Những sáng chế hữu dụng từ nghiên cứu cơ bản

TS. Bùi Hùng Thắng (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) và cộng sự đang thao tác trên bộ module đèn LED.

Dưới góc nhìn của các nhà khoa học vật liệu, ống nano carbon (CNTs) là một loại vật liệu đặc biệt, hội tụ nhiều tính chất độc đáo về cơ học, vật lý, hóa học như độ bền, độ dẫn điện, dẫn nhiệt... Do vậy, CNTs có rất nhiều tiềm năng ứng dụng để chế tạo các thiết bị điện tử công suất, transistor hiệu ứng trường, màn hình phát xạ trường, hệ thống cơ điện nano hoặc ứng dụng vận chuyển gene trong nano y sinh. Đó cũng là lý do để kể từ sau khi tốt nghiệp ĐH Công nghệ (ĐHQGHN) và về công tác tại Viện Khoa học vật liệu, TS. Bùi Hùng Thắng chọn hướng nghiên cứu về CNTs, khai thác theo hướng chế tạo các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhằm áp dụng trong hệ thống truyền nhiệt, tản nhiệt ở các linh kiện và thiết bị công suất lớn.

Gợi ý từ nghiên cứu cơ bản

Trên tài khoản cá nhân ở ResearchGate – một mạng xã hội dành cho các nhà nghiên cứu chia sẻ các bài báo, đặt câu hỏi và trả lời các vấn đề khoa học cũng như tìm kiếm hợp tác, TS. Bùi Hùng Thắng được mô tả như một chuyên gia về vật liệu CNTs ở Việt Nam với một số từ khóa “các đặc tính của vật liệu”, “vật liệu nano”, “các vật liệu tiên tiến”, “xử lý vật liệu”, “tổng hợp vật liệu nano”, “vi cấu trúc”… Có lẽ, với các công trình đã được xuất bản, TS. Bùi Hùng Thắng đã tích lũy được nhiều hiểu biết và kinh nghiệm nghiên cứu về cả khía cạnh lý thuyết lẫn thực nghiệm của vật liệu CNTs.

Ngay từ quá trình làm nghiên cứu sinh tại Viện Khoa học vật liệu dưới sự hướng dẫn của giáo sư Phan Ngọc Minh và Phan Hồng Khôi, những chuyên gia về công nghệ nano, nền tảng cơ bản vững chắc liên quan đến vai trò dẫn nhiệt và tản nhiệt của CNTs đã đem lại cho TS. Bùi Hùng Thắng cơ hội giải quyết những vấn đề phức tạp sau này, ví dụ như vai trò của phương trình Arrhenius, một phương trình xác định tốc độ phản ứng và tính toán năng lượng kích hoạt do nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học năm 1903 Svante Arrhenius đề xuất năm 1889. Anh giải thích: “Tản nhiệt là một trong những vấn đề quan trọng của thiết bị điện tử nói chung bởi nó tản nhiệt đóng vai trò thiết yếu để nâng cao tuổi thọ của thiết bị. Khi nghĩ về vấn đề này, chúng ta không thể bỏ qua phương trình Arrhenius với mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ tin cậy của thiết bị bởi tốc độ phản ứng biến đổi cũng đồng nghĩa với tốc độ sự sai hỏng của thiết bị”. Do đó, khi dựa vào công thức Arrhenius, “người ta có thể ước lượng được, nếu nhiệt độ giảm 10^oC thì tốc độ sai hỏng của thiết bị sẽ giảm một nửa, đồng nghĩa với tuổi thọ tăng lên gấp đôi”, anh cho biết thêm.

Module đèn LED được lắp thử trong khuôn viên Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam

Đây cũng là một trong những cách giải quyết quan trọng mà anh đã áp dụng khi nghiên cứu về các loại chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần carbon nano, không chỉ trong tính toán cho các công trình nghiên cứu mà cả trong các sáng chế về chất lỏng tản nhiệt cho đèn LED, kem tản nhiệt nền silicon cho các thiết bị điện tử, vật liệu In/CNTs nanocomposite tản nhiệt cho linh kiện điện tử…

Có lẽ, chỉ những người mong muốn giải quyết trọn vẹn một khía cạnh của khoa học và thấy cơ hội trích rút những cái mới đó để giải quyết những vấn đề của thực tế mới có thể kết nối hai đầu nghiên cứu, ứng dụng “xa tít tắp” lại với nhau như vậy. Bởi thông thường với các nhà nghiên cứu, những đề tài, nhiệm vụ khoa học là cơ hội để tăng thêm hiểu biết sâu hơn và có sản phẩm là bài báo quốc tế. Cũng không ngoại lệ nhưng nét đặc biệt ở TS. Bùi Hùng Thắng là sự tìm tòi bao giờ cũng gắn với thực tế. Do đó, dù ý định ban đầu đi tìm phương án giải quyết những vấn đề tồn tại trong hướng nghiên cứu của mình nhưng rút cục thì thường những kết quả thu được từ đề tài cũng mở ra cho anh những gợi ý về phương án áp dụng trong thực tế.

