PTN Hóa học Vật liệu tiên tiến và Ứng dụng

Giới thiệu chung

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được về tính chất hóa học của vật liệu, với các vật liệu mới, vật liệu chức năng đã sản xuất được, các nhóm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nghiên cứu (Lab. AMCA) sẽ tổ chức các định hướng ứng dụng, khai thác, tạo các sản phẩm concept về ứng dụng. Mối tương tác giữa các nhóm và các lĩnh vực nghiên cứu của PTN nghiên cứu Hoá học Vật liệu tiên tiến và Ứng dụng (Lab. AMCA) tóm tắt qua sơ đồ:

Lab AMCA tập trung nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật chuyên sâu, các công nghệ đặc trưng của hóa học để tổng hợp vật liệu với trọng tâm là các vật liệu tiên tiến, vật liệu mới, vật liệu chức năng có giá trị kinh tế, kỹ thuật cao (graphen, vật liệu bán dẫn, vật liệu phức hợp, vật liệu cấu trúc định hướng…), sản lượng lớn, chi phí thấp so với các giải pháp vật lý hay cơ học. Các sản phẩm đặc trưng là:

• Các vật liệu mới, vật liệu chức năng

• Nanozyme

• Vật liệu bán dẫn

• Vật liệu điện cực

• Vật liệu xúc tác

Chức năng hoá, biến tính vật liệu cho công nghiệp, sản xuất các vật liệu bán dẫn, vật liệu mới, vật liệu chức năng. Nghiên cứu tính chất hóa học của vật liệu để định hướng ứng dụng, khai thác. Tạo các sản phẩm concept về applications. Thiết kế các phép thử hóa học, test hóa học theo các quy trình quy chuẩn trong công nghiệp cho các lĩnh vực khác.

Mục tiêu chung

Các mục tiêu chung của PTN nghiên cứu Hoá học Vật liệu tiên tiến và Ứng dụng (Laboratory of Advanced Materials Chemistry and Applications, AMCA) bao gồm:

• Nâng cao chất lượng các hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực tổng hợp và khám phá các thuộc tính Hoá học, thuộc tính Cơ -Lý-Nhiệt-Từ của các Vật liệu mới, Vật liệu nano, Vật liệu tiên tiến, Vật liệu chức năng và ứng dụng 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 Vật liệu mới, Vật liệu nano, Vật liệu tiên tiến, Vật liệu chức năng và ứng dụng chúng trong 05 lĩnh vực: năng lượng, sinh học, nông nghiệp, bán dẫn và môi trường.

• Phối hợp nâng cao chất lượng đào tạo sau đại học theo chuẩn quốc tế trong lĩnh vực Vật liệu mới, Vật liệu nano, Vật liệu tiên tiến, Vật liệu chức năng và ứng dụng.

• Tạo ra các công nghệ mới, nắm bắt các công nghệ chủ chốt và dẫn dắt hướng nghiên cứu chính trong lĩnh vực Vật liệu mới, Vật liệu nano, Vật liệu tiên tiến, Vật liệu chức năng và ứng dụng phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Mục tiêu cụ thể

Các mục tiêu cụ thể của PTN nghiên cứu Hoá học Vật liệu tiên tiến và Ứng dụng (Lab. AMCA) bao gồm:

• Nâng cao số lượng và chất lượng công bố quốc tế trong lĩnh vực Hóa học vật liệu, Vật liệu mới và ứng dụng, 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 vật liệu và các ứng dụng (tập trung vào 05 lĩnh vực ứng dụng chính: năng lượng, sinh học, nông nghiệp, bán dẫn và môi trường) và ứng dụng có khả năng thương mại hoá, góp phần nâng cao năng lực, trình độ công nghệ của nhóm và của Trường.

• Tận dụng và thu hút nguồn lực con người trong và ngoài Trường, phát triển Lab. AMCA tập thể nhóm nghiên cứu mạnh ngang tầm khu vực và quốc tế theo chiến lược phát triển của ĐHBK Hà Nội.

• Tạo động lực và môi trường thuận lợi để các nhà khoa học trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến và ứng dụng 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 vật liệu tiên tiến, vật liệu chức năng, vật liệu nano và các sản phẩm ứng dụng.

