Nghiên cứu của nhà khoa học trẻ Việt Nam được đưa vào danh mục “hot paper” của tạp chí Journal of Materials Chemistry A

Đoạt giải khuyến khích (giải 3) kỳ thi học sinh giỏi môn toán cấp thành phố, sau đó tốt nghiệp loại giỏi chương trình kỹ sư tài năng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, Từ Ngọc Thạch được chọn làm nghiên cứu sinh tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano và phân tử (INOMAR). Chỉ trong một thời gian khi làm việc tại đây, anh đã đăng 2 bài báo ISI rất uy tín: Journal of Materials Chemistry A và Catalysis Science & Technology, tạp chí có chỉ số impact factor cao (5.287 và 8.262) với vai trò tác giả đầu tiên. Đặc biệt, bài báo trên tạp chí Journal of Materials Chemistry A được đưa vào danh sách “hot paper”.

Nhà nghiên cứu trẻ Từ Ngọc Thạch năm nay mới 29 tuổi, anh cho biết, hiện nay, có hơn 20.000 vật liệu khung kim loại hữu cơ (MOFs) khác nhau đã được công bố, trong đó, một số vật liệu MOFs cho thấy khả năng ứng dụng của chúng nhằm giải quyết những vấn đề khoa học kỹ thuật hiện đại. Mặc dù có những tiến bộ đáng kể trong tổng hợp và ứng dụng vật liệu MOFs, vẫn còn rất nhiều trở ngại khoa học vẫn chưa được giải quyết một cách triệt để. Hiện nay, nhiều loại vật liệu MOFs mới với nhiều tính chất vượt trội vẫn đang được tổng hợp và nghiên cứu nhằm giải quyết những thách thức cụ thể.

Từ Ngọc Thạch và cộng sự đã tiến hành tổng hợp, xác định cấu trúc của nhiều loại vật liệu MOFs hoàn toàn mới với tính chất vượt trội từ tiền chất hữu cơ (ligands) và vô cơ (kim loại) rẻ tiền như sắt và cobalt, nhằm phục vụ cho mục tiêu sản xuất và ứng dụng rộng rãi dòng vật liệu này. Đồng thời tiến hành xác định cấu trúc của vật liệu mới bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể (Sc-XRD) cũng như nhiều phương pháp phân tích hóa lý khác nhằm xác định tính chất của chúng.

Trong những vật liệu đã tổng hợp, Thạch nhận thấy hai trong số chúng có tiềm năng ứng dụng cao, trong đó có vật liệu VNU-15 ứng dụng làm màng dẫn proton nhằm khắc phục những nhược điểm gặp phải của màng dẫn nafion truyền thống. Anh đã khảo sát độ dẫn proton của vật liệu MOFs ở nhiều điều kiện khác nhau, trong đó đặt trọng tâm ở điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm tương đối thấp nhằm khắc phục những hạn chế gặp phải khi dùng màng dẫn nafion. Tiến hành khảo sát giá trị độ dẫn proton của màng dẫn làm từ vật liệu MOFs theo thời gian nhằm đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu MOFs đã tổng hợp được.

Đối với VNU-10, Từ Ngọc Thạch đã ứng dụng làm xúc tác dị thể nhằm xúc tác chọn lọc cho những phản ứng có sự tham gia của chất nền với kích thước phân tử khá lớn mà những vật liệu xốp khác không thể hiện hoạt tính xúc tác. Anh cũng đã tiến hành đo đạc xác định kích thước lỗ xốp của MOFs vừa tổng hợp từ cấu trúc tinh thể của vật liệu thu được. Chọn lựa và sàng lọc nhiều phản ứng hóa học có sự tham gia của chất nền có kích thước phân tử lớn nhằm lựa chọn phản ứng phù hợp. Tổng hợp nhiều loại vật liệu xốp khác nhau làm xúc tác dị thể cho phản ứng kể trên, sau đó tiến hành so sánh hoạt tính xúc tác với vật liệu MOFs vừa tổng hợp được nhằm làm nổi bật vai trò của xúc tác mới.

Làm việc trong điều kiện Việt Nam, nhưng chất lượng sản phẩm đạt quốc tế

Từ Ngọc Thạch tâm sự: “Khó khăn nhất là làm việc và nghiên cứu khoa học trong nước còn nhiều eo hẹp, thiết bị phân tích thiếu thốn. Đặc biệt, với lĩnh vực vật liệu khung hữu cơ kim loại còn khá mới ở Việt Nam, và Trung tâm INOMAR (tên cũ là MANAR) lại là nơi đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu loại vật liệu này ở Việt Nam nên điều kiện khoa học kỹ thuật và chuyên gia trong lĩnh vực này hầu như không có. Tất cả hoạt động nghiên cứu đều phải tự mày mò. Những phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, các phép đo hấp phụ... phải tự học”.

