Hexagonal boron nitride - một ngôi sao sáng trong lĩnh vực công nghệ nano, quang học lượng tử và quang học nano

Nguồn sáng lượng tử phát ra từ một lổ hổng trong mạng tinh thể hBN. Đồ họa: TS. Trần Trọng Toàn

Giới Thiệu

Hexagonal boron nitride (hBN) - hay còn gọi là boron nitride cấu trúc mạng lục giác - là một vật liệu được tạo bởi nhiều lớp tinh thể, mỗi lớp chỉ dày bằng một nguyên tử Boron hoặc Nitrogen (khoảng 0.3 nano-mét hay ít hơn một phần tỷ của mét). Với độ dày như vậy, một lớp tinh thể hBN được gọi là "vật liệu hai chiều" (two-dimensional material), bởi vì vật liệu bị giới hạn bởi chiều dày, nhưng không bị giới hạn về chiều ngang hay chiều dọc – giới hạn này có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất điện tử và quang học của hBN, và sẽ được nhắc đến trong phần sau của bài viết này.

Mỗi lớp này có cấu trúc mạng lục giác (hexagonal lattice hay còn gọi là hcp) tạo bởi Boron và Nitrogen xen kẽ lẫn nhau. Các nối hóa học giữa Boron và Nitrogen vừa có tính covalent vừa có tính ionic (nối hóa học này vì vậy mà cực kỳ chắc chắn) - đây là lý do khiến cho vật liệu này có tính chất cơ lý rất cao (với lực tác động trong mặt phẳng của lớp tinh thể), thuộc nhóm có khả năng chịu lực cao nhất. Cũng chính về cấu trúc này, hBN có thể chịu nhiệt độ rất cao (khoảng 1000 độ C trong không khí). Mặt khác, lực kết nối giữa các lớp tinh thể với nhau lại khá là yếu - lực tương tác này gọi là lực van der Waals.

Mạng tinh thể hBN hai chiều.

Đồ họa: TS. Trần Trọng Toàn

Đọc thêm:

• https://nature.com/articles/s42254-018-0016-0
• https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ra/c7ra00260b#!divAbstract

Ứng dụng của hBN làm chất bôi trơn pha rắn

Chính vì những yếu tố này hBN đã từ lâu được dùng rộng rãi trong công nghiệp làm chất bôi trơn pha rắn (solid-state lubricant) trong các ứng dụng đòi hỏi bôi trơn máy móc ở nhiệt độ cực kỳ cao. Trong điều kiện khắc nghiệt này, các lớp tinh thể hBN trượt lên nhau (do lực hút van der Waals khá yếu) tạo nên điều kiện bôi trơn khá lý tưởng cho những ứng dụng như vậy. Một yếu tố nữa khiến cho việc dùng vật liệu này phổ biến trong công nghiệp là giá thành rất rẻ của nó (khoảng 10 đôla/ký bột hBN).

Đọc thêm:

• https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/nr/c2nr32201c#!divAbstract
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702117301098

Ứng dụng hBN trong tẩy sạch các vết dầu loang trên mặt biển

Với độ mỏng chỉ bằng một nguyên tử, các lớp tinh thể hBN nếu được bong tách ra hoàn toàn bằng các phương pháp hóa học (ví dụ như bóc tách trong dung môi hữu cơ với sự hỗ trợ của sóng siêu âm) có thể tạo nên một diện tích bề mặt khổng lồ. Mặt khác, các lớp tinh thể hBN có tính “cực ưa dầu” (superhydrophobic), nên có thể được tận dụng làm chất hút dầu rất tốt.

Các nhà khoa học ở đại học Deakin, Úc, gần đây đã chứng minh bằng thực nghiệm và cho thấy hiệu quả hút dầu trên mặt nước là rất cao. Hơn thế nữa, do giá thành rẻ nên việc ứng dụng bột hBN trong lĩng vực này là rất khả thi và tiềm năng. Tuyệt vời hơn, do tính cao của hBN, vật liệu này có thể được tái sử dụng rất nhiều lần bằng cách đốt cháy đi lớp dầu và để lại lớp bột hBN có tính hút dầu giống như ban đầu. Đây là một giải pháp cực kỳ cần thiết khi mà việc tràn dầu xuống biển xảy ra thường xuyên trên thế giới – hậu quả của các tai nạn tàu bè trên biển và đại dương. Vật liệu hBN như vậy hứa hẹn sẽ đóng góp to lớn vào việc bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn nước sạch cho chúng ta.

