Gần 3 năm mày mò nghiên cứu, PGS Trịnh Quang Thông – giảng viên Viện Vật lý Kỹ thuật (VLKT), Trường ĐHBK Hà Nội và nhóm ng- hiên cứu gồm các thành viên đến từ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (KH&CN) đã tạo ra các vật liệu màng mỏng ô-xit nhiệt điện không chứa các nguyên tố có thể gây độc hại bằng phương pháp tổng hợp đơn giản, đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất nhiệt điện, mang lại hiệu quả kinh tế, giảm chi phí, phù hợp các điều kiện nghiên cứu còn hạn chế ở Việt Nam.
ĐIỂM “GẶP GỠ” TRONG NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN
Thành viên Nhóm nghiên cứu của PGS Trịnh Quang Thông gồm những người đam mê nghiên cứu cơ bản, luôn trăn trở về cơ hội của hướng đi này; nhất là khi vẫn còn có những vấn đề học thuật cho các nhà khoa học có thể nắm bắt và lập luận nhằm nhận định về một tính chất, hiện tượng nào đó dựa trên cách làm để cho ra kết quả. Năm 2012, PGS Trịnh Quang Thông sang CHLB Đức và có một cuộc gặp gỡ “tình cờ” người bạn cũ là TS Ngô Văn Nông – chuyên gia nghiên cứu tại trường Đại học Đan Mạch. Khi anh Nông gợi ý: “Tôi thấy ở nước ta chưa ai làm về vật liệu nhiện điện (Thermoelectric materials). Đây là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng đối với các nhóm nghiên cứu khoa học cơ bản”, PGS Thông đã dần hình thành ý tưởng triển khai nghiên cứu này tại Việt Nam.
“Loại vật liệu này có tính chất gì? Và hiện nay, trên thế giới đang sử dụng những loại vật liệu nào?” – PGS Trịnh Quang Thông băn khoăn. Qua tìm hiểu, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về vật liệu nhiệt điện là loại vật liệu chức năng (Functional materials) chuyển đổi năng lượng, cơ chế dựa trên hai hiệu ứng vật lý gồm Seed beck và Peltier. Nhiều sản phẩm ứng dụng vật liệu nhiệt điện (các pin nhiệt điện hoặc bộ làm lạnh cỡ nhỏ) đã được con người đưa ra và các thành công này chủ yếu đạt được trên vật liệu dạng khối (Bulk materials). Ngoài ra, để có thể sử dụng vật liệu nhiệt điện làm các máy phát điện có hiệu suất đạt ngưỡng của chu trình carnot. Gần đây, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu về vật liệu này ở dạng cấu trúc nano, trong đó có vật liệu màng mỏng (thin films). Kết quả cho thấy, một số vật liệu được nghiên cứu đã có trị số ZT cao (thông số đặc trưng cho khả năng chuyển đổi năng lượng của vật liệu), được hiểu là nhờ có các hiệu ứng lượng tử ở mức độ kích thước nanomet.
Trong trường hợp này, họ vật liệu ô-xít được nhìn nhận có lợi thế cho hiệu ứng nhiệt điện vì tính dẫn nhiệt kém mà tính dẫn điện có thể được cải thiện trên cơ sở kỹ thuật pha tạp, đưa thêm vào một lượng nhỏ các nguyên kim loại cần thiết nào đó. Đáng chú ý, vật liệu cấu trúc nano cũng là xu thế phát triển của lĩnh vực khoa học vật liệu hiện đại do khả năng tương thích với quy trình chế tạo các linh kiện tích hợp nhiều chức năng khác nhau trên một chip, để có thể trang bị trong những thiết bị di động cầm tay phổ biến hiện nay, điều khó thực hiện với vật liệu dạng khối.
