Giải Nobel Hóa học 2023 cho người tạo ra các chấm lượng tử

Moungi Bawendi (MIT), Louis Brus (ĐH Columbia Mỹ) và Alexei Ekimov (công ty Nanocrystals Technology Inc) đã nhận giải thưởng cho công trình nghiên cứu về những hạt nano được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử đến phẫu thuật.

Họ là nhà hóa học dự đoán và chế tạo các chấm lượng tử – những phân tử nhỏ bé tương tác với ánh sáng theo cách khác thường. “Đây là một kết quả tuyệt vời cho cộng đồng chấm lượng tử”, Mark Green, nhà vật lý tại Kings College London, nói. “Các khung lý thuyết do Brus và Ekimov đem lại đã được bài báo năm 1993 của Bawendi biến thành hiện thực. Từ đó mà ngành khoa học học này đã phát triển”.

Ekimov, 78 tuổi, Brus, 80 tuổi là những người tiên phong công nghệ này trong khi Bawendi, 62 tuổi, được ghi nhận với việc cách mạng hóa việc sản xuất các chấm lượng tử “đem đến việc cho ra đời những hạt hầu như hoàn hảo. Chất lượng cao của các hạt này rất cần thiết để đưa chúng vào các ứng dụng cụ thể”, Ủy ban Nobel nhận xét.

Các chấm lượng tử đã đem đến nhiều lợi ích lớn lao cho con người. Các nhà nghiên cứu tin là trong tương lai, chúng có thể còn có mặt cho các thiết bị điện tử linh hoạt, các cảm biến kích thước nhỏ, các tấm pin mặt trời mỏng hơn và truyền thông lượng tử mã hóa, vì chúng ta mới chỉ bắt đầu khám phá tiềm năng của những hạt nhỏ bé này.

Các vấn đề kích thước ở quy mô nano

Trong thế giới nano, có những thứ thực sự hành xử khác biệt. Một khi kích thước được bắt đầu đo đạc ở cấp độ phần triệu một milimét, hiện tượng kỳ lạ bắt đầu diễn ra – các hiệu ứng lượng tử – thách thức trực giác của chúng ta. Ba nhà khoa học trên đã là những người tiên phong trong khám phá thế giới nano. Vào đầu những năm 1980, Louis Brus và Alexei Ekimov đã thành công trong việc tạo ra một cách độc lập các chấm lượng tử.
Trong nhiều thập kỷ, hiện tượng lượng tử trong thế giới nano mới chỉ là một dự đoán. Khi Alexei Ekimov và Louis Brus tạo ra các chấm nano đầu tiên, các nhà khoa học lập tức biết rằng chúng có thể – về mặt lý thuyết – có những đặc tính bất thường. Vào năm 1937, nhà vật lý Herbert Fröhlich đã dự đoán là các hạt nano có thể không hành xử như những hạt khác. Ông khám phá đã những hệ quả về mặt lý thuyết của phương trình Schrödinger, nơi chứng tỏ là các hạt trở nên cực nhỏ sẽ có ít không gian cho electron của vật liệu này. Khi đó, các electron – với cả hai tính chất sóng và hạt – đều bị ép lại với nhau. Fröhlich nhận ra là điều này có thể dẫn đến những thay đổi về đặc tính của vật liệu.

Các nhà nghiên cứu bị thu hút bởi cái nhìn nay và sử dụng những công cụ toán học để tiếp tục dự đoán vô số hiệu ứng lượng tử phụ thuộc kích thước. Họ cũng cố gắng chứng minh nó trong thực tế nhưng dễ nói hơn làm bởi vì họ cần tạo ra một cấu trúc nhỏ hơn triệu lần so với một đầu kim.
Và chỉ một số người cho là các hiệu ứng lượng tử hữu dụng.

Cho đến những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã tiếp tục tạo ra một cấu trúc nano. Sử dụng một dạng chùm tia phân tử, họ tạo ra một lớp vỏ vật liệu mỏng ở cấp độ nano trên đỉnh một vật liệu dạng khối. Khi hoàn thành, họ có thể chứng tỏ đặc tính quang của lớp vỏ phụ thuộc vào độ dày mỏng, một quan sát gắn với dự đoán của cơ học lượng tử.

Đó là một đột phá lớn nhưng thực nghiệm đòi hỏi kỹ thuật rất tiên tiến. Các nhà nghiên cứu cần cả nhiệt độ và chân không siêu cao gần với mức độ không tuyệt đối, vì vậy rất ít người chờ đợi hiện tượng cơ học lượng tử có thể xảy ra trong thực tế. Tuy nhiên thì khoa học vẫn đưa ra những điều nằm ngoài sự chờ đợi và lần đó, bước ngoặt khoa học lại phụ thuộc vào một phát minh cổ đại: kính màu.

