CSDL NVSS: tác giả Việt nam có bài công bố khoa học Scopus, ISI, Nafosted

Khoa học Vật liệu trong Thời đại 4.0: Thách thức và Cơ hội

Phenikaa University (19-08-2021) — Được theo đuổi ngành nghề mình đam mê, yêu thích và phù hợp với bản thân hẳn là mong muốn của tất cả các em học sinh cuối cấp. Ngoài việc hiểu rõ bản thân muốn theo đuổi điều gì, sẽ hạnh phúc khi được làm nghề gì, năng lực cũng như năng khiếu của bản thân có thực sự phù hợp với con đường đó hay không, thì việc nắm rõ về ngành nghề mà mình muốn gắn bó đóng vai trò quyết định đi đến thành công. Bản thân mình có may mắn được bén duyên với Khoa học vật liệu & Công nghệ nano từ khi vào đại học. Thú thực lúc bấy giờ mình cũng không hiểu tường tận mà phải tới đại học năm thứ 3 mình mới dần ngộ ra vị trí của ngành Khoa học vật liệu trong xã hội cũng như vẻ đẹp, sự thú vị và tiềm năng của sự liên ngành mà nó mang tới. Ở Pháp, từ những năm cuối cấp 2, các em học sinh đã được vào các nhà máy, bệnh viện, phòng thí nghiệm, v.v. để tìm hiểu về các ngành nghề khác nhau trong vòng 1-2 tuần. Chúng bắt đầu hình dung ra công việc của một kỹ sư điện, bác sĩ hay công việc hàng ngày của một nhà nghiên cứu vật liệu nano qua những khóa ngắn ngày như vậy. Những ước mơ về nghề nghiệp tương lai được nuôi dưỡng như vậy, để sau này các em rất chủ động trong việc học tập và chuẩn bị kiến thức cho bản thân. Ở Việt Nam, điều này còn hiếm. Không ít lần mình đi tư vấn tuyển sinh đại học, nhiều phụ huynh, học sinh chưa có cái nhìn đúng đắn và đầy đủ về các ngành nghề, trong đó có ngành Khoa học vật liệu. Trong bài viết này, xin được chia sẻ chút ít về vẻ đẹp của ngành học này dưới góc nhìn cá nhân. (TS. Nguyễn Việt Hương, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Phenikaa)

Khoa học vật liệu là gì?

Khoa học vật liệu là một khoa học liên ngành, nghiên cứu mối liên hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc nguyên tử lên tính chất của vật liệu, đồng thời phát triển các phương pháp chế tạo, xử lý vật liệu, và đặc trưng tính chất của chúng nhằm tạo ra các vật liệu chức năng thỏa mãn các nhu cầu kỹ thuật. Khoa học vật liệu không hẳn thiên về lý thuyết hay thực nghiệm mà được tiếp cận từ cả góc độ kỹ thuật (engineering) lẫn khoa học (science). Cũng bởi vì, trong Khoa học vật liệu chúng ta cần hiểu (science), để làm (engineering), và để sáng tạo (innovation). Chắc nhiều người cũng từng tự hỏi, tại sao thủy tinh cứng nhưng lại dễ vỡ, nhiều kim loại khá mềm, nhưng lại dẻo dai hơn, tại sao đều là carbon nhưng kim cương quý hiếm, trong suốt, còn than chì lại rẻ hơn nhiều và có màu đen, máy tính được chế tạo như thế nào có thể lưu trữ và xử lý được dữ liệu? Vật liệu composite được chế tạo như thế nào để có thể mạnh mẽ và bền bỉ hơn cả sắt thép? Đèn LED làm từ vật liệu gì mà nó có thể cách mạng hóa việc chiếu sáng toàn cầu, pin mặt trời chuyển hóa năng lượng từ hạt photon đi hết 100 triệu dặm tới trái đất thành điện tử để phục vụ con người như thế nào, v.v.? Những câu hỏi này hoàn toàn được giải quyết trong ngành Khoa học vật liệu – ngành khoa học có vị trị đặc biệt quan trọng trong sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Nắm bắt được những kiến thức khoa học cốt lõi, chủ động được công nghệ chế tạo và đặc biệt, phát triển được một hệ thống các máy móc đặc trưng tính chất vật liệu tiên tiến nhất cho phép phát triển các loại vật liệu có tính năng vượt trội, đảm bảo được ưu thế cạnh tranh mạnh mẽ và chủ động trong thế giới ngày một biến động.

