Tiếng Việt 
日本語 (Japan) 
한국어 (Korean) 
中文 (Chinese) 
English (UK) Mọi công cụ, động cơ và bộ phận chuyển động cuối cùng đều sẽ bị mài mòn theo thời gian. Nhưng thực sự điều gì xảy ra trên bề mặt, nơi các vật liệu tiếp xúc, cọ xát và dần bị phá hủy? Trả lời câu hỏi đó là công việc hằng ngày của TS. Kati Valtonen, Nhà khoa học chính tại Đại học Tampere, nơi kính hiển vi điện tử biến những quá trình mài mòn vô hình thành những hiểu biết giúp vật liệu có độ bền lâu hơn. Làm việc cùng các nhà nghiên cứu và đối tác công nghiệp, bà kết nối những gì xảy ra ở cấp độ vi mô với cách vật liệu hoạt động trong thế giới thực.
Mọi công cụ, động cơ và bộ phận chuyển động cuối cùng đều sẽ bị mài mòn theo thời gian. Nhưng thực sự điều gì xảy ra trên bề mặt, nơi các vật liệu tiếp xúc, cọ xát và dần bị phá hủy? Trả lời câu hỏi đó là công việc hằng ngày của TS. Kati Valtonen, Nhà khoa học chính tại Đại học Tampere, nơi kính hiển vi điện tử biến những quá trình mài mòn vô hình thành những hiểu biết giúp vật liệu có độ bền lâu hơn. Làm việc cùng các nhà nghiên cứu và đối tác công nghiệp, bà kết nối những gì xảy ra ở cấp độ vi mô với cách vật liệu hoạt động trong thế giới thực.
Khi bắt đầu làm việc với kính hiển vi điện tử hơn 30 năm trước, Kati Valtonen hầu như không thể hình dung được những khả năng mà công nghệ này có được ngày nay. Công việc của bà tập trung ngay tại bề mặt đó, nơi ma sát, mài mòn và biến dạng âm thầm làm thay đổi vật liệu theo thời gian. Trong các lĩnh vực như lớp phủ, phân tích hư hỏng và vật liệu chống mài mòn, bà đã dành cả sự nghiệp để giải mã những dấu hiệu ở quy mô nhỏ, qua đó lý giải tại sao vật liệu thành công hoặc thất bại trong quá trình sử dụng, đồng thời giúp các đối tác công nghiệp đưa những phát hiện này vào thực tế.
Trong cuộc phỏng vấn này, bà đưa chúng ta khám phá hoạt động nghiên cứu khoa học vật liệu tại Đại học Tampere và tìm hiểu về kính hiển vi điện tử quét TESCAN CLARA™, từ thử nghiệm cơ học vi mô in situ và lập bản đồ EBSD đến đo nanoindentation và chụp ảnh điện tử tán xạ ngược ở điện áp thấp. Qua đó, bà cho thấy mỗi kỹ thuật hỗ trợ quan sát quá trình vật liệu biến dạng và mài mòn như thế nào, đồng thời làm rõ cấu trúc ẩn bên trong vật liệu.
Hành trình sự nghiệp: Từ Phân tích hư hỏng đến nghiên cứu mài mòn
Trước khi gặp gỡ nhà khoa học, hãy cùng tìm hiểu nhanh về lĩnh vực này. Nghiên cứu mài mòn tìm hiểu cách vật liệu bị suy giảm trong quá trình sử dụng, dù do mài mòn cơ học (abrasion) – sự hao mòn do cọ xát và ma sát – hay xói mòn (erosion) – sự mất mát vật liệu do các hạt hoặc chất lỏng tác động lên bề mặt. Việc phân tích những thay đổi ở quy mô nhỏ đó giúp TS. Valtonen dự đoán một linh kiện sẽ chịu đựng như thế nào trong điều kiện thực tế.
Q: Bà có thể giới thiệu ngắn gọn về vai trò của mình tại Đại học Tampere và trọng tâm hoạt động của Tampere Wear Center?
“Với vai trò là Nhà khoa học chính (Staff Scientist), tôi chịu trách nhiệm về cơ sở hạ tầng nghiên cứu của Tampere Wear Center và các cơ sở phân tích đặc trưng vật liệu thuộc Bộ môn Khoa học Vật liệu Kỹ thuật tại Đại học Tampere. Công việc của tôi kết hợp các trách nhiệm về khoa học, kỹ thuật và giáo dục. Trên thực tế, tôi đào tạo người sử dụng các thiết bị phân tích đặc trưng tiên tiến, hỗ trợ các nhà nghiên cứu lập kế hoạch và thực hiện các thí nghiệm mài mòn, hỗ trợ triển khai các nghiên cứu bằng kính hiển vi, điều phối hoạt động phát triển cơ sở hạ tầng và các dự án mua sắm, đồng thời là đầu mối liên hệ quan trọng với các đối tác công nghiệp.
