Tháng 11/2025, TS. Phạm Tiến Thành, Phó trưởng khoa Công nghệ và Kỹ thuật tiên tiến (FATE), được Bộ Khoa học và Công nghệ cấp hai bằng sáng chế liên quan đến vật liệu sinh học có khả năng hấp thụ và chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng từ bèo cái.
Các sáng chế được đánh giá cao khi sử dụng phương pháp phún xạ kim loại đồng có độ dày nm lên bề mặt loại thực vật phổ biến ở Việt Nam là lá bèo cái, việc chế tạo có giá thành thấp, không độc hại và đóng góp một giải pháp bảo vệ an ninh nguồn nước.
Nhân ngày Sở hữu trí tuệ thế giới 26/4, hãy cùng lắng nghe TS. Thành kể câu chuyện thực hiện nghiên cứu này.
TS. Phạm Tiến Thành giới thiệu chương trình đào tạo mới của khoa FATE, năm 2025.
1. Vì sao thầy nghiên cứu về vật liệu sinh học có khả năng hấp thụ và chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng từ bèo cái và phương pháp chế tạo ra vật liệu này?
Tôi lựa chọn nghiên cứu vật liệu sinh học từ bèo cái xuất phát từ hai mục tiêu: Hiện nay, việc đảm bảo an ninh năng lượng và an ninh nguồn nước ngày càng cấp thiết, đặc biệt ở những khu vực chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, vùng hải đảo. Tôi quan tâm đến các giải pháp chi phí thấp, có thể triển khai tại chỗ, tận dụng tài nguyên sẵn có ở Việt Nam. Trong đó, vật liệu quang nhiệt, tức vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành nhiệt, là một hướng rất tiềm năng, nhất là cho các hệ tạo hơi nước để xử lý nước biển, nước lợ.
Khi nghiên cứu về vật liệu quang nhiệt, cấu trúc nano có sẵn trong tự nhiên nhận được nhiều sự quan tâm. Bề mặt lá của nhiều loài thực vật không hề phẳng như chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường, mà tồn tại các cấu trúc micro/nano rất tinh vi, được hình thành qua quá trình tiến hóa lâu dài. Những cấu trúc này tạo ra nhiều tính chất đặc biệt như kị nước, tự làm sạch, giảm bám dính, thậm chí tương tác mạnh với ánh sáng. Ví dụ điển hình là hiệu ứng “lá sen”, nơi các cấu trúc micro/nano dạng hình trụ giúp nước không bám lại trên bề mặt.
Đối với bèo cái, bề mặt lá có cấu trúc nano dạng các tấm hoặc gờ nhỏ, với độ dày 80–100 nm và 200–500 nm về chiều cao, phân bố ngẫu nhiên với mật độ cao. Chính sự phân bố ngẫu nhiên nhưng dày đặc này tạo ra rất nhiều “giao diện” tương tác với ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào, nó không chỉ phản xạ đơn giản mà bị tán xạ nhiều lần, làm tăng quãng đường truyền quang học và khả năng bị hấp thụ.
Ý tưởng của chúng tôi là không cần chế tạo từ đầu một cấu trúc nano phức tạp, vốn rất tốn kém, mà tận dụng trực tiếp cấu trúc nano tự nhiên này như một khuôn mẫu có sẵn. Sau đó, chúng tôi phủ lên bề mặt lá một lớp kim loại đồng rất mỏng (30-50 nm) bằng phương pháp phún xạ. Lớp kim loại này đóng vai trò như một lớp hấp thụ ánh sáng, trong khi cấu trúc nano của lá bèo cái giúp tăng cường hiệu ứng bẫy ánh sáng và cộng hưởng plasmon bề mặt. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng rất cao trên dải rộng và chuyển hóa nhanh thành nhiệt. Nói một cách đơn giản, bèo cái vốn đã có cấu trúc nano tối ưu sẵn, chúng tôi chỉ cần kích hoạt nó bằng một lớp vật liệu phù hợp để biến nó thành một hệ hấp thụ năng lượng mặt trời hiệu quả. Chính sự kết hợp giữa tự nhiên và công nghệ này là động lực lớn nhất khiến tôi theo đuổi hướng nghiên cứu này.
2. Điểm nổi bật nhất của nghiên cứu?
Đó là việc chúng tôi biến một vật liệu tự nhiên rất phổ biến là lá bèo cái thành vật liệu quang nhiệt hiệu suất cao bằng một quy trình tương đối đơn giản: làm sạch lá, làm khô, cố định mẫu và phún xạ một lớp đồng mỏng lên bề mặt.
