[From Chisato Hoiruchi from Tokyo, Japan]
Ứng cử viên giải Nobel "Sự trùng hợp chính xác" Giảm ma sát và giúp lái xe dễ dàng hơn
Sự hợp tác giữa ngành công nghiệp và học viện đang tiến triển để áp dụng công nghệ "trùng hợp chính xác", công nghệ kiểm soát cấu trúc phân tử của các sản phẩm hóa học, cho các phát triển sản phẩm khác nhau. Mục đích là thu hút sự tham gia của các công ty sử dụng và tạo ra các sản phẩm có giá trị gia tăng cao. Nhật Bản đang đi trước trong ứng dụng thực tế và nó sẽ tạo ra sự khác biệt đối với Trung Quốc, nước đang bắt kịp nghiên cứu. Làm chủ công nghệ được cho là ứng cử viên hàng đầu cho giải Nobel, nó sẽ dẫn đến khả năng cạnh tranh quốc tế.
Giảm ma sát của các bộ phận máy xuống 1/100 hoặc ít hơn bằng bàn chải mịn. Đại học Kyoto, Dainichiseika, Nisshinbo Holdings, NOK, v.v. đang nghiên cứu ứng dụng thực tế của công nghệ xử lý bề mặt mới bằng phương pháp trùng hợp chính xác.
Ma sát vốn có trong các bộ phận quay như ô tô, động cơ, máy bay và máy phát điện gió. Ngay cả khi bề mặt được hoàn thiện sạch sẽ, vẫn còn những vết bất thường nhỏ, không thể ngăn chặn ma sát ngay cả với dầu bôi trơn và các bộ phận bị mòn. Thiệt hại kinh tế do va chạm được cho là vượt quá 15 nghìn tỷ yên mỗi năm chỉ riêng ở Nhật Bản.
Dựa trên kết quả của Giáo sư Takawatari Tsujii thuộc Đại học Kyoto, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu thiết lập một công nghệ làm giảm ma sát bằng cách gây ra phản ứng hóa học trên bề mặt các bộ phận. Tạo ra một cấu trúc trong đó vô số sợi lông mịn có chiều dài vài phần trăm milimet được xếp thành hàng trên bề mặt của một bộ phận giống như một chiếc bàn chải. Bề mặt không cọ xát và ma sát giảm đáng kể. Công nghệ trùng hợp chính xác là không thể thiếu để đạt được điều này.
Bàn chải mịn được tổng hợp trên bề mặt của các bộ phận giúp giảm ma sát đáng kể = Được cung cấp bởi Đại học Kyoto
Nhựa và sợi tổng hợp được tạo thành từ nhiều phân tử kết nối với nhau. Ví dụ, polyethylene được sử dụng trong túi mua sắm bằng nhựa là một chuỗi gồm nhiều phân tử được gọi là ethylene. Phương pháp trùng hợp thông thường có các vấn đề như chiều dài và cấu trúc của các phân tử trở nên khác nhau và độ bền bị giảm xuống. Với quá trình trùng hợp chính xác, chiều dài và hình dạng của các phân tử có thể được tạo ra đồng nhất và có thể đạt được chức năng mong muốn.
NOK, Toshiba Carrier (Kawasaki City), nhà sản xuất thiết bị điều hòa không khí và Trường Cao đẳng Công nghệ Quốc gia Tsuruoka sẽ đánh giá và cải tiến toàn bộ công nghệ. Tác dụng của việc giảm ma sát là “ngay cả khi bạn đẩy một chiếc xe khách bằng tay, nó sẽ trượt vài chục mét” (Giáo sư Toshio Uejo thuộc Trường Cao đẳng Công nghệ Quốc gia Tsuruoka). Chúng tôi đặt mục tiêu sẽ đưa nó vào sử dụng thực tế trong ba năm nữa trong các lĩnh vực đòi hỏi các vật liệu đắt tiền nhưng có chức năng cao, chẳng hạn như rô bốt phẫu thuật, máy bay và khớp nhân tạo.
