Ứng dụng kỹ thuật phân tích nhiệt quét vi sai Muticell DSC của TA Instruments trong nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature.

Một nhóm nghiên cứu của Đại học Công nghệ Eindhoven (Hà Lan) sử dụng các thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai Multicell DSC của TA Instrument đã thành công trong việc công bố kết quả nghiên cứu của mình trên tạp chí  Nature số tháng 5 năm 2018.

Nghiên cứu này với tiêu đề là “Tận dụng thế năng lượng enthalpy của hệ nước-trong-dầu để kiểm soát cấu trúc siêu phân tử”, cho thấy cái nhìn sâu sắc về hiện tượng chỉ cần thay đổi một lượng nhỏ phân tử nước cũng có thể tác động rất lớn đến kết quả của các thí nghiệm về vật liệu siêu phân tử (supramolecular material). Tiến sĩ Nathan J. Van Zee, tác giả chính của bài báo, chia sẻ về quá trình bắt đầu ý tưởng nghiên cứu: “Tôi từng mất hàng tháng trời với những kết quả thí nghiệm có độ tái lặp không cao. Nhưng rồi sau đó tôi thấy độ ẩm trong không khí tác động rất lớn đến các thí nghiệm của tôi. Đây là một phát hiện vô cùng thú vị, và cùng với những đồng nghiệp tài năng ở Eindhhoven, cuối cùng thì chúng tôi cũng tìm ra lý thuyết cơ bản giải thích cho hiện tượng các phân tử nước đã tương tác với các phân tử  xung quanh như thế nào”.

Giới hạn trong khả năng hiểu biết về cơ chế cũng như vai trò của phân tử nước trong các hệ phản ửng chính là yếu tố hạn chế sự phát triển các vật liệu siêu phân tử trong nghiên cứu vật liệu sinh học, vi điện tử, chất xúc tác. Chúng ta đều biết rằng các phân tử nước có vai trò điều tiết sự tự sắp sếp của các phân tử tự nhiên hoặc tổng hợp để tạo nên cấu trúc mang tính động mà chính xác. Cụ thể như trong hóa học siêu phân tử, các alkan được sử dụng làm dung môi thường chứa khoảng dưới 0.01% khối lượng là nước, nhưng vai trò của nước trong việc hình thành cốt liệu (aggregate) vẫn chưa được tìm hiểu rõ. Chúng ta biết rằng chí phí năng lượng tự do (free energy cost) cần thiết để tạo khoang (cavity) trong alkan đủ lớn để khiến các phân tử nước chỉ có thể bù lại bằng cách tương tác với bề mặt trong của chính khoang đó. Do đó, các phân tử nước trong alkan sở hữu thế năng lượng enthalpy (potential enthalpic energy) dưới dạng những liên kết hydro. Công trình nghiên cứu của tiến sĩ Nathan J. Van Zee ở Đại học Công nghệ Eindhoven (Hà Lan) cho thấy chính loại năng lượng nhiệt động học này là động lực thúc đẩy các phân tử nước tương tác với các cột liệu trong dầu. Bằng cách sử dụng tổng hợp các kỹ thuật phân tích quang phổ, nhiệt lượng, tán xạ, kết hợp với tính toán lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã có thể tận dụng những tương tác này để điều khiển cấu trúc của các polymer siêu phân tử phẳng (1-dimensional).

Kỹ thuật phân tích nhiệt lượng của TA Instruments đã đóng góp một phần không nhỏ vào kết quả nghiên cứu này. Sử dụng thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai micro-DSC (Multicell DSC, TA Instruments), các nhà nghiên cứu khẳng định rằng quá trình chuyển giao qua lại giữa các dạng đồng phân quang học của cốt liệu  là do sự gia tăng tổng số lượng liên kết hydro, được kiểm chứng ở quá trình tỏa nhiệt (Hình 1).

Hình 1. (A) Công thức phân tử enantiopure 1 được sử dụng trong nghiên cứu, (B) mô hình chuyển giao qua lại giữa các dạng đồng phân quang học, (C) vết DSC của 1 (đường màu xanh là quá trình làm nguội, đường màu đỏ là quá trình gia nhiệt lần hai), cùng với (D) đường cong micro-DSC của 1 với nồng độ 0.51 mM trong methylcyclohexane với các tốc độ làm nguội khác nhau (từ 600C xuống 0oC). (Hình ảnh được tái tạo, chỉnh sửa dựa trên nghiên cứu của Nathan J. Van Zee et al, 2018)

Thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai Multicell DSC sử dụng công nghệ Peltier siêu nhạy cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ với tốc độ quét có thể chỉnh được đến 2oC/min. Multicell DSC có thể thực hiện linh hoạt các chương trình quét nhiệt liên tục, theo từng nấc hoặc đo các quá trình nhiệt động hoặc và động học đẳng nhiệt. Cảm biến Peltier cho phép phát hiện với độ siêu nhạy (microwatt) độc lập hoàn toàn với tốc độ quét. Multicell DSC có khả năng chạy đồng thời cùng lúc 1 đối chứng cùng 3 mẫu cho phép vừa tăng hiệu suất công việc vừa tăng độ chính xác và độ tái lặp. Các ống mẫu Hastelloy đảm bảo ngăn cản mẫu bị bay hơi bằng vòng đệm chữ O chịu được nhiệt độ và áp suất và sự ăn mòn. Thiết kế thông minh giúp người sử dụng dễ dàng vệ sinh máy

Hiệu suất công việc, độ chính xác, độ nhạy, độ tái lăp cao, cùng với sự tiện lợi trong qua trình sử dụng giúp cho Multicell DSC được các trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới tin dùng.

Bài việt dựa trên bài báo gốc của tạp chí Nature:

Van Zee, N.J., Adelizzi, B., Mabesoone, M.F.J. et al. Potential enthalpic energy of water in oils exploited to control supramolecular structure. Nature 558, 100–103 (2018)

Vũ Sỹ

Tin khác