Nội dung phát triển chuyên môn

Nội dung phát triển chuyên môn của PTN NC AMCA bao gồm các nội dung cốt lõi:

• Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện các công nghệ, các quy trình sản xuất, chế tạo các vật liệu tiên tiến bằng phương pháp và kỹ thuật hóa học. Các vật liệu hướng đến có tiềm năng ứng dụng cao, có các tính chất hóa học, tính chất vật lý đặc biệt (quang, điện, từ), đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới; và

• Các ứng dụng các vật liệu này để tích hợp vào các công nghệ, các thiết bị ứng dụng để phục vụ các nhu cầu quan trọng của cuộc sống (tập trung vào 05 lĩnh vực ứng dụng chính: năng lượng, sinh học, nông nghiệp, bán dẫn và môi trường).

• Xây dựng đội ngũ nghiên cứu có trình độ chuyên môn cao về hóa học vật liệu, đặc biệt là các vật liệu mới, vật liệu tiên tiến để tham gia vào các quá trình sản xuất vật liệu ở các nhà máy, công ty với vai trò tư vấn công nghệ, chuyển giao và cố vấn kỹ thuật;

Các lĩnh vực nghiên cứu của PTN NC AMCA được minh họa trong hệ sinh thái ở Hình 2 và được mô tả chi tiết trong các tiểu mục sau đây.

1. Phát triển triển vật liệu mới, vật liệu nanô, vật liệu tiên tiến, vật liệu chức năng

Đây là hướng nghiên cứu chủ chốt của Lab. AMCA với các nhóm vật liệu tiên tiến, vật liệu mới, vật liệu chức năng có giá trị kinh tế, kỹ thuật cao (graphen, vật liệu bán dẫn, vật liệu phức hợp, vật liệu cấu trúc định hướng…), sản lượng lớn, chi phí thấp so với các giải pháp vật lý, cơ học.
Sự khác biệt của của Lab. AMCA trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu tiên tiến, vật liệu mới, vật liệu chức năng so với các nhóm nghiên cứu, phòng thí nghiệm nghiên cứu về vật liệu khác là cách tiếp cận và sử dụng các kỹ thuật hóa học chuyên sâu, đặc trưng của hóa học trong quá trình sản xuất, chế tạo vật liệu. Các cụm vật liệu trọng tâm nghiên cứu của Lab. AMCA là:
(i) các vật liệu mới, vật liệu chức năng trên tiềm năng lý thuyết và khám phá các tiềm năng ứng dụng của chúng; chức năng hóa các vật liệu để cải thiện hiệu suất, chất lượng của chúng khi ứng dụng so với dạng truyền thống;
(ii) các nanozyme thay thế enzyme cho các phản ứng khắc nghiệt, dùng thay thế enzyme trong cảm biến sinh học, các quá trình sản xuất, các sản phẩm dân dụng, chăm sóc sức khỏe;
(iii) sản xuất các vật liệu bán dẫn để ứng dụng trong các linh kiện, thiết bị (như các dung dịch điện ly rắn cho pin điện, pin năng lượng mặt trời, pin dòng chảy, …), các mạch in không kim loại; các vật liệu bán dẫn để sản xuất chip, linh kiện điện, điện tử, điện sắc;
(iv) vật liệu điện cực để nâng cao hiệu suất cho quá trình sản xuất hydro; điện cực cho pin điện trong quá trình sản xuất năng lượng tái tạo (pin năng lượng mặt trời, pin dòng chảy, pin sạc, pin lithium-ion…)
(v) vật liệu xúc tác Fenton thế hệ mới, Fenton quang hóa, Fenton điện hóa, xúc tác nanozyme;

