Từ nghiên cứu cơ bản…Trong những năm gần đây, khi triển vọng về các thiết bị thông minh mặc được trên người (wearable electronics) và ứng dụng được trong lĩnh vực y sinh ngày càng mở rộng thì nhu cầu về vải/vật liệu may mặc thông minh và có tính kháng khuẩn cũng ngày càng tăng cao. Và một trong những cách để tăng tính năng cho các thiết bị điện tử thông minh mang được trên người chính là tạo ra các loại vật liệu may mặc vừa có tính dẫn điện, vừa đảm bảo khả năng kháng khuẩn.
Nhưng làm thế nào để cho ra đời được một loại vải như vậy? Nó có dễ thực hiện hay không? Đây cũng chính là câu hỏi mà nhóm nghiên cứu của TS. Trương Vĩ Khánh (Đại học Flinders, Úc) theo đuổi. Xuất phát từ việc nghiên cứu về kim loại tồn tại ở thể lỏng, TS. Khánh và các đồng nghiệp nhận thấy: những hợp kim có nguồn gốc bắt nguồn từ Gallium (GaLMs) là những hợp chất không độc, ngoài ra, chúng còn có những đặc điểm hóa - lý rất thú vị, hữu ích như tính dẫn điện tốt, tính dẻo, khả năng chịu nhiệt cao,... Về phương diện sinh học, những hợp chất này lại còn có tính chất kháng khuẩn. Thêm vào đó, “việc tạo các hạt GaLMs khá đơn giản. Khi chúng tôi áp dụng sóng siêu âm để tương tác với các GaLMs trong dung dịch, quá trình này sẽ tạo ra các hạt có kích thước nhỏ với cấu trúc bao gồm lớp oxit bên ngoài bao trọn lớp chất lỏng bên trong. Khi tác dụng lực, như nghiền, ép, thì chất lỏng bên trong sẽ chảy ra, tạo thành kết nối dẫn điện”, TS. Khánh chia sẻ với Báo
KH&PT.
Trước những đặc tính thú vị như vậy, anh và các đồng nghiệp nảy ra ý tưởng: liệu có thể khai thác vận dụng các tính chất tốt nhất của GaLMs để ứng dụng cho vật liệu dùng trong may mặc nhằm nâng cao hiệu năng cũng như tăng tính kháng khuẩn của vật liệu hay không?
Thực tế, đã có các nghiên cứu về việc ứng dụng kim loại lỏng như vậy, tuy nhiên cho đến nay, “hầu hết các công trình này đều tập trung vào việc lắng đọng kim loại trên các chất nền không xốp như màng và chất đàn hồi nguyên khối hoặc gel thiếu tính thẩm thấu”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo “
Liquid Metal Coated Textiles with Autonomous Electrical Healing and Antibacterial Properties” mới được đăng tải trên tạp chí
Advanced Material Technologies. Trong khi đó, khả năng thẩm thấu lại là yêu cầu cần phải có đối với các thiết bị mặc trên người nhằm tránh kích ứng và viêm da.
Để có thể phủ lớp kim loại lên vải và tạo ra được một loại vật liệu đáp ứng đa mục tiêu, nhóm của TS. Khánh đã hợp tác với các nhà nghiên cứu ở Đại Học bang Bắc Carolina (Mỹ) và Đại học Sungkyunkwan (Hàn Quốc) để đi từ việc nghiên cứu cơ bản tính chất vật lý, hóa học, sinh học của GaLMs; sau khi đã tổng hợp được dữ liệu chắc chắn của các đặc tính này, họ tiến đến quá trình tổng hợp, cải thiện, nâng cao tính chất của vật liệu dựa trên từng yêu cầu đặc thù. “Ví dụ, như trong quá trình phủ vật liệu lên vải, nhóm đã phải thử nhiều cách điều chế cũng như nhiều cách phủ vật liệu khác nhau để đảm bảo tương tác giữa hai loại vật liệu là tốt nhất”, TS. Khánh cho biết.
Là những nhóm nghiên cứu đi tiên phong trong việc ứng dụng GaLMs lên vải, TS. Khánh và các cộng sự gặp không ít khó khăn. Trong đó, thách thức đầu tiên là việc kiểm soát kích thước của các hạt GaLMs, do kích thước các hạt này sẽ ảnh hưởng để hiệu suất bao phủ trên bề mặt vật liệu nền; và vấn đề thứ hai mà nhóm phải đối mặt là cách tạo đường dẫn điện có thể kiểm soát (controllable conductive pathway).
Để giải quyết các vấn đề này, nhóm của TS. Khánh đã thiết kế thí nghiệm theo cách kiểm soát kích thước hạt thông qua việc sử dụng sóng âm có tần số cao. “Hiệu quả đạt được rất tốt”, anh cho biết. Song song với đó, để vượt qua khó khăn thứ hai, nhóm đã nghiên cứu và tìm ra cách thực hiện môt phương pháp khá thủ công, đơn giản, thực hiện được ở nhiệt độ phòng nhưng hiệu quả cao, đó là nhỏ giọt các hạt GaLMs lên bề mặt sợi vải theo định hướng được thiết kế sẵn, sau đó tác dụng lực ép lên toàn bộ về mặt. “Lúc này, chất lỏng trong các hạt sẽ chảy tràn, phủ đều bề mặt, và tạo ra đường dẫn điện có kiểm soát theo đúng thiết kế”, TS. Khánh kể lại.