Hình 1: a) sự phát triển và tính liên ngành của Khoa học vật liệu, b) tứ diện trong ngành Khoa học vật liệu, miêu tả mối liên hệ chặt chẽ giữa cấu trúc, phương pháp chế tạo vật liệu, các tính chất vật lý/hóa học thu được và hiệu năng của vật liệu khi đưa vào sử dụng. Các phương pháp đặc trưng tính chất vật liệu và thiết bị đóng vai trò trung tâm trong quá trình tối ưu hóa.

Theo dòng lịch sử, có thể coi ngành Khoa học vật liệu phát triển lên từ ngành luyện kim hiện đại. Nhờ đó chúng ta hiểu và chế tạo được các siêu hợp kim, ứng dụng trong những điều kiện nhiệt độ, môi trường ăn mòn cao và cơ tính khắt khe nhất. Có thể kể đến các siêu hợp kim sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện (dẫn hơi nước nóng), các bộ trao đổi nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân, các thế hệ ô tô, tàu bay mới, các cánh tua bin khí, v.v. Hình 1a thể hiện ngắn gọn tính đa ngành của Khoa học vật liệu, và sự phát triển đi lên của nó từ công nghiệp luyện kim hiện đại. Cũng phải nói thêm rằng, sự phát triển của Khoa học vật liệu gắn bó chặt chẽ với khả năng đặc trưng tính chất vật liệu: kỹ thuật hiển vi điện tử, các phương pháp phổ sử dụng ánh sáng/điện tử, nhiễu xạ tia X, neutron v.v. Trong số đó phải kể đến các kỹ thuật hiển vi điện tử, cho phép quan sát và phân tích vật liệu tới cấu trúc nano của chúng: từ những kính hiển vi sử dụng điện tử đầu tiên (von Borries & Ruska from Siemens, 1938, độ phân giải 10 nm), tới những kính hiển vi hiện đại cho phép quan sát vật liệu với độ phân giải < 0.2 nm. Hình 2 cho thấy hình ảnh cấu trúc tinh thể của một số loại vật liệu chụp bởi kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Hình 2: Kỹ thuật hiển vi hiện đại có thể quan sát được tới cấp độ các lớp nguyên tử: a) hình ảnh mặt cắt một phần của transistor công nghệ FinFET – 22 nm, thể hiện kênh dẫn làm bằng vật liệu bán dẫn đơn tinh thể, và các lớp điện môi vô định hình được phủ lên trên, b) cấu trúc của graphene đơn lớp – tạo thành từ các nguyên tử carbon, một loại siêu vật liệu đã có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, c) cấu trúc mặt cắt của đa lớp LaSrMnO3/SrTiO3 ứng dụng trong lĩnh vực nhiệt điện.

Ngoài ra, công nghệ chế tạo vật liệu cũng đóng vai trò hết sức quan trọng và thường có độ trễ khá lớn so với các phát minh khoa học liên quan. Mình nhớ có lần từng chia sẻ với sinh viên một ví dụ về công nghệ chế tạo kim loại nhôm. Như chúng ta biết, nhôm rất rẻ, được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng này, chúng ta chỉ mất khoảng 1 $ để mua một cuộn giấy nhôm dài 30 mét dùng để gói thức ăn. Tuy nhiên, ít ai biết rằng vào những năm 1850s, nhôm được bán với giá 120 $/100 g, trong khi đó giá vàng thời bấy giờ là 67 $/100 g. Chuyện kể rằng Đức vua Napoleon đã sử dụng bộ thìa dĩa bằng nhôm trong bữa tiệc thiết đãi những vị khách quý nhất, trong khi đó các bề tôi ít được ưu tiên hơn phải sử dụng các vật bằng vàng… Đó là vì thời bấy giờ người ta chưa tìm ra cách để chế tạo ra kim loại nhôm nguyên chất với giá rẻ từ các quặng chứa ô xít nhôm. Phải đến khi Paul Héroult và Charles Hall tìm ra phương pháp điện phân nhôm oxit nóng chảy vào những năm 1860s, chúng ta mới có các vật liệu, hợp kim nhôm vừa nhẹ và bền phục vụ các ngành hàng không và cách ngành công nghiệp khác như ngày nay. Ví dụ này cho thấy việc phát minh ra các công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến như công nghệ in 3D kim loại/gốm, công nghệ lắng đọng đơn lớp nguyên tử ở áp suất khí quyển (AALD), v.v. sẽ từng bước cách mạng hóa ngành Khoa học vật liệu.

