Nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng trong y sinh và môi trường là một trong những lĩnh vực được tập trung nghiên cứu mạnh và đóng vai trò quan trọng trong các hướng nghiên cứu chính của Viện Khoa học & Công nghệ, Trường Đại học Khoa học. Với mục đích sử dụng các vật liệu nano ứng dụng trong y-sinh học, phân tích hóa học như phát hiện chất cấm trong thực phẩm, xử lý ô nhiễm môi trường và năng lượng tái tạo, đang được tập trung nghiên cứu ứng dụng theo các nhánh:

(1) Hiệu ứng quang nhiệt của đơn hạt nano

Chúng tôi đã phát triển phương pháp chế tạo các hạt nano vàng bán nguyệt (GNC) lai hóa tính chất từ-quang và nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt đã đạt được những kết quả quan trọng. Cấu trúc nano vàng bán nguyệt là có dạng dị hướng, gồm lõi là hạt nano siêu thuận từ (Fe₃O₄, hoặc nano phát quang, hoặc chất điện môi) và nửa vỏ là lớp kim loại vàng. Do đó, khi chúng được nhúng chìm vào trong một chất lỏng thì nó tham gia đồng thời 2 chuyển động: chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến, tương ứng sẽ có 2 nhiệt độ với 2 chuyển động này là nhiệt độ chuyển động quay (T_r) và nhiệt độ chuyển động tịnh tiến (T_tran). Chúng tôi đã xây dựng mô hình tính toán cho nhiệt độ chuyển động quay và nhiệt độ chuyển động tịnh tiến đồng thời trên cùng 1 hạt nano GNC duy nhất.

(2) Hiệu ứng Raman tăng cường bề mặt

Các vật liệu nano kim loại như Au, Ag, Cu đã chứng tỏ khả năng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface enhanced Raman scattering – SERS) rất tốt do hiệu ứng trường gần. Cơ chế tăng cường tán xạ plasmon (plasmon enhanced Raman spectroscopy) trên các hotspots của cấu trúc nano đã tăng cường điện trường định xứ dẫn đến kết quả là khả năng phát hiện dấu của các phân tử (fingerprint), phân tích các phân tử sinh học và đặc trưng bề mặt của các dạng vật liệu khác nhau. Ngoài ra một số vật liệu bán dẫn như  ZnO, TiO₂, SiO₂ và một số cấu trúc nano khác xảy ra hiện tượng tăng cường tán xạ Raman chủ yếu dựa trên cơ chế tăng cường hóa học đang được nghiên cứu và phát triển với tiềm năng ứng dụng rất lớn trong phân tích và phát hiện các phân tử chất cấm trong thực phẩm.

(3) Vật liệu nano ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường

Vật liệu này được phát triển trên hệ vật liệu từ, chúng thuộc họ cấu trúc ferrite spinel đã cho thấy khả năng loại bỏ các kim loại nặng và các kim loại độc hại trong nước rất hiểu quả như As, Cr, Cu, Pb... cũng như các chất màu hữu có trong công nghiệp như Rb, MB. Vật liệu nano ferrite spinel dễ dàng tương tác với các vật liệu khác và dưới tác dụng của từ trường ngoài, các vật liệu này dễ dàng được tách tuyển, thu hồi và tái sử dụng lâu dài sau khi đã hấp phụ các chất gây ô nhiễm.

(4) Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano trong nghiên cứu phân tách nước

 Bằng cách chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học tích lũy trong các phân tử H₂, quá trình chuyển hoá này được thực hiện thông qua pin quang điện hóa (PEC cells). Nhóm nghiên cứu về các vật liệu hấp thụ quang định hướng ứng dụng làm cathode và anode của pin quang điện hóa. Cụ thể với cathode, vật liệu được tập trung nghiên cứu là Cu₂O do vật liệu này hấp thụ trong vùng ánh sáng nhìn thấy (độ rộng vùng cấm cỡ 2,0 eV) và vị trí vùng dẫn thích hợp cho phản ứng khử H⁺ thành H₂. Ngoài ra Cu₂O là vật liệu rẻ tiền, không độc và có khả năng chế tạo với số lượng lớn bằng nhiều phương pháp tổng hợp khác nhau. Đối với các vật liệu bán dẫn loại n được định hướng ứng dụng cho photoanode thì thì BiVO₄ (độ rộng vùng cấm cỡ 2.5 eV) được xem như vật liệu tiềm năng lớn với mật độ dòng lý thuyết cỡ 7,5 mA/cm² và hiệu suất chuyển đổi năng lượng lý thuyết cỡ 9.5 %. Tuy nhiên, khoảng cách khuếch tán lỗ trống của BiVO₄ cỡ 70 nm và độ linh động hạt tải thấp. Ngoài BiVO₄ thì WO₃ cũng là một trong những vật liệu tiềm năng làm anode quang bởi một số tính chất như: hấp thụ một phần ánh sáng khả kiến (E_g ~ 2,8 eV); độ linh động điện tử lớn (~12 cm²V^-1s^-1) và khoảng cách khuếch tán lỗ trống trung bình (~150 nm).

