Trải qua quy trình đánh giá công bằng và nghiêm ngặt, công trình “Signature of collective elastic glass physics in surface-induced long-range tails in dynamical gradients” đã chính thức được đăng trên tạp chí Nature Physics – một trong những tạp chí khoa học hàng đầu thế giới.
Công trình là sự kết hợp của TS Phan Đức Anh – Giảng viên Trường Đại học Phenikaa cùng cộng sự nghiên cứu và cho ra đời sau gần hai năm.
Phương pháp nghiên cứu được đặt trong bối cảnh polymers là một loại vật liệu ngày càng được sử dụng rộng rãi trong linh kiện điện tử, các sợi quang học, sản xuất/chuyển đổi/lưu trữ năng lượng, chế tạo vật liệu nhẹ, phân tách hóa học, lọc khí và chất lỏng. Phân tử trong polymer chuyển động hỗn loạn giống với chất lỏng khi ở nhiệt độ cao, nhưng lại có một số tính chất tương tự như tinh thể vật rắn ở nhiệt độ thấp và trạng thái vật liệu này gọi là trạng thái thủy tinh (glassy state). Chuyển động phân tử rất nhạy với nhiệt độ. Những biến thiên trong chuyển động và độ khuếch tán phân tử trở nên phức tạp hơn khi tính đến: Sự thay đổi trong tương tác giữa các phân tử; kích thước của hệ nghiên cứu hay còn gọi là “hiệu ứng giam giữ” và ảnh hưởng của mặt phân cách giữa polymers với với môi trường hay với vật liệu khác.
Thay đổi trong động học phân tử ở mặt phân cách sẽ lan truyền vào bên trong vật chất và biến đổi độ linh động phân tử trong toàn bộ hệ và các hiệu ứng này có thể được quan sát ở khoảng cách từ vài chục đến vài trăm nano mét. Do đó, đặc tính của vật liệu polymer ở kích thước giới hạn khác biệt so với các hệ lớn.
Những ứng dụng của màng mỏng polymer vào trong cuộc sống
Tuy nhiên, trong 30 năm trở lại đây, các mô hình lý thuyết và hiểu biết cơ bản về chuyển động phân tử giúp người chế tạo có thể kiểm soát các đặc tính vĩ mô trong vật liệu polymers với mặt phân cách khác nhau vẫn còn hạn chế. Điều này đã được GS. David A. Weitz (Đại học Harvard) chia sẻ: “Số lượng lý thuyết về quá trình chuyển đổi thủy tinh nhiều hơn số người làm lý thuyết đề xuất chúng”.
“Có rất nhiều mô hình lý thuyết được đưa ra nhưng phần lớn chỉ đưa ra được các tính toán định tính và chỉ giải thích được một vài hiện tượng đơn lẻ, tuy nhiên đến nay chưa có nhà khoa học nào đưa ra phương pháp tổng quát và thống nhất mô tả định lượng hiện tượng vật lý cho động lực học phân tử và các tính chất liên quan trong hệ polymer có kích thước khác nhau. Việc khám phá và dự đoán được đặc tính của polymer thay đổi ở kích thước nhỏ và các hiện tượng ở gần mặt phân cách tạo tiền đề cho cuộc cách mạng trong khoa học công nghệ và phát triển sản phẩm vì nhiều ứng dụng tiên tiến đều được xây dựng bằng cấu trúc đa thành phần có kích thước nano” – TS Phan Đức Anh chia sẻ.
Để hiểu biết các cơ chế một cách toàn diện, TS Phan Đức Anh và nhóm cộng sự đã kết hợp lý thuyết và mô phỏng trong nghiên cứu của mình để miêu tả các đặc tính chính thay đổi chuyển động phân tử trong hệ màng polymers mỏng với môi trường xung quanh.
Động học phân tử trong polymers được đánh giá thông qua thời gian tái cấu trúc phân tử (relaxation time) và nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (glass transition temperature) dự đoán từ lý thuyết phương trình Langevin phi tuyến tập thể đàn hồi (tên tiếng anh là Elastically Cooperative Nonlinear Langevin Equation hay được viết tắt là ECNLE).