Tại thời điểm đó, mặc dù trên thế giới các nhà nghiên cứu đã có những bước tiến rất xa, cho ra đời ứng dụng sản phẩm như pin nhiệt điện thì tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về vật liệu và linh kiện nhiệt điện vẫn còn mới mẻ. Dựa trên gợi ý của người bạn, PGS Thông tìm hiểu và thấy rằng, cho đến trước năm 2014 chỉ có một vài nghiên cứu đơn lẻ có liên quan chút ít đến loại vật liệu này và đặc biệt hầu như chưa có công bố quốc tế có ý nghĩa đáng kể về kết quả nghiên cứu. Khi đó, PGS Trịnh Quang Thông đã bị thôi thúc với ý tưởng sẽ thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các đặc trưng vật liệu của màng mỏng ô-xit nhiệt điện ứng dụng cho các thiết bị nhiệt điện”. Nói là làm, Nhóm nghiên cứu đề tài và các thành viên nghiên cứu khác đã bắt tay tiến hành thực hiện nghiên cứu.
“BIẾN” ĐIỀU KHÓ TIN THÀNH CÓ THỂ
Sau bao lần suy nghĩ, Nhóm nghiên cứu quyết định sẽ xin tài trợ đề tài từ Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED), với thời gian đăng ký thực hiện trong 36 tháng (từ 01/03/2014 đến 01/03/2017). Mục tiêu đặt ra cho đề tài là xây dựng, đưa ra quy trình ổn định và phù hợp chi phí để chế tạo màng mỏng dựa trên ô-xít ZnO pha tạp aluminum; chứng minh được màng mỏng cấu trúc nano đã chế tạo đáp ứng được nhu cầu ứng dụng thực tiễn, không có yếu tố độc hại, giá thành chấp nhận được. Cái khó lúc đó là thuyết phục Hội đồng về khả năng thành công của đề tài, ngoài ra tại thời điểm đó, dụng cụ đo đạc đặc trưng của vật liệu nhiệt điện ở Việt Nam rất hiếm do giá thành cao và chưa từng có nhóm nghiên cứu tại Việt Nam thực hiện trước đó. Nếu không đo đạc thực tế, mọi người sẽ khó có thể nghiên cứu khảo sát tính chất của vật liệu. “May mắn cho chúng tôi, các thành viên tham gia trong Nhóm hầu hết là các nhà khoa học có kinh nghiệm từ các cơ quan nghiên cứu khác nhau ở trong nước và quốc tế, đặc biệt là TS Ngô Văn Nông – chuyên gia có uy tín về lĩnh vực vật liệu nhiệt điện trên thế giới đã luôn tin tưởng và đồng hành cùng Nhóm” – PGS Thông chia sẻ. Sau đó, năm 2014, Hội đồng Nafosted cũng chấp nhận đề tài, tin tưởng và ủng hộ chúng tôi.
“Tại sao chúng ta không tạo ra các vật liệu nhiệt điện không chứa các nguyên tố có thể gây độc hại bằng phương pháp tổng hợp đơn giản, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất nhiệt điện và có tính kinh tế, phù hợp với nghiên cứu còn hạn chế ở trong nước” – PGS Thông lóe lên trong đầu ý nghĩ đó. Thực tế hiện nay, kết quả nghiên cứu về vật liệu nhiệt điện ô-xít dạng màng mỏng kể cả trên bình diện quốc tế còn ít. Những nhóm Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm vật liệu có thông số ZT tốt nhất lại thường chứa các nguyên tố hiếm, đắt tiền và thậm chí độc hại như Te, Bi, La, In, Sb, Ga, Ge, Pb… Xét trên phương diện ứng dụng, các vật liệu này khó mang lại hiệu quả kinh tế, cũng như còn có thể gây tác hại xấu đến sức khỏe của con người và môi trường. Sau bao đêm trằn trọc, suy nghĩ, cuối cùng Nhóm nghiên cứu đã đưa ra được quy trình tổng hợp vật liệu dựa trên phương pháp hóa học chi phí thấp (phản ứng sol-gel). Đây được coi là điểm khác biệt của đề tài nghiên cứu.