Đó là trường hợp thú vị anh theo đuổi: giải thích hiệu quả nâng cao hệ số dẫn nhiệt trong chất lỏng chứa vật liệu, một bài toán đã tồn tại 10 năm thông qua đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu ống nano carbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất” (tháng 1/2013 – tháng 12/2014). Các mô hình tính toán lý thuyết đưa ra để lý giải hiện tượng này đều thất bại bởi nó chỉ đem lại những kết quả sai khác trong thực nghiệm. “Điều đó cho thấy, cần một mô hình tính toán mới, tuy nhiên việc tìm được mô hình đáp ứng được yêu cầu không dễ bởi các phân tử trong môi trường chất lỏng đều ở vị trí khá xa nhau, lại dễ di chuyển và chuyển hướng liên tục do lực liên kết kém, đồng thời chịu nhiều lực tác động khác nhau”, anh cho biết.

Với việc phát hiện ra vấn đề mấu chốt nhưng lại bị nhiều nhà nghiên cứu bỏ qua là vật liệu CNTs dẫn nhiệt tốt dọc theo ống nhưng lại dẫn nhiệt kém theo chiều vuông góc với ống, TS. Bùi Hùng Thắng đã đề xuất một mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa CNTs, đồng thời lấy số liệu từ các công bố của đồng nghiệp quốc tế để chứng minh độ chuẩn xác của mô hình này: “Kết quả cho thấy mô hình lý thuyết phù hợp với kết quả thực nghiệm trong các trường hợp khác nhau của CNTs cũng như trong nhiều nền chất lỏng khác nhau”. Đây cũng là nội dung chính của bài báo “A modified model for thermal conductivity of carbon nanotube-nanofluids” (Một mô hình biến đổi để dẫn nhiệt của ống nano carbon-chất lỏng carbon) xuất bản trên Physics of Fluids, một tạp chí của nhà xuất bản AIP Publishing chuyên về động lực học chất khí, chất lỏng và phức hợp chất lỏng đa pha. Ngoài ra, TS. Bùi Hùng Thắng từng được đề cử giải trẻ Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2017 với công trình này.

Tuy không đoạt giải trẻ Tạ Quang Bửu vào năm 2017 nhưng với TS. Bùi Hùng Thắng, công trình cũng để lại một dấu ấn khó quên, đó là việc có được tới hai sáng chế “Quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano carbon, chất lỏng tản nhiệt thu được từ quy trình này và cấu trúc tản nhiệt chứa chất lỏng tản nhiệt” và “Module đèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng”, lần lượt được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng vào năm 2016 và năm 2017.

Chọn lọc để đưa vào ứng dụng

Việc đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng trong thực tế trên cơ sở các Bằng độc quyền giải pháp hữu ích và bằng độc quyền sáng chế là một câu chuyện dài mà không phải nhà nghiên cứu nào cũng có thể thực hiện được trọn vẹn bởi nó phụ thuộc vào hai yếu tố: thứ nhất, sự quan sát tinh tế của nhà nghiên cứu trước những nhu cầu của xã hội bởi không phải lúc nào những thông tin khoa học cũng dễ chuyển hóa thành sản phẩm ứng dụng; thứ hai, nó đòi hỏi một cơ chế hỗ trợ về kinh phí và trang thiết bị nhất định để nhà nghiên cứu có thể tối ưu kết quả nghiên cứu thành quy trình công nghệ hoặc sản phẩm cụ thể. Thật may là TS. Bùi Hùng Thắng lại gặp đủ hai yếu tố này. Anh cho biết, may mắn là mình được làm việc tại Viện Khoa học Vật liệu, một viện nghiên cứu có định hướng rất rõ ràng với một cơ sở thực nghiệm có đầy đủ trang thiết bị sẵn sàng cho công việc ứng dụng sản xuất thử nghiệm. Đây là thuận lợi để Bùi Hùng Thắng và cộng sự có thể linh hoạt triển khai những ý tưởng ứng dụng từ kết quả nghiên cứu của các đề tài.

Anh cho biết, một trong những sản phẩm mà anh ưng ý là hệ module đèn LED, một giải pháp tiết kiệm để nâng cấp hệ thống chiếu sáng thành phố mà không cần phải thay mới. Qua quan sát, anh nhận thấy đèn LED ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chiếu sáng nói chung và chiếu sáng công cộng nói riêng bởi khả năng tiết kiệm điện năng, đạt hiệu quả chiếu sáng cao hơn, lại thân thiện với môi trường so với bóng đèn compact và các loại đèn truyền thống. Tuy nhiên, nếu nâng cấp thì lên đèn LED thì chúng ta phải bỏ đi toàn bộ hệ thống đèn chiếu sáng theo công nghệ cũ, không chỉ tăng chi phí mà còn gây lãng phí khi phải bỏ đi hệ thống đèn cũ. Vì vậy, TS. Bùi Hùng Thắng và nhóm nghiên cứu và chế tạo thành công bộ module đèn LED có thể lắp một cách linh hoạt vào các bộ đèn đường phố cũ để nâng cấp thành đèn LED. Nét đặc biệt của bộ module này là chứa chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs giúp giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa chip LED và giàn tỏa nhiệt 6^oC (trong khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa chip LED và giàn tỏa nhiệt khi sử dụng chất lỏng thông thường là 8^oC); mặt khác module đèn LED mới khiến đèn chiếu sáng không còn là hệ đóng kín mà là các cấu phần linh kiện có tính linh hoạt cao, giúp dễ dàng nâng cấp hoặc lắp ráp thêm các cấu hình hay bộ phận mới để hỗ trợ khả năng chiếu sáng, ví dụ có thể hỗ trợ thêm bộ phận Dimmer điều chỉnh công suất để điều chỉnh cường độ ánh sáng tùy theo mục đích sử dụng, tiết kiệm năng lượng, hoặc dễ nâng cấp, bảo trì.

