Lời giải về bí ẩn của chất dạ quang

“Câu chuyện thực sự bắt đầu vào ngày 12/3/1993, khi các nhà nghiên cứu Yoshihiko Murayama, Nobuyoshi Takeuchi, Yasumitsu Aoki, và Takashi Matsuzawa của công ty Nemoto ở Nhật Bản phát triển thành công một vật liệu mới có khả năng phát ra ánh sáng màu xanh lục cực mạnh suốt nhiều giờ trong bóng tối”, TS. Hoàng Kháng cho biết. Phát minh này xảy ra vào khoảng thời gian công ty đang đứng trước nguy cơ đóng cửa. Murayama, khi đó là Phó Chủ tịch công ty, sau này kể lại rằng đó là “ngày tươi sáng nhất” trong “cuộc đời đen tối” của ông. “Phát minh đó đã mở ra một kỷ nguyên đầy hứng khởi và phát triển nhanh chóng những nghiên cứu khoa học về phát sáng dai dẳng (persistent luminescence) - hiện tượng vật lý theo đó vật liệu tái phát sáng trong một thời gian dài sau khi nguồn sáng đã bị tắt đi”, TS. Kháng nói thêm trong thông cáo báo chí của Đại học Bang Bắc Dakota.

Cho đến nay, những người chơi đồng hồ ở cả Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt là đồng hồ thể thao hay đồng hồ lặn, có lẽ không còn xa lạ với vật liệu này bởi nó đã được sử dụng rộng rãi trên mặt kim đồng hồ, mặt số, và vạch chỉ giờ. Cùng là một vật liệu nhưng nó thường được biết đến qua những thương hiệu khác nhau tùy vào nhà sản xuất như LumiNova (do tập đoàn Nemoto sản xuất), Super-LumiNova (RC Tritec), và LumiBrite (Seiko). Bột dạ quang LumiNova có thể phát sáng trong bóng tối đến 30 giờ, có cường độ sáng mạnh gấp 10 lần và thời gian phát sáng lâu hơn 10 lần so với bột dạ quang truyền thống làm từ kẽm sulfide.

Vật liệu độc đáo ấy là strontium aluminate có chứa một lượng nhỏ tạp chất europium và dysprosium. Hai nguyên tố đất hiếm này đóng vai trò là những khuyết tật ở cấp độ nguyên tử trong mạng tinh thể của strontium aluminate. Vật liệu này đã được sử dụng trong sơn và lớp phủ phát sáng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Mặc dù nhiều chất phát sáng dai dẳng (persistent phosphors) mới đã được tìm thấy, vật liệu do công ty Nemoto phát minh ra vẫn là sản phẩm tốt nhất hiện có trên thị trường. Và với đặc điểm độc đáo như vậy, trong suốt 30 năm trở lại đây, vật liệu này đã trở thành chủ đề được rất nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Tuy nhiên, cơ chế gây ra hiện tượng phát quang ấy cho đến nay vẫn còn là một bí ẩn.

“Strontium aluminate là một hợp chất phức tạp. Cơ chế gây ra hiện tượng phát sáng dai dẳng cũng phức tạp và liên quan đến những khuyết tật ở cấp độ nguyên tử trong mạng tinh thể”, TS. Hoàng Kháng giải thích với Báo KH&PT. Trong suốt 30 năm, người ta không hiểu được chính xác nguyên nhân gây ra hiện tượng đó vì thiếu một sự hiểu biết sâu sắc và chi tiết về những khuyết tật trong mạng tinh thể của chất phát sáng. Tất cả các mô hình đã được đề xuất trước đây để giải thích hiện tượng nói trên đều mang tính suy đoán. Thực nghiệm không thể cho biết một cách trực tiếp vật liệu có những khuyết tật nào.

Đến nay, chúng ta đã biết, “chính nguyên tố đất hiếm europium trong strontium aluminate gây ra ánh sáng màu xanh”, TS. Kháng giải thích. “Sau khi hấp thụ ánh sáng (photon), điện tử (electron) trong ion đất hiếm bị kích thích từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác cao hơn. Điện tử bị kích thích sau đó có thể tái kết hợp với lỗ trống (tức là sự vắng mặt của điện tử) bị bỏ lại phía sau và phát ra photon với năng lượng trong phổ màu xanh lục”.

