Tìm “siêu vật liệu” từ... rác thải

“Khi tôi bắt đầu nghiên cứu về Aerogel vào năm 2010, số lượng nghiên cứu về loại vật liệu này trên thế giới vẫn còn khá ít. Hướng nghiên cứu tại thời điểm đó chủ yếu tập trung vào Silica Aerogel với rất nhiều hạn chế trong quá trình tổng hợp; chi phí sản xuất cao dẫn đến giá thành đắt đỏ, 20-30 USD/m² cho một mẫu Aerogel dày từ 0,6-1 cm”, Phó Giáo sư - Tiến sĩ Dương Minh Hải nhớ lại lúc ông tìm hướng nghiên cứu độc lập vào năm 2010, thời điểm mới bắt đầu làm việc tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS).

Chinh phục Aerogel từ cảm hứng môi trường

Tuy nhiên, lấy cảm hứng từ việc bảo vệ môi trường, nhóm nghiên cứu của ông nảy ra ý tưởng tận dụng rác thải nông nghiệp và công nghiệp để sản xuất Aerogel bằng phương pháp mới với 3 mục đích chính: góp phần giải quyết những vấn đề môi trường; tạo ra những loại Aerogel mới có giá trị cao và nhiều ứng dụng thực tiễn; tác động đến nhận thức xã hội về tái chế và xử lý rác thải.

Theo Phó Giáo sư Dương Minh Hải, điều giúp nhóm nghiên cứu của ông thành công chính là tiên phong sử dụng phương pháp mới để “kết dính” nguyên liệu thô lại với nhau thay vì dùng các phương pháp truyền thống, sử dụng nhiều hóa chất độc hại như các nghiên cứu trước. Với hướng đi đó, nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra những loại Aerogel với chi phí sản xuất thấp, tiết kiệm năng lượng, rút ngắn thời gian sản xuất, không thải dung môi độc hại ra môi trường, có thể áp dụng cho quy mô công nghiệp và quan trọng nhất là đã có thể biến những phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp trở thành một loại vật liệu có giá trị cao và có thể tái chế.

Thành công này lớn đến mức, công nghệ của nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Dương Minh Hải làm Trưởng nhóm đã nhận được giải Nhất cho mảng Sustainable Technologies tại Create the Future Design Contest 2018, 2 giải thưởng TechConnect Innovation Awards của Mỹ và được nhiều phương tiện truyền thông đưa tin như CNA, The Straits Times, Bloomberg,  Reuters, VTV1... “Phải nói rằng tôi rất vui mừng và hãnh diện khi được cầm trên tay mẫu Aerogel làm từ Cellulose do nhóm sinh viên năm 4 của Đại học Quốc gia Singapore thực hiện. Đó là động lực để tôi phát triển thêm nhiều loại Aerogel từ những loại rác thải khác nhau như giấy vụn, sợi cotton, chai nhựa, xơ dừa, xỉ than, kim loại...”, Phó Giáo sư Dương Minh Hải cho biết.

Tiến vào thị trường tỉ đô

Aerogel là loại vật liệu được ra đời vào năm 1931. Thuật ngữ Aerogel không chỉ một loại vật liệu có công thức hóa học xác định, mà đại diện cho một nhóm vật liệu được tổng hợp bằng cách thay thế phần chất lỏng trong khối gel bằng không khí. Nhờ đó, Aerogel sở hữu những tính chất rất đặc biệt như siêu xốp (có thể chứa đến 95-99% không khí), siêu nhẹ (chỉ từ 0,0011-0,5 g/cm3, được xem là vật liệu nhẹ nhất thế giới) và cách nhiệt tốt. Với khối lượng riêng siêu nhỏ và độ xốp cao, Aerogel được xem là vật liệu tiềm năng cho công nghiệp sản xuất dụng cụ y tế, sản phẩm chăm sóc cá nhân, áo giữ nhiệt, tấm cách nhiệt - cách âm và kháng cháy, xử lý dầu tràn, khẩu trang chống bụi và khí độc, bông cầm máu dụng cụ cầm máu siêu tốc, bảo quản nông sản...

“Hiện tại, rác thải ở Việt Nam chủ yếu được tái chế thành những sản phẩm cơ bản và mang giá trị thấp. Công nghệ Aerogel hứa hẹn sẽ tạo ra sản phẩm có giá trị rất cao và có nhiều ứng dụng thực tiễn. Ngoài ra, đây cũng là cách tận dụng phế phẩm nông nghiệp, góp phần cải thiện đời sống người nông dân”, Phó Giáo sư Dương Minh Hải nhận định.

