In phun nano (Nano Inkjet Printing) là công nghệ tiên tiến, dùng cơ chế tạo giọt mực có kích thước nanomet bằng nhiệt hay áp điện để in các mẫu cực kỳ nhỏ với độ chính xác cao. Công nghệ này thường được áp dụng trong các lĩnh vực điện tử, y sinh, và vật liệu nano để in các cấu trúc vi mô và nano lên bề mặt vật liệu. Tại Việt Nam, các nhà khoa học đã bước đầu làm chủ được kỹ thuật và hướng tới thương mại hóa, theo xu hướng phát triển toàn cầu.
Về công nghệ in phun và in phun nano
Công nghệ in phun đã xuất hiện từ những năm 1980 trong lĩnh vực in ấn văn phòng và công nghiệp. Tuy nhiên, bước ngoặt lớn đến vào cuối thập niên 1990, khi các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu các loại mực in chứa hạt nano, đặc biệt là bạc, vàng và vật liệu polymer chức năng. Mực nano cho phép in các chi tiết siêu nhỏ, mở ra cánh cửa cho ứng dụng trong điện tử và y sinh học.
Từ những năm 2000, nghiên cứu về công nghệ in phun nano trở nên chuyên sâu hơn. Nhiều công ty và viện nghiên cứu trên thế giới phát triển đầu in siêu nhỏ và tối ưu hóa tính chất mực để in ra các chi tiết với kích thước chỉ vài chục nanomet. Tới giai đoạn 2005–2010, các hãng công nghệ lớn như Xerox, HP, Canon đã bắt đầu tích hợp công nghệ in nano vào sản phẩm thương mại. Đến nay, in phun nano đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: điện tử linh hoạt, in vi mạch, thiết bị y tế, cảm biến.
Công nghệ in phun có thể chia thành ba nhóm chính, dựa trên cơ chế tạo giọt và điều khiển dòng mực, đó là in phun cơ học, in phun điện, và in phun khí động.
Nhóm in phun cơ học bao gồm hai kỹ thuật phổ biến là piezoelectric inkjet và thermal inkjet. Cả hai đều sử dụng áp suất để đẩy mực ra khỏi đầu phun – hoặc nhờ hiệu ứng áp điện (với piezo), hoặc bằng sự giãn nở nhiệt của bong bóng hơi (với thermal).
Dù được sử dụng rộng rãi trong in ấn thương mại và sinh học, các công nghệ in phun cơ học thường chỉ đạt độ phân giải ở cấp độ micromet, hạn chế khả năng ứng dụng trong các hệ thống vi cấu trúc yêu cầu độ chính xác cao. Để vượt qua giới hạn đó, nhóm sử dụng công nghệ điện áp như Electrohydrodynamic Jet Printing (EHD jet) đã được xây dựng. Khác với phương pháp cơ học, EHD sử dụng điện trường cường độ cao để kéo các tia mực cực mảnh từ đầu phun, cho phép tạo ra các giọt có đường kính chỉ từ 30-100 nanomet. Công nghệ này không chỉ nâng cao độ phân giải mà còn kiểm soát tốt hơn kích thước, hình dạng và hướng in, rất phù hợp cho chế tạo mạch vi điện tử, cảm biến nano, và thiết bị quang điện tử chính xác.
Nhóm thứ ba là công nghệ in phun khí động (Aerosol Jet Printing-AJP), hiện đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả để in mực nano trên bề mặt cong hoặc không đồng đều. Kỹ thuật này sử dụng khí mang để tạo thành luồng mực khí dung, sau đó được hội tụ và phun lên bề mặt với độ chính xác cao, phù hợp cho in mạch dẻo, thiết bị y sinh đeo được hoặc cảm biến môi trường.
