Không vội công bố để có bài báo chất lượng

Dù đã có những kết quả mới về cơ chế pha tạp carbon vào ZnO tạo ra tính chất sắt từ, đủ để có thể công bố, nhưng các nhà nghiên cứu ở Viện KH&CN tiên tiến (AIST, Đại học Bách khoa Hà Nội) vẫn kiên trì đào sâu vấn đề trong ba năm nữa tìm ra những bằng chứng trực tiếp về cơ chế này, qua đó xuất bản được công trình trên Advanced Functional Materials, tạp chí thuộc nhóm Q1 (hạng 4 về vật liệu điện tử, quang và từ học) vào tháng 10/2017.

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra bằng chứng về sự tồn tại của liên kết hóa học (ví dụ như C-C, Zn-O,..) và xác định được độ dài của các liên kết này (ví dụ độ dài liên kết Zn-C là 2,58 Å) trong tinh thể ZnO,

Nỗ lực này của họ nằm trong một xu hướng “mới nổi” của khoa học Việt Nam – chuyển từ việc chạy theo số lượng sang chất lượng công bố, không chỉ để đáp ứng yêu cầu về sản phẩm từ đề tài do Quỹ NAFOSTED tài trợ mà còn muốn nâng cao năng lực nghiên cứu của chính mình. Đối với những ngành thực nghiệm như khoa học vật liệu, điều đó cũng có nghĩa là sẽ mất thêm rất nhiều thời gian giải quyết vấn đề, thậm chí có thể chậm tiến độ nghiệm thu đề tài. Trong một cuộc trao đổi vào tháng 8/2017, GS. TS Nguyễn Đức Chiến (Hội đồng khoa học ngành Vật lý NAFOSTED) cũng nhận xét, “có những vấn đề chỉ cần hai năm là giải quyết được, nhưng nếu có thời gian ba năm hoặc bốn năm thì có thể có kết quả tốt hơn hẳn”. Công trình “Cấu trúc cục bộ và tính chất hóa học của các cấu trúc nano lõi vỏ ZnO pha tạp carbon với tính chất sắt từ trong nhiệt độ phòng” (Local Structure and Chemistry of C-Doped ZnO@C Core–Shell Nanostructures with Room-Temperature Ferromagnetism) ra đời trong bối cảnh như vậy.

Bài báo công bố một cách tiếp cận mới để phân tích một cách định lượng cấu trúc tinh tế của nano tinh thể ZnO pha tạp carbon sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao, trên cơ sở đó lần đầu tiên đưa ra một cách giải thích thuyết phục về vai trò của tạp chất carbon trong việc tạo ra tính chất sắt từ của vật liệu này, điều mà nhiều nhóm nghiên cứu mới chỉ phỏng đoán về mặt lý thuyết. TS. Nguyễn Đức Dũng (Phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử và Vi phân tích, AIST) một trong hai tác giả chính của công bố, cho biết, “cơ chế pha tạp này có thể mở rộng ra áp dụng lên các chất khác để phát hiện ra những đặc tính khác nhau của vật liệu. Các nhóm nghiên cứu khác cũng có thể dựa vào đó để tạo ra các vật liệu đa chức năng (multifunctional materials), cơ sở để có được những thiết bị đa chức năng (multifunctional device) có thể được điều khiển bằng từ trường, bằng tia laser chẳng hạn… Câu chuyện nó hấp dẫn ở chỗ đó”.

Chấp nhận trễ hạn nghiệm thu đề tài

“Cấu trúc cục bộ và tính chất hóa học của các cấu trúc nano lõi vỏ ZnO pha tạp carbon với tính chất sắt từ trong nhiệt độ phòng” là một trong ba bài báo từ đề tài “Nghiên cứu tính chất quang và từ tính của hệ vật liệu nano tổ hợp ZnO và carbon” do TS. Nguyễn Đức Dũng làm chủ nhiệm và được Quỹ NAFOSTED tài trợ với thời gian thực hiện là từ năm 2012 đến 2014. Để có được bài báo này, nhóm nghiên cứu đã buộc phải mất thêm gần ba năm nữa. “Về mặt nguyên tắc thì mình cũng không hoàn thành nhiệm vụ đâu. Đúng ra khi nhận được tài trợ rồi thì mình phải có trách nhiệm công bố theo đúng quy định của Quỹ nhưng mình cũng muốn có đủ thời gian để có được bài báo tốt, nếu không sẽ rất lãng phí công sức nghiên cứu và kết quả nghiên cứu rất hay”, anh lý giải vì sao thời gian thực hiện đề tài lại “dôi” ra so với dự kiến.

