Hướng nghiên cứu 1: Nghiên cứu vật lý - công nghệ laser và các ứng dụng liên quan

Nhờ những phát triển nhanh chóng trong vật lý, công nghệ và ứng dụng các nguồn laser nói chung, đặc biệt là các laser phát xung ngắn nói riêng, nhiều lĩnh vực khoa học-công nghệ đã thu được những kết quả quan trọng, mang tính cách mạng trong vật lý, hoá học, sinh học và khoa học vật liệu… Nghiên cứu vật lý và công nghệ laser toàn rắn phát xung ngắn là hướng KH&CN thời sự, đang được phát triển rất mạnh tại các trung tâm KH-CN quốc tế, vì nó không chỉ mang ý nghĩa khoa học cơ bản và phát triển công nghệ mà còn có ý nghĩa thực tiễn và ứng dụng cấp thiết. Các laser là những thiết bị khoa học quan trọng, đang tác động cách mạng đến rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu KH&CN và ứng dụng. Do vậy, có thể coi vật lý và công nghệ laser như là công nghệ nền – có tác động cách mạng tới các lĩnh vực KH-CN khác. Ở nước ta hiện nay, nhiều cơ sở nghiên cứu khoa học-công nghệ và đào tạo (vật lý, KH vật liệu, hoá lý, y-sinh học...) đang có yêu cầu cấp thiết và khách quan sử dụng các laser nhằm nâng cao khả năng, chất lượng và trình độ của các nghiên cứu, ứng dụng và đào tạo, đáp ứng các đòi hỏi của sự hội nhập về trình độ KH-CN với khu vực và quốc tế. Tuy nhiên, các hệ thống laser phát xung cực ngắn hiện nay còn khá đắt (~100 000 USD), phức tạp và kích thước lớn. Do vậy cho đến nay, còn rất ít cơ sở nghiên cứu, ứng dụng và đào tạo ở Việt Nam được trang bị laser. Vì vậy việc nghiên cứu và phát triển các nguồn laser đặc biệt là các laser toàn rắn phát xung ngắn trong vùng tử ngoại và hồng ngoại là vô cùng quan trọng.

Các hướng nghiên cứu chủ yếu về công nghệ laser và ứng dụng:

- Nghiên cứu phát triển các hệ laser Nd:YVO₄ phát liên tục hiệu suất cao được bơm bằng laser diode.

- Nghiên cứu phát triển các hệ laser Nd:YVO₄ phát xung ngắn nano giây bằng chế độ Q-switching sử dụng chất hấp thụ bão hoà Cr:YAG và SESAM.

- Nghiên cứu phát triển các hệ laser Nd:YVO₄ phát xung cực ngắn pico giây bằng chế độ khoá mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM.

- Nghiên cứu phát các xung laser cực ngắn pico giây ở vùng bước sóng tử ngoại nhờ hiệu ứng phát hoà ba bậc 2 (SHG) và bậc 3 với các tinh thể phi tuyến KTP và BBO.

- Nghiên cứu ứng dụng các xung laser cực ngắn pico giây để nghiên cứu sự truyền năng lượng của các phân tử chất màu.

- Nghiên cứu phát triển các hệ laser Cr:LiSAF liên tục điều chỉnh liên tục tần số được bơm bằng laser diode.

- Nghiên cứu phát các xung laser cực ngắn femto giây ở vùng tử ngoại từ laser sợi quang pha tạp Yb (phát ở bước sóng cơ bản 1030 nm) bằng các hiệu ứng SHG, THG và FHG.

- Ứng dụng của các xung laser tử ngoại cực ngắn femto giây trong phân tích toàn diện các hydrocacbon thơm đa vòng khi kết hợp với máy Phổ khối MS (Mass Spectrometer). Sự kết hợp này cho thấy lợi thế tiềm năng để ứng dụng vào phân tích vết thực tế của các hợp chất hữu cơ trong khoa học môi trường và pháp y.

Hình 1. Optical configuration of the harmonic generator. (A) the third (THG, right) and fourth (FHG, left) harmonic generators (B) the fourth (FHG, right) and fifth (FIHG, left) harmonic generators. DM, dichroic mirror.

Hướng nghiên cứu 2: Nghiên cứu công nghệ plasma và ứng dụng.

Nghiên cứu chế tạo thành công một thiết bị plasma DBD hoạt động ở áp suất khí quyển trong môi trường không khí. Đây là một thiết bị nhỏ gọn, giá rẻ và có khả năng cho nhiều ứng dụng trong y-sinh học. Kết quả đã được nhóm sinh viên tham gia Giải thưởng Sinh viên NCKH toàn quốc và đạt giải nhì (2017).

Hình 2. Hình ảnh plasma DBD và jet chiếu vào tay

- Nghiên cứu tạo nước hoạt hóa plasma PAW. Đây là hướng nghiên cứu đầy tiềm năng cho các ứng dụng trong y-sinh học, nông nghiệp-thực phẩm...

