Nhà khoa học phát triển chất tạo màu thân thiện với môi trường

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Dong Bin, Đại học Dân tộc Đại Liên (Trung Quốc), phát triển chất tạo màu thân thiện môi trường từ các nguyên tố đất hiếm, thường được ví như “vitamin công nghiệp”.

Nhóm khẳng định sản phẩm của họ không chỉ an toàn mà còn có độ bền cao và giá thành thấp hơn đáng kể so với thị trường.

Trong nhiều thập kỷ, chất tạo màu công nghiệp có thể chứa các kim loại nặng như chì, cadmium và thủy ngân. Dù mang lại màu sắc tươi sáng và ổn định, những kim loại này tiềm ẩn nguy cơ lớn đối với sức khỏe con người.

Ngay cả khi được phủ lớp bảo vệ, kim loại nặng vẫn có thể thôi nhiễm trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc khi tiếp xúc với axit mạnh, bao gồm axit dạ dày nếu trẻ em vô tình nuốt phải đồ chơi. Việc tiếp xúc kéo dài có thể gây tổn thương hệ thần kinh, thận và làm suy giảm khả năng tạo máu.

Bước đột phá đến khi các nhà khoa học nhận thấy ion đất hiếm có khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng tương tự các sắc tố hiệu suất cao truyền thống. Tuy nhiên, việc ứng dụng phát hiện này vào thực tế không hề đơn giản.

Các ion đất hiếm tương tác mạnh với ánh sáng nhưng lại rất nhạy cảm, thường tạo ra màu sắc yếu và dễ thay đổi theo điều kiện chiếu sáng, khiến chúng khó sử dụng trong sơn, nhựa hay hàng tiêu dùng.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn silicoaluminate làm vật liệu nền. Đây là khoáng chất dồi dào nhưng có cấu trúc nội tại phức tạp, khiến việc xác định vị trí ổn định của ion đất hiếm trở nên khó khăn.

Theo nhà nghiên cứu Luo Xixian, nếu ion nằm sai vị trí trong cấu trúc tinh thể, màu sắc sẽ bị biến dạng. Nhóm đã điều chỉnh môi trường hóa học xung quanh để các ion có thể chuyển đổi hiệu quả giữa các mức năng lượng, từ đó tạo ra màu sắc đậm và ổn định.

Do hành vi của ion đất hiếm trong tinh thể khó mô phỏng bằng máy tính, nhóm đã lựa chọn phương pháp thử nghiệm thực tế. Trong nhiều năm, các nhà khoa học tiến hành hơn 1.000 thí nghiệm có định hướng, thử nghiệm hàng nghìn tổ hợp vật liệu khác nhau.

Kết quả là các chất tạo màu mới duy trì màu sắc ổn định dưới nhiều điều kiện ánh sáng, đồng thời có khả năng chịu nhiệt và chống oxi cao. Chúng không bị phai màu khi tiếp xúc lâu với ánh nắng hoặc trong quá trình gia công công nghiệp ở nhiệt độ cao.

Bên cạnh độ bền, lợi thế về chi phí cũng là điểm đáng chú ý. Nhờ sử dụng các khoáng chất phổ biến và những nguyên tố đất hiếm đang có nhu cầu thấp trên thị trường, nhóm nghiên cứu ước tính giá thành sản phẩm có thể thấp hơn khoảng 60% so với các chất tạo màu cao cấp hiện nay.

Đến nay, nhóm đã phát triển thành công các sắc tố có độ bão hòa cao ở bốn hệ màu chính: xanh lá, vàng, cam và đỏ.

Giới nghiên cứu đánh giá cao ý nghĩa thực tiễn của dự án. Trong khi đất hiếm chủ yếu được ứng dụng trong xe điện, tuabin gió hay thiết bị điện tử, các chất tạo màu mới mở ra hướng đưa công nghệ vật liệu tiên tiến vào những sản phẩm tiêu dùng quen thuộc như đồ chơi và vật dụng gia đình.

Nhóm nghiên cứu đã ký thỏa thuận sơ bộ xây dựng dây chuyền sản xuất thử nghiệm công suất 500 tấn tại Khu Phát triển Mới Kim Phổ, tỉnh Liêu Ninh. Bên cạnh đó, các nhà khoa học tiếp tục mở rộng dải màu, hướng tới mục tiêu thay thế hoàn toàn các chất tạo màu độc hại trong hàng tiêu dùng.

Theo giáo sư Dong Bin, mục tiêu dài hạn của dự án là biến vật liệu không độc hại trở thành lựa chọn mặc định trong đời sống hằng ngày.