Graphene giúp nâng cấp
phương pháp tán xạRaman tăng
cường bềmặt
Tán xạRaman tăng cường bềmặt (SERS) là một phương pháp mạnh
nhận dạng các phân tử ở những hàm lượng rất thấp – một kĩthuật tỏra rất
hữu dụng trong chẩnđoán y khoa, pháp lí, và nhận dạng những loại thuốc
mới. Nhưng bất chấp sựthành công của nó, các nhà khoa họcđã phải vật lộn
với việc tìm hiểu cơsởvật lí ẩn sau cách thức SERS hoạtđộng.
Trong những năm gầnđây, các nhà nghiên cứuđã phát hiện thấy họcó thể
làm tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật chất bằng cách khai thác các dao
động tập thểcủa các electron mặt gọi là plasmon mặt. Các trường ánh sáng được
tăng cường khi chúng cộng hưởng với những plasmon này, dẫn tới SERS và những
kĩthuật tăng cường bềmặt khác. Thật vậy, các nhà khoa họcđã thành công trong
việc tăng cường các tín hiệu tán xạRaman lên tới 1014 lần khi các phân tửnằm
trong những “điểm nóng” cấu trúc nano ngẫu nhiên trên các bềmặt kim loại.
Tuy nhiên, các nhà khoa học không hiểu trọn vẹn những cấu trúc nano nào
gây ra những điểm nóng tốt nhất hoặc làm thếnào tạo ra các chất SERS có sựtăng
cường đồng đều trên những diện tích lớn. Đây là vì đa sốcác hệSERS đã nghiên
cứu trướcđâyđều dựa trên các cấu trúc nano ngẫu nhiên, chúng có các tính chất
biến thiên từthí nghiệm này sang thí nghiệm khác. Sựkhông đồng nhất này còn
làm cho việc so sánh định lượng giữa lí thuyết và thí nghiệm tỏra khó khăn.
Để khắc phục những vấnđề này, Andrea Ferrari và các đồng nghiệp tại
trường Đại học Cambridge cùng với các nhà nghiên cứu tại trường Đại học
Manchester và Đại học Ioannina đã nghiên cứu SERS bằng các cấu trúc nano kim
loại lớn lên trên graphene. Là một tấm carbon chỉdày một nguyên tử, graphene
được chọn vì nó cung cấp những bềmặt lớn, đồng đều, và hầu nhưkhông có khiếm
khuyết. Hơn nữa, phổRaman của graphene đã được người ta biết rõ.
Đội nghiên cứuđã tạo ra những ma trận vuông gồm các chấm vàng trên
graphene với khoảng cách giữa các chấm là 320 nm. Các chấm dày khoảng 80 nm
và có bán kính 210 nm ởmột sốma trận và 140 nm ởnhững ma trận khác. Sau đó,
các nhà nghiên cứu so sánh phổRaman của graphene trần với phổgraphene có các
chấm, và nhận thấy sựtăng cường đáng kểkhi có mặt các chấm.
Để tìm hiểu tốt hơn vì sao sựtăng cường ấy lại xảy ra, đội nghiên cứuđã lập
mô phỏng hệcủa họbằng cách xét các chấm kim loại có kích cỡkhác nhau đặt trên
graphene. Sau đó, họgiải hệphương trình Maxwell cho mỗi mẫu, sửdụng “phương
pháp miền thời gian chênh lệch hữu hạn”.
Ferrari và các đồng nghiệpđã quan sát thấy sựtăng cường đáng kểcủa tín
hiệu Raman và nhận thấy sựtăng cường đó tỉlệnghịch với lũy thừa mười của
khoảng cách giữa graphene và tâm của hạt nano kim loại. “Những kết quảnày có
thểgiúp chúng ta hiểu rõ hơn cơsởvật lí SERS của các chất liệu 2D”, Ferrari nói.
“Công trình trên cũng chứng tỏcác cấu trúc nano plasmon tính có thểtăng cường
sựhấp thụvà tán xạánh sáng từcác chất liệu 2D, nhưgraphene, cái có thểcó các
ứng dụng trực tiếp cho các bộdò ánh sáng và các bộcảm biến quang”.
