Là một nhà vật lý ứng dụng, anh đã bao giờ bị tính lãng mạn và triết học của vật lý lý thuyết "hớp hồn"?

-Sự thực tiễn và khả thi của lý thuyết là rất quan trọng bởi một lý thuyết có thể mở ra những cách nhìn mới về các hiện tượng vật lý, từ đó dẫn đến những công nghệ mới chưa từng được nghĩ tới. Các khái niệm trừu tượng có thể dẫn đến các ứng dụng thực tiễn trong công nghệ nano, vật liệu mới, hay trong y học và thông tin lượng tử… Chính vì vậy, tính lãng mạn và triết học của vật lý lý thuyết không chỉ thu hút mà còn bổ sung cho tính thực tiễn của vật lý ứng dụng, tạo nên một hành trình khám phá và sáng tạo đầy thú vị. Khi kết hợp giữa vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm sẽ mang lại một trải nghiệm toàn diện và phong phú cho các nhà vật lý.

Tôi vẫn luôn quan tâm và được thôi thúc bởi các vấn đề lý thuyết trong vật lý. Chính vì vậy mà trong các nghiên cứu gần đây của chúng tôi đã có sự hợp tác giữa các nhà thực nghiệm và nhà nghiên cứu lý thuyết và tính toán. Lý thuyết hứa hẹn một sự hiểu biết hoàn chỉnh về các nguyên lý cơ bản, cũng như cung cấp một nền tảng toàn diện, từ đó có thể mở ra những cách nhìn mới về các hiện tượng vật lý.

GS có thể giải thích một cách dễ hiểu về một trong các đối tượng nghiên cứu chủ đạo của mình: vì sao vật liệu nano lại có nhiều tính chất bất ngờ?

-Vật liệu nano hoạt động ở cấp độ nguyên tử và phân tử, nơi các quy luật vật lý thường gặp ở kích thước lớn không còn áp dụng được, bao gồm các hiệu ứng kích thước ở thang đo nano, sự khác biệt về tỉ lệ bề mặt/thể tích, hiệu ứng lượng tử và sự tương tác mạnh mẽ giữa các nguyên tử ở kích thước nano. Từ đó tạo ra các tính chất vật lý, hóa học, sinh học mới lạ, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng rộng lớn. Đó là sự thú vị của vật liệu nano trong nhiều lĩnh vực như từ y học, điện tử, năng lượng…

Một ví dụ đặc sắc đó là nguyên tố vàng (ký hiệu là Au): khi ở kích thước lớn nó có màu vàng và không tan trong nước, ; nhưng khi chia nhỏ xuống kích thước nano, nó có thể có màu đỏ, xanh, hoặc màu khác tùy thuộc vào kích thước hạt. Các chấm lượng tử là các hạt nano bán dẫn có tính chất quang học đặc biệt: khi bị kích thích, chúng phát ra ánh sáng có màu sắc phụ thuộc vào kích thước hạt. Chấm lượng tử được dùng trong màn hình TV (QLED), đèn LED và các ứng dụng y học như chụp ảnh đánh dấu huỳnh quang để chẩn đoán bệnh.

Vật liệu 1D, 2D là gì? Chẳng phải các vật liệu chúng ta thấy được đều là 3D?

-Thế giới chúng ta cảm nhận được là thế giới không gian 3D. Khi kích thước 1 chiều lớn hơn rất nhiều so với 2 chiều còn lại thì vật thể có thể coi như là 1 chiều - tức là vật liệu 1D; hoặc khi kích thước 2 chiều lớn hơn rất nhiều so với kích thước 1 chiều còn lại thì vật thể gần xem như là 2 chiều - tức là 2D. Ở cấp độ nano, các vật liệu 1D và 2D có nhiều tính chất độc đáo vì có cấu trúc nguyên tử được giới hạn trong 1 hoặc 2 chiều.

Một vật liệu 1D như ống nano cacbon (các ống hình trụ rỗng có đường kính <100 nanomet và chiều dài có thể lên đến vài micromet hoặc hơn) có độ bền kéo riêng phần cực cao và tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Một dây nano (có đường kính < 100 nm và tỷ lệ chiều dài/đường kính rất lớn, có thể làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, bán dẫn và oxit kim loại… có thể được ứng dụng trong các thiết bị cảm biến hay linh kiện điện tử.

Một vật liệu 2D như graphene (có chiều dày một lớp nguyên tử cacbon sắp xếp trong mạng lưới hình tổ ong) có tính chất cơ học rất bền, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, và là nền tảng cho nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong điện tử, năng lượng và điện cực trong suốt…

Với công nghệ nano, các vật liệu 1D và 2D đang ngày càng phát triển và có những ứng dụng đa dạng, góp phần mở rộng hiểu biết của con người về thế giới vật chất và hứa hẹn những tiến bộ công nghệ đột phá trong tương lai.