Từ vài nghìn năm trước, các nhà khảo cổ đã phát hiện ra thủy tinh màu. Những người làm thủy tinh đã thử nghiệm cách làm của mình cho hiểu biết về cách thủy tinh có thể tạo ra được dải màu sắc trên cầu vồng. Họ đã đưa thêm các hợp chất như bạc, vàng, và cadmium, sau đó đưa vào các mức nhiệt độ khác nhau để tạo ra những dải màu tuyệt đẹp cho thủy tinh.

Vào thế kỷ 19 và 20, khi các nhà vật lý bắt đầu tìm hiểu về các đặc tính quang học của ánh sáng, hiểu biết này đã được đặt vào đó. Các nhà vật lý đã sử dụng kính màu để phát ra những bước sóng đã lựa chọn, qua đó dẫn đến những hiểu biết quan trọng. Một điều họ đã học ra là một hợp chất đơn giản có thể là tạo ra những thủy tinh có màu sắc khác biệt. Ví dụ một hỗn hợp cadmium selenide và cadmium sulphide có thể khiến thủy tinh chuyển màu vàng hoặc đỏ – màu sắc phụ thuộc vào thủy tinh nóng chảy và làm lạnh như thế nào. Cuối cùng, họ cũng chứng tỏ là màu sắc từ các hạt được hình thành bên trong thủy tinh và màu sắc phụ thuộc vào kích thước hạt.

Vào những năm 1970, khi đó là một nghiên cứu sinh, làm việc tại Viện nghiên cứu quốc gia S. I. Vavilov, Soviet. Ông là người đã lập bản đồ về những bí ẩn của kính màu. Sự thật là một hợp chất có thể làm thay đổi màu sắc của thủy tinh đã khiến Alexei Ekimov quan tâm. Nếu vẽ một bức tranh có màu đỏ cadmium, nó sẽ luôn luôn là màu đỏ cadmium cho đến khi bạn trộn những màu khác. Vậy hợp chất nào khiến cho kính có màu khác?

Trong thời gian này, Ekimov nghiên cứu bán dẫn – thành phần quan trọng của vi điện tử. Trong lĩnh vực này, các phương pháp quang học thường được dùng cho các dụng cụ đánh giá chất lượng vật liệu bán dẫn. Các nhà nghiên cứu rọi ánh sáng lên vật liệu và đo đạc khả năng hấp thụ của chúng. Điều này tiết lộ các thành phần của vật liệu được làm từ gì và có cấu trúc tinh thể trật tự tốt không.

Ekimov quen thuộc với nó, vì vậy ông bắt đầu sử dụng chúng để kiểm tra màu sắc của thủy tinh. Sau những thực nghiệm ban đầu, ông quyết định tạo một cách có hệ thống thủy tinh được kết hợp với copper chloride. Ông đốt nóng thủy tinh ở dải nhiệt độ từ 500°C đến 700°C, thời gian gia nhiệt khác nhau từ 1 đến 96 giờ. Khi kính được làm lạnh và rắn lại, ông chiếu tia X lên nó.

Các tia tán xạ chứng tỏ các tinh thể nhỏ bé của đồng chloride đã hình thành bên trong thủy tinh và quá trình chế tạo đã ảnh hưởng đến kích thước hạt. Một số mẫu thủy tinh chỉ có hai nano mét, những mẫu khác lên tới 30 nano mét.

Thật thú vị là chuyển đổi đã xảy ra: sự hấp thụ ánh sáng của thủy tinh phụ thuộc vào kích thước của hạt. Các hạt lớn nhất hấp thụ ánh sáng theo cùng cách của đồng chloride thông thường nhưng các hạt nhỏ hơn thì xanh hơn ánh sáng chúng hấp thụ. Là một nhà vật lý, Ekimov hiểu các quy luật cơ học lượng tử và nhanh chóng nhận ra là ông đã quan sát một hiệu ứng lượng tử phụ thuộc kích thước.

