Học giả hơn 140 bằng sáng chế tiết lộ nguyên lý tự nhiên giúp tạo ra OLED

GS Sir Richard Henry Friend, Chủ tịch Hội đồng Giải thưởng VinFuture, đã có buổi giao lưu học thuật với sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội trong khuôn khổ Hội thảo khoa học "Đổi mới sáng tạo và Chất bán dẫn hữu cơ".

Tại đây, ông chia sẻ về hành trình hơn 3 thập kỷ nghiên cứu điện tử hữu cơ và lý do lĩnh vực này mở ra một hướng phát triển mới cho khoa học vật liệu.

Hành trình khám phá chất bán dẫn hữu cơ

Mở đầu phần chia sẻ, GS Friend kể lại hành trình nghiên cứu kéo dài hàng chục năm của mình với chất bán dẫn hữu cơ. Ông nhấn mạnh khoa học luôn là lĩnh vực đầy bất ngờ và không bao giờ khép lại với vài trang sách giáo khoa.

“Thế giới khoa học luôn đầy ắp những bất ngờ. Đôi khi đọc sách giáo khoa, bạn nghĩ mọi thứ đã được giải quyết, nhưng thực tế đó chỉ là hư cấu. Khi bước vào phòng thí nghiệm, bạn sẽ thấy còn vô vàn điều để học hỏi”, vị giáo sư chia sẻ.

Theo GS Friend, một trong những dấu mốc quan trọng là bài báo được công bố cách đây 35 năm trên tạp chí Nature, đặt nền móng cho lĩnh vực điốt phát quang hữu cơ.

Từ nền tảng đó, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã từng bước biến ý tưởng dùng phân tử hữu cơ làm nguồn sáng thành công nghệ màn hình OLED đang xuất hiện trong vô số điện thoại thông minh và TV hiện nay.

“Khi bạn bật điện thoại thông minh lên, ánh sáng bạn nhìn thấy phát ra từ những điốt nhỏ, không phải làm từ silicon hay gali, mà từ các phân tử hữu cơ. Đó là một bất ngờ lớn, vì chúng ta thường không nghĩ các phân tử hữu cơ lại là chất bán dẫn”, ông giải thích.

Từ quan sát đời sống, GS Friend liên hệ đến tự nhiên. Lá cây có màu xanh vì hấp thụ ánh sáng mặt trời và biến đổi thành năng lượng hóa học. Trong quang hợp, khi một photon được hấp thụ, electron bị tách khỏi vị trí ban đầu và để lại một lỗ trống.

Theo ông, đó chính là nguyên mẫu của một thiết bị điện tử, là tế bào pin mặt trời nhỏ nhất trong tự nhiên.

Trong phần trao đổi kỹ thuật, GS Friend giới thiệu với sinh viên cấu trúc bóng bán dẫn hữu cơ và khái niệm bóng bán dẫn phát sáng. Thiết bị này cho phép đưa đồng thời điện tích dương và điện tích âm vào kênh dẫn, nơi chúng gặp nhau để tạo trạng thái kích thích và phát ra ánh sáng.

Kết quả thực nghiệm chứng minh electron và lỗ trống có thể di chuyển trên khoảng cách nhất định trong chất bán dẫn hữu cơ, đủ để xây dựng các linh kiện điện tử thực sự.

Học từ cây xanh để phát triển pin mặt trời hữu cơ

Từ quang hợp tự nhiên, GS Friend dẫn sinh viên đến một lĩnh vực ứng dụng khác là pin mặt trời hữu cơ. Ông mô tả lại cách cây xanh thu nhận ánh sáng nhờ các hệ ăng ten phân tử, dẫn truyền năng lượng đến trung tâm phản ứng rồi tách điện tích.

Các nhà khoa học mô phỏng nguyên lý này bằng cấu trúc chuyển tiếp dị thể khối. Trong đó, 2 loại vật liệu được trộn với nhau, một loại ưa nhận electron và một loại ưa nhận lỗ trống. Sự đan xen tạo nên vô số ranh giới, giúp việc tách đôi điện tích diễn ra dễ dàng hơn.

