Plasma và công nghệ plasma
Công nghệ plasma được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm cả trong các ngành công nghiệp ô tô, vi điện tử, đóng gói và thiết bị y tế.
Cùng với rắn, lỏng và khí, plasma là một trạng thái của vật chất. Sự thay đổi trạng thái xảy ra bằng cách thêm hoặc bớt năng lượng từ một chất. Ví dụ, nếu đủ năng lượng nhiệt được thêm vào nước, nó sẽ trở thành hơi nước. Nếu thêm đủ năng lượng vào một chất khí, các phân tử khí bị ion hóa, mang điện tích dương thuần. Sự ion hóa đủ ảnh hưởng đến các đặc tính điện của hệ thống đến mức nó trở thành plasma.
Plasma bao gồm các ion dương, electron âm, các phân tử trung hòa, tia UV và các phân tử kích thích, có thể sở hữu một lượng lớn nội năng. Trong quá trình xử lý bằng plasma, bất kỳ hoặc tất cả các thành phần này có thể tương tác với bề mặt. Bằng cách chọn hỗn hợp khí, lượng năng lượng, áp suất khí quyển và các yếu tố khác, tác động của plasma có thể được điều chỉnh theo ý muốn.
Công nghệ plasma là một công nghệ quan trọng mới nổi có hàng loạt lợi ích, có tiềm năng thâm nhập sâu rộng vào hầu hết các ngành kinh tế, có thể tạo cuộc cách mạng, mang lại làn gió sáng tạo mới, làm thay đổi bộ mặt các ngành kinh tế-kỹ thuật, đặc biệt đó là một công nghệ xanh, quan trọng hỗ trợ các ngành công nghiệp sử dụng năng lượng plasma để đạt được sự chuyển hóa xanh, thân thiện với môi trường, hoàn toàn an toàn, không gây ô nhiễm thứ cấp, năng suất cao, chi phí thấp, hiệu quả cao.
Đặc điểm, tiến triển và phạm vi ứng dụng của công nghệ plasma
Tuy nhiên, công nghệ plasma là lĩnh vực liên ngành rộng bao gồm vật lý plasma, hóa học, sinh học, y học, khoa học sự sống và khoa học vật liệu, mặc dù đã được ứng dụng trong lĩnh vực hàn, cắt, phun phủ, luyện kim, TV plasma, thiết bị điện tử, v.v. ngay từ những năm 1980-1990, nhưng chỉ sau năm 2005-2010, với những tiến bộ đột phá mới đạt được, công nghệ plasma đã trở thành trọng điểm, thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thế giới. Công nghệ plasma có thể ứng dụng rông rãi và nhanh chóng trong các ngành công nghiệp khác như hàng không, chế tạo ô tô, dệt, giấy, vật liệu polyme, hóa chất, thực phẩm, y tế, nông nghiệp, năng lượng, quốc phòng, bảo vệ môi trường, v.v.
Do công nghệ plasma là ngành công nghệ mới nổi, nên nhiều người còn chưa có hiểu biết về plasma, việc đào tạo về công nghệ plasma cũng chỉ hạn chế trong một số trường đại học tại một số nước công nghiệp phát triển. Tại các nước Đông Nam Á (trong đó có Việt Nam) chưa có cơ sở đào tạo chuyên môn, số bài báo giới thiệu về ứng dụng plasma lạnh trong điều trị y sinh, xử lý nước cũng ít xuất hiện, với nội dung kiến thức phổ thông; việc nghiên cứu về plasma cũng được tiến hành ở một vài cơ sở giai đoạn đầu mang tính thăm dò trong điều trị vi sinh, xử lý lọc nước.
Đó chính là "nút cổ chai" hạn chế nghiên cứu và ứng dụng công nghệ plasma vào các lĩnh vực. Cũng may mắn là Viện Công nghệ VinIT có Viện trưởng GSTS, Nguyễn Quốc Sỹ là chuyên gia hàng đầu thế giới về plasma nên đội ngũ chuyên gia non trẻ của VinIT đã sớm được đào tạo và bắt kịp nhịp độ và trình độ công nghệ plasma trên thế giới, hơn thế nữa, trong một số lĩnh vực áp dụng (như khử trùng diện rộng trong không khí diệt Covid-19, thiết lập buồng khử khuẩn thể tích lớn, buồng sạch khử ttrung, hệ thống xử lý bảo quản trái cây và rau củ, dược liệu, thực phẩm, v.v., còn tỏ ra vượt trội so với các nước công nghiệp tiên tiến (Mỹ, Đức).