Đây là lần đầu tiên trên thế giới thành công trong việc chủ ý tạo ra các chấm lượng tử—các hạt nano gây ra hiệu ứng lượng tử phụ thuộc vào kích thước. Năm 1981, Ekimov công bố phát hiện của mình trên một tạp chí khoa học của Liên Xô, nhưng các nhà nghiên cứu phương tây rất khó tiếp cận điều đó. Vì vậy, người đoạt giải Nobel Hóa học tiếp theo năm nay—Louis Brus—không biết về phát hiện của Alexei Ekimov khi, vào năm 1983, ông là nhà nghiên cứu đầu tiên trên thế giới phát hiện ra các hiệu ứng lượng tử phụ thuộc vào kích thước trong các hạt nổi tự do trong một dung dịch.

Louis Brus đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell với mục tiêu tạo ra các phản ứng hóa học bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. Để làm điều đó, ông sử dụng các hạt cadmium sulphide, loại hạt có thể thu ánh sáng và sau đó sử dụng năng lượng của nó để thúc đẩy phản ứng. Brus làm cho các hạt ở trong một dung dịch trở nên rất nhỏ vì nó sẽ giúp ông có một diện tích lớn hơn để các phản ứng hóa học có thể xảy ra; vật liệu càng được cắt nhỏ thì diện tích bề mặt tiếp xúc với môi trường xung quanh càng lớn.

Trong khi làm việc với những hạt nhỏ bé này, Brus nhận thấy một điều kỳ lạ – tính chất quang học của chúng thay đổi sau một thời gian – và ông cho là có thể do các hạt đã phát triển. Để xác nhận, ông đã tạo ra các hạt cadmium sulphide có đường kính khoảng 4,5 nano mét. Sau đó, Brus so sánh tính chất quang của những hạt mới được tạo ra này với đặc tính quang của những hạt lớn hơn, có đường kính khoảng 12,5 nano mét. Các hạt lớn hơn hấp thụ ánh sáng ở cùng bước sóng như cadmium sulphide thường hấp thụ nhưng các hạt nhỏ hơn chuyển sang màu xanh lam.

Cũng giống như Ekimov, Brus hiểu rằng ông đã quan sát thấy một hiệu ứng lượng tử phụ thuộc vào kích thước. Ông công bố khám phá của mình vào năm 1983 và sau đó bắt đầu nghiên cứu các hạt được tạo ra từ nhiều loại chất khác. Mẫu hình đều giống nhau—các hạt càng nhỏ thì ánh sáng chúng hấp thụ càng xanh hơn.

Bảng tuần hoàn làm tăng thêm chiều thứ ba

Đây là nơi mà người ta đặt câu hỏi “tại sao lại có vấn đề khi sự hấp thụ lại thiên về màu xanh? Tại sao nó lại kỳ diệu như vậy?”

Ồ những thay đổi quang học tiết lộ đặc tính của hợp chất đã thay đổi hoàn toàn. Các đặc tính quang của một hợp chất được điều khiển bởi chính các electron của nó. Các electron tương tự nhau cùng chi phối các đặc tính khác của vật chất như năng lực xúc tác các phản ứng hóa học hoặc dẫn điện.
Vì vậy khi các nhà nghiên cứu dò được sự thay đổi trong hấp thụ thì họ hiểu là về nguyên tắc, họ đang nhìn thấy một vật liệu hoàn toàn mới.

Nếu muốn hiểu giá trị của khám phá này, bạn có thể hình dung ra bảng tuần hoàn lại đột nhiên có thêm chiều thứ b. Các đặc trưng của một nguyên tố không chỉ ảnh hưởng đến con số của lớp vỏ electron và bao nhiêu electron ở bên ngoài nhưng ở cấp độ nano, kích thước mới là vấn đề. Một nhà hóa học muốn phát triển một vật liệu mới cần nhân tố khác để tham gia – tất nhiên là nó kích thích óc tưởng tượng của nhà nghiên cứu!

Đó chỉ là một vấn đề. Phương pháp của Brus là sử dụng pha tạp khôn gạt là kết quả không dự doán được. Các chấm lượng tử là những tinh thể nhỏ bé và những hạt khác được tạo ra có thể có sự khiếm khuyết. Chúng ở những kích thước khác nhau. Có thể kiểm soát được các tinh thể này không? Nếu các nhà nghiên cứu muốn mọi hạt trong một dung dịch cùng kích thước thì họ phải phân loại sau khi làm ra chúng.Đó là một quá trình phức tạp có thể ảnh hưởng đến quá trình phát triển.

Moungi Bawendi đã cách mạng hóa việc sản xuất các chấm lượng tử

Đây là vấn đề mà người thứ ba nhận giải đã giải quyết được.