Sự kết hợp hoàn hảo giữa khoa học cơ bản, kỹ thuật chế tạo và các phương pháp đặc trưng hiện đại đã thúc đẩy nhận thức về cấu trúc vật liệu, qua đó rút ngắn quá trình tối ưu hóa vật liệu và thiết bị. Chính sự đa ngành của Khoa học vật liệu yêu cầu một số lượng khổng lồ các kỹ sư, nhà khoa học làm việc ở nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các nhà khoa học nghiên cứu cơ bản, mô phỏng, thiết kế cấu trúc vật liệu phù hợp với nhu cầu, tới chế tạo, kiểm soát và tối ưu hóa quy trình công nghiệp, kỹ sư nghiên cứu và phát triển, kỹ sư đảm bảo chất lượng, v.v. Đây cũng chính là vẻ đẹp của một ngành Khoa học rất quan trọng và đa dạng bậc nhất.

Hình 3: a) sự phát triển của các thế hệ mạch tích hợp, thể hiện sự tăng trưởng nhanh chóng của mật độ transistor. Năm 2020, số lượng transistor trong card màn hình Nvidia's GA100 Ampere là 54 tỉ (loại MOSFETs), sản xuất từ công nghệ của TSMC - 7 nm, b) Vào những năm 1950s, để lưu trữ 4Gb dữ liệu phát tốn một số lượng thẻ nhớ IBM khổng lồ có thể xếp đầy một căn phòng lớn.

Từ những năm 2000s, ngành Khoa học vật liệu phát triển mạnh mẽ, thúc đẩy bởi nhu cầu cấp thiết của công nghệ bán dẫn và công nghệ vi điện tử (microelectronics) nhằm phục vụ lưu trữ, xử lý dữ liệu và truyền tín hiệu. Chính sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn đã tạo ra một thế hệ các phương pháp chế tạo vật liệu tân tiến, cho phép chúng ta sắp xếp, kiểm soát và chế tạo các vật liệu ở kích cỡ micro (µm – bằng một phần triệu mét), nanomet (nm ~ vài lớp nguyên tử, tương đương một phần tỉ mét), hoặc thậm chí tới từng lớp nguyên tử. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn thể hiện qua sự tăng trưởng theo cấp số nhân về mật độ transistors (có thể hiểu là các công tắc siêu nhỏ cho phép đóng/mở một mạch điện – tương ứng với các bit lưu trữ 0/1), xem Hình 3.

Thừa hưởng những tiến bộ đáng kinh ngạc từ công nghệ bán dẫn phục vụ ngành điện tử, Khoa học vật liệu sản sinh một nhánh vô cùng quan trọng, đang từng bước cách mạng hóa xã hội loài người: Khoa học và Công nghệ nano, với đối tượng nghiên cứu là các vật liệu nano. Ban đầu, công nghệ nano trong điện tử (nanoelectronics) chỉ là sự tiến hóa tất yếu của công nghệ vi điện tử (microelectronics), khi kích thước của kênh dẫn trong các transistors giảm xuống dưới 100 nm. Nhưng sau đó, các loại vật liệu nano rất đa dạng được phát triển có ứng dụng to lớn trong gần như tất cả các lĩnh vực của đời sống:

  • Các thiết bị điện tử thông minh, công nghệ truyền dẫn tín hiệu
  • Lưu trữ và chuyển hóa năng lượng
  • Xử lý nước sạch, môi trường
  • Vật liệu mới ứng dụng trong an ninh quốc phòng
  • Công nghệ hóa-sinh-y học
  • Nông nghiệp, v.v.

Vì những tính chất đặc biệt của vật liệu khi được giảm kích thước tới nanomet, yêu cầu về các kiến thức nền tảng cũng như cập nhật về mặt công nghệ và kỹ thuật ngày một nhiều hơn, ngành Khoa học vật liệu được thúc đẩy phát triển theo các hướng mới: khoa học vật liệu & Công nghệ nano, hay trí tuệ nhân tạo ứng dụng trong khoa học vật liệu để kịp thời đáp ứng được sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực này.