Thừa thắng trên những kết quảnày, đội nghiên cứu hiện sẽcốgắng tốiưu
hóa chất nền SERS để thu được sựtăng cường còn lớn hơn nữa bằng cách sửdụng
các kim loại và các hình dạng chấm khác nhau. “Chúng tôi cũng sẽthực hiện các
cấu trúc nano plasmon tính trên những dụng cụkhác nhau chếtạo từgraphene”,
Ferrari tiết lộ.
“Chúng tôi đoan chắc rằng nghiên cứu này sẽtrởthành một tham khảo quan
trọng trong lĩnh vực SERS và sẽkích thích các nghiên cứu tiếp theo”, Andrea
Ferrari nói.
Tại sao trọng lượng của vật thểcó
thểthay đổi
Nếu nhưcó người nói với bạn rằng: Trọng lượng của vật thểcó thể
thay đổi khi đượcđặtởnhững địađiểm khác nhau, bạn có tin vào điềuđó
không?
Đúng là nhưvậy. Khi đặt vật thể ở những địađiểm khác nhau, trọng lượng
của chúng quảthật có sựthay đổi.
Có chuyện rằng, một thương nhân đã mua 5.000 tấn cá trắmđen tạiđất
nước Hà Lan, sau đó chuyển lên thuyền và chởvềthủ đô Mogadixio của nước
Xo6mali, là khu vực gần xích đạo. Khi về đến nơi, họdùng cân lò xo để cân thì khối
lượng cá lại ít đi 30 tấn. Vậy lượng cá này điđâu mất? Không thểcó chuyện mất
trộm vì tàu chưa cập bến nào trong suốt quá trình vận chuyển. Sựhao tổn trong
quá trình bốc dỡcũng không thểlớn nhưvậy. Mọi người bàn luận xôn xao, chẳng
ai có thểgiải mã nổi bí mật này.
Sau đó, mọi việc cũng được sáng tỏ. Lượng cá giảmđiởtrên không phải bịmất
trộm, cũng không phải là sựhao tổn do bốc dỡ, mà được tạo nên bởi sựtựchuyển
động và lực hút của Trái Đất.
Thực ra, trọng lượng của một vật thể được tạo nên nhờlực hút của Trái Đấtđối với
vật thể. Nhưng do Trái Đất luôn luôn vậnđộng, vì thếnó sinh ra lực li tâm tự
chuyểnđộng. Vì vậyđộ lớn trọng lực mà vật thểphải chịu chính là hợp lực của lực
li tâm quán tính tựchuyểnđộng và lực hút của tâm Trái Đất, nó phải phân lượng
mà lực hút của tâm Trái Đất trừ đi lực li tâm quán tính theo hướng vuông góc.
Do Trái Đất là một khối bầu dục có hai cực hơi dẹt nên càng gần xích đạo, thì
khoảng cách giữa mặtđất và tâm Trái Đất càng xa, lực hút của tâm Trái Đất cũng
càng nhỏ đi. Mặt khác, càng gần xích đạo, lực li tâm tựchuyểnđược tạo nên do vật
thểchuyểnđộng theo Trái Đất càng lớn. Vì vậy càng gần xích đạo, trọng lực thực tế
mà vật thểphải chịu càng nhỏ. 5.000 tấn cá trắmđen được vận chuyển từHà Lan
đến Xomali, thì trọng lực mà nó phải chịu tất nhiên sẽphải giảmđi dần dần và
chuyện thiếu hụt 30 tấn là dễgiải thích. Điềuđáng nói ở đây là: Tấn là đơn vị đo
lường chất lượng, nhưng trong cuộc sống thường ngày và trong buôn bán, “Tấn”
luôn được dùng là đơn vịtrọng lượng.
Nếu nhưnhững vậnđộng viên leo núi thu nhậpđược một vật xét nghiệm nham
thạch từ “đỉnh Chomolungma” rồi chuyển nó đến Bắc Kinh, khi đến Bắc Kinh nó có
thểnặng hơn một chút. Nếu nhưcác nhà du hành vũtrụmang nó đến vùng trời mà
lực hút của Trái Đất không đếnđược, nó sẽkhông trọng lượng. Nhưng dù cho
trọng lượng của vật thểcó thay đổi thếnào đi nữa thì chất lượng của chúng không
bao giờthay đổi.