Giáo dục cũng là một phần quan trọng trong vai trò của tôi. Tôi giảng dạy về kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét và vi phân tích ở bậc cử nhân, đồng thời giảng dạy về cơ chế mài mòn do ma sát cơ học và xói mòn ở bậc thạc sĩ. Làm việc với sinh viên ở các giai đoạn học tập khác nhau cho phép tôi chia sẻ kinh nghiệm thực tiễn, đồng thời khuyến khích thế hệ tiếp theo của các nhà khoa học và kỹ sư vật liệu.”
TS. Valtonen hướng dẫn Nghiên cứu sinh Bahareh Javanpour.
Hành trình của bà gắn liền với khoa học tribology (tribology) – lĩnh vực nghiên cứu những gì xảy ra khi các bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau, trong mối quan hệ giữa ma sát, mài mòn và bôi trơn. Bà đến với lĩnh vực này thông qua một hành trình sự nghiệp có những bước ngoặt khá bất ngờ.
Q: Sự nghiệp của bà trải qua nhiều lĩnh vực, từ kính hiển vi điện tử và lớp phủ giấy bìa đến tribology. Bà có thể chia sẻ về quá trình nghiên cứu của mình?
“Kính hiển vi điện tử đã đóng vai trò cốt lõi trong sự nghiệp nghiên cứu của tôi trong hơn 30 năm. Tôi bắt đầu với các dự án công nghiệp quy mô nhỏ tập trung vào phân tích hư hỏng, sử dụng kính hiển vi để điều tra nguyên nhân gốc rễ của các hư hỏng vật liệu.
Sau đó, nghiên cứu của tôi tập trung vào việc phân tích đặc trưng các lớp phủ giấy bìa gốc nước, trong đó tôi kết hợp kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của lớp phủ.”
Phần lớn sự tò mò của bà tập trung vào những dấu vết mà quá trình mài mòn để lại. Khi vật liệu bị mài mòn, các lớp bề mặt mỏng được gọi là tribolayer hình thành, lưu giữ dấu vết của ma sát, biến dạng và sự tiếp xúc mài mòn mà bề mặt đã trải qua. Việc học cách đọc những dấu vết này chính là nơi niềm say mê của bà đối với nghiên cứu mài mòn thực sự bắt đầu.
Q: Điều gì đã truyền cảm hứng cho bà quan tâm đến quá trình mài mòn vật liệu, và có những thời điểm quan trọng nào đã định hướng bà đến lĩnh vực này không?
“Một bước ngoặt quan trọng trong sự nghiệp của tôi đến vào năm 2008 với sự thành lập của Tampere Wear Center, nơi tôi tham gia với vai trò quản lý dự án. Làm việc chặt chẽ với các dự án phát triển vật liệu cho ngành khai khoáng và chế biến khoáng sản đã khơi dậy sự quan tâm của tôi đối với các vật liệu chống mài mòn và truyền cảm hứng để tôi theo đuổi bằng Tiến sĩ. Luận án tiến sĩ của tôi, ‘Relevance of Laboratory Wear Experiments for the Evaluation of In-Service Performance of Materials’, nghiên cứu cách các thử nghiệm mài mòn trong phòng thí nghiệm có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất thực tế của vật liệu trong quá trình sử dụng.
Trong suốt quá trình nghiên cứu này, SEM đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích đặc trưng các bề mặt mài mòn và các tribolayer hình thành trong quá trình sử dụng. Tribolayer đặc biệt khó nghiên cứu vì các quá trình mài mòn gây ra biến dạng nghiêm trọng đối với vật liệu bề mặt, tạo thành những lớp có cấu trúc nano phức tạp. Việc phân tích đặc trưng các lớp này là yếu tố thiết yếu để hiểu cơ chế mài mòn và cuối cùng là cải thiện hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khắt khe.”
TESCAN CLARA™ trong thực tế: Thử nghiệm In Situ, EBSD và Nanoindentation
Điều khiến một thiết bị như CLARA™ trở nên mạnh mẽ chính là khả năng quan sát vật liệu ngay trong quá trình biến đổi. Nghiên cứu in situ cho phép các đồng nghiệp của TS. Valtonen theo dõi vật liệu khi một quá trình diễn ra theo thời gian thực, trong khi các nghiên cứu operando còn tiến thêm một bước, quan sát vật liệu đang hoạt động dưới các điều kiện vận hành thực tế thay vì trong một phép thử biệt lập.