Vào năm 1993, Moungi Bawendi đã cách mạng hóa việc chế tạo chấm lượng tử, làm cho nó có phẩm chất hoàn hảo – một điều kiện tiên quyết để sử dụng chúng trong công nghệ nano hiện nay. Moungi Bawendi bắt đầu làm nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Louis Brus vào năm 1988, nơi công việc chuyên sâu đang được tiến hành để cải tiến các phương pháp tạo ra các chấm lượng tử. Sử dụng nhiều loại dung môi, nhiệt độ và kỹ thuật, họ đã thử nghiệm nhiều loại chất khác nhau để thử và tạo thành các tinh thể nano có tổ chức tốt. Và các tinh thể ngày càng tốt hơn nhưng vẫn chưa đủ tốt.

Tuy nhiên, Bawendi không bỏ cuộc. Khi ông bắt đầu làm việc tại MIT, ông tiếp tục tạo ra những hạt nano có chất lượng cao. Đột phá xảy ra vào năm 1993, khi nhóm nghiên cứu tiêm các chất tạo thành tinh thể nano vào một dung môi được đun nóng. Họ tiêm càng nhiều chất cần thiết để bão hòa chính xác dung dịch, dẫn đến các phôi tinh thể nhỏ bắt đầu hình thành một cách đồng thời.

Sau đó, bằng cách thay đổi linh hoạt nhiệt độ của dung dịch, Moungi Bawendi và nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển các tinh thể nano có kích thước cụ thể. Trong giai đoạn này, dung môi giúp tạo cho các tinh thể một bề mặt mịn và đều.

Các tinh thể nano mà Bawendi tạo ra gần như hoàn hảo, tạo ra các hiệu ứng lượng tử rõ rệt.

Bởi vì phương pháp chế tạo quá dễ để sử dụng, nó đã là một cuộc cách mạng – ngày càng nhiều hơn các nhà hóa học tham gia nghiên cứu công nghệ nano và bắt đầu tìm hiểu về những đặc tính độc đáo của chấm lượng tử.

Tính chất quang của chấm lượng tử được sử dụng trong thương mại

Ba mươi năm sau, chấm lượng tử hiện là một phần quan trọng trong các công cụ của công nghệ nano và được tìm thấy trong các sản phẩm thương mại. Các nhà nghiên cứu chủ yếu sử dụng chấm lượng tử để tạo ra ánh sáng màu. Nếu các chấm lượng tử được chiếu sáng bằng ánh sáng xanh, chúng sẽ hấp thụ ánh sáng và phát ra màu khác. Việc sửa đổi kích thước của các hạt giúp có thể xác định chính xác chúng sẽ phát sáng màu gì.

Các đặc tính quang của chấm lượng tử được sử dụng trong máy tính, màn hình ti vi dựa trên công nghệ QLED. Trong những màn hình này, ánh sáng xanh được tạo ra bằng các diode hấp thụ năng lượng đã được ghi nhận ở giải Nobel Vật lý năm 2014. Các chấm lượng tử thường được sử dụng để thay đổi màu sắc của một số màu xanh lam, chuyển đổi sang đỏ hoặc xanh lá. Điều này khiến cho có thể tạo ra ba màu cơ bản của anh sáng cần thiết cho màn hình tivi.

Tương tự, các chấm lượng tử được sử dụng trong một số đèn LED để thay đổi ánh sáng lạnh của các diode. Ánh sáng này sau đó trở nên có năng lượng như ánh sáng ban ngày hoặc dịu hơn với sắc ấm từ một bóng đèn mờ.

Ánh sáng từ các chấm lượng tử được sử dụng trong hóa sinh và y học. Các nhà hóa sinh gắn các chấm lượng tử vào các phân tử sinh học để lập bản đồ các tế bào và nội quan. Các bác sĩ bắt đầu tìm hiểu về tiềm năng của các chấm lượng tử để dò theo cac mô của khối u trong cơ thể. Các nhà hóa học sử dụng các đặc tính xúc tác của các chấm lượng tử để điều hướng các phản ứng hóa học.

Các chấm lượng tử vì thế đem đến những lợi ích to lớn cho con người và chúng ta mới bắt đầu khám phá tiềm năng của chúng. Các nhà khoa học tin là trong tương lai, các chấm lượng tử có thể có mặt trong các thiết bị điện tử linh hoạt, các sensor siêu nhỏ, các tấm pin mặt trời mỏng hơn và có lẽ là truyền thông lượng tử mã hóa. Có nhiều điều để học hỏi về hiện tượng lượng tử kỳ lạ.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-10-scientists-nobel-prize-chemistry-tiny.html

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03048-9