Select Page

Nữ giảng viên BK tạo cú “hit” sciencebiz với vật liệu tự lành

Sáng chế của PGS.TS. Nguyễn Thị Lệ Thu – Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường ĐH Bách khoa (ĐHQG-HCM), là nghiên cứu đầu tiên trên thế giới về vật liệu polyurethane có khả năng tự lành nội tại ở nhiệt độ 60-70 độ C.

Bài viết liên quan
GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam đạt giải thưởng Tạ Quang Bửu 2017
Giảng viên Bách Khoa vào top 100 nhà khoa học hàng đầu châu Á 2017
PGS.TS. Vũ Ngọc Ánh và những chiếc máy bay không người lái

Nguyễn Thị Lệ Thu - Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2022 - Công nghệ Vật liệu - chương trình Chất lượng cao - Trường ĐH Bách khoa

PGS.TS. NGUYỄN THỊ LỆ THU

• Đạt Giải thưởng Nhà khoa học nữ xuất sắc 2017, L’Oreal – UNESCO for Women in Science
• Là nhà khoa học nữ duy nhất trong danh sách đề cử Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2018
• Đạt Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2022

Công trình nghiên cứu “Tailoring the Hard-Soft Interface with Dynamic Diels-Alder Linkages in Polyurethanes: Toward Superior Mechanical Properties and Healability at Mild Temperature[1] của TS. Lệ Thu và các cộng sự đã được đăng tải trên Tạp chí Chemistry of Materials (số 31, trang 2347-2357, năm 2019). Đây là tập san uy tín của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS), thuộc top 10 (theo Scopus) trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và công nghệ vật liệu.

Từ đó đến nay, công trình đã được trích dẫn 41 lần trên các tạp chí thuộc nhóm Q1[2] và sách chuyên ngành của nhà xuất bản Springer và Elsevier.

Đặc biệt, với sáng chế này, PGS.TS. Nguyễn Thị Lệ Thu đã được Bộ Khoa học & Công nghệ trao Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2022.

VẬT LIỆU TỰ LÀNH: BẮT “TREND” NÓNG CỦA KHOA HỌC THẾ GIỚI

Để hình dung ra nỗ lực của TS. Lệ Thu và các cộng sự Trường ĐH Bách khoa, trước tiên chúng ta hãy quan sát tổng thể xu hướng nghiên cứu vật liệu tự lành trên thế giới.

Từ vài thập kỷ trở lại đây, xu hướng nghiên cứu về các lớp vật liệu tự lành như gốm (ceramic), bê tông (concrete), polymer luôn là chủ đề rất nóng trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Chỉ tính riêng vật liệu tự lành polymer thì mỗi năm đã có vài trăm bài báo mới được công bố.

Tính năng tự chữa lành là gì? Đó là khả năng vật liệu nhờ một số cơ chế đặc biệt mà có thể tự phục hồi các tổn thương (vết xước, vết cắt…) để trở về trạng thái gần như nguyên vẹn ban đầu. Nhờ đó, sản phẩm sử dụng vật liệu tự lành có độ bền cao hơn, giảm thiểu chi phí sửa chữa, nâng cao hiệu năng sử dụng và hiệu quả kinh tế, giúp tiết kiệm năng lượng, tài nguyên và chất thải.

Trở ngược lại gần 10 năm trước, Diễn đàn Kinh tế Thế giới 2013 đã bình chọn vật liệu tự lành (self-healing materials) là một trong 10 công nghệ nổi trội nhất năm đó.

Đến nay, vật liệu polymer tự lành đang là lĩnh vực thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học và công nghiệp trên thế giới. Các tập đoàn lớn như Nissan, LG Electronics, Bayer, RadTech, Evonik Industries, Toray Advanced Composites… và các công ty spin-off[3] của các ĐH trên thế giới đang trong giai đoạn bùng nổ các nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới của vật liệu polymer tự lành.