Q: TESCAN CLARA™ được tích hợp như thế nào vào nghiên cứu của bà, và những khả năng nào đã chứng minh được tính hữu ích nhất cho đến nay?
“Một trọng tâm lớn trong nghiên cứu của chúng tôi với kính hiển vi điện tử quét TESCAN CLARA™ là nghiên cứu đặc tính biến dạng ở các quy mô chiều dài nhỏ. Chúng tôi sử dụng thử nghiệm cơ học vi mô in situ bên trong SEM để nghiên cứu cách vật liệu đáp ứng với tải cơ học trong nhiều điều kiện khác nhau. Cấu hình hiện tại cho phép kết hợp lập bản đồ nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (EBSD) và các phép đo nanoindentation trên cùng một thiết bị, mang lại những cơ hội mạnh mẽ để tương quan các đặc điểm vi cấu trúc với các tính chất cơ học cục bộ.”
Hệ thống thụt nano Alemnis tại chỗ trong Tescan CLARA
“Những khả năng này đã được Nhóm Nghiên cứu Cơ học vi mô và Cấu trúc nano do Phó Giáo sư Gaurav Mohanty dẫn dắt sử dụng rộng rãi. TESCAN CLARA™ mang lại tính linh hoạt đặc biệt nhờ thiết kế mô-đun, buồng mẫu lớn và nhiều cổng kết nối phụ kiện. Khả năng của hệ thống sẽ tiếp tục được mở rộng trong thời gian tới với việc bổ sung một bàn thử nghiệm kéo và nén, cho phép thực hiện các thí nghiệm phân tích đặc trưng cơ học in situ tiên tiến hơn nữa.
Trong công việc của mình, tôi đặc biệt yêu thích các detector in-lens có độ phân giải cao, cho phép thu được hình ảnh điện tử tán xạ ngược (BSE) chất lượng cao ở điện áp gia tốc thấp. Detector LE-BSE cũng đã chứng minh được giá trị đặc biệt. Ví dụ, chúng tôi đã áp dụng thành công detector này trong Kỹ thuật tạo ảnh tương phản kênh điện tử (Electron Channeling Contrast Imaging – ECCI), một kỹ thuật cho phép quan sát các khuyết tật tinh thể và cấu trúc biến dạng.
Trong tương lai, chúng tôi hy vọng kính hiển vi điện tử quét TESCAN CLARA™ đa năng cùng hệ thống ngày càng mở rộng các công cụ phân tích đặc trưng và thử nghiệm bổ trợ sẽ được sử dụng trong ngày càng nhiều dự án nghiên cứu hợp tác. Thiết bị này là một phần quan trọng của Cơ sở hạ tầng Nghiên cứu Operando cho Vật liệu và Hệ thống Năng lượng (Operando Research Infrastructure for Energy Materials and Systems – OperaRI), cung cấp các kỹ thuật phân tích đặc trưng in situ và operando tiên tiến nhằm hỗ trợ những đột phá khoa học trong lĩnh vực hydro và các công nghệ xanh khác.
OperaRI là một cơ sở hạ tầng nghiên cứu chung được thành lập bởi Đại học Oulu, Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Phần Lan VTT và Đại học Tampere. Các đối tác đã cùng xây dựng một nền tảng cấp quốc gia độc đáo, kết hợp các năng lực phân tích đặc trưng bổ trợ nhằm thúc đẩy quá trình phát triển các vật liệu, công nghệ và quy trình mới phục vụ quá trình chuyển đổi xanh và nền kinh tế hydro. Bằng cách tích hợp các nguồn lực này thông qua một nền tảng kỹ thuật số dùng chung, OperaRI củng cố hệ sinh thái nghiên cứu của Phần Lan và hỗ trợ đổi mới trong các lĩnh vực có tầm quan trọng cấp quốc gia. Cơ sở hạ tầng này được đưa vào Lộ trình Cơ sở hạ tầng Nghiên cứu Phần Lan (Finnish Research Infrastructure Roadmap – FIRI) do Hội đồng Nghiên cứu Phần Lan (Research Council of Finland) duy trì.”
Hệ thống thụt nano Tescan CLARA và Alemnis tại chỗ
Q: Có những thách thức hoặc giai đoạn làm quen bất ngờ nào khi đưa hệ thống SEM mới vào phòng thí nghiệm của bà không, và bà đã học được gì từ quá trình đó?
“Trong suốt sự nghiệp của mình, tôi đã làm việc với nhiều kính hiển vi điện tử quét từ các nhà sản xuất khác nhau. Mặc dù những nguyên lý cơ bản vẫn giống nhau, tôi vẫn bị cuốn hút bởi mức độ khác biệt về triết lý thiết kế, giao diện người dùng và trải nghiệm vận hành tổng thể giữa các thiết bị. Mỗi hệ thống đều có những điểm mạnh và những đặc điểm riêng, và để trở thành chuyên gia với một kính hiển vi mới luôn cần trải qua một quá trình học hỏi.