Nhờ chiến lược vật liệu này, hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ đã tăng rất nhanh trong khoảng 10 năm trở lại đây. Theo GS Friend, các hệ pin hữu cơ hiện đã đạt mức trên 20%, tiến rất gần tới hiệu suất của pin silicon thương mại.

Lợi thế của công nghệ này là chi phí vật liệu thấp, khả năng in phủ trên diện tích lớn và tiềm năng chế tạo các tấm pin linh hoạt gắn trên nhiều bề mặt khác nhau.

Hướng đi mới từ vật liệu gốc tự do và cảm biến lượng tử

Trong những năm gần đây, nhóm của GS Friend tập trung vào một hướng đi mới nhằm giảm hao phí năng lượng do trạng thái triplet gây ra.

Họ làm việc với các vật liệu gốc tự do, là những phân tử mang một spin lẻ. Thay vì để gốc tự do phản ứng mạnh và mất ổn định, nhóm đã tìm cách ổn định chúng trong mạng tinh thể.

Một phát hiện thú vị khác đến từ các hệ phân tử có 2 spin gọi là biradical. Nhóm đã chứng minh rằng chỉ cần một từ trường rất nhỏ cũng đủ làm thay đổi rõ rệt màu sắc hoặc cường độ ánh sáng phát ra.

GS Friend nhìn nhận đây là một hiệu ứng lượng tử hiếm hoi có thể khai thác với điều kiện thí nghiệm đơn giản.

Theo ông, hiện tượng này mở ra triển vọng cho các cảm biến sinh học mới. Chỉ cần một loại chất nhuộm phát sáng nhạy với từ trường ở quy mô rất nhỏ, các nhà khoa học có thể theo dõi quá trình trong mẫu sinh học với độ chính xác cao hơn, từ đó hỗ trợ chẩn đoán y khoa.

Cơ hội cho hệ sinh thái đổi mới sáng tạo tại Việt Nam

Bên cạnh GS Friend, hội thảo còn có sự tham gia của TS Jayshree Seth, nhà khoa học của Tập đoàn 3M và là thành viên Hội đồng Sơ khảo Giải thưởng VinFuture. Việc các nhà khoa học uy tín thế giới trực tiếp trao đổi với sinh viên được coi là cơ hội quý với cộng đồng nghiên cứu trẻ.

PGS Huỳnh Đăng Chính, Phó Giám đốc Đại học Bách khoa Hà Nội, nhấn mạnh ý nghĩa của sự kiện khi góp phần thúc đẩy hệ sinh thái nghiên cứu và sáng tạo của nhà trường và của Việt Nam.

“Nhà trường kỳ vọng những buổi giao lưu học thuật như vậy sẽ khơi dậy hoài bão khoa học mới cho sinh viên, đồng thời mở ra các hướng hợp tác giữa các nhóm nghiên cứu Bách khoa với đối tác trong và ngoài nước”, ông Chính nhấn mạnh.

Những chia sẻ trực tiếp của nhà khoa học tầm vóc toàn cầu về hành trình từ phòng thí nghiệm đến các thiết bị công nghệ quen thuộc cho thấy khoa học vật liệu không phải là lĩnh vực xa vời. Khoa học luôn còn vô số điều để khám phá và mỗi thế hệ nhà nghiên cứu trẻ đều có cơ hội tạo ra những vệt sáng mới cho tương lai.

Tuần lễ Khoa học và Công nghệ VinFuture 2025, diễn ra từ ngày 2/12 đến 6/12 tại Hà Nội.

Với chủ đề “Cùng vươn mình - Cùng thịnh vượng”, chuỗi sự kiện quốc tế thường niên năm nay tiếp tục khẳng định sứ mệnh của VinFuture trong việc kết nối tri thức, khơi dậy khát vọng phụng sự và nâng tầm vị thế của Việt Nam như một trung tâm khuyến khích khoa học, đổi mới sáng tạo của thế giới.