Nobel hóa học 2023: Từ thủy tinh màu đến màn hình QLED

Theo GS Heiner Linke, thành viên Ủy ban Nobel Hóa học, "các chấm lượng tử có thể được coi là cột mốc của toàn bộ ngành công nghệ nano".

Hạt mầm lý thuyết

Lý thuyết lượng tử đã có nhiều tiên đoán có tính chỉ dẫn cho nhiều khám phá kỳ diệu trong khoa học và công nghệ. Một trong những tiên đoán như vậy là hiệu ứng lượng tử ở vật liệu nano, tức ở kích thước phần tỉ mét. 

Để dễ hình dung hơn, một hạt kích thước nano so với trái bóng cũng như trái bóng so với Trái đất. Hay nói kiểu "mỏng như sợi tóc" thì kích thước nano bằng một phần triệu bề dày sợi tóc. Kích thước siêu nhỏ này khiến vật liệu nano có tính chất rất khác vật liệu khối thông thường.

Dựa trên cơ học lượng tử, các nhà khoa học đã tiên đoán nhiều tính chất đặc biệt của vật chất nano từ khoảng 40 năm trước khi thực nghiệm kiểm chứng được các hiệu ứng này. 

Năm 1937, bằng cách xem xét phương trình sóng Schroedinger với các hạt vật lý ở kích thước nano, Herbert Fröhlich đưa ra tiên đoán là vật liệu nano sẽ có tính chất rất khác vật liệu khối. Ở quy mô nano, không gian chuyển động của các điện tử co lại, các điện tử bị "nhốt" trong một không gian rất nhỏ, làm xuất lộ các tính chất lượng tử.

Một trong những tính chất điển hình như vậy của vật liệu nano là tính chất quang. Để cho sang, hãy lấy ví dụ là vàng. Chúng ta đều biết vàng kim loại có màu... vàng, nhưng khi ở kích thước nano, nó có thể có màu đỏ hoặc xanh. Câu hỏi đặt ra là điều gì khiến các hạt nano vàng có màu đỏ hoặc xanh, hay tổng quát hơn, điều gì làm thay đổi tính chất của vật liệu ở kích thước nano?

Tính chất của vật liệu được quy định chặt chẽ bởi cấu tạo nội tại của các nguyên tử tạo nên vật liệu đó, mà cấu tạo của lớp vỏ điện tử đóng vai trò quan trọng nhất. Chính lớp vỏ này, cùng điều kiện môi trường khi hình thành vật liệu, sẽ quyết định cấu trúc của nó. Tóm lại, cấu trúc chính là yếu tố quyết định tính chất của vật liệu. 

Tuy nhiên, với vật liệu nano, như hạt nano vàng đã nêu trên, nhiều tính chất của nó không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc, mà cả kích thước, vật liệu nữa. Không chỉ các tính chất quang như thường quan sát được bằng mắt thường, mà các tính chất điện, từ, xúc tác… cũng thay đổi ngoạn mục.

Như thế, bằng cách kiểm soát kích thước vật liệu, các nhà khoa học có thêm phương thức mới để kiểm soát tính chất của chúng. Nói cách khác, chúng ta có hai bậc tự do để điều chỉnh tính chất vật liệu: cấu trúc và kích thước. Chính bậc tự do thứ hai này làm hiệu ứng lượng tử phát huy tác dụng, dẫn đến nhiều tính chất và ứng dụng mới của vật liệu nano.

Từ nghề thủy tinh màu

Cho đến những năm 1970, nghiên cứu về vật liệu nano chủ yếu dừng ở tính toán lý thuyết. Phần thực nghiệm đáng kể nhất là tạo ra các màng mỏng nano bằng kỹ thuật chế tạo màng mỏng, được phát triển nhờ công nghệ bán dẫn những năm 1960. Một số hiệu ứng lượng tử đã thể hiện rõ trong loại vật liệu mới này và hoàn toàn tương thích với tiên đoán của lý thuyết lượng tử.

Tuy nhiên, do các màng mỏng này được phủ trên nền vật liệu khối, nên chúng chưa được coi như vật liệu độc lập. Tiên đoán lý thuyết của Fröhlich về sự phụ thuộc của tính chất vào kích thước ở vật liệu hạt nano vì thế cũng chưa thực sự được xác nhận.

