Từng có thời điểm, chấm lượng tử được coi là thứ chỉ có trong truyền thuyết, không thể tổng hợp nhân tạo để phục vụ nhu cầu sản xuất sản phẩm thương mại. Nhưng giờ màn hình công nghệ quantum dot, từ TV đến màn hình máy tính đã trở nên vô cùng phổ biến. Và ba nhà khoa học Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus, cùng Alexei I. Ekimov vừa được Viện hàn lâm khoa học hoàng gia Thụy Điển trao tặng giải Nobel hóa học năm 2023.
Chấm lượng tử, hay quantum dot là những hạt bán dẫn siêu nhỏ, đường kính mỗi hạt chỉ cỡ vài chục nguyên tử. Nhờ kích thước như vậy, có thể xếp hàng tỷ chấm lượng tử trên đầu một cây kim, và chấm lượng tử càng nhỏ thì càng tốt. Ở kích thước rất nhỏ như vậy, hiệu ứng lượng tử được kích hoạt, tạo ra những tính chất điện và quang học tuyệt vời. Và bản chất kích thước của từng chấm lượng tử cũng sẽ ảnh hưởng tới màu sắc mà chúng phát sáng. Trong dải màu mắt thường nhìn thấy được, chấm càng to thì sẽ có ánh sáng đỏ, chấm càng nhỏ thì ngả ánh sáng xanh. Nhờ đó, con người có thể điều chỉnh chấm lượng tử để chúng phát sáng theo ý muốn chỉ bằng cách điều chỉnh kích thước.
Ngay từ thập niên 1930, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết cho rằng, những hạt ở kích thước nano sẽ phản ứng theo những cách rất khác. Lý do là theo cơ học lượng tử, khi hạt đủ nhỏ, không gian cho các electron di chuyển sẽ giảm đi rất nhiều, và khi gò ép những electron vào không gian hẹp như vậy, vật liệu sẽ có những tính chất rất khác so với bình thường. Đến thập niên 1970, các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra những lớp film mỏng tính bằng độ dày nano mét trên vật liệu nền, với những tính chất quang học riêng theo kích thước từng chấm lượng tử. Nhưng làm ra chúng đòi hỏi phải thực hiện trong điều kiện chân không tuyệt đối, nhiệt độ cũng phải chạm ngưỡng tuyệt đối 0 độ Kelvin, nên khi ấy không nhiều người nghĩ đến ứng dụng thực tiễn của quantum dot.
Rồi một giải pháp được phát hiện ra, đến từ kỹ nghệ nhuộm thủy tinh thời xưa. Những nghệ nhân ngày trước đã biết cách thêm bạc, vàng và cadmium vào thủy tinh, thay đổi nhiệt độ và kiểm soát quá trình thủy tinh nguội để tạo ra những màu sắc khác nhau. Các nhà khoa học nhận ra màu sắc đến từ những hạt li ti bên trong thủy tinh, và màu sắc của chúng cũng phụ thuộc vào kích thước của từng hạt.
Chấm lượng tử, hay quantum dot là những hạt bán dẫn siêu nhỏ, đường kính mỗi hạt chỉ cỡ vài chục nguyên tử. Nhờ kích thước như vậy, có thể xếp hàng tỷ chấm lượng tử trên đầu một cây kim, và chấm lượng tử càng nhỏ thì càng tốt. Ở kích thước rất nhỏ như vậy, hiệu ứng lượng tử được kích hoạt, tạo ra những tính chất điện và quang học tuyệt vời. Và bản chất kích thước của từng chấm lượng tử cũng sẽ ảnh hưởng tới màu sắc mà chúng phát sáng. Trong dải màu mắt thường nhìn thấy được, chấm càng to thì sẽ có ánh sáng đỏ, chấm càng nhỏ thì ngả ánh sáng xanh. Nhờ đó, con người có thể điều chỉnh chấm lượng tử để chúng phát sáng theo ý muốn chỉ bằng cách điều chỉnh kích thước.
Ngay từ thập niên 1930, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết cho rằng, những hạt ở kích thước nano sẽ phản ứng theo những cách rất khác. Lý do là theo cơ học lượng tử, khi hạt đủ nhỏ, không gian cho các electron di chuyển sẽ giảm đi rất nhiều, và khi gò ép những electron vào không gian hẹp như vậy, vật liệu sẽ có những tính chất rất khác so với bình thường. Đến thập niên 1970, các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra những lớp film mỏng tính bằng độ dày nano mét trên vật liệu nền, với những tính chất quang học riêng theo kích thước từng chấm lượng tử. Nhưng làm ra chúng đòi hỏi phải thực hiện trong điều kiện chân không tuyệt đối, nhiệt độ cũng phải chạm ngưỡng tuyệt đối 0 độ Kelvin, nên khi ấy không nhiều người nghĩ đến ứng dụng thực tiễn của quantum dot.
