Tôi đã từng tin tưởng một cách ngoan cố rằng các hợp chất có thành phần hóa học giống hệt nhau sẽ biểu hiện các tính chất giống hệt nhau. Niềm tin đó đã bị phá vỡ bởi giải Nobel Hóa học năm 2023, được trao cho việc phát hiện và tổng hợp các chấm lượng tử. Khi vật chất co lại đến mức chấm lượng tử, một số hiệu ứng lượng tử nhất định sẽ xuất hiện, nghĩa là tính chất của chúng không chỉ phụ thuộc vào thành phần nguyên tố mà còn phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của chúng.
Các chấm lượng tử đã thêm một chiều mới vào bảng tuần hoàn: kích thước.
Khái niệm cốt lõi này tiết lộ rằng cùng một chất, chỉ bằng cách thay đổi kích thước của nó, có thể biểu hiện các đặc tính hoàn toàn khác nhau. Chất liệu giống hệt nhau, kích thước khác nhau – phát ra ánh sáng có màu sắc khác nhau, có những đặc điểm cơ bản khác biệt.
Chính xác thì chấm lượng tử là gì?
Nói một cách đơn giản, chấm lượng tử là các cụm nguyên tử và phân tử ở cấp độ nano. Chỉ bao gồm vài trăm đến vài nghìn nguyên tử, kích thước của chúng dao động từ 2 đến 10 nanomet. Khi chúng hấp thụ ánh sáng, chúng phát huỳnh quang, phát ra ánh sáng có màu sắc khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng.
Tại sao kích thước lại quan trọng?
Tính chất quang học của vật liệu bị chi phối bởi các electron của nó. Khi các electron hấp thụ photon, chúng chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn. Do đó, sự thay đổi bước sóng của ánh sáng bị hấp thụ biểu thị những thay đổi tương ứng trong các đặc tính khác do điện tử điều khiển, chẳng hạn như hoạt tính xúc tác và độ dẫn điện. Về bản chất, chỉ thay đổi kích thước sẽ biến chấm lượng tử thành một vật liệu mới về cơ bản với những đặc tính riêng biệt. Nếu bạn có thể thay đổi màu sắc của vật liệu thông qua việc kiểm soát kích thước thì bạn đã tạo ra một vật liệu mới một cách hiệu quả.
Chấm lượng tử có thể làm được những gì?
Ứng dụng nổi bật nhất của họ hiện nay chắc chắn là trong công nghệ màn hình. Chấm lượng tử thể hiện quang phổ phát xạ hẹp, mang lại màu sắc rực rỡ và tinh khiết đặc biệt. Chúng cũng phát ra ánh sáng với mức tổn thất năng lượng tối thiểu, kéo dài đáng kể tuổi thọ màn hình. Ngoài màn hình, chúng còn đóng vai trò là đầu dò huỳnh quang để hướng dẫn phẫu thuật chính xác và phân phối thuốc theo mục tiêu, nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện trong pin mặt trời, đóng vai trò là chất xúc tác để thúc đẩy các phản ứng hóa học và có tiềm năng cho điện toán lượng tử và truyền thông lượng tử an toàn.
Bên trong những đốm nhỏ này ẩn chứa sức hấp dẫn khoa học to lớn. Các chấm lượng tử đã tiết lộ bí mật đằng sau sự biến đổi màu sắc của vật liệu và mở ra cánh cổng dẫn vào thế giới rộng lớn của vật liệu nano.
Chấm lượng tử được tạo ra như thế nào?
Các phương pháp tổng hợp sơ cấp bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học, trong đó tổng hợp hóa học chiếm ưu thế. Công trình được công nhận Nobel của Bawendi đã sử dụng phương pháp hóa học: "tiêm nóng" vào dung môi hữu cơ không phân cực, có nhiệt độ sôi cao (cũng hoạt động như một phối tử). Điều này tạo ra các chấm lượng tử keo có độ kết tinh cao, phân bố kích thước đồng đều và kích thước có thể điều chỉnh được trên phạm vi rộng.
Tuy nhiên, tiền chất ban đầu, dimethylcadmium (Cd(CH₃)₂), có độc tính cao, dễ nổ, đắt tiền và yêu cầu điều kiện phản ứng khắc nghiệt.
Ngày nay, vật liệu chấm lượng tử được ứng dụng thương mại và tổng hợp xanh là trọng tâm nghiên cứu chính. Hiện nay, phương pháp hứa hẹn nhất là phương pháp "không tiêm". Phương pháp này sử dụng các tiền chất như các nguyên tố nhóm II-VI (ví dụ: CdS, CdSe, CdTe, ZnSe) hoặc các nguyên tố nhóm III-V (ví dụ: InP, InAs), được tổng hợp trong hệ thống gồm 1-octadecene (ODE, dung môi không phối hợp) và axit oleic (OA, phối tử). 1-Octadecene, với điểm nóng chảy thấp và chi phí thấp, hiện là dung môi chủ đạo để tổng hợp chấm lượng tử.