Đây là lý thuyết được đưa ra lần đầu bởi GS Kenneth S. Schweizer (Đại học Illinois ở Urbana-Champaign) và TS Phan Đức Anh đã dày công phát triển và lập trình tính toán trong suốt thời gian qua. Đến nay, lý thuyết ECNLE có thể áp dụng để nghiên cứu cho hệ màng mỏng polymer với kích thước bất kỳ hoặc các vật liệu vô định hình khác nhau. Khoảng thời gian tái cấu trúc có thể nghiên cứu bằng lý thuyết ECNLE trải dài từ 100 ps tới 1000s hoặc lâu hơn, vượt trội hơn rất nhiều so với khả năng của các siêu máy tính trên thế giới. Trong quá trình tính toán, TS Phan Đức Anh đã tìm ra sự khác biệt trong bản chất biến thiên chuyển động phân tử ở vùng gần và xa mặt phân cách. Việc hiểu đúng được nguyên nhân sẽ thay đổi cách suy nghĩ và bức tranh vật lý trong lĩnh vực này.
TS Phan Đức Anh cùng các bạn sinh viên khoa Khoa học và kỹ thuật Vật liệu
Để xác nhận tính chính xác trong mô hình lý thuyết này, hai cộng sự trong nhóm nghiên cứu là PGS David S. Simmons (Đại học South Florida) và TS Asieh Ghanekarade (Đại học Virginia) đã phát triển một kỹ thuật mô phỏng động lực học phân tử cho hệ polymers rất nhiều lần với độ chính xác trong tính toán cao nhất từ trước đến nay và kết quả đạt được độ trùng khớp rất cao. Vì vậy đây là một sự kết hợp hoàn hảo giữa lý thuyết và kỹ thuật mô phỏng hiện đại đương thời. Phương pháp này cũng có thể áp dụng để nghiên cứu cho màng mỏng đặt trên các loại đế cứng và mềm khác nhau và đây cũng là hướng nghiên cứu rất tiềm năng trong tương lai. Sau rất nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát triển, nhóm nghiên cứu quyết định kết hợp để cùng viết một công trình và gửi trên tạp chí Nature Physics.
Nature Physics là một trong những tạp chí hàng đầu thế giới trong lĩnh vực vật lý, nơi chuyên xuất bản những những ý tưởng đột phá trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Nature Physics được xếp hạng Q1-R1 với chỉ số ảnh hưởng IF = 19.684 thuộc bảng xếp hạng các tạp chí Nature Index. Tính đến thời điểm hiện tại, đây là nghiên cứu lý thuyết đầu tiên và duy nhất tại Việt Nam được tạp chí danh giá này thông qua. TS. Phan Đức Anh đóng vai trò là một trong các nhân tố chính của công trình nghiên cứu, đồng thời là người liên hệ của bài báo.
Công trình “Signature of collective elastic glass physics in surface-induced long-range tails in dynamical gradients”
của TS Phan Đức Anh và nhóm công sự được Nature Physics ghi nhận
Chia sẻ về quá trình kiểm duyệt trên tạp chí Nature Physics, TS Phan Đức Anh cùng nhóm cộng sự đã chờ 9 tháng từ thời điểm gửi bài cho ban biên tập báo (ngày 31/05/2022) cho tới khi được duyệt bài (ngày 07/02/2023). Bài báo phải trải qua quá trình kiểm duyệt về nội dung rất nghiêm ngặt từ Ban biên tập đến các phản biện đều là các nhà khoa học hàng đầu thế giới. Theo đó, thông qua các công trình nghiên cứu, tạp chí mong muốn các công trình đăng trên trên Nature Physics trở thành nền tảng để phát triển nhiều đề tài nghiên cứu sau này. Vì vậy, sau khi bài báo được chấp nhận, bộ phận xuất bản cùng nhóm tác giả chỉnh sửa thêm để đảm bảo khả năng tiếp cận được với nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực khác nhau.
TS Phan Đức Anh chia sẻ thêm, để chuẩn bị cho bài viết gửi cho tạp chí Nature Physics, nhóm nghiên cứu tính toán và bàn bạc bài viết trong 6 tháng lên kế hoạch và khung sườn cho các tính toán, phân tích số liệu. Tiếp theo đó, nhóm tác giả trao đổi và viết bài trong 3 tháng với hơn 15 phiên bản khác nhau. Và cuối cùng, nhóm đã cho ra đời sản phẩm hoàn chỉnh, được giới khoa học ghi nhận và đánh giá cao.