Rào cản lớn nhất với nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng lượng tử trong vật liệu nano chính là khâu chế tạo vật liệu. Các màng mỏng được chế tạo trong môi trường chân không siêu cao, ở nhiệt độ siêu thấp, nên rất ít nhà khoa học tiếp cận được; chưa kể điều kiện chế tạo như vậy cũng hạn chế những hình dung về ứng dụng của vật liệu nano. Đến những năm 1970, gần như chưa ai nghĩ đến ứng dụng vật liệu nano vào đời sống thực tế.

Năm 1979, Ekimov bắt đầu những nghiên cứu cấu trúc và thành phần của vi hạt CuCl trong thủy tinh.

Trước đó, nghề chế tạo thủy tinh màu, vốn đã có lịch sử cả nghìn năm, cho thấy nếu thêm một số chất vào thủy tinh, như vàng hay bạc, và điều chỉnh chế độ gia nhiệt, thì người thợ thủ công có thể tạo ra thủy tinh có màu sắc khác nhau. 

Đến thế kỷ 19 và 20, các nhà vật lý, do nhu cầu sử dụng kính màu để chọn lọc màu ánh sáng khi nghiên cứu quang học, phát hiện ra rằng họ có thể sử dụng hợp chất duy nhất để tạo ra các tấm thủy tinh có màu sắc khác nhau.

Chuyện này thoạt nghe có vẻ vô lý. Thực tế đời sống cho thấy mỗi chất có một màu sắc riêng, nên logic suy ra là muốn thay đổi màu sắc, phải thay đổi chất tạo màu. 

Chuyện chỉ nhờ thay đổi quá trình gia nhiệt mà hợp chất duy nhất tạo ra được nhiều màu khác nhau ở thủy tinh đã khiến Ekimov chú ý. Ông quyết định nghiên cứu có hệ thống ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt, thành phần và cấu trúc của các vi hạt CuCl với màu sắc của thủy tinh màu.

Để thực nghiệm, ông gia nhiệt thủy tinh có pha CuCl ở 500-700oC trong khoảng thời gian 1-96 giờ. Kết quả phân tích X quang cho thấy bên trong tấm thủy tinh là hệ vi hạt CuCl có kích thước từ 2-30nm, tùy theo chế độ gia nhiệt. 

Điều đặc biệt là tính chất quang của vật liệu thu được, thể hiện qua màu sắc tấm thủy tinh, phụ thuộc vào kích thước của hạt CuCl. Hạt kích thước càng lớn thì tính chất càng giống vật liệu khối. Còn khi giảm kích thước hạt xuống thì các hạt nano chuyển dịch về phía màu xanh dương.

Là nhà một nhà vật lý, Ekimov hiểu ngay đây chính là hiệu ứng lượng tử đối với hạt nano CuCl. Ông đã công bố kết quả này trên một tạp chí Liên Xô, nhưng do chiến tranh lạnh, nghiên cứu của ông không được biết đến nhiều ở các nước phương Tây.

Cũng trong khoảng thời gian đó, Brus ở Bell Lab (Mỹ) tiến hành các nghiên cứu về sử dụng chất bán dẫn CdS làm xúc tác cho phản ứng quang hóa. Bằng các kỹ thuật hóa học, ông tổng hợp được các hạt CdS có kích thước khoảng 4,5nm. 

Trong quá trình nghiên cứu, ông nhận thấy khi để CdS sau một ngày trên bàn thí nghiệm, tính chất quang của nó thay đổi. Ông phỏng đoán nguyên nhân là các tinh thể CdS đã lớn lên. Bằng kính hiển vi điện tử, ông đã chứng minh nhận định trên là đúng.

Các tinh thể CdS sau khi để một ngày trong phòng thí nghiệm đã lớn lên và có kích thước khoảng 12,5nm. Nghiên cứu sâu hơn, ông nhận thấy các hạt CdS kích thước lớn có tính chất tương tự như CdS khối, còn ở hạt CdS kích thước nhỏ xuất hiện sự dịch chuyển xanh trong phổ hấp thụ ánh sáng, tương tự phát hiện của Ekimov với các hạt CuCl. Cũng như Ekimov, Brus hiểu ngay rằng đây là hiệu ứng lượng tử của hạt CdS nano. Ông công bố công trình của mình năm 1983, độc lập với Ekimov.

