Nghiên cứu cơ bản của giảng viên Bách khoa Hà Nội được Quân đội Mỹ tài trợ

PGS. Trần Thượng Quảng, Trưởng bộ môn Hóa hữu cơ, Viện Kỹ thuật Hóa học, nay thuộc Trường Hóa và Khoa học Sự sống, đồng thời hiện đang giữ chức vụ Phó giám đốc trung tâm điện tử y sinh Đại học Bách khoa Hà Nội là một trong số ít những nhà khoa học tại Bách khoa có cơ hội được làm việc với Quân đội Mỹ.

Năm 2019, đề tài “Tổng hợp vật liệu khung kim loại-hữu cơ (MOF)/graphene oxit (GO) và MOF/graphene (GQD) mới và hiệu quả để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bằng quang xúc tác ở vùng khả kiến” chính thức nhận được tài trợ 100.000 đô-la của Quỹ nghiên cứu Quân đội Mỹ, là tiền đề cho rất nhiều nghiên cứu ứng dụng sau này trong lĩnh vực môi trường và hóa học.

Nghiên cứu sử dụng năng lượng tự nhiên để xử lý chất thải môi trường
Khi nghe tin từ đồng nghiệp Quỹ nghiên cứu của Quân đội Mỹ đang có mong muốn tài trợ cho một nghiên cứu cơ bản về môi trường, PGS. Trần Thượng Quảng đã chủ động liên hệ để gặp và trình bày về hướng nghiên cứu của mình. Đề tài của PGS. Quảng được thực hiện với mục tiêu tối ưu hóa các chất xúc tác để có thể xử lý được các chất hữu cơ ô nhiễm, độc hại trong nước thải dựa trên hỗ trợ của vật liệu MOF và các bon chấm lượng tử.
  Đây là đề tài cơ bản nhưng mang tính ứng dụng cao trong việc xử lý chất thải trong môi trường nước, nghiên cứu về chất xúc tác sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên từ ánh sáng mặt trời để hình thành nên các tác nhân có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ mà không để lại độc hại cho môi trường.

Dựa trên nguyên lý hợp chất có thể hấp thụ năng lượng từ nguồn ánh sáng nhìn thấy được (ánh sáng vùng khả kiến) để kích thích phản ứng phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong nước, đề tài sử dụng vật liệu MOF (vật liệu khung hữu cơ-kim loại được tạo thành từ các cầu nối hữu cơ và các tâm kim loại làm điểm kết nối) cùng với các-bon chấm lượng tử (hợp chất nano có khả năng nhận ánh sáng).

Cấu trúc vật liệu các-bon chấm lượng tử gồm lõi là khối cầu các-bon lai hóa sp2/sp3 ở dạng vô định hình hoặc tinh thể, bao bọc bên ngoài là các nhóm chức. Với sự xuất hiện đa dạng các nhóm chức bao quanh, vật liệu các-bon chấm lượng tử có khả năng tan tốt trong nước và có tính tương thích sinh học cao, dễ dàng kết hợp với các cơ chất để phục vụ cho các ứng dụng.

Bên cạnh đó, với đặc tính phát quang mạnh, ít bị tẩy màu và có tính ổn định quang học tốt trong các môi trường có độ pH thay đổi lớn, vật liệu này còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến để phát hiện một số loại ion kim loại như Cu2+, Fe3+, Hg2+….
  Vào thời điểm đề tài được đề xuất thì điểm đặc biệt của đề tài nằm ở việc lần đầu tiên nhóm nghiên cứu phát triển vật liệu sử dụng các-bon chấm lượng tử phối cùng vật liệu MOF để tạo thành vật liệu tổng hợp có khả năng xử lý ô nhiễm môi trường thông qua phản ứng quang hoá sử dụng ánh sáng mặt trời.

Vật liệu các-bon chấm lượng tử với khả năng hấp thụ tốt ánh sáng vùng khả kiến được đưa vào vật liệu khung hữu cơ - vô cơ MOF bằng phương pháp thủy nhiệt. Sau khi thay đổi điều kiện nhiệt độ trong thời gian dài để tổng hợp vật liệu, các-bon chấm lượng tử như một công tắc được bật để kích hoạt các electron khi gặp ánh sáng và tạo ra phản ứng phân hủy các chất hữu cơ độc hại.