Lần đầu tiên, nhóm nhà khoa học Việt Nam chế tạo được được màng mỏng ZnO pha tạp Al (gọi là màng AZO) có đặc trưng nhiệt điện chấp nhận được bằng phương pháp nhúng phủ (dip coating) sử dụng dung dịch đã tổng hợp bằng phản ứng sol-gel. Dựa trên tài liệu tham khảo quốc tế, phương pháp chế tạo màng nhiệt điện do Nhóm thực hiện gần như chưa được công bố trên thế giới trước đó. So sánh và đối chiếu với màng cùng loại nhưng được chế tạo bằng phương pháp vật lý thì tính chất vật liệu của màng AZO có tính hiện đại hơn, là phún xạ RF.
MỞ RA KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG RỘNG RÃI
Đề tài được Quỹ Nafosted nghiệm thu xuất sắc vào tháng 12/2016. Với kết quả đó, Nhóm nghiên cứu quyết định gửi 02 bài báo nghiên cứu tới các tạp chí khoa học uy tín hàng đầu quốc tế trong lĩnh vực Khoa học Vật liệu – Vật liệu ứng dụng với những tiêu chí chấp nhận khắt khe, điển hình là tạp chí Journal of Materials Science: Materials in Electronics của Nhà xuất bản Springer. Kết quả nghiên cứu đã nhận được phản hồi tích cực từ các phản biện, theo đó Hội đồng chấp nhận cho công bố mà không cần chỉnh sửa.
Nghe PGS Trịnh Quang Thông say sưa trao đổi những nghiên cứu về vật liệu, tôi nhận thấy niềm say mê nghiên cứu cơ bản trong anh. “Từ những phương pháp hóa học phù hợp, chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo vật liệu màng mỏng với giá thành hợp lý” – PGS Thông chia sẻ – “Tuy nhiên, đề tài mới chỉ đạt được một số kết quả ban đầu trên khía cạnh nghiên cứu cơ bản là nghiên cứu về pha tạp Aluminum (bán dẫn loại n); do vậy cần có các nghiên cứu về pha tạp các nguyên tố khác nhau vào nền ô-xít ZnO để tạo ra bán dẫn loại p, từ đó tiến tới tự chế tạo được modul pin nhiệt điện. Trong điều kiện cơ sở vật chất, phòng thí nghiệm, thiết bị khoa học còn hạn chế trong nước, người làm nghiên cứu cơ bản phải tìm ra điều kiện nhất định để tạo ra các sản phẩm phù hợp, quan trọng là cách giải quyết vấn đề để được giới khoa học quốc tế công nhận”.
PGS Thông tin tưởng vào triển vọng của đề tài: “Hiệu quả kinh tế của ứng dụng là hết sức thiết thực nếu trong trường hợp các nghiên cứu này cho phép đảm bảo được sự ổn định tính chất của vật liệu được nghiên cứu để từ đó đưa ra được quy trình chế tạo linh kiện nhiệt điện. Ngoài ra, kết quả có thể ứng dụng trong các bộ lưu trữ điện lắp tại những vị trí có nguồn nhiệt cao (động cơ, ống xả) của ô tô, xe máy hoặc các thiết bị điện, điện tử khác nhằm sử dụng cho thiết bị di động; cũng như bộ làm lạnh mini gắn trực tiếp trên các linh kiện như vi xử lý (microprocessors) của máy tính”. Trong tương lai, Nhóm nghiên cứu hi vọng tiếp tục nhận được sự ủng hộ từ Viện VLKT, Trường ĐHBK Hà Nội cũng như được cấp tài trợ kinh phí từ các cơ quan quản lý (Bộ GD&ĐT, Bộ KH&CN) để có thể tiến hành những nghiên cứu ứng dụng và triển khai trong thời gian tới.
Một số kết quả đạt được
- 03 công trình công bố trên tạp chí quốc tế, trong đó có 02 bài báo ISI;
- 02 công trình công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành trong nước;
- 02 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế và 01 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc gia;
- 01 thạc sĩ.
Hoàng Anh
Ảnh: nhân vật cung cấp
