Một vật liệu mới, được hình thành từ sự hội tụ ít được nghiên cứu của vật chất hữu cơ và vô cơ cho thấy tiềm năng nâng cao hiệu quả pin điện mặt trời và có thể trở thành phương pháp điều trị ung thư thế hệ tiếp theo.
Scitech Daily, dẫn mô tả trong một bài báo xuất bản gần đây trên tạp chí Nature Chemistry cho biết, vật liệu tổng hợp mới là sự kết hợp các hạt nano silicon cực nhỏ và hợp chất hữu cơ có những điểm tương đồng gần với những chất được sử dụng trong màn hình TV OLED.
Bằng giải pháp tạo ra các cấu trúc lai ghép giữa các phân tử hữu cơ và các chấm lượng tử vô cơ, vật liệu mới có thể thực hiện các phép biến đổi quang vật lý độc đáo. Những đặc tính của vật liệu mới là khả năng đẩy nhanh quá trình trao đổi năng lượng giữa hai phân tử, biến đổi ánh sáng có năng lượng thấp hơn thành ánh sáng có năng lượng cao hơn.
Vật liệu tổng hợp mới từ các hạt nano siêu nhỏ silicon và phân tử hữu cơ chuyển đổi ánh sáng năng lượng thấp thành ánh sáng năng lượng cao. Ảnh Nature Chemistry.
Chỉ có rất ít phòng thí nghiệm trên thế giới có khả năng tạo ra những hạt nano silicon với thông số kỹ thuật phù hợp. Một trong những phòng thí nghiệm đó do Lorenzo Mangolini, GS khoa học vật liệu và kỹ thuật cơ khí tại Đại học California, Riverside (UC Riverside) Mỹ lãnh đạo đã phát minh ra quy trình sản xuất loại vật liệu mới này.
GS Mangolini cho biết: “Vật liệu mới đã giải quyết những thách thức trong các công trình nghiên cứu trước đây mà chúng tôi thực hiện để tạo ra một loại vật chất có khả năng trao đổi năng lượng hiệu quả giữa 2 thành phần vật liệu khác nhau. “Có nhiều cơ hội tuyệt vời để sử dụng loại vật chất tối ưu này cho hàng loạt những ứng dụng khác nhau, nhưng có lẽ một trong những ứng dụng quan trọng nhất, từ góc độ sức khỏe con người là điều trị bệnh ung thư.”
Ánh sáng năng lượng cao như tia laser cực tím có thể hình thành các gốc ion tự do, có khả năng tấn công các mô ung thư. Nhưng tia UV không xuyên đủ xa vào các mô để tạo ra những gốc tự do điều trị gần vị trí khối u. Mặt khác, ánh sáng cận hồng ngoại thâm nhập sâu vào cơ thể nhưng không đủ năng lượng để tạo ra các gốc tự do.
Ứng dụng vật liệu mới, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được, có thể đạt được khả năng phát xạ ánh sáng năng lượng cao hơn năng lượng ánh sáng được chiếu vào vật liệu, một quy trình được gọi là chuyển đổi ngược photon . Ngoài tính hiệu quả tạo các gốc ion tự do điều trị ung thư, những “chấm” silicon tạo thành nền của vật liệu năng lượng cao này không độc hại đối với cơ thể con người.
Sử dụng ánh sáng năng lượng thấp chiếu vào vật liệu và chuyển hóa thành anh sáng năng lượng cao hơn có thể được sử dụng để tăng hiệu quả của pin mặt trời, cho phép các tấm pin thu được ánh sáng cận hồng ngoại thường đi xuyên qua. Tối ưu hóa vật liệu mới, ánh sáng năng lượng thấp có thể giảm tới 30% kích thước của những tấm pin mặt trời.
“Những tế bào pin điện mặt trời thường không sử dụng các photon ánh sáng năng lượng thấp, nhưng sử dụng loại vật liệu mới, có thể thu được cả nguồn năng lượng của ánh sáng thấp. Vật liệu mới của chúng tôi có thể khiến các mảng pin silicon hiệu quả hơn nhiều,” GS Mangolini nói.
Có rất nhiều ứng dụng liên quan đến ánh sáng hồng ngoại có thể được tăng cường bằng vật liệu trên nền tảng các chấm silicon mới. Những ứng dụng này có thể là hình ảnh sinh học, in 3D trên cơ sở ánh sáng và cảm biến ánh sáng giúp ô tô tự lái vượt qua thời tiết sương mù với tầm nhìn gần.
Nghiên cứu ấn tượng này được Quỹ khoa học quốc gia Mỹ tài trợ, được thực hiện bởi nhóm nhà khoa học từ Đại học Texas, Austin, Đại học Colorado, Boulder và Đại học Utah và UC Riverside. Nhóm nghiên cứu đã cho thấy hàng loạt những ứng dụng tiềm năng của vật liệu mới, đồng thời từ vật liệu mới sáng tạo, có thể chế tạo một loại vật liệu composite mới, có những tính năng thông minh từ vật liệu này.
Vật liệu tổng hợp là những vật liệu có các tính năng lý hóa khác với những tính năng của những thành phần mà vật liệu cấu thành khi hoạt động độc lập. Ví dụ điển hành là vật liệu tổng hợp từ sợi carbon và nhựa, bền và nhẹ, được sử dụng để chế tạo cánh máy bay và các loại đồ dùng thể thao với độ bền vượt trội hơn các vật chất thành phần.
Sean Roberts, GS hóa học từ Đại học Texas tại Austin, tác giả của bài báo khoa học cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi tìm được phương pháp lấy 2 chất cực kỳ khác nhau, tạo ra các liên kết phân tử đủ mạnh để chế tạo không chỉ một hỗn hợp mà là một vật liệu hoàn toàn mới với những đặc tính lý hóa riêng biệt. Đây là lần đầu tiên chúng tôi thành công kết hợp vật liệu vô cơ và hữu cơ siêu nhỏ để có được vật liệu hoàn toàn mới.”