Chia sẻ về lý do lựa chọn đề tài, Trưởng bộ môn Hóa hữu cơ cho biết ông vẫn luôn tâm huyết với định hướng xử lý môi trường chất thải. Trong môi trường nước, việc xử lý kim loại khá dễ dàng bằng keo tụ, nhưng phương pháp này khó có thể áp dụng để loại bỏ các hợp chất hữu cơ độc hại.

Đối với hợp chất hữu cơ, phương pháp phổ biến nhất trong xử lý nước thải hiện nay là sử dụng enzim. Nuôi enzim được cho là tốn kém hơn do cần điều kiện phức tạp nhưng không mang lại hiệu quả cao do tính chọn lọc của các enzim.  
  PGS. Quảng cho biết tiềm năng của dự án là rất lớn, bởi xúc tác quang hóa thuận lợi hơn trong quy mô rộng với ưu điểm dễ sử dụng, nhanh chóng, tiết kiệm, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Đây là tiền đề để nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm kiếm các phương pháp mới hiệu quả hơn ở quy mô công nghiệp, ông cho biết thêm. Các nghiên cứu cơ bản được thực hiện trong phòng thí nghiệm vẫn cần có các cơ sở thí nghiệm với quy mô pilot để kiểm tra các tiêu chuẩn theo quy định. Ông hi vọng sẽ có doanh nghiệp đứng ra đề xuất phương án xử lý mới này để tâm huyết của mình sớm được đưa vào sử dụng trên thực tế.

Không có khoảng cách về khoa học giữa Việt Nam và thế giới
“Luôn có rủi ro trong nghiên cứu khoa học”, PGS. Trần Thượng Quảng chia sẻ cảm nghĩ và quan điểm của ông về hành trình nghiên cứu. Theo kinh nghiệm của mình, ông cho rằng sẽ luôn có khả năng thí nghiệm của mình không thành công, điều mà các nhà nghiên cứu có thể làm là hạn chế nhiều rủi ro nhất có thể.

Tuy vậy, điều thuận lợi nhất trong quá trình theo đuổi nghiên cứu của ông là nội lực mạnh mẽ của Bách khoa Hà Nội với đội ngũ các nhà nghiên cứu tài năng, tâm huyết được đào tạo từ các nước tiên tiến, có kiến thức rộng để thực hiện các đề tài mang tầm quốc tế và sát với thực tiễn.

Lực lượng nhà nghiên cứu trẻ - các sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội – rất chăm chỉ và đam mê tham gia nghiên cứu khoa học. “Có rất nhiều điều chúng tôi không thể dạy các em trên giảng đường mà sinh viên chỉ có thể học đường thông qua con đường làm khoa học”, PGS. Thượng Quảng chia sẻ thêm.
  Bên cạnh đó, nhờ các phòng thí nghiệm thuộc dự án SAHEP (Dự án Nâng cao chất lượng giáo dục đại học của Ngân hàng Thế giới), nhóm nghiên cứu của PGS. Quảng dễ dàng trong việc đo đạc thông số kỹ thuật vật liệu. Để nhận được hỗ trợ tài chính từ Quân đội Mỹ, nhóm nghiên cứu từ Trường Hóa và Khoa học Sự sống đã vượt qua nhiều đề tài khác ở Việt Nam khi được đánh giá về tính rủi ro, tính khả thi và ứng dụng tiềm năng. Nghiên cứu cơ bản này sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu khác của quân đội Mỹ trong lĩnh vực hóa học và môi trường.

Sau 2 năm, kết quả nghiên cứu của đề tài đã được công bố rộng rãi trên 2 bài tạp chí quốc tế uy tín Q1, 1 bài tạp chí Q2 và 1 hội thảo khoa học quốc tế. Gần đây, một đề tài nghiên cứu mới với chủ đề “Nghiên cứu các siêu phân tử hữu cơ để phát hiện chất PolyFlouroAlkyl trong thiết bị OFET” của nhóm nghiên cứu PGS. Trần Thượng Quảng và cộng sự cũng đã vượt qua vòng xét duyệt hồ sơ của Quỹ nghiên cứu Quân đội Mỹ.

“Hợp tác nghiên cứu khoa học rất quan trọng. Việc kết nối với các đơn vị trong và ngoài nước sẽ tận dụng được cơ sở vật chất và tiềm lực nghiên cứu để cùng giải quyết các vấn đề nhức nhối toàn cầu”, PGS. Trần Thượng Quảng khẳng định khoảng cách về khoa học giữa Việt Nam và thế giới đang được xóa nhòa qua những hợp tác nghiên cứu quốc tế.