TiaSang
Thứ 6, Ngày 21 tháng 7 năm 2017
Đổi mới sáng tạo

TS. Bùi Hùng Thắng: Bài báo đi kèm sáng chế

15/05/2017 08:30 - Thanh Nhàn

Chưa đầy 10 năm làm nghiên cứu, TS. Bùi Hùng Thắng (Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã có trong tay 25 công bố trên các tạp chí quốc tế (16 công bố ISI), và bốn bằng độc quyền sáng chế, giải pháp hữu ích. Năm 2017 đánh dấu một dấu ấn quan trọng trong quá trình nghiên cứu của anh: chính là gương mặt duy nhất được đề cử xét tặng giải trẻ Tạ Quang Bửu, giải dành cho các nhà khoa học độ tuổi dưới 35, với công bố “Mô hình cải tiến về độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần ống nano carbon” (A modified model for thermal conductivity of carbon nanotube-nanofluids) trên tạp chí Physics of Fluids.


 TS. Bùi Hùng Thắng.

Khoa học vật liệu là lĩnh vực phát triển rất sôi động trong vài thập kỷ gần đây, nó liên quan chặt chẽ đến quá trình đổi mới sáng tạo về công nghệ trong các ngành công nghiệp, y sinh, công nghệ thông tin… Đặc biệt, vật liệu ống nano carbon (CNTs) có tiềm năng ứng dụng rất phong phú bởi hội tụ nhiều tính chất độc đáo về cơ học, vật lý, hóa học như độ bền, độ dẫn điện, dẫn nhiệt. Vì vậy, khi nghiên cứu về CNTs, tôi có nhiều cơ hội thuận lợi đưa một phần kết quả nghiên cứu vào thực tiễn”, TS. Thắng lý giải nguyên nhân vì sao anh lại chọn CNTs và chủ yếu khai thác nó để chế tạo các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhằm áp dụng trong hệ thống truyền nhiệt, tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất lớn.

Từ lời giải cho bài toán tồn tại 10 năm…

Về khía cạnh dẫn nhiệt của CNTs, có một bài toán đã tồn tại hơn 10 năm: giải thích hiệu quả nâng cao hệ số dẫn nhiệt trong chất lỏng chứa vật liệu này, điều mà những mô hình tính toán lý thuyết cổ điển “chào thua” bởi chỉ đưa ra được những kết quả sai khác so với kết quả thực nghiệm.

Các nhà nghiên cứu cần đi tìm một mô hình tính toán mới cho kết quả chuẩn xác hơn. Vậy một mô hình tính toán chuẩn phải đáp ứng yếu tố gì? Một tiến sỹ vật lý lý thuyết cho rằng, nhìn chung mô hình đó phải phản ánh đúng sự tương tác giữa các thành phần và phải cho kết quả đúng trong nhiều trường hợp khác nhau. Mô hình càng lý tưởng thì càng cho ít sai số tính toán so với thực nghiệm. Trong trường hợp này, cái khó là sự tương tác giữa các thành phần khá phức tạp, lại có nhiều hướng tiếp cận. TS Thắng bổ sung thêm, “các phân tử trong môi trường chất lỏng đều ở vị trí khá xa nhau, lại dễ di chuyển và chuyển hướng liên tục do lực liên kết kém, đồng thời chịu nhiều lực tác động khác nhau”.

Dĩ nhiên vấn đề càng nhiều thách thức thì càng hấp dẫn các nhà nghiên cứu. Để giải thích hiệu quả nâng cao hệ số dẫn nhiệt trong chất lỏng chứa thành phần CNTs, các nhóm nghiên cứu của S.U.S Choi (PTN quốc gia Argonne, Mỹ), Yingsong Zheng (ĐH Mỏ và công nghệ South Dakota, Mỹ), Dale Henneke (ĐH Waterloo, Canada), Venkata Sastry, H E Patel (Viện Công nghệ Ấn Độ - Madras, Ấn Độ)… đã công bố một số mô hình tính toán trên các tạp chí chuyên ngành. Nhưng theo TS. Thắng, các mô hình này “đều chưa thuyết phục vì phần lớn phải dựa vào những thông số thực nghiệm mới có kết quả chính xác hoặc lại đưa ra nhận định sai lầm khi coi các ống CNTs nối đuôi nhau trong lòng chất lỏng để tạo thành mạch truyền nhiệt trong khi trên thực tế, nó phân tán tách rời”.

Trong quá trình nghiên cứu kéo dài hơn một năm, anh nhận thấy điểm quan trọng nhất mà nhiều nhà nghiên cứu đã bỏ qua, đó là CNTs dẫn nhiệt tốt dọc theo ống nhưng lại dẫn nhiệt kém theo chiều vuông góc với ống. Dựa vào phát hiện này, anh đã đặt ra bài toán và thực hiện các phép tính để đưa ra mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa CNTs. Không dễ tự bằng lòng với kết quả bước đầu, anh còn thực hiện một số bước như dùng số liệu từ các công bố của đồng nghiệp quốc tế và tính thử theo mô hình của mình. Kết quả cho thấy có sự phù hợp rất tốt giữa tính toán lý thuyết này với kết quả thực nghiệm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới trong các trường hợp khác nhau của CNTs cũng như trong nhiều nền chất lỏng khác nhau.