+ PAW có các gốc oxy hóa bậc cao rất mạnh như HO*, O*, H*, O₃, H₂O₂ và tia UV. Hầu hết các loại vi rút, vi khuẩn, nấm mốc, tảo, tạp chất hữu cơ và các hóa chất trong nước thủy cục đều được xử lý nhờ các hạt mang điện, tia UV và các gốc tự do có lực oxy hóa rất mạnh trong dòng plasma. Ngoài ra, các kim loại nặng như sắt, mangan thậm chí là As hòa tan trong nước, mùi hôi như Cl₂, H₂S và độ màu cũng bị xử lý bằng các chất oxy hóa bậc cao, bốc hơi hoặc kết tủa nên dễ dàng lọc khỏi hệ thống. Như vậy, nước máy sau khi qua buồng plasma trở thành nước sạch đạt tiêu chuẩn nước sạch để uống.

• Từ nghiên cứu này có thể thiết kế hệ xử lý nước uống bằng công nghệ xanh- công nghệ plasma.
• Tạo ra dung dịch nước xúc miệng / nước rửa tay từ công nghệ diệt khuẩn vượt trội của plasma.
• Do tính sát khuẩn cao của PAW nên có thể dùng PAW để khử trùng cho nông nghiệp như hoa quả sau thu hoạch...

+ PAW đã được chứng minh giúp hạt nảy mầm và phát triển nhanh hơn do PAW có các loại hoạt tính ROSN (các ion H₂O₂, amoni (NH₄⁺), NO, NO₂ và NO₃). ® Từ nghiên cứu này có thể tạo ra dung dịch để kích thích cho các rau mầm, cây ươm giống, nấm,... phát triển nhanh và an toàn.

Các kết quả trong đăng ký bằng sáng chế: Ngoài các nghiên cứu để ứng dụng plasma trực tiếp vào lĩnh vực y-sinh thì các nghiên cứu tác động gián tiếp của plasma cũng đã nhận được rất nhiều sự quan tâm. Trong đó phải kể tới nước hoạt hoá plasma (PAW) và môi trường hoạt hoá plasma (PAM) cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng trong y học đặc biệt khi phối hợp điều trị cùng plasma lạnh.

Theo hướng này, tôi đã đăng ký 01 bằng sáng chế với tên: “Hệ thống và phương pháp tạo nước hoạt hoá plasma” và đã được Cục sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn (số 10051w/QĐ-SHTT, ngày 21/7/2020 của Cục trưởng Cục Sở hữu trí tuệ).

Kết quả triển khai ứng dụng khoa học và công nghệ vào thực tế.

Nhờ những kết quả nghiên cứu phát triển các nguồn plasma lạnh ở áp suất khí quyển tôi đã đưa ra các ứng dụng của môi trường hoạt hoá plasma dùng để làm nước sát khuẩn hiệu quả, nước súc họng, miệng mà không cần sử dụng các loại hoá chất. Đó là các sản phẩm: Nước súc miệng PLT (với thành phần là nước tinh khiết được hoạt hoá plasma và hương tinh dầu tự nhiên); Súc họng plasma Dr Hảo (với thành phần là nước muối sinh lý được hoạt hoá plasma và hương tinh dầu tự nhiên) và Nước nhỏ mũi plasma Dr Hảo.

Hình 3. Một số sản phẩm nghiên cứu khoa học từ công nghệ plasma

Hướng nghiên cứu 3: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano kim loại, Graphene, nanocomposit định hướng ứng dụng trong y-sinh học và xử lý môi trường (từ 2018 - nay).

- Đã nghiên cứu chế tạo được nano bạc, vàng bằng công nghệ xanh (dùng trực tiếp plasma hoặc từ dịch chiết của lá cây, đặc biệt là các lá cây dược liệu, cây thuốc quý mà không dùng các hóa chất để khử như phương pháp hóa ướt...). Một số mẫu đã được thử nghiệm để diệt tế bào ung thư (dạ dày, vú....) và cho kết quả tốt.

- Đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu Graphene bằng plasma trong dung dịch. Đây là một phương pháp mới và các kết quả sẽ được công bố trong thời gian tới. Từ đây có thể định hướng ứng dụng cho xử lý môi trường (xử lý chất màu hữu cơ, Asen và kim loại nặng...).

- Đã chế tạo vật liệu nanocomposit như: Ag/CDs, Ag/Fe₃O₄, AC/Fe₃O₄, GO/Fe₃O₄tới. Từ đây có thể định hướng ứng dụng cho xử lý môi trường (xử lý chất màu hữu cơ, Asen và kim loại nặng...).

- Đã chế tạo vật liệu nanocomposit như: Ag/CDs, Ag/Fe₃O₄, AC/Fe₃O₄, GO/Fe₃O₄