Từ những ước muốn mang tính lịch sử
Trong hàng ngàn năm, những tạo tác gốm sứ và thủy tinh luôn hấp dẫn con người ở cả hai mặt giá trị sử dụng và giá trị thẩm mỹ. Các nghệ nhân cổ xưa, dựa trên những bí thuật gia truyền, bổ sung bụi hay bột của vàng, bạc, cadimi… vào vật liệu và biến nó thành tác phẩm có màu sắc rực rỡ và trường tồn với thời gian. Những câu hỏi hóc búa được đặt ra cho các nhà khoa học: Vì sao bổ sung những nguyên liệu này tạo ra những kết quả như vậy? Cho tới thế kỷ XIX, các nhà khoa học mới bắt đầu có sự hiểu biết về sự phụ thuộc của màu sắc vật liệu gốm sứ và thủy tinh vào bản chất của nguyên tố (đặc điểm hoá học), hay các kỹ thuật nhiệt – lạnh (đặc điểm vật lý học). Thông qua các nghiên cứu khoa học gần đây, chúng ta may mắn khám phá thêm một bí mật khác của tự nhiên, đó là ngay cả khi chứa cùng nguyên tố và tương tự về kỹ thuật chế tạo, màu sắc của vật liệu vẫn có thể được điều khiển thông qua kích thước của các hạt vi mô cấu thành.
Đến giải Nobel Hóa học 2023 – sự vinh danh cho một quá trình
Giải Nobel Hóa học năm 2023 vinh danh ba nhà khoa học Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus và Alexei I. Ekimov cho những cống hiến của họ trong việc đạt được các thành tựu “lõi” của công nghệ nano(*) hiện đại, đó là “khám phá, tổng hợp và phát triển “chấm lượng tử – quantum dots” – những phần tử có kích thước cực nhỏ (ở thang đo nanomet(**)) nhưng là yếu tố quyết định các đặc tính hóa lý của vật liệu”. Ngày nay, chúng ta hẳn đã quá quen thuộc với màn hình tivi, máy tính, đèn LED, đèn phẫu thuật… nhưng không phải ai cũng biết chúng đều được tạo ra từ tiến bộ của công nghệ nano, với khởi nguồn từ những nghiên cứu đầu tiên liên quan đến chấm lượng tử [1, 2]. Chấm lượng tử mở ra một thế giới mới nơi các tính chất cơ – lý – hóa thông thường của vật liệu có thể được tinh chỉnh để trở nên khác biệt và có thể được dùng trong những ứng dụng cựu kỳ tinh tế.
3 nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học năm 2023
Chấm lượng tử là “chấm” có tính chất “lượng tử”?
Chấm lượng tử được định nghĩa là tinh thể nano (thường là chất bán dẫn) có kích thước siêu nhỏ, cỡ vài nanomet, có tính chất điện tử và quang học khác biệt so với hạt kích thước lớn do hệ quả của các hiệu ứng lượng tử. Diễn giải một cách đơn giản nhất: khi chấm lượng tử được chiếu sáng bởi tia tử ngoại hoặc được kích thích bởi một hiệu điện thế, một số electron trong nó bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao; trạng thái này không bền và sau đó electron tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng. Màu của ánh sáng phát xạ phụ thuộc vào mức năng lượng khác nhau giữa hai trạng thái năng lượng cao và thấp mà electron vừa trải qua, và đóng vai trò trong việc hình thành màu sắc cho vật liệu. Điều kì lạ ở đây là hiệu ứng trên phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của hạt tinh thể ở tầm vi mô, khi các hạt này đủ nhỏ, thay vì chỉ phụ thuộc vào cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử trong những trạng thái thông thường.
