V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
1.3.3. Ứng dụng chấm lượng tửcarbon
Với đặc tính quang – điện tử rất độc đáo và kích cỡ siêu nhỏ cho phép hàng tỷ QDs có thể nằm gọn trên các thiết bị, công nghệ này nhanh chóng cải tiến hàng loạt ứng dụng trở nên nhỏ, gọn, tiết kiệm và vô cùng hiệu quả. Trong đó nổi bật nhất là các ứng dụng quang học. Những năm gần đây, CQDs được thế giới quan tâm do đặc tính siêu việt của chúng độc tính thấp, đặc tính quang học cao, tan trong nước… Ứng dụng của CQDs đang được khai thác và sử dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như ứng dụng trong pin mặt trời, đánh dấu sinh học, chế tạo thiết bị phát quang …
Thiết bị phát sáng (LED)
Trong LED (light-emitting diodes), nhờ những tính chất ưu việt do hiệu ứng giam hãm lượng tử mang lại như tăng tính chất điện, tăng khả năng xúc tác quang hóa, thay đổi các tính chất phát quang nên hiện nay chấm lượng tử đang được nghiên cứu chế tạo các thiết bị phát quang như QDs-LED phát ánh sáng xanh lá cây và ánh sáng đỏ. Những LED thế hệ cũ làm bằng chất bán dẫn truyền thống có nhiều hạn chế trong việc phát sáng như khó điều chỉnh
bước sóng mà mỗi vật liệu bán dẫn phát ra. Còn chấm lượng tử có thể được điều chỉnh để phát ra bất kì các bước sóng nằm trong vùng khả kiến và hồng ngoại. Những khả năng điện phát quang độc nhất này của chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước của chấm từ 2 đến 10nm. Tại kích thước này, cơ học lượng tử cho phép vật liệu bán dẫn có những đặc điểm mới, kích thước nhỏ mang lại tính linh hoạt lạ thường về hình dạng, cho phép chấm hoạt động dễ dàng trong chất nền, tấm, màng, dung dịch, keo, mực. Và đặc biệt khi ta điều khiển kích thước của chấm thì có thể điều khiển được màu sắc của chúng. Định hình trước kích thước của chấm sẽ cố định được bước sóng photon phát ra có màu sắc thích hợp. Đặc biệt hơn là chấm có thể phát ra ánh sáng trắng chuẩn nhờ trộn lẫn chấm phát ra ánh sáng đó, xanh lá và xanh dương. Thay đổi kích thước hoặc thành phần hóa học của chấm lượng tử sẽ thay đổi màu sắc của LED, do vậy khi ghép nối QDs kích thước khác nhau thành các tổ hợp có thể cho ra các màu sắc có độ sắc nét cao trên màn hình TV, máy tính hay những thiết bị di động.
Trong pin quang hóa (pin mặt trời)
Với tình trạng giá cả ngày một tăng và nỗi lo sợ về tình trạng trái đất nóng dần lên mỗi ngày thì pin mặt trời đã đóng góp 1 vai trò, ứng dụng của nó trọng cuộc sống chúng ta và khả năng ứng dụng của các chấm lượng tử trong biến đổi năng lượng mặt trời là rất lớn. Và ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học - kỹ thuật chúng ta có thể tiếp cận và khai thác rất nhiều lợi ích thiết thực từ nguồn năng lượng mặt trời xanh, sạch này. Ở nhiều nước trên thế giới đã tập trung vào nhiều năng lượng xanh để có thể góp phần giảm lượng khí thải CO2 trong cuộc sống hàng ngày, giảm thải được sự ô nhiễm môi trường. Các chấm lượng tử bán dẫn có cơ sở vững chắc để có thể chế tạo ra những lớp màng mỏng làm pin mặt trời. Và việc chế tạo pin mặt trời đòi hỏi khả năng biến đổi, giữ và phân ly điện tích, để có thể mang lại lợi ích lớn
nhất từ chấm lượng tử. Chấm lượng tử được ứng dụng nhiều trong việc nâng cao hiệu suất chuyển hóa của các tấm pin mặt trời.
Trong ứng dụng y sinh
QDs bán dẫn, hầu hết là QDs keo, được đầu tư rộng rãi cho các ứng dụng y sinh trong ghi nhãn, hình ảnh, phân phối thuốc, cảm biến và điều trị. Sự tổng hợp CQDs chủ yếu tập trung vào khả năng tương thích sinh học và độc tính thấp. Thông thường, CQDs tổng hợp được giới hạn với các phân tử kị nước và cần được hòa tan trong dung dịch nước trước khi sử dụng thực tế. Sau đó, các QDs có thể được liên kết với các phân tử sinh học để ghi nhãn hoặc nhắm mục tiêu cụ thể, có thể đạt được bằng hóa học cộng hóa trị cộng sinh, tương tác biotin-avidin… Một trong những hướng thú vị nhất là tổng hợp CQDs trong các sinh vật sống. Các tế bào sống như tế bào nấm men và vi khuẩn E.coli có thể phục vụ như các lò phản ứng để làm trung gian cho sự hình thành các QDs sau khi đưa tiền chất QDs vào các tế bào. Các phân tử glutathione nội bào hoặc peptide có liên kết gen được mã hóa gen có thể đóng vai trò phối tử để làm trung gian hình thành các QDs trong tế bào. Kim loại nặng được sử dụng trong các CQDs nêu lên một số mối quan tâm về tác động của nó nếu còn lại bên trong cơ thể.
Một trong những ứng dụng của chấm lượng tử huyền phù là đánh dấu huỳnh quang. Các chấm lượng tử huyền phù ngày nay đã được thương mại hóa rộng rãi để đánh dấu sinh học và huỳnh quang protein. Trong y sinh, đánh dấu huỳnh quang sử dụng trong việc hiện ảnh sinh học là mặt mạnh không thể không kể đến của các chấm lượng tử, các laser chấm lượng tử CQDs bơm quang. Chấm lượng tử thực chất là tinh thể bán dẫn có đường kính một vài nano mét. Cùng một loại vật liệu nhưng chấm lượng tử có kích thước khác nhau sẽ phát xạ ra các màu khác nhau dưới ánh sáng hồng
ngoại hoặc tử ngoại. Lợi dụng tính chất này, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng chấm lượng tử để đánh dấu hàng hóa, chứng từ hoặc tiền giấy để chống làm giả, tiêm chấm lượng tử vào cơ thể động vật để quan sát, chụp ảnh các cơ quan, tế bào… Ngoài ra chấm lượng tử còn có tiềm năng được sử dụng để dò ung thư, đưa thuốc tới tế bào ung thư…
Trong phát hiện ion kim loại
Do khả năng hòa tan trong nước nên CQDs có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc cảm biến xác định các phân tử hữu cơ trong nước và các hạt nano khác trong dung dịch nước. Nhờ một số lợi thế như độ nhạy cao, phân tích nhanh, không phá hủy mẫu hoặc ít gây tổn hại tới tế bào, CQDs có thể được dùng để phát hiện ion kim loại, xét nghiệm ADN… Thực tế, thì CQDs đã
được thử nghiệm để phát hiện Hg2+ - một nguyên tố độc hại đối với con người
và môi trường, Hg2+ có thể dập tắt sự phát quang của CQDs bởi nó khiến cặp
điện tử - lỗ trống tái hợp không bức xạ qua ảnh hưởng của quá trình chuyển hướng electron. Do đó bằng cách lợi dụng việc quan sát sự thay đổi phát quang, một cảm biến huỳnh quang có thể được chế tạo dễ dàng, cho phép phát hiện Hg2+ và tác nhân đối kháng rất nhạy.