…đến mở ra ứng dụng mới cho vật liệu thông minhKết quả nghiên cứu trên đã giúp nhóm của TS. Khánh đi đến một quy trình đơn giản để tạo ra lớp vải có các mạch điện khi nhúng một mảnh vải sạch vào chất lỏng trong vài giây. Chất lỏng này là dung dịch của các kim loại gallium và indium, lơ lửng trong isopropanol - chất thường được sử dụng trong chất khử trùng tay. Khi gallium và indium được kết hợp, chúng trở thành chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Dung dịch được chuẩn bị bằng cách siêu âm (rung với âm thanh) các kim loại trong isopropanol trong 45 phút. Sau khi được sấy khô bằng súng hơi nóng, các kim loại tạo thành những giọt nhỏ trên vải, mỗi giọt có kích thước bằng một phần micromet. Với cách làm này, một lớp mỏng oxit hình thành trên các hạt, khiến vải vẫn cách điện. “Nhưng khi bạn nhấn chúng, bạn có thể tạo nên một đường dẫn điện nhất định”, TS. Khánh chia sẻ trong bài báo trên
Cosmos. “Điều này có nghĩa là bạn có thể xây dựng một mạch điện tử trong vải - chỉ bằng cách tác dụng đủ lực để phá vỡ lớp oxit. Chúng tôi cũng có thể tùy chỉnh các đường dẫn điện theo ý muốn”. Và càng thêm nhiều lớp phủ, vải càng dẫn điện tốt hơn.
Những kết quả đạt được sau quá trình dài thử nghiệm không khỏi khiến nhóm nghiên cứu vui mừng: khi lớp vải phủ kim loại được ép với một lực đáng kể, các hạt hợp nhất thành một đường dẫn điện, cho phép tạo ra các mạch có thể duy trì độ dẫn điện khi bị kéo căng. Không chỉ vậy, “các phần dẫn điện có khả năng tự phục hồi khi bị cắt nhờ vào việc hình thành các đường dẫn điện mới dọc theo mép của vết cắt, từ đó đem lại tính năng tự phục hồi giúp những vật liệu dệt này có thể có những ứng dụng hữu ích như làm các kết nối mạch, bộ gia nhiệt Joule và các điện cực linh hoạt để đo tín hiệu điện tâm đồ”, TS. Khánh cho biết trong
thông cáo báo chí.
Điều đáng chú ý là, khi thử nghiệm, vải dệt được phủ kim loại của nhóm nghiên cứu cũng thể hiện khả năng kháng khuẩn hiệu quả đối với Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus. Khả năng chống lại vi khuẩn này không chỉ đem lại tính năng bảo vệ cho vải mà còn ngăn không cho vật bị nhiễm bẩn nếu mặc lâu hoặc tiếp xúc với người khác. Do đó, ngoài việc đẩy lùi mầm bệnh, vải có thể được mặc trong một thời gian dài hơn mà không cần phải giặt.
Với những ưu điểm như vậy, nhóm nghiên cứu tin tưởng, vải với các mạch dẫn điện được tạo ra bởi các hạt kim loại lỏng này có thể thay đổi các thiết bị điện tử mặc trên người và mở ra cơ hội phát triển hơn nữa cho lĩnh vực nghiên cứu người - máy, bao gồm cả robot mềm và hệ thống theo dõi sức khỏe.
Mặc dù cả gallium và indium đều không phải là những kim loại dồi dào, nhưng quá trình chế tạo loại vải với lớp phủ này chỉ cần ít hơn một micromet mỗi loại trong lớp phủ vải. “Do lượng vật liệu chúng tôi đang sử dụng khá nhỏ, thế nên việc chế tạo hiện nay vẫn có chi phí khá thấp”, TS. Khánh cho biết thêm.
Nhìn về tiềm năng tương lai, TS. Khánh cho biết, nghiên cứu đã chứng minh tính hữu dụng của GaLMs trong việc cái thiện và nâng cao hiệu năng khi được kết hợp với vải may mặc. “Ngoài ra, nghiên cứu đã chứng minh khả năng kháng khuẩn tốt của vật liệu này, tạo tiền đề để mở rộng nghiên cứu. Đây là một bước quan trọng, vì kim loại rất khó gia công, điều chế ở nhiệt độ thường”, anh cho biết. “Về hướng tương lai, nhóm sẽ mở rộng hướng nghiên cứu về điều chế vật liệu kháng khuẩn, vật liệu thông minh trên nền GaLMs để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực hơn, bao gồm cả y sinh”.
Theo TS. Khánh, hiện tại, nhu cầu về vải/vật liệu may mặc có tính kháng khuẩn đang tăng cao, song song đó, những nhà sản xuất may mặc hiện nay đòi hỏi sản phẩm có thêm những tính năng hỗ trợ người dùng trong quá trình vận động/sử dụng sản phẩm. “Sản phẩm chúng tôi tạo ra phần lớn đáp ứng được các yêu cầu đang được nêu ra trên thị trường. Tuy vẫn cần nghiên cứu thêm để ổn định chất lượng, cải thiện theo yêu cầu của nhà sản xuất nhưng chúng tôi hi vọng rằng, sản phẩm sẽ sớm nhận thêm nhiều sự quan tâm, chú ý từ thị trường”, anh chia sẻ.