Các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đang phát triển phòng thí nghiệm tự động tổng hợp vật liệu tiên tiến, ứng dụng robot, tự động hóa và phân tích dữ liệu nhằm nâng cao năng suất nghiên cứu, tăng độ chính xác và tạo nền tảng cho việc khám phá các vật liệu mới phục vụ nhiều lĩnh vực công nghệ cao.

Dự án do GS.TS Nguyễn Thanh Tùng, Trưởng phòng Công nghệ Plasma, cùng các nhà khoa học TS Nguyễn Nhật Linh, TS Nguyễn Hoàng Tùng và TS Nguyễn Thị Mai thực hiện. Đây được xem là một bước tiến quan trọng trong quá trình hiện đại hóa hoạt động nghiên cứu khoa học vật liệu tại Việt Nam, hướng tới xây dựng các phòng thí nghiệm thông minh theo xu hướng của thế giới.

Phòng thí nghiệm tự động hóa toàn bộ quy trình tổng hợp vật liệu

Theo nhóm nghiên cứu, phòng thí nghiệm dự kiến đi vào vận hành bước đầu từ tháng 10 năm nay tại Viện Khoa học Vật liệu.

Hệ thống được thiết kế với hai cánh tay robot có khả năng thực hiện hoàn toàn tự động các công đoạn từ chuẩn bị tiền chất, pha trộn hóa chất, gia nhiệt, xử lý bằng plasma lạnh đến đánh giá đặc tính vật liệu và lưu trữ dữ liệu.

Toàn bộ quá trình được điều khiển thông qua sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm tự động hóa. Trong đó, các cánh tay robot đảm nhiệm những thao tác chính xác như bơm, nhỏ giọt, pha trộn hóa chất, vận chuyển mẫu giữa hệ thống plasma lạnh và thiết bị đo phổ hấp thụ UV-Vis, trong khi phần mềm sẽ điều khiển thiết bị, thu thập và phân tích dữ liệu theo thời gian thực.

Nhờ đó, các nhà khoa học không còn phải thực hiện các thao tác lặp đi lặp lại bằng tay, có thể tập trung nhiều hơn vào nghiên cứu, phân tích và phát triển các vật liệu mới.

Nâng hiệu suất nghiên cứu lên gấp nhiều lần

Một trong những ưu điểm nổi bật của phòng thí nghiệm tự động là khả năng gia tăng đáng kể năng suất nghiên cứu.

Theo nhóm phát triển, hệ thống có thể tổng hợp 50–100 mẫu vật liệu nano mỗi ngày, tương đương hàng nghìn mẫu mỗi tháng, cao gấp ít nhất 10 lần so với phương pháp thủ công vốn chỉ đạt khoảng 5–10 mẫu/ngày.

Không chỉ tăng số lượng mẫu, hệ thống còn giúp bảo đảm tính đồng nhất giữa các thí nghiệm, giảm sai số do thao tác của con người và nâng cao khả năng lặp lại của kết quả nghiên cứu.

Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu, nơi việc thay đổi rất nhỏ về điều kiện thí nghiệm có thể tạo ra những vật liệu có tính chất hoàn toàn khác nhau.

Xây dựng "nhà máy sản xuất dữ liệu vật liệu"

Theo GS.TS Nguyễn Thanh Tùng, một trong những mục tiêu lớn nhất của dự án là xây dựng năng lực chủ động nghiên cứu và tạo lập cơ sở dữ liệu vật liệu ngay tại Việt Nam.

Hiện nay, các nhà khoa học trong nước chủ yếu khai thác dữ liệu từ các công trình nghiên cứu quốc tế hoặc các cơ sở dữ liệu mở. Tuy nhiên, để giải quyết những bài toán đặc thù của Việt Nam, cần có khả năng chủ động tạo ra dữ liệu nghiên cứu thông qua các thí nghiệm được chuẩn hóa.

Nhóm nghiên cứu vì vậy hướng tới xây dựng một "nhà máy sản xuất dữ liệu vật liệu", nơi có thể liên tục tạo ra khối lượng lớn dữ liệu có chất lượng cao phục vụ nghiên cứu, phát triển công nghệ và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong khoa học vật liệu.

Plasma lạnh – công nghệ cốt lõi trong tổng hợp vật liệu nano

Điểm khác biệt của phòng thí nghiệm là sử dụng công nghệ plasma lạnh để tổng hợp vật liệu nano.

Plasma là trạng thái vật chất có năng lượng cao, cho phép phá vỡ các hợp chất ban đầu và hình thành các hạt nano với kích thước siêu nhỏ.

