Chào Giáo sư, thưa Giáo sư chúng ta thường nghe nhiều về cụm từ "sơn nano". Vậy về mặt khoa học, điều gì làm nên sự khác biệt giữa sơn nano và sơn truyền thống và tại sao nó lại được coi là bước tiến đột phá cho ngành xây dựng?

GS.TS Thái Hoàng: Về mặt khoa học, sự khác biệt cốt lõi giữa sơn nano và sơn truyền thống nằm ở cấu trúc và cơ chế hình thành màng sơn. Sơn truyền thống sau khi khô thường tạo thành một màng phủ có các lỗ rỗng vi mô, khiến khả năng bám dính và chống thấm chỉ đạt mức trung bình; theo thời gian, nước và các tác nhân môi trường có thể thẩm thấu qua các lỗ rỗng này, làm suy giảm độ bền của công trình. Ngược lại, sơn nano được thiết kế dựa trên vật liệu và hạt phụ gia phân tán có kích thước nano (10-9 m), cho phép hình thành màng sơn đặc khít và đồng nhất ở cấp độ vi mô – nano, từ đó tạo ra liên kết bền vững hơn giữa màng sơn và bề mặt nền, thậm chí ở cấp độ phân tử. Nhờ cấu trúc này, sơn nano thể hiện khả năng kháng nước gần như tuyệt đối, thường gắn với hiệu ứng “lá sen”, giúp nước và bụi bẩn khó bám dính. Không chỉ có chức năng trang trí và bảo vệ cơ bản như sơn truyền thống, sơn nano còn tích hợp nhiều tính năng vượt trội như tự làm sạch, kháng khuẩn và hỗ trợ cách nhiệt. Chính sự kết hợp giữa cấu trúc màng ưu việt và các tính năng đa chức năng này mà công nghệ sản xuất và sơn nano được xem là bước tiến đột phá của ngành xây dựng, góp phần nâng cao độ bền, tính bền vững và hiệu quả khai thác lâu dài của công trình.

Công nghệ sản xuất loại sơn này có gì đặc biệt? Việc đưa các hạt nano vào trong nhựa polymer có gặp khó khăn gì không thưa Giáo sư?

GS.TS Thái Hoàng: Sản xuất sơn nano không đơn thuần là việc “đổ” các hạt nano vào thùng sơn rồi khuấy trộn, mà là một quá trình công nghệ phức tạp đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ từ cấp độ vật liệu đến cấu trúc vi mô. Để tạo ra một hệ sơn ổn định và phát huy đầy đủ các tính chất lý – hóa đặc trưng của phụ gia nano, các nhà khoa học phải áp dụng những kỹ thuật sản xuất tiên tiến và vượt xa quy trình nghiền trộn truyền thống. Hiện nay, công nghệ sản xuất các hạt nano chủ yếu dựa trên hai hướng tiếp cận chính. Phương pháp “từ trên xuống” (top-down) sử dụng các thiết bị nghiền nano năng lượng cao để phá vỡ vật liệu thô xuống kích thước nanomet; các máy nghiền này phải dùng bi nghiền siêu cứng, như zirconia, nhằm hạn chế tạp chất và đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm. Ngược lại, phương pháp “từ dưới lên” (bottom-up) được xem là đỉnh cao của công nghệ hóa học, trong đó các hạt nano được hình thành trực tiếp từ phản ứng hóa học trong dung dịch, chẳng hạn thông qua các quá trình sol–gel hoặc kết tủa, cho phép kiểm soát kích thước và độ đồng đều cấu trúc một cách gần như tuyệt đối. Bên cạnh đó, kỹ thuật biến tính bề mặt đóng vai trò then chốt: bề mặt hạt nano được “gắn” với các phân tử hữu cơ để tạo cầu nối hóa học, giúp hạt nano phân tán ổn định và phân tán hiệu quả vào nền nhựa/màng sơn polymer.

