Thầy giáo Bách khoa đưa lời giải cho bài toán chứa nhiều chữ “vi”

PGS. Chu Mạnh Hoàng (bìa trái) và các học trò bên hệ thống kính hiển vi quang học độ phân giải cao được tài trợ bởi Dự án SAHEP 

Khắc một vật, bạn có thể cầm nắm, xoay chuyển nó, gọt đẽo đục khắc thoải mái. Còn tưởng tượng khắc một vật liệu kích cỡ micro/nano thì sao nhỉ? Phải chăng cần người siêu tinh mắt, khéo tay? KHÔNG NHÉ! Các nhà khoa học phải có những công cụ chuyên biệt, dùng đầu khắc nhỏ li li, nhìn qua thiết bị đặc biệt, còn phải xoay lật vật liệu siêu nhỏ này trong quá trình thao tác nữa. Trên thế giới, một số tập đoàn, phòng thí nghiệm có máy móc rất đắt tiền để làm công việc vi chế tạo này.

Tại Việt Nam, mới đây, PGS. Chu Mạnh Hoàng – giảng viên Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu, chế tạo thành công vật liệu plasmonic hai chiều dựa trên khắc cơ học định hướng ứng dụng trong cảm biến y sinh, làm tiền đề cho việc nghiên cứu phát triển hệ thống khắc cơ học trong chế tạo các cấu trúc micro/nano nhằm thay thế các các máy móc đắt tiền mà hiện nay việc tiếp cận các thiết bị này đang còn hạn chế ở trong nước. 

Nghiên cứu tiền đề cho việc phát triển hệ thống khắc cơ học trong chế tạo các cấu trúc micro/nano 

PGS. Chu Mạnh Hoàng là kỹ sư ngành Vật liệu điện tử, thạc sĩ ngành Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Năm 2011, anh bảo vệ thành công luận án tiến sĩ lĩnh vực Vi hệ thống cơ-quang-điện tử, Trường Đại học Tổng hợp Tohoku (Nhật Bản), làm việc tại một số phòng thí nghiệm ở nước ngoài trước khi về công tác tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Hiện anh là một trong số ít nhà khoa học tại Việt Nam được đào tạo bài bản về công nghệ vi cơ điện tử. 

PGS. Chu Mạnh Hoàng tham dự Hội nghị toàn quốc về Quang học và Quang phổ lần thứ 11 (Hòa Bình, 2020)

Đề tài anh nghiên cứu đã được triển khai từ năm 2017 và có một số kết quả ban đầu, nay được Dự án SAHEP (Dự án nâng cao chất lượng giáo dục Đại học Việt Nam của WB) hỗ trợ, nhóm anh tiếp tục hướng nghiên cứu này, đặt mục tiêu chế tạo thành công vật liệu plasmonic hai chiều dựa trên khắc cơ học định hướng ứng dụng trong cảm biến y sinh.  

Có thể hiểu công nghệ khắc cơ học là dùng các mũi nhọn khắc lên các vật liệu để tạo các mẫu có kích thước micro/nano - kích thước rất nhỏ. Ở Việt Nam, công nghệ chế tạo ở kích thước siêu nhỏ còn chưa được nghiên cứu nhiều. Nhóm nghiên cứu do PGS. Chu Mạnh Hoàng làm chủ nhiệm đề tài hướng đến phát triển một số công cụ ở kích thước micro/nano, từ đó tạo ra những khuôn siêu nhỏ chế tạo ra vật liệu Plasmonic hai chiều.  

Hiện trong giới NCKH trên thế giới, Plasmonic là lĩnh vực rất “hot”, có nhiều ứng dụng trong các cảm biến y sinh, cảm biến môi trường, pin mặt trời... “Tại Việt Nam, các nghiên cứu về plasmonic chủ yếu ở vật liệu trên bề mặt, vật liệu hai chiều không trật tự. Đề tài nghiên cứu của chúng tôi chế tạo các vật liệu plasmonic hai chiều có trật tự, điều khiển được các kích thước, chu kỳ; có thể tạo được các dạng hình vuông, hình tròn, …” – PGS. Hoàng cho biết. 

Kể về quá trình nghiên cứu, PGS. Hoàng cho rằng thách thức của đề tài là nghiên cứu chế tạo khuôn ở kích thước micro/nano: Ví dụ phay một con dao thì có thể cầm nắm, xoay chuyển, nhìn thấy được lúc chế tạo. Còn khuôn kích thước siêu nhỏ thì không cầm nắm, xoay chuyển, nhìn bằng mắt thường được. Nhóm nghiên cứu PGS. Chu Mạnh Hoàng đã chế tạo một số công cụ để có thể dịch chuyển kích thước micronano như thế.  

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế bộ vi dịch chuyển sử dụng lực hút tĩnh điện, điều khiển chuyển động chính xác đầu khắc kích thước nano, định hướng ứng dụng trong chế tạo vật liệu có cấu trúc nano plasmonic.

Cùng đó, nhóm đề xuất mô hình bộ vi dịch chuyển dựa trên lò xo vi cơ kết cặp và đã xây dựng mô hình tính toán, mô hình mô phỏng để khảo sát hoạt động của bộ vi dịch chuyển. Đầu khắc với kích thước nhỏ hơn 100 nanomet đã được chế tạo thành công dựa trên công nghệ vi cơ điện tử. Đối với lĩnh vực khắc ở kích thước micro/nano, khắc cơ học, không có nhiều nhóm như chúng tôi, khắc quang học có một số nhóm. 