Vào giữa những năm 1990, trùng hợp chính xác là một công nghệ đột phá đối với các trường đại học ở Nhật Bản và Hoa Kỳ. Kaneka là công ty đầu tiên trên thế giới sản xuất hàng loạt vào năm 2006 trong khi các công ty hóa chất trên thế giới đang nghiên cứu thực tế. Chúng tôi đã thành công trong việc ứng dụng nó vào một loại vật liệu lấp đầy những khoảng trống trên khung cửa sổ của các ngôi nhà.
JSR là một loại nhựa cảm quang (kháng) để sản xuất chất bán dẫn và Công ty TNHH Hóa chất Otsuka (Thành phố Osaka), một công ty con của Otsuka Holdings, đang lần lượt áp dụng nó cho các hóa chất chức năng, chẳng hạn như bộ lọc màu được sử dụng cho độ nét cao TV LCD, để làm cho nó cạnh tranh quốc tế. Tôi đã kết nối nó.
Bằng cách tận dụng các đặc tính của quá trình trùng hợp chính xác, các vật liệu mới giúp giải quyết các vấn đề mà các công ty sử dụng phải đối mặt có thể được thực hiện, dẫn đến bao vây.
Phó giáo sư Takeo Suga của Đại học Waseda và Mitsubishi Chemical đã bắt đầu nghiên cứu chung với một nhà sản xuất linh kiện màn hình. Phim dùng cho màn hình LCD cần có nhiều chức năng như triệt tiêu và phản xạ ánh sáng, chống tích điện, khử bụi. Bằng cách trùng hợp chính xác, chúng tôi sẽ phát triển một màng kết nối nhiều loại phân tử theo ý muốn và thực hiện nhiều chức năng chỉ với một tấm.
Nhiều quy trình sản xuất có thể được kết hợp thành một, dẫn đến giảm chi phí. Bằng cách hợp tác với các công ty người dùng, công ty hóa chất và trường đại học, sẽ dễ dàng hơn trong việc phát triển các thiết kế phân tử thực hiện các chức năng cần thiết.
Sanyo Chemical Industries đã phát triển một loại nhựa thấm nước cao mới cho tã giấy và đã thiết lập hệ thống sản xuất hàng loạt ở Nhật Bản, Trung Quốc và Malaysia. Trong khi duy trì khả năng thở và ngăn chặn sự ngột ngạt, khả năng hút nước đã được tăng lên từ 5 đến 10% so với các sản phẩm thông thường. Tã và băng vệ sinh mỏng hơn, giúp bạn dễ dàng mang theo những chiếc túi nhỏ khi đi ra ngoài. Nó được phát triển trong khi kết hợp ý kiến của nhiều nhà sản xuất tã giấy.
Loại nhựa có khả năng hút nước cao có cấu trúc mạng lưới ba chiều của các phân tử. Lưới này được tạo ra gần như đồng nhất bằng quá trình trùng hợp chính xác để nước có thể được giữ lại một cách hiệu quả.
Trung Quốc đang gia tăng số lượng các chuyên luận và bằng sáng chế về quá trình trùng hợp chính xác, nhưng có rất ít ví dụ về ứng dụng thực tế của nó. Theo Văn phòng Sáng chế Nhật Bản, Công ty Khoa học và Công nghệ Xanh Thành Đô của Trung Quốc, nơi có số lượng đơn đăng ký bằng sáng chế cao nhất trong giai đoạn 2012-17, hiện không hoạt động. Ngay cả khi nó có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm, vẫn có nhiều rào cản đối với việc sản xuất hàng loạt.
Các công ty hóa chất Nhật Bản đã tận dụng nhu cầu của các công ty sử dụng trong quá trình phát triển của họ. Phong trào hiện thực hóa các vật liệu "kiểu giải pháp" mới giải quyết các vấn đề của người dùng bằng quá trình trùng hợp chính xác có khả năng lan rộng.