Để đạt được hiệu ứng này, hạt tinh thể chấm lượng tử cần có kích thước nhỏ hơn 10 nm(***) và nhiệt độ ở mức khoảng vài Kelvin(****) [3]. Ở khía cạnh kích thước hạt, nguyên nhân xuất hiện những tính chất đặc biệt của chấm lượng tử dựa trên một hiện tượng đặc sắc của cơ học lượng tử – vấn đề “hạt trong chiếc hộp”: Khi một hạt có tính chất lượng tử, ví dụ electron, bị giam hãm trong một chiếc hộp rất hẹp (cỡ nanomet), hạt không còn tự do di chuyển nữa mà chiếm chỗ tại một số vùng năng lượng nhất định. Những vùng mà electron chiếm chỗ và bị giam hãm trong đó được gọi là “chấm” (trong thuật ngữ chấm lượng tử). Trong chấm lượng tử xuất hiện vùng năng lượng trống (vùng trống) nằm giữa các vùng dẫn và vùng hóa trị (vùng không dẫn). Thay đổi kích thước chấm lượng tử sẽ làm thay đổi vùng trống, qua đó thay đổi bước sóng ánh sáng hấp thụ hay phát xạ khi tương tác với chấm lượng tử, mà một trong những hệ quả của nó là làm thay đổi màu sắc của vật liệu. Ở khía cạnh nhiệt độ, mức vài Kelvin là cần thiết cho sự thể hiện của hiệu ứng lượng tử, khi hạn chế tối đa nhiệt năng sinh ra do bản thân các hạt chuyển động, làm nổi bật sự khác biệt năng lượng giữa các trạng thái lượng tử, và do đó có thể đo đạc được.
Năm 1937, nhà vật lý Herbert Fröhlich là người đầu tiên nhận ra hiện tượng trên và cũng là người đầu tiên dự đoán thế giới nano rất khác so với thế giới thường [1, 3]. Từ ý tưởng của Fröhlich, các nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu nano trở nên sôi động. Bằng cách sử dụng các công cụ toán học cao cấp, nhiều nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc dự đoán tương quan giữa kích thước của vi hạt với các hiệu ứng lượng tử có thể xuất hiện, trong khi (chính họ và các nhóm nghiên cứu khác) tìm cách hiện thực hóa các hiệu ứng này trên thực tế.
Sau nhiều nỗ lực, người ta nhận ra “nói dễ hơn làm”, vì cái họ muốn tạo thành là chế tác một cấu trúc mong muốn với kích thước nhỏ hơn đầu cây kim hàng triệu lần. Vì vậy, việc hiểu và ứng dụng được các hiệu ứng này trong thực tế vẫn dừng chân ở mức dự đoán [3].
Nhưng như Engels đã từng nói: “Khi xã hội có nhu cầu về kĩ thuật thì nó thúc đẩy khoa học phát triển hơn 10 trường đại học” [7]. Đến những năm 1970, các nhà nghiên cứu lần đầu chế tạo thành công vật liệu có cấu trúc nano với sản phẩm màng nano siêu mỏng bao phủ lên các bề mặt khác. Người ta phát hiện ra các tính chất quang học của màng thay đổi tùy thuộc vào “độ mỏng” của nó. Đây là quan sát đầu tiên phù hợp với những dự đoán về sự biến đổi tính chất của vật liệu ở các thang đo nanomet do hiệu ứng lượng tử, và vì thế là một bước tiến quan trọng. Khó khăn xuất hiện ở chỗ phương pháp chế tạo màng nano yêu cầu công nghệ rất cao cấp với nhiệt độ tiệm cận độ không tuyệt đối(*****) và áp suất cực thấp. Tại thời điểm đó, rất ít người suy nghĩ lạc quan về khả năng ứng dụng các hiệu ứng lượng tử này trong thực tiễn [8, 9].
Ít nhất một người đã đi ngược lại xu thế trên, và đó là chủ nhân của giải Nobel năm nay – Tiến sĩ Alexei Ekimov, một nhà vật lý sinh ra và được đào tạo tại Liên Xô (cũ), hiện đang làm việc cho Công ty Công nghệ Tinh thể nano, Hoa Kỳ. Ông phát hiện ra chấm lượng tử trong quá trình làm việc tại viện nghiên cứu quang học Vavilov (Liên Xô cũ).