Các nghiên cứu của Ekimov và Brus là lần đầu tiên hiệu ứng lượng tử của vật liệu nano chính thức được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Đột phá của Bawendi

Dù vậy, nghiên cứu vật liệu nano vẫn còn nhiều trở ngại, bao gồm vấn đề then chốt là rất khó điều chế được hạt chất lượng cao, có kích thước mong muốn và đồng nhất. Vì thế suốt 10 năm sau công bố của Brus, ngành khoa học và công nghệ nano không có được bước tiến lớn nào về thực nghiệm và ứng dụng.

Năm 1993, Bawendi ở MIT đã phát minh ra một kỹ thuật tổng hợp hạt nano mới, cho phép tạo ra hạt nano chất lượng cao, có kích thước mong muốn và đồng nhất, mở đường cho cả một làn sóng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano.

Cụ thể, Bawendi đã cho bơm nhanh một lượng tiền chất của hạt nano, ở nồng độ bão hòa, vào dung môi ở một nhiệt độ xác định. Sau đó, sử dụng chế độ khuấy, thời gian và nhiệt phù hợp, ông có thể tạo ra các hạt nano có kích thước mong muốn.

Sở dĩ phương pháp này có thể tạo ra hạt nano chất lượng cao là vì nó cho phép tách hai quá trình tạo mầm và lớn lên của tinh thể thành hai giai đoạn riêng biệt. Khi bơm tiền chất vào dung môi, các mầm tinh thể sẽ được tạo ra ở khu vực đầu kim bơm. 

Tuy nhiên, việc này cũng làm giảm nhiệt độ của dung môi, cộng với việc khuấy liên tục để các mầm không lớn lên. Sau đó, bằng cách gia nhiệt và chọn thời gian, chế độ khuấy phù hợp, quá trình lớn lên của mầm tinh thể sẽ được kiểm soát, tạo ra tinh thể nano chất lượng cao và kích thước mong muốn. 

Đây là một kỹ thuật hóa học ướt, có thể tiến hành dễ dàng trong phòng thí nghiệm, dễ lặp lại và kiểm soát. Chất liệu nghiên cứu dễ tạo ra hơn, ngành khoa học và công nghệ nano đã có thể cất cánh.

Đi vào đời sống

Từ khi Ekimov và Brus tìm ra các chấm lượng tử đến nay đã được 40 năm. Những phát hiện của họ đã trở thành một phần cơ hữu của ngành khoa học và công nghệ nano nay hiện diện khắp nơi trong đời sống.

Khi chấm lượng tử được chiếu ánh sáng xanh dương, chúng sẽ hấp thụ và phát ra ánh sáng có màu sắc khác nhau. Bằng cách điều chỉnh kích thước của chấm lượng tử, ta có thể thu được ánh sáng có màu mong muốn, nhờ đó pha trộn được vô số màu sắc như ý mình.

Ứng dụng lớn nhất của phát hiện này nay đã trở thành cả một ngành công nghiệp khổng lồ: màn hình các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng hằng ngày. Nếu bạn đang sử dụng màn hình công nghệ QLED thì chữ Q chính là viết tắt của "quantum dots" (chấm lượng tử). Ngoài màn hình, chấm lượng tử cũng được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng để tạo ánh sáng có màu sắc và chất lượng tốt hơn hẳn ánh sáng đèn LED thông thường.

Ít phổ biến hơn với một người bình thường, nhưng quan trọng không kém, là ứng dụng chấm lượng tử vào các lĩnh vực y sinh và hóa học. Nhờ chấm lượng tử, các bác sĩ ngày nay có thể theo dõi quá trình lớn lên của khối u và hoạt động của tế bào. Còn trong hóa học, các hạt nano đang được sử dụng rộng rãi để làm xúc tác cho các quá trình hóa học ở quy mô công nghiệp.

Có thể nói, các nghiên cứu và ứng dụng của chấm lượng tử và công nghệ nano mới chỉ ở giai đoạn đầu. Cả một chân trời vẫn đang chờ đợi chúng ta khám phá và khai thác. ■