Tuy nhiên, đưa hạt nano vào hệ nhựa polymer vẫn là một thách thức lớn do sự khác biệt bản chất giữa hai thành phần vô cơ và hữu cơ. Khó khăn phổ biến nhất là hiện tượng vón cục, xuất phát từ năng lượng bề mặt cao của các hạt nano khiến chúng dễ hút và kết dính vào nhau, làm mất hoàn toàn hiệu ứng nano và gây suy giảm tính chất của màng sơn. Ngoài ra, vấn đề tương thích, khả năng trộn hợp đa thành phần/đa pha cũng rất đáng kể, bởi nhiều hạt nano có tính ưa nước trong khi nhựa polymer lại thường kỵ nước, dẫn đến nguy cơ tách pha hoặc bong tróc sau khi màng sơn khô. Sự có mặt của hạt nano còn làm thay đổi mạnh độ nhớt và tính lưu biến của sơn, làm cho quá trình thi công trở nên khó kiểm soát. Thêm vào đó, chi phí thiết bị cao và yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện nhiệt độ trong quá trình phân tán các hạt nano cũng đặt ra thách thức lớn cho sản xuất quy mô công nghiệp. Để khắc phục vấn đề này, các giải pháp khoa học chủ yếu hiện nay là: biến tính hữu cơ các hạt phụ gia nano vô cơ; kết hợp sử dụng các chất hỗ trợ phân tán đặc hiệu nhằm ngăn cản sự kết tụ của hạt nano, cùng với kỹ thuật siêu âm cường độ cao để phá vỡ các cụm hạt vón ở cấp độ vi mô, từ đó đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của sơn nano trong thực tế ứng dụng.

Đề tài “Công nghệ sản xuất và ứng dụng sơn nano đa chức năng cho các công trình xây dựng, kiến trúc” của nhóm nghiên cứu nhấn mạnh vào tính "đa chức năng". Cụ thể, một công trình kiến trúc sẽ hưởng lợi gì (Ví dụ: kinh tế, sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường) khi sử dụng loại sơn này?

GS.TS Thái Hoàng: Hệ sơn nano được phát triển trong nghiên cứu này thể hiện hiệu quả vượt trội cả về chống nóng, gia cường cơ học, kháng vi sinh vật cũng như bảo vệ sức khỏe và môi trường. Trước hết, hiệu quả chống nóng và tiết kiệm năng lượng đạt được nhờ sự phối hợp hiệp đồng của các hạt nano rutile TiO2, CaSiO3 và SiO2, giúp tối ưu khả năng phản xạ nhiệt của màng sơn trong cả vùng ánh sáng nhìn thấy (400–800 nm) và vùng hồng ngoại gần (800–1400 nm). Nhờ đó, nhiệt độ bề mặt phủ sơn giảm tối đa tới 10,89°C so với buồng đối chứng không sơn. Ngay cả khi so sánh trực tiếp với các dòng sơn thương mại cao cấp trên thị trường, sơn nano vẫn cho hiệu quả chống nóng tốt hơn, với mức giảm nhiệt độ bề mặt khoảng 3,89°C. Đồng thời, nhiệt độ không khí bên trong buồng thử nghiệm cũng giảm tới 7,5°C, góp phần tiết kiệm khoảng 13–14 kWh/m2/năm năng lượng làm mát và cắt giảm phát thải 11–12 kg 11-12 kg CO2/m2/năm.

Ngoài khả năng phản xạ nhiệt, đưa các hạt nano đã được biến tính hữu cơ vào nền nhựa polymer còn giúp gia cường đáng kể cấu trúc và tính chất cơ học của màng sơn. Màng sơn đạt độ mịn rất cao, với kích thước hạt nhỏ hơn 10 µm, thấp hơn nhiều so với yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8562:2012. Độ bám dính trên nền bê tông đạt cấp 1, với diện tích bong tróc dưới 5%, cho thấy khả năng bám dính bền vững trong thời gian dài. Ngoài ra, sơn nano thể hiện độ bền môi trường vượt trội, với khả năng chịu nước trên 720 giờ, chịu kiềm trên 480 giờ và độ thấm nước thấp (4,62 mL/m2), đều vượt yêu cầu theo các tiêu chuẩn hiện hành. Sau 1200 giờ thử nghiệm gia tốc thời tiết khắc nghiệt, độ bóng của màng sơn chỉ giảm khoảng 10% và độ biến đổi màu rất nhỏ (ΔE ≤ 2), hầu như không thể nhận biết bằng mắt thường.

