Hành vi nhiệt quang là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa hành vi nhiệt quang

Hành vi nhiệt quang (photothermal behavior) là khả năng của một vật liệu chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng thông qua quá trình hấp thụ bức xạ điện từ và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Quá trình này đóng vai trò nền tảng trong nhiều ứng dụng như điều trị ung thư, công nghệ năng lượng mặt trời và cảm biến nhiệt. Các vật liệu thể hiện hành vi này thường có khả năng hấp thụ mạnh ở các vùng quang phổ cụ thể, đặc biệt là vùng cận hồng ngoại (NIR), nơi ánh sáng có thể xuyên sâu vào vật liệu hoặc mô sinh học.

Cơ chế cơ bản của hiệu ứng nhiệt quang bắt đầu khi các photon từ ánh sáng tới được hấp thụ bởi các điện tử trong vật liệu, gây ra sự chuyển mức năng lượng. Sau đó, quá trình tái tổ hợp không bức xạ xảy ra, năng lượng dư thừa được giải phóng dưới dạng dao động mạng tinh thể (phonon), dẫn đến gia tăng nhiệt độ cục bộ. Sự gia nhiệt này có thể được kiểm soát để phục vụ mục tiêu cụ thể, ví dụ như tiêu diệt tế bào ung thư hoặc tăng hiệu suất thu nhiệt trong các hệ thống năng lượng tái tạo.

Hiệu quả sinh nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

• Khả năng hấp thụ quang của vật liệu ở bước sóng chiếu tới.
• Cấu trúc bề mặt và hình học nano của vật liệu.
• Hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt ($\eta$).
• Khả năng tản nhiệt và dẫn nhiệt vào môi trường xung quanh.

Cơ chế vật lý của hiện tượng nhiệt quang

Về bản chất vật lý, hiện tượng nhiệt quang được dẫn dắt bởi quá trình hấp thụ năng lượng điện từ, kích hoạt các điện tử lên mức năng lượng cao hơn và dẫn đến sự tái tổ hợp không bức xạ, tạo nhiệt. Năng lượng quang học chuyển thành dao động mạng nội tại (phonon) thông qua tương tác điện tử – phonon. Tốc độ và hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào mức độ phi tuyến và mật độ trạng thái điện tử của vật liệu.

Phương trình tổng quát biểu thị công suất nhiệt tạo ra trong vật liệu: $Q = \eta \cdot A \cdot I$ trong đó:

• $Q$ là công suất sinh nhiệt (W),
• $\eta$ là hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang – nhiệt,
• $A$ là diện tích hấp thụ,
• $I$ là mật độ công suất ánh sáng tới (W/m²).

Ở cấp độ nano, hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) trong các hạt nano kim loại như vàng hoặc bạc làm tăng mạnh khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi thành nhiệt. Trong khi đó, vật liệu bán dẫn hoặc 2D như graphene, MXene và black phosphorus hấp thụ ánh sáng thông qua chuyển mức giữa các dải năng lượng (bandgap), phù hợp với các ứng dụng nhiệt quang điều khiển chính xác.

Phân loại hành vi nhiệt quang theo cơ chế và vật liệu

Hành vi nhiệt quang được phân loại dựa trên loại cơ chế hấp thụ và loại vật liệu tạo ra hiệu ứng. Mỗi vật liệu sở hữu đặc điểm riêng biệt trong tương tác với ánh sáng và trong cách chuyển hóa năng lượng, dẫn đến sự khác biệt trong hiệu suất và ứng dụng. Có ba cơ chế chính thường gặp: cộng hưởng plasmon, hấp thụ liên dải năng lượng, và hấp thụ lai trong hệ vật liệu dị thể.

Bảng sau tổng hợp các loại vật liệu nhiệt quang chính, cơ chế tương ứng và vùng phổ hấp thụ:

Loại vật liệu	Cơ chế hấp thụ	Vùng phổ	Ứng dụng
Hạt nano kim loại (Au, Ag)	Plasmon bề mặt cộng hưởng (SPR)	Vis–NIR	Liệu pháp ung thư, cảm biến
Graphene, MXene	Hấp thụ băng rộng	UV–NIR	Chuyển đổi năng lượng, cảm biến
Polyme dẫn điện	Liên kết π–π*	Vis–NIR	Lọc ánh sáng, xử lý nước
Vật liệu lai vô cơ – hữu cơ	Tăng cường hấp thụ đa phổ	Tùy chỉnh	Đa chức năng, kích hoạt chọn lọc

Ngoài ra, các hệ vật liệu dị thể (heterostructures) như graphene–Au hoặc MXene–polymer còn cho phép điều chỉnh phổ hấp thụ linh hoạt, tạo ra hiệu ứng nhiệt quang có thể lập trình theo mục tiêu ứng dụng cụ thể.

Phương pháp đo lường và mô hình hóa

Đo lường hành vi nhiệt quang là một phần quan trọng trong việc đánh giá vật liệu và tối ưu hóa hệ thống. Kỹ thuật phổ biến nhất là ảnh nhiệt hồng ngoại (infrared thermography), cho phép ghi lại sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian với độ phân giải cao. Ngoài ra, các phương pháp như phổ nhiệt quang (photothermal spectroscopy), calorimetry và đo dẫn nhiệt thời gian thực cũng được sử dụng rộng rãi.

