Chế tạo và ứng dụng vật liệu ống Na-nô các-bon

Vật liệu ống Na-nô các-bon (CNTs) đã được giới khoa học quốc tế phát hiện cách đây hơn 20 năm. Na-nô các-bon có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hóa học đặc biệt và tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá trong các sản phẩm công nghệ cao, nên nó ngày càng thu hút sự quan tâm của thế giới. Ở nước ta, đã có một số đơn vị nghiên cứu vật liệu Na-nô các-bon, nhưng đi đầu trong lĩnh vực này phải kể đến Viện Khoa học vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam). GS, TS Phan Hồng Khôi (nguyên Viện trưởng Viện Khoa học vật liệu) cho biết, giữa những năm 90 của thế kỷ trước, nhân đọc một bài báo của nước ngoài, ông nảy ra ý tưởng nghiên cứu loại vật liệu tiên tiến này bởi việc tìm vật liệu xúc tác để chế tạo ra CNTs ở ta không khó. Mặt khác, qua nghiên cứu thấy được tính ưu việt của CNTs là nhẹ, độ cứng cao, dẫn nhiệt tốt, khả năng chịu mài mòn lớn… nên sử dụng để gia cường cho các vật liệu tổ hợp với nền kim loại hoặc nền polyme rất tốt. Thế là một phòng thí nghiệm về vật liệu Na-nô các-bon được xây dựng. Nhóm nghiên cứu khoảng 10 người, dưới sự chủ trì của GS Phan Hồng Khôi từng bước tìm cách thiết kế hệ thiết bị chế tạo và xây dựng quy trình công nghệ sản xuất CNTs.

Trải qua nhiều lần thử nghiệm, cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo được thiết bị lắng đọng hóa học pha hơi với bốn ống lò phản ứng bằng thép không gỉ liên hoàn. Đồng thời, sử dụng vật liệu xúc tác rắn để chế tạo ra các dạng Na-nô các-bon. Bao gồm, vật liệu ống Na-nô các-bon mọc định hướng, ống Na-nô các-bon biến tính với nhiều nhóm chức khác nhau (như-COOH, -OH, -NH2…). Đặc biệt từ các ống lò phản ứng, đã chế tạo được vật liệu ống Na-nô các-bon đa tường (cuộn thành nhiều lớp từ nhỏ đến lớn). Đây là loại vật liệu có đường kính trung bình trong khoảng từ 20nm đến 100nm, độ sạch đạt hơn 90%, có nhiều tính năng đặc biệt như độ cứng cao hơn kim cương, độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt hơn kim loại. Nghiên cứu, chế tạo được sản phẩm rồi phải đưa vào triển khai, ứng dụng trong cuộc sống. GS, TS Phan Hồng Khôi cho biết: Thời gian đầu, Viện hợp đồng liên kết với Nhà máy bơm Hải Dương, dùng vật liệu ống Na-nô các-bon đa tường để gia cường cho cao-su thiên nhiên lưu hóa (sản xuất dây cua-roa). Các kết quả thử nghiệm cho thấy, tính chất cơ học của cao-su thiên nhiên lưu hóa được gia tăng từ 8 đến 10%, nghĩa là tốt hơn so với gia cường bằng bột than truyền thống. Vật liệu cao-su có gia cường ống Na-nô các-bon đa tường có độ mài mòn thấp hơn ba lần so với vật liệu cao-su có bột các-bon. Từ đây, vật liệu tổ hợp cao-su (MWCNTs/ cao-su thiên nhiên) đã được ứng dụng vào bạc tự bôi trơn trong hệ thống máy bơm nước tại một số địa phương trong cả nước. Tiếp đó, nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu ống Na-nô các-bon để gia cường độ cứng, bền, độ bám dính và chống mài mòn của lớp mạ điện Ni, Cr. Kết quả kiểm tra cho thấy lớp mạ điện Ni, Cr có lẫn ống Na-nô các-bon có độ cứng gấp hai lần so với lớp mạ điện Ni, Cr thông thường; khả năng chống mài mòn cũng được nâng cao. Dùng vật liệu ống Na-nô các-bon đa tường đơn sợi và mọc định hướng để gia cường vào kem tản nhiệt cho vi xử lý máy tính và đèn LED công suất cao. Kết quả kiểm tra, đối chứng thật khả quan. Bởi vật liệu này có thể giảm nhiệt độ của bộ phận vi xử lý máy tính xuống 5oC. Mặt khác, thời gian tăng nhiệt độ của vi xử lý dài hơn ba lần so với khi sử dụng loại kem tản nhiệt thông thường. Tương tự, nó duy trì mối liên hệ giữa công suất ánh sáng ra với dòng điện cấp vào lên tới 500mA mà không chạm tới độ bão hòa nên cải thiện được hiệu suất quang học của đèn LED…

Theo GS, TS Phan Hồng Khôi, khoảng năm năm trở lại đây, sản phẩm ống Na-nô các-bon của nhóm nghiên cứu do ông chủ trì đã được cung cấp cho một số cơ sở đào tạo, nghiên cứu khoa học như Trường đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên, Khoa Công nghệ vật liệu (Trường đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh). Mặt khác, nhóm nghiên cứu cũng đang có kế hoạch hợp tác nghiên cứu triển khai ứng dụng vào đời sống với một số đơn vị trong và ngoài Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trên cơ sở thỏa thuận hợp tác giữa Công ty IQCT International và Viện Khoa học vật liệu về thương mại hóa thiết bị, công nghệ chế tạo các sản phẩm liên quan đến vật liệu CNTs (tháng 4-2009), Bộ Khoa học và Công nghệ đã chấp thuận (tháng 11-2009) cho phép Viện góp vốn bằng giá trị quyền sở hữu sáng chế để thành lập doanh nghiệp. Theo đó, cuối tháng 5-2010, Công ty VINANOTECH chính thức được thành lập nhằm thương mại hóa kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong thời gian hơn mười năm qua.

ĐỀ tài 'Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu ống Na-nô các-bon' của GS, TS Phan Hồng Khôi và nhóm cộng sự là đề tài nghiên cứu cơ bản có giá trị thực tiễn cao, đã vinh dự được trao giải nhất VIFOTEC năm 2010, thuộc lĩnh vực công nghệ vật liệu. Công trình cũng chứa đựng sự sáng tạo (đã được cấp bằng độc quyền sáng chế theo Quyết định 9079/QĐ-SHTT, ngày 11-5-2009 của Cục Sở hữu trí tuệ, 17 bài báo khoa học đăng trên các tạp chí quốc tế có uy tín, 35 báo cáo trong các tuyển tập Hội nghị quốc tế chuyên ngành, và góp phần đào tạo một tiến sĩ, sáu thạc sĩ ngành khoa học vật liệu). Vì thế, nhân dịp này, Tổ chức Sở hữu trí tuệ thế giới (WIPO) của Liên hiệp quốc đã tặng GS,TS Phan Hồng Khôi và nhóm nghiên cứu đề tài 'Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu ống Na-nô các-bon' là công trình xuất sắc nhất năm 2010.