Hội thảo Horizons 2025: Materials, AI & Automation đã chính thức khép lại với hơn 70 báo cáo khoa học, giới thiệu những thành tựu nghiên cứu và đột phá từ các nhà khoa học đến từ hơn 20 quốc gia. Sự kiện học thuật ấn tượng này đã soi sáng tương lai của khoa học vật liệu, cụ thể thông qua hai bài trình bày toàn thể tiêu biểu. Công trình tiên phong của Giáo sư Bin Liu về “Thúc đẩy nghiên cứu y sinh thông qua đổi mới vật liệu” cùng nghiên cứu mang tính cách mạng của Giáo sư Natalie Stingelin về nhựa thông minh thân thiện với môi trường đã cho thấy một sự chuyển dịch căn bản trong cách tiếp cận của chúng ta đối với sức khỏe con người và tính bền vững của hành tinh. Đây không chỉ là những cải tiến mang tính tiệm tiến, mà là những thay đổi mang tính mô hình, hứa hẹn sẽ tái định hình toàn bộ các ngành công nghiệp liên quan.

Cuộc cách mạng y học: Khi vật liệu trở nên thông minh

Bài thuyết trình của Giáo sư Bin Liu về AIEgens (chất phát quang cảm ứng do sự kết tụ) đã hé lộ một nghịch lý thú vị trong khoa học vật liệu, một nghịch lý đang trực tiếp góp phần cứu sống nhiều người. Không giống như các vật liệu thông thường bị mờ đi khi ở gần nhau, những “vật liệu nhút nhát” này lại phát sáng mạnh hơn khi kết tụ, giống như những học sinh hướng nội trở nên hoạt bát hơn khi tìm thấy bè nhóm của mình.

Đặc tính độc đáo này có ý nghĩa sâu sắc đối với điều trị ung thư. Hóa trị truyền thống hoạt động như một đợt “bom rải thảm”, tàn phá cả các tế bào khỏe mạnh lẫn tế bào ung thư. AIEgens của Giáo sư Liu đại diện cho một hình thức “tác chiến chính xác” ở cấp độ phân tử. Những vật liệu thông minh này ở trạng thái ngủ đông cho đến khi chúng gặp đúng điều kiện đặc thù trong khối u: môi trường thiếu oxy, mức độ pH cụ thể hoặc các dấu ấn tế bào đặc hiệu. Chỉ khi đó chúng mới “kích hoạt”, tạo ra các gốc oxy hoạt tính nhằm tiêu diệt chọn lọc tế bào ung thư, đồng thời bảo toàn các mô khỏe mạnh xung quanh.

Lợi thế của trí tuệ nhân tạo trong việc khám phá vật liệu

Điểm làm cho công trình của Giáo sư Liu trở nên đặc biệt đột phá chính là sự tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào quá trình khám phá vật liệu. Quá trình phát triển vật liệu truyền thống vô cùng chậm và tốn kém, thường đòi hỏi nhiều năm thử nghiệm theo phương pháp thử-sai. Có thể hình dung quá trình này giống như việc cố gắng tìm ra công thức hoàn hảo bằng cách kết hợp ngẫu nhiên các nguyên liệu mà không hề hiểu chúng tương tác với nhau ra sao, đó là thực tế của khoa học vật liệu trong nhiều thập kỷ.

AI đã thay đổi hoàn toàn mô hình này. Thay vì mù quáng thử nghiệm hàng nghìn tổ hợp trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể sử dụng các thuật toán học máy để dự đoán vật liệu nào sẽ thể hiện các đặc tính mong muốn ngay từ trước khi chúng được tổng hợp. AI học hỏi từ mỗi thí nghiệm, liên tục tinh chỉnh các dự báo và đẩy nhanh quá trình khám phá từ nhiều năm xuống còn vài tháng, thậm chí vài tuần.

Cách tiếp cận dựa trên tính toán này đã giúp nhóm của Giáo sư Liu phát triển các vật liệu hoạt động như những “pin oxy” – lưu trữ các phân tử giải phóng oxy khi không cần thiết và cung cấp chúng một cách chính xác, đúng thời điểm và đúng vị trí khi cần. Đối với bệnh nhân ung thư trong môi trường khối u thiếu oxy, điều này có thể tạo ra sự khác biệt mang tính sống còn giữa điều trị hiệu quả và tình trạng kháng trị.

