Làm chủ công nghệ chế tạo vi sợi nano từ polyme phân hủy sinh học bằng phương pháp phun trong điện từ trường

Bước chuyển từ “phun nhanh - hết nhanh” sang tư duy nhả chậm có kiểm soát

Trong nhiều năm qua, thuốc bảo vệ thực vật vẫn là “trợ thủ” quan trọng của người nông dân trong “cuộc chiến” với sâu bệnh. Nhưng đi kèm với đó là một thực tế khó phủ nhận: Ở không ít nơi, việc sử dụng thuốc trừ sâu còn thiếu kiểm soát, dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng, làm suy giảm đa dạng sinh học và gây áp lực lên chính hiệu quả sản xuất.

Một phần nguyên nhân nằm ở đặc tính của nhiều loại thuốc trừ sâu truyền thống: Hoạt chất có thể tác động nhanh nhưng cũng dễ thất thoát do bay hơi, rửa trôi hoặc phân hủy dưới tác động của thời tiết. Điều này khiến người trồng phải tăng số lần sử dụng, kéo theo chi phí cao hơn và rủi ro môi trường lớn hơn. Trước bài toán đó, nhiều hướng nghiên cứu trên thế giới đang tập trung phát triển các dạng thuốc “thông minh hơn”, trong đó đáng chú ý là nhóm giải pháp nhả chậm có kiểm soát - giúp hoạt chất được giải phóng từ từ theo thời gian thay vì “bung” ra ngay lập tức.

Tại Việt Nam, hướng tiếp cận này đã được hiện thực thông qua đề tài cấp quốc gia “Nghiên cứu chế tạo vi sợi có kích thước nano sử dụng phương pháp phun trong điện từ trường (electrospinning) ứng dụng bao bọc thuốc trừ sâu nhả chậm có kiểm soát”, thuộc khuôn khổ Chương trình Phát triển khoa học cơ bản trong lĩnh vực hóa học, khoa học sự sống, khoa học trái đất và khoa học biển giai đoạn 2017 - 2025, tầm nhìn đến năm 2030 do Bộ Khoa học và Công nghệ quản lý.

Đề tài do PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm - Viện Kỹ thuật Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ nhiệm.

Điểm nổi bật của đề tài không chỉ nằm ở “kết quả cuối cùng” mà còn ở việc làm chủ một công nghệ vật liệu tiên tiến và đưa nó tiến gần hơn tới thực tiễn nông nghiệp.

Nếu nhìn từ góc độ sử dụng hằng ngày ngoài đồng ruộng, thuốc trừ sâu thường được kỳ vọng “đánh nhanh, diệt gọn”. Nhưng chính vì giải phóng hoạt chất nhanh nên thuốc cũng dễ thất thoát. Trong nhiều trường hợp, người trồng phải phun lại, tăng liều hoặc thay loại thuốc - vòng lặp vừa tốn kém vừa tạo rủi ro dư lượng.

Nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Thanh Liêm và cộng sự lựa chọn cách tiếp cận theo hướng: Không thay đổi bản chất hoạt chất, mà thay đổi “cách đưa hoạt chất ra môi trường” thông qua một lớp vật liệu bảo vệ. Mục tiêu được xác định rõ ràng là chế tạo vi sợi polyme bọc thuốc trừ sâu nhả chậm có kiểm soát, đồng thời làm chủ công nghệ tạo vi sợi nano từ polyme phân hủy sinh học bằng electrospinning.

Cách tiếp cận nhả chậm giúp hình thành một tư duy sử dụng thuốc mới: Thay vì “tác động mạnh ngay lập tức rồi phải bổ sung liên tục”, thuốc có thể duy trì hiệu quả lâu hơn, ổn định hơn, từ đó giúp giảm số lần phun và giảm lượng hóa chất phát tán ra môi trường. Đây cũng là hướng đi phù hợp với xu thế nông nghiệp hiện đại: Hiệu quả sản xuất phải song hành với an toàn.