Vật liệu là gì?

Có rất nhiều định nghĩa cũng như cách phân chia các loại vật liệu. Một cách đơn giản nhất, vật liệu có thể được định nghĩa là vật chất được thiết kế, chế tạo với một chức năng kỹ thuật nào đó (Hình 4).

Hình 4: Vật liệu là vật chất được chế tạo ra nhằm phục vụ một chức năng nào đó.

Thuở sơ khai, những vật liệu đầu tiên loài người sử dụng làm bằng đá (các công cụ gọt đẽo), các vũ khí bằng kim loại (đồng, sắt), hay gỗ, da thú chính là những vật liệu polymers đầu tiên. Sau đó, ngành luyện kim bắt đầu phát triển nhằm phục vụ mục đích quân sự của các quốc gia cũng như các ngành công nghiệp khác. Những năm 1940-1980s, khi khoa học phát triển hơn, con người có cái nhìn sâu sắc hơn về vật liệu, các vật liệu hợp kim siêu bền và nhẹ, các ngành công nghiệp liên quan đến nhựa, vật liệu polymer-composite, hay các loại vật liệu gốm bắt đầu phát triển mạnh mẽ.

Nếu xét theo bản chất của liên kết hóa học (nôm na chính là sự sẻ chia điện tử giữa các nguyên tử cấu thành nên vật liệu), vật liệu có thể chia làm 4 loại: i) kim loại, ii) polymers, iii) gốm, thủy tinh, và iv) composites (sự kết hợp giữa các loại vật liệu bản chất khác nhau).

Trong xã hội thường ngày, chúng ta thường ít để ý đến bản chất của các loại vật liệu mà thường chỉ chú trọng đến ứng dụng của chúng. Theo đó, vật liệu cũng có thể phân chia thành hai nhóm chính: vật liệu kết cấu (structural materials) và vật liệu chức năng (functional materials). Vật liệu kết cấu vốn chỉ phục vụ việc chịu tải trọng, nhiệt, các tác động môi trường, có thể lấy ví dụ như gỗ, thép, các hợp kim của sắt, nhôm, các vật liệu composites, v.v. Nhóm còn lại chính là những loại vật liệu mang đến văn minh và tiến bộ ở tầm cao hơn cho con người. Vật liệu chức năng có thể định nghĩa là vật liệu có khả năng chuyển tải năng lượng và thông tin (thay vì tải trọng như nhóm trước). Đó chính là nhóm vật liệu bán dẫn, các vật liệu nano thế hệ mới (bao gồm cả hữu cơ và vô cơ), những loại vật liệu thông minh này có thể được điều khiển tính chất thông qua các tác động bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, điện/từ trường. Nhờ sự linh hoạt trong việc điều khiển các tính chất điện, quang, vật liệu chức năng chính là linh hồn của các tiến bộ công nghệ trong thế kỉ 21: máy vi tính, điện thoại thông minh, cảm biến thông minh trong nhiều lĩnh vực (vận tải, y sinh học & chăm sóc sức khỏe, kiểm soát môi trường, v.v), các công nghệ chiếu sáng sử dụng LEDs, OLEDs, các thế hệ pin – siêu tụ điện, tế bào quang điện, các vật liệu nano siêu kỵ nước, vật liệu nano trợ giúp chuyển tải thuốc, hấp thụ ánh sáng hồng ngoại để tiêu diệt tế bào ác tính, v.v.

Có lẽ cũng chính vì sự thay đổi nhanh chóng của ngành Khoa học vật liệu, sự phát triển đi lên theo dòng lịch sử của ngành này từ Ngành luyện kim, cũng như sự phân chia theo các cách khác nhau của các nhóm vật liệu, mà rất nhiều người đã nhầm tưởng rằng ngành Khoa học vật liệu chỉ liên quan đến nhóm vật liệu kết cấu mà chưa nhận thức được vị trí đặc biệt quan trọng của nhóm vật liệu chức năng trong thời đại 4.0.

