PHÂN TÍCH NHIỄU XẠ TIA X (XRD) – CHÌA KHÓA KHÁM PHÁ THẾ GIỚI VẬT LIỆU Ở CẤP NGUYÊN TỬ

Nguyễn Học Thắng

Trong thời đại công nghệ vật liệu phát triển như vũ bão, việc "nhìn thấy" cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu – nơi quyết định gần như toàn bộ tính chất cơ – lý – hóa của chúng – không còn là điều bất khả thi. Và công cụ được xem là “con mắt nguyên tử” của các nhà khoa học chính là phân tích nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction – XRD).

XRD LÀ GÌ?

Phân tích nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật cho phép xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu bằng cách ghi lại sự phân bố cường độ của tia X nhiễu xạ khi chiếu vào một mẫu rắn. Mỗi vật liệu tinh thể sẽ tạo ra một “dấu vân tay nhiễu xạ” đặc trưng – chính là bản đồ cấu trúc bên trong của vật liệu đó.

TẠI SAO XRD LẠI QUAN TRỌNG TRONG KHOA HỌC VẬT LIỆU?

Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) đóng vai trò vô cùng quan trọng trong khoa học vật liệu, bởi nó cung cấp những thông tin cốt lõi về cấu trúc tinh thể – yếu tố then chốt quyết định tính chất và hiệu năng của vật liệu. Trước hết, XRD cho phép xác định chính xác pha tinh thể và cấu trúc của vật liệu, giúp trả lời các câu hỏi như: liệu vật liệu đang nghiên cứu có cấu trúc monoclinic hay cubic, có tồn tại tạp pha không? Với độ chính xác cao, XRD là công cụ tiêu chuẩn để nhận diện và phân tích các pha, kể cả trong các hệ vật liệu đa pha phức tạp. Bên cạnh đó, XRD còn cho phép tính toán hằng số mạng, kích thước tinh thể ở cấp độ nano cũng như xác định ứng suất dư bên trong vật liệu – những thông tin quan trọng khi đánh giá ảnh hưởng của xử lý nhiệt, nghiền cơ học hoặc biến dạng dẻo. Đặc biệt, với kỹ thuật XRD in-situ, các nhà nghiên cứu có thể trực tiếp theo dõi quá trình biến đổi pha trong quá trình nung hoặc phản ứng hóa học, rất hữu ích trong nghiên cứu gốm chịu nhiệt, geopolymer hoặc vật liệu biến đổi theo thời gian. Ngoài ra, không chỉ dừng lại ở phân tích định tính, XRD còn cung cấp khả năng định lượng thành phần pha, hỗ trợ phân tích chính xác tỷ lệ khoáng trong đất, quặng, xi măng hay các vật liệu tổng hợp hiện đại. Nhờ những lợi thế này, XRD được xem là “cửa sổ” để khám phá thế giới tinh thể – nơi định hình bản chất thực sự của vật liệu.

Hình 1. Mô hình giải phổ XRD (bên trái) và ứng dụng thực tế để giải phổ XRD bằng phần mềm chuyên dụng đối với vật liệu tiên tiến thuộc chương trình đào tạo ngành Công nghệ Vật liệu, Khoa Công nghệ Hoá học, Trường Đại học Công Thương Thành phố Hồ Chí Minh (bên phải).

