Vào đầu những năm 1980, Louis Brus và Alexei Ekimov độc lập với nhau tìm ra cách tổng hợp nên các chấm lượng tử - những hạt có kích thước siêu nhỏ. Sau đó, Moungi Bawendi vào năm 1998 cách mạng hóa cách tổng hợp các chấm lượng tử và trở thành vật liệu được sử dụng phổ biến trong công nghệ nano ngày nay như màn hình tivi, đèn LED và các ứng dụng trong y tế và hóa sinh.

Đột phá từ kính màu

Khi vật liệu đạt đến kích thước một phần triệu của milimet (khoảng 1/100.000 độ dày của sợi tóc), chúng bắt đầu có những tính chất kỳ lạ thách thức nhận thức thông thường của chúng ta và được gọi là hiệu ứng lượng tử (quantum effect).

Tính chất của những hạt có kích thước nano đã được dự đoán bởi các nhà vật lý lý thuyết từ những năm 1930. Năm 1937, nhà vật lý lý thuyết Herbert Fröhlich đã dự đoán rằng những hạt có kích thước nano sẽ có ít không gian hơn cho electron khiến cho các electron này bị ép gần nhau hơn và có thể tạo ra những đặc tính mới cho vật liệu.

Với dự đoán của tiến sĩ Fröhlich, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các lý thuyết về mối liên hệ giữa hiệu ứng lượng tử và kích thước của vật liệu. Tuy nhiên, việc tổng hợp nên các vật liệu có kích thước nhỏ như thế là điều không thể đối với công nghệ của thời bấy giờ.

Vào những năm 1970, một số nhà nghiên cứu đã thành công tạo ra những vật liệu có kích thước nano với những tính chất quang học thú vị. Nhưng những thí nghiệm này cần những công nghệ tốn kém như siêu chân không và nhiệt độ cực thấp, khiến việc ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn là điều không thể. Chính lúc này, đột phá lại được tìm thấy từ một vật liệu quen thuộc từ rất lâu đời: kính màu.

Từ hàng ngàn năm trước, những nghệ nhân đã tạo ra kính màu với đủ mọi màu sắc bằng việc thêm vào các nguyên tố như bạc, đồng, cádmium ở các nhiệt độ khác nhau để tạo ra đủ mọi màu sắc. Những nhà vật lý thế kỷ 19 và 20 đã phát hiện rằng sử dụng một nguyên tố cũng có thể tạo ra màu sắc khác nhau bằng việc thay đổi nhiệt độ và tỉ lệ với thủy tinh nóng chảy.

Tiến sĩ Alexei Ekimov với kinh nghiệm từ công trình tiến sĩ của mình bắt đầu nghiên cứu cho bí ẩn của kính màu, trong đó có việc giải đáp tại sao cùng một vật liệu nhưng lại có thể tạo ra các màu sắc khác nhau? Ông đun chảy thủy tinh với đồng chloride ở các nhiệt độ khác nhau từ 500oC và 700oC trong thời gian từ 1 đến 96 tiếng. Khi kính nguội, ông dùng tia X nghiên cứu cấu trúc của kính và phát hiện đồng chloride đã tạo thành các hạt trong kính với kích thước từ 2 đến 30 nanomet.

Những hạt có kích thước lớn hấp thụ ánh sáng giống như thường quan sát thấy ở đồng chloride. Điều thú vị là những hạt có kích thước nhỏ hấp thụ ánh sáng màu xanh hơn. Tiến sĩ Ekimov liền biết rằng ông đã quan sát được ảnh hưởng của kích thước hạt lên hiệu ứng lượng tử, điều đã được tiên đoán từ những năm 1930 bởi Herbert Fröhlich.

Tiến sĩ Ekimov xuất bản phát hiện của mình vào năm 1981 trên tạp chí khoa học ở Liên Xô. Do tình hình chính trị lúc bấy giờ, các nhà khoa học ngoài Liên Xô đã không biết đến nghiên cứu của ông. Đến năm 1983, Louis Brus - người cùng chia sẻ giải Nobel Hóa học 2023 - độc lập phát hiện ảnh hưởng của kích thước hạt lên hiệu ứng lượng tử nhưng với các hạt nổi trong dung dịch.

Nhiều ứng dụng

Vấn đề được đặt ra là làm sao có thể sản xuất các chấm lượng tử với chất lượng cao và số lượng lớn để ứng dụng trong công nghiệp và đời sống thường ngày. Tiến sĩ Moungi Bawendi là người giải quyết vấn đề nan giải này.

Vào năm 1993, khi đang nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), ông và nhóm nghiên cứu của mình bơm vật liệu thô vào một dung dịch được nung nóng cho đến điểm bão hòa. Khi đạt đến điểm bão hòa, các tinh thể được tạo ra đồng thời. Bằng việc thay đổi nhiệt độ, tiến sĩ Bawendi có thể tạo ra các tinh thể nano với kích thước khác nhau.

Phương thức tổng hợp Bawendi có ưu điểm là dễ sử dụng, dễ điều chỉnh, tạo ra các hạt nano gần như hoàn hảo, đặt nền móng cho ứng dụng công nghệ nano trong công nghiệp và đời sống hằng ngày.

30 năm sau cuộc cách mạng của tiến sĩ Bawendi, chấm lượng tử đã được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm công nghiệp, y tế cũng như đời sống thường ngày. Ứng dụng phổ biến nhất của chấm lượng tử chính là việc tạo ra ánh sáng màu. Khi chấm lượng tử được chiếu bởi ánh sáng xanh, các hạt có kích thước khác nhau sẽ phát ra các màu sắc khác nhau.

Công nghệ chấm lượng tử hiện nay chiếu sáng màn hình máy tính và màn hình tivi dựa trên công nghệ QLED (chữ Q viết tắt cho từ quantum - lượng tử). Ánh sáng của công nghệ chấm lượng tử còn được áp dụng trong ngành hóa sinh và y học. Các bác sĩ đã bắt đầu sử dụng chấm lượng tử để theo dõi các khối u trong cơ thể. Còn các nhà hóa sinh dùng chấm lượng tử để xúc tác cho các phản ứng hóa học.

Trong tương lai, các nhà tin học tin rằng chấm lượng tử có thể được ứng dụng để tạo ra các tấm pin mặt trời mỏng hơn hay các công nghệ giao tiếp lượng tử cùng vô số những ứng dụng thú vị và thiết thực khác.