Khoa học vật liệu & phát triển bền vững

Trong bất kỳ thời đại nào, sự tiện ích và tiến bộ mang lại bởi các công nghệ mới nên đi cùng sự bảo toàn môi trường sống và sức khỏe con người, đấy cũng chính là mục tiêu của phát triển bền vững. Khoa học vật liệu không nằm ngoài triết lý này. Trong số những thách thức lớn nhất của nhân loại hiện nay, phải kể đến nhu cầu về năng lượng sạch, môi trường trong lành, nước, các nguồn vật liệu thân thiện với môi trường và có thể tái chế được nhằm đảm bảo một hành tinh xanh – sạch – thịnh vượng. Ngành Khoa học vật liệu & Công nghệ nano đóng vai trò tiên phong trong việc giải quyết các thách thức thế kỷ này. Bên cạnh đó, các nhu cầu của con người ngày một tăng cao và đa dạng. Có lẽ đây cũng chính là bản chất của nhân loại chúng ta: không bao giờ hài lòng với những gì ta đang có! Nếu trước đây chúng ta hài lòng với một chiếc điện thoại có thể liên lạc được, thì hiện tại chúng ta mong muốn các thiết bị phải thông minh và đa chức năng hơn rất nhiều: thiết bị liên lạc, máy ảnh, thiết bị theo dõi sức khỏe, máy tính để lướt web, v.v tất cả gói gọn trong một thiết bị cầm tay. Trước đây, chúng ta hài lòng với ô cửa sổ làm bằng kính trong suốt để nhìn ngắm thế gian, thì hiện tại chúng ta mong muốn cửa sổ ngoài việc trong suốt phải ngăn được bức xạ hồng ngoại, tử ngoại, có thể tự biến đổi màu sắc hay tùy chỉnh độ truyền qua để phù hợp với nhu cầu sử dụng. Hay đơn giản là ai cũng muốn có một chiếc màn hình tivi lớn nhưng có thể cuộn tròn hoặc gấp lại như một tờ báo để có thể dễ dàng mang đi dã ngoại. Tất cả những ví dụ kể trên xuất phát từ sự đa chức năng của các vật liệu thông minh thế hệ mới (multifunctional materials). Phần dưới đây, xin được nêu một số ví dụ điển hình về những ứng dụng tiềm năng của vật liệu thông minh.

Hình 5: Một số ứng dụng tiềm năng của Khoa học vật liệu & Công nghệ nano, hứa hẹn sẽ có nhiều đóng góp đáng kể cho xã hội. a) pin mặt trời uốn dẻo được, chế tạo từ phương pháp in cuộn (roll-to-roll printing), b) vật liệu MOFs (metal organic frameworks) có khả năng lưu trữ một lượng nhiên liệu khí khổng lồ, hứa hẹn sẽ góp phần cách mạng hóa lĩnh vực nhiên liệu sạch, c) đèn LEDs sử dụng vật liệu perovskite, chế tạo ở nhiệt độ thấp, không sử dụng buồng chân không đắt tiền, d) cửa sổ thông minh, có khả năng tùy biến lượng ánh sáng truyền qua, e) màn hình điện tử uốn dẻo được sẽ thay đổi đáng kể lĩnh vực thiết bị điện tử trong tương lai gần, f) điện tử trong suốt sẽ phát triển bùng nổ với các mạch điện tử và màn hình có khả năng cho ánh sáng truyền qua, có thể dễ dàng tích hợp lên các bề mặt khác nhau, g) cảm biến thông minh với trung tâm là các vật liệu nano cho phép chuyển hóa lực, nhiệt độ, ánh sáng, thậm chí cả các tác động hóa học thành tín hiệu điện sẽ từng bước nâng tầm lĩnh vực kỹ thuật y sinh và chăm sóc sức khỏe con người, h-i) chấm lượng tử (quantum dots – vật liệu nano 0D) bên cạnh các ứng dụng trong điện tử, chuyển hóa năng lượng, còn có thể ứng dụng trong việc phát hiện và theo dõi các khối u ác tính.

