Những bài cùng đề tài
Những hình ảnh về vật liệu
ống nanocarbon của nhóm nghiên cứu ở Trung tâm nghiên cứu triển
khai, Khu CNC TP HCM, là những vật liệu có kích thước quá lớn so với
những thành tựu thế giới, và rất khó tin rằng chúng có thể đạt được
những tính chất nano thần kỳ như những tuyên bố có phần “giật gân”
gần đây của TS Nguyễn Chánh Khê.
Ống carbon nanotube
Các vật liệu dựa trên
carbon (bao gồm ống nano carbon, bóng bulky carbon, graphene…) được
coi là nhóm vật liệu quan trọng của khoa học và công nghệ nano, tạo
nên nhiều thay đổi thần kỳ trong khoa học và công nghệ. Sự xuất hiện
của chúng đã kéo giới khoa học khắp thế giới vào cuộc đua nghiên cứu
về các vật liệu này. Có thể coi giải Nobel Vật lý năm 2010 cho hai
nhà Vật lý gốc Nga làm việc tại Manchester, Anh là Andre Geim và
Konstantin Novoselov (hiện đều mang quốc tịch Anh và Hà Lan) là sự
ghi nhận sự phát triển lên tới đỉnh điểm của các nghiên cứu về vật
liệu nano carbon. Trong số các vật liệu nano carbon, hai loại đang
được chú ý nhất là ống nano carbon (Carbon nanotube – CNT) và các
tấm graphene. Ống là nano carbon thực chất là một tấm graphene
(trường hợp này gọi là CNT đơn tường - Single-wall CNT – SWNT) hoặc
nhiều tấm graphene (lúc đó sẽ trở thành CNT đa tường - Multi-wall
CNT – MWNT) cuộn lại thành một ống dài1, có đường kính từ
vài nanomet đến vài chục nanomet và chiều dài có thể tới cấp cm. Ống
CNT (đơn tường) dài kỷ lục2 được công bố vào năm 2009 bởi
các nhà khoa học Trung Quốc ở Đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh) với chiều
dài kỷ lục 18,5 cm. Cấu trúc đặc biệt này của CNT được liệt vào loại
vật liệu nano một chiều, có nghĩa là điện tử chỉ có thể di chuyển tự
do trong một chiều (cụ thể là chiều dài của dây), còn hai chiều còn
lại (theo tiết diện của dây) thì sẽ bị hạn chế - tạo ra sự cầm tù
lượng tử.
Hình 1. Ảnh chụp hiển vi điện
tử phân giải cao (HRTEM) một ống CNT đơn tường ứng dụng trong điện
cực pin Lithium trong công bố gần đây của nhóm Seung Woo Lee (Hàn
Quốc) trên tạp chí Nature Nanotechnology (2010)3. Trong
sản phẩm này, ống CNT có đường kính cỡ 13 nm.
Nhờ kích thước nhỏ, cấu trúc đặc
biệt, CNT có những tính chất đặc biệt vượt trội so với vật liệu
thông thường: tính chất cơ (độ cứng cao tương đương với thép tốt
nhất), độ dẫn nhiệt và dẫn điện cực tốt, khả năng phát xạ điện tử
mạnh khi ở kích thước nhỏ, tính chất xúc tác mạnh… Có nghĩa là, tính
chất của CNT phụ thuộc mạnh vào đường kính của ống. Để có thể ứng
dụng CNT trong các linh kiện nano (vi mạch, ống phát xạ trường, đầu
dò của kính hiển vi quét đầu dò…), đường kính của CNT có thể đòi hỏi
nhỏ tới một vài nanomet, và khi đó, giá của CNT đơn tường với độ
sạch 95% có thể lên tới 200,000 – 2,500,000 USD/kg4. Loại
ứng dụng này đòi hỏi các thao tác phức tạp trên từng ống CNT đơn lẻ.
Với các ứng dụng sử dụng CNT như một vật liệu phổ thông hàng loạt
(ví dụ như các bộ lọc, các điện cực pin nhiên liệu…) thì kích thước
ống CNT có thể lớn hơn, có thể lớn tới dải 10-30 nm, hình 1, và khi
đó, giá thành của vật liệu CNT đơn tường5 có thể có giá
từ 800 – 50,000 USD/kg. Công ty SUNNANO6 ở Giang Tây,
Trung Quốc có thể cung cấp CNT đơn tường với giá chỉ 400 USD/kg khi
mua trên 5 kg loại CNT đơn tường với độ sạch 90%, hoặc thậm chí
xuống tới 120 USD/kg khi mua trên 100 kg. Nếu so sánh hai loại CNT
thì CNT đơn tường luôn có giá thành cao hơn nhiều so với CNT đa
tường.
