Nhựa PET thường được nghiền và nấu chảy khi tái chế: Laser mới “bắn” ra 10 nghìn tỷ nanodiamond mỗi phát

Một phát laser vào màng PET dày 100 micromet có thể tạo ra khoảng 10 nghìn tỷ nanodiamond. Con số nghe như quy mô công nghiệp, nhưng thực tế khối lượng thu được vẫn rất nhỏ: nhóm nghiên cứu cần khoảng 100 phát bắn để gom được vài trăm microgram vật liệu.

Điều đáng chú ý hơn nằm ở chỗ khác. Các nhà nghiên cứu tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) và Đại học Rostock không chỉ quan sát kim cương hình thành trong vài nano giây dưới áp suất cực cao như những thí nghiệm trước. Lần này họ đã thu hồi được các hạt nanodiamond sau khi xung nén kết thúc, đưa chúng trở lại điều kiện bình thường và quan sát trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử.

Nghiên cứu được công bố trên Diamond and Related Materials với tiêu đề Recovery of ultrasmall nanodiamonds from plastics shock-compressed to pressures around 100 GPa. Kết quả cho thấy các hạt thu được có đường kính trung bình khoảng 3 nm, với độ phân bố kích thước hẹp hơn 1 nm.

Từ mô phỏng “mưa kim cương” trên hành tinh tới cách chế tạo vật liệu

Ý tưởng bắn laser vào nhựa PET ban đầu không xuất phát từ bài toán tái chế. Năm 2022, nhóm của Dominik Kraus dùng PET như một vật liệu mô hình để mô phỏng môi trường giàu carbon, hydro và oxy bên trong các hành tinh băng khổng lồ như Uranus và Neptune.

Trong thí nghiệm đó, xung laser tạo sóng xung kích đủ mạnh để đưa PET vào trạng thái áp suất khoảng 72–125 GPa và nhiệt độ khoảng 3.500–6.000 K. Nhờ nhiễu xạ tia X và tán xạ tia X góc nhỏ, nhóm quan sát được carbon tái sắp xếp thành các tinh thể kim cương nano trong thời gian cực ngắn. Công trình được đăng trên Science Advances năm 2022.

Nhưng nhìn thấy tín hiệu kim cương khi vật liệu vẫn đang chịu áp suất cao chưa trả lời được câu hỏi quan trọng cho sản xuất: những hạt đó có sống sót sau khi áp suất biến mất hay không? Các mô phỏng công bố năm 2024 cho thấy quá trình giải nén có thể phá hủy một phần nanodiamond, đặc biệt ở nhiệt độ shock cao. Vì vậy, việc hình thành kim cương và việc thu được bột nanodiamond ổn định là hai bài toán khác nhau.

Xung laser tạo khoảng 100 GPa, rồi “bắn” nanodiamond ra với tốc độ hơn 10 km/s

Trong thí nghiệm mới tại cơ sở ELI Beamlines ở phía nam Prague, laser năng lượng cao tại trạm L4n-P3 bắn vào màng PET theo nhịp khoảng ba lần mỗi phút. Xung laser kéo dài ở thang nano giây tạo sóng xung kích đưa vật liệu tới áp suất khoảng 100 GPa và nhiệt độ khoảng 4.000 K — đủ để kích hoạt phản ứng tạo pha carbon dạng kim cương.

Khi sóng nén đi tới mặt sau của mẫu và thoát vào chân không, các nanodiamond vừa hình thành bị gia tốc lên hơn 10 km/s. Đây lại là một vấn đề: nếu đập trực tiếp vào thành bộ thu ở tốc độ như vậy, các hạt có thể bị phá hủy.

Giải pháp của nhóm là một gel ion mềm, tương thích với chân không và tan trong nước. Gel đóng vai trò như lớp hãm, cho phép các hạt mất động năng mà không chịu va chạm quá mạnh. Sau thí nghiệm, nhóm hòa tan vật liệu bắt giữ, tinh sạch phần còn lại rồi dùng kính hiển vi điện tử truyền qua để xác nhận cấu trúc và kích thước nanodiamond.

Đây là phần mới quan trọng của nghiên cứu năm 2026: quy trình không dừng ở việc chứng minh kim cương xuất hiện trong shock, mà đã đi tới bước thu hồi vật liệu hữu hình để phân tích.

