Nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng bảo quản nông sản, xử lý nước và kháng khuẩn

Một số kết quả nghiên cứu và đánh giá khả năng bảo quản của màng nanocomposite trên cơ sở chitosan chứa phức hợp nano rutin-cyclodextrin

Trong những năm gần đây, vật liệu nano ngày càng được quan tâm như hướng tiếp cận hiệu quả nhằm giải quyết nhiều vấn đề thực tiễn. Thông qua nhiệm vụ phát triển nhóm nghiên cứu xuất sắc, hệ sinh thái nghiên cứu liên ngành đã dần được hình thành, kết nối khoa học vật liệu với hóa học, sinh học và môi trường. Từ nền tảng đó, vật liệu nano đang từng bước trở thành lời giải cho nhiều bài toán “đời thường” như sơn kháng khuẩn, bảo quản nông sản sau thu hoạch, xử lý nước ô nhiễm hay lưu trữ năng lượng, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.

Trong nhiều năm qua, vật liệu nano được xem là một trong những hướng nghiên cứu mũi nhọn của khoa học vật liệu hiện đại. Nhờ kích thước siêu nhỏ, các hạt nano có thể mang lại những tính chất vượt trội so với vật liệu thông thường, từ khả năng kháng khuẩn, xúc tác, hấp phụ cho đến tương tác sinh học. Tuy nhiên, thách thức lớn đặt ra không chỉ nằm ở việc tạo ra vật liệu mới mà còn ở khả năng kết nối các nghiên cứu nano với những nhu cầu của đời sống, như bảo quản nông sản, xử lý nước ô nhiễm hay ứng dụng an toàn trong sinh học.

Xuất phát từ định hướng đó, GS.TS. Trần Đại Lâm và cộng sự Viện Khoa học vật liệu triển khai nhiệm vụ “Phát triển nhóm nghiên cứu xuất sắc hạng I về nghiên cứu chế tạo vật liệu nano trên cơ sở graphene, một số oxit kim loại và polyme sinh học ứng dụng trong sinh học, nông nghiệp và môi trường” (mã số: NCXS01.01/22-24). Đây là nỗ lực của nhóm các nhà khoa học nhằm xây dựng nền tảng nghiên cứu liên ngành bài bản, hướng tới chuẩn mực quốc tế. Nhiệm vụ không chỉ tập trung tạo ra các hệ vật liệu nano mới mà còn chứng minh hiệu quả ứng dụng thực tế và đào tạo đội ngũ nghiên cứu khoa học chuyên sâu.

Chia sẻ về định hướng nghiên cứu, GS.TS. Trần Đại Lâm cho biết: Nhóm lựa chọn cách tiếp cận liên ngành (khoa học vật liệu, hóa học, sinh học và môi trường) làm trục xuyên suốt, kết hợp cả tính toán lý thuyết và thực nghiệm khoa học, trong đó vật liệu nano không phải là mục tiêu cuối cùng mà là các sản phẩm trung gian để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể trong thực tế. Theo định hướng này, nhóm không chỉ phát triển các vật liệu nano đơn lẻ mà hướng tới xây dựng hệ sinh thái nghiên cứu liên ngành gắn kết nghiên cứu khoa học cơ bản, phát triển công nghệ, định hướng ứng dụng. Trọng tâm nghiên cứu là phát huy thế mạnh của các vật liệu nano tiên tiến kết hợp với polymer sinh học và nguồn nguyên liệu tự nhiên trong nước, qua đó tạo ra các hệ vật liệu lai, vật liệu cấu trúc 2D và nanocomposite có tính năng vượt trội. Định hướng này nhằm giải quyết trực tiếp những vấn đề thiết thực như kháng khuẩn, bảo quản nông sản sau thu hoạch, xử lý nước thải và phát triển các vật liệu chức năng thân thiện với môi trường. Nhiệm vụ cũng đặc biệt chú trọng xây dựng và hệ thống hóa các kết quả nghiên cứu mới thông qua các công bố quốc tế chất lượng cao và đào tạo đội ngũ cán bộ nghiên cứu kế cận, từng bước hình thành nhóm nghiên cứu xuất sắc tiệm cận đạt chuẩn quốc tế, có khả năng chủ động tiếp cận và giải quyết các bài toán lớn về công nghệ chiến lược của Việt Nam trong bối cảnh phát triển bền vững.

Từ vật liệu nano đến những giải pháp thiết thực cho đời sống

Một trong những dấu ấn nổi bật của nhiệm vụ là việc làm chủ quy trình tổng hợp hàng loạt hệ vật liệu nano tiên tiến, đặc biệt là các hệ nano bạc lai với oxit kim loại như ZnO-Ag, TiO2-Ag, ZrO2-Ag và CeO2-Ag. Các vật liệu này được chế tạo với quy mô hàng trăm gam cho mỗi loại, đủ lớn để triển khai các thử nghiệm ứng dụng thực tế, giải quyết được vấn đề không nhỏ trong nghiên cứu vật liệu nano.

Các hệ nano lai thu được có kích thước hạt nhỏ (30 - 50 nm), tương đối đồng đều và diện tích bề mặt riêng lớn, trong nhiều trường hợp đạt hoặc vượt các giá trị đã công bố trong các nghiên cứu quốc tế. Đặc biệt, việc sử dụng các chất khử có nguồn gốc thực vật trong quá trình tổng hợp nano bạc không chỉ giúp tạo ra vật liệu ổn định, hiệu quả cao mà còn giảm thiểu hóa chất độc hại, phù hợp với xu hướng phát triển vật liệu “xanh” và bền vững.