Nghiên cứu sâu sắc về CNT thường
bị khó khăn ở khâu phân tích bởi kích thước rất nhỏ. Công cụ phổ
biến nhất để phân tích chính xác là kính hiển vi điện tử truyền qua
với độ phân giải cao (HRTEM) cho phép ghi nhận hình ảnh thực của vật
chất ở độ phân giải cao tới cấp độ nguyên tử, đồng thời cho độ tương
phản chính xác về cấu trúc vật liệu (như ví dụ ở hình 1). Ngoài ra,
các công cụ chùm điện tử khác như kính hiển vi điện tử quét (SEM)
đều không thể cho phép quan sát cấu trúc thực với độ phân giải cao
như HRTEM. Các công bố khoa học về CNT nếu minh họa hình ảnh bằng
SEM đều không đạt tính thuyết phục cao và nếu gặp các phản biện có
kiến thức sâu sắc về vi cấu trúc còn có thể bị bác bỏ bởi thực chất
SEM chỉ cho các hình ảnh ngoài bề mặt, liên quan đến độ cao thấp bên
ngoài, và tương phản hoàn toàn không liên quan đến cấu trúc vật
liệu.
Sản phẩm của SHTP
Labs, TP.HCM
Trong hầu hết các công bố gần đây
của nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu triển khai – Khu Công
nghệ cao TP Hồ Chí Minh (SHTP Labs)7, vật liệu CNT là vật
liệu trung tâm của các ứng dụng được công bố trên các phương tiện
thông tin đại chúng. Nhóm nghiên cứu này có đăng ký một số bằng phát
minh sáng chế (patents) tại Hoa Kỳ và trình bày báo cáo tại một số
hội nghị nước ngoài (cần chú ý là công bố tại các hội nghị này đều
không phải là hệ thống tạp chí có phản biện). Trong một báo cáo với
tiêu đề tổng quan về tổng hợp CNT8 trình bày tại Hội nghị
NSTI-Nanotech năm 2009, nhóm này có công bố các vật liệu CNT chế tạo
bằng phương pháp phản ứng pha rắn trong lò nung nhiệt độ cao và
trình bày một số ảnh SEM (hiển vi điện tử quét) khẳng định sự hình
thành của các CNT. Ngoài ra, hình ảnh về CNT chế tạo bởi nhóm này
cũng được trình bày tại hội nghị này từ năm 2007 đến năm 2010 đều
công bố các kết quả về chế tạo ống CNT bằng kỹ thuật này. Điều đáng
ngạc nhiên là trưởng nhóm nghiên cứu là TS Nguyễn Chánh Khê đã công
bố trên báo chí rằng nhóm là nơi đầu tiên tại Việt Nam tạo ra ống
CNT (nhưng thực tế thì không đúng vậy – xem lời bác bỏ công bố này
trên TuanVietnam9 khẳng định trước đó nhiều năm, nhiều
nhóm nghiên cứu khác ở Việt Nam đã chế tạo thành công CNT và công bố
trên các tạp chí chuyên ngành) với khả năng sản xuất khối lượng lớn
gấp hàng triệu lần thế giới và giá thành rẻ hơn. Trên thực tế, việc
sử dụng kỹ thuật phản ứng pha rắn tương tự để sản xuất CNT từ các
sợi carbon giá rẻ đã được tiến hành tại Nhật Bản từ trước đó hơn 10
năm (ví dụ như công bố của nhóm Morinobu Endo ở Đại học Shinshu,
Nagano, Nhật Bản10 hợp tác với Đại học Sussex ở Brighton,
Anh trên tạp chí Carbon năm 1995).
|
Hình 2. (a,b): Ảnh CNT chụp
bằng SEM công bố bởi nhóm SHTP Labs (thang kích thước màu đỏ được
vẽ lại từ hình gốc để làm rõ kích thước). (c,d): Ảnh chụp CNT đơn
tường bằng HRTEM từ nhóm Nhật Bản (c)10 công bố từ năm
1995 và công ty Nano-Lab (Mỹ)4 sản xuất bằng phương pháp
tương tự với chất lượng vượt trội và giá rất rẻ. Cần chú ý trong
hình ảnh (d) là tập hợp của nhiều CNT đơn tường kết thành sợi lớn.
