Giáo sư Nguyễn Thục Quyên: Tiên phong nghiên cứu pin mặt trời hữu cơ

Với nỗ lực tìm tòi những đặc tính mới của vật liệu hữu cơ và thiết bị điện tử hữu cơ, trong nhiều năm qua, giáo sư Nguyễn Thục Quyên (trường đại học California ở Santa Barbara, Mỹ) là một trong số các nhà nghiên cứu tiên phong của lĩnh vực đang phát triển rất “nóng” này.

Vì thế, với những công bố trong lĩnh vực vật liệu hữu cơ, chị đã có mặt trong danh sách các nhà khoa học được trích dẫn nhiều thế giới (highly cited researchers), tức top 1% thế giới (World top 1%), trong ba năm liên tiếp, từ năm 2015 đến 2017.

Giáo sư Nguyễn Thục Quyên và TS. Niva Rangiới thiệu tấm pin mặt trời hữu cơ. Ảnh:Andrew Goodwin, Angstrom Engineering Inc.  

Trước khi lọt vào danh sách này của Thomson Reuters và Clarivate Analytics, giáo sư Nguyễn Thục Quyên vốn đã được nhiều đồng nghiệp quốc tế biết đến thông qua những công trình được xuất bản trên các tạp chí quốc tế chuyên ngành như Nature Materials, Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Physical Chemistry Chemical Physics, Chemistry of Materials, Applied Physics Letters… do chị và cộng sự thực hiện. Các công trình này chủ yếu tập trung vào việc làm rõ mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử, cách thức làm thiết bị và hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện tử hữu cơ (organic electronics) – gồm pin năng lượng mặt trời hữu cơ (organic solar cells), transistor hiệu ứng trường hữu cơ (organic field-effect transistor), cảm biến quang điện (photodetectors), và đèn LED (organic light-emitting diodes), đặc biệt là các đặc tính của vật liệu và thiết bị ở kích cỡ nano.

Bên cạnh đó, chị cũng nghiên cứu về tính chất điện tử của polyme liên hợp có chứa ion (conjugated polyelectrolytes) và vật liệu sinh học (biomaterials), cơ sở để tạo ra những vật liệu hữu cơ tiên tiến trong các thiết bị điện tử sinh học (bioelectronics), có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng và môi trường, ví dụ như pin nhiên liệu sinh học (microbial fuel cells) và lĩnh vực y học như các thiết bị y tế sinh học hữu cơ (organic biomedical devices).

Sức hút từ vật liệu hữu cơ

Hình thành từ các phân tử hữu cơ (gốc carbon) có kích thước nhỏ hoặc các polymer, lợi thế của các vật liệu điện tử hữu cơ so với các chất dẫn điện và bán dẫn vô cơ là làm ra những thiết bị thân thiện với môi trường và linh hoạt trong ứng dụng. Gần đây, bài báo “Ba cách thiết bị điện tử hữu cơ đang thay đổi công nghệ như chúng ta biết” trên trang web theconversation.com¹ đã vẽ ra một viễn cảnh thú vị: một ngày nào đó, thiết bị mà ta thường dùng như điện thoại thông minh không chỉ nằm gọn trong túi áo mà còn có thể quấn quanh cổ tay và gắn chặt với làn da như một lớp thạch cao trong suốt. Vật liệu điện tử hữu cơ chính là yếu tố làm nên điều kỳ diệu này, nó có thể được dùng để tạo ra nhiều loại công nghệ, từ các tấm pin mặt trời đến màn hình máy tính có thể cuộn lại và bỏ túi.

Một phần của câu chuyện này sẽ được giải quyết trong tương lai bởi hiện tại, các nhà nghiên cứu vẫn đi tìm những biện pháp khắc phục những điểm yếu của vật liệu hữu cơ và thiết bị điện tử hữu cơ như hiệu suất điện năng thấp và không bền. Đó cũng là điều mà giáo sư Nguyễn Thục Quyên theo đuổi nhiều năm qua. Năm 2009, trong dịp được trao học bổng Sloan Research Fellowship từ Quỹ Alfred P. Sloan Foundation², chị đã bày tỏ: “Mục tiêu của tôi là thiết lập cách các cấu trúc phân tử và các phương pháp xử lý để có thể đưa một cách hợp lý [vật liệu hữu cơ] vào ứng dụng như các transistor, pin mặt trời và đèn LED. Nhìn từ góc độ tổng thể, các nghiên cứu [về vật liệu bán dẫn hữu cơ] đã góp phần giải quyết những vấn đề cơ bản liên quan đến các công nghệ dựa trên chất bán dẫn hữu cơ để có thể tạo ra năng lượng và duy trì năng lượng”³.

