Light Emitting Diode (LED) hay đi-ốt phát sáng là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó.
Công nghệ LED ngày nay trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, từ những màn hình TV khổng lồ cho đến những bóng đèn bật hàng ngày. Thậm chí, người dùng giờ đã quen thuộc với những công nghệ mới hơn như OLED hay QLED.
Phá vỡ rào cản
So với đèn dây tóc và đèn huỳnh quang compact có cùng độ sáng, một bóng LED chỉ sử dụng lần lượt 1/10 và 1/2 điện năng và có tuổi thọ cao gấp nhiều lần.
Dù rất phổ biến, vật liệu đặc biệt này lại đi kèm một nhược điểm chí mạng là không cho phép điện chạy qua. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới từ phòng thí nghiệm Cavendish thuộc Đại học Cambridge đã làm thay đổi tất cả.
Cụ thể, các nhà khoa học đã tìm ra cách để ép các hạt cách điện này phải dẫn điện và phát sáng, mở ra một chương mới cho công nghệ quang điện tử.
Trọng tâm của khám phá này là các hạt nano lanthanide cách điện (LnNPs). Các hạt này chứa những nguyên tố đất hiếm như neodymium và ytterbium. Đặc tính nổi bật của chúng là khả năng phát sáng cực kỳ rực rỡ khi được đặt dưới ánh sáng kích thích.
Các nhà khoa học đã tìm ra cách để ép LED phải dẫn điện và phát sáng, mở ra một chương mới cho công nghệ quang điện tử. Ảnh: Camila Prieto
Tuy nhiên, chúng là chất cách điện. Trước đây, các nhà khoa học đã thất bại trong việc khiến chúng dẫn điện. Các nỗ lực trước đó đòi hỏi nhiệt độ cực cao hoặc điện áp cực lớn mới có thể đưa điện tích tiếp cận được các ion lanthanide bên trong.
Chính vì rào cản này, LnNPs trước đây chỉ được ứng dụng hạn chế, chủ yếu trong việc chụp ảnh mô sâu không cần dựa vào năng lượng điện.
Để vượt qua "bức tường" cách điện này, nhóm nghiên cứu tại Cambridge đã chọn cách tiếp cận khác. Họ không cố gắng đục thủng nó bằng nhiệt hay áp suất, mà chọn cách tiếp cận tinh tế hơn là lai tạo.
Cụ thể, các nhà khoa học sử dụng một loại thuốc nhuộm hữu cơ có tên là 9-ACA. Các phân tử thuốc nhuộm này được dùng để thay thế lớp chất cách điện trên bề mặt của các hạt LnNPs.
Việc thay thế lớp vỏ này cho phép áp dụng một kỹ thuật sạc đặc biệt. Các nhà khoa học tiêm các electron vào lớp hữu cơ mới này. Quá trình này tạo ra các exciton - một trạng thái kích thích của điện tử. Từ đây, năng lượng được chuyển tiếp vào các ion lanthanide bên trong, kích hoạt chúng phát sáng.
Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng rào cản lớn nhất của những thử nghiệm trước đây chính là khoảng cách năng lượng của LnNPs.
Bằng cách thay thế lớp vỏ cách điện bằng vật liệu hữu cơ, nhóm nghiên cứu của Đại học Cambridge đã bắc cầu qua khoảng trống này, cho phép điện năng kích hoạt sự phát quang một cách hiệu quả.
Bước tiến lớn cho công nghệ y sinh tương lai
Kết quả của quá trình lai tạo này thực sự ấn tượng. Các đèn LED mới (hay còn được gọi là LnLEDs) tạo ra ánh sáng cận hồng ngoại (NIR) với độ tinh khiết gần như tuyệt đối.
Thậm chí, trong các thử nghiệm, loại đèn LED lai tạo này còn đánh bại phần lớn những loại đèn LED hữu cơ NIR hiện có trên thị trường. Ngoài ra, nó còn vượt trội cả về độ hẹp của dải quang phổ (độ tinh khiết màu) và hiệu suất năng lượng.
Khám phá này không chỉ dừng lại ở lý thuyết phòng thí nghiệm mà mở ra vô vàn ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế và công cụ y sinh.
Hiện nay, để nhìn sâu vào cơ thể, các bác sĩ thường phải dùng đến X-quang hoặc MRI. Các phương pháp quang học khác dùng ánh sáng nhìn thấy được sẽ bị da và máu chặn lại.
Trong khi đó, ánh sáng NIR lại nằm trong "cửa sổ sinh học" vì nó có thể đi xuyên qua da và mô mềm dễ dàng hơn ánh sáng thường.
Công nghệ LED mới tạo ra ánh sáng cận hồng ngoại (NIR) với độ tinh khiết gần như tuyệt đối. Điều này mở ra hướng đi mới cho y tế, khi các cơ quan nội tạng hoặc mạch máu nằm sâu dưới da có thể được theo dõi chính xác chỉ nhờ vào miếng dán da chứa LnLEDs. Ảnh: Specim
Tuy nhiên, các chất phát quang hữu cơ hiện tại thường bị phai màu (bleaching) sau một thời gian ngắn chiếu sáng, làm gián đoạn quá trình theo dõi lâu dài.
Nhờ độ ổn định của nguyên tố đất hiếm, công nghệ LnLEDs hứa hẹn sẽ khắc phục hoàn toàn điều này, cho phép tạo ra các thiết bị hình ảnh y tế không bị phai màu, giúp quan sát sâu vào các mô cơ thể rõ ràng hơn bao giờ hết.
Các bác sĩ có thể sử dụng các miếng dán da chứa LnLEDs để theo dõi liên tục tình trạng của các cơ quan nội tạng hoặc mạch máu nằm sâu dưới da trong nhiều ngày mà không cần biện pháp xâm lấn.
Bên cạnh đó, sự kết hợp giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ cũng tạo ra các thiết bị linh hoạt và bền bỉ hơn. Đặc biệt hơn, nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp này có thể dễ dàng áp dụng cho các loại vật liệu cách điện khác, mở đường cho hàng loạt thử nghiệm và phát minh mới.