Ngày 18/11, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM, Nghiên cứu sinh (NCS) Nguyễn Minh Thảo đã bảo vệ thành công xuất sắc luận án Tiến sĩ chuyên ngành Hóa lý thuyết và hóa lý. Với đề tài “Tính toán cấu trúc của các cụm nguyên tử boron, silicon và germanium pha tạp kim loại chuyển tiếp”. Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Bùi Thọ Thanh và PGS.TS. Trần Văn Tân, công trình đã mang lại góc nhìn mới mẻ và sâu sắc về các vật liệu kích thước nano, mở ra hướng ứng dụng đầy tiềm năng trong công nghệ bán dẫn và xử lý môi trường.
Thách thức của “Thế giới nano” và Giải pháp từ tính toán hiện đại
Trong khoa học vật liệu hiện đại, các cụm nguyên tử boron, silicon và germanium được ví như những “viên gạch” nền tảng cho công nghệ bán dẫn. Khi được pha tạp thêm các kim loại chuyển tiếp (như Scandium, Vanadium, Manganese), tính chất của chúng thay đổi đột phá, hứa hẹn tạo ra các loại vật liệu siêu việt dùng trong hấp phụ và xúc tác. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các hệ này gặp phải một rào cản vật lý lớn: sự phức tạp của các electron trong orbital d của kim loại chuyển tiếp tạo ra vô số cấu trúc có mức năng lượng gần như tương đương nhau (suy biến năng lượng). Điều này khiến các phương pháp thực nghiệm truyền thống khó xác định chính xác đâu là cấu trúc bền vững nhất.
Để giải quyết bài toán hóc búa này, NCS. Nguyễn Minh Thảo đã lựa chọn hướng tiếp cận tiên tiến là kết hợp sức mạnh của Hóa học lượng tử và Khoa học máy tính. Thay vì dò tìm thủ công, tác giả đã sử dụng các thuật toán tìm kiếm thông minh như Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) và Tối ưu hóa dòng hạt (Particle Swarm Optimization) để quét toàn bộ bề mặt thế năng. Sau đó, các phương pháp tính toán hóa học chính xác cao như DFT, CCSD(T) và đặc biệt là phương pháp đa cấu hình CASSCF/CASPT2 được áp dụng để “chốt” lại các cấu trúc và tính chất năng lượng với độ tin cậy cao nhất.
Điểm sáng giá nhất của luận án nằm ở những phát hiện cụ thể, đóng góp trực tiếp vào kho tàng dữ liệu vật liệu quốc tế. Qua quá trình tính toán, NCS Nguyễn Minh Thảo đã xác định thành công cấu trúc hình học và cấu trúc electron của các cụm nguyên tử boron, silicon, germanium khi pha tạp kim loại. Đáng chú ý, nghiên cứu đã công bố những cấu trúc bền vững mới (điển hình như cấu trúc Sc2B8 và ion ScGe6– ) có độ ổn định cao hơn hẳn so với các cấu trúc đã được các nhóm nghiên cứu khác công bố trước đây. Đây là minh chứng rõ ràng cho hiệu quả của phương pháp tìm kiếm cấu trúc mà tác giả đã áp dụng.
Không dừng lại ở cấu trúc tĩnh, luận án còn đi sâu vào dự đoán các tính chất quang phổ – một công cụ quan trọng để đối chiếu với thực nghiệm. Bằng các phép tính đa cấu hình phức tạp, tác giả đã dự đoán chính xác các quá trình tách electron của cụm VSi2-. Các dữ liệu này cung cấp “bản đồ” để các nhà thực nghiệm có thể xác định vị trí các peak (đỉnh) trên phổ quang electron, giúp việc nhận diện vật liệu trở nên dễ dàng hơn.
Từ lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn: Mô hình hấp phụ khí
Một đóng góp quan trọng khác của luận án là khả năng định hướng ứng dụng trong xử lý khí thải và xúc tác. Tác giả đã xây dựng thành công các mô hình tương tác giữa các cụm nguyên tử nghiên cứu với các phân tử khí nhỏ như H2, CO và CO2. Kết quả mô phỏng cho thấy một quy luật thú vị: các tâm hấp phụ (vị trí mà khí bám vào mạnh nhất) thường tập trung xung quanh nguyên tố kim loại chuyển tiếp được pha tạp. Phát hiện này là cơ sở lý thuyết quan trọng để các nhà khoa học vật liệu thiết kế các bộ lọc khí, pin nhiên liệu hoặc chất xúc tác hiệu suất cao trong tương lai.
Có thể nói, luận án không chỉ giải quyết các vấn đề lý thuyết phức tạp mà còn đặt nền móng vững chắc cho việc phát triển vật liệu mới. Các cấu trúc bền tìm được sẽ là cơ sở để mở rộng nghiên cứu lên các hệ vật liệu kích thước lớn hơn.
Một số hình ảnh tại buổi bảo vệ luận án