Do đó, về hiệu quả kinh tế, bộ module này có thể góp phần giảm chi phí đầu tư so với việc thay mới toàn bộ đèn cũ bằng đèn LED mới, đồng thời do việc thay thế module đèn LED có kết cấu đơn giản hơn một bộ đèn LED hoàn chỉnh nên giá thành của module đèn LED sẽ giảm xuống khoảng 20% – 35% so với giá thành đèn LED thương mại trên thị trường. Đây là giải pháp và thiết kế mới, qua tìm hiểu thì trên thế giới chưa có, do vậy nhóm nghiên cứu đã mạnh dạn đăng ký và được cấp bằng độc quyền sáng chế vào năm 2017.

Không ngại các quy trình đăng ký sáng chế

Con đường từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng của TS. Bùi Hùng Thắng đều được đánh dấu bằng một mốc quan trọng, đó là bằng độc quyền sáng chế hoặc giải pháp hữu ích do Cục Sở hữu trí tuệ cấp, điều mà không ít nhà nghiên cứu coi đó là trở ngại khó vượt qua. Vậy TS. Bùi Hùng Thắng đã giải quyết vấn đề này như thế nào? Anh tự tin trả lời: “Thủ tục đăng ký sáng chế vốn liên quan đến tài sản trí tuệ, một tài sản đặc biệt mà người ta có thể mua, bán, thậm chí có thể dẫn đến những tranh chấp, v.v… Do đó, tôi hiểu là cần có sự chuẩn mực cao từ bản mô tả sáng chế đến quy trình đăng ký với cơ quan quản lý. Riêng bản mô tả sáng chế cũng phải được trình bày một cách rõ ràng, chặt chẽ và logic giống như một văn bản luật”. Theo quan sát của anh, những yêu cầu về thủ tục đăng ký sáng chế của Việt Nam cũng giống như quy trình đăng ký sáng chế ở nhiều quốc gia khác trên thế giới.

Tuy nhiên, để rút ra được những kết luận này, TS. Bùi Hùng Thắng đã phải trải qua cả một quá trình làm quen, dù rất có ý thức thực hiện theo đúng quy định của các nhà quản lý. “Những ngày đầu tiên khi bắt tay vào việc viết sáng chế với tôi và cả nhóm làm nghiên cứu đều cảm thấy bỡ ngỡ do chưa hiểu hết những quy định trong cách viết bản mô tả và quy trình đăng ký sáng chế. Tuy nhiên sau quá trình nộp những đăng sáng chế ban đầu, đồng thời nhận được công văn phản hồi hướng dẫn giúp đỡ tận tình từ Cục Sở hữu trí tuệ, chúng tôi đã dần nắm bắt được các quy định chung, từ đó không còn gặp nhiều khó khăn trong việc nộp đơn sáng chế nữa”.

Nhờ những thông suốt như vậy về quan điểm cũng như những ý thức rút trích những kết quả hữu dụng vào thực tế của các đề tài nghiên cứu khoa học mà tính đến cuối tháng 2/2020, TS. Bùi Hùng Thắng và các nhà nghiên cứu ở Trung tâm ứng dụng công nghệ (Viện Khoa học Vật liệu) đã có 9 bằng độc quyền sáng chế/giải pháp hữu ích được cấp cùng 15 đơn sáng chế khác đã nộp lên Cục Sở hữu trí tuệ và đang trong giai đoạn chờ thẩm định nội dung.

Năm nay, Tổ chức Sở hữu trí tuệ thế giới (WIPO) đã chọn thông điệp kỷ niệm Ngày sở hữu trí tuệ thế giới là “Innovate for a Green Future” [Đổi mới sáng tạo vì một tương lai xanh] với mục tiêu tạo ra một chiến dịch lấy đổi mới sáng tạo và các quyền sở hữu trí tuệ hỗ trợ cho đổi mới sáng tạo làm trung tâm của những nỗ lực tạo ra một tương lai xanh. Bài viết nằm trong loạt bài giới thiệu công nghệ và chân dung các nhà khoa học Việt Nam đã có những thành tựu tạo ra các sáng chế được bảo hộ và ứng dụng vào thực tiễn góp phần phát triển bền vững và mở ra con đường dẫn đến tương lai xanh cho đất nước.