Vật liệu nano carbon sản xuất tại Khu CNC TP HCM có thật sự ưu việt?

Bài viết mới đăng trên Tia sáng, số ra ngày 8/3/2012

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 nano carbon

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 dài[i], có đường kính từ vài nanomet đến vài chục nanomet và chiều dài có thể tới cấp cm. Ống CNT (đơn tường) dài kỷ lục[ii] 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)[i]. 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/kg[ii]. 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 tường[iii] có thể có giá từ 800 – 50,000 USD/kg. Công ty SUNNANO[iv] 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, TpHCM

Trong hầu hết các công bố gần đây của nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai – Khu Công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh (SHTP Labs)[i], 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 CNT[ii] 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 TuanVietnam[iii] 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 Bản[iv] 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[i] (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 thảo[ii]. 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 CNT 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[iii]. 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.


[i] K. C. Nguyen and S. T. Do, Nanostucture of carbon nano tube products synthesized in solid phase, NSTI-Nanotech 2008, ISBN 978-1-4200-8503-7, vol. 1, pp. 116 (có thể tìm thấy tại địa chỉ: http://shtplabs.org/images/stories/downloads/Baocao-khoahoc/TECHNICAL-CONFERENCES/NANO-TECH/NANO-STRUCTURE-OF-SPNT-NANOTECH-2008.PDF)

[iii] 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/


[ii] 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 ).

[iii] “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

[iv] Morinobu Endo và các cộng sự, Carbon 33, 873-881 (1995). http://dx.doi.org/10.1016/0008-6223(95)00016-7


[i] 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

[ii] Xueshen Wang và các cộng sự, Nano Letters 9, 3137-3141 (2009) http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl901260b


2 Comments

  1. Toi co mot thoi gian lam viec tai day, TS Nguyen Chanh Khe la 1 nguoi luon phong dai nhung cong viec cua ong ta lam. TS Khe rat kheo che day nhung hanh vi cua ong ta. Chua thanh cong da tuyen bo la thanh cong. TS Khe loi dung cong nghe Nano la cong nghe moi o vietnam it ai biet nhieu nen moi co nhung tuyen bo nhu vay. May phat dien dung nuoc cung la 1 man kich nham tim kinh phi cho minh. TS Khe co 1 cuoc song rat quái gở.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s