Về mặt sinh học, sơn nano tích hợp các tác nhân kháng khuẩn như zeolite mang Zn/Ag và Cu2O, giúp màng sơn đạt khả năng kháng nấm mốc ở cấp độ 0 – mức cao nhất, không xuất hiện sự phát triển của nấm mốc sau 28 ngày thử nghiệm với các chủng phổ biến như Aspergillus niger và Penicillium sp. Cơ chế bảo vệ mang tính chủ động, không chỉ tiêu diệt mà còn tạo bề mặt hạn chế bám dính và ức chế quá trình sinh trưởng của vi sinh vật ngay từ đầu.

Cuối cùng, hệ sơn được định hướng theo công nghệ xanh, thân thiện với sức khỏe và môi trường. Việc sử dụng nhựa acrylic nhũ tương phân tán trong nước giúp hàm lượng chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) ở mức rất thấp, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 8652:2012. Quy trình sản xuất được kiểm soát ở nhiệt độ thấp thông qua hệ thống tản nhiệt và làm mát vỏ thùng, vừa bảo vệ cấu trúc polymer vừa tiết kiệm năng lượng. Đặc biệt, khả năng ức chế các loài nấm mốc độc hại như Stachybotrys chartarum giúp hạn chế sự phát tán độc tố mycotoxin, nhờ đó giảm nguy cơ các bệnh về hô hấp và hen suyễn, nhất là đối với trẻ em và các nhóm nhạy cảm.

Điều kiện thời tiết tại Việt Nam rất khắc nghiệt (nắng nóng gay gắt và độ ẩm cao). Công nghệ sơn nano đa chức năng đã được tối ưu hóa như thế nào để thích nghi?

GS.TS Thái Hoàng: Tại Việt Nam, sự kết hợp giữa bức xạ tia UV cường độ cao và độ ẩm thường xuyên ở mức bão hòa tạo ra một môi trường đặc biệt khắc nghiệt đối với vật liệu xây dựng. Để thích nghi với điều kiện này, công nghệ sản xuất sơn nano đa chức năng đã được tối ưu hóa dựa trên các cơ chế lý – hóa tiên tiến. Trước hết, sơn nano được tích hợp các hạt nano ceramic hoặc tinh thể bạc có khả năng phản xạ mạnh bức xạ hồng ngoại. Thay vì hấp thụ nhiệt vào bề mặt tường như sơn truyền thống, các hạt nano này hoạt động như những “tấm gương siêu nhỏ”, phản xạ phần lớn năng lượng nhiệt trở lại môi trường xung quanh, do đó giúp giảm nhiệt độ bề mặt công trình từ khoảng 5–10°C, góp phần hạn chế hiệu ứng “đảo nhiệt đô thị” và tiết kiệm đáng kể năng lượng cho làm mát.

Bên cạnh đó, khả năng kháng tia UV và duy trì độ bền màu của sơn nano cũng được cải thiện rõ rệt. Dưới tác động của nắng gắt, các liên kết polymer trong sơn thông thường dễ bị phá hủy, dẫn đến hiện tượng bạc màu và phấn hóa. Bổ sung các hạt nano như rutile TiO2 và/hoặc ZrO2 cho phép màng sơn hấp thụ và tán xạ hiệu quả tia UV, từ đó bảo vệ cấu trúc màng sơn polymer, hạn chế lão hóa và giữ cho màu sắc ổn định trong thời gian dài ngay cả khi tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời.

Ngoài ra, sơn nano còn được thiết kế để phát huy hiệu ứng “lá sen” với tính kỵ nước cao, đặc biệt phù hợp với điều kiện khí hậu ẩm ướt và mùa mưa kéo dài. Nhờ cấu trúc bề mặt nano siêu mịn, góc tiếp xúc của giọt nước trên màng sơn được tăng lên đáng kể, hạn chế nước không thể lan rộng mà co tròn lại và nhanh chóng chảy đi, cuốn theo bụi bẩn. Cơ chế này không chỉ nâng cao khả năng chống thấm mà còn hạn chế sự tích tụ độ ẩm trên bề mặt, qua đó ngăn chặn hiệu quả sự phát triển của nấm mốc và vi khuẩn, giúp công trình bền đẹp và an toàn hơn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm đặc thù của Việt Nam.