Khi đăng ký đề tài với Quỹ NAFOSTED, thông thường để “ăn chắc”, nhiều nhà nghiên cứu trẻ đã chuẩn bị “hòm hòm” một số dữ liệu để kịp đáp ứng đủ yêu cầu về số lượng công bố theo đúng thời hạn trong hợp đồng. Trường hợp của TS. Nguyễn Đức Dũng thì ngược lại, viết đề xuất và nhận tài trợ từ Quỹ mà gần như chưa có dữ liệu gì trong tay vì hướng nghiên cứu trước đây của anh đều tập trung vào các tính chất từ, siêu dẫn của vật liệu trong điều kiện nhiệt độ thấp, từ trường cao chứ không liên quan đến vấn đề cấu trúc, hình thái của vật liệu. Tuy nhiên với một chút “liều”, anh đã tự tin đăng ký đề tài đi kèm ba bài báo với Quỹ. Khi việc đăng hai bài đầu về tính chất quang và dẫn điện của ZnO khi được pha tạp carbon đã hoàn tất, đến bài báo thứ ba, anh mong muốn làm điều gì đó khác biệt.

Vì thế, TS. Nguyễn Đức Dũng và các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã tập trung vào tìm hiểu một cách cặn kẽ vì sao xảy ra hiện tượng các tinh thể ZnO phát ra một vùng ánh sáng tím tử ngoại rất mạnh khi đưa carbon đã được nghiền mịn và ủ sấy bao ngoài tinh thể. Đây không phải việc dễ bởi từ 10 năm nay, rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới cũng thực hiện việc pha tạp carbon vào ZnO. Cách làm này được xem là hiệu quả trong việc thay đổi tính chất của các vật liệu bán dẫn vì nó tạo ra tính chất sắt từ mạnh, đồng thời không tạo ra các pha thứ cấp khó điều khiển (người ta cũng có thể pha tạp các chất như Fe, Co… để tạo ra tính sắt từ nhưng điểm bất lợi là chúng còn tạo ra nhiều tính chất thứ cấp phức tạp khác). TS. Nguyễn Đức Dũng nhận xét: “Bình thường ZnO liên kết hết sức chặt chẽ và các nguyên tử xếp cặp rất tuần tự nhưng khi mất một vị trí (sai hỏng – tạo ra nút khuyết trong mạng tinh thể) thì tính chất vật lý của nó cũng thay đổi đi. Vốn phi kim không có từ tính nhưng ở đây, những nguyên tố đó kết hợp với nhau thì nó lại sinh ra từ tính như sắt từ”. Dưới con mắt của các nhà nghiên cứu, tính chất mới như thế xuất hiện đủ để đưa tinh thể đang “không hoàn hảo” trở nên “hoàn hảo một cách thú vị”.

Dù vấn đề đã được đào xới nhiều nhưng chưa giải đáp được các câu hỏi: khi xảy ra quá trình pha tạp, các nguyên tử carbon nằm ở vị trí nào, ví dụ như chui vào mạng tinh thể ZnO, hay chỉ là nằm ngoài bề mặt? Trong trường hợp chui vào mạng tinh thể thì nó nằm ở đâu? Kết cặp với Zn hay O (oxy), hay chen (điền kẽ) vào giữa mạng? Để tìm câu trả lời, các nhà nghiên cứu AIST đã thực hiện phép đo trên máy quang phổ tia X (XPS) và thấy các nguyên tử carbon đã thay vào chỗ oxy và chui hẳn vào trong liên kết với Zn. Kết quả này có thể đem đến công bố vì theo TS. Nguyễn Đức Dũng, “thông thường, chỉ cần tìm ra tính chất mới, phương pháp mới, mẫu mới hay vật liệu có hiệu suất cao hơn, độ dẫn điện lớn hơn… là đã đăng được bài”.

Họ cũng nhận thấy, việc phát hiện ra cơ chế pha tạp và đo được tính chất quang và từ của vật liệu vẫn chưa đủ để có được công bố trên tạp chí có hệ số ảnh hưởng (impact factor) cao. Để thuyết phục các nhà bình duyệt của những tạp chí như vậy, cần phải có bằng chứng xác thực trong tay và lý giải được cặn kẽ cơ chế này, “ví dụ như khi phản biện, người ta hỏi vì sao có cơ chế đó thì mình phải giải thích nó một cách rõ ràng, mạch lạc, mà muốn làm được phải có bằng chứng, nếu không thì mình không thể nói được, hoặc có thì chỉ ‘nói dựa’ hoặc phỏng đoán thôi”, TS. Nguyễn Đức Dũng kể lại những điều anh và các thành viên khác suy nghĩ khi quyết định “liều” vượt quy định về thời gian thực hiện đề tài.

Khám phá vẻ đẹp tinh thể trên kính hiển vi điện tử

Nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra bằng chứng xác thực không đơn giản, nó đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải có những công cụ hiện đại, đủ khả năng phân tích được cấu trúc, hình thái của vật liệu ở cấp độ nano. Rất may là Viện AIST đã có những thiết bị như thế từ một vài năm nay như kính hiển vi điện tử có chức năng đo quét truyền qua (STEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM)… TS. Nguyễn Đức Dũng, người được giao phụ trách Phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử và Vi phân tích, cho biết lợi thế của những cỗ máy này là giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu sự thay đổi về tính chất của vật liệu, đôi khi sự thay đổi này chỉ diễn ra ở những khu vực rất nhỏ (local structure), những điều mà thiết bị thông thường không làm được.