Electrospinning đồng trục: Tạo “lớp áo nano” bằng polyme phân hủy sinh học

Nền tảng công nghệ làm nên dấu ấn của đề tài là phương pháp electrospinning, đặc biệt là electrospinning đồng trục. Đây là kỹ thuật cho phép tạo ra vi sợi siêu nhỏ với cấu trúc đặc biệt dạng vỏ - lõi. Trong đó, phần lõi có thể chứa hoạt chất thuốc trừ sâu, còn phần vỏ là polyme bao quanh đóng vai trò như “áo giáp” bảo vệ và điều tiết tốc độ nhả thuốc.

Nhờ cơ chế này, hoạt chất không giải phóng ồ ạt mà nhả dần theo thời gian, tạo ra khả năng kiểm soát tốt hơn so với công thức truyền thống. Điểm đáng chú ý là đề tài lựa chọn lớp vỏ từ các polyme phân hủy sinh học như PLA, PBAT… Đây không chỉ là lựa chọn mang tính kỹ thuật, mà còn phản ánh định hướng phát triển bền vững, giảm vật liệu khó phân hủy trong môi trường canh tác.

Trong quá trình triển khai, nhóm nghiên cứu cũng chú trọng xây dựng quy trình và tối ưu vật liệu để đảm bảo vi sợi tạo ra ổn định, có tính lặp lại - yếu tố quan trọng nếu công nghệ muốn tiến xa hơn tới ứng dụng và chuyển giao.

Tạo nền tảng cho thuốc trừ sâu thế hệ mới

Không chỉ dừng ở việc “tạo được vi sợi nano”, đề tài cấp quốc gia còn hướng tới mục tiêu ứng dụng rất rõ ràng: Phát triển giải pháp bao bọc thuốc trừ sâu theo cơ chế nhả chậm có kiểm soát, từ đó nâng hiệu quả sử dụng và giảm tác động môi trường.

Nghiên cứu lựa chọn các hoạt chất quen thuộc, đang phổ biến trong chế phẩm thương mại như Fenobucarb và Profenofos để thực hiện bao bọc. Đây là cách làm thực tế, bởi công nghệ khi kết hợp với hoạt chất đã có mặt trên thị trường sẽ dễ mở rộng ứng dụng hơn, thay vì phải mất thêm nhiều năm để thẩm định một hoạt chất mới.

Song song, nhóm nghiên cứu cũng phát triển các dạng sản phẩm phù hợp thực tiễn đồng ruộng như bột thấm ướt (WP), huyền phù đậm đặc (SC) và dạng hạt (GR). Việc có nhiều dạng bào chế giúp sản phẩm dễ tiếp cận người sử dụng, không tạo “rào cản” về thao tác và thói quen canh tác.

Một trong những ý nghĩa đáng chú ý khác là khả năng lớp vỏ polyme hỗ trợ hạn chế phân hủy hoạt chất dưới tác động của nhiệt độ và ánh sáng, đồng thời góp phần giảm mùi khó chịu khi sử dụng - yếu tố thường gây khó chịu cho người trực tiếp phun thuốc.

Về mặt khoa học và công nghệ, đề tài cũng ghi nhận các kết quả như công bố quốc tế, đăng ký giải pháp hữu ích và đào tạo nhân lực, qua đó cho thấy đây là hướng nghiên cứu có nền tảng, có tiềm năng phát triển tiếp.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu đề xuất tiếp tục tối ưu công nghệ, nâng tốc độ chế tạo và mở rộng thử nghiệm để khẳng định hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, hướng tới khả năng chuyển giao và ứng dụng rộng rãi.

Từ một đề tài cấp quốc gia, việc làm chủ công nghệ chế tạo vi sợi nano từ polyme phân hủy sinh học bằng phương pháp phun trong điện từ trường đang cho thấy một hướng đi mới: Đưa các thành tựu vật liệu tiên tiến vào bài toán thực tiễn của nông nghiệp - nơi hiệu quả phòng trừ sâu bệnh không thể tách rời câu chuyện môi trường và sức khỏe cộng đồng./.

CT