10 nghìn tỷ hạt vẫn chỉ là một lượng vật liệu rất nhỏ

Mỗi phát bắn được nhóm ước tính phóng vào bộ thu khoảng 10¹³ hạt nanodiamond có kích thước gần nhau. Với đường kính trung bình khoảng 3 nm, một hạt chỉ chứa cỡ 3.000 nguyên tử carbon. Vì vậy, số lượng hạt rất lớn không đồng nghĩa với sản lượng lớn.

Khoảng 100 phát bắn mới mang lại vài trăm microgram vật liệu, vừa đủ cho các phép đo đặc trưng chi tiết. Nhóm nghiên cứu hiện đặt mục tiêu nâng sản lượng lên mức milligram trong các thí nghiệm tiếp theo.

Điểm này cũng giúp đặt cụm từ “tái chế nhựa thành kim cương” vào đúng bối cảnh. Thí nghiệm sử dụng màng PET mỏng, được chuẩn bị có kiểm soát, chứ chưa chứng minh khả năng xử lý chai nhựa bẩn, nhựa pha phụ gia hay dòng rác nhựa hỗn hợp. Nhóm cũng chưa công bố một đánh giá vòng đời, chi phí năng lượng hay chi phí sản xuất cho thấy laser có thể cạnh tranh với tái chế cơ học hoặc các công nghệ xử lý PET hiện có.

Vì thế, ở giai đoạn này, đây hợp lý hơn khi được xem là một hướng upcycling carbon từ polymer thành vật liệu nano giá trị cao, thay vì một phương án thay thế trực tiếp cho dây chuyền tái chế nhựa.

Vì sao nanodiamond 3 nm đáng quan tâm?

Nanodiamond đã được sử dụng trong vật liệu mài và đánh bóng, nhưng những hạt cực nhỏ, sạch và có phân bố kích thước hẹp còn được nghiên cứu cho cảm biến lượng tử, chất tương phản y sinh và xúc tác. Kích thước nhỏ làm tăng tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích, hữu ích trong những phản ứng diễn ra ở bề mặt hạt.

Quy trình laser còn có một ưu điểm tiềm năng khác: thành phần của polymer đầu vào có thể được điều chỉnh để đưa các nguyên tử tạp vào mạng carbon trong quá trình hình thành. Nếu kiểm soát được bước này, nó có thể giúp tạo ra các tâm khuyết tật hoặc trạng thái hóa học bề mặt phù hợp cho từng ứng dụng, thay vì phải xử lý hạt sau tổng hợp.

Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại chủ yếu chứng minh ba việc: PET có thể tạo nanodiamond dưới shock laser, các hạt có thể sống sót khi giải nén và có thể được thu hồi với kích thước khá đồng đều. Hiệu suất năng lượng, độ tinh khiết ở quy mô lớn, khả năng kiểm soát doping và chi phí thiết bị vẫn cần dữ liệu thực nghiệm tiếp theo.

Nút thắt tiếp theo là số phát laser mỗi giây, không phải số hạt mỗi phát

Ở thiết lập hiện tại, hệ thống chỉ bắn khoảng ba phát mỗi phút. Muốn biến phương pháp thành một quy trình sản xuất, tốc độ lặp phải tăng mạnh trong khi mỗi xung vẫn duy trì đủ năng lượng để tạo vùng áp suất hàng chục đến khoảng 100 GPa.

Nhóm nghiên cứu cho rằng các laser năng lượng cao, tần số lặp lớn đang được phát triển cho nghiên cứu nhiệt hạch có thể giúp giải bài toán này. Nhưng đó vẫn là bước phải chứng minh: hệ thống cần vận hành ổn định, thay mẫu hoặc cấp polymer liên tục, thu hồi hạt hiệu quả và tiêu thụ năng lượng ở mức chấp nhận được.

Nói cách khác, thí nghiệm mới chưa biến rác nhựa thành kim cương ở quy mô nhà máy. Nó giải quyết một câu hỏi nền tảng hơn: nanodiamond hình thành dưới shock laser có thể được đưa ra khỏi môi trường cực đoan và thu lại như một vật liệu thực hay không? Với kết quả lần này, câu trả lời đã là có. Phần khó tiếp theo là biến vài trăm microgram thành một quy trình có sản lượng và kinh tế đủ thuyết phục.

Nguồn: Diamond and Related Materials (2026); Helmholtz Association / Phys.org; Science Advances (2022); Scientific Reports (2024).