Phải chăng càng chia nhỏ các hạt vật liệu ra thì lại càng nhiều bất ngờ, càng nhiều tiềm năng ứng dụng? Nếu chia nhỏ hạt đến tận cùng thì ta còn lại gì?

-Câu hỏi này rất thú vị và giúp làm sáng tỏ một số nguyên lý cơ bản trong khoa học vật liệu và công nghệ nano. Quả thực, khi chúng ta chia nhỏ các hạt vật liệu đến kích thước nano, nhiều tính chất mới và bất ngờ xuất hiện. Khi tiếp tục chia nhỏ hạt, chúng ta sẽ tiếp cận cấp độ cơ bản nhất của vật chất, tức là các nguyên tử và các hạt dưới nguyên tử như proton, neutron, quark, lepton, và boson - chúng hiện đang là những đơn vị cấu thành nhỏ nhất của vật liệu. Tuy nhiên trong tương lai, có thể nhiều các hạt cơ bản hơn sẽ được tìm thấy, hoặc được dự đoán tồn tại. Đó chính là động lực thôi thúc các nhà khoa học vật liệu, bởi khoa học không có điểm tận cùng. Đây cũng là những địa hạt của sự lãng mạn, bay bổng và triết học trong vật lý lý thuyết.

Từ thời cổ đại người ta đã phát hiện ra các hạt nano có trong nhiều đồ tạo tác. Bí quyết gì làm cho vật liệu nano trở nên quan trọng với xã hội hiện đại?

-Vật liệu nano trở nên vô cùng quan trọng với xã hội hiện nay không chỉ vì kích thước nhỏ bé của chúng, mà chủ yếu do những tính chất độc đáo và tiềm năng ứng dụng rộng rãi mà chúng mang lại. Mặc dù các hạt nano đã tồn tại từ thời cổ đại (thí dụ: Chiếc cốc Lycurgus sẽ có màu sắc khác nhau khi nhìn dưới ánh sáng phản xạ hay truyền qua), sự hiểu biết và khả năng kiểm soát của chúng đã tiến triển vượt bậc trong vài thập kỷ gần đây, mở ra nhiều ứng dụng mới và mang tính đột phá trong nhiều lĩnh vực.

Như vậy, khả năng chế tạo và kiểm soát, điều khiển vật liệu nano chính là bí quyết. Công nghệ nano không chỉ mở ra những tiềm năng mới cho các ứng dụng hiện tại mà còn tạo ra những cơ hội đột phá trong tương lai, đóng góp tích cực vào sự phát triển kinh tế và xã hội toàn cầu.

Còn vật liệu siêu dẫn và các ứng dụng của nó?

-Vật liệu siêu dẫn, có thể hiểu một cách đơn giản, là vật liệu mà khi ta cho một dòng điện chạy trong nó thì dòng điện sẽ tồn tại mãi mãi mà không bị suy giảm, không bị mất năng lượng. Vật liệu siêu dẫn có rất nhiều ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực như y tế, truyền tải điện, tàu đệm từ, máy gia tốc hạt… Hiện nay thiết bị phổ biến nhất sử dụng vật liệu siêu dẫn đó là các máy cộng hưởng từ (MRI) sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh cần thiết cho việc chụp ảnh chi tiết bên trong cơ thể. Nhờ có vật liệu siêu dẫn, máy MRI hoạt động hiệu quả hơn và cung cấp hình ảnh chất lượng cao hơn. Gần đây, Trung Quốc đã thử nghiệm thành công tàu chạy trên đệm từ của cuộn dây siêu dẫn trong ống chân không đạt được tốc độ lên đến trên 623 km/h (tốc độ thiết kế có thể đạt tới 1.000 km/h).

Có lẽ thách thức lớn nhất hiện nay ngăn cản khả năng thương mại hóa và sử dụng rộng rãi của vật liệu siêu dẫn trong đại chúng là nhiệt độ làm việc rất thấp. Tính siêu dẫn yêu cầu sử dụng các hệ thống làm lạnh phức tạp và tốn kém, chẳng hạn như dùng Hê-li lỏng (-269oC) hay Ni-tơ lỏng (-196oC) để duy trì nhiệt độ thấp. Ngoài ra còn có các thách thức khác như chi phí sản xuất cao, đồ bền cơ học kém, công nghệ chế tạo phức tạp, khả năng duy trì trạng thái siêu dẫn trong từ trường mạnh, hay đòi hỏi trạng thái siêu dẫn dưới áp suất cao.