Các lĩnh vực ứng dụng chính bao gồm: Máy tính, sản xuất vi mạch tích hợp, nguồn và hệ thống hiển thị dựa trên bóng bán dẫn màng mỏng, sản xuất pin mặt trời, ứng dụng đóng gói thực phẩm, hệ thống chiếu sáng dựa trên plasma, sản phẩm LED-OLED, hóa học plasma, y học plasma, nông nghiệp plasma. ô tô, quốc phòng, hàng không vũ trụ, quang học, năng lượng mặt trời, viễn thông, dệt, giấy, in, xử lý chất thải, v.v.
Trung tâm của tất cả các ứng dụng này là nguồn plasma. Nhu cầu liên tục để cải thiện chúng chủ yếu theo hai hướng: tốc độ xử lý cao hơn nhờ mật độ plasma cao hơn và khu vực xử lý lớn hơn.
Cơ hội và thách thức đối với sự phát triển của công nghệ plasma hiện nay
Công nghệ plasma là một ngành mới nổi mang tính chiến lược và là hướng phát triển quan trọng đầy hứa hẹn cần được tích hợp vào các ngành công nghiệp tương lai. Được hướng dẫn bằng khoa học và công nghệ tự chủ, tự lực sáng tạo, bám sát xu thế phát triển của vòng xoáy mới của cuộc cách mạng công nghệ toàn cầu và chuyển đổi công nghiệp.
Trước cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, cần nhận thức rõ cơ hội và thách thức mới để tăng cường xây dựng hệ thống đổi mới công nghiệp plasma, đẩy nhanh đột phá nút cổ chai, tích hợp công nghệ plasma vào các ngành kinh tế-kỹ thuật, tạo ra các điểm tăng trưởng mới cho chuyển đổi và nâng cấp công nghiệp, và tạo động lực mới để phát triển kinh tế chất lượng cao. Lợi thế chính của VinIT là hoàn toàn làm chủ các công nghệ lõi về nguồn plasma (đầu phát plasma), hạn chế chính của VinIT là lực lượng chuyên gia còn mỏng, cơ sở vật chất còn yếu, đầu tư tài chính hạn hẹp, và hệ sinh thái tạo điều kiện cho việc phát triển công nghệ plasma còn quá nọn trẻ, thiếu những yếu tố tạo điều kiện phát triển đột phá: sự thiếu hiểu biết của công chúng về plasma, thiếu trình diễn công nghệ, sản phẩm, thiết bị plasma để thuyết phục khách hàng, người tiêu dùng.
Việc nắm bắt kiến thức cơ bản và phát huy đầy đủ vai trò của công nghệ plasma như công nghệ quan trọng có nhiều ưu điểm cần được nhân rộng vào các ngành kinh tế-kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả, nâng cao trình độ công nghệ các ngành đó. Việc xây dựng các công nghệ lõi dựa trên plasma sẽ thúc đẩy tích hợp công nghệ plasma vào các ngành công nghiệp, và thúc đẩy hình thành các ngành công nghiệp mới với sử dụng năng lượng plasma, tận dụng lợi thế của công nghệ plasma trong nhiều khía cạnh.
Trong tương lai gần, cần hình thành hệ thống và môi trường chính sách, hệ sinh thái thúc đẩy phát triển công nghệ plasma, nâng cao năng lực đổi mới công nghiệp, cơ bản làm chủ được các công nghệ cốt lõi và quá trình công nghệ plasma. Tăng cường trình diễn ứng dụng các công nghệ plasma áp dụng vào các lĩnh vực công nghiệp, thuyết phục người tiêu dùng, nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường, cung cấp các sản phẩm công nghệ plasma công nghiệp hóa, thị trường hóa.
