Nhà khoa học nữ nghiên cứu vật liệu tự lành “hot trend” thế giới

Giải thưởng Tạ Quang Bửu được Bộ Khoa học & Công nghệ tổ chức hằng năm nhằm vinh danh 2 nhà khoa học có kết quả nghiên cứu xuất sắc góp phần thúc đẩy khoa học, công nghệ Việt Nam. Năm nay, PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu, Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TPHCM đã xuất sắc đoạt giải với công trình "Tailoring the Hard−Soft Interface with Dynamic Diels-Alder Linkages in Polyurethanes: Toward Superior Mechanical Properties and Healability at Mild Temperature" (tạm dịch: Điều chỉnh giao diện cứng-mềm với các liên kết động Diels-Alder bằng Polyurethanes: Hướng tới các tính chất cơ học cao cấp và khả năng chữa lành ở nhiệt độ nhẹ) xuất bản trên Tạp chí Chemistry of Materials (vật liệu hóa học) năm 2019.

Đây là đề tài nghiên cứu chế tạo vật liệu silicon thông minh có khả năng “tự nhớ hình dạng” và “tự lành” ứng dụng làm vật liệu cấy ghép và màng phủ trong y học, có thể tự làm lành vết xước. Vật liệu này lấy ý tưởng từ khả năng “tự chữa lành” của da và xương khi bị tổn thương, trầy xước, đang là xu hướng nghiên cứu “nóng” trên thế giới với hàng trăm bài báo công bố mỗi năm.

Thế giới hiện đang trong giai đoạn bùng nổ các nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới về vật liệu polymer tự lành. Vật liệu tự lành (self-healing materials) là một công nghệ nổi trội thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học và công nghiệp trên thế giới với sự vào cuộc của nhiều tập đoàn lớn như: Bayer, Nissan, LG Electronics, RadTech, Toray Advanced Composites, Evonik Industries... Nhờ một số cơ chế đặc biệt, vật liệu có thể tự phục hồi các tổn thương (vết thủng, vết xước, vết cắt…) để trở về trạng thái gần như nguyên vẹn ban đầu. Từ đó, các sản phẩm làm bằng vật liệu tự lành có độ bền cao, hiệu quả kinh tế hơn nhờ nâng cao hiệu năng sử dụng, giảm thiểu chi phí sửa chữa, tiết kiệm năng lượng, tài nguyên và chất thải.

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. Điều tự hào là toàn bộ tác giả nghiên cứu công trình đều là người Việt, thực hiện hoàn toàn ở Việt Nam, với các thiết bị tại Việt Nam. Công trình đã được trích dẫn 40 lần trên các tạp chí và sách chuyên ngành vật liệu khoa học trên thế giới.

Cái mới, khác biệt trong nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu và cộng sự là tính năng “tự lành” ở nhiệt độ thấp. Trước đây, các công trình nghiên cứu đã công bố trên thế giới, vật liệu polyurethanes chỉ có thể “tự lành” ở nhiệt độ cao (110 - 1800C). Hệ vật liệu polyurethanes liên kết Diels-Alder trong nghiên cứu của PGS.TS Thu là vật liệu đầu tiên trên thế giới được công bố cho thấy có tính năng “tự lành” tốt ở nhiệt độ dịu nhẹ (60 - 700C) mà vẫn đảm bảo có cơ tính cao, nhờ vào sự sắp xếp của liên kết thuận nghịch tại vị trí bề mặt phân pha.

Để có những thành công trong nghiên cứu, PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu cùng cộng sự đã thai nghén nghiên cứu vật liệu polymer tự lành từ trước những năm 2015. Nhóm nghiên cứu đã nỗ lực trang bị cho mình các kỹ thuật phân tích phức tạp và chuyên sâu về khoa học vật liệu trong điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam gồm: Kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H NMR), nhiễu xạ tia X góc rộng (XRD), tán xạ tia X góc rộng (WAXS)… Để triển khai được nghiên cứu, nhóm phải đầu tư, trang bị các thiết bị chế tạo, phân tích đắt tiền như máy phân tích nhiệt quét vi sai (DSC), kính hiển vi điện tử quét (SEM)... mà không phải phòng thí nghiệm nào trên thế giới cũng được có.

Theo nhóm nghiên cứu, để phát triển vật liệu PU tự lành, các nghiên cứu tập trung vào phản ứng Diels-Alder (DA) thuận nghịch. Cấu trúc phân tử của PU gồm hai vùng: vùng cứng và vùng mềm. Các liên kết DA thường nằm ở vùng cứng, do đó, muốn kích hoạt phản ứng tự lành phải tăng nhiệt độ vật liệu lên 110 - 1800C mới có thể phân tách các liên kết DA rồi cho chúng tái hợp lại. Tuy nhiên, nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng xấu đến vật liệu. Vì vậy, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Thị Lệ 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, giúp cho quá trình tái hợp DA có thể diễn ra ngay ở nhiệt độ hơi nóng nhẹ 60 - 700C. Đây chính là điểm độc đáo nhất của nghiên cứu.

Mặt khác, PU tự lành lại là một vật liệu “khó chiều”. Người làm nghiên cứu phải cân đo đong đếm vật liệu vô cùng chính xác và tỉ mỉ, chỉ lệch một vài mg kết quả nghiên cứu sẽ thất bại. Ngoài ra, nghiên cứu cũng phải chứng minh được tính mới, tính độc đáo, khác biệt so với thế giới mới được các tạp chí chuyên ngành duyệt công bố.

Thành công của PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu cùng các cộng sự mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Trong lĩnh vực y sinh, vật liệu có thể ứng dụng cấy ghép da, làm keo dán vết thương, da nhân tạo... Thế giới đã sử dụng PU để chế tạo các điện cực tiếp xúc gắn lên da đo điện tim đồ hoặc điện não đồ. Với tính chất tự lành, đặc tính cơ học tốt, bền nhiệt, kéo dãn... vật liệu giúp sản phẩm tăng tuổi thọ đáng kể. Vật liệu cũng mở ra ý tưởng làm màng phủ thông minh tự làm lành vết trầy xước cho xe hơi hay điện thoại hoặc chế tạo sơn có độ bóng cao, kháng hóa chất và tia cực tím sử dụng cho ngành sản xuất ô tô.

Theo PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu, Giải thưởng Tạ Quang Bửu có ý nghĩa động viên tinh thần rất lớn đối với các nhà nghiên cứu khoa học. Đặc biệt với điều kiện nghiên cứu khoa học còn nhiều hạn chế, giải thưởng giúp khích lệ các nhà khoa học trẻ, trong đó có các nhà khoa học nữ theo đuổi đam mê nghiên cứu.