Vượt ngoài ung thư: Chuyển hóa công nghệ cảm biến sinh học và chuẩn đoán hình ảnh

Các vật liệu AIEgens do Giáo sư Liu phát triển có phạm vi ứng dụng vượt xa lĩnh vực ung thư. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các đầu dò sinh học huỳnh quang mới phục vụ cho cảm biến sinh học và chẩn đoán hình ảnh, tận dụng đặc tính phát xạ cảm ứng do sự kết tụ độc đáo của AIEgens. Những vật liệu này có thể được thiết kế để phản ứng với các dấu ấn sinh học cụ thể, chỉ phát sáng khi gặp đúng protein, enzyme hoặc điều kiện tế bào mục tiêu.

Khác với các vật liệu huỳnh quang truyền thống vốn thường bị suy giảm tín hiệu khi ở nồng độ cao, AIEgens lại phát sáng mạnh hơn trong những môi trường sinh học đông đúc. Điều này khiến chúng trở thành công cụ lý tưởng để phát hiện các phân tử sinh học ở nồng độ cao hoặc trong những hệ sinh học phức tạp, nơi các đầu dò huỳnh quang thông thường khó có thể hoạt động hiệu quả. Các vật liệu này có khả năng làm nổi bật những cấu trúc tế bào cụ thể, theo dõi các quá trình sinh học theo thời gian thực và mang lại độ rõ nét chưa từng có cho các ứng dụng chẩn đoán hình ảnh y học.

Cuộc cách mạng bền vững: Nhựa như những “người hùng” môi trường

Bài trình bày của Giáo sư Natalie Stingelin đã thách thức một giả định căn bản lâu nay về mối quan hệ giữa nhựa và bảo vệ môi trường. Thay vì coi nhựa là tác nhân gây hại một cách cố hữu, Giáo sư Stingelin cùng nhóm nghiên cứu của mình đã tái định nghĩa nhựa như những lời giải tiềm năng cho bài toán biến đổi khí hậu và phát triển bền vững. Đây là một sự chuyển dịch mang tính then chốt từ tư duy loại bỏ sang tư duy chuyển hóa.

Những con số đưa ra là lời cảnh tỉnh rõ ràng: hiện nay, nhựa đóng góp khoảng 5% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu, và con số này có thể tăng lên tới 15% vào năm 2050 nếu không có can thiệp kịp thời. Tuy nhiên, lời giải không nhất thiết nằm ở một thế giới “không nhựa”, mà có thể là một thế giới được vận hành bởi các vật liệu nhựa thông minh.

Kiến trúc giao thoa sản sinh năng lượng

Những ứng dụng thuyết phục nhất của hướng nghiên cứu này nằm trong những tích hợp kiến trúc. Hãy hình dung những ô cửa sổ có thể tự phát điện, đồng thời tự động điều chỉnh ánh sáng và nhiệt dựa trên điều kiện thời tiết và mật độ sử dụng không gian. Đây không còn là viễn tưởng khoa học, mà đang dần trở thành hiện thực. Các màng nhựa thông minh có thể giúp giảm chi phí điều hòa không khí tới 30%, trong khi đồng thời tạo ra năng lượng tái tạo.

Những vật liệu này hoạt động như các “bộ dẫn sóng ánh sáng”, điều hướng năng lượng mặt trời chính xác đến nơi cần thiết đồng thời lọc bỏ các bức xạ có hại. Trong lĩnh vực nông nghiệp, các màng phủ nhà kính có khả năng tối ưu hóa phổ ánh sáng cho sinh trưởng của cây trồng, đồng thời bảo vệ mùa màng khỏi tác hại của tia UV, qua đó kéo dài mùa vụ và nâng cao năng suất tại những khu vực chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu.