So với các phương pháp tổng hợp bằng hóa chất truyền thống, plasma lạnh giúp kiểm soát tốt hơn các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành vật liệu như nhiệt độ, áp suất, thành phần khí và công suất nguồn plasma.

Thông qua việc thay đổi linh hoạt các thông số này, hệ thống có thể tạo ra nhiều loại vật liệu nano với những tính chất khác nhau, mở rộng đáng kể khả năng nghiên cứu và ứng dụng.

Dữ liệu lớn kết hợp học máy để khám phá vật liệu mới

Mỗi quá trình tổng hợp vật liệu đều được hệ thống tự động ghi nhận đầy đủ các thông tin như thời gian thực hiện, điều kiện môi trường, cấu hình thiết bị, thông số thí nghiệm và đặc tính của vật liệu thu được.

Những dữ liệu này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc tế, hình thành các bộ dữ liệu lớn (Big Data) phục vụ cho việc phân tích và nghiên cứu.

Đây cũng là nền tảng để ứng dụng học máy (Machine Learning) trong dự báo đặc tính vật liệu, tìm kiếm công thức tối ưu và phát hiện các vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng.

Việc kết hợp giữa tự động hóa và trí tuệ nhân tạo được kỳ vọng sẽ rút ngắn đáng kể thời gian nghiên cứu, giảm số lượng thí nghiệm thử - sai và nâng cao hiệu quả phát triển vật liệu tiên tiến.

Giải quyết bài toán phức tạp của khoa học vật liệu

Theo nhóm nghiên cứu, tổng hợp vật liệu nano là quá trình rất phức tạp do phải đồng thời kiểm soát nhiều yếu tố như thành phần tiền chất, tỷ lệ phối trộn, nhiệt độ, thời gian xử lý, chất xúc tác và điều kiện phản ứng.

Chỉ một thay đổi nhỏ trong các thông số này cũng có thể tạo ra loại vật liệu hoàn toàn khác về kích thước, hình dạng và tính chất.

Với phương pháp nghiên cứu thủ công, việc tìm ra công thức tối ưu gần như là quá trình "mò kim đáy bể", mất nhiều thời gian và khó bảo đảm tính đồng nhất.

Trong khi đó, hệ thống tự động có thể thực hiện hàng trăm thí nghiệm theo các điều kiện khác nhau trong thời gian ngắn, tạo ra lượng dữ liệu đủ lớn để phân tích và xác định mối liên hệ giữa điều kiện tổng hợp với tính chất vật liệu.

Đây cũng là xu hướng đang được nhiều quốc gia có nền khoa học phát triển như Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc áp dụng nhằm tăng tốc nghiên cứu vật liệu phục vụ công nghiệp, y sinh, bán dẫn và hàng không vũ trụ.

Mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong nhiều lĩnh vực

Các vật liệu nano kim loại được tổng hợp tại phòng thí nghiệm sẽ có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao.

Trong đó, nano vàng và nano bạch kim sở hữu các đặc tính quang học đặc biệt nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt, cho phép ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học, cảm biến môi trường có độ nhạy cao, phát hiện các chất ở cấp độ phân tử cũng như nghiên cứu truyền dẫn và điều khiển ánh sáng.

Ngoài ra, vật liệu nano còn được ứng dụng rộng rãi trong y sinh, điện tử, năng lượng sạch, xử lý môi trường và nhiều ngành công nghiệp công nghệ cao khác nhờ các đặc tính vượt trội về quang học, điện học, từ tính và khả năng phản ứng hóa học.

Khẳng định năng lực nghiên cứu và làm chủ công nghệ của Việt Nam

Việc phát triển thành công phòng thí nghiệm tự động tổng hợp vật liệu không chỉ giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu mà còn khẳng định năng lực của các nhà khoa học Việt Nam trong việc làm chủ các công nghệ tiên tiến.

Dự án được kỳ vọng sẽ tạo nền tảng cho việc hình thành các phòng thí nghiệm thông minh tại Việt Nam, thúc đẩy ứng dụng robot, tự động hóa, dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo trong nghiên cứu khoa học. Đồng thời, đây cũng là bước tiến quan trọng nhằm xây dựng năng lực nghiên cứu độc lập, chủ động tạo ra dữ liệu và phát triển các vật liệu thế hệ mới, góp phần nâng cao vị thế của khoa học vật liệu Việt Nam trên trường quốc tế.

Nguồn: Tổng hợp