2. Cảm biến sinh học, hóa học điện hóa

Cảm biến sinh học là hướng nghiên cứu khó khăn, đòi hỏi tính liên ngành, liên lĩnh vực vì sản phẩm này kết hợp cả ba hai lĩnh vực hóa học (vật liệu), vật lý (phương pháp đo, tín hiệu, thiết bị đo) và sinh học (phản ứng cần phân tích, các đầu dò sinh học); tuy nhiên đây là mảng nghiên cứu có giá trị khoa học cao và tiềm năng ứng dụng rộng lớn, đa ngành, đa lĩnh vực; cũng là hướng nghiên cứu kết nối rất tốt giữa khoa học cơ bản và khoa học ứng dụng. Hướng nghiên cứu này cũng nhận được sự quan tâm của nhiều công ty lớn, các trung tâm nghiên cứu lớn của thế giới thể hiện qua số lượng các tạp chí quốc tế uy tín về mảng này ngày càng nhiều và có chỉ số uy tín rất cao vì đây là hướng nghiên cứu đa lĩnh vực, đa ngành. Trong nghiên cứu phát triển cảm biến hóa học và sinh học điện hóa, bốn vấn đề mà Lab. AMCA tập trung, bao gồm:
(i) Chuyển hóa kết quả nghiên cứu đã có bản thành các sản phẩm cảm biến hóa học, sinh học dạng mẫu thử có khả năng ứng dụng.
 (ii) Nghiên cứu biến tính bề mặt điện cực sử dụng vật liệu nano chức năng, vật liệu bán dẫn. Các hệ vật liệu này giữ vai trò lớp trung gian, giúp cố định các phần tử dò và tăng cường khả năng truyền tín hiệu từ tương tác sinh học/ phản ứng hóa học đến bộ chuyển đổi điện, nhờ vậy, độ nhạy, độ chọn lọc, độ bền, độ lặp lại của cảm biến hóa học và sinh học điện hóa được cải thiện;
(iii) Nghiên cứu tích hợp cảm biến hóa học và sinh học điện hóa với hệ vi lưu nhằm giảm thể tích mẫu phân tích, hướng đến chế tạo các chip cầm tay thu nhỏ với khả năng phân tích tại hiện trường;
(iv) Nghiên cứu ứng dụng cảm biến hóa học và sinh học điện hóa cho đa ngành, đa lĩnh vực, bao gồm: Khoa học sức khỏe: cảm biến hóa học điện hóa phát hiện các chỉ dấu sinh học; cảm biến DNA điện hóa phát hiện bệnh/ virus gây bệnh,...
An toàn thực phẩm, dược phẩm: cảm biến phân tích hàm lượng các chất hữu cơ cần thiết hoặc độc hại trong thực phẩm, dược phẩm; cảm biến phân tích hàm lượng thuốc trừ sâu; cảm biến phân tích hàm lượng thuốc kháng sinh trong thủy hải sản,...;
Giám sát môi trường: cảm biến phân tích hàm lượng ion kim loại nặng, cảm biến phân tích hàm lượng các chất vô cơ/hữu cơ khác gây ô nhiệm môi trường nước/đất. Tập trung vào các đối tượng cần phân tích trong lĩnh vực môi trường mà thực tế có nhu cầu nhận biết nhanh và tại chỗ ứng dụng trong xét nghiệm môi trường (như thủy ngân, asen, cacdimi, chất hữu cơ như dư lượng kháng sinh trong nước…)

3. Cảm biến sinh học, hóa học dựa trên kỹ thuật plasmonics và so màu

Nghiên cứu tổng hợp và thiết kế các dạng vật liệu tiên tiến trên cơ sở các cấu trúc nanoplasmonics (nano vàng, nano bạc, nano đồng…). Ứng dụng vật liệu trong phát triển cảm biến trên cơ sở phổ Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) có độ nhạy cao, áp dụng được trên nhiều đối tượng; phương pháp chế tạo đơn giản với khả năng ứng dụng cao ở quy mô lớn. Nội dung cụ thể:
(i) Tiếp tục nghiên cứu để phát triển các bộ kit so màu dạng giấy tiến tới xét nghiệm glucozo/axit uric không cần dùng máu thông qua xét nghiệm glucozo trong nước bọt, nước tiểu, nước mắt hay mồ hôi…
(ii) Phát triển các bộ kit có độ chọn lọc cao để phân tích phân tích các chất độc hại mà không cần enzym; dùng trong phân tích dược phẩm/dệt/thực phẩm với tốc độ phát hiện nhanh hơn, nhạy hơn…cũng là nhánh phát triển có nhiều nhu cầu ứng dụng trong công nghiệp.
 (iii) Kết hợp vật liệu nanoplasmonics và một số vật liệu nền linh hoạt nhằm tạo ra các dạng cảm biến đeo được, cảm biến dạng miếng dán… cho phép lấy mẫu trực tiếp, không xâm lấn, theo dõi trực tiếp các chỉ dấu sinh học trong mồ hôi của người đeo, cho phép phát hiện sớm các chỉ dấu đặc hiệu, tình trạng bệnh tật…
(iv) Phát triển các chip cho phương pháp SERS để phân tích chất cấm của đối tượng cần đo; hoặc theo dõi liên tục các chỉ số ô nhiễm môi trường trong nguồn nước, thực phẩm...
(v) Ngoài ra, các vật liệu nanoplasmonics cũng sẽ được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác nhằm xử lý ô nhiễm nguồn nước, hay thúc đẩy cho quá trình sản xuất nhiên liệu hydro từ nước

