Sử dụng ánh sáng phát ra từ các hạt kim cương siêu nhỏ, Tiến sĩ người Việt đo được nhiệt độ ở kích thước nano

Một phương pháp đột phá, hoàn toàn mới vừa được phát hiện bởi các nhà khoa học ở ĐH Công Nghệ Sydney (UTS) tận dụng ánh sáng lượng tử để đo nhiệt độ ở kích thước nano. Đứng đầu nghiên cứu này là một giảng viên người Việt tại UTS—TS. Trần Trọng Toàn. Anh là một trong những nhà khoa học đi đầu về việc khám phá và ứng dụng những nguồn sáng lượng tử mới vào các ứng dụng khác nhau cho công nghệ liên lạc và đo đạc lượng tử.

Hình minh họa ứng dụng của nhiệt kế kích thước nanomét trong việc đo và theo dõi vi mạch ở kích thước vi mô—bản quyền bới TS. Trần Trọng Toàn.

Đo đạc, theo dõi nhiệt độ ở kích thước vi mô—ví dụ như ở trong tế bào hay trong các vi mạch điện tử kích thước nano-mét/micro-mét—có một tầm quan trọng cực kì lớn trong rất nhiều các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau: từ khả năng phát hiện bệnh sớm đến một trong những trở ngại lớn nhất ở lĩnh vực công nghệ tính toán và liên lạc, đó là làm thế nào để đo lường khả năng nhân rộng và hiệu suất của các thành phần vi mạch điện tử.

Một nhóm nghiên cứu có liên kết từ nhiều quốc gia—đứng đầu là các nhà khoa học ở ĐH Công Nghệ Sydney (UTS), cụ thể là TS. Trần Trọng Toàn (quốc tịch Việt Nam) và TS. Bradac Carlo (quốc tịch Ý-Úc)—phát triển một loại nhiệt kế kích thước nano có độ nhạy cực kỳ cao. Loại nhiệt kế này tận dụng các cấu trúc sai hỏng nguyên tử trong các hạt kim cương nano để đo chính xác nhiệt độ ở kích thước nanomét. Các máy đo siêu nhỏ này dùng tính chất lượng tử của các sai hỏng nguyên tử, thay vì các nguyên tắc vật lý cổ điển.

Kim cương nano là các hạt kim cương cực kì nhỏ, chỉ khoảng một phần chục ngàn bề dày của sợi tóc, có khả năng phát sáng khi được kích thích bởi tia laser.

TS. Bradac Carlo nói: "Phương pháp mới được phát hiện này không chỉ dừng lại ở mức thử nghiệm thành công ở phòng thí nghiệm, mà nó có thể được ứng dụng rộng rãi ngay bây giờ. Chúng tôi hiện đang sử dụng phương pháp này để đo biến đổi về nhiệt độ trên các mẫu thử sinh học ví dụ như tế bào, hay là trên các vi mạch điện tử công suất lớn—nơi mà việc đo đạc và kiểm soát nhiệt độ ở kích thước siêu nhỏ như vậy là việc không thể đạt được khi dùng những phương pháp trước đây."

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Science Advances, là một trong những tạp chí hàng đầu thế giới trong tất cả các lĩnh vực khoa học và cũng là tạp chí chị em duy nhất của tạp chí Science nổi tiếng. Nghiên cứu này là một nỗ lực hợp tác và liên kết tập thể của các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới, bao gồm các nhà khoa học ở UTS, Úc và các nhà khoa học ở Viện Hàn Lâm Nga (Nga), ĐH Công Nghệ Nanyang (Singapore), và ĐH Harvard (Mỹ).

Tác giả dẫn đầu nghiên cứu—TS. Trần Trọng Toàn—giải thích: "Tuy kim cương nhìn có vẻ trong suốt, nó thường bao gồm trong mạng tinh thể các nguyên tử ngoại lai. Các nguyên tử ngoại lai này chính là các hệ quang lượng tử được đề cập ở trên. Ngoài việc tạo ra các màu sắc khác nhau trên kim cương như vàng, hồng, xanh dương…các sai hỏng tinh thể này phát ra áng sáng ở các bước sóng nhất định, khi được kích thích bằng tia laser."

Hình chụp trong phòng thí nghiệm quang lượng tử của TS. Trần Trọng Toàn (trái) và TS. Bradac Carlo (phải)—bản quyền bới TS. Trần Trọng Toàn.

