Giới khoa học chế tạo thành công vật thể huỳnh quang rắn sáng đến mức không thể tin nổi

Huỳnh quang là sự phát quang khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon) hoặc dạng quang (photon), và thường liên quan đến các chất lỏng hoặc chất khí. Tuy nhiên, mới đây các nhà nghiên cứu hóa học đã tạo ra 1 công thức mới, cho phép những vật thể, chất liệu rắn cũng sở hữu khả năng phát sáng huỳnh quang đến mức không thể tin nổi.

Cụ thể, nghiên cứu này được đăng tải trên tạp chí khoa học Chem số mới nhất, mô tả 1 loại vật chất mới được phát triển thành công với tên gọi là SMILES. Loại chất này có thể dễ dàng chuyển đổi sang trạng thái rắn, tinh thể với độ sáng huỳnh quang bất thường, thậm chí có thể phát sáng khi ở trong môi trường tia cực tím.

Được biết, công thức chế tạo loại vật chất này có thể mang đến rất nhiều ứng dụng mới, từ việc thu hồi năng lượng mặt trời và các tia laser ở trạng thái rắn, cho đến các công nghệ hiển thị hình ảnh sinh học và hình ảnh 3D. Về cơ bản, bất cứ kĩ thuật này cần đến ánh sáng huỳnh quang đều có thể hưởng lợi từ loại vật chất mới này.

Giới khoa học vẫn thường mô tả huỳnh quang là tập hợp các hóa chất có khả năng phát ra ánh sáng mà mắt thường nhìn thấy được sau khi hấp thụ những ánh sáng có bước sóng ngắn (ví dụ như tia cực tím). Như đã nêu trên, nó thường liên quan đến những loại chất lỏng hoặc khí. Tuy nhiên, nhà hóa học Amar Flood tại Đại học Indiana cho biết 2 trạng thái này lại không thực sự lý tưởng, bởi rất khó sản xuất cũng như lưu trữ. Suy cho cùng, khí và các loại chất lỏng thường có xu hướng bị rò rỉ, hao hụt nếu không không bảo quản kĩ càng.

Mặt khác, các vật thể rắn lại cho phép chúng ta “đóng gói nhiều phân tử nhuộm huỳnh quang hơn trong 1 không gian nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích hơn so với thể lỏng hoặc khí”. Amar lý giải rõ hơn cho nhận định của mình: “Hãy thử tưởng tượng 1 viên đá lạnh rất nhỏ, khi tan ra thành nước nó có thể làm đầy 1 chiếc thìa (thể lỏng), và khi bốc hơi thì thể tích của nó thậm chí có thể bơm căng cho 1 quả bóng bãi biển nữa đấy (thể khí)”.

Ngoài ra, một điểm cộng nữa dành cho các vật chất thể rắn chính là mức độ chắc chắn. Amar cho biết: “Chúng ta có thể hiểu rõ cấu trúc của các vật rắn là nhờ chúng được giữ nguyên, không chuyển động. Vì vậy, việc sử dụng thể rắn sẽ là lý tưởng hơn cả, bởi chúng ta có thể nắm quyền kiểm soát cấu trúc bên trong của chúng”.

Quá trình phát triển ra những vật liệu huỳnh quang ở thể rắn tương đối phức tạp và thường xuyên gặp phải tình trạng “dập tắt ánh sáng”. Cụ thể, khi chất nhuộm huỳnh quang sau khi chuyển sang thể rắn sẽ bị gắn vào với nhau và tạo ra ánh sáng lờ mờ. Lý do là bởi những chất nhuộm này sẽ không hoạt động như những chất liệu độc lập nữa. Amar cho biết không những gần như ngừng phát sáng, chúng còn đổi màu một cách cực kì khó lường.

Để khắc phục tình trạng trên, Amar cùng cộng sự Bo Laursen đến từ Đại học Copenhagen quyết định trộn thuốc nhuộm huỳnh quang với 1 dung dịch không màu có chứa cyanostar. Điều này sẽ giúp họ ngăn chặn được những phản ứng giữa các chất nhuộm huỳnh quang khác nhau và giữ nguyên vẹn tính chất ban đầu của mình trong quá trình chuyển sang thể rắn. Sản phẩm thu được cuối cùng là 1 cấu trúc giống như mạng tinh thể, trong đó các chất thuốc nhuộm huỳnh quang vẫn được bảo quản và cô lập hoàn toàn. Đó chính là lý do vì sao họ đặt tên cho nó là SMILES - small - molecule ionic isolation lattice (mạng lưới cách ly phân tử nhỏ). Sử dụng các vật chất SMILES này, Amar và Laursen đã in 3D một số vật thể (gọi là gyroid) với khả năng phát sáng trong môi trường tia cực tím.

Amar cho biết trước đây cũng đã từng có những vật liệu rắn huỳnh quang, nhưng tất cả đều hoạt động không ổn định, thường chỉ sử dụng được 1 lần mà thôi. Ông cũng chia sẻ: “Chúng tôi khiến quá trình chế tạo này trở nên dễ dàng, đáng tin hơn bằng cách đưa ra những quy tắc thiết kế chuẩn mực nhất. Yếu tố quyết định chính là cyanostars, hợp chất không màu giúp tạo ra những cấu trúc như tinh thể, đồng thời cũng cô lập các chất nhuộm hình quang khác nhau giúp chúng không thể phản ứng hoặc dập tắt ánh sáng của nhau như trước”.

Trong một số bài thử nghiệm, các vật chất rắn huỳnh quang mới có thể phát ra ánh sáng mạnh gấp 30 lần so với cadmium selenua, chất được sử dụng trong chẩn đoán y tế. Trong thời gian tới, Amar cùng các cộng sự sẽ tiếp tục khám phá về đặc tính cơ học cũng như dung sai của loại chất liệu mới này để đưa ra những ứng dụng cụ thể nhất trong tương lai.

Theo GenK