Thế giới thải ra 2,01 tỉ tấn chất thải rắn vào năm 2016. Đến năm 2050, con số này có thể tăng lên 3,4 tỉ tấn (theo World Bank). Khoảng 12% tổng số rác thải đô thị năm 2016 là nhựa, tương đương 242 triệu tấn. Hiện nay, trung bình mỗi ngày, Việt Nam phát sinh 12 triệu tấn rác thải sinh hoạt. Việc quản lý và xử lý chất thải rắn đô thị tại Việt Nam hiện còn rất lạc hậu, chủ yếu là chôn lấp. Theo báo cáo của World Bank, năm 2018 tại Việt Nam, chi phí thực tế để xử lý rác thải ước khoảng 39 USD/tấn. Giải pháp cho những núi rác khổng lồ là công nghệ mới và những thay đổi về cách sinh hoạt, ứng xử xã hội để giảm lượng rác thải. Việc tái chế rác thành những vật liệu mới đang mở ra cơ hội rất lớn để giải nhiều bài toán cùng lúc: xử lý rác thải, sản xuất vật liệu mới, bảo vệ môi trường...

Để góp phần giảm sức ép do rác thải kim loại gây ra, nhóm nghiên cứu của Phó Giáo sư Dương Minh Hải đã tận dụng nguồn phế phẩm nhôm để phát triển Aerogel. Loại Aerogel mới này bền, nhẹ, có khả năng cách nhiệt và cách âm tốt, có thể cạnh tranh với những sản phẩm khác trên thị trường. Ngoài ra, loại vật liệu siêu nhẹ này hứa hẹn sẽ có nhiều tiềm năng trong công nghệ chế tạo phương tiện giao thông vận tải, hàng không, vũ trụ. Đã có nhiều công ty bày tỏ mong muốn hợp tác với nhóm nghiên cứu về loại vật liệu mới này. Mục tiêu sắp tới của nhóm nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình sản xuất Aerogel nhôm ở quy mô lớn, tạo ra sản phẩm tốt với chi phí thấp và không thải ra chất độc hại cho môi trường. “Hiện tại, Arogel được nghiên cứu để sản xuất ở quy mô thử nghiệm với kích thước 90x60 cm từ rác thải nhựa và sợi vải vụn với công suất 275.000 m²/năm. Quy trình này có chi phí sản xuất thấp và giá cả cạnh tranh, đáp ứng nhu cầu cho thị trường sản phẩm xử lý dầu tràn, cách nhiệt, cách âm. Các tiêu chuẩn thử nghiệm ASTM cho vật liệu này đang được hoàn tất để ứng dụng trong lĩnh vực y tế và quốc phòng”, Phó Giáo sư Dương Minh Hải cho biết.

Thành công của nhóm nghiên cứu Aerogel do các nhà nghiên cứu người Việt phát triển đã thu hút nhiều công ty trên thế giới như 3M, Mapletree... để mua công nghệ sản xuất. Thực tế, các công ty này đặc biệt quan tâm đến khả năng thương mại hóa của Aerogel. Thị trường vật liệu mới này có giá trị khoảng 453 tỉ USD vào năm 2017 và ước tính đạt 785 tỉ USD vào năm 2022. “Công nghệ của chúng tôi tạo ra được Aerogel với 3 tiêu chí: sản phẩm chất lượng cao, chi phí sản xuất thấp và máy móc thiết bị có sẵn trên thị trường. Đó cũng chính là điều mà các nhà đầu tư mong muốn, điển hình như Mapletree”, Phó Giáo sư Dương Minh Hải cho biết.

Đem công nghệ về Việt Nam trước

“Tôi muốn đem công nghệ về cho người Việt mình trước, dù các công ty Trung Quốc, Mỹ hay châu Âu đưa ra những lời đề nghị hấp dẫn hơn rất nhiều”, Phó Giáo sư Dương Minh Hải bày tỏ nguyện vọng. Năm 2019, DPN Aerogels Việt Nam đã mua 3 công nghệ (bông Aerogel từ chất thải vải, Aerogel PET từ chất thải nhựa và Aerogel cao su từ chất thải lốp xe hơi) để sản xuất tại Việt Nam. Nhà máy đang được hoàn thiện và đi vào sản xuất ở Tiền Giang với sự hợp tác của Đại học Bách Khoa TP.HCM. Sản phẩm sẽ bán ra thị trường đầu năm 2021. Năm hoạt động đầu tiên, công ty này tập trung sản xuất các sản phẩm hấp thụ, cách nhiệt, cách âm, đạt năng suất 100.000 m²/năm. Trong vòng 3 năm tới, DPN Aerogels có thể mở rộng quy mô sản xuất lên tới 1 triệu m²/năm và có nhiều sản phẩm đa dạng hơn, phục vụ nhiều lĩnh vực mới như y tế.

