CỔNG THÔNG TIN ĐIỆN TỬ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI

Hình minh họa cận cảnh của một hạt nano chuyển đổi ngược: sau khi hạt hấp thu ánh sáng hồng ngoại, nguyên tử erbium (đỏ) phát nó thành ánh sáng xanh lá nhìn thấy và các phân tử màu xanh lam và tím là các chất nhuộm cải thiện chức năng này (Ảnh: Berkeley Lab)

Các hạt này được gọi là hạt nano chuyển đổi ngược (UCNP) và chúng chứa các ion kim loại của lanthanide như ytterbium và erbium. Ytterbium hấp thu ánh sáng cận hồng ngoại và truyền nó qua cho erbium, chất mà sau đó giải phóng nó dưới dạng ánh sáng nhìn thấy. Phủ UCNP bằng các chất nhuộm đặc biệt được phát hiện giúp cải thiện chức năng mặc dù hiểu được nguyên nhân vì sao điều đó xảy ra vẫn là một thách thức.

“Các chất nhộm có vẻ xuống cấp gần như ngay lập tức khi tiếp xúc với ánh sáng và không ai biết chính xác chất nhuộm này tương tác với bề mặt hạt nano như thế nào”, đồng tác giả dẫn đầu nghiên cứu Emory Chan cho biết.

Nay các nhà khoa học của Berkeley Lab tuyên bố đã xác định được cơ chế này và sử dụng kiến thức đó để thiết kế các hệ thống có chức năng tốt hơn. Nhóm phát hiện ra rằng lanthanide trong các hạt đó khiến chất nhuộm đi vào một trạng thái bộ ba, cho phép kết hợp nhiều photon thành các photon ánh sáng nhìn thấy đơn, truyền năng lượng sang lanthanide hiệu quả hơn.

“Các chất nhuộm này đóng vai trò là bộ gom năng lượng mặt trời kích thước phân tử, dẫn năng lượng từ các photon cận hồng ngoại vào các hạt nano”, P. James Schuck, một đồng tác giả khác dẫn đầu nghiên cứu cho biết.

Quan sát sự phát xạ ánh sáng của chất nhuộm và sự hấp thu của UCNP cho thấy đỉnh của các 2 số đo đó thẳng hàng, tiết lộ cách thực thiện chức năng của các hạt nano này.

Dựa trên hiểu biết đó, các nhà nghiên cứu đã thiết kế các hạt UCNP mới để tận dụng tốt hơn hiệu ứng bộ ba đó. Sau khi tăng hàm lượng lanthanide từ 22% lên 52%, nhóm phát hiện ra rằng UCNP được nhuộm màu mới sáng hơn 33.000 lần và hiệu quả hơn 100 lần so với khi không được nhuộm.

Không may, hạn chế của nó là thuốc nhuộm này rất kém ổn định – trong các thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu phải giữ chúng trong môi trường nitơ. Công trình tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển cách chất phủ bảo vệ cho UCPN.

Khi những nút thắt đó được tháo gỡ, nhóm cho hay hạt nano có thể sử dụng để chế tạo tế bào năng lượng mặt trời có khả năng thu hoạch được nhiều hơn từ phổ ánh sáng. Vì chúng trong suốt với ánh sáng nhìn thấy nên một lớp hạt có thể được đặt lên trên bề mặt pin mặt trời thông thường.

“Các chất nhuộm hữu cơ này bắt được dải ánh sáng cận hồng ngoại rộng. Vì các bước sóng cận hồng ngoại thường không được sử dụng trong các công nghệ năng lượng mặt trời vốn tập trung vào ánh sáng nhìn thấy nên chúng làm nảy sinh khả năng thu một phần lớn của dải phổ mặt trời mà nếu không sẽ bị lãng phí và tích hợp nó vào các công nghệ mặt trời hiện có”, một tác giả khác Bruce Cohen cho biết.

Các hạt nano này có thể được sử dụng trong các hệ thống quang di truyền học để chụp ảnh sinh học. Xem nhóm mô tả cách hoạt động của hạt UCNP tại đây.

LH (New Atlas)