Các hạt 'chấm lượng tử' nhỏ bé đoạt giải Nobel hóa học

Moungi Bawendi, Louis Brus và Alexei Ekimov nhận giải thưởng cho công trình nghiên cứu các hạt nano phát sáng được sử dụng trong các lĩnh vực từ điện tử đến phẫu thuật.

Thông báo chính thức về những người chiến thắng được đưa ra sau một vụ rò rỉ trước đó trong ngày.  Getty

---

Ba nhà hóa học đã dự đoán và là người đầu tiên tạo ra các chấm lượng tử (‘quantum dot’ particles) – những tinh thể có kích thước nano tương tác với ánh sáng theo những cách khác thường – đã được trao giải Nobel Hóa học.

Moungi Bawendi tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge, Louis Brus tại Đại học Columbia ở Thành phố New York và Alexei Ekimov tại công ty Nanocrystals Technology có trụ sở tại Thành phố New York, mỗi người sẽ nhận được 1/3 trong số 11 triệu krona Thụy Điển (1 USD). -triệu) giải thưởng.

Mark Green, nhà vật lý tại King's College London, cho biết: “Đó là một kết quả đáng kinh ngạc đối với cộng đồng chấm lượng tử. “Các khuôn khổ lý thuyết do Brus và Ekimov cung cấp đã được hiện thực hóa nhờ bài báo chuyên đề của Bawendi vào năm 1993, từ đó nền khoa học này ra đời.”

Chấm lượng tử là các tinh thể bán dẫn chỉ bao gồm vài nghìn nguyên tử, có một số tính chất của các nguyên tử đơn lẻ. Điều này cho phép chúng được điều chỉnh để có thể phát ra các bước sóng ánh sáng cụ thể. Ví dụ, các chấm lượng tử rất nhỏ của cadmium selenide có thể phát ra ánh sáng xanh, nhưng các tinh thể lớn hơn của cùng hợp chất lại phát ra ánh sáng đỏ. Chấm lượng tử được sử dụng trong các ứng dụng cần bước sóng ánh sáng cụ thể, từ màn hình tivi sáng đến hình ảnh sinh học.

Tên của những người chiến thắng đã bị rò rỉ vài giờ trước khi có thông báo chính thức, khi một thông cáo báo chí vô tình được gửi qua email cho giới truyền thông Thụy Điển. Tại một cuộc họp báo sau thông báo, Bawendi nói rằng anh ấy đã "ngủ say" và do đó không biết về vụ rò rỉ. Ông bị đánh thức bởi cuộc gọi từ ủy ban Nobel và cảm thấy “rất ngạc nhiên, buồn ngủ, sốc” và “rất vinh dự” khi biết mình đã đoạt giải. “Tôi không nghĩ mình sẽ nhận được giải thưởng này, bởi vì tất cả chúng tôi đều cùng nhau làm việc này,” anh nói. “Vẫn còn rất nhiều việc thú vị phải làm trong lĩnh vực này.”

Nối các dấu chấm

Ekimov là người đầu tiên báo cáo việc quan sát thấy các hiệu ứng ánh sáng phụ thuộc vào kích thước, trong thủy tinh màu có pha tạp các hạt clorua đồng, vào năm 1981 . Hai năm sau, Brus mô tả việc tạo ra các chấm lượng tử trong một dung dịch, đồng thời quan sát các hạt bán dẫn cho các ứng dụng năng lượng mặt trời . Green nói: “Chính Brus là người đã tạo ra mối liên hệ giữa chất bán dẫn và kích thước hạt. Nhưng “nó vẫn là một hệ thống vật liệu tương đối khó tiếp cận và kém phát triển cho đến khi Bawendi phát triển ngành hóa học”.

Bawendi đã khám phá ra cách tạo ra các chấm lượng tử ở các kích thước cụ thể, kết hợp các kỹ thuật vô cơ và cơ kim để điều khiển chính xác. Phương pháp này liên quan đến việc bơm các thành phần hóa học vào dung môi nóng cho đến khi nó bão hòa, khiến các tinh thể hình thành đột ngột. Khi hỗn hợp được lấy ra khỏi nhiệt, sự phát triển của tinh thể chậm lại. Các chấm thu được đều có cùng kích thước và chất lượng.