Công nghệ vật liệu mới hiện là 1 trong 4 lĩnh vực trọng tâm được Nhà nước ưu tiên phát triển. Tin vui là Bộ Khoa học và Công nghệ đã phê duyệt danh mục dự án sản xuất thử nghiệm cấp quốc gia “Hoàn thiện công nghệ và thiết kế, chế tạo dây chuyền thiết bị sản xuất vật liệu siêu nhẹ Aerogel từ nhựa PET phế thải và vải vụn” để đưa ra tuyển chọn và bắt đầu thực hiện từ năm 2020. Dự án này được sự hợp tác của Công ty DPN Aerogels và Jointlab ở Đại học Bách Khoa TP.HCM. Cũng theo Bộ Khoa học và Công nghệ, các sản phẩm được tạo nên từ công nghệ vật liệu mới và đã chứng minh được hiệu quả, việc ứng dụng sẽ theo lộ trình, hỗ trợ song song, tiến tới có thể thay thế hoàn toàn vật liệu truyền thống. Ví dụ, với vật liệu mới trong ngành xây dựng, ban đầu sẽ áp dụng từ 10%, tiến tới 100%.

“Tuy nhiên, mối liên hệ giữa các trường đại học, các viện nghiên cứu và doanh nghiệp chưa được chặt chẽ”, Phó Giáo sư Dương Minh Hải nhận định. Theo ông, vấn đề mà các nghiên cứu vật liệu mới đang gặp phải là không theo sát nhu cầu thực tiễn của doanh nghiệp và chưa có sự chuẩn bị kỹ lưỡng từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất thử nghiệm và sẵn sàng để sản xuất ở quy mô công nghiệp, do đó khả năng ứng dụng của các nghiên cứu này là rất thấp. “Thậm chí, có thể nói rằng chỉ cần 5% số nghiên cứu này được đưa vào sản xuất quy mô lớn đã là một tín hiệu đáng mừng”, ông nói.

Theo nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore, để phát triển thành công các loại vật liệu mới, cần phải điều tra và phân tích các thị trường tiềm năng để có một chiến lược kinh doanh thật sự rõ ràng và cụ thể. Mối liên hệ giữa đại học, viện nghiên cứu và các doanh nghiệp trước hết cần phải xuất phát từ nhu cầu của doanh nghiệp. Lấy dẫn chứng tại Singapore, Phó Giáo sư Dương Minh Hải cho biết, nếu nghiên cứu giải được những bài toán mà doanh nghiệp đang gặp phải thì việc cấp kinh phí không còn là chuyện khó khăn. Đối với một giáo sư muốn đệ đơn lên xin dự án nghiên cứu, việc có sự đồng hành của doanh nghiệp là bắt buộc. Doanh nghiệp này đóng vai trò đánh giá và kiểm chứng tính thực tiễn của nghiên cứu, khi đó cơ quan xét duyệt mới đưa ra quyết định cuối cùng.

Hiện tại, để có thể đóng góp kiến thức và hiểu biết của mình trong lĩnh vực vật liệu mới, Phó Giáo sư Dương Minh Hải tham gia cố vấn tại VinTech cho các dự án khởi nghiệp và là thành viên của Hội đồng xét duyệt Quỹ VinTech. Ông cũng cộng tác với Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đại học Quốc gia TP.HCM, Đại học Tôn Đức Thắng, Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự trong nhiều lĩnh vực liên quan. “Trong tương lai, tôi mong muốn sẽ có cơ hội hợp tác cùng những trường đại học và các đơn vị tại đồng bằng sông Cửu Long để giải quyết những vấn đề liên quan đến môi trường và phát triển bền vững tại đây”, Phó Giáo sư Dương Minh Hải chia sẻ khi nhiều năm qua ông trăn trở về tình trạng biến đổi khí hậu tiêu cực tại đây.