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
Đội ngũ chuyên gia của Thăng Long sẵn sàn hỗ trợ bạn lựa chọn giải pháp phù hợp
Sự ngưng tụ hơi nước trong các cấu trúc hình học bị giới hạn, hay còn gọi là sự ngưng tụ mao dẫn, là một hiện tượng cơ bản với những hệ quả sâu rộng. Mặc dù các lỗ ưa nước cho phép hình thành chất lỏng từ hơi chưa bão hòa mà không cần cung cấp năng lượng, chất ngưng tụ thường bị kẹt lại trong các cấu trúc này, làm hạn chế tính ứng dụng thực tiễn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát việc sử dụng các màng hạt nano thâm nhập polyme có cấu trúc lỗ nano lưỡng tính (nanoporous polymer- infiltrated nanoparticle films), có khả năng ngưng tụ và giải phóng nước lỏng trong điều kiện đẳng nhiệt và chưa bão hòa. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ polyme và kích thước hạt nano, chúng tôi tối ưu hóa quá trình ngưng tụ và hình thành giọt nước. Khi áp suất hơi tăng, các khoảng trống được lấp đầy bởi chất ngưng tụ, sau đó chúng tiết ra bề mặt dưới dạng các giọt nước vi kích thước micro. Hiện tượng này hình thành từ sự cân bằng giữa tính kỵ nước của polyme và tính mao dẫn, cho thấy cách thức các cấu trúc nano lưỡng tính có thể thúc đẩy quá trình thu hồi nước khả thi. Những phát hiện của chúng tôi cung cấp các định hướng thiết kế cho những loại vật liệu hỗ trợ thu nước tiết kiệm năng lượng và quản lý nhiệt mà không cần nguồn năng lượng từ bên ngoài.
Tóm tắt
Màng silica vật liệu mao quản trung bình đã được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các vật liệu chức năng tiên tiến, chẳng hạn như các lớp phủ chống phản xạ, các thiết bị cảm biến sinh học và hóa học, do các tính chất ddặc thù của chúng, ví dụ, diện tích bề mặt lớn, độ xốp có thể kiểm soát, và quy trình tổng hợp dễ dàng, có thể điều chỉnh linh hoạt. Việc hiểu biết chính xác về cấu trúc lỗ rỗng của chúng là vô cùng quan trọng, điều này nhấn mạnh nhu cầu về các công cụ xác định đặc tính chính xác. Xét về khía cạnh này, phương pháp đo độ xốp bằng Ellipsometric Porosimetry – EP đại diện cho một nền tảng phân tích mạnh mẽ và đa năng, cho phép thu thập những thông tin đáng tin cậy về: tổng độ xốp, kích thước lỗ rỗng, độ phân tán kích thước lỗ rỗng, các đặc tính cơ học (mô-đun Young) và diện tích bề mặt của nhiều loại màng mỏng vật liệu mao quản trung bình khác nhau.
Mặc dù khung lý thuyết về mô hình hóa sự ngưng tụ mao dẫn thông qua phương trình Kelvin đã được thiết lập vững chắc, nhưng một tham số mô tả là tính thấm ướt bên trong của các cấu trúc vật liệu mao quản trung bình vẫn là một biến số đầy thách thức đối với việc xác định đặc tính vật liệu một cách đáng tin cậy. Sự thấm ướt ở quy mô nano không thể quan sát được bằng phương pháp soi hình dạng giọt nước truyền thống, trong khi việc ước tính tính thấm ướt bên trong dựa trên các đặc tính vĩ mô (bề mặt bên ngoài) có thể thiếu chính xác, vì hai hành vi thấm ướt này không nhất thiết phải tương quan với nhau. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một phương pháp dựa trên kỹ thuật đo độ xốp Vacuum Ellipsometric Porosimetry để xác định góc tiếp xúc bên trong của các màng mỏng silica vật liệu mao quản trung bình đã được biến tính nhóm chức. Việc điều chỉnh năng lượng bề mặt của một cấu trúc vật liệu mao quản trung bình bằng cách methyl hóa đã cho phép chúng tôi liên kết sự khác biệt trong quá trình lấp đầy lỗ rỗng của các chất hấp phụ khác nhau (nước, methanol, toluene, cyclohexane) với góc tiếp xúc bên trong của chúng. Nghiên cứu của chúng tôi đóng vai trò như một hướng dẫn tổng quát để xác định góc tiếp xúc bên trong, phù hợp cho nhiều loại chất hấp phụ hữu cơ và vật liệu hấp phụ vật liệu mao quản trung bình.
Điện trở tấm, độ linh động (mobility) và mật độ điện tích tấm là những chỉ tiêu kiểm soát chất lượng quan trọng giúp tăng hiệu suất sản xuất wafer bán dẫn phức hợp. Tuy nhiên, các phương pháp đo truyền thống – sử dụng đầu dò bốn điểm để đo điện trở tấm, hoặc phép đo Hall để xác định độ linh động và mật độ điện tích – đều là các phương pháp phá hủy, không phù hợp cho môi trường sản xuất thông lượng lớn.
Bài trình bày này sẽ giới thiệu các cải tiến mới nhất trong hệ thống đo điện trở tấm của SEMILAB, nay đã có khả năng xử lý wafer tự động với tất cả các kích thước wafer bán dẫn phức hợp, bao gồm cả GaN và SiC 2–3 inch. SEMILAB cũng sẽ giới thiệu thiết bị mới để đo độ linh động không tiếp xúc ở nhiệt độ phòng. Các ứng dụng trong kiểm soát quy trình sẽ được trình bày.
Tiêu chuẩn cấp nước phòng thí nghiệm xác định các loại nước khác nhau trong phòng thí nghiệm dựa trên các lý do về kỹ thuật và kinh tế. Mục đích của các tiêu chuẩn này là để đảm bảo chất lượng nước phù hợp được sử dụng cho một ứng dụng cụ thể, đồng thời hạn chế chi phí vận hành phòng thí nghiệm – Sản xuất nước Loại 1 đắt hơn nước Loại 2 hoặc Loại 3.
.png)