4. Chế tạo chip, hệ vi lưu để tích hợp vào các hệ thống đo, hệ cảm biến

Phát triển và làm chủ các kỹ thuật chế tạo hệ chip vi lưu, chip tích hợp cảm biến bằng các kỹ thuật vi chế tạo (theo công nghệ chế tạo MEMs). Từ đó có thể tạo ra các hệ Lab-on-a-chip theo xu thế thu nhỏ, di động, tích hợp nhiều chức năng lên một hệ thiết bị. Khi các hệ thiết bị này được hoàn thiện, các quy trình phân tích được kỳ vọng với nhiều ưu điểm vượt trội: thời gian phân tích nhanh, lượng mẫu phân tích và nồng độ mẫu nhỏ (có thể không cần làm giàu mẫu). Để giải quyết vấn đề này, các hướng nghiên cứu sau cần được phát triển một cách đồng bộ:
(i) Nghiên cứu chế tạo điện cực cho các hệ chip gồm điện cực Pt, điện cực Au, điện cực mạch in carbon (screen printed electrode – SPE), các điện cực mềm dẻo uốn cong  (flexible electrodes) cho các ứng dụng cụ thể ở các nhánh nghiên cứu khác của Lab.;
(ii) Hoàn thiện thiết kế và chế tạo các loại cảm biến phù hợp với kỹ thuật phân tích điện hoá. Các cảm biến có thể được chế tạo đơn lẻ hoặc tích hợp nhiều cảm biến với kích thước nhỏ bằng các kỹ thuật vi chế tạo.
(iii) Hoàn thiện thiết kế và chế tạo hệ vi lưu, chip tích hợp cho các mục đích tích hợp các hệ cảm biến để tạo thành các hệ thiết bị nhỏ gọn và có sự tương thích cao đối với các mục đích ứng dụng. Đồng thời phát triển các hệ thiết bị phụ trợ cho các hệ thiết bị Lab-on-a-chip (hệ bơm vi lượng, hệ van chia dòng chảy,…)

5. Chuyển hóa và xử lý môi trường

Việc ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng ở nước ta nói riêng cà thế giới nói chung vì vậy tìm kiếm các phương pháp xử lý, làm sạch và bảo vệ môi trường là nhiệm vụ chung của cả nhân loại. Dù hiện tại phạm vi nghiên cứu của ứng viên mới ở mức nghiên cứu cơ bản, nhưng nhóm nghiên cứu luôn định hướng tới các tiện ích mà vật liệu mang lại khi ứng dụng (thuận lợi khi thao tác, dễ sử dụng, dễ thu hồi/tái sinh; có chi phí thấp, loại bỏ triệt để…); hơn nữa hướng nghiên cứu lày luôn nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học thể hiện ở chỉ số trích dẫn rất cao đối với các công bố về loại vật liệu này. Việc đưa graphen/graphen oxit vào hệ vật liệu để hoàn thiện hệ chất hấp phụ có dung lượng hấp phụ cao, cho ra đời các họ vật liệu hấp phụ mới là hướng nghiên cứu rất có triển vọng.
Định hướng nghiên cứu với hướng này trong tương lai:
(i) Chức năng hóa bề mặt bằng các polyme chức năng hoặc chức năng hóa graphen/graphen oxit để vừa tăng diện tích bề mặt riêng vừa tăng hiệu suất hấp phụ và đặc biệt là tiến tới hấp phụ có chọn lọc… Mở rộng ứng dụng các chất hấp phụ có khả năng thu hồi, có khả năng tái sinh, tái sử dụng.
(ii) Đưa các vật liệu đó lên các thiết bị lọc nước, xử lý nước để ứng dụng.
(iii) Phát triển các công nghệ lọc nước, trọng tâm là chuyển hóa nước mặn, nước ô nhiễm thành nước sinh hoạt không/hoặc ít sử dụng hóa chất; sử dụng năng lượng tái tạo;
(iv) Tạo ra các hệ xúc tác mới dị thể để có thể thay thế các hệ Fenton với tốc độ xử lý nhanh hơn nhiều lần, có thể thu hồi và tái sử dụng xúc tác; Tích hợp với các phản ứng điện hóa để không sử dụng hóa chất khi xử lý các chất hữu cơ trên nền tảng phản ứng Fenton dị thể