Vật liệu gồm hai lớp chính: lớp nền là lá bèo cái và lớp đồng phún xạ có độ dày khoảng 40–80 nm. Kết quả là vật liệu có màu đen, độ phản xạ thấp, độ truyền qua thấp và độ hấp thụ ánh sáng trong vùng 400–800 nm đạt trên 95%.
Giải thích một cách dễ hiểu, lá bèo cái vốn có nhiều cấu trúc nano trên bề mặt. Khi phủ thêm một lớp đồng cực mỏng, ánh sáng mặt trời khi chiếu vào sẽ bị “giữ lại” và chuyển thành nhiệt thay vì bị phản xạ ra ngoài. Nhờ vậy, vật liệu nóng lên nhanh, có thể dùng để tạo hơi nước bằng ánh sáng mặt trời.
3. Nghiên cứu này được thực hiện trong bao lâu?
Nghiên cứu được chúng tôi triển khai trong thời gian 1,5 năm, trong giai đoạn tôi hướng dẫn học viên khóa 3 chương trình thạc sĩ Công nghệ Nano, bao gồm các giai đoạn hình thành ý tưởng, khảo sát cấu trúc bề mặt lá bèo cái, chế tạo mẫu bằng phún xạ đồng, đo tính chất quang học – quang nhiệt. Năm 2020, kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Scientific Reports (Q1). Tổng thời gian chuẩn bị và nộp hồ sơ cho đến khi được cấp bằng sáng chế là khoảng 4 năm.
4. Quá trình nghiên cứu có điều gì đáng nhớ nhất?
Điều đáng nhớ nhất là một vật liệu rất quen thuộc, gần như bị xem là bình thường trong tự nhiên, lại có thể trở thành nền tảng cho một vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời rất hiệu quả. Kết quả vượt mong đợi là khi mẫu lá bèo cái phủ lớp đồng mỏng cho độ hấp thụ ánh sáng trên 93%, đặc biệt vẫn hấp thụ tốt trong vùng hồng ngoại gần. Trong khi đó, khó khăn lớn nhất là phải tối ưu các điều kiện phún xạ, vì lớp đồng phải đủ mỏng để giữ được hiệu ứng từ cấu trúc nano tự nhiên, nhưng cũng phải đủ phù hợp để tạo khả năng hấp thụ mạnh.
5. Trong nghiên cứu này, thầy có hợp tác với nhóm nghiên cứu/nhà khoa học quốc tế nào không?
Trong hướng nghiên cứu này, tôi có trao đổi và dựa trên nền tảng học thuật từ các nghiên cứu về vật liệu hấp thụ ánh sáng dựa trên cấu trúc nano, trong đó có các nghiên cứu của nhóm Giáo sư Kotaro Kajikawa ở Học viện Công nghệ Tokyo (hiện này là Trường Khoa học Tokyo) về vật liệu tự nhiên phủ kim loại để hấp thụ ánh sáng.
6. Việc được chính thức công nhận sở hữu trí tuệ hai sáng chế này có ý nghĩa gì đối với thầy?
Với tôi, việc hai sáng chế được bảo hộ không chỉ là sự ghi nhận cho một kết quả nghiên cứu, mà còn là minh chứng rất rõ ràng cho một điều: những hiện tượng rất quen thuộc trong tự nhiên, nếu chúng ta quan sát đủ kỹ và đặt câu hỏi đúng, hoàn toàn có thể trở thành ý tưởng cho các nghiên cứu có giá trị. Nghiên cứu không nhất thiết phải bắt đầu từ những thứ quá phức tạp; đôi khi, nó bắt đầu từ việc đặt câu hỏi với những gì rất gần gũi xung quanh mình.
7. Từ đây, thầy sẽ tiếp tục phát triển nghiên cứu này như thế nào?
Định hướng tiếp theo là phát triển vật liệu này trong các hệ bay hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời. Nguyên lý khá dễ hiểu: vật liệu hấp thụ ánh sáng mặt trời rất mạnh, chuyển ánh sáng thành nhiệt, làm nóng lớp nước tiếp xúc với vật liệu và tạo hơi nước. Hơi nước sau đó được ngưng tụ lại thành nước sạch. Cách tiếp cận này có thể dùng cho nước biển, nước lợ hoặc một số nguồn nước bị ô nhiễm, với ưu điểm là tận dụng năng lượng mặt trời, vật liệu nền rẻ, phổ biến và quy trình chế tạo không quá phức tạp.
Sau đó, tôi muốn tiếp tục tối ưu độ bền của vật liệu, khả năng hoạt động trong môi trường thực tế, khả năng mở rộng diện tích chế tạo và tích hợp vào mô hình thiết bị bay hơi nước mặt trời quy mô lớn hơn hướng đển cung cấp giải pháp tạo nguồn nước sạch với giá thành rẻ.
Trân trọng cảm ơn thầy.
