Ứng dụng của cơ học lượng tử trong Nanotech, Biotech?
Những năm gần đây mình thường nghe người ta bàn về tính ứng dụng cao của các loại hình công nghệ mới như nanotech, biotech...được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực.
Với một ngành chuyên về quan sát và nghiên cứu các hạt siêu nhỏ như vật lý lượng tử thì mình có thể hiểu mang máng về sự liên kết giữa nó tới nanotech, dù không rõ. Nhưng với biotech thì mình không biết hiện tại vật lý lượng tử đã được ứng dụng vào chưa?
Không biết chuyên gia có thể giúp giải thích mối liên hệ giữa vật lý lượng tử với nanotech và biotech?
vật lý lượng tử
,nanotech
,biotech
,cơ học lượng tử
,tiến sĩ vật lý
,giảng viên tại đại học công nghệ sydney
Cám ơn câu hỏi của bạn Minh Tùng,
Mối liên hệ của vật lý lượng tử (VLLT) và cộng nghệ nano là cực kỳ rõ ràng. Một ví dụ cụ thể đó là chấm lượng tử (CLT) của vật liệu bán dẫn. Ở kích thước lớn, centimét chẳng hạn, các vật liệu bán dẫn có một năng lượng vùng cấm (bandgap energy) nhất định - năng lượng này quyết định ánh sáng hấp thụ và phát ra của vật liệu bán dẫn này, và ánh sáng phát ra chỉ là ánh sáng "thường" (ví dụ đèn LED mà bạn mua ngoài tiệm đồ điện).
Tuy nhiên, khi kích thước của vật liệu này được thu nhỏ xuống vài nanomét (1 nanomét = 1 phần tỷ của mét), lúc này một hiện tượng kì diệu xảy ra, đó là sự "bó chặt lượng tử" (quantum confinement) - hiện tượng này xảy ra do sự "bó chặt" về kích thước (chỉ vài nanomét) trong khi phương trình sóng của các hạt electron và holes cần không gian "thoải mái" hơn. Với sự bó chặt này, các CLT phát ra từng hạt, từng hạt "photon" một (hay còn gọi là ánh sáng lượng tử - đơn vị nhỏ nhất của ánh sáng) chứ không phải ánh sáng bình thường nữa. Kinh ngạc hơn là mức năng lượng của ánh sáng này, lớn hơn "ánh sáng thường" kể trên một khoảng chênh lệch đúng bằng "năng lượng bó chặt". Vật thể bán dẫn bị "bó càng chặt" (nói cách khác là càng nhỏ đi ở kích thước nano) thì năng lượng ánh sáng phá ra càng lớn. Và ánh sáng lượng tử này có rất nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ viễn thông và mã hóa trong tương lai.
Mối liên hệ giữa VLLT và công nghệ sinh học đang là một trong những hướng nghiên cứu khá hot hiện nay. Một ví dụ cụ thể là các nhà vật lý học sử dụng "spin" của hạt electron trong một sai hỏng kích thước nguyên tử (point-defect) trong tinh thể kim cương để đo cộng hưởng tử (NMR) ở kích thước nano. Sai hỏng này được gọi là Nitrogen và lổ hổng (NV), và "spin" của hạt electron của hệ này có thể được xem như một thanh nam châm kích thước nano và siêu nhạy. Bằng cách dùng sóng microwave kết hợp với chiếu tia laser ở mức năng lượng thích hợp, các nhà khoa học đã thành công trong việc biến hệ lượng tử này thành một máy chụp cộng hưởng từ ở kích thước nanomét - một bước tiến đột phá trong khoa học ứng dụng! Vậy là VLLT đã dần khẳng định tính ứng dụng của nó trong công nghệ sinh học và y-sinh. Hy vọng trong tương lai không xa, những chiếc máy MRI kích thước nanomét này có thể được tiêm vào cơ thể người bệnh để chụp lại hình ảnh của các tế bào ung thư chẳng hạn, giúp đỡ các bác sĩ trị ưng thư hiệu quả hơn.
Toàn.
Đọc thêm:
TS. Trần Trọng Toàn
Cám ơn câu hỏi của bạn Minh Tùng,
Mối liên hệ của vật lý lượng tử (VLLT) và cộng nghệ nano là cực kỳ rõ ràng. Một ví dụ cụ thể đó là chấm lượng tử (CLT) của vật liệu bán dẫn. Ở kích thước lớn, centimét chẳng hạn, các vật liệu bán dẫn có một năng lượng vùng cấm (bandgap energy) nhất định - năng lượng này quyết định ánh sáng hấp thụ và phát ra của vật liệu bán dẫn này, và ánh sáng phát ra chỉ là ánh sáng "thường" (ví dụ đèn LED mà bạn mua ngoài tiệm đồ điện).
Tuy nhiên, khi kích thước của vật liệu này được thu nhỏ xuống vài nanomét (1 nanomét = 1 phần tỷ của mét), lúc này một hiện tượng kì diệu xảy ra, đó là sự "bó chặt lượng tử" (quantum confinement) - hiện tượng này xảy ra do sự "bó chặt" về kích thước (chỉ vài nanomét) trong khi phương trình sóng của các hạt electron và holes cần không gian "thoải mái" hơn. Với sự bó chặt này, các CLT phát ra từng hạt, từng hạt "photon" một (hay còn gọi là ánh sáng lượng tử - đơn vị nhỏ nhất của ánh sáng) chứ không phải ánh sáng bình thường nữa. Kinh ngạc hơn là mức năng lượng của ánh sáng này, lớn hơn "ánh sáng thường" kể trên một khoảng chênh lệch đúng bằng "năng lượng bó chặt". Vật thể bán dẫn bị "bó càng chặt" (nói cách khác là càng nhỏ đi ở kích thước nano) thì năng lượng ánh sáng phá ra càng lớn. Và ánh sáng lượng tử này có rất nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ viễn thông và mã hóa trong tương lai.
Mối liên hệ giữa VLLT và công nghệ sinh học đang là một trong những hướng nghiên cứu khá hot hiện nay. Một ví dụ cụ thể là các nhà vật lý học sử dụng "spin" của hạt electron trong một sai hỏng kích thước nguyên tử (point-defect) trong tinh thể kim cương để đo cộng hưởng tử (NMR) ở kích thước nano. Sai hỏng này được gọi là Nitrogen và lổ hổng (NV), và "spin" của hạt electron của hệ này có thể được xem như một thanh nam châm kích thước nano và siêu nhạy. Bằng cách dùng sóng microwave kết hợp với chiếu tia laser ở mức năng lượng thích hợp, các nhà khoa học đã thành công trong việc biến hệ lượng tử này thành một máy chụp cộng hưởng từ ở kích thước nanomét - một bước tiến đột phá trong khoa học ứng dụng! Vậy là VLLT đã dần khẳng định tính ứng dụng của nó trong công nghệ sinh học và y-sinh. Hy vọng trong tương lai không xa, những chiếc máy MRI kích thước nanomét này có thể được tiêm vào cơ thể người bệnh để chụp lại hình ảnh của các tế bào ung thư chẳng hạn, giúp đỡ các bác sĩ trị ưng thư hiệu quả hơn.
Toàn.
Đọc thêm:
http://science.sciencemag.org/content/339/6119/557
science.sciencemag.org
http://science.sciencemag.org/content/357/6346/67/tab-figures-data
science.sciencemag.org