Tuy có nhiều cơ hội, nhưng Từ Ngọc Thạch đã chọn INOMAR, vì theo anh: “Làm việc ở INOMAR cho phép tiếp xúc, làm quen và học tập từ nhiều chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực vật liệu khung hữu cơ kim loại, như GS. Omar M. Yaghi, TS. Hiroyasu Furukawa và nhiều đồng nghiệp khác ở University of California at Berkeley”. Bên cạnh đó, anh chọn hướng nghiên cứu này vì vật liệu khung hữu cơ kim loại là một dòng vật liệu mới và có triển vọng ứng dụng cao.

Với điều kiện nghiên cứu trong nước rất khó khăn, nhưng Từ Ngọc Thạch đã tổng hợp thành công 4 vật liệu MOFs mới, trong đó 2 vật liệu mới là VNU-10 và VNU-15 đã được tiến hành khảo sát ứng dụng. Lần đầu tiên trên thế giới, việc ứng dụng vật liệu MOFs (VNU-10) làm xúc tác dị thể trong phản ứng amine hóa benzoxazoles được thực hiện. Đặc biệt, ứng dụng vật liệu VNU-15 làm màng dẫn proton, kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị độ dẫn proton của VNU-15 nằm trong nhóm những vật liệu MOFs có độ dẫn proton cao nhất. Đáng chú ý, vật liệu VNU-15 là vật liệu MOFs đầu tiên có độ dẫn proton cao hơn nafion ở điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm tương đối thấp.

Từ Ngọc Thạch đã áp dụng nhiều quy trình và phương pháp tổng hợp khác nhau nhằm tổng hợp ra vật liệu MOFs mới từ những tiền chất hữu cơ thông dụng, ví dụ như tiền chất terephthalic acid đã được dùng để tổng hợp và công bố trong hơn 5.092 vật liệu MOFs khác nhau (kết quả thu được từ ngân hàng dữ liệu cấu trúc thuộc Trường đại học Cambridge), tuy nhiên, bằng cách thay đổi một số điều kiện phản ứng cụ thể, vật liệu VNU-10 và VNU-15 là hai vật liệu mới đã được tổng hợp thành công. Bên cạnh đó, anh cũng dùng phương pháp phối trộn hỗn hợp của nhiều tiền chất hữu cơ (ligands) và nhiều kim loại vô cơ với sự kết hợp sử dụng của hỗn hợp nhiều loại chất điều chỉnh pH khác nhau.

Lần đầu tiên, phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể và nhiều phương pháp phân tích hóa lý tiên tiến khác (thiết bị đặt tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu và cấu trúc, thuộc Đại học quốc gia TP.HCM) đã được Từ Ngọc Thạch sử dụng để xác định tính chất hóa lý của vật liệu vừa tổng hợp được.

Với khả năng của Thạch, anh đã được chọn đi thực tập và làm việc 10 tháng ở phòng thí nghiệm của GS. Omar M. Yaghi, thuộc Trung tâm nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkeley (thuộc Bộ năng lượng Hoa Kỳ) và được quản lý bởi University of California at Berkeley (thuộc top 10 trường đại học tốt nhất thế giới, theo Best Global Universities của U.S News năm 2015).

Việc nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu mới của Từ Ngọc Thạch có nhiều ý nghĩa: cùng với các nghiên cứu của nhiều nhà khoa học khác, giúp khẳng định vai trò của Đại học quốc gia TP.HCM trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu MOFs/ZIFs. Việc đăng bài báo quốc tế có uy tín cao từ kết quả nghiên cứu khoa học được thực hiện thuần túy trong điều kiện cơ sở vật chất ở Việt Nam giúp khẳng định tiềm lực nghiên cứu của nhóm nói riêng và của Đại học quốc gia TP.HCM nói chung. Do trong cả hai bài báo, tác giả đầu tiên và tác giả đứng tên liên hệ (corresponding authors) đều làm việc ở Đại học quốc gia TP.HCM, từ đó góp phần nâng cao xếp hạng của Đại học quốc gia TP.HCM trong bảng xếp hạng các đại học uy tín trong nghiên cứu khoa học. Đặc biệt, sản phẩm nghiên cứu của đề tài là 2 vật liệu VNU-10 và VNU-15 đều được tổng hợp từ những nguyên liệu giá rẻ, từ đó có thể được nghiên cứu để tổng hợp và ứng dụng đại trà, làm tiền đề cho những ứng dụng hết sức quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực pin nhiên liệu hydrogen và xúc tác tổng hợp hóa dược.