận dụng và thu hút nguồn lực con người trong và ngoài Trường, phát triển PTN Nghiên cứu ứng dụng Nanocellulose và Hóa học các hợp chất cao phân tử thành nhóm nghiên cứu mạnh ngang tầm khu vực và quốc tế theo chiến lược phát triển của Hóa và Khoa học Sự sống và Trường ĐHBK Hà Nội. 

• Nâng cao số lượng và chất lượng công bố quốc tế trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử, đặc biệt các công bố trên các tạp chí, ấn phẩm khoa học và công nghệ có uy tín trên thế giới.

• Nâng cao số lượng đăng ký phát minh sáng chế, giải pháp hữu ích, số dự án KHCN với doanh nghiệp trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử có khả năng thương mại hoá, góp phần nâng cao năng lực, trình độ công nghệ của PTN, của nhóm nghiên cứu và của Trường. 

• Tạo động lực và môi trường thuận lợi để các nhà khoa học trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử phát huy năng lực, mở rộng hợp tác, khẳng định vị thế chuyên môn trong và ngoài trường.

• Khai thác hiệu quả các trang thiết bị để tạo ra các sản phẩm khoa học và công nghệ có chất lượng cao. 

• Tạo môi trường và đầu mối hợp tác phát triển các dự án nghiên cứu phát triển, chuyển giao công nghệ với các doanh nghiệp công nghiệp trong và ngoài nước trong lĩnh vực ứng dụng nanocellulose, chuyển hóa sinh khối và hóa học các hợp chất cao phân tử.

3. Chức năng nhiệm vụ

Chức năng và nhiệm vụ của PTN: Nghiên cứu ứng dụng Nanocellulose và Hóa học các hợp chất cao phân tử bao gồm:

• Tạo cơ chế hợp tác và tập hợp các nhà khoa học lớn và NCS trong và ngoài trường nhằm thực hiện các dự án nghiên cứu phát triển

• Tổ chức nghiên cứu, thiết kế và phát triển sản phẩm, thiết bị, dịch vụ mẫu trong lĩnh vực nghiên cứu của PTN

• Khai thác các cơ sở vật chất đã được đầu tư để phục vụ nghiên cứu chuyên sâu và đào tạo SĐH.

4. Nội dung phát triển chuyên môn 

Nội dung phát triển chuyên môn của PTN Nghiên cứu ứng dụng Nanocellulose và Hóa học các hợp chất cao phân tử bao gồm: 

(1) Nghiên cứu phát triển công nghệ sản xuất nanocellulose và ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng, môi trường và bảo vệ sức khỏe; 

 (2) Hóa học các hợp chất cao phân tử dựa trên biến tính, chức năng hóa và chế tạo vật liệu mới trên nền cao su tự nhiên và tổng hợp, polyme và các hợp chất phân tử nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp. 

Các hướng nghiên cứu chính cụ thể như sau:

• Hoàn thiện kỹ thuật chế tạo quy mô pilot và công nghệ sản xuất quy mô bán công nghiệp sản phẩm nanocellulose từ các nguồn vật liệu lignocellulose khác nhau (bột giấy sunfat tẩy trắng từ nguồn nguyên liệu trong nước, phế phụ phẩm nông nghiệp lignocellulose);

• Nghiên cứu kỹ thuật chế tạo và công nghệ sản xuất vật liệu siêu hấp phụ, nanocacbon và vật liệu xúc tác trên nền nanocacbon; vật liệu nano và nanocomposite có sử dụng nanocellulose; vật liệu cellulose và dẫn xuất, lignin biến tính từ sinh khối lignocellulose, ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, môi trường, năng lượng và bảo vệ sức khỏe; 

• Nghiên cứu phương pháp chế tạo và kỹ thuật sản xuất vật liệu đặc biệt và vật liệu tiên tiến trên nền cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp, vật liệu cao phân tử và nanocomposite phân hủy sinh học, ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, y sinh, quốc phòng;   

• Nghiên cứu kỹ thuật chế tạo và công nghệ sản xuất bao bì phân hủy sinh học trên nền các hợp chất cao phân tử và tổ hợp. 

