Loại vật liệu mới này sẽ giúp cho chúng ta thắp sáng ngôi nhà mà không cần dùng tới điện

[miro1510]

Lấy cảm hứng từ sự phát quang ở nhiệt độ phòng của gỗ trầm tích tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã điều chế một loạt vật liệu phát quang bền vững mới bằng cách tinh chế lignin, một thành phần chính của gỗ, trong một mạng lưới polyme 3D mô phỏng ma trận gỗ.

Sự phát lân quang ở nhiệt độ phòng là khi một vật liệu hấp thụ năng lượng có bước sóng ngắn (chẳng hạn như tia UV) và sau đó phát ra nó dưới dạng ánh sáng nhìn thấy.

Điều này trái ngược với vật liệu huỳnh quang, vì nó sẽ ngay lập tức phát ra ánh sáng trở lại và ngừng phát sáng khi tắt đèn.

Giáo sư Zhijun Chen, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Vật liệu Gỗ Tiên tiến tại Đại học Lâm nghiệp Đông Bắc, và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng gỗ dổi tự nhiên và phốt pho yếu sẽ giải phóng ánh sáng trong vài mili giây do lignin bị giữ lại trong ma trận 3D của xenlulo.

Nhu cầu của người tiêu dùng đối với các vật liệu tái tạo, thân thiện với môi trường đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu các màng mỏng làm từ gỗ cho các ứng dụng quang học. Tuy nhiên, cho đến nay, loại vật liệu này thường có những nhược điểm, như tính chất cơ học kém, ánh sáng không đồng đều, thiếu khả năng chống nước hoặc cần phải bao phủ bằng nhựa polyme có nguồn gốc từ dầu mỏ.

Điều này đã truyền cảm hứng cho họ bắt chước các đặc tính phát sáng bằng cách liên kết chéo lignin trong mạng polyme 3D, khiến nó phát sáng rõ ràng hơn trong khoảng thời gian dài hơn.

"Đó thực sự là một khám phá bất ngờ và thú vị", giáo sư Chen nói.

"Chúng tôi nghĩ rằng công trình này sẽ không chỉ cung cấp một lựa chọn mới cho vật liệu phát sáng bền vững mà còn là một lộ trình mới để sử dụng đầy đủ các giá trị của lignin".

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra bằng cách điều chỉnh kích thước khoang trong mạng polyme 3D và thời gian sấy polyme khác nhau, chúng có thể làm thay đổi thời gian tồn tại của photpho.

Lân quang hay gọi dạ quang là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lượng của các photon thành năng lượng của các electron ở một số trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng bền trong phân tử để sau đó electron chậm chạp rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn, và giải phóng một phần năng lượng trở lại ở dạng các photon. Lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ việc electron trở về trạng thái cũ, kèm theo nhả ra photon, là rất chậm chạp. Trong huỳnh quang, sự rơi về trạng thái cũ của electron gần như tức thì; khiến photon được giải phóng ngay. Trong khí đó, đối với lân quang, nó hoạt động như những bộ dự trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và chậm chạp nhả ra ánh sáng sau đó.

"Tất cả lignin đều phát sáng yếu, nhưng hầu hết năng lượng ánh sáng bị mất đi do rung động hoặc chuyển động của các phân tử lignin, có nghĩa là nó không thể nhìn thấy rõ ràng bằng mắt thường", giáo sư Tony James, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ Thông tư Bền vững cho biết tại Đại học Bath.

"Chúng tôi đã phát hiện ra rằng việc cố định lignin trong một polyme acrylic sẽ khiến cho nhiều năng lượng được phát ra dưới dạng ánh sáng - nói cách khác, nó càng ít rung chuyển, nó càng phát sáng".

"Hầu hết các vật liệu phát quang hiện tại đều mang theo những thành phần độc hại hoặc rất khó điều chế, vì vậy chúng tôi muốn phát triển một vật liệu mới khắc phục được những hạn chế này".

"Mặc dù nghiên cứu này vẫn còn mới và chưa thực sự khai thác được hết mọi khía cạnh, nhưng vật liệu mới của chúng tôi cho thấy tiềm năng to lớn trong việc tạo ra một vật liệu lân quang không độc hại có thể phân hủy sinh học, ổn định hơn, có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng".

Các chất lân quang được ứng dụng để tạo ra nguồn sáng cho các tình huống tạm thời thiếu ánh sáng nhưng không cần tiêu thụ năng lượng để nuôi. Năng lượng phát sáng đã được tích trữ từ lúc chất này được chiếu sáng tự nhiên. Ví dụ như chúng được gắn trên mặt đồng hồ đeo tay, giúp đọc thời giờ trong bóng tối; gắn trên kim chỉ la bàn, để xác định phương hướng trong bóng đêm; hoặc gắn trên công tắc đèn điện, cho biết vị trí công tắc đèn khi chưa bật đèn. Chúng cũng được dùng để làm đồ trang trí, chế tạo mực phát sáng (tuy rằng các loại mực phát sáng hay dùng chất huỳnh quang hơn). Việc chế tạo laser cũng có thể sử dụng các chất lân quang. Lý do là các electron có thể tồn tại trên trạng thái kích thích lâu, đủ để đợi các photon khác đi qua và gây ra phát xạ kích thích đồng pha. Các chất lân quang cũng đã được dùng trong màn hình tia âm cực. Sau khi dòng electron đập lên một điểm ảnh của màn hình, điểm này, chứa các chất lân quang, bị kích thích và tiếp tục phát sáng một thời gian ngắn sau đó. Tuy nhiên các vật liệu huỳnh quang cũng có thể được dùng, nhờ vào hiệu ứng lưu ảnh trên võng mạc. Tương tự như màn hình tia âm cực, màn hình ghi nhận các dòng hạt (electron, tia X, neutron,...) năng lượng cao cũng có thể chứa các chất lân quang; dù rằng các chất huỳnh quang cũng có thể được dùng.

Nguồn gốc của tên gọi "lân quang" là do ánh sáng phát ra trong bóng tối bởi hiện tượng lân quang giống như ánh sáng lân tinh, phát ra bởi các hợp chất của phosphor khi phản ứng hóa học oxy hóa trong không khí. Tên gọi này được dùng để miêu tả các chất phát sáng trong bóng tối mà không cần cháy, từ khi nhà giả kim thuật người Đức là Hennig Brand phát hiện ra phosphor năm 1669 thông qua việc điều chế nước tiểu. Ông nhận thấy chất mình mới điều chế được phát sáng trong bóng tối. Bản thân chữ phosphor có gốc từ tiếng Hy Lạp phosphoros, có nghĩa là "vật mang ánh sáng". Tuy nhiên bản chất vật lý của hai hiện tượng là khác nhau; trong đó ánh sáng của phosphor lấy năng lượng từ phản ứng hóa học. Sự phát sáng của phosphor mà Brand đã thấy thực ra là do phosphor cháy âm ỉ và chậm trong không khí.