Khởi đầu từ bí ẩn màu sắc của thủy tinh
Tiến sĩ Alexei Ekimov là người quan tâm đến câu hỏi ngàn năm về bí ẩn màu sắc của thủy tinh, nhưng khác với các đồng nghiệp, ông nhìn nhận vấn đề từ một góc độ mà theo ông là phi logic: Một chất có thể tạo ra nhiều màu sắc cho cùng một loại thủy tinh. Để tìm hiểu nguyên nhân của sự phi logic này, ông tự chế tạo một loại thủy tinh màu bằng cách đưa CuCl (đồng (I) clorua) vào trong thủy tinh trong suốt. Kết quả của thí nghiệm là tạo ra trong lòng thủy tinh đám hạt có kích thước rất nhỏ (khoảng 2 nm), song song tồn tại cùng đám hạt có kích thước lớn hơn (khoảng 30 nm). Rất thú vị là các đám hạt này có hiệu ứng hấp thụ ánh sáng khác nhau do sự khác biệt về kích thước: Các hạt lớn hấp thụ ánh sáng tương tự CuCl; các hạt nhỏ hấp thụ ánh sáng theo hướng dịch chuyển “xanh” hơn so với CuCl (thuật ngữ chỉ sự hấp thụ ánh sáng ở bước sóng ngắn hơn so với bước sóng ánh sáng bị hấp thụ bởi CuCl). Ekimov nhanh chóng nhận ra điều này liên quan chặt chẽ tới hiệu ứng lượng tử phụ thuộc kích thước hạt, và đến ngày nay được ghi nhận là nỗ lực đầu tiên chứng minh thành công hiệu ứng này một cách có chủ đích [3, 4].
từ thủy tinh màu
Năm 1981, Ekimov công bố phát hiện trên tại Liên Xô (cũ). Chiến tranh lạnh giữa Liên Xô và các nước phương Tây trong thời kỳ này hạn chế tầm lan tỏa của nghiên cứu đó ra toàn thế giới. Hai năm sau (1983), độc lập với Ekimov, giáo sư hóa học người Mỹ Louis Eugene Brus của Đại học Columbia, Hoa Kỳ, cũng khám phá ra hiệu ứng này, không phải trong thủy tinh mà là trong một dung dịch. Kể từ đó, chấm lượng tử trở thành chủ đề thu hút sự quan tâm của toàn thế giới.
Louis Brus và khám phá có chủ đích từ một sự tình cờ
Thời điểm đó, Giáo sư Louis Brus làm việc ở phòng thí nghiệm Bell (Đại học Columbia) trong lĩnh vực ứng dụng năng lượng mặt trời. Một ngày, ông sử dụng các hạt CdS (cadimi sunfua) để lưu giữ quang năng và chuyển nó vào các phản ứng hóa học. Ông phân tán các hạt CdS trong dung dịch và cố gắng chế tạo được các hạt có kích thước càng nhỏ càng tốt vì hạt nhỏ tương ứng với bề mặt riêng lớn, tạo ra hiệu ứng lưu trữ quang năng lớn. Brus phát hiện các hạt CdS có kích thước rất nhỏ, cỡ 4,5 nm, có tính chất quang học thay đổi hẳn so với các hạt CdS thông thường ở kích khoảng 12,5 nm: Chúng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng ngắn hơn so với CdS thường, tức là chuyển dịch “xanh” hơn [5]. Giống Ekimov, Brus cũng nhận ra ngay ông vừa phát hiện ra một minh chứng rõ ràng về chấm lượng tử, và công bố phát hiện này vào năm 1983, trong đó ông đưa ra kết luận các hạt nhỏ hơn sẽ hấp thụ bước sóng chuyển dịch xanh hơn khi đạt đến ngưỡng kích thước mà hiệu ứng lượng tử phát huy tác dụng.
