“Mũi điện tử” nano Bách khoa - Lời giải khoa học cho sự an toàn cộng đồng

Trong sinh hoạt lẫn sản xuất công nghiệp, các sự cố rò rỉ khí gas hay sự tích tụ âm thầm của khí độc vô hình luôn tiềm ẩn hiểm họa lớn mà khứu giác con người khó phát hiện sớm. Đứng trước bài toán sinh mệnh đó, nhóm nghiên cứu do GS.TS Nguyễn Đức Chiến dẫn đầu tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã kiên trì sáng tạo nên những chiếc "mũi điện tử" nano siêu nhạy, tạo tiền đề quan trọng cho các hệ thống cảnh báo sớm nhằm bảo vệ an toàn cộng đồng.

Cụm công trình “Nghiên cứu chế tạo một số cảm biến khí có độ nhạy cao trên cơ sở vật liệu nano ôxít kim loại bán dẫn và tổ hợp nano các-bon bằng công nghệ vi điện tử” đã vinh dự nhận Giải thưởng Nhà nước về Khoa học và Công nghệ năm 2022.

Thành tựu khoa học xuất sắc này được trưng bày trang trọng tại Triển lãm Thành tựu Khoa học Công nghệ chào mừng 70 năm thành lập Đại học Bách khoa Hà Nội, khẳng định bản lĩnh cùng trí tuệ của đội ngũ nhà giáo - nhà khoa học Bách khoa trong việc giải quyết những bài toán lớn từ thực tiễn đời sống.

Từ PTN Bách khoa vươn tới công nghệ lõi vi điện tử

Lĩnh vực nghiên cứu cảm biến khí trên thế giới vốn là cuộc đua công nghệ khốc liệt giữa các phòng thí nghiệm hàng đầu. Cảm biến khí đóng vai trò như chiếc “mũi điện tử”, giúp chuyển đổi các tương tác hóa học giữa phân tử khí với bề mặt vật liệu thành tín hiệu điện tử có thể đo lường và hiển thị. Tuy nhiên, các dòng sản phẩm cảm biến thương mại truyền thống thường bộc lộ những hạn chế lớn như kích thước cồng kềnh, tiêu tốn nhiều năng lượng vận hành, thời gian phản hồi chậm và độ nhạy kém đối với các vi lượng khí độc ở mức phần triệu (ppm).
 

Để giải quyết triệt để những điểm nghẽn kỹ thuật ấy, GS.TS Nguyễn Đức Chiến - Đại học Bách khoa Hà Nội cùng 10 đồng tác giả, trong đó có 7 tác giả là nhà giáo - nhà khoa học công tác tại Bách khoa và 3 nhà khoa học cùng trưởng thành từ cái nôi Bách khoa (gồm: GS.TS Nguyễn Văn Hiếu, GS.TS Nguyễn Đức Hòa, PGS.TS Nguyễn Văn Quy, PGS.TS Nguyễn Văn Duy, PGS.TS Nguyễn Hữu Lâm, PGS.TS Đặng Đức Vượng, PGS.TS Đặng Thanh Lê, PGS.TS Vũ Xuân Hiền, TS. Nguyễn Văn Toán và TS. Chử Mạnh Hưng) đã tập trung khai thác các ưu thế đặc biệt của vật liệu cấu trúc nano.

Ở quy mô nanomet - nhỏ hơn hàng ngàn lần so với đường kính một sợi tóc - vật liệu bộc lộ những tính chất lý-hóa hoàn toàn mới nhờ hiệu ứng lượng tử kích thước cùng hiệu ứng bề mặt vượt trội. Diện tích bề mặt tiếp xúc của vật liệu nano tăng lên vô cùng lớn, tạo ra vô số “vị trí hoạt tính” cho các phân tử khí bám vào và trao đổi điện tích.
  Nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội khẳng định vị thế đi đầu khi đề xuất cơ chế hình thành vật liệu nano với cấu trúc cùng hình thái phong phú. Đáng chú ý, các nhà khoa học Bách khoa thuộc nhóm tiên phong trên thế giới khám phá và ứng dụng hiệu ứng tiếp xúc nano dị thể giữa vật liệu một chiều (1D - dây nano ôxít kim loại) và vật liệu hai chiều (2D - màng graphene). Sự kết hợp độc đáo này tạo nên những mô hình cấu trúc tiếp xúc phân tử cực ngược mới, giúp tăng tốc độ truyền hạt tải điện và nâng cao vượt bậc tính nhạy khí của linh kiện.

Vượt khỏi phạm vi thực nghiệm lý thuyết, tập thể các nhà khoa học Bách khoa đã làm chủ hoàn toàn công nghệ lõi chế tạo vật liệu nano lẫn quy trình đóng gói, đo đạc linh kiện. Thông qua việc ứng dụng công nghệ vi điện tử hiện đại, nhóm đã tích hợp thành công các dây nano bán dẫn trực tiếp lên chíp silic. Điểm đột phá kỹ thuật nằm ở mẫu cảm biến có khả năng tự đốt nóng cục bộ. Thiết kế thông minh này giảm thiểu tối đa năng lượng dư thừa, giúp công suất tiêu thụ của linh kiện đạt mức cực kỳ thấp, thậm chí nhỏ hơn cả các sản phẩm cảm biến thương mại cao cấp nhất trên thị trường thế giới hiện nay.