Nhìn chung, sự đa dạng về cơ chế hoạt động, vật liệu tương thích và khả năng tích hợp cao đã giúp công nghệ in phun, đặc biệt là in phun nano trở thành công cụ quan trọng trong các lĩnh vực công nghệ cao hiện đại. Trong bối cảnh nhu cầu về thiết bị nhỏ gọn, chính xác và linh hoạt ngày càng tăng, công nghệ này được kỳ vọng sẽ đóng vai trò then chốt trong sản xuất điện tử, sinh học và y học tương lai.
Nghiên cứu công nghệ in phun nano tại Việt Nam
Công nghệ in phun nano là một nhánh quan trọng trong lĩnh vực chế tạo vi mô, đặc biệt nổi bật nhờ tính linh hoạt, không tiếp xúc và khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp. Khác với các phương pháp in nano khác như in laser hai photon hay in bằng chùm electron vốn yêu cầu môi trường chân không hoặc thiết bị đắt đỏ, in phun nano sử dụng nguyên lý cơ bản của máy in phun - điều khiển chính xác các giọt mực có kích thước nano lắng đọng lên bề mặt để tạo nên các mẫu chức năng.
Mực in trong công nghệ này thường là dung dịch chứa hạt nano kim loại, bán dẫn hoặc polymer chức năng, với kích thước chỉ từ 10-100 nanomet. Để mực hoạt động hiệu quả, các yếu tố như độ nhớt, sức căng bề mặt và khả năng khô nhanh trên nền vật liệu phải được tối ưu hóa kỹ lưỡng. Nhờ khả năng in từng giọt theo yêu cầu, công nghệ này đặc biệt phù hợp với sản xuất thiết bị điện tử linh hoạt, cảm biến sinh học, OLED, màng mỏng dẫn điện và anten RFID. Ngoài ra, việc không cần tạo khuôn giúp giảm đáng kể chi phí và thời gian so với phương pháp quang khắc truyền thống. Một ưu điểm nổi bật khác của in phun nano là khả năng tương thích với nhiều loại nền vật liệu, từ thủy tinh, silicon đến polymer mềm như PET hoặc giấy sinh học. Điều này tạo điều kiện cho các ứng dụng in ấn trên nền dẻo, mở ra tiềm năng lớn trong ngành điện tử dán da, y học cá nhân hóa và các thiết bị đeo thông minh. Đồng thời, kỹ thuật này có thể tích hợp với hệ thống sản xuất dạng cuộn (roll-to-roll), tăng tốc độ sản xuất mà vẫn giữ được độ phân giải cao.
Cuối thập nhiên 2000, công nghệ in phun nano đã được các nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu, đến nay đã có những thành quả được thương mại hóa trên thị trường. Là người tiên phong tiếp cận với công nghệ in phun nano (năm 2009), đến nay, PGS.TS. Đặng Thị Mỹ Dung (Viện Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP.HCM) đã có nhiều thành quả quan trọng liên quan đến công nghệ tiên tiến này: chủ nhiệm nhiều đề tài cấp quốc gia và cấp Đại học Quốc gia TP.HCM, tác giả nhiều bằng độc quyền sáng chế Việt Nam và nhiều bài báo khoa học đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín. Trong phát triển công nghệ in phun nano, PGS.TS. Đặng Thị Mỹ Dung đã tạo ra các loại mực nano dẫn điện có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, sản xuất vi mạch, được thương mại hóa trong nước. Sản phẩm mực in phun dẫn điện chứa nano bạc được cấp bằng sáng chế cho phép ứng dụng để sản xuất hệ vi cơ điện tử có khả năng dẫn điện vượt trội, độ chính xác cao, độ dính bám tốt với hiệu suất rất cao vì không sử dụng mặt nạ (maskless) đắt tiền, tiết kiệm nguyên vật liệu (chỉ khoảng 10–20%), giúp giảm đến 50% chi phí chế tạo linh kiện. Đặc biệt, mực in nano cho phép in được trên nhiều loại đế linh hoạt như nhựa, giấy vốn là điều khó thực hiện khi sử dụng các phương pháp khác.