6. Ứng dụng vật liệu tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng

Ngày nay năng lượng tái tạo và phát thải carbon thấp là hướng đi toàn cầu hướng tới phát triển bền vững. Định hướng nghiên cứu này hướng tới ứng dụng các vật liệu chức năng để chế tạo các thiết bị, các linh kiện, các sản phẩm phục vụ tích trữ năng lượng tạo ra các sản phẩm pin điện thế hệ mới có dung lượng lưu trữ cao, mật độ năng lượng mới đáp ứng xu hướng phát triển của công nghệ hiện nay: năng lượng điện và năng lượng tái tạo, đặc biệt là sản xuất hydro; giảm phát thải CO₂ và chuyển hóa CO₂. Để chuyển đổi và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên trong kế hoạch phát triển các nguồn năng lượng mới và bền vững, thì hướng phát triển qua trọng đó là tích trữ hydrogen xanh, chuyển hoá khí tự nhiên thành điện năng với hiệu xuất cao trong các hệ pin nhiên liệu, chuyển hóa CO₂ thành nhiên liệu. Trong đó, việc phát triển các loại vật liệu tiên tiến, làm chủ công nghệ lõi và giải pháp kỹ thuật trong chế tạo, tích trữ và chuyển hoá hydrogen là một trong những ưu tiên hàng đầu hiện nay. Bên cạnh đó, các giải pháp chuyển hoá CO₂ thành các nguồn nhiên liệu khác như methanol.
Các giải pháp sử dụng pin nhiên liệu để chuyển hoá các loại nhiên liệu như hydrogen, methanol, khí tự nhiên được cho là có hiệu suất cao hơn so với phương pháp nhiệt điện truyền thống. Các hệ pin nhiên liệu ôxít rắn (SOFC, PEMFC, DMFC,…) là giải pháp tối ưu hiện nay. Các pin này đã và đang được phát triển với quy mô công suất nhỏ và vừa trong những hệ sinh thái khép kín, có thể tận dụng được các nguồn sinh khối tạo ra chuỗi tuần hoàn về nhiên liệu. Từ đó giảm thiểu phác thải khí nhà kính và tiến tới mục tiêu NET-ZERO mà Việt Nam đã cam kết. Các hướng cụ thể:
(i) Phát triển các vật liệu xúc tác chuyển hóa CO₂ thành nhiên liệu. Đây là lĩnh vực còn rất nhiều dư địa phát triển và có tầm ảnh hưởng toàn cầu. Đặc biệt đến nay chưa có quốc gia hay công ty nào có được công nhệ mang tính phổ cập cho toàn thế giới.
(ii) Chế tạo và ứng dụng các vật liệu từ graphen, graphit và vật liệu sắt từ làm điện cực cho pin;
(iii) Ứng dụng các vật liệu nanozyme, vật liệu xúc tác để cải thiện hiệu suất các quá trình điện phân sản xuất hydrogen;
(iv) chế tạo các hệ chất điện ly rắn dùng cho pin điện, solar-cell;
(v) chế tạo các màng dẫn proton thế hệ mới trên cơ sở các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên với độ ổn định và có khả năng phân hủy sinh học.

7. Ứng dụng các vật liệu tiên tiến cho một số lĩnh vực khác

Các vật liệu chế tạo được ở các hướng trên cũng sẽ được khảo sát cho tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp hướng đến sản xuất an toàn, nông nghiệp xanh; trong công nghệ dược phẩm, thực phẩm như:
(i) phân bón nano vi lượng;
(ii) kiểm soát dược chất; các hệ phân tích nhanh giúp tìm dược chất trong cây thuốc;
(iii) các nghiên cứu mô phỏng và tính toán có trách nhiệm hỗ trợ các công cụ tính toán và tính toán, tối ưu cho các quá trình trên.