Cuộc cách mạng trong sản xuất

Điều làm nên những đột phá của Giáo sư Stingelin chính là sự chuyển dịch căn bản trong cách thức chúng ta sản xuất vật liệu. Sản xuất nhựa theo phương pháp truyền thống mang dáng dấp của sản xuất hàng loạt của công nghiệp thời kỳ đầu: thô sơ, lãng phí và thiếu linh hoạt. Cách tiếp cận mới áp dụng các kỹ thuật chính xác kế thừa từ ngành sản xuất điện tử: sử dụng laser để “viết” cấu trúc phân tử, gradient nhiệt độ nhằm kiểm soát tính chất vật liệu, cho tới in 3D ở quy mô phân tử.

Quy trình sản xuất chính xác này cho phép tạo ra những vật liệu tích hợp đồng thời nhiều chức năng trong một cấu trúc duy nhất. Một lớp màng nhựa có thể vừa phát điện, vừa kiểm soát sự truyền ánh sáng, theo dõi các điều kiện môi trường, đồng thời thích ứng linh hoạt với những thay đổi của bối cảnh xung quanh.

Tác động toàn cầu

Những đột phá được giới thiệu tại Horizons 2025 mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với bối cảnh khoa học đang chuyển mình mạnh mẽ của Việt Nam. Khi Việt Nam từng bước định vị mình như một trung tâm công nghệ và đổi mới sáng tạo của khu vực, điểm hội tụ giữa khoa học vật liệu sử dụng AI và các giải pháp bền vững thể hiện tương thích rõ nét với các mục tiêu phát triển quốc gia.

Đối với các quốc gia đang phát triển như Việt Nam, những tiến bộ này mở ra cơ hội “đi tắt, đón đầu”, vượt qua các lộ trình phát triển công nghiệp truyền thống. Thay vì xây dựng hạ tầng năng lượng dựa vào nhiên liệu hóa thạch, các quốc gia có thể tích hợp vật liệu thông minh ngay từ giai đoạn xây dựng mới, tạo ra những công trình có khả năng sản xuất năng lượng tái tạo ngay từ ngày đầu vận hành. Tại các vùng nông nghiệp, công nghệ nhà kính thông minh có thể được áp dụng để cải thiện an ninh lương thực đồng thời thích ứng hiệu quả với các điều kiện khí hậu thay đổi.

Câu hỏi then chốt: Từ phòng thí nghiệm đến đời sống

Bất chấp những triển vọng đầy hứa hẹn, vẫn còn một thách thức mang tính nền tảng: làm thế nào để đảm bảo các công nghệ đột phá này thực sự đến được với những cộng đồng cần chúng nhất, đặc biệt là tại các khu vực đang phát triển, nơi dịch vụ y tế còn hạn chế và các thách thức môi trường ngày càng gay gắt? Dù các liệu pháp điều trị ung thư có mục tiêu của Giáo sư Liu hay các vật liệu bền vững của Giáo sư Stingelin mở ra những khả năng chưa từng có, khoảng cách giữa cải tiến trong phòng thí nghiệm và khả năng tiếp cận trên phạm vi toàn cầu vẫn đang tiếp tục gia tăng.

Đây không chỉ là một câu hỏi kỹ thuật, mà còn là vấn đề sâu sắc về đạo đức và kinh tế. Làm thế nào để những công nghệ mang tính chuyển hóa này không làm trầm trọng thêm bất bình đẳng toàn cầu, mà trái lại, góp phần giải quyết chúng? Câu trả lời nằm ở hợp tác quốc tế, các sáng kiến chuyển giao công nghệ và những mô hình kinh doanh bền vững, đặt tác động xã hội song hành cùng đổi mới sáng tạo.

Cuộc cách mạng vật liệu không còn là câu chuyện của tương lai, nó đang trực tiếp xảy ra trong hiện tại. Vấn đề đặt ra là liệu chúng ta có nắm bắt được thời khắc này để kiến tạo một thế giới nơi khoa học tiên tiến phục vụ cho tất cả mọi người, hay để những công cụ đầy sức mạnh ấy tiếp tục bị giới hạn trong phòng thí nghiệm và các đoàn thể tinh hoa. Sự lựa chọn, cũng như chính những vật liệu này, nằm trong tay chúng ta để định hình.