Cả Ekimov và Brus, như chúng ta thấy, đều đi từ sự phi logic bề mặt với những quan sát ban đầu đến sự logic bản chất khi thực sự thấu hiểu cơ chế của hiện tượng. Những phát hiện này cũng giúp các nhà hóa học hiểu sâu hơn về bản chất thực tế những hóa tính của vật chất, vốn không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc lớp vỏ electron, mà còn phụ thuộc vào kích thước hạt mà nó đạt được. Ngày nay, điều khiển kích thước hạt để đạt tới những tính chất mong muốn của vật liệu đang trở thành một trong những hướng phát triển mạnh nhất của khoa học vật liệu [4, 5].
Mảnh ghép hoàn chỉnh đến từ nghiên cứu mang tính cách mạng
Moungi Gabriel Bawendi là người Mỹ gốc Pháp, học đại học và cao học tại Đại học Harvard, học tiến sĩ tại Đại học Chicago, sau đó nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Bell dưới sự hướng dẫn của chính giáo sư Louis Brus. Năm 1990, ông chuyển đến Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) làm việc. Tại đây, ông đã đạt được những thành tựu mang tính cách mạng trong lĩnh vực chấm lượng tử. Vậy những nghiên cứu của Moungi Bawendi mang tính cách mạng tới mức nào?
Bawendi thực sự đã chịu ảnh hưởng từ những nghiên cứu về chấm lượng tử của Ekimov và Brus. Như đã đề cập, ông là nghiên cứu viên sau tiến sĩ dưới sự hướng dẫn của Brus từ năm 1988 với chủ đề liên quan trực tiếp đến chấm lượng tử: Làm sao để cải thiện chất lượng chế tạo chúng một cách đơn giản hơn, kích thước đồng đều hơn và hạn chế tạo thành các tinh thể khiếm khuyết không hoàn chỉnh? Cả Ekimov và Brus đều là các nhà tiên phong trong việc truy tìm quy luật của chấm lượng tử. Tưởng chừng dưới sự hướng dẫn của một bậc thầy như Brus, Bawendi và Brus sẽ tạo ra những thành tựu nổi bật hơn nữa. Tuy nhiên, sau khi thử qua các loại dung môi, nhiệt độ, kỹ thuật và vật liệu khác nhau, họ không tìm ra phương cách để chế tạo được các hạt tinh thể nano đồng đều [1, 4, 5], tức là chưa thành công trong việc tối ưu hóa quá trình chế tạo chấm lượng tử.
Bawendi không bỏ cuộc dù ông rời phòng thí nghiệm của Brus sau đó, mang theo những nỗ lực của mình sang cương vị mới là trưởng nhóm nghiên cứu ở MIT. Tại đây, đột phá trong nghiên cứu đã đến với ông cùng nhóm cộng sự vào năm 1993 khi phát minh ra kỹ thuật điều chế các hạt nano có chất lượng cao và đồng nhất. Kỹ thuật này rất đơn giản: Phun các tia tiền chất tạo tinh thể nano vào trong một dung môi chọn lọc; khi tạo thành một khối dung dịch bão hòa tiền chất bao quanh đầu vòi phun, các mầm tinh thể siêu nhỏ sẽ hình thành một cách nhanh chóng. Cùng thời điểm đó, nhiệt độ dung dịch có thể được biến đổi một cách chính xác để tạo ra, phát triển và điều khiển kích thước các tinh thể này. Thêm vào đó, môi trường dung dịch cũng hỗ trợ các tinh thể nano có một bề mặt trơn và đồng đều, hạn chế các khuyết tật [6].
Các tinh thể do Bawendi và cộng sự chế tạo được gần như hoàn hảo về mặt kích thước và độ đồng nhất và thể hiện rõ rệt các hiệu ứng lượng tử. Sự cách mạng ở đây nằm trong sự đơn giản hóa đến mức tối đa của phương pháp chế tạo chấm lượng tử. Từ đó, các nhà khoa học khác có thể tái lập và phát triển phương pháp riêng của họ để tạo ra các hệ chấm lượng tử khác, cũng như nghiên cứu nhiều đặc điểm của chúng.