Theo mục đích đó, những năm gần đây, giáo sư Nguyễn Thục Quyên vẫn luôn tìm tòi và thực hiện các nghiên cứu góp phần nâng cao tính năng của vật liệu hữu cơ. Ví dụ năm 2016, công trình “Solution-based electrical doping of semiconducting polymer films over a limited depth” do chị và các cộng sự xuất bản trên tạp chí Nature Materials đã đề xuất một kỹ thuật mới để sản xuất ra loại pin mặt trời polyme hữu cơ đơn lớp có khả năng đưa các quang điện hữu cơ vào những thiết bị điện tử có thể đeo, mang trên người (wearable devices) thế hệ mới và phát điện năng ở quy mô nhỏ. Kỹ thuật này có thể thay thế cách tiếp cận phức tạp trước đây (do đòi hỏi trải qua quá trình xử lý chân không) và có tiềm năng sử dụng trên nhiều nền tảng thiết bị, bao gồm các thiết bị điện tử hữu cơ in được (organic printed electronics), cảm biến, cảm biến quang điện (photodetectors) và đèn LED. Với những ưu điểm này, kỹ thuật mới của giáo sư Nguyễn Thục Quyên được đánh giá là có khả năng thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi các thiết bị điện tử được làm từ chất nhựa dẫn điện, trong đó có pin mặt trời.

Giáo sư Nguyễn Thục Quyên. 

Giáo sư Nguyễn Thục Quyên luôn tìm thấy những điều thú vị và vẻ đẹp trong công việc xử lý các phân tử nhỏ mà nhóm nghiên cứu của chị phát triển tại trường đại học California ở Santa Barbara (UCSB), “sức hút từ các phân tử [bán dẫn hữu cơ] nhỏ tan được trong dung môi thông dụng mà nhóm nghiên cứu của tôi phát triển tại UCSB là bạn có được chính xác phân tử trong mỗi lần sử dụng (khác với việc sử dụng polyme có thể có khối lượng phân tử khác nhau từ những lần tổng hợp khác nhau). Tính nhất quán này rất quan trọng cho các ứng dụng của thiết bị điện tử. Các phân tử này có thể được hòa tan trong dung môi để tạo ra một dung dịch giống như mực in, điều đó có nghĩa là một tấm pin mặt trời hữu cơ có thể được in thành cuộn ở quy mô lớn tương tự như in một tờ báo”⁴.

Việc thực hiện những nghiên cứu về vật liệu hữu cơ giúp giáo sư Nguyễn Thục Quyên hiểu được nhiều loại thiết bị điện tử hữu cơ, cơ sở quan trọng để chị và cộng sự “tìm ra các mối tương quan từ cấu trúc phân tử sang cách chế tạo, tính chất của phân tử, và cuối cùng là chức năng và hiệu suất của thiết bị”, chị nói.

Con đường 10 năm đến UCSB

Thế giới khoa học vật liệu hết sức rộng lớn và đa dạng. Vậy tại sao giáo sư Nguyễn Thục Quyên lại chọn vật liệu hữu cơ và pin mặt trời hữu cơ? Trong một cuộc phỏng vấn, chị cho biết: “Cho đến năm 16 tuổi, tôi vẫn sống ở một ngôi làng nhỏ ở Việt Nam, nơi không hề có điện, vì thế tôi có mối quan tâm đặc biệt đến năng lượng mặt trời”.

Năm 1991, chị chuyển đến Mỹ. Cũng như những người dân nhập cư khác, chị phải học thêm tiếng Anh để hòa nhập và tìm một chỗ đứng trong xã hội mới. Sau khi trải qua các khóa tiếng Anh dành cho người lớn tuổi (adult school) trong vòng hai năm, chị nhập học Santa Monica College, một trường công lập cộng đồng ở California có chương trình đào tạo trong vòng hai năm với mức học phí rất thấp. Đây là bước đệm để chị bước vào trường đại học California, Los Angeles (UCLA) và theo học ngành hóa lý của trường từ bậc đại học, cao học đến tiến sỹ. Kết thúc chương trình postdoc tại trường Đại học Columbia, chị mới chính thức về Khoa Hóa và Hóa sinh ở UCSB vào năm 2004 – nơi được giáo sư Nguyễn Thục Quyên đề cập đến một cách tự hào là “xếp ở vị trí hàng đầu thế giới trong lĩnh vực khoa học vật liệu”, “trường đã [đem lại cho chúng tôi] các công cụ máy móc và điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu về vật liệu” và tạo cơ hội “lý tưởng cho nghiên cứu của chúng tôi”. Như vậy, con đường từ Santa Monica College đến UCSB của chị đã kéo dài gần 10 năm với rất nhiều nỗ lực.

“Việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ đòi hỏi một cấu trúc thiết bị đa lớp. Việc làm các quang điện đơn lớp bằng cách tiếp cận của chúng tôi sẽ giúp đơn giản hóa quá trình chế tạo thiết bị và do đó giảm giá thành sản phẩm. Test kiểm tra ban đầu các thiết bị điện tử đơn lớp cho kết quả rất hứa hẹn. Nó sẽ giúp chuyển hóa quang điện hữu cơ thành một công nghệ thương mại^{” 7} (Giáo sư Nguyễn Thục Quyên)

Trên thực tế, không phải cái gì cũng đến với chị một cách hoàn hảo. Việc học tiếng Anh muộn so với nhiều người cũng để lại “dấu ấn” trong cách phát âm của chị. Trên RateMyProfessors.com (RMP) – trang web do một kỹ sư phần mềm Mỹ xây dựng để sinh viên có thể ẩn danh trong đánh giá, xếp hạng các giáo sư và các trường ở Mỹ, Canada và Anh, vài sinh viên có buông lời phàn nàn “cô Nguyễn Thục Quyên nói khó nghe”. Tuy nhiên, đó cũng chỉ là chút “rào cản” ban đầu trong quá trình giao tiếp và trao đổi kiến thức bởi phần lớn sinh viên đều bày tỏ sự ngưỡng mộ với chị, “cô Nguyễn là một giáo sư xuất sắc. Tôi không hiểu tại sao người ta lại quá bận tâm đến vấn đề phát âm của cô ấy. Cô ấy thực sự quan tâm đến các thành viên trong lớp và luôn mong muốn thấy các sinh viên của mình làm mọi việc thật tốt…”⁵.
***
Trong quá trình nghiên cứu, giáo sư Nguyễn Thục Quyên đã giành được nhiều giải thưởng, gần đây nhất là Humboldt Research Award của Alexander von Humboldt Foundation (Đức), hạng mục dành cho những nhà khoa học có những khám phá mang tính nền tảng, những lý thuyết mới, những kiến thức có sức ảnh hưởng lớn trong lĩnh vực nghiên cứu của họ và những nhà khoa học được chờ đợi sẽ đạt được những thành công vượt trội trong tương lai. Là một người tận tụy với công việc, chị cho rằng, việc nhận giải thưởng sẽ “giúp kết nối nghiên cứu trong tương lai của tôi với các đồng nghiệp Đức”. Hiệu trưởng UCSB, ông Henry T. Yang, đánh giá, “Giải thưởng đã ghi nhận sự xuất sắc, tầm ảnh hưởng và những tác động lớn trong tương lai từ các công trình nghiên cứu của giáo sư Nguyễn Thục Quyên. Cô cũng là một minh chứng cho tinh thần liên kết liên ngành, đổi mới sáng tạo và khám phá của UCSB”⁶.

Nhận xét của ông Henry T. Yang cũng đã bao hàm một “bí quyết” thành công trong nghiên cứu của giáo sư Nguyễn Thục Quyên, đó là tinh thần đổi mới sáng tạo và yêu khám phá những điều mới mẻ. “Chúng tôi luôn luôn mong muốn nhận diện được những vấn đề quan trọng trong khoa học.

Khoa học rất thú vị và còn nhiều vấn đề chưa được giải đáp. Tuy nhiên cũng như những nhà khoa học khác, chúng tôi không có đủ nguồn nhân lực, thời gian và kinh phí để trả lời mọi vấn đề, [vì thế] chúng tôi chỉ có thể lựa chọn những vấn đề có thể đem lại những tác động lớn trong cộng đồng khoa học và có nhiều tiềm năng [ứng dụng] với xã hội”, chị chia sẻ.

Nguồn tiasang.com.vn