Đọc thêm:

• https://nature.com/articles/ncomms2818

Ứng dụng hBN trong quang học nano

Tính chất cách điện siêu tốt của hBN thật ra là do năng lượng vùng cấm (bandgap) của vật liêu này rất cao (khoảng 6 electron volt). Vì vậy, khi được kích thích bằng dòng electron (từ máy SEM hoặc TEM) với năng lượng cao, hBN sẽ phát ra tia UV sâu (deep ultraviolet) với bước sóng khoảng 215 nanomét. Lợi dụng khả năng này các nhà khoa học Nhật Bản (NIMS) đã thành công trong việc chế tạo dụng cụ cầm tay phát tia UV sâu đầu tiên trên thế giới. Việc phát ra được ánh sáng với mức năng cao như vậy đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ khoa học y-sinh đến quang học nano. Và từ đó thúc đẩy sự phát triển của hBN trong các thiết bị chuyên dụng trong các ngành khoa học ứng dụng và công nghệ, một trong những ứng dụng tiềm năng nhất mà chúng ta có thể đón chờ, đó là tia laser phát ra ánh sáng UV sâu - một bước đột phá rất quan trọng.

Một trong những ứng dụng khác của hBN trong lĩnh vực quang học nano là sự phát hiện của tính chất “hyperbola” của vật liệu này – đường đáp ứng động lượng trong không gian 3 chiều có hình hyperbola. Tính chất này xuất phát từ sự bất đẳng hướng của véctơ hằng số điện môi tương đối của hướng vuông góc với mặt tinh thể so với hai véctơ hằng số điện môi tương đối còn lại trong song song với mặt tinh thể. Với tính chất đặc biệt này, tinh thể hBN khi được thiết kế với độ dày thích hợp và được kích thích bằng tia laser hồng ngoại có thể tạo ra một hiện tượng vật lý cực kỳ thú vị: đó là hỗn hợp của lượng tử ánh sáng và lượng tử dao động tinh thể trên bề mặt (surface phonon-polariton). Hỗn hợp này được phát hiện lần đầu tiên bởi các nhà khoa học Mỹ và Anh (bao gồm nhà đoạt giải Nobel Sir. Novoselov) vào năm 2014. Sự đột phá này tạo nên một cuộc cách mạng trong việc dùng hBN cho các ứng dụng vô cùng hấp dẫn như là siêu cảm biến hồng ngoại hay là siêu kính hiển vi quang học.

Đọc thêm:

• https://www.nature.com/articles/nphoton.2009.167
• http://science.sciencemag.org/content/343/6175/1125.full
• https://www.nature.com/articles/ncomms6221

Ứng dụng hBN trong quang học lượng tử

Năm 2015, mình (TS. Trần Trọng Toàn) đã hình thành ý tưởng chế tạo nên một loại nguồn sáng đặc biệt từ hBN, đó là nguồn sáng quang lượng tử (QLT). Khác với nguốn sáng thông thường được chúng ta dùng hằng ngày, ví dụ như bóng đèn điện hay tia laser dùng để quét mã vạch ở siêu thị, nguồn sáng QLT, khi được kích thích bằng một tia chớp ánh sáng (light pulse) với năng lượng thích hợp sẽ phóng ra một và chỉ một đơn vị lượng tử ánh sáng gọi là “photon” ở tại thời điểm đó. Đối với các nhà vật lý học, các máy phát “photon” này (có thể hình dung như một máy phát banh tennis: chỉ bắn ra một trái banh duy nhất ở một thời điểm) có rất nhiều ứng dụng hứa hẹn sẽ tạo sự thay đổi hoàn toàn cách thức mà con người giao dịch, tính toán, sử lý số liệu và chuẩn đoán bệnh tật. Trong một ví dụ cu thể, một máy phát “photon” (gọi là Alice) có thể được dùng để mã hóa dữ liệu và truyền đi tính hiệu đến một máy nhận “photon” (gọi là Bob) cách xa hàng trăm kilômét. Do Alice mã hóa và truyền dữ liệu chỉ trên một “photon” ở một thời điểm (dĩ nhiên là một chuỗi những “photon” như vậy sẽ được truyền đi để chuyển tải một lượng lớn thông tin đến Bob), hacker (tên Eve) không thể hack đi thông tin mà không gây báo động đến Alice và Bob. Nguyên lý này được gọi là Thuyết không thể sao chép trong vật lý lượng tử. Chính vì khả năng bất khả xâm phạm này mà các nhà khoa học tin rằng các nguồn phát “photon” này sẽ tạo nên cuộc cách mạng về truyền tải dữ liệu và viễn thông.

