Giải Nobel Vinh danh Nhà phát minh hạt nano 'Chấm lượng tử' | Tạp chí Quanta

Hãy tưởng tượng một tinh thể nano cực nhỏ đến mức nó hoạt động giống như một nguyên tử. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus và Alexei I. Ekimov đã được trao Giải Nobel Hóa học năm 2023 vì đã khám phá ra một loại kỳ quan nhỏ như vậy, ngày nay được gọi là chấm lượng tử và vì đã phát triển một phương pháp tổng hợp chúng chính xác. Trong thông báo về giải thưởng, Ủy ban Nobel về Hóa học cho biết các chấm lượng tử đã đóng vai trò quan trọng trong điện tử và y sinh, chẳng hạn như phân phối thuốc, chẩn đoán hình ảnh và y tế, đồng thời có nhiều ứng dụng hứa hẹn hơn trong tương lai.

Chấm lượng tử, đôi khi được gọi là nguyên tử nhân tạo, là các tinh thể nano chính xác được làm từ silicon và các vật liệu bán dẫn khác có chiều rộng chỉ vài nanomet - đủ nhỏ để thể hiện các tính chất lượng tử giống như từng nguyên tử, mặc dù chúng có kích thước từ một trăm đến vài nghìn nguyên tử. . Vì các electron có thể bị giữ lại ở những mức năng lượng nhất định bên trong chúng nên các tinh thể nano chỉ có thể phát ra những bước sóng ánh sáng nhất định. Bằng cách kiểm soát kích thước của các hạt, các nhà nghiên cứu có thể lập trình chính xác màu sắc mà các chấm lượng tử sẽ nhấp nháy khi được kích thích.

Trên sân khấu buổi công bố giải Nobel sáng nay, Johan Åqvist, chủ tịch Ủy ban Nobel về Hóa học, đã trưng bày một loạt năm bình, mỗi bình chứa chất lỏng phát sáng một màu khác nhau. Chất lỏng chứa dung dịch lỏng gồm các chấm lượng tử có kích thước chỉ vài phần triệu milimet. Ở kích thước nhỏ bé này, “cơ học lượng tử bắt đầu chơi đủ loại thủ thuật,” Åqvist nói.

Cơ học lượng tử dự đoán rằng nếu bạn lấy một electron và ép nó vào một không gian nhỏ, hàm sóng của electron sẽ bị nén, giải thích Heiner Linke, thành viên của Ủy ban Nobel về Hóa học và là giáo sư vật lý nano. Bạn tạo ra không gian càng nhỏ thì năng lượng của electron càng lớn, nghĩa là nó có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn cho một photon. Về bản chất, kích thước của chấm lượng tử quyết định màu sắc nó tỏa sáng. Những hạt nhỏ nhất tỏa sáng màu xanh lam, trong khi những hạt lớn hơn tỏa sáng màu vàng và đỏ.

Vào những năm 1970, các nhà vật lý biết rằng về mặt lý thuyết, các hiện tượng lượng tử phải liên quan đến các hạt có kích thước cực nhỏ, giống như với màng siêu mỏng, nhưng dự đoán đó dường như không thể kiểm tra được: Dường như không có cách nào tốt để chế tạo và xử lý các hạt ngoại trừ bên trong các vật liệu khác có thể che giấu đặc tính của chúng. Tuy nhiên, vào năm 1981 tại Viện Quang học bang SI Vavilov ở Liên Xô, Ekimov đã thay đổi điều đó. Khi thêm các hợp chất của đồng và clo vào thủy tinh, ông phát hiện ra rằng màu sắc của thủy tinh phụ thuộc hoàn toàn vào kích thước của những hạt được thêm vào đó. Ông nhanh chóng nhận ra rằng hiệu ứng lượng tử có thể là lời giải thích.

Năm 1983 tại Bell Labs, Brus đang tiến hành các thí nghiệm về việc sử dụng ánh sáng để điều khiển các phản ứng hóa học. Brus (hiện đang làm việc tại Đại học Columbia) nhận thấy rằng kích thước của các hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang học của chúng ngay cả khi chúng nổi tự do trong dung dịch lỏng. “Điều này gây ra rất nhiều sự quan tâm,” Linke nói.