Những bước phát triển mới trong nghiên cứu của GS về ứng dụng vật liệu nano?

-Sau khoảng 10 năm nghiên cứu cơ bản, với những thành quả nhất định trong lĩnh vực vật liệu nano và cảm biến, nhóm chúng tôi quyết định nghiên cứu vật liệu nano tích hợp ứng dụng trong IoT (Internet of Things - Internet kết nối vạn vật) cho phân tích hơi thở chẩn đoán bệnh. Đây thực sự là một bước phát triển và thể hiện rõ tinh thần liên ngành trong nghiên cứu khoa học hiện đại. Sự kết hợp giữa vật liệu nano, linh kiện điện tử và IoT không chỉ mở ra những tiềm năng mới cho chẩn đoán bệnh mà còn đóng góp vào việc phát triển các công nghệ y tế tiên tiến, hay nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, môi trường, an ninh…

Ý tưởng của chúng tôi hình thành từ năm 2009 khi tham khảo công trình nghiên cứu trên tạp chí Nature Nanotechnology do Hosam Haick (Israel) đứng đầu công bố về kết quả "Chẩn đoán ung thư phổi qua hơi thở bằng hạt nano vàng". Nghiên cứu của nhóm này chỉ ra rằng, bằng cách so sánh kết quả phân tích hơi thở của người khỏe mạnh và bệnh nhân ung thư phổi cho phép nhận dạng được bệnh nhân ung thư phổi.

Những nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi đã tạo ra được cảm biến khí bán dẫn sử dụng vật liệu nano có thể cho độ đáp ứng tốt hơn, giới hạn phát hiện nồng độ khí thấp hơn so với nano vàng và hoàn toàn có thể phát triển để ứng dụng trong phân tích hơi thở để sàng lọc và chẩn đoán bệnh. Đây là hướng nghiên cứu ứng dụng trong một dự án đã được Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF) tài trợ vào năm 2019. Một trong những động lực để chúng tôi tự tin đề xuất dự án đầy thách thức này đến Quỹ VinIF là tính "chấp nhận rủi ro" của Quỹ. Nhờ cơ chế tiến bộ ấy, thay vì đề xuất một hướng nghiên cứu an toàn, chắc chắn ra sản phẩm, thì chúng tôi quyết tâm làm một đề tài có tính đột phá, dù tiềm ẩn tính rủi ro cao.

Nguyên lý của nghiên cứu này là khi con người mắc phải một số bệnh như ung thư phổi, hen suyễn, tiểu đường… sẽ ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa chất trong cơ thể, từ đó tạo ra trong hơi thở người bệnh những chất khí đặc trưng (các chỉ dấu sinh học) với các nồng độ khác nhau. Các chỉ dấu sinh học này sẽ thay đổi khác nhau đối với từng loại bệnh. Cảm biến khí được thiết kế để nhận diện và phân tích các chỉ dấu sinh học, giúp phát hiện sớm bệnh mà không cần các phương pháp xâm lấn như sinh thiết.

Làn sóng vi mạch, chip bán dẫn đang trở nên nóng bỏng hơn bao giờ hết. Theo GS, ta nên tận dụng làn sóng này theo hướng nào?

-Đúng vậy, chủ đề này đang rất nóng và là trung tâm của nhiều nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ hiện đại. Sự tăng trưởng và tiến bộ trong lĩnh vực này không chỉ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông mà còn ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều ngành công nghiệp khác.

Nhưng nói thật là đội ngũ làm về bán dẫn và vi mạnh của chúng ta còn quá mỏng, với trình độ chuyên môn cũng còn hạn chế. Ngoài ra, tại Việt Nam hiện nay, chúng ta chưa có một trung tâm nghiên cứu về bán dẫn đủ mạnh, và cũng thiếu một hệ sinh thái về bán dẫn. Theo tôi, Việt Nam nên tận dụng làn sóng phát triển công nghệ bán dẫn và vi mạch bằng cách tập trung vào các lĩnh vực ngách có tiềm năng cạnh tranh, đầu tư vào R&D và đào tạo nguồn nhân lực, xây dựng hệ sinh thái công nghệ và công nghiệp hỗ trợ, ứng dụng công nghệ vào các ngành công nghiệp trọng điểm. Những chiến lược này sẽ giúp Việt Nam phát triển bền vững và cạnh tranh hiệu quả trong bối cảnh công nghệ toàn cầu đang thay đổi nhanh chóng.

Xin cảm ơn GS!