• Tổng hợp và biến đổi các hợp chất cao phân tử thân thiện môi trường và nguồn gốc tự nhiên: 

• Polyme từ nguồn tái tạo:

• Polysaccharide: Nghiên cứu sâu về khả năng khai thác, tinh chế và biến đổi các polysaccharide tự nhiên như cellulose (từ thực vật, vi khuẩn), chitin/chitosan (từ vỏ giáp xác, nấm), alginate (từ tảo biển), pectin (từ vỏ trái cây). Tập trung vào các phương pháp tổng hợp và biến đổi hóa học hiệu quả và ít gây ô nhiễm. 

• Lignin: Tận dụng lignin, một phế phẩm lớn từ ngành công nghiệp giấy, để tổng hợp các polyme hoặc làm phụ gia cho các vật liệu khác, mang lại tính bền vững và khả năng chống oxy hóa. o Cao su tự nhiên: Nghiên cứu các phương pháp chế biến và biến đổi cao su tự nhiên hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường hơn. 

• Polyme sinh học tổng hợp: Nghiên cứu và phát triển các polyme tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học như polylactic acid (PLA), polyhydroxyalkanoates (PHA), polybutylene succinate (PBS) hoặc polybutylene adipate terephthalate (PBAT) từ các nguồn nguyên liệu tái tạo. 

• Monomer từ nguồn tái tạo: 

• Nghiên cứu các phương pháp sản xuất monomer từ sinh khối (biomass) như axit succinic, axit lactic, furfural, v.v. để thay thế các monomer có nguồn gốc từ dầu mỏ. 

• Phát triển các quá trình trùng hợp sử dụng các monomer sinh học này để tạo ra các polyme có tính chất mong muốn. 

• Phương pháp tổng hợp xanh: Phát triển các xúc tác xanh, có khả năng tái sử dụng và hiệu suất cao. 

• Chức năng hóa các hợp chất cao phân tử và Polyme: Đây là một lĩnh vực quan trọng để điều chỉnh các tính chất của polyme tự nhiên hoặc sinh học tổng hợp, mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng. Một số phản ứng biến đổi hóa học polyme phổ biến bao gồm: 

• Phản ứng khâu mạch và lưu hóa (Crosslinking, Vulcanization): Tạo liên kết ngang giữa các mạch polyme để tăng độ bền cơ học, độ bền nhiệt và khả năng chống dung môi. Ví dụ: lưu hóa cao su tự nhiên, khâu mạch chitosan bằng glutaraldehyde. 

• Phản ứng ghép mạch (Grafting): Gắn các mạch polyme khác lên mạch chính để tạo ra các vật liệu có tính chất kết hợp. Ví dụ: ghép mạch poly(acrylic acid) lên cellulose để điều chỉnh khả năng hấp thụ nước.

• Phản ứng chức hóa (Functionalization): Đưa các nhóm chức năng cụ thể vào mạch polyme để thay đổi tính chất bề mặt, khả năng phản ứng hoặc khả năng tương tác với các chất khác. 

• Phản ứng thủy phân (Hydrolysis): Phá vỡ các liên kết trong mạch polyme bằng nước, thường được sử dụng để điều chỉnh khối lượng phân tử hoặc tạo ra các oligomer có giá trị. Ví dụ: thủy phân tinh bột thành glucose. 

• Phản ứng este hóa (Esterification): Tạo liên kết ester giữa các nhóm hydroxyl của polyme với các axit cacboxylic hoặc anhydrit để thay đổi tính kỵ nước, độ bền nhiệt. 

• Phản ứng ether hóa (Etherification): Tạo liên kết ether giữa các nhóm hydroxyl của polyme với các hợp chất halogen hoặc alcohol để thay đổi độ tan, tính chất cơ học. 

• Phản ứng oxy hóa và khử (Oxidation and Reduction): Thay đổi trạng thái oxy hóa của các nhóm chức năng trong polyme để điều chỉnh tính chất điện tử, khả năng phản ứng. 

• Phản ứng amin hóa (Amination): Đưa nhóm amin vào mạch polyme để tạo ra các vật liệu có khả năng tương tác với các phân tử sinh học hoặc có tính kháng khuẩn. 

• Phản ứng tạo phức (Complexation): Tạo phức giữa polyme với các ion kim loại hoặc các phân tử khác để tạo ra các vật liệu có tính chất đặc biệt như khả năng hấp phụ, xúc tác. Ví dụ: tạo phức giữa chitosan với ion kim loại nặng. 

5. Cơ cấu tổ chức

Danh sách các cán bộ chủ chốt tham gia PTN Nghiên cứu ứng dụng Nanocellulose và Hóa học các hợp chất cao phân tử