Phương pháp điều khiển polaritons trong phản ứng hóa học và quang học

Các nhà nghiên cứu đã khám phá cách kiểm soát polaritons thông qua việc điều chỉnh sự rối loạn trong phản ứng. Phương pháp này chứng minh hiệu quả trong trạng thái rắn so với dung dịch, mở ra cơ hội cải tiến phản ứng hóa học, thiết kế tế bào năng lượng mặt trời và ứng dụng quang học.

Điểm nổi bật:

Kiểm soát mức độ rối loạn giúp điều khiển polaritons hiệu quả.

Trạng thái rắn tạo điều kiện cho phản ứng polaritonic mạnh hơn.

Phát hiện mở ra hướng ứng dụng trong năng lượng mặt trời và thiết bị quang học.

Thông qua việc điều chỉnh mức độ rối loạn trong phản ứng, các nhà nghiên cứu tại Mỹ đã tìm ra cách kiểm soát các hạt phân cực - những hạt lai giữa ánh sáng và vật chất. Phát hiện này là bước đệm trong việc hiểu các cơ chế bí ẩn đằng sau hóa học polaritonic, khi mà các hợp chất được đặt trong một khoang quang học – một hộp nhỏ với các bức gương phản chiếu – có thể biểu hiện theo những cách bất ngờ. Phương pháp này có thể được ứng dụng trong việc thúc đẩy các phản ứng khó khăn, tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn – hoặc thậm chí tạo ra những “kiếm ánh sáng”.

Khoang quang học có khả năng giữ lại ánh sáng để nó tương tác với các rung động hoặc chuyển tiếp điện tử của các phân tử bên trong. Sự kết hợp chặt chẽ giữa ánh sáng và vật chất tạo ra các hạt phân cực, những hạt có tính chất của cả photon và phân tử.

Đôi khi, các hợp chất bị giới hạn trong khoang quang có thể trải qua những thay đổi đáng kinh ngạc: các phản ứng có thể cho ra sản phẩm khác lạ và các polymer không dẫn điện có thể trở nên dẫn điện.

‘Chúng tôi đã xác định được các tiêu chí mới cho việc khi nào sự kết hợp chặt giữa ánh sáng và vật chất thể hiện sức mạnh kỳ diệu của nó’, theo lời đồng trưởng dự án Wei Xiong từ Đại học California San Diego, Mỹ.

Light swords

Nguồn: © Alexandr Bognat/Shutterstock

Việc kiểm soát hóa học polaritonic có thể mở ra nhiều ứng dụng mới dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất.

Chìa khóa để thao tác với polaritons là kiểm soát sự rối loạn của hệ thống. Trước đó, nhóm của Xiong đã tính toán rằng các cấu trúc có trật tự cao có thể khiến vật liệu dễ bị ảnh hưởng bởi các tương tác polaritonic.

Trong thí nghiệm, họ lần đầu tiên chứng minh được điều này trong phòng thí nghiệm. Hợp chất phenol dẫn xuất của họ chuyển đổi giữa các dạng cấu hình khác nhau nhanh hơn ba lần khi bị giới hạn bên trong khoang – nhưng chỉ khi ở dạng rắn. Một dung dịch bão hòa của phenol không cho thấy sự tăng tốc độ, mặc dù các hạt phân cực vẫn hình thành.

Nguyên nhân là do các hạt phân cực không hoạt động tốt trong môi trường rối loạn. Ở trạng thái rắn, mọi phân tử có môi trường tương đồng, giúp các hạt phân cực truyền năng lượng giữa những phân tử cách xa nhau. Trong khi đó, đối với dung dịch với mức độ rối loạn cao, các phân tử có môi trường khác nhau, cản trở khả năng truyền năng lượng của các hạt phân cực.

Giảm sự rối loạn

‘Đây là trường hợp đầu tiên tôi biết có một nguyên tắc thiết kế rất rõ ràng mà chúng ta có thể áp dụng’, theo lời của nhà hóa học polariton Andrew Musser từ Đại học Cornell, Mỹ.

Trong thực tế, việc giảm thiểu sự rối loạn rất khó khăn, theo lời Pengfei (Frank) Huo, người nghiên cứu về kết hợp ánh sáng và vật chất tại Đại học Rochester, Mỹ. Đôi khi, việc sử dụng trạng thái rắn hoặc dung dịch tinh khiết có thể giải quyết vấn đề. Cũng có những ý tưởng về các dung môi “ăng-ten” nhằm tập trung sự kết hợp mạnh mẽ vào hợp chất hòa tan. Phương án đơn giản hơn là tăng cường độ kết hợp ánh sáng và vật chất bằng cách tăng nồng độ, sử dụng khoang nhỏ hơn hoặc thay đổi hoàn toàn thiết kế khoang.

Nguồn: © Guoxin Yin et al/Science/AAAS

Nhóm của Xiong cho thấy rằng phản ứng liên quan đến các tương tác polaritonic của hợp chất phenol dẫn xuất mạnh hơn nhiều khi ở trạng thái rắn so với dung dịch ít trật tự.

Cả Huo và Musser đều nhấn mạnh rằng phương pháp này hiện chỉ áp dụng cho các phản ứng dưới ảnh hưởng của ánh sáng trong khoang quang. Một số phản ứng hóa học polaritonic được tiến hành ở khoang tối. ‘Chúng ta vẫn chưa hiểu rõ cách hoạt động của chúng’, Musser nói.

Các nhà hóa học rất mong muốn có thể kiểm soát các hạt phân cực để sử dụng chúng trong tổng hợp. ‘Nếu có thể phát triển một phản ứng chọn hình học, điều đó sẽ có ý nghĩa lớn đối với các hóa chất có giá trị cao’, Musser cho biết.

Ngoài ra, còn có những ứng dụng tiềm năng trong thiết kế thiết bị thu năng lượng ánh sáng, máy tính quang học – và cả những “kiếm ánh sáng”. ‘Lý do chúng ta chưa có kiếm ánh sáng là vì các photon không tương tác với nhau’, Huo nói. ‘Việc sử dụng các hạt phân cực có thể giúp bạn đạt được điều đó.’