Hẳn trong số chúng ta đều đã từng suy nghĩ về việc làm sao để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bụi mịn trong không khí, làm thế nào để sản xuất và sử dụng năng lượng một cách bền vững nhất. Sản xuất điện từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá, khí đốt) hiện vẫn chiếm hơn 63%, phần còn lại là từ năng lượng nguyên tử 10% và 27% năng lượng tái tạo. Trong nhóm cuối, có lẽ năng lượng mặt trời có tiềm năng và nhận được sự quan tâm nhất của giới nghiên cứu cũng như chính phủ các nước, đặc biệt là những nước gần xích đạo và nhận được nhiều photon mặt trời tới thăm như Việt Nam. Cần để ý rằng thủy điện cũng là năng lượng tái tạo và sản lượng điện của chúng ta vẫn đang phụ thuộc khá nhiều vào thủy điện, tuy nhiên về lâu dài, các tác động môi trường và chính trị có lẽ sẽ ảnh hưởng đến định hướng phát triển của ngành sản xuất điện. Vì lẽ đó việc phát triển năng lượng tái tạo sẽ là một trong những ưu tiên của quốc gia, trong đó ngành Khoa học vật liệu có đóng góp đáng kể. Trong tình hình đó, nhiều phương án chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời được nghiên cứu phát triển. Điển hình như các thế hệ pin mặt trời hiệu năng cao dựa trên vật liệu bán dẫn Si, perovskite và nhiều loại vật liệu màng mỏng, hoặc vật liệu hữu cơ khác đang được phát triển mạnh mẽ. Đi cùng với đó là các phương pháp chế tạo vật liệu tiên tiến, ví dụ như phương pháp in cuộn (từ pha lỏng hoặc hơi) ở nhiệt độ thấp và áp suất khí quyển, hoặc sử dụng các vật liệu rẻ tiền và thân thiện với môi trường hơn sẽ góp phần giảm giá thành, cho phép tăng sản lượng điện sản xuất từ pin mặt trời (Hình 5a). Trong vấn đề an ninh năng lượng, ngoài các thiết bị chuyển hóa thì lưu trữ năng lượng cũng rất được quan tâm và là một chủ đề nghiên cứu nóng hổi trong lĩnh vực Khoa học vật liệu và Công nghệ nano. Ở đây xin được nhắc đến vật liệu MOFs, một loại vật liệu lai hóa giữa kim loại và các phân tử hữu cơ, cho phép lưu trữ và trích xuất một số lượng các phân tử khí nhiên liệu khổng lồ trong lòng nó nhờ các lỗ trống trong cấu trúc (Hình 5b). Lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại một cách lưu trữ hóa năng an toàn, đang được đầu tư mạnh mẽ để tiến gần hơn với thị trường.

Bên cạnh nhu cầu năng lượng, chiếu sáng cũng là một trong những lĩnh vực then chốt và chiếm được quan tâm của giới khoa học, các nhà đầu tư và toàn xã hội. Hẳn chúng ta cũng để ý rằng đèn LEDs xuất hiện đã hoàn toàn cách mạng hóa công nghệ chiếu sáng của nhân loại (giải Nobel Vật lý năm 2014 được trao cho các nhà khoa học phát minh ra LEDs xanh da trời). Các công nghệ chiếu sáng thế hệ tiếp theo dựa trên LEDs hữu cơ (OLEDs), LEDs sử dụng các dây nano làm tăng hiệu suất chiếu sáng, hay LEDs sử dụng vật liệu peroskite được sản xuất ở nhiệt độ thấp, không sử dụng các công nghệ chân không đắt tiền đang ngày một được quan tâm và đang phát triển rất mạnh mẽ (Hình 5c).

Con người luôn muốn thay đổi và kiểm soát thế giới, ở tầm vi mô đó chính là câu chuyện làm thế nào để điều khiển được điện tử và các hạt photon theo ý muốn của mình. Từ transistor, laser, pin mặt trời hay các thiết bị điện tử sinh ra cũng từ nguyên tắc cơ bản đó. Đơn giản hơn, đó là các cửa sổ thông minh: cho phép chúng ta điều khiển mức độ truyền qua của ánh sáng sử dụng các vật liệu thông minh (thermochromic, electrochromic, photochromic, v.v.). Lĩnh vực này chưa phát triển mạnh ở Việt Nam, nhưng một dự báo toàn cầu cho rằng, thị trường cho cửa sổ thông minh chiếm tới 10 tỷ đô la trong năm 2025 và tăng nhanh sau đó (Hình 5d).