Các nhà khoa học này đã khám phá ra một cơ chế vật lý đặc biệt, gọi là Anti-Stokes. Với cơ chế mới, cường độ của ánh sáng phát ra từ các hạt kim cương nano phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ của môi trường xung quang chúng. Do các hạt kim cương này có thể được tạo ra với kích thước chỉ vài nanomét, chúng có thể được dùng làm những nhiệt kế kích thước nano.

"Chúng tôi đã ngay lập tức nhận ra có thể tận dụng cơ chế phụ thuộc giữa ánh sáng và nhiệt độ, và tận dụng các hạt kim cương này như những cảm biến nhiệt độ siêu nhỏ", TS. Bradac Carlo nói.

Các nhà nghiên cứu cho rằng một điểm mạnh đáng chú ý của phương pháp này là việc nó chỉ dùng duy nhất ánh sáng để đo nhiệt độ, chứ không dùng một tác động nào khác, như cơ học hay nguồn điện. Phương pháp này rất đơn giản và dễ thực hiện: chỉ cần nhỏ một giọt dung dịch kim cương nano lên mẫu cần được đo và để cho nước bay hơi đi. Sau đó, tia laser sẽ chiếu vào chính viên kim cương nano để tiến hành đo đạc, hoàn toàn không ảnh hưởng gì tới mẫu nghiên cứu cũng như kết quả cuối cùng.

Hình ảnh một thiết bị thí nghiệm dùng trong nghiên cứu của nhóm nhà khoa học ở ĐH Công Nghệ Sydney—bản quyền bới TS. Trần Trọng Toàn.

Tuy các phương pháp toàn-ánh-sáng sử dụng các hạt siêu nhỏ khác đã từng được công bố, nhóm nghiên cứu ở UTS tin rằng không một nghiên cứu nào trước đây đạt được cùng lúc độ nhạy và độ phân giải không gian cao như phương pháp mới. 

"Chúng tôi chắc chắn rằng nhiệt kế kích thước nano của chúng tôi có thể đo nhiệt độ với độ nhạy và độ phân giải không gian cực kỳ cao, cao hơn tất cả các phương pháp tương tự trước đây", họ khẳng định.

Hơn thế nữa với cơ chế vật lý Anti-Stokes trên các sai hỏng phân tử trong các hạt kim cương nano, TS. Trần Trọng Toàn tin rằng nhiều ứng dụng tiềm năng khác ngoài việc đo nhiệt độ đang được mở ra: "Một trong những ví dụ tuyệt vời của nó là nó có thể được ứng dụng để tạo ra các 'máy lạnh kích thước nano'". Điểm cực kỳ thú vị là, các máy lạnh siêu nhỏ này hoạt động hoàn toàn bằng năng lượng ánh sáng chứ không sử dụng điện năng như các máy lạnh thông thường trong cuộc sống hằng ngày.

Bạn có thể tham khảo thêm bằng bài đăng trên tạp chí Science Advances.

Tham khảo website của Đại học Công nghệ Sydney.

Đôi nét về TS. Trần Trọng Toàn, người đứng đầu nghiên cứu và cũng là người đóng góp bài viết:

TS. Trần Trọng Toàn hiện đang là giảng viên tại ĐH Công Nghệ Sydney, Úc (UTS). Hướng nghiên cứu của anh tập trung vào lĩnh vực Quang Lượng Tử, Quang Học Nano, Vật Lý Chất Rắn và Khoa Học Vật Liệu. Anh lấy bằng cử nhân ngành Khoa Học Vật Liệu, ĐH Khoa Học Tự Nhiên TPHCM (Việt Nam, năm 2008), bằng Thạc Sĩ ngành Hóa Kỹ Thuật, ĐH Quốc Gia Singapore (Singapore, năm 2011), và bằng Tiến Sĩ ngành Vật Lý, ĐH Công Nghệ Sydney, (Úc, năm 2018).

TS. Trần Trọng Toàn đạt được giải thưởng Luận Văn Xuất Sắc Nhất trường ĐH Công Nghệ Sydney, Úc (năm 2018) cho các công trình nghiên cứu đột phá của anh về nguồn sáng lượng tử từ vật liệu hai chiều Boron Nitride mạng lục giác. Các nghiên cứu của anh được công bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới trong lĩnh vực Quang Lượng Tử, Vật Lý Lượng Tử và Khoa Học Vật Liệu, ví dụ: Nature Nanotechnology, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Physical Review Applied…