Đến nay, VinIT đã làm chủ và tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm công nghệ plasma có thể đưa vào áp dụng trong hàng chục lĩnh vực ký thuật, ngành công nghiệp. Vì vậy, trong giai đoạn tới, cần tiếp tục hoàn thiện, đa dạng hóa các mẫu mã sản phẩm, tăng cường công tác tuyên truyền, phổ biến kiến thức về plasma, đẩy mạnh khâu trình diễn, chứng minh công nghệ và sản phẩm với khách hàng. Đồng thời tìm kiếm và mở rộng hợp tác với các doanh nghiệp, đơn vị nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước để nhanh chóng đưa kết quả nghiên cứu vào phục vụ đời sống nhân dân.
Bài viết này mở đầu cho hàng loạt các bài viết tiếp theo nhằm giới thiệu về kiến thức cơ bản về công nghệ plasma cũng như về những ứng dụng thực tế của plasma trong các ngành công nghiệp hiện nay, hy vọng có thể đóng góp nhỏ vào công tác phổ biến kiến thức KH&CN và thúc đẩy nhanh chóng áp dụng những thành tựu khoa học của công nghệ plasma vào đời sống.
Tài liệu tham khảo:
1. Ahmed. I Osman, Neha Mehta, Ahmed M. Elgarahy, Mahmoud Hefny, Amer Al Hinai, Ala’a H. Al Muhtaseb, David W. Rooney, Hydrogen production, storage, utilisation and environmental impacts, School of Chemistry and Chemical Engineering, Queen’s University Belfast, Belfast BT9 5AG, Northern Ireland, UK, 2021;
2. Alter NRG-Plasma Gasification Turns Waste-to-Energy, https://energydigital.com/smart-energy/plasma-gasification-turns-waste-energy, Canada;
3. Azadeh Barjasteh, Zohreh Dehghani, Pradeep Lamichhane, Neha Kaushik, Eun Ha Choi and Nagendra Kumar Kaushik, Recent Progress in Applications of Non-Thermal Plasma for Water Purification, Bio-Sterilization, and Decontamination, Department of Physics, Lorestan University, Khorramabad 68151-44316, Iran, 2021;
4. Giovanni Busco, Eric Robertb, Nadira Chettouh-Hammas, Jean-Michel Pouvesleb, Catherine Grillona, The emerging potential of cold atmospheric plasma in skin biology, Centre de Biophysique Molẻculaire, UPR4301, CNRS, 45071, Orleans, France, 2020;
5. Gerasimenko M.Yu., Zaitseva T.N., Evstigneeva I.S., Low-temperature plasma – a promising method of rehabilitation, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Russian Medical Academy of Post-Graduate Education» Russian, Ministry of Health, Moscow, Russia, 2019;
6. Lingge Gao, Xingmin Shi, Xili Wu, Applications and challenges of low temperature plasma in pharmaceutical field, School of Public Health, Medical Science Center, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710061, China, 2021;
7. Mária Domonkos, Petra Tichá, Jan Trejbal and Pavel Demo, Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma Technology in Medicine, Agriculture and Food Industry, Department of Physics, Faculty of Civil Engineering, Czech Technical University in Prague, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Czech Republic, 2021;
8. Masuhiro Kogoma1 · Kunihito Tanaka, Low-temperature atmospheric discharge plasma and its applications for the surface treatment, Department of Materials and Life Sciences, Faculty of Science and Technology, Sophia University, 7-1 Kioi-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8554, Japan, 2021;
9. Thoralf Bernhardt, Marie Luise Semmler, Mirijam Schäfer, Sander Bekeschus, Steffen Emmert, and Lars Boeckmann, Plasma Medicine: Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma in Dermatology, Clinic and Policlinic for Dermatology and Venereology, University Medical Center Rostock, Rostock 18057, Germany, 2019;
10. Thomas von Woedtke, Steffen Emmert, Hans-Robert Metelmann, Stefan Rupf, and Klaus-Dieter Weltmann, Perspectives on cold atmospheric plasma (CAP) applications in medicine, Physics of Plasmas 27, 070601, Germany, 2020;