Như đã nói ở phần trước, chúng ta vốn dĩ tò mò và thường không hài lòng với các thế hệ thiết bị hiện có. Chính nhu cầu đó đã thúc đẩy các lĩnh vực ứng dụng mới của Khoa học vật liệu: điện tử uốn dẻo (Hình 5e) và điện tử trong suốt (Hình 5f), với ước lượng thị trường vào cỡ 50 tỷ đô la năm 2027. Màn hình và các linh kiện điện tử phải được chế tạo từ các vật liệu nano có tính chất điện, quang vượt trội và đặc biệt là cơ tính bền bỉ. Có thể kể đến các vật liệu bán dẫn hữu cơ, các hệ dây nano kim loại, ống nano carbon, v.v. đang dần thay đổi các thế hệ bán dẫn dễ gãy vỡ khi có tác động của lực cơ học. Tương lai về các màn hình hiển thị trong suốt trên các xe ô tô, hay thậm chí là kính mắt thông minh (smart glasses) có hiển thị các chỉ số sức khỏe, tin tức hay thời tiết không còn là tương lai xa.

Bên cạnh các ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm, các vật liệu nano thông minh cũng đóng vai trò rất quan trọng trong y sinh học và chăm sóc sức khỏe con người. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực điện tử và internet vạn vật, các cảm biến thông minh sử dụng vật liệu nano đang được quan tâm đặc biệt (Hình 5g). Gần đây các thế hệ cảm biến thông minh, tương thích y sinh học được liệt kê vào một trong những lĩnh vực được chú trọng nhất: wearable skin electronics. Trong tương lai gần, chúng ta có thể tự kiểm tra tình trạng sức khỏe, thông qua các chỉ số được gửi về từ cảm biến mà chúng ta đeo, qua đó có những cảnh báo kịp thời tới bản thân hoặc bác sĩ để có phản ứng nhanh chóng và phù hợp. Dự báo trong năm 2027, thị trường toàn cầu cho lĩnh vực này chiếm tới hơn 90 tỷ đô la. Ở Việt Nam, lĩnh vực này còn là một mảnh đất màu mỡ, khát nhân lực. Hay trong một ứng dụng khác như điều trị ung thư, các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách sử dụng vật liệu nano 0D, còn gọi là chấm lượng tử, để phát hiện và theo dõi các khối u ác tính (Hình 5h).

Cuối cùng, ngoài các loại vật liệu đang được phát triển, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thế hệ máy móc cho phép sản xuất được các loại vật liệu bền vững, thân thiện với môi trường và con người, giá thành thấp, cũng là một lĩnh vực đang rất được quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Ứng dụng công nghệ in 3D, Lasers và công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp, áp suất khí quyển, v.v. sẽ từng bước cách mạng hóa lĩnh vực chế tạo vật liệu. Trong chia sẻ ngắn này, rất khó để trình bày hết được các loại vật liệu chức năng thông minh, cũng như các công nghệ tiên tiến đang được phát triển. Mình hi vọng có thể mang đến một cái nhìn đa chiều hơn về lĩnh vực Khoa học vật liệu trong thời đại 4.0. Thách thức lớn nhất có lẽ là sự thiếu hụt nghiêm trọng nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực Khoa học vật liệu & Công nghệ nano ở nước ta, tuy nhiên đây cũng chính là cơ hội lớn cho nghề nghiệp tương lai. 

Đôi nét về tác giả: TS. Nguyễn Viết Hương là giảng viên Khoa KH&KT Vật liệu, từng là Thủ khoa đầu vào của Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2008 với điểm thi đại học đạt 29,0 điểm (nếu tính cả điểm ưu tiên là 31,0 điểm); từng đạt Giải Nhì tại Kỳ thi Olympic Toán học Sinh viên Toàn quốc năm 2009 khi đang là sinh viên năm thứ Nhất; sang Pháp du học (năm 2010): Đại học (Highest honors - Sinh viên xuất sắc), Thạc sĩ, Tiến sĩ (Best PhD Thesis Award - Luận án Tiến sĩ xuất sắc nhất) và Sau tiến sĩ (postdoc) cho đến khi về Việt Nam công tác tại Phenikaa University vào tháng 8 năm 2019.


Bài viết "Khoa học Vật liệu trong Thời đại 4.0: Thách thức và Cơ hội" được đăng lần trên trang chủ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Phenikaa tại địa chỉ: https://mse.phenikaa-uni.edu.vn/vi/post/tuyen-sinh/tuyen-sinh-dai-hoc/s-tuyen-sinh-dai-hoc/khoa-hoc-vat-lieu-trong-thoi-dai-40-thach-thuc-va-co-hoi


Bài liên quan:


Ý kiến bạn đọc (0):