Nhiều doanh nghiệp lo ngại về giá thành của sơn nano. Giáo sư có nhận định gì về vấn đề này?

GS.TS Thái Hoàng: Là người trực tiếp nghiên cứu lĩnh vực này trong nhiều năm, tôi hoàn toàn chia sẻ và thấu hiểu những lo ngại của doanh nghiệp về bài toán chi phí sản xuất sơn nano. Trên thực tế, nếu chỉ tập trung sử dụng 100% hạt nano để đạt được các tính năng mong muốn, giá thành sản phẩm sẽ bị đẩy lên rất cao, làm cho các  doanh nghiệp khó có khả năng tiếp cận thị trường đại trà. “Chìa khóa” để dung hòa giữa hiệu quả kỹ thuật và hiệu quả kinh tế chính là chiến lược phối trộn đa cấp hạt, tức là kết hợp hợp lý giữa các pha phân tán kích thước vi mô (micromet) và nano trong cùng một hệ sơn.

Về mặt cấu trúc, khi màng sơn chỉ chứa các hạt kích thước micro, giữa chúng luôn tồn tại những khoảng rỗng vi mô. Chiến lược hiệu quả là sử dụng các hạt micro phổ biến và giá rẻ như bột talc, xỉ phosphor vàng, CaCO3 làm “khung xương” chính, sau đó bổ sung một hàm lượng nhỏ các hạt nano như nano silica và/hoặc nano TiO2 để lấp đầy các khoảng trống này. Cách sắp xếp đa cấp đó giúp màng sơn trở nên đặc chắc hơn, tăng khả năng chống thấm và độ bền cơ học, trong khi lượng vật liệu nano đắt tiền được giảm xuống mức tối thiểu.

Ngoài ra, do các hạt nano có diện tích bề mặt riêng rất lớn, nên chỉ cần sử dụng với hàm lượng thấp, thường khoảng 1–3% khối lượng, đã đủ để phát huy các tính năng, chức năng quan trọng. Thay vì dùng hoàn toàn hạt nano TiO2 để chống tia UV, có thể tận dụng các hạt micro làm chất độn nền và chỉ phân bố nano ở bề mặt hoặc dưới dạng lớp “vỏ” bao phủ. Nhờ vậy, hiệu ứng phản xạ nhiệt, tự làm sạch hay kháng UV vẫn được duy trì hiệu quả tại bề mặt tiếp xúc, trong khi chi phí nguyên liệu được kiểm soát tốt hơn.

Sự phối trộn micro – nano còn tạo ra hiệu ứng hiệp đồng rõ rệt về tính chất vật lý. Các hạt micro giúp tạo độ dày, tăng khả năng che phủ và giảm giá thành, trong khi các hạt nano đóng vai trò như “chất kết dính thông minh”, cải thiện tương tác giữa nhựa nền và phụ gia, chất độn, hạn chế hiện tượng giòn hóa và nâng cao độ bám dính của màng sơn. Xét trên góc độ kinh tế vòng đời, mặc dù giá thành ban đầu của sơn lai micro – nano có thể cao hơn sơn truyền thống khoảng 15–25%, nhưng tuổi thọ màng sơn có thể tăng gấp đôi, từ 3–5 năm lên đến khoảng 10 năm, đồng thời giúp giảm đáng kể chi phí vận hành nhờ khả năng phản xạ nhiệt và tiết kiệm năng lượng làm mát.

Từ góc nhìn chuyên môn, tôi nghĩ sử dụng sơn nano 100% là không cần thiết,  thậm chí gây lãng phí. Xu hướng thực tế và hiệu quả nhất hiện nay chính là sản xuất và ứng dụng các hệ sơn lai nano – micro, vừa khai thác được ưu thế của công nghệ cao (công nghệ nano), vừa đảm bảo tính kinh tế và khả năng cạnh tranh cho các doanh nghiệp ở nước ta trong dài hạn.

Xin trân trọng cảm ơn Giáo sư!