Nhà khoa học Việt phát triển phòng thí nghiệm tự tổng hợp vật liệu

Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu đang triển khai mô hình phòng thí nghiệm tự động tổng hợp vật liệu tiên tiến, độ chính xác và hiệu suất vượt trội so với con người.

Dự án phát triển phòng thí nghiệm tự động do GS.TS Nguyễn Thanh Tùng, Trưởng phòng Công nghệ Plasma, Viện Khoa học vật liệu, Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, cùng TS Nguyễn Nhật Linh, TS Nguyễn Hoàng Tùng và TS Nguyễn Thị Mai tham gia thực hiện.

Với vai trò là chủ nhiệm dự án GS.TS Nguyễn Thanh Tùng, cho biết, phòng thí nghiệm tự động tổng hợp vật liệu đặt tại Viện Khoa học vật liệu, dự kiến vận hành bước đầu vào tháng 10 năm nay. Hệ thống được thiết kế gồm hai cánh tay robot, tự động pha trộn hóa chất, gia nhiệt, kích thích bằng plasma, cho phép tạo ra hàng ngàn mẫu vật liệu nano kim loại mỗi tháng mà không cần nhà khoa học trực tiếp thực hiện những thao tác lặp đi lặp lại như trước.

Phòng thí nghiệm sẽ tự động chuẩn bị tiền chất, tổng hợp vật liệu, đánh giá tính chất vật liệu, lưu trữ dữ liệu nhờ sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm điều khiển. Phần cứng là cánh tay robot thực hiện các thao tác: bơm, nhỏ, pha trộn hay di chuyển vật liệu giữa hệ plasma lạnh và thiết bị đo phổ hấp thụ UV-Vis. Phần mềm bao gồm bộ xử lý tự động hóa các thiết bị, phân tích dữ liệu. Hiệu suất tổng hợp vật liệu nano dự kiến tăng tối thiểu 10 lần, đạt ít nhất 50-100 mẫu mỗi ngày, trong khi thao tác thủ công chỉ đạt 5-10 mẫu.

Các thành viên nhóm nghiên cứu trong quá trình thiết kế và xây dựng phòng thí nghiệm tự động ở giai đoạn đầu. Ảnh: NVCC

Đại diện nhóm nghiên cứu cho biết, phòng thí nghiệm tự động cho phép các nhà khoa học khám phá vật liệu và chứng minh tính khả thi của mô hình hiện đại nhất thế giới trong điều kiện thực tế ở Việt Nam.

Thông thường, các nhà khoa học có thể khai thác thông tin từ các nghiên cứu đã công bố hoặc các dữ liệu mở trên thế giới, nhưng cần có "năng lực chủ động sản xuất để tiếp cận các bài toán vật liệu của riêng Việt Nam", GS Tùng nói. Do đó, nhóm đặt mục tiêu xây dựng và làm chủ công nghệ tạo ra một "nhà máy sản xuất dữ liệu vật liệu" trong nước.

GS Tùng cho biết, thách thức với tổng hợp vật liệu nano là khả năng kiểm soát kích thước, hình dạng và phân bố hạt thông qua tinh chỉnh hàng chục yếu tố về tiền chất, tỷ lệ, nhiệt độ, xúc tác, thời gian xử lý... Vật liệu có tính chất đáp ứng nhu cầu ứng dụng và nghiên cứu có thể chỉ là một trong hàng nghìn công thức khác nhau.

Cách làm thủ công gần như mò kim đáy bể, thời gian kéo dài trong khi thiếu sự đồng nhất, khả năng lặp lại và dữ liệu bị phân mảnh. Trong khi đó, để khám phá vật liệu hoặc mối tương quan giữa các yếu tố đầu vào và sản phẩm, cần có các bộ dữ liệu lớn và nhất quán. Đây cũng là lý do các phòng thí nghiệm tự động tổng hợp vật liệu tiên tiến đang trở thành công cụ của các cường quốc khoa học công nghệ như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản trong cuộc đua phát triển vật liệu công nghiệp, y tế, bán dẫn, hàng không vũ trụ.

Mô phỏng phòng thí nghiệm tự động tổng hợp vật liệu nano. Ảnh: NVCC

Phòng thí nghiệm do các nhà khoa học Việt tự phát triển sử dụng phương pháp tổng hợp bằng plasma lạnh, có thể tạo ra hàng loạt điều kiện tổng hợp khác nhau, làm tăng quy mô dữ liệu thu được.

Theo nghiên cứu, plasma, trạng thái khí giàu năng lượng, tạo vật liệu nano bằng cách phá vỡ các chất ban đầu và hình thành những hạt siêu nhỏ. So với cách làm trước đây là sử dụng hóa chất, plasma giúp kiểm soát tốt hơn quá trình tổng hợp nano. Cụ thể, với mỗi thay đổi về nguồn plasma - nhiệt độ, áp suất, thành phần khí, công suất - các hạt nano thu được sẽ có tính chất khác nhau.

Kết quả được tự động ghi nhận gồm ngày giờ, thông tin môi trường, model thiết bị, thông số thí nghiệm cùng tính chất vật liệu, tạo thành những bộ dữ liệu lớn theo tiêu chuẩn quốc tế. Đây là đầu vào của ứng dụng học máy để dự báo vật liệu hoặc tính chất mới, rút ngắn thời gian phát triển vật liệu phục vụ ứng dụng và nghiên cứu.

Nano kim loại là các hạt hoặc cấu trúc kim loại có kích thước nanomet. Ở kích thước siêu nhỏ, vật liệu có tính chất quang, điện, từ, hóa học đặc biệt so với kim loại dạng khối do diện tích bề mặt lớn, khiến nguyên tử tiếp xúc với môi trường và tăng khả năng phản ứng. Các tính chất này được tận dụng trong các lĩnh vực y sinh, năng lượng, điện tử, môi trường.

Chẳng hạn, nano vàng và bạch kim, các vật liệu sẽ được tổng hợp tại phòng thí nghiệm mới, sở hữu đặc tính plasmon (các electron trên bề mặt vật liệu tương tác với ánh sáng) và được ứng dụng trong cảm biến sinh học, cảm biến môi trường siêu nhạy phát hiện các chất ở cấp độ phân tử hoặc trong các nghiên cứu tiên tiến về truyền dẫn và điều khiển ánh sáng.

Nam Nguyễn