Rồi một giải pháp được phát hiện ra, đến từ kỹ nghệ nhuộm thủy tinh thời xưa. Những nghệ nhân ngày trước đã biết cách thêm bạc, vàng và cadmium vào thủy tinh, thay đổi nhiệt độ và kiểm soát quá trình thủy tinh nguội để tạo ra những màu sắc khác nhau. Các nhà khoa học nhận ra màu sắc đến từ những hạt li ti bên trong thủy tinh, và màu sắc của chúng cũng phụ thuộc vào kích thước của từng hạt.
Đến cuối thập niên 1970, tiến sĩ Ekimov bắt đầu nghiên cứu tính chất quang học của thủy tinh màu, tại viện quang học quốc gia S.I. Vavilov, Liên Xô. Ông dựa vào vài kỹ thuật đã dùng trong luận án tiến sĩ chuyên ngành bán dẫn, chiếu ánh sáng vào vật liệu và đo đạc cách vật liệu thu sáng để nghiên cứu kết cấu tinh thể.
Ekimov bắt đầu nhuộm kính tạo ra trong phòng thí nghiệm bằng đồng chloride, chụp X quang thành phẩm sau khi làm nguội. Ông phát hiện ra lớp đồng chloride sau khi nung ở nhiệt độ 500 đến 700 độ C, kết hợp với 96 tiếng làm nguội, tạo ra những hạt kích thước từ 2 đến 30 nano mét. Kích thước những hạt này có tương quan mật thiết với cách tấm kính hấp thụ ánh sáng, giống hệt những tấm phim chứa chấm lượng tử đầu thập niên 1970. Đó chính là những quantum dot đầu tiên tạo ra được trong phòng thí nghiệm.
Ấy vậy nhưng thời đó thì vẫn là Liên Xô, và báo cáo nghiên cứu khoa học được tiến sĩ Ekimov đăng trên tờ tạp chí năm 1981 không được đem ra nước ngoài. Trong số đó có cả Louis Brus, người đã có nghiên cứu khoa học năm 1983, phát hiện ra những hạt nano trôi lơ lửng với tính chất quang học dựa theo kích thước hạt, nói cách khác là y hệt phát hiện của tiến sĩ Ekimov vài năm trước đó.
Ở phòng thí nghiệm Bell Lab, Brus thử nghiệm với những hạt nano từ chất liệu cadmium sulfide, và bị ấn tượng bởi khả năng thu năng lượng ánh sáng của chúng để thực hiện phản ứng hóa học. Nhưng ông phát hiện ra nếu để những hạt nano này trong phòng thí nghiệm một thời gian, tính chất quang học của chúng sẽ bị biến đổi, nghi ngờ do những hạt này thay đổi kích thước. Ông so sánh những hạt nano kích thước 4.5 và những hạt kích thước 12.5 nano mét, và phát hiện ra hạt càng nhỏ thì hấp thụ càng nhiều ánh sáng xanh.
Còn vị khoa học gia thứ ba vừa nhận giải Nobel hóa học năm nay, Moungi Bawendi thì từng là nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm mà Brus đứng đầu vào cuối thập niên 1980. Ông có công góp phần tạo ra những nghiên cứu để giải quyết những vấn đề còn tồn đọng trong nghiên cứu vài năm trước của Brus. Quan trọng nhất, quy trình sản xuất chấm lượng tử khi ấy không kiểm soát được kích thước và chất lượng của từng hạt. Điều đó ảnh hưởng tới khả năng ứng dụng của loại vật liệu này. Đến năm 1993, Bawendi tìm ra cách kiểm soát chất lượng và kích thước của quantum dot, nhờ vào việc thay đổi nhiệt độ đa dạng trong quá trình sản xuất.
Nói về giải Nobel hóa học năm nay, chủ tịch hiệp hội hóa học Mỹ Judith C. Giordan nói: “Chấm lượng tử là một ví dụ điển hình về khả năng lý thuyết hóa một hiện tượng, rồi tổng hợp, chế tạo và điều chỉnh chúng một cách chính xác. Khả năng điều chỉnh kích thước của các chấm lượng tử cho phép chúng phát ra những bước sóng cụ thể phục vụ nhiều mục đích sử dụng, từ màn hình cho đến chiếu sáng.”
Quảng cáo