Trong một ví dụ điển hình khác, nhiều máy phát “photon” có thể được tích hợp với nhau bằng những mạch quang học nano, để tạo nên một mạng lưới quang học ở kích thước nano. Các hạt “photon” này sau đó được dùng để tính toán các phép toán giống như các máy vi tính cá nhân có thể làm. Tuy nhiên, điều khác biệt ở đây là các tính toán này hoạt động theo các quy tắc của vật lý lượng tử (chứ không phải vật lý cơ bản) – khiến cho nó nhanh hơn hàng tỷ lần so với máy tính thông thường ở một số ứng dụng nhất định, ví dụ như tối ưu hóa thuốc điều trị ưng thư hay dự báo thời tiết. Sự “tối thượng” (quantum supremacy) của các máy tính lượng tử này có thể hiểu bằng một thí dụ đơn giản như sau. Ví một máy tính thông thường như là một người đến thư viện mượn sách và mục tiêu của họ dĩ nhiên là mượn được cuốn sách mình muốn đọc. Máy tính thông thường sẽ đi kiếm từng cuốn từng cuốn một, hết kệ này đến kệ khác, hết tầng lầu này đến tầng lầu khác. Thay vì vậy máy tính lượng tử dùng một cách thức siêu việt hơn, đó là nhân bản người đọc này thành vài triệu người và chia nhau đi kiếm cùng một lúc, mỗi người tìm một phần của thư viện. Qua đó, chúng ta có thể thấy tại sao máy tính lượng tử lại nhanh đến như vậy. Tuy nhiên, cần lưu ý là chúng chỉ nhanh hơn máy tính thường ở một số ứng dụng nhất định (như ví dụ kể ở trên), những ứng dụng mà thuật toán song song cần được sử dụng. Vì vậy máy tính lượng tử không thể tang tốc cho những nhiệm vụ đơn giản ví dụ như lướt Facebook hay Twitter.

Và đó là tiền đề cho sự phát hiện ra nguồn phát “photon” siêu sáng trên vật liệu siêu mỏng hBN mà mình đã thành công trong quá trình làm luận văn tiến sĩ. Mình bắt đầu với ý tưởng là dùng những tác động vật lý như nhiệt năng, tia bức xạ hay tia electron để tạo nên những lỗ hổng tinh thể có kích thước nguyên tử trong mạng tinh thể hBN. Ý tưởng này xuất phát từ giả thiết mình đặt ra là: “hBN có năng lượng vùng cấm tới 6 electron volts, tức là về mặt lý thuyết, nó hoàn toàn có thể có trong nó những lỗ hổng nguyên tử như vậy”. Những lỗ hổng này có đặc tính rất giống với các nguyên tử trong chân không (ví dụ nguyên tử hydro). Khi kích thích bởi năng lượng thích hợp những lỗ hổng này sẽ phát ra từng hạt, từng hạt “photon” một – thay vì ánh sáng bình thường. Điểm vượt trội của những máy phát “photon” từ hBN này so với các nguyên tử trong chân không là ở giá cả thiết bị để tạo ra và gặt hái “photon” rẻ gấp hàng trăm lần so với nguyên từ trong chân không. Hơn thế nữa, những máy phát “photon” này là pha rắn – có nghĩa là việc lưu giữ và sử dụng nó là cực kỳ dễ dàng và rẻ tiền so với nguyên tử trong chân không. Điểm ưu việt cuối cùng đó là tính tích hợp và khả năng nhân bản rộng rãi trong sản xuất và phát triển sản phẩm.

Cùng với GS. Mike Ford, GS. Milos Toth, GS. Igor Aharonovich và các nhà khoa học khác tại Đại học Công Nghệ Sydney (UTS), nhóm nghiên cứu của mình đã tiên phong trong việc sử dụng các máy phát “photon” siêu sáng từ hBN (lập kỷ lục thế giới về độ sáng trên trong các vật liệu cùng loại) này cho các thí nghiệm vật lý ứng dụng ví dụ như phát hạt “photon” ở nhiệt độ hơn 500 độ C, hay là dùng nguồn sáng này cho siêu kính hiển vi quang học, hay là hút và dẫn truyền các hạt “photon” này trong các sợi quang học. Từ những công trình nghiên cứu này, mình và các GS. trong nhóm đã được công đồng khoa học toàn thế giới công nhận và được đăng trên các tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực quang học lượng tử/nano và khoa học vật liệu như: Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Physical Review Applied…

Những thí nghiệm đột phá của nhóm nghiên cứu của mình đã tạo nền tảng cho những nhóm nghiên cứu khác trên thế giới tiếp nối và phát triến tiềm năng của vật liệu này trong lĩnh vực khoa học ứng dụng cũng như công nghệ viễn thông và truyền tải dữ liệu với độ bảo mật tuyệt đối. Và với độ dày chỉ bằng một nguyên tử, nguồn phát “photon” từ hBN tạo ra sức hấp dẫn rất lớn cho các nhà khoa học so với các nguồn sáng QLT khác – do khả năng thu nhỏ kích thước thiết bị của nó. Trong khoảng thời gian tới, mình sẽ tập trung vào việc ứng dụng nguồn sáng đặc biệt này vào việc tạo ra các thiết bị và sản phẩm lượng tử dùng trong thực tiễn.

Đọc thêm:

• https://www.nature.com/articles/nnano.2015.242
• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6b03602
• https://www.nature.com/articles/s41467-018-03290-0
• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b00444
• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.7b00025
• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.7b00086

TS. Trần Trọng Toàn,

Giảng viên Khoa Vật lý, Đại học Cộng Nghệ Sydney.

https://www.uts.edu.au/staff/trongtoan.tran

https://scholar.google.com.au/citations?user=-q1YEH4AAAAJ&hl=en