Làm chủ công nghệ plasma lạnh cho vật liệu nano

Tiến sĩ Nguyễn Nhật Linh hướng dẫn sinh viên kiểm tra mẫu sản phẩm hạt nano vàng thu được từ quá trình tổng hợp plasma. (Ảnh: MINH ĐỨC)

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo nguồn phát plasma lạnh ứng dụng trong tổng hợp vật liệu nano kim loại có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Au, Ag)” do các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực hiện đã mở ra hướng tiếp cận xanh, an toàn trong tổng hợp nano kim loại quý, góp phần nâng cao năng lực làm chủ công nghệ plasma và vật liệu tiên tiến trong nước.

Trong bối cảnh khoa học và công nghệ phát triển mạnh mẽ, các vật liệu nano kim loại có hiệu ứng plasmon bề mặt (Au, Ag) ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Khi được kích thích bởi bức xạ điện từ tại tần số cộng hưởng thích hợp, các electron tự do tập trung gần bề mặt hạt sẽ dao động tập thể, tạo nên hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt đặc trưng. Chính cơ chế này mang lại cho vật liệu những tính chất hóa-lý ưu việt, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong y học, xúc tác quang và hóa học, cảm biến điện hóa cũng như cảm biến tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS).

Tuy nhiên, các phương pháp tổng hợp nano kim loại truyền thống từ hóa học, vật lý đến sinh học thường đòi hỏi điều kiện phản ứng khắt khe, tiêu tốn năng lượng, sử dụng hóa chất tiềm ẩn độc tính và gặp khó khăn trong kiểm soát hình thái, kích thước hạt. Trong xu thế phát triển công nghệ xanh và bền vững, plasma lạnh nổi lên như một hướng tiếp cận đầy triển vọng nhờ khả năng tạo môi trường phản ứng hoạt hóa cao ở điều kiện nhiệt độ thấp, thân thiện hơn với môi trường.

Dù đã đạt được những bước tiến đáng kể, công nghệ tổng hợp nano bằng plasma vẫn đối mặt với nhiều thách thức, nhất là việc thiết kế cấu hình và tối ưu các thông số kỹ thuật của nguồn phát DBD plasma jet.

Đây là yếu tố quyết định trực tiếp đến hiệu suất tổng hợp cũng như chất lượng vật liệu thu được. Vì vậy, làm chủ công nghệ chế tạo và tối ưu hóa nguồn plasma lạnh chuyên dụng không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn góp phần nâng cao tính khả thi trong ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano kim loại.

Trước thực tiễn đó, Tiến sĩ Nguyễn Nhật Linh và nhóm nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã triển khai đề tài “Nghiên cứu chế tạo nguồn phát plasma lạnh ứng dụng trong tổng hợp vật liệu nano kim loại có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Au, Ag)” (mã số: THTEXS.06/22-25).

Trong quá trình triển khai, nhóm nghiên cứu đã từng bước xây dựng và tối ưu hóa hệ thống plasma lạnh sử dụng khí argon với cấu trúc điện cực được thiết kế phù hợp cho quá trình khử ion kim loại ở điều kiện áp suất và nhiệt độ phòng. Thiết bị được phát triển theo hướng gọn nhẹ, vận hành ổn định và tiết kiệm năng lượng, song vẫn bảo đảm tạo ra mật độ cao các tác nhân hoạt hóa, đủ khả năng khử nhanh Au³+ và Ag+ mà không cần sử dụng chất khử hóa học. Đây là tiền đề quan trọng để kiểm soát chặt chẽ kích thước, hình thái và phân bố hạt, qua đó bảo đảm chất lượng nano vàng và nano bạc đáp ứng yêu cầu nghiên cứu cũng như ứng dụng.

Đi đôi với việc hoàn thiện thiết bị, nhóm đã tiến hành khảo sát hệ thống các thông số ảnh hưởng như lưu lượng khí, công suất plasma, thời gian xử lý và nồng độ muối kim loại. Kết quả thực nghiệm cho thấy plasma lạnh không chỉ rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng mà còn tạo ra các hạt nano có độ đồng đều và ổn định cao, thể hiện đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt rõ rệt. Những kết quả này tiếp tục khẳng định ưu thế của phương pháp plasma so với quy trình hóa học truyền thống: Không sử dụng hóa chất độc hại, giảm thiểu chất thải thứ cấp, thuận lợi cho mở rộng quy mô và thân thiện với môi trường.

Chia sẻ về những kết quả bước đầu, Tiến sĩ Nguyễn Nhật Linh cho biết, plasma lạnh đặc biệt triển vọng nhờ khả năng tạo ra các tác nhân hoạt hóa mạnh trong điều kiện thường. Tuy nhiên, duy trì trạng thái plasma ổn định trong thời gian dài là thách thức kỹ thuật không nhỏ; chỉ một biến động nhỏ về công suất hoặc lưu lượng khí cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình hình thành và phát triển hạt nano. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã phải tối ưu chi tiết cấu trúc điện cực, hệ thống cấp khí và cơ chế phát plasma nhằm bảo đảm tính lặp lại, đồng đều và chất lượng sản phẩm.

Điểm nhấn quan trọng của đề tài là chứng minh được khả năng tổng hợp vật liệu nano kim loại quý bằng một quy trình hoàn toàn sạch, không sử dụng bất kỳ chất khử độc hại nào. Thành công này không chỉ phù hợp với định hướng phát triển công nghệ xanh và mô hình sản xuất bền vững mà còn góp phần nâng cao năng lực tự chủ trong chế tạo nguồn plasma lạnh trong nước, giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu và mở ra triển vọng cho các nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu nano, vật liệu quang-điện tử trong thời gian tới.

Theo đánh giá của các nhà khoa học, kết quả nghiên cứu đã khẳng định plasma lạnh là phương pháp tổng hợp vật liệu nano kim loại quý giàu triển vọng, theo hướng xanh, an toàn và có khả năng kiểm soát tốt hơn so với các quy trình hóa học truyền thống. Việc chế tạo thành công nguồn phát plasma lạnh sử dụng khí argon với độ ổn định và hiệu suất cao đánh dấu bước tiến quan trọng trong quá trình làm chủ công nghệ plasma và công nghệ nano tại Việt Nam.

Đề tài thể hiện rõ tính mới trong cách tiếp cận, giá trị thực tiễn trong triển khai công nghệ và tiềm năng ứng dụng rộng mở trong lĩnh vực plasma, vật liệu xử lý môi trường cũng như phát triển vật liệu-linh kiện cho năng lượng. Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đánh giá cao các kết quả đạt được của đề tài và thống nhất xếp loại A. Từ nền tảng nghiên cứu này, đề tài của nhóm tác giả Viện Khoa học vật liệu đã được công bố trên 5 bài báo thuộc các tạp chí quốc tế uy tín và công bố trong kỷ yếu hội nghị chuyên ngành trong nước.

Những kết quả trên không chỉ khẳng định năng lực nghiên cứu và làm chủ công nghệ của đội ngũ khoa học trong nước mà còn mở ra tiền đề cho các hướng nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng liên ngành, từ y sinh, môi trường đến năng lượng, góp phần thúc đẩy định hướng phát triển công nghệ tiên tiến, xanh và bền vững của khoa học Việt Nam hiện nay.

NGỌC HÀ