I. Tổng quan luận án nghiên cứu sinh Phạm Đăng Cẩm Tú
Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Phạm Đăng Cẩm Tú thuộc chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, được thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn, tỉnh Bình Định năm 2022. Đề tài nghiên cứu tập trung vào tính chất ổn định và bản chất tương tác giữa các phân tử hữu cơ chức năng với CO2 và H2O sử dụng phương pháp hóa học lượng tử. Nghiên cứu được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Tiến Trung tại Phòng thí nghiệm Hóa học tính toán và Mô hình hóa (LCCM). Công trình nhận được tài trợ từ Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) mã số 104.11, chương trình học bổng tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới Sáng tạo Vingroup (VinIF) và dự án VLIR-TEAM. Luận án đóng góp quan trọng vào lĩnh vực hóa học tính toán, đặc biệt trong việc hiểu rõ cơ chế tương tác phân tử ở cấp độ nguyên tử.
1.1. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tương tác giữa phân tử hữu cơ với CO2 và H2O có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học. CO2 là khí nhà kính chính gây biến đổi khí hậu toàn cầu. H2O là dung môi phổ biến nhất trong tự nhiên và công nghiệp. Mục tiêu chính của luận án là làm sáng tỏ bản chất và năng lượng tương tác giữa các phân tử hữu cơ chức năng với hai phân tử này. Nghiên cứu sử dụng các phương pháp hóa học lượng tử tiên tiến để mô tả chính xác các tương tác liên phân tử yếu. Kết quả nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng trong thiết kế vật liệu hấp phụ CO2 mới.
1.2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
II. Phân tích phương pháp hóa học lượng tử trong luận án
Luận án áp dụng nhiều phương pháp hóa học lượng tử tiên tiến để nghiên cứu tương tác phân tử. Phương pháp Hartree-Fock (HF) là nền tảng lý thuyết đầu tiên được giới thiệu, dựa trên phương trình Schrödinger từ năm 1926. Phương pháp trường tự hợp nhất (SCF) của Hartree cho phép tính toán hàm sóng và năng lượng xấp xỉ cho nguyên tử và ion. Phương pháp này giả định thế năng phù hợp cho electron lõi bằng tổng thế năng của hạt nhân và toàn bộ phân bố điện tích. Lý thuyết hàm mật độ (DFT) được sử dụng rộng rãi nhờ hiệu quả tính toán cao hơn. Phương pháp SAPT cho phép phân tích thành phần năng lượng tương tác một cách chi tiết. Các thành phần bao gồm năng lượng tĩnh điện (Eelst), năng lượng cực hóa bậc một. Phương pháp Møller-Plesset bậc hai (MP2) cũng được áp dụng để cải thiện kết quả HF. Sự kết hợp nhiều phương pháp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.
2.1. Phương pháp Hartree Fock và giới hạn
Phương pháp Hartree-Fock dựa trên giả thiết hàm sóng nhiều electron là tích antisymmetrized của các hàm sóng một electron. Phương pháp này giải phương trình Schrödinger xấp xỉ bằng cách tối ưu hóa orbital phân tử tự hợp nhất. Tuy nhiên, HF có giới hạn lớn là không tính được tương tác van der Waals. Điều này do HF bỏ qua tương quan electron, dẫn đến không mô tả đúng các tương tác yếu giữa phân tử. Để khắc phục, các phương pháp post-HF như MP2, CCSD được phát triển. Trong luận án, HF thường được dùng làm bước chuẩn bị cho các tính toán cao cấp hơn.
2.2. Lý thuyết hàm mật độ và ứng dụng
Lý thuyết hàm mật độ (DFT) dựa trên định理 Hohenberg-Kohn, khẳng định năng lượng mặt đất là hàm chức của mật độ electron. Phương pháp Kohn-Sham biến bài toán nhiều thân thành bài toán một electron hiệu dụng. DFT có ưu điểm vượt trội về hiệu suất tính toán so với phương pháp post-HF. Các hàm phổ biến được sử dụng trong luận án gồm B3LYP, M06-2X và ωB97X-D. Các hàm này kết hợp thành phần trao đổi-correlation khác nhau để mô tả tương tác liên phân tử. Đặc biệt, hàm ωB97X-D bao gồm hiệu chỉnh tán xạ, rất phù hợp cho nghiên cứu tương tác yếu.
III. Giải pháp và phương pháp luận nghiên cứu tương tác CO2 và H2O
Luận án sử dụng phương pháp SAPT (Symmetry-Adapted Perturbation Theory) để phân tích chi tiết bản chất tương tác. SAPT phân tách Hamiltonian tổng thành thành phần cho mỗi mảnh và thế tương tác liên mảnh V. Phương trình Hamiltonian của dimer được biểu diễn dưới dạng H = HA + HB + V = H0 + V. Năng lượng tương tác được tính bằng tổng các hiệu chỉnh nhiễu loạn. Phương pháp Rayleigh-Schrödinger nhiễu loạn tiêu chuẩn có nhược điểm không dự đoán được cực tiểu van der Waals trên bề mặt thế năng. Để giải quyết, hàm sóng hiệu chỉnh Pauli được引入 với toán tử antisymmetrizer. SAPT phân tích năng lượng tương tác thành các thành phần vật lý rõ ràng. Thành phần tĩnh điện đại diện cho tương tác Coulomb giữa phân bố điện tích của monomer. Thành phần cực hóa mô tả hiệu ứng phân cực lẫn nhau. Thành phần tán xạ London chiếm ưu thế ở khoảng cách xa. Thành phần trao đổi-phản xạ xuất hiện khi các đám mây electron chồng lấp.
3.1. Thiết kế hệ thống tính toán
3.2. Phân tích kết quả và validation
IV. Kết luận và ứng dụng nghiên cứu luận án Phạm Đăng Cẩm Tú
Luận án tiến sĩ của NCS Phạm Đăng Cẩm Tú đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra. Kết quả chính bao gồm việc làm sáng tỏ bản chất tương tác giữa phân tử hữu cơ chức năng với CO2 và H2O. Nghiên cứu cho thấy tương tác tĩnh điện đóng vai trò chi phối trong hầu hết các hệ phân tử được khảo sát. Tương tác tán xạ London có đóng góp đáng kể ở khoảng cách liên phân tử lớn. Liên kết hiđrô là loại tương tác đặc trưng giữa nhóm chức có hiđrô axit với O của CO2 và H2O. Các kết quả tính toán phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm có sẵn. Luận án đã công bố nhiều bài báo trên tạp chí khoa học quốc tế có phản biện. Công trình mở ra hướng nghiên cứu mới cho thiết kế vật liệu hấp phụ CO2 hiệu quả. Ứng dụng tiềm năng bao gồm phát triển chất xúc tác cho chuyển hóa CO2 và màng tách khí.