■ Các ứng cử viên giải Nobel ở Nhật Bản Sự gia tăng bằng sáng chế của Trung Quốc, theo đuổi nghiên cứu
Lợi nhuận của các sản phẩm đa dụng như ethylene và polyethylene đã giảm đáng kể, và các công ty hóa chất ở Nhật Bản, Hoa Kỳ và Châu Âu đang ngày càng chuyển sang các hóa chất chức năng có giá trị gia tăng cao. Cần rất nhiều bí quyết để sản xuất hàng loạt và chúng tôi có thể cạnh tranh bằng khả năng kỹ thuật của mình.
Quá trình trùng hợp chính xác là một ví dụ điển hình, và nếu chúng ta có thể nắm bắt được nhu cầu đa dạng của các công ty và cung cấp vật liệu hiệu suất cao giải quyết được các vấn đề, thì việc giữ chân khách hàng sẽ dễ dàng hơn. Đây là một chiến lược phát triển mà các công ty hóa chất Nhật Bản rất giỏi.
Ngày càng có nhiều phong trào tìm kiếm vật liệu mới trong "tin học vật liệu" sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và siêu máy tính. Người ta nói rằng quá trình trùng hợp chính xác thường được yêu cầu cho quá trình sản xuất. Nhật Bản đứng sau Hoa Kỳ và Trung Quốc trong việc sử dụng CNTT, nhưng thế mạnh của họ là kinh nghiệm và tích lũy sản xuất hàng loạt trong quá trình trùng hợp chính xác.
Tuy nhiên, người ta nghi ngờ rằng khả năng cạnh tranh của quá trình trùng hợp chính xác có thể được duy trì trong tương lai. Theo Văn phòng Sáng chế Nhật Bản, số lượng đơn đăng ký bằng sáng chế của Nhật Bản là cao nhất trên thế giới cho đến năm 2009, nhưng số lượng đơn đăng ký trong nước năm 2017 là 26, tức là một phần tư so với mức đỉnh. Số lượng đơn đăng ký đến Châu Âu, Hoa Kỳ và Trung Quốc là khoảng 10 trong những năm gần đây. Trung Quốc đã tăng trưởng nhanh chóng kể từ năm 2010.
Ngay cả những luận thuyết học thuật, vốn là thước đo khả năng nghiên cứu, vẫn tiếp tục lùi xa. Tỷ lệ toàn cầu của Nhật Bản về số lượng chuyên luận, vốn ít hơn 10% trong giai đoạn 2000-05, đã giảm gần một nửa xuống dưới 6% trong giai đoạn 2012-18.
Có một số học giả hàng đầu thế giới tại Đại học Kyoto, Đại học Thành phố Osaka và Đại học Nagoya về quá trình trùng hợp chính xác, và cũng có những ứng cử viên giải Nobel. Công nghệ và nguồn nhân lực đã được chuyển đến các công ty thông qua việc tuyển dụng sinh viên trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu chung.
Số lượng sinh viên đăng ký vào Khoa Hóa ứng dụng của các trường đại học đào tạo ra nguồn nhân lực trong ngành hóa học ngày càng giảm. Theo Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ, số lượng sinh viên nhập học trong 20 năm là khoảng 7.200 người, giảm 30% trong 30 năm. Sẽ rất khó để đảm bảo nguồn nhân lực từ Nhật Bản trong tương lai. Trừ khi chúng ta gấp rút đảm bảo nguồn nhân lực ở nước ngoài, nếu không chúng ta không thể duy trì lợi thế cạnh tranh. (Thành viên ban biên tập Shinichi Aoki)
▼ Công nghệ trùng hợp chính xác kiểm soát hình dạng và chiều dài của cấu trúc polyme tạo thành hóa chất. Nó được phát triển bởi Mitsuo Sawamoto (hiện là giáo sư tại Đại học Chubu), giáo sư tại Đại học Kyoto và Christoph Matjashevsky giáo sư tại Đại học Carnegie Mellon ở Hoa Kỳ. Hai người được coi là những ứng cử viên nặng ký cho giải Nobel Hóa học.
Với công nghệ do cả hai phát triển, khi các phân tử được kết nối với nhau, một chất như nắp được gắn vào để dừng phản ứng, hoặc phản ứng được khởi động lại bằng cách loại bỏ nó. Bằng cách này, chiều dài và cấu trúc của phân tử được điều chỉnh.