Tuy vậy, quá trình tìm hiểu này chỉ được thúc đẩy một cách nhanh chóng khi anh gặp gỡ TS. Ngô Đức Thế (Trung tâm Kính hiển vi điện tử, Đại học Manchester, Anh) ở bên lề Trường hè Khoa học – hoạt động do một nhóm các nhà nghiên cứu Việt Nam ở nước ngoài tổ chức thường niên nhằm định hướng các bạn trẻ Việt Nam theo con đường khoa học. “Khi có ảnh TEM rồi, anh em ngồi nói chuyện với nhau là cần đo sâu thêm một chút để có kết quả tốt hơn. Đức Thế là người chuyên về hiển vi điện tử nên có nhiều kinh nghiệm trong xử lý kỹ thuật”, TS Nguyễn Đức Dũng nói về việc mời TS. Ngô Đức Thế tham gia thực hiện cùng “anh em AIST”, cơ hội để anh trở thành một trong hai tác giả chính của công bố.

Từ kết nối này, nhiều phân tích trên các kính hiển vi điện tử truyền qua hiện đại đã được tiến hành trên các thiết bị ở cả Manchester và Hà Nội, và nhóm đã ứng dụng phương pháp tính toán của chuyên gia tính toán cấu trúc khác để tính ra hàm phân bố kết cặp (pair distribution function PDF) cơ sở tính khoảng cách các nguyên tử trong tinh thể, “nhờ đó mình mới biết cần đo số liệu nào và trích xuất thông tin nào từ bộ dữ liệu nhiễu xạ electron, và việc tìm kiếm số liệu diễn ra tập trung hơn”.

Trên cơ sở phân tích nhiễu xạ điện tử từ HRTEM, các nhà nghiên cứu đã tìm ra bằng chứng về sự tồn tại của liên kết hóa học (ví dụ như C-C, Zn-O,..) và xác định được độ dài của các liên kết này (ví dụ độ dài liên kết Zn-C là 2,58 Å) trong tinh thể ZnO, qua đó khẳng định carbon thay thế oxy trong mạng tinh thể. Đây là khó khăn lớn nhất trong việc phân tích này bởi nếu carbon hoàn toàn thay thế oxy trong tinh thể hoặc thay thế phần lớn thì sẽ dễ dàng tìm ra thông tin bằng các phương pháp nhiễu xạ khác như nhiễu xạ tia X, một phương pháp rất phổ biến ở Việt Nam. Rút cục, HRTEM đem lại bằng chứng về thành phần hóa học của từng hạt nano ZnO-C cho các nhà nghiên cứu, qua đó chứng minh được việc thay thế oxy bằng carbon chỉ diễn ra ở độ sâu khoảng vài nanomet trên bề mặt tinh thể ZnO, kết quả mà nhiễu xạ tia X không thể tìm ra. Nhóm cũng sử dụng phân tích thành phần hóa học của hạt ZnO với độ phân giải cao bằng phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy dispersive X-ray spectroscopy – EDS) trên STEM, một phương pháp phân tích tinh tế mà ngoài TEM/STEM ra, ít thiết bị nào khác có thể làm được, để minh chứng thêm luận điểm này.

PGS. TS Phạm Thành Huy, Viện trưởng Viện AIST và là một thành viên của nhóm nghiên cứu, đã không kìm nổi niềm vui khi có trong tay kết quả. Nhớ lại giây phút đó, anh nói: “Chỉ những người làm nghiên cứu mới hiểu hết cảm xúc khi nhìn thấy những bức ảnh tinh thể đẹp tinh tế như thế”.

Công trình nghiên cứu “thuần túy về cấu trúc hình thái [của vật liệu], hấp dẫn đẹp đẽ” như cách nói của TS. Nguyễn Đức Dũng đã được đồng ý đăng trên tạp chí Advanced Functional Materials chỉ sau hai tháng nhận bản thảo vì theo anh, “kết quả đo trên STEM đem lại hiệu ứng rất mạnh và có sức thuyết phục rất lớn. Việc phân tích số liệu minh bạch, ảnh có độ phân giải cao và không thể ‘xử lý’ được”.

Với các nhà khoa học ở AIST, việc thực hiện đề tài không chỉ bước đầu khẳng định năng lực nghiên cứu của họ mà quan trọng hơn, đem lại cho họ kinh nghiệm và “bí quyết” có được những công trình nghiên cứu chất lượng, đó là tăng cường kết nối và nỗ lực đi đến cùng trong giải quyết vấn đề.