Mặt khác, có một vài tính năng trên các hệ thống cũ mà đôi khi tôi vẫn nhớ. Ví dụ như một cần điều khiển (joystick) chuyên dụng để điều chỉnh khoảng cách làm việc. Những chi tiết như vậy có vẻ nhỏ, nhưng chúng có thể ảnh hưởng đáng kể đến trải nghiệm sử dụng hằng ngày, đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu điều khiển các hệ thống thử nghiệm cơ học bên trong kính hiển vi.”
Khi nghiên cứu học thuật gặp gỡ hợp tác công nghiệp
Dù các thiết bị có độ chính xác cao đến đâu, công việc nghiên cứu hiếm khi diễn ra một cách biệt lập. Trong công việc hằng ngày, TS. Valtonen đứng tại điểm giao thoa giữa sự tò mò khoa học trong môi trường học thuật và những câu hỏi thực tiễn mà ngành công nghiệp mang đến phòng thí nghiệm. Chính sự giao thoa này, hơn bất kỳ kỹ thuật đơn lẻ nào, là điều bà cảm thấy đáng giá nhất.
Q: Bà làm việc tại giao điểm giữa nghiên cứu học thuật và nhu cầu thực tiễn của ngành công nghiệp. Điều gì khiến bà cảm thấy đáng giá nhất trong vai trò hợp tác này?
“Điều khiến tôi cảm thấy đáng giá nhất là cơ hội hợp tác với các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau. Các kỹ thuật phân tích đặc trưng tiên tiến, đặc biệt là kính hiển vi điện tử, mang lại một góc nhìn độc đáo về cấu trúc và hành vi của vật liệu. Dù là nghiên cứu cơ chế mài mòn, phân tích hư hỏng hay hỗ trợ phát triển vật liệu mới, tôi luôn được thúc đẩy bởi khả năng khám phá những hiểu biết giúp giải quyết các thách thức kỹ thuật trong thế giới thực.”
Tương lai của nghiên cứu khoa học vật liệu và kính hiển vi tiên tiến
Nếu ba thập kỷ qua đã làm thay đổi đáng kể những gì một kính hiển vi có thể khám phá, thì những năm tới hứa hẹn sẽ còn nhiều hơn thế. TS. Valtonen hướng tới một tương lai trong đó việc quan sát sâu hơn vào bên trong vật liệu chỉ là điểm khởi đầu, và những quan sát đó ngày càng đóng vai trò định hướng cho việc thiết kế các vật liệu của tương lai.
Q: Trong 5–10 năm tới, bà hình dung kính hiển vi tiên tiến và các công nghệ liên quan sẽ định hình tương lai của nghiên cứu mài mòn và khoa học vật liệu như thế nào?
“Với các kỹ thuật phân tích đặc trưng tiên tiến, có thể thu được thông tin chi tiết phục vụ cho các mô hình vật liệu được sử dụng trong mô hình hóa đa cấp độ (multi-scale modeling). Do đó, các kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến mở ra những khả năng mới để hiểu rõ hơn về hành vi của vật liệu, thu hẹp khoảng cách giữa vi cấu trúc và hiệu suất, đồng thời hỗ trợ phát triển các vật liệu thế hệ tiếp theo cho những ứng dụng công nghiệp và năng lượng đòi hỏi khắt khe.”
Những điểm chính
Công việc của TS. Kati Valtonen cho thấy cách kính hiển vi tiên tiến biến những hành vi phức tạp của vật liệu thành những hiểu biết có giá trị thực tiễn. Bằng cách kết hợp nghiên cứu mài mòn, thử nghiệm in situ, EBSD, nanoindentation và chụp ảnh SEM độ phân giải cao ở điện áp thấp, bà cùng các đồng nghiệp đang xây dựng những mối liên hệ rõ ràng hơn giữa vi cấu trúc, tính chất cơ học và độ bền trong điều kiện thực tế.
Khi những thiết bị như TESCAN CLARA™ được tích hợp vào các cơ sở hạ tầng nghiên cứu dùng chung như OperaRI, chúng cho phép các nhà nghiên cứu quan sát quá trình mài mòn với độ tin cậy cao hơn, đồng thời củng cố sự hợp tác giữa học thuật và công nghiệp – yếu tố thúc đẩy sự phát triển của các vật liệu mới.
Tác giả: Sepideh Koubjari, Ph.D.
Chuyên viên Marketing Nội dung, TESCAN
Chi tiết sản phẩm liên quan: -
Liên hệ & Tư vấn chi tiết