Tiện ích quang điện tử tiềm năng của các hạt như vậy không bị mất đi đối với các nhà công nghệ, những người đi theo sự dẫn dắt của Đánh dấu của Đại học Yale khi gọi chúng là chấm lượng tử. Nhưng trong thập kỷ tiếp theo, các nhà nghiên cứu gặp khó khăn trong việc kiểm soát chính xác kích thước và chất lượng của những hạt này.

Tuy nhiên, vào năm 1993, Bawendi đã phát minh ra một “phương pháp hóa học khéo léo” để tạo ra các hạt nano hoàn hảo, Åqvist cho biết. Anh ta có thể kiểm soát thời điểm chính xác khi các tinh thể hình thành và sau đó anh ta có thể dừng và bắt đầu lại sự phát triển hơn nữa một cách có kiểm soát. Khám phá của ông đã khiến các chấm lượng tử trở nên hữu ích rộng rãi trong nhiều ứng dụng.

Các ứng dụng của các hạt nano này bao gồm từ màn hình LED và pin mặt trời cho đến hình ảnh trong hóa sinh và y học. “Những thành tựu này thể hiện một cột mốc quan trọng trong công nghệ nano,” Åqvist nói.

Chấm lượng tử là gì?

Chúng là những hạt nano do con người tạo ra, nhỏ đến mức tính chất của chúng bị chi phối bởi cơ học lượng tử. Những đặc tính đó bao gồm sự phát xạ ánh sáng: Bước sóng ánh sáng mà chúng phát ra chỉ phụ thuộc vào kích thước của các hạt. Các electron trong các hạt lớn hơn có ít năng lượng hơn và phát ra ánh sáng đỏ, trong khi các electron trong các hạt nhỏ hơn có nhiều năng lượng hơn và phát ra ánh sáng xanh.

Các nhà nghiên cứu có thể xác định chính xác màu sắc của ánh sáng sẽ phát ra từ các chấm lượng tử chỉ bằng cách điều chỉnh kích thước của chúng. Điều đó mang lại lợi thế rất lớn so với việc sử dụng các loại phân tử huỳnh quang khác, trong đó cần có một loại phân tử mới cho mỗi màu riêng biệt.

Lợi thế về khả năng điều khiển này không chỉ giới hạn ở màu sắc của chấm lượng tử. Bằng cách điều chỉnh kích thước của các hạt nano, các nhà nghiên cứu cũng có thể điều chỉnh các hiệu ứng điện, quang và từ cũng như các tính chất vật lý như điểm nóng chảy hoặc cách chúng ảnh hưởng đến các phản ứng hóa học.

Công trình của Bawendi đã biến các chấm lượng tử thành hiện thực như thế nào?

Năm 1993, Bawendi và nhóm của ông tại Viện Công nghệ Massachusetts đã phát triển một phương pháp tạo ra các chấm lượng tử chính xác hơn và có chất lượng cao hơn trước đây. Họ đã tìm ra cách phát triển các tinh thể nano ngay lập tức bằng cách bơm tiền chất hóa học của chúng vào một dung môi cực nóng. Sau đó, các nhà nghiên cứu ngay lập tức ngăn chặn sự phát triển của các tinh thể bằng cách hạ thấp nhiệt độ của dung môi, tạo ra các “hạt” tinh thể vô cùng nhỏ. Bằng cách làm nóng lại dung dịch từ từ, họ có thể điều chỉnh sự phát triển hơn nữa của các tinh thể nano. Phương pháp của họ tạo ra các tinh thể có kích thước mong muốn có thể tái tạo và có thể thích ứng với các hệ thống khác nhau.

Các chấm lượng tử đang được sử dụng ở đâu?

Nếu bạn đã từng xem các chương trình trên TV QLED, bạn sẽ thấy các hạt nano này đang hoạt động. Nhưng chúng cũng đang được đưa vào sử dụng trong hình ảnh và ánh sáng y sinh. Các nhà nghiên cứu vẫn đang khám phá các ứng dụng bổ sung cho các hạt nano này trong điện toán và truyền thông lượng tử, thiết bị điện tử linh hoạt, cảm biến, pin mặt trời hiệu quả và xúc tác cho nhiên liệu mặt trời.