Cũng liên quan đến công nghệ in phun nano, năm 2022, nghiên cứu sinh Trịnh Dũng Chinh (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TP.HCM) đã hoàn thành luận án tiến sĩ về “Nghiên cứu chế tạo mực in phun trên cơ sở vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, hướng đến ứng dụng trong in bảo mật”. Dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Đặng Mậu Chiến (người đứng chung tác quyền với PGS.TS. Đặng Thị Mỹ Dung ở nhiều sáng chế liên quan đến công nghệ nano/in phun nano), tác giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công các hạt nano phát quang chứa đất hiếm khác nhau là YVO4:Eu3+ và CePO4:Tb3+. Các hạt nano phát quang này có giá trị độ nhớt, sức căng bề mặt và kích thước hạt nằm trong khoảng thích hợp để in trên thiết bị in phun điện thủy động PS JET 300V, tạo ra các biểu tượng bảo mật gia tăng sự sắc nét tại kích thước nhỏ, góp phần tăng cường tính bảo mật cho sản phẩm. Được biết, sắp tới tác giả hướng nghiên cứu sâu hơn về quy trình in trên thiết bị in phun điện thủy động sử dụng mực in bảo mật đã chế tạo.
***
Công nghệ in phun nano đang là một trong những hướng đi có tính ứng dụng cao, kết hợp giữa kỹ thuật in chính xác, chi phí thấp và khả năng thích nghi với vật liệu mới. Sự phát triển liên tục của đầu in, mực nano và hệ thống kiểm soát quy trình đang đưa công nghệ này trở thành giải pháp lý tưởng cho sản xuất vi mô hiện đại, đặc biệt là trong kỷ nguyên của vật liệu linh hoạt và thiết bị cá nhân hóa. Với những thành quả nghiên cứu đạt được, Việt Nam đang dần khẳng định vị thế của mình trong lĩnh vực này.
Minh Thư
----------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính:
[1] Hoàng nguyên. Nữ phó giáo sư làm chủ công nghệ in phun nano và giải thưởng Kovalevskaia 2024. https://khoahocphothong.vn/nu-pho-giao-su-lam-chu-cong-nghe-in-phun-nano-va-giai-thuong-kovalevskaia-2024-259725.html
[2] Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại bạc và đồng dùng trong công nghệ in phun và chế tạo linh kiện micro-nano. https://www.most.gov.vn/vn/tin-tuc/14074/nghien-cuu-che-tao-muc-in-nano-kim-loai-bac-va-dong-dung-trong-cong-nghe-in-phun-va-che-tao-linh-kien-micro-nano.aspx
[3] Chế tạo mực in nano bạc và ứng dụng trong công nghệ in các mạch điện tử. https://sti.vista.gov.vn/projects/kqnv/che-tao-muc-in-nano-bac-va-ung-dung-trong-cong-nghe-in-cac-mach-dien-tu-123754.html
[4] Nữ phó giáo sư chinh phục công nghệ in phun nano, ứng dụng trong thực tiễn. https://baocaovien.vn/tin-tuc/nu-pho-giao-su-chinh-phuc-cong-nghe-in-phun-nano-ung-dung-trong-thuc-tien/187074.html
[5] Trịnh Dũng Chinh. Nghiên cứu chế tạo mực in phun trên cơ sở vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, hướng đến ứng dụng trong in bảo mật. https://vnuhcm.edu.vn/news_32343364/nghien-cuu-che-tao-muc-in-phun-tren-co-so-vat-lieu-nano-phat-quang-chua-dat-hiem-huong-den-ung-dung-trong-in-bao-mat-ncs-trinh-dung-chinh/343833373364.html
[6] Zhou, X. et al. (2022). Fabrication of Electronics by Electrohydrodynamic Jet Printing. Advanced Electronic Materials. https://doi.org/10.1002/aelm.202200728
[7] Su, X. et al. (2020). Microtip focused electrohydrodynamic jet printing with nanoscale resolution. Nanoscale, 12(45), 23105–23113. https://doi.org/10.1039/D0NR08236H