Từ nền tảng vật liệu này, nhóm nghiên cứu đã chuyển hóa thành công các hạt nano bạc lai vào hệ sơn và lớp phủ polymer, tạo nên các lớp phủ đa chức năng vừa kháng khuẩn, vừa tự làm sạch. Các thử nghiệm cho thấy khả năng ức chế vi khuẩn E. coli gần như hoàn toàn, đồng thời phân hủy hiệu quả các chất màu và chất bẩn hữu cơ dưới tác động của ánh sáng mặt trời hoặc tia UV. Những kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong bệnh viện, trường học, cơ sở y tế và các không gian công cộng, nơi lớp phủ không chỉ có vai trò bảo vệ bề mặt công trình mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe con người.

Nhóm các nhà khoa học đã đạt được những kết quả nổi bật trong nghiên cứu vật liệu nano cấu trúc hai chiều (2D), tiêu biểu là graphene oxide (GO) và MXene. Đây là các vật liệu dạng lớp mỏng với diện tích bề mặt rất lớn và khả năng tương tác mạnh với các ion trong nước. Nhờ các đặc tính này, khi được tích hợp thành điện cực composite dẫn điện cao, hệ điện cực cho phép loại bỏ đồng thời muối, kim loại nặng và các ion hòa tan trong nước mặn hoặc nước lợ với hiệu suất cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với nhiều vật liệu truyền thống. Đáng chú ý, các điện cực có khả năng tái sinh qua nhiều chu kỳ, góp phần giảm tiêu hao vật liệu và chi phí vận hành, nâng cao tính bền vững của hệ thống xử lý nước. Các kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng rõ rệt trong các hệ khử muối và xử lý nước quy mô nhỏ và vừa, phù hợp cho khu vực ven biển, hải đảo, tàu cá, khu nuôi trồng thủy sản và các vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của xâm nhập mặn, đặc biệt tại Đồng bằng sông Cửu Long. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm gia tăng tình trạng thiếu hụt nguồn nước ngọt, hướng nghiên cứu này góp phần mở ra giải pháp công nghệ thiết thực nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước và cải thiện chất lượng sống cho cộng đồng.

Bên cạnh đó, nhiệm vụ đã phát triển thành công nhiều nanocomposite sinh học trên cơ sở biopolymer và vật liệu tự nhiên, hướng trực tiếp tới các bài toán môi trường thực tế. Các vật liệu này được chế tạo dưới dạng hạt xốp, màng hoặc vật liệu lọc, cho phép loại bỏ hiệu quả kim loại nặng, thuốc nhuộm và vi sinh vật gây hại trong nước, đồng thời an toàn đối với con người và hệ sinh thái. Đặc biệt, việc sử dụng biopolymer có nguồn gốc tự nhiên và phụ phẩm nông nghiệp không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn chuyển hóa chất thải thành vật liệu có giá trị, phù hợp với định hướng kinh tế tuần hoàn. Với khả năng dễ triển khai và thích ứng với điều kiện hạ tầng đơn giản, các vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải tại làng nghề, khu dân cư nông thôn, khu công nghiệp nhỏ và các hệ thống xử lý nước phân tán, góp phần giải quyết ô nhiễm môi trường theo hướng bền vững và thân thiện với hệ sinh thái.

Cũng trong hướng này, nhóm đã phát triển chế phẩm tạo màng bảo quản quả trên cơ sở chitosan - polymer sinh học có nguồn gốc thiên nhiên kết hợp với phức hợp nano rutin-cyclodextrin, giúp tăng khả năng kháng khuẩn, hoạt tính chống oxi hóa và ổn định của màng phủ.

Khi quả được phun hoặc nhúng trực tiếp trong chế phẩm, lớp màng phủ có tác dụng ức chế vi sinh vật gây hư hỏng, chống oxi hóa, làm chậm quá trình chín và giảm mất nước. Thử nghiệm thực tế cho thấy thời gian bảo quản quả được kéo dài trên 60% trong điều kiện nhiệt độ phòng. Việc sử dụng vật liệu an toàn, có khả năng phân hủy sinh học và không để lại tồn dư độc hại giúp sản phẩm phù hợp cho định hướng ứng dụng trực tiếp trong chuỗi bảo quản, vận chuyển và phân phối nông sản, đặc biệt đối với các loại trái cây tươi phục vụ thị trường trong nước và xuất khẩu.

Trong quá trình thực hiện, nhóm nghiên cứu đã công bố 15 bài báo trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCIE, có chỉ số IF ≥ 2 hoặc Q2 trở lên, trong đó có nhiều tạp chí uy tín với chỉ số ảnh hưởng cao, thể hiện chất lượng, độ tin cậy và khả năng hội nhập quốc tế của các kết quả nghiên cứu.

Hội đồng nghiệm thu cũng đánh giá cao tính liên ngành và định hướng ứng dụng nổi bật của nghiên cứu so với nhiều nghiên cứu cùng lĩnh vực trong và ngoài nước. Trên cơ sở các kết quả đạt được, Hội đồng nghiệm thu thống nhất đánh giá nhiệm vụ đạt xuất sắc các yêu cầu và xếp loại A.

Trong bối cảnh các thách thức về môi trường, an toàn thực phẩm và phát triển bền vững ngày càng gia tăng, những kết quả đạt được không chỉ có giá trị khoa học mà còn mở ra những hướng tiếp cận thực tiễn triển vọng cho lĩnh vực vật liệu nano tại Việt Nam. Đây là nền tảng quan trọng để các nghiên cứu tiếp theo được phát triển, chuyển giao và tạo ra tác động tích cực đối với đời sống xã hội. Trong tương lai, nhóm định hướng tập trung phát triển sâu các hệ vật liệu nano sinh học theo hướng nâng cao hiệu quả, mở rộng quy mô và gắn kết chặt chẽ hơn với các bài toán ứng dụng cụ thể trong đời sống xã hội.