ỨNG DỤNG RỘNG RÃI TRONG NHIỀU NGÀNH

Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) không chỉ là công cụ thiết yếu trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu cơ bản, mà còn có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Trong lĩnh vực gốm sứ kỹ thuật, vật liệu xây dựng và composite, XRD được sử dụng để phân tích quá trình tinh thể hóa, theo dõi sự biến đổi pha khoáng trong suốt quá trình nung, ép hoặc bảo dưỡng – những yếu tố then chốt ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất của vật liệu. Trong ngành bán dẫn và điện tử, XRD cho phép kiểm tra cấu trúc lớp mỏng, xác định độ định hướng và chất lượng của các lớp phủ tinh thể – đặc biệt quan trọng đối với vi mạch, cảm biến và thiết bị điện tử chính xác. Ở lĩnh vực năng lượng và môi trường, kỹ thuật này hỗ trợ nghiên cứu các vật liệu xúc tác, vật liệu lưu trữ năng lượng như pin, siêu tụ điện, cũng như các chất hấp phụ dùng để xử lý kim loại nặng, chất ô nhiễm. Đặc biệt, trong ngành dược phẩm và sinh học, XRD được ứng dụng để xác định các dạng đa hình tinh thể (polymorphs) của hoạt chất – yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ hòa tan, sinh khả dụng và hiệu quả điều trị của thuốc. Chính nhờ tính linh hoạt và độ chính xác cao, XRD đã trở thành công nghệ không thể thiếu trong hầu hết các ngành công nghệ cao ngày nay.

KHÔNG CÓ XRD, KHÓ LÀM VẬT LIỆU HIỆN ĐẠI

Nếu bạn đang nghiên cứu, sản xuất hoặc phát triển bất kỳ loại vật liệu nào – từ xi măng, gốm sứ đến pin lithium, vật liệu y sinh hay xúc tác – thì phân tích nhiễu xạ tia X không chỉ là lựa chọn, mà là yêu cầu bắt buộc để hiểu rõ “nội tại” của vật liệu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP. HCM – TIÊN PHONG ỨNG DỤNG XRD TRONG ĐÀO TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU

Với định hướng trở thành trung tâm đào tạo và nghiên cứu ứng dụng hàng đầu trong lĩnh vực Công nghệ Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Công Thương TP. HCM (HUIT) đã đầu tư trang bị hệ thống máy nhiễu xạ tia X D2 Phaser hiện đại của hãng Bruker – CHLB Đức. Đây là một trong những thiết bị phân tích tinh thể tiên tiến, cho phép thực hiện các phép đo nhanh chóng, chính xác và độ tin cậy cao trong phân tích cấu trúc tinh thể, định lượng pha và theo dõi biến đổi vật liệu.

Hình 2. Thiết bị D2 Phaser của hãng Bruker – CHLB Đức được trạng bị phục vụ cho nghiên cứu khoa học và đào tạo sinh viên ngành Công nghệ Vật liệu tại Khoa Công nghệ Hoá học, Trường Đại học Công Thương TP. HCM (HUIT) (bên trái) với buồng mẫu tích hợp 6 giá để mẫu cho một lần thiết lập điều kiện phân tích (bên phải).

Máy D2 Phaser không chỉ phục vụ mạnh mẽ cho công tác giảng dạy chuyên sâu cho sinh viên đại học, mà còn là công cụ hỗ trợ đắc lực cho học viên cao học, nghiên cứu sinh và các nhà khoa học trong quá trình thực hiện luận văn, luận án và các đề tài nghiên cứu khoa học ở trình độ cao. Nhờ thiết kế nhỏ gọn, vận hành đơn giản nhưng tích hợp công nghệ XRD hiện đại của Bruker, thiết bị này cho phép triển khai linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu từ vật liệu nano, composite, gốm kỹ thuật, vật liệu hấp phụ cho đến các ứng dụng trong hóa học xanh và năng lượng sạch.

Sự hiện diện của máy nhiễu xạ tia X D2 Phaser tại Trường Đại học Công Thương TP. HCM là bằng chứng cho cam kết mạnh mẽ trong việc đổi mới công nghệ, nâng cao chất lượng đào tạo và mở rộng năng lực nghiên cứu, góp phần đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao sẵn sàng hội nhập và đáp ứng yêu cầu của nền công nghiệp hiện đại.

Nếu bạn là sinh viên, học viên cao học hay nhà nghiên cứu đam mê khoa học vật liệu – HUIT chính là nơi giúp bạn "nhìn sâu vào thế giới tinh thể để kiến tạo những giá trị bền vững từ vật liệu."