Ủy ban Nobel đã chứng minh tính chất quang học của chấm lượng tử bằng cách sử dụng các bình chứa các hạt có kích thước khác nhau dưới ánh sáng cực tím. 

Christopher Murray, một nhà hóa học tại Đại học Pennsylvania ở Philadelphia, một nghiên cứu sinh tiến sĩ đang làm việc tại Đại học Pennsylvania, cho biết: “Nếu bạn muốn mọi nguyên tử đều có thể đếm được và có thể làm điều đó theo cách có thể mở rộng thì cách tiếp cận của một nhà hóa học là một phương pháp rất có giá trị”. với Bawendi vào thời điểm đó và là đồng tác giả của bài báo năm 1993. Anh ấy nói rằng anh ấy thực sự rất vui khi biết tin này, sau khi thức dậy mà không biết gì về cuộc tranh cãi về vụ rò rỉ.

Ông giải thích rằng các hiệu ứng lượng tử mang lại tên gọi cho các hạt đến từ cách các electron và mức năng lượng lượng tử của chúng thay đổi khi các hạt ngày càng nhỏ hơn. Khi các chấm lượng tử đạt đến kích thước nano, các electron bắt đầu bị giới hạn bởi kích thước của môi trường xung quanh. Khi kích thước đó trở nên nhỏ hơn thể tích tự nhiên mà một electron có thể di chuyển xung quanh, các electron sẽ phản ứng bằng cách thay đổi mức năng lượng của chúng. Điều này lần lượt thay đổi cách các hệ thống đó tương tác với ánh sáng.

Cột mốc công nghệ nano

“Trong một thời gian dài, không ai nghĩ rằng bạn có thể thực sự tạo ra được những hạt nhỏ như vậy. Nhưng những người đoạt giải năm nay đã thành công,” Johan Åqvist, chủ tịch ủy ban Nobel về hóa học tại Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển ở Stockholm, cho biết trong buổi công bố. “Thành tựu này thể hiện một cột mốc quan trọng trong công nghệ nano.”

Các chấm lượng tử hiện đã trở thành xu hướng chủ đạo và được sử dụng trong màn hình tivi trong một ngành công nghiệp trị giá hàng triệu đô la. Murray cho biết, khi ông và Bawendi bắt đầu công việc của mình, đã có sự hoài nghi xung quanh việc liệu có đáng để tài trợ cho những nỗ lực kiểm soát vật liệu ở mức độ nhỏ như vậy bằng cách sử dụng hóa học hay không. “Thật vui khi thấy khoản đầu tư đó mang lại lợi nhuận đáng kể,” ông nói.

Murray cho biết hiện nay việc sản xuất các chấm lượng tử đã trở thành một quá trình hóa học khá đơn giản, họ có thể tìm thấy nhiều ứng dụng hơn. Việc có thể điều chỉnh cách một hạt tương tác với ánh sáng có thể giúp các kỹ sư phát triển các máy dò và cảm biến quang học chi phí thấp - một thành phần quan trọng của phương tiện vận chuyển tự động chẳng hạn. Cũng có thể tích hợp các chấm lượng tử vào các vật liệu có hình dạng, kết cấu và mật độ độc đáo.

Một khái niệm tương tự đã được áp dụng làm nền tảng cho điện toán lượng tử , nhằm mục đích khai thác các hiện tượng lượng tử để thực hiện các phép tính không thể thực hiện được với một máy tính thông thường. Các nhà nghiên cứu có thể chế tạo các thiết bị có đặc tính của các chấm lượng tử trên một con chip silicon, sau đó điều khiển spin của từng electron bị mắc kẹt trong chúng. Lieven Vandersypen, một nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan, cho biết: “Cả hai loại chấm lượng tử đều nhỏ và việc giam giữ các electron trong các chấm lượng tử dẫn đến các quỹ đạo bị lượng tử hóa, giống như trong nguyên tử”.