TS. Thắng đã gửi công trình tới Physics of Fluid, tạp chí chuyên ngành về vật lý chất lỏng của Viện Vật lý Hoa Kỳ và thuộc tốp tạp chí ISI uy tín theo phân loại của Quỹ Nafosted. Hai chuyên gia phản biện mà tạp chí mời cho ý kiến khác nhau: một đồng ý, một phản đối kịch liệt bằng việc tìm mọi lý do để bác bỏ quan điểm và mô hình đề xuất. Chuyên gia phản biện thứ hai đưa ra sáu câu hỏi, chủ yếu xoáy vào bản chất của mô hình và truy vấn nguyên nhân khiến tác giả nghi ngờ độ chuẩn xác của một số mô hình trước.

Cần xử lý trường hợp này như thế nào? “Trong vòng một tuần, tôi viết 20 trang trả lời phản biện, trong đó tập hợp tất cả các vấn đề mà giới nghiên cứu thế giới đã thực hiện và cả những vấn đề mình phát hiện thành một hệ thống rất chặt chẽ, chứng minh những luận điểm mà phản biện nêu không chính xác”, TS. Thắng kể. Kết quả là chuyên gia phản biện giữ thái độ im lặng lâu đến mức ban biên tập Physics of Fluid liên hệ không được và đành đưa ra phương án, nếu không nhận được trả lời thì coi như mô hình đã được chấp nhận. Cuối cùng sau hai tháng “biệt tích” khó hiểu, vị chuyên gia đó mới hồi âm là đồng ý với phần trả lời. Xuất bản vào tháng 3/2015, đến nay sau hai năm, bài báo được trích dẫn 9 lần 1

Cũng làm nghiên cứu sinh trong nước như TS. Phùng Văn Đồng, người đoạt giải trẻ Tạ Quang Bửu 2016, TS. Bùi Hùng Thắng (1984) không cho là mình thua thiệt so với đồng nghiệp được đào tạo ở nước ngoài. Ngược lại, anh thấy mình có thuận lợi cơ bản: được làm việc tại Viện Khoa học vật liệu, nơi có gần đủ cơ sở vật chất, thiết bị phục vụ nghiên cứu như kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao (HR-TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), thiết bị sự đo phân tán hạt nano trong chất lỏng (Zetasier), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)…, và có môi trường học thuật tốt, các cán bộ trẻ được tin tưởng giao chủ trì nhiều đề tài nghiên cứu. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu mà anh tham gia có mối hợp tác chặt chẽ với nhiều giáo sư giỏi: Elena D. Obraztsova (Viện Vật lý đại cương A.M. Prokhorov, Viện Hàn lâm khoa học Nga), Jean-Louis Sauvajol (ĐH Montpelier 2, Pháp), Nguyễn Sơn Bình (ĐH Northwestern, Mỹ) – người ba năm liền vào tốp các nhà khoa học được trích dẫn nhiều nhất thế giới (2014-2016)... nên ở trong nước vẫn không lo bị tụt hậu. Ngoài hai bằng độc quyền sáng chế đã được đề cập ở trên, TS. Thắng còn có hai bằng sáng chế khác là “Quy trình chế tạo vật liệu In/CNTs nanocomposite và kết cấu tản nhiệt sử dụng In/CNTs nanocomposite cho các linh kiện điện tử công suất cao” (cấp năm 2014) và “Thiết bị và quy trình sản xuất liên hoàn ống carbon nano” (cấp năm 2015).
....đến sáng chế kéo dài tuổi thọ đèn LED

TS. Thắng dễ gây ấn tượng là một nhà nghiên cứu trẻ dám tìm tòi và thử nghiệm cái mới. “Dù tập trung vào nghiên cứu cơ bản về CNTs nhưng tôi vẫn mong muốn triển khai một số ứng dụng từ loại vật liệu này. Vì vậy, khi thực hiện đề tài ‘Nghiên cứu ứng dụng vật liệu ống nano carbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất’(1/2013 – 12/2014), ngoài bài báo trên Physics of Fluid, tôi còn có thêm hai sáng chế ‘Quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano carbon, chất lỏng tản nhiệt thu được từ quy trình này và cấu trúc tản nhiệt chứa chất lỏng tản nhiệt’, ‘Môđun đèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng’ rồi gửi Cục Sở hữu trí tuệ (SHTT) cùng trong năm 2014” (mới được Cục SHTT cấp giấy chứng nhận vào tháng 4/2017).  Quan điểm xuất bản bài báo đi kèm sáng chế này của TS. Thắng cũng giống một số đồng nghiệp khác nhưng anh thuận lợi hơn họ: 1. Khi sáng chế thứ hai mới gửi đi đăng ký, anh đã gặp được công ty TNHH Minh Quang, một doanh nghiệp ngành nhôm mới thành lập nhưng sẵn sàng bỏ vốn sản xuất thử nghiệm bộ khuôn mẫu đầu tiên để đúc giàn tỏa nhiệt của mô đun đèn LED tản nhiệt; 2. Viện Khoa học vật liệu có đủ công nghệ và thiết bị để chế tạo CNTs với số lượng lớn, thành quả sau thời gian nghiên cứu lâu dài của hai giáo sư Phan Ngọc Minh và Phan Hồng Khôi (thầy hướng dẫn Thắng làm tiến sỹ). Vì vậy, giá thành CNTs do Viện sản xuất vào quãng 200 đến 300 USD/kg thay vì 1.000 USD/kg nhập ngoại như trước.