Chấm lượng tử và những ứng dụng ngày nay
Kể từ những năm 1990, khi Bawendi khởi đầu cho cuộc cách mạng chế tạo chấm lượng tử, đến nay đã hơn 30 năm trôi qua, chấm lượng tử đã trở thành một phần vô cùng quan trọng trong công nghệ nano và có thể được tìm thấy trong rất nhiều sản phẩm thương mại: Các hệ vật liệu tạo ánh sáng màu nhờ thay đổi kích thước tinh thể; công nghệ QLED (đèn LED chấm lượng tử) – một trong số các nghiên cứu đã mang về giải Nobel Vật lý năm 2014 cho ba nhà khoa học Nhật Bản; hóa sinh và dược phẩm – theo dõi và kiểm soát các tế bào u bướu trong cơ thể thông qua kỹ thuật truy vết; phản ứng hóa học – có thể điều khiển phản ứng nhờ đặc tính xúc tác mới phát sinh từ chấm lượng tử. Rất nhiều ứng dụng khác đang và sẽ được gắn liền với chấm lượng tử trong tương lai, ví dụ chế tạo các thiết bị quang năng, tế bào năng lượng mặt trời, màn hình chấm lượng tử, hệ xử lý thông tin lượng tử của máy tính… Chấm lượng tử, với tiềm năng ứng dụng to lớn trong tương lai gần sẽ mang đến những bước tiến đột phá cho con người. Đó là một trong những nguyên nhân giải Nobel Hóa học năm nay tôn vinh các thành tựu đạt được trong lĩnh vực này.
Ghi chú:
(*) nano, kích thước nano, tinh thể nano, cấu trúc nano, công nghệ nano…: Các thuật ngữ để chỉ vật chất/tính chất vật chất tồn tại ở các thang đo nanomet.
(**) nanomet, thang đo nanomet: Chỉ thang đo những vật thể có kích thước cỡ 10-9 m, tức 1/tỷ m.
(***) nm: Ký hiệu đơn vị của nanomet; 1 nm = 10-9 m.
(****) Kelvin: Một trong những đơn vị của nhiệt độ, ký hiệu là K, có giá trị K = (độ C) – 273.
(*****) Độ không tuyệt đối: Tức là 0K, tương đương – 273 độ C, giới hạn nhiệt độ thấp nhất có thể đạt tới trong tự nhiên.
Tác giả: TS. Nguyễn Đăng Toàn – Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF)
Biên tập: PGS.TS. Nguyễn Thành Vinh – Trường Hóa học, Đại học New South Wales, Australia
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. https://www.chemistryworld.com/news/explainer-why-have-quantum-dots-won-the-2023-nobel-prize/4018168.article
[2]. https://www.sciencenews.org/article/quantum-dots-nanoparticles-bawendi-brus-ekimov
[3]. Scientifc Background to the Nobel Prize in Chemistry 2023 (2023) Quantum dots – seeds of nanoscience, The Nobel Committee for Chemistry.
[4]. Ekimov A. I., Onushchenko A. A. (1981) Quantum Size Effect in Three-Dimensional Microscopic Semiconductor Crystals. JETP Lett+, 34 (6), 345-349.
[5]. Brus L. E. (1983) A Simple-Model for the Ionization-Potential, Electron-Affinity, and Aqueous Redox Potentials of Small Semiconductor Crystallites. J Chem Phys, 79 (11), 5566-5571.
[6]. Murray C. B., Norris D. J., Bawendi M. G. (1993) Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse Cde (E = S, Se, Te) Semiconductor Nanocrystallites. J Am Chem Soc, 115(19), 8706-8715.
[7]. Marx-Engels Correspondence (1894) Engels to Borgius, Abstract, International Publishers. Link: https://www.marxists.org/archive/marx/works/1894/letters/94_01_25.htm#n1
[8]. Elinson M. I., Volkov V. A., Lutskij V. N., Pinsker T. N. (1972) Quantum size effect and perspectives of its practical application. Thin Solid Films, 12(2), 383–397.
[9]. Federico M., Maksym V. K. (2022) Three Millennia of Nanocrystals, ACS Nano, 16, 5085−5102.