Hứa hẹn nhiều ứng dụng là vậy nhưng polymer tự lành lại là một vật liệu “khó chiều”. Trong quá trình tổng hợp vật liệu, những người làm nghiên cứu phải chuẩn bị vật liệu vô cùng chính xác và tỉ mỉ, nhiều khi chỉ lệch một vài mg trong quá trình chuẩn bị thì kết quả đã khác.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu phải làm nổi bật được tính mới, tính độc đáo của vật liệu mình đang chế tạo so với vật liệu của các nhóm khác. Vì là xu hướng nóng nên mỗi năm có hàng trăm bài báo về vật liệu polymer tự lành được công bố. Nếu vật liệu của nhóm nghiên cứu không có điểm gì đặc biệt thì sẽ có rất ít cơ sở để thuyết phục được ban biên tập của các tạp chí khoa học lớn chấp nhận bình duyệt công trình.

Vì vậy, có thể nói, công trình nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Thị Lệ Thu đã góp phần xây dựng một hướng nghiên cứu mới của thế giới và khởi đầu cho việc phát triển các sản phẩm vật liệu tự lành tại Việt Nam.

CƠ CHẾ KÍCH HOẠT PHẢN ỨNG TỰ LÀNH CỦA VẬT LIỆU POLYMER

Nếu trước đây, vật liệu polymer tự lành nhờ cấy thêm các vật liệu ngoại lai (extrinsic self-healing) được quan tâm phát triển thì trong khoảng thời gian gần đây, vật liệu polymer tự lành nội tại (intrinsic self-healing) lại được chú ý nhiều hơn.

Trong công trình này, PGS.TS. Nguyễn Thị Lệ Thu và cộng sự đã đi sâu vào nghiên cứu polyurethane (PU, một loại vật liệu polymer) tự lành nội tại, loại vật liệu phát triển sau nhưng đang được ưa chuộng hơn vì tính ổn định và tác dụng lâu dài của nó.

Để phát triển vật liệu PU tự lành, người ta thường tập trung vào phản ứng Diels-Alder (DA) thuận nghịch. Cấu trúc phân tử của PU gồm hai vùng là vùng cứng (hard domain) và vùng mềm (soft domain). Các liên kết DA thường nằm ở vùng cứng, trong khi muốn kích hoạt phản ứng tự lành thì ta phải nung nóng vật liệu lên khoảng 110-180 độ C để phân tách các liên kết DA rồi cho chúng tái hợp lại. Việc triển khai theo cách này có một thách thức là có thể ảnh hưởng xấu đến tính toàn vẹn của vật liệu.

Khắc phục nhược điểm đó, nhóm nghiên cứu của TS. Thu đã thiết kế vật liệu PU chứa các thực thể động DA nằm ngay trên giao diện giữa các vùng cứng và vùng mềm. Đây chính là điểm độc đáo nhất của nghiên cứu bởi thiết kế thông minh này giúp cho quá trình tái hợp DA có thể diễn ra ngay ở nhiệt độ hơi nóng nhẹ, 60-70 độ C.

Video thực nghiệm vật liệu PU tự lành của TS. Lệ Thu

Cơ chế này cũng góp phần giúp vật liệu PU có cơ tính tốt hơn. Thêm vào đó, tính năng tự lành và cơ tính của vật liệu có thể được tinh chỉnh bằng cách thay đổi hàm lượng liên kết DA.

Triển vọng ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là cực kỳ tươi sáng. Thí dụ, acrylic PU là loại sơn có độ bóng cao, duy trì được tính năng trong thời gian dài ngay cả khi tiếp xúc với tia cực tím và có khả năng kháng hóa chất rất tốt. Vật liệu này đã được thương mại hóa và được sử dụng trong ngành sản xuất ô tô.

Trong lĩnh vực y tế, PU được sử dụng để chế tạo các điện cực tiếp xúc gắn lên da để đo điện tim đồ hoặc điện não đồ. Đặc tính cơ học tốt, có thể kéo dãn, bền nhiệt… của PU có thể giúp tăng thời gian sử dụng của các điện cực này.

PU có đặc tính tự chữa lành cũng đã được đề xuất cho các ứng dụng y sinh như da nhân tạo, vật liệu cấy ghép, keo dán vết thương. Trong lĩnh vực điện tử, PU cũng được ứng dụng làm điện cực cho các siêu tụ điện, màn hình điện thoại thông minh, v.v.