Vì sao TS. Thắng lại thuyết phục được công ty Minh Quang hợp tác sản xuất một sản phẩm mới như vậy? Bộ mô đun đèn LED tản nhiệt này nhiều khả năng sẽ được dùng rộng rãi tại Việt Nam, TS. Thắng dự đoán. “Trong tương lai, đèn LED sẽ được lắp để chiếu sáng đường phố và các không gian công cộng khác bởi so với đèn compact, nó tiết kiệm điện năng tới 50%, đạt hiệu quả chiếu sáng tới 70%, lại thân thiện với môi trường…”, anh cho biết. Nhược điểm lớn nhất hiện nay của đèn LED là chi phí lắp đặt lớn, giá thành dao động từ 5 đến 15 triệu đồng/đèn và nếu hoạt động ở nhiệt độ cao, đèn dễ bị hỏng. Do kết cấu đặc biệt nên khi thay đèn LED, người ta phải bỏ đi toàn bộ hệ thống chiếu sáng theo công nghệ cũ nên chi phí đội lên rất nhiều.

Sản phẩm do anh thiết kế có thể lắp một cách linh hoạt vào các hệ của bộ đèn cũ và đảm bảo khả năng đưa toàn bộ nhiệt lượng từ chip LED ra ngoài bằng chất lỏng chứa thành phần nano, giúp nâng cao tuổi thọ và hiệu suất phát quang cho đèn LED, đồng thời góp phần giảm 35 – 50% chi phí so với việc thay thế cả bộ bóng đèn cũ bằng một bóng đèn LED mới.

Việc ứng dụng sản phẩm từ đề tài của một nghiên cứu đến ứng dụng không phải là chuyện dễ dàng. Có hàng chục vấn đề phát sinh như cần nâng cao tính bền vững và ổn định của chất lỏng trong thời gian hoạt động của đèn LED, hay đảm bảo độ tương thích giữa sản phẩm mô đun với hệ thống chiếu sáng đường phố theo công nghệ cũ (Metal Halide, Halogen,...) lại vừa phải đáp ứng được các tiêu chí về tiêu chuẩn chiếu sáng đường phố bằng đèn LED hiện nay. Vì thế trong quá trình chế tạo bộ khuôn đúc mẫu, TS. Thắng đã phải mất nhiều thời gian chỉnh sửa các chi tiết kỹ thuật để đạt được sự tối ưu về mặt thiết kế cũng như chuẩn hóa quy trình sản xuất.


Mô đun đèn LED công suất 100 W được lắp vào vỏ đèn đường chiếu sáng công cộng.

Với những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế, sản phẩm mô đun đèn LED của TS. Thắng đã được trao giải thưởng Sáng tạo trẻ toàn quốc 2015. Đây cũng là cơ sở để tháng 4/2017, Sở KH&CN Hà Nội chọn anh làm chủ trì một dự án sản xuất thử nghiệm về sản xuất mô đun đèn LED cấp thành phố, kinh phí sẽ do UBND thành phố Hà Nội cấp 30%, 70% còn lại của hai doanh nghiệp trên địa bàn thành phố. Thời gian thực hiện trong vòng hai năm và yêu cầu là 500 sản phẩm có chất lượng như sản phẩm mẫu, trong đó có 150 sản phẩm sẽ được bàn giao lại để phục vụ cho việc chiếu sáng đường phố Hà Nội.

Việc gia cường CNTs với nồng độ 1,2 g/lit vào chất lỏng đã giúp giảm nhiệt độ đèn LED xuống 3oC. Độ chênh lệch nhiệt độ giữa chip LED và giàn tỏa nhiệt trong trường hợp sử dụng chất lỏng thông thường là 8oC, còn độ chênh lệch nhiệt độ giữa chip LED và giàn tỏa nhiệt trong trường hợp sử dụng chất lỏng CNTs là 6oC.

———
1. http://aip.scitation.org/doi/abs/10. 1063/1.4914405?journalCode=phf