(5) Nghiên cứu nguyên lý cơ bản của các quá trình truyền năng lượng và điện tử trong hệ vật liệu quang dưới tác dụng của ánh sáng

 Các quá trình truyền năng lượng và điện tử là then chốt trong các phản ứng hóa học dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời như các quá trình quang xúc tác, phản ứng trong các hê pin năng lượng mặt trời, và các hệ tổng hợp quang hợp nhân tạo. Nghiên cứu tối ưu hiệu suất các quá trình truyền điện tích là chìa khóa để tăng cường hiệu suất hoạt động của các pin năng lượng mặt trời và pin nhiên liêu mặt trời (Solar fuels).

MỘT SỐ CÔNG BỐ TIÊU BIỂU

[1]      T.T. Ha Pham, N.D. Dien, X.H. Vu, Facile synthesis of silver/gold alloy nanoparticles for ultra-sensitive rhodamine B detection, RSC Adv. 11 (2021) 21475–21488. doi:10.1039/d1ra02576g.

[2]      T.T. Ha Pham, X.H. Vu, N.D. Dien, T.T. Trang, N. Van Truong, T.D. Thanh, P.M. Tan, N.X. Ca, The structural transition of bimetallic Ag-Au from core/shell to alloy and SERS application, RSC Adv. 10 (2020) 24577–24594. doi:10.1039/d0ra04132g.

[3]      X.H. Vu, D. Dien, T. Ha, T. Trang, The sensitive detection of methylene blue using silver nanodecahedra prepared through a photochemical route, (2020) 38974–38988. doi:10.1039/d0ra07869g.

[4]      X.H. Vu, T.T.H. Pham, E. Fort, M. Levy, H.N. Tran, L.D. Thanh, N. Xuan Ca, P. Van Do, H.T. Van, Measuring of translational and rotational local temperatures of a single gold nanocrescent in glycerol, Optik (Stuttg). 219 (2020) 165174. doi:10.1016/j.ijleo.2020.165174.

[5]      X.H. Vu, D. Dien, T. Ha, N. Van Truong, RSC Advances Tunable LSPR of silver / gold bimetallic nanoframes, RSC Adv. 11 (2021) 14596–14606. doi:10.1039/D1RA01477C.

[6]      X.H. Vu, M. Levy, T. Barroca, H.N. Tran, E. Fort, Gold nanocrescents for remotely measuring and controlling local temperature, Nanotechnology. 24 (2013). doi:10.1088/0957-4484/24/32/325501.

[7]      X.H. Vu, N.D. Dien, T.T.H. Pham, R. Jaffiol, C. Vézy, N.X. Ca, T.T. Trang, Evaluation of diffusion coefficient of P-glycoprotein molecules labeled with green fluorescent protein in living cell membrane, Biochim. Biophys. Acta - Biomembr. 1863 (2021). doi:10.1016/j.bbamem.2021.183721.

[8]      T.T.H. Pham, X.H. Vu, T.T. Trang, N.X. Ca, N.D. Dien, P. Van Hai, N.T. Ha Lien, N. Trong Nghia, T.T. Kim Chi, Enhance Raman scattering for probe methylene blue molecules adsorbed on ZnO microstructures due to charge transfer processes, Opt. Mater. (Amst). 120 (2021) 111460. doi:10.1016/j.optmat.2021.111460.

[9]      T.T. Tran, M.H. Ha-Thi, T. Pino, A. Quaranta, C. Lefumeux, W. Leibl, A. Aukauloo, Snapshots of Light Induced Accumulation of Two Charges on Methylviologen using a Sequential Nanosecond Pump-Pump Photoexcitation, J. Phys. Chem. Lett. 9 (2018) 1086–1091. doi:10.1021/acs.jpclett.8b00169.

[10]   T.-T. Tran, T. Pino, M.-H. Ha-Thi, Watching Intermolecular Light-Induced Charge Accumulation on Naphthalene Diimide by Tris(bipyridyl)ruthenium(II) Photosensitizer, J. Phys. Chem. C. (2019) acs.jpcc.9b09556. doi:10.1021/acs.jpcc.9b09556.

[11]    H.V. Le, L.T. Le, P.D. Tran, J.-S. Chang, U.T. Dieu Thuy, N.Q. Liem, Hybrid amorphous MoSx-graphene protected Cu2O photocathode for better performance in H2 evolution, International Journal of Hydrogen Energy, 44 (2019) 14635-14641.

[12]    H.V. Le, P.D. Tran, H.V. Mai, T.T.D. Ung, L.Q. Nguyen, Gold protective layer decoration and pn homojunction creation as novel strategies to improve photocatalytic activity and stability of the H2-evolving copper (I) oxide photocathode, International Journal of Hydrogen Energy, 43 (2018) 21209-21218.

[13]   H.L. Pham, V.D. Nguyen, V.K. Nguyen, T.H.P. Le, N.B. Ta, D.C. Pham, Q.T. Tran, V.T. Dang, Rational design of magnetically separable core/shell Fe3O4/ZnO heterostructures for enhanced visible-light photodegradation performance, RSC Advances, 11 (2021) 22317-22326.

[14]   T.-T. Tran, J. Rabah, M.-H. Ha-Thi, E. Allard, S. Nizinski, G. Burdzinski, S. Aloïse, H. Fensterbank, K. Baczko, H. Nasrallah, A. Vallée, G. Clavier, F. Miomandre, T. Pino, R. Méallet-Renault, Photoinduced Electron Transfer and Energy Transfer Processes in a Flexible BODIPY-C60 Dyad, The Journal of Physical Chemistry B, 124 (2020) 9396-9410.