Điều đáng nói hơn, nhóm nghiên
cứu ở Nhật Bản sản xuất CNT với chất lượng vượt xa nhóm tại SHTP với
việc tạo ra CNT với đường kính xung quanh 5 nm (trong khi nhóm tại
SHTP Labs chỉ công bố những bức ảnh SEM rất sơ sài với CNT nhỏ nhất
vượt trên mức 50 nm, thậm chí độ đồng nhất kém đến mức có những ống
có kích thước lên tới trên 1 micromet – vượt thang nanomet tới 10
lần, hình 2). Những hình ảnh chụp thô bằng SEM của SHTP Labs cho
thấy đây “có thể” là những ống CNT đa tường có kích thước rất lớn
(cần chú ý là SEM không đủ thuyết phục để khẳng định đây là các
“ống” carbon nên chỉ có thể giả thiết như vậy). Những kết quả của
SHTP Labs cho thấy vật liệu CNT của họ khó có thể đạt được những
tính chất vượt trội như mong đợi ở vật liệu nano như TS Nguyễn Chánh
Khê vẫn tuyên bố, đặc biệt khó có thể tưởng tượng nổi loại ống CNT
lớn như vậy có thể được đem ứng dụng trong kính hiển vi quét đầu dò
(một ứng dụng đòi hỏi loại ống CNT có kích thước chỉ vài nanomet)
như TS Khê từng “khoe” trong một hội thảo11. Với việc sử
dụng vật liệu đầu vào là những vật liệu đơn giản rẻ tiền như họ
thường công bố nhằm giải thích cho việc tạo thành giá thành rẻ, rất
khó có thể tạo ra vật liệu nano đúng nghĩa bởi vì vật liệu nguồn
thông thường chứa nhiều tạp chất bẩn sẽ dễ dàng nhiễm bẩn và phá
hỏng toàn bộ tính chất vật liệu. Không bao giờ tồn tại một thứ công
nghệ nano tinh tế sử dụng các vật liệu nguồn đơn giản không tinh chế
vì yêu cầu độ sạch cao của công nghệ. Điều này cũng tương tự như
trường hợp không thể tin việc đem cát biển thô giá rẻ và đưa vào
công nghiệp bán dẫn thay cho sử dụng các phiến Si đơn tinh thể sản
xuất công nghiệp, dù cả hai đều là Silic.
Có thể nói rằng, những hình ảnh
về vật liệu ống nanocarbon của nhóm nghiên cứu ở SHTP Labs là những
vật liệu có kích thước quá lớn so với những thành tựu thế giới, và
rất khó tin rằng chúng có thể đạt được những tính chất nano thần kỳ
như những tuyên bố có phần “giật gân” gần đây của TS Nguyễn Chánh
Khê12. Nó cũng cho thấy rằng khả năng phân tích của nhóm
này còn rất hạn chế để hiểu rõ về vật liệu nano, có thể chính là một
nguyên nhân khiến cho những công bố khoa học chính thống từ đây còn
rất khiêm tốn so với các nhóm nghiên cứu khác từ chính Việt Nam.
---
1. Jean-Christophe Charlier,
Xavier Blase và Stephan Roche, Electronic and transport
properties of nanotubes, Rev. Mod. Phys. 79, 677–732 (2007).
http://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.79.677
2. Xueshen Wang và các cộng
sự, Nano Letters 9, 3137-3141 (2009)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl901260b
3. Seung Woo Lee và các cộng
sự, Nature Nanotechnology 5, 531–537 (2010).
http://www.nature.com/nnano/journal/v5/n7/full/nnano.2010.116.html
4.
http://www.nano-lab.com/single-walled-carbon-nanotubes.html
5.
http://www.cheaptubesinc.com/swnts.htm#single_walled_nanotubes_swnts_prices
6.
http://www.sunnano.com/prices.htm
7.
http://shtplabs.org/vi/nghien-cuu-va-de-tai-trien-khai/cac-sang-che.html
8. Khe C. Nguyen và các cộng
sự, NSTI-Nanotech 2009, ISBN 978-1-4398-1782, vol 1, pp. 5 (có
thể tìm thấy tại địa chỉ:
http://shtplabs.org/images/stories/downloads/Baocao-khoahoc/TECHNICAL-CONFERENCES/NANO-TECH/OVERVIEW-OF-SPNT-NANOTECH-2009.PDF).
9. “Đằng sau nghiên cứu kinh
ngạc của TS. Nguyễn Chánh Khê”, TuanVietnam, số ra ngày 16 tháng
6 năm 2007.
http://tuanvietnam.vietnamnet.vn/dang-sau-nghien-cuu-kinh-ngac-cua-ts-nguyen-chanh-khe
10. Morinobu Endo
và các cộng sự, Carbon 33, 873-881 (1995).
http://dx.doi.org/10.1016/0008-6223(95)00016-7)
11.
http://www.youtube.com/watch?v=5Xl8BgMRsgA
12. Sáng chế máy
phát điện chạy bằng nước, Sài Gòn Giải phóng, số ra ngày
03/01/2012
http://www.sggp.org.vn/khoahoc_congnghe/2012/1/277882/
http://tiasang.com.vn/Default.aspx?tabid=111&CategoryID=2&News=4966
|