Được biết, để khắc được các chi tiết có kích thước micro/nano, một số tập đoàn, phòng thí nghiệm lớn dùng các máy móc rất đắt tiền có giá hàng chục tỷ đồng. Nhiều nhà khoa học thế giới cũng đang nghiên cứu các giải pháp chế tạo các cấu trúc micro/nano để thay thế máy móc đắt tiền nhưng hiệu suất chế tạo thấp.

Nhóm PGS. Chu Mạnh Hoàng đã tìm ra một phương pháp mới để tạo ra được công cụ như vậy. Nhóm cũng theo đuổi công nghệ chế tạo các công cụ micro/nano dựa trên công nghệ vi cơ điện tử. Trong lĩnh vực khắc ở kích thước micro/nano, phần lớn là các nhóm nghiên cứu khắc quang học, không có nhiều nhóm nghiên cứu khắc cơ học dựa trên công nghệ vi cơ điện tử như nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.  

PGS. Hoàng cùng các cộng sự đã tiến hành thử nghiệm sử dụng đầu khắc để khắc các vật liệu có cấu trúc nano plasmonic, cho ra kết quả thành công. Các nghiên cứu này sẽ làm tiền đề cho việc phát triển hệ thống khắc cơ học trong chế tạo các cấu trúc micro/nano nhằm thay thế các các máy móc đắt tiền mà hiện việc tiếp cận các thiết bị này đang còn hạn chế ở Việt Nam. Hơn nữa, việc phát triển các thiết bị vi chế tạo giá thành thấp đang được đặt ra trong phát triển khoa học và công nano. 

PGS. Chu Mạnh Hoàng (giữa ảnh) cùng các NCS trong dịp NCS bảo vệ luận án tiến sĩ tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Đề tài nghiên cứu có tính liên ngành: Cơ điện tử, Vật lý, Vật liệu, với kinh phí hỗ trợ từ SAHEP là 130 triệu đồng, sau 1 năm thực hiện, nhóm nghiên cứu đã làm việc rất hiệu quả, thể hiện qua các sản phẩm khoa học: 1 bài báo ISI (SCIE, Q3), trình bày 2 bài báo ở Hội nghị quốc tế, 1 bài ESCI (Q3) chấp nhận đăng (đã có proof), và 2 chương sách. Các kết quả nghiên cứu trong đề tài đã được sử dụng trong đào tạo sau đại học: 1 NCS tốt nghiệp, 1 sinh viên đại học tốt nghiệp, hỗ trợ đào tạo 1 NCS và 1 ThS; là cơ sở để phát triển công nghệ chế tạo các cấu trúc nano plasmonic cho rất nhiều ứng dụng, đặc biệt trong nhạy y sinh. 

“SAHEP giúp chúng tôi chủ động hơn một số bước trong triển khai nghiên cứu” 

Theo PGS. Chu Mạnh Hoàng, nguồn kinh phí hỗ trợ của Dự án SAHEP đã giúp các nhà khoa học chủ động một số bước trong nghiên cứu, mua sắm thiết bị, vật liệu, hóa chất. Thiết bị anh và các cộng sự sừ dụng nhiều nhất khi nghiên cứu đề tài là Kính hiển vi quang học độ phân giải cao, được nhóm mua sắm từ số tiền SAHEP hỗ trợ cho đề tài nghiên cứu. Trước Bách khoa Hà Nội cũng có thiết bị này nhưng máy đời thấp, độ phân giải và độ phóng đại không cao, các vật liệu/linh kiện có cấu trúc micro/nano phải được kiểm tra sơ bộ trong các phòng thí nghiệm đặc biệt như “phòng sạch” nơi đặt máy.  

Nay có thiết bị tiên tiến hơn, nhóm có thể quan sát vật liệu kích thước một vài micromet, chủ động kiểm tra cơ bản về cấu trúc mũi khắc, cấu trúc vật liệu sau khi khắc, … trực tiếp làm trên phòng, có kết quả ngay để có hướng hiệu chỉnh, triển khai các bước nghiên cứu tiếp theo nhằm đạt kết quả nghiên cứu mong muốn, có số liệu tin cậy để viết bài báo khoa học… Không chỉ dùng để nghiên cứu theo hướng đề tài, các sinh viên trong quá trình học cũng có thể sử dụng thiết bị này.  

Chế tạo các cấu trúc micro/nano, nhóm sử dụng các máy chuyên dụng như máy quang khắc, ăn mòn khô, ăn mòn ướt, máy phun xạ, lò oxy hóa, kính hiển vi quang học độ phân giải cao, hiển vi điện tử quét, … Ở Viện ITIMS, các máy SAHEP hỗ trợ lần lượt “cập bến”, đáp ứng nhu cầu rất “nóng” của giảng viên và sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội trong đào tạo và nghiên cứu. 

Câu hỏi thường đặt ra nhiều nhất cho các nhà nghiên cứu là ra kết quả thì ứng dụng gì? Đề tài của PGS. Chu Mạnh Hoàng mang tính nghiên cứu cơ bản về vật liệu có cấu trúc micro/nano sử dụng công nghệ khắc, ứng dụng cho các cảm biến y sinh, cảm biến môi trường. PGS. Hoàng cho biết nhóm sẽ đăng ký một số sáng chế, tiếp cận theo hướng ứng dụng được.

Tuy nhiên, để có thể ứng dụng rộng rãi trong đời sống công nghiệp, đề tài cần thời gian nghiên cứu thêm và đầu tư dài hơi hơn. “Chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu để phát triển thành một công nghệ chế tạo hoàn chỉnh” – PGS. Chu Mạnh Hoàng khẳng định.  

Gia Hân. Ảnh: NVCC