THÀNH QUẢ TÍCH LŨY GẦN 10 NĂM

Để có công trình xuất sắc này, nhà khoa học cần quãng thời gian dài hay ngắn? Đó là câu hỏi thường được nhiều người đặt ra khi chiêm ngưỡng các công trình khoa học.

Trên thực tế, không có khung thời gian chuẩn cho quá trình phát kiến đột phá. Có người công bố nghiên cứu xuất sắc chỉ sau vài năm làm khoa học, song cũng có người phải mất hàng chục năm mới đạt được những thành tựu độc đáo.

Dù lâu hay mau thì một quá trình tìm tòi, tích lũy là điều rất cần thiết. Nếu nhìn vào quá trình nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Thị Lệ Thu thì có thể thấy nữ giảng viên này đã có thời gian nghiên cứu về vật liệu polymer tự lành sử dụng cơ chế DA từ trước năm 2015. Nó cũng giống như một quá trình phôi thai, định hình cho phát kiến độc đáo lần này.

Nhóm nghiên cứu của TS. Lệ Thu còn nỗ lực trang bị cho mình các kỹ thuật phân tích phức tạp và chuyên sâu về khoa học vật liệu như kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H NMR), nhiễu xạ tia X góc rộng (XRD), tán xạ tia X góc rộng (WAXS)…

PGS.TS. Nguyễn Thị Lệ Thu (giữa) cùng nhóm nghiên cứu của mình tại Khoa Công nghệ Vật liệu – Trường ĐH Bách khoa

Bên cạnh đó, không thể thiếu các thiết bị chế tạo, phân tích thiết yếu như máy phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) để xác định sự chuyển pha của vật liệu polymer theo nhiệt độ, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát các vết nứt cực nhỏ ở thang đo vài µm, v.v. Đây đều là các thiết bị đắt tiền mà không phải phòng thí nghiệm nào (kể cả ở nước ngoài) cũng được trang bị đầy đủ.

Hội tụ được nhiều yếu tố như vậy, công trình nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Thị Lệ Thu không chỉ mang ý nghĩa về mặt học thuật mà còn có tác dụng tích cực trên phương diện kinh tế – giáo dục. Toàn bộ các tác giả đều đang công tác trong nước tại Trường ĐH Bách khoa (ĐHQG-HCM) là minh chứng cho nội lực nghiên cứu của nhà trường.

Giải thưởng Tạ Quang Bửu là giải thưởng danh giá hằng năm được trao cho tác giả của các công trình khoa học xuất sắc được thực hiện tại Việt Nam và công bố trên tạp chí khoa học quốc tế uy tín. Qua đó, góp phần thúc đẩy nghiên cứu khoa học cơ bản nói riêng và khoa học công nghệ Việt Nam nói chung tiếp cận trình độ quốc tế, hội nhập và phát triển cùng khoa học toàn cầu.

Đây là lần thứ hai các nhà khoa học của Trường ĐH Bách khoa nhận được giải thưởng này. Trước đó, GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam – Trưởng Khoa Kỹ thuật Hóa học, đã được trao giải vào năm 2017.

THI CA (tổng hợp từ Tia Sáng, VJST, ACS Publications)


[1] Tailoring the Hard-Soft Interface with Dynamic Diels-Alder Linkages in Polyurethanes: Toward Superior Mechanical Properties and Healability at Mild Temperature: Thiết kế giao diện vùng cứng – vùng mềm với những liên kết động lực Diels-Alder: hướng tới các cơ tính và tự lành chất lượng cao ở nhiệt độ trung bình

[2] Q1: Nhóm các tạp chí có chỉ số trích dẫn (IF) thuộc top 25%

[3] Công ty spin-off: Mô hình doanh nghiệp nhằm khai thác và thương mại hóa kết quả nghiên cứu khoa học công nghệ do các cá nhân, tập thể nhà khoa học, kỹ sư tạo ra ở ĐH, viện nghiên cứu.

Bài trước