Để có thể phát ra ánh sáng sau khi nguồn kích thích đã bị tắt, tinh thể phải có những khuyết tật khác bên cạnh nguyên tố đất hiếm europium. Nếu có những tính chất phù hợp, những khuyết tật này sẽ “bẫy” các điện tử bị kích thích trước khi chúng có thể tái kết hợp với các lỗ trống và chỉ giải phóng chúng dần dần dưới tác dụng của kích thích nhiệt. Quá trình bẫy và giải phóng như vậy có thể xảy ra nhiều lần, cũng như quá trình hấp thụ và phát lại ánh sáng nói chung. “Như vậy, chất phát sáng dai dẳng là một loại pin quang học có thể sạc lại, tương tự như pin điện hóa trong điện thoại hay trong máy tính xách tay của chúng ta”, TS. Kháng nói thêm.

Để đi tìm câu trả lời cho khoảng trống nghiên cứu này, TS. Kháng đã thực hiện một nghiên cứu thấu đáo và toàn diện những khuyết tật có thể có trong mạng tinh thể cùng với những quá trình vật lý liên quan đến chúng, sử dụng phương pháp mô phỏng vật liệu và tính toán cơ học lượng tử phức tạp. Những khuyết tật này bao gồm những khuyết tật nội tại (do một số nguyên tử trong hợp chất nằm “sai” vị trí) và những khuyết tật ngoại tại (vốn là những nguyên tử tạp chất được đưa vào mạng tinh thể của vật liệu nền một cách vô tình hay cố ý).

Với nghiên cứu toàn diện này, TS. Kháng đã xác định được những khuyết tật nội tại và ngoại tại đóng vai trò bẫy điện tử (electron trap) trong tinh thể - loại bẫy làm chậm lại quá trình phát quang và khiến cho vật liệu vẫn còn phát sáng nhiều giờ sau khi nguồn kích thích đã bị ngắt. Nhờ đó, bí mật về hiện tượng vật lý độc đáo dần lộ diện: hóa ra, những ion strontium nằm “sai” vị trí trong cấu trúc tinh thể có thể bẫy và giải phóng điện tử. Tuy nhiên, những khuyết tật do tạp chất dysprosium gây ra lại là những cái bẫy hữu hiệu hơn nhiều, theo như dự đoán. Những kết quả này đã được TS. Kháng công bố gần đây trong bài báo “Defects and persistent luminescence in Eu-doped SrAl2O4” trên tạp chí Physical Review Applied.

Vậy những phát hiện này có ý nghĩa như thế nào? Theo TS. Kháng, kết quả nghiên cứu mới đã đem lại hiểu biết chi tiết về cơ chế phát sinh hiện tượng phát sáng dai dẳng trong strontium aluminate và những vật liệu tương tự. “Hiểu biết mới này sẽ giúp thiết kế những vật liệu mới, có chất lượng tốt hơn cho nhiều ứng dụng khác nhau”, ông cho biết.

Và kết quả nghiên cứu ấy sẽ khó có thể thành hiện thực nếu như không có những công cụ hiện đại để hỗ trợ. TS. Kháng cho rằng, sự thành công của dự án nghiên cứu này là nhờ vào cơ sở hạ tầng tính toán hiện có ở Đại học Bang Bắc Dakota. “Những tính toán như vậy chỉ có thể thực hiện được với sự trợ giúp của những hệ thống siêu máy tính mạnh”, ông cho biết. Việc phát triển và nâng cấp một hệ thống siêu máy tính mới gần đây đã giúp cải thiện đáng kể năng lực nghiên cứu của trường đại học này. Ngân sách đầu tư cho hệ thống ấy phần lớn đến từ một khoản tài trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ mà TS. Kháng là một trong những chủ nhiệm đề tài, và từ một khoản khác có được từ Đạo luật Kế hoạch Cứu hộ Mỹ. “Nghiên cứu của tôi và nghiên cứu của nhiều người khác sẽ không thể thực hiện được nếu không có những phương tiện tiên tiến hàng đầu như vậy”, TS. Kháng nói.