Mũi điện tử siêu tinh tường gác chắn vì sự an toàn cộng đồng

Sự thành công của cụm công trình nghiên cứu mang đậm dấu ấn sáng tạo công nghệ thông qua việc kết hợp nhiều phương pháp chế tạo tiên tiến như phún xạ, lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) và công nghệ vi điện tử. Điển hình là nghiên cứu chế tạo màng mỏng thiếc ôxít (SnO2) độ dày 40 nanomet phủ các đảo xúc tác bạch kim (Pt) siêu nhỏ dày 10 nanomet trên đế silic. Các phép phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc năng lượng (EDS) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) khẳng định cấu trúc vi mô vô cùng đồng đều của màng vật liệu. Nhờ đó, cảm biến SnO2/Pt sở hữu khả năng phát hiện khí hyđrô (H2) ở nồng độ cực kỳ thấp chỉ vài phần triệu (ppm) với thời gian đáp ứng nhanh tức thì.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển màng mỏng vônphram ôxít (WO3) biến tính bởi các xúc tác ôxít kim loại, mang đến khả năng nhận biết chính xác các chất khí gây ô nhiễm không khí phổ biến như lưu huỳnh đioxít (SO2) và mêtan (CH4). Một giải pháp khoa học rất độc đáo được triển khai là chế tạo dây nano SnO2 bằng phương pháp CVD, sau đó phủ màng WO3 bao bọc xung quanh tạo nên cấu trúc lõi-vỏ (core-shell). Cấu trúc lõi-vỏ này tăng cường tối đa diện tích tiếp xúc hóa học, giúp linh kiện có độ nhạy vượt trội và vận hành ổn định bền bỉ khi đo đạc khí độc hyđrô sunfua (H2S) trong môi trường thực tế.



Một thành tựu nổi bật khác của cụm công trình chính là việc thiết kế, chế tạo thành công hệ đa cảm biến tích hợp. Thiết bị này có khả năng nhận biết và phân tích đồng thời 5 loại khí khác nhau bao gồm H2, CH4, NH3, SO2, LPG và H2S. Đây chính là tiền đề then chốt để phát triển thế hệ “mũi điện tử” thông minh, có thể phân biệt chính xác từng loại khí trong một hỗn hợp khí phức tạp.

Thành quả nghiên cứu qua một thập kỷ kiên trì bền bỉ đã tạo ra các mẫu thiết bị ứng dụng thực tế. Những chiếc cảm biến nano siêu nhỏ, siêu nhạy đã bắt đầu hiện diện trong các hệ thống cảnh báo cháy sớm, thiết bị báo động rò rỉ khí gas gia đình và các trạm quan trắc ô nhiễm không khí tại một số khu vực trọng điểm. Khả năng phát hiện sớm các chất độc ở nồng độ vô cùng nhỏ giúp loại bỏ nguy cơ cháy nổ ngay từ mầm mống, bảo vệ an toàn tính mạng con người cùng tài sản xã hội.

Dấu ấn trường phái cảm biến Việt Nam trên bản đồ khoa học thế giới

Sức lan tỏa của cụm công trình vừa đơm hoa kết trái ở những sản phẩm ứng dụng thực tế, vừa khẳng định vị thế trí tuệ Việt Nam trên trường quốc tế. Cụm công trình công bố tới 96 bài báo khoa học chọn lọc trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc hệ thống ISI, cùng 2 sách chuyên khảo trong nước và 1 chương sách chuyên khảo do nhà xuất bản quốc tế phát hành.

Theo thống kê từ cơ sở dữ liệu Scopus (dữ liệu tích lũy tính đến thời điểm xét duyệt và trao giải thưởng vào năm 2022), các công trình của nhóm nghiên cứu thu hút tới hơn 3.500 lượt trích dẫn từ cộng đồng khoa học toàn cầu. Chỉ số trích dẫn trung bình đạt khoảng 35 lượt cho mỗi bài báo - một con số ấn tượng ngang ngửa chỉ số của các nhóm nghiên cứu hàng đầu tại châu Âu và Hoa Kỳ.


Thành công khoa học này góp phần quan trọng trong việc đào tạo lực lượng nhân sự chất lượng cao cho đất nước. Qua quá trình thực hiện cụm công trình, nhiều thế hệ học viên cao học, nghiên cứu sinh tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã trưởng thành, trở thành những chuyên gia đầu ngành về vật liệu nano cùng công nghệ vi điện tử. Sự phối hợp chặt chẽ giữa các Trường, Khoa trong Đại học cùng các đối tác công nghiệp đã hình thành nên một trường phái nghiên cứu cảm biến khí nano mang bản sắc riêng của Việt Nam, đạt trình độ tiệm cận và hội nhập đỉnh cao thế giới.

Nhìn lại dấu mốc 70 năm thành lập Đại học Bách khoa Hà Nội, thành công của cụm công trình “Nghiên cứu chế tạo một số cảm biến khí có độ nhạy cao trên cơ sở vật liệu nano ôxít kim loại bán dẫn và tổ hợp nano các-bon bằng công nghệ vi điện tử” mở ra một góc nhìn rõ nét về triết lý nghiên cứu ngôi trường này.

Song hành cùng những công bố học thuật uy tín trên các tạp chí quốc tế, giá trị cốt lõi mà các nhà khoa học Bách khoa hướng tới chính là hiệu quả thực tiễn cho cộng đồng. Việc đưa các linh kiện “mũi điện tử” siêu nhạy vào những thiết bị cảnh báo cháy nổ gia đình hay trạm quan trắc môi trường đang từng bước đưa tri thức Bách khoa hiện diện trực tiếp trong mọi khía cạnh của đời sống xã hội.