Quá trình lan truyền nhiệt trong vật liệu được mô hình hóa bằng phương trình Fourier: $\frac{\partial T}{\partial t} = \alpha \nabla^2 T + \frac{Q}{\rho C_p}$ trong đó:

• $T$ là nhiệt độ theo thời gian và vị trí,
• $\alpha$ là hệ số khuếch tán nhiệt,
• $\rho$ là mật độ khối,
• $C_p$ là nhiệt dung riêng,
• $Q$ là nguồn nhiệt từ ánh sáng.

Các phần mềm mô phỏng như COMSOL Multiphysics, ANSYS hoặc MATLAB thường được sử dụng để mô hình hóa hiện tượng nhiệt quang trong các thiết kế thiết bị, nhằm kiểm soát phân bố nhiệt và tối ưu hiệu suất trong môi trường thực tế.

Ứng dụng trong y sinh học

Hành vi nhiệt quang có ý nghĩa đặc biệt trong y học, đặc biệt là trong lĩnh vực điều trị ung thư không xâm lấn bằng liệu pháp nhiệt quang (Photothermal Therapy – PTT). Trong kỹ thuật này, vật liệu nhiệt quang như hạt nano vàng (AuNPs), carbon nanotube, hoặc MXene được đưa vào vùng mô khối u thông qua tiêm tĩnh mạch hoặc tiêm cục bộ. Khi chiếu tia laser cận hồng ngoại (NIR), vật liệu hấp thụ ánh sáng, sinh nhiệt cục bộ, từ đó gây tổn thương nhiệt cho tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đáng kể đến mô lành.

Ưu điểm nổi bật của PTT là tính chọn lọc cao, ít độc tính toàn thân, khả năng điều khiển không xâm lấn và có thể kết hợp với các liệu pháp khác như hóa trị, miễn dịch trị liệu hoặc dẫn thuốc (drug delivery). Tùy thuộc vào loại vật liệu và công suất laser sử dụng, nhiệt độ tại mô đích có thể tăng lên đến 42–50°C, đủ để gây chết tế bào thông qua hiện tượng hoại tử hoặc apoptosis.

Một số vật liệu thường dùng trong PTT:

• Hạt nano vàng (Au nanorods, nanoshells)
• Carbon-based nanomaterials: graphene oxide, carbon nanotubes
• MXene (Ti₃C₂T_x): hấp thụ mạnh vùng NIR, tản nhiệt hiệu quả
• Black phosphorus: phân hủy sinh học, hấp thụ phổ rộng

Tài liệu tham khảo chi tiết từ NCBI: Photothermal nanomaterials for cancer therapy

Ứng dụng trong công nghệ năng lượng

Trong lĩnh vực năng lượng, hiệu ứng nhiệt quang đóng vai trò trong việc nâng cao hiệu quả khai thác và chuyển đổi năng lượng mặt trời. Các vật liệu có khả năng hấp thụ quang tốt và sinh nhiệt nhanh được tích hợp vào thiết bị như máy phát nhiệt quang điện (thermophotovoltaic generators – TPVs), pin năng lượng lai (hybrid solar cells), và bộ thu nhiệt tập trung (solar thermal collectors).

TPV sử dụng nhiệt sinh ra từ vật liệu nhiệt quang để phát ra bức xạ hồng ngoại, sau đó được chuyển thành điện nhờ tế bào quang điện phù hợp. Trong các hệ thống hấp thụ tập trung, các lớp vật liệu phủ nhiệt quang cho phép thu ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, tối đa hóa nhiệt lượng sinh ra, đặc biệt trong các dải bước sóng khó tận dụng bằng pin mặt trời truyền thống.

Một số vật liệu đang được sử dụng:

• Oxide kim loại pha tạp (doped metal oxides)
• Hạt nano kim loại tích hợp trên nền silica hoặc alumina
• Carbon-black và polymer hấp thụ NIR

Nguồn tham khảo: Photothermal conversion for solar technologies – ScienceDirect

Ứng dụng trong cảm biến và kỹ thuật môi trường

Hiệu ứng nhiệt quang có ứng dụng rộng rãi trong cảm biến nhiệt, cảm biến sinh học và kỹ thuật môi trường nhờ tính nhạy cao và khả năng phản hồi nhanh. Cảm biến nhiệt quang hoạt động dựa trên việc đo sự thay đổi nhiệt độ hoặc tính chất quang học gây ra bởi quá trình hấp thụ ánh sáng. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện phân tử sinh học, khí độc, hoặc thay đổi trong môi trường hóa học.

Ngoài ra, vật liệu nhiệt quang đang được tích cực nghiên cứu trong xử lý nước bằng ánh sáng mặt trời (solar-driven water purification). Vật liệu được thiết kế để nổi trên mặt nước, hấp thụ ánh sáng mặt trời và sinh nhiệt cục bộ, làm bay hơi nước trong khi giữ lại chất ô nhiễm. Kỹ thuật này đặc biệt hiệu quả ở vùng hẻo lánh không có điện.

Một số vật liệu phù hợp:

• Graphene oxide và hợp chất carbon xốp
• MXene tích hợp với cellulose
• Polymer có khả năng dẫn nhiệt thấp, giữ nhiệt cục bộ

Thách thức kỹ thuật và giới hạn

Mặc dù có nhiều ưu điểm, hành vi nhiệt quang vẫn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật. Một trong những thách thức chính là kiểm soát phân bố nhiệt chính xác trong không gian và thời gian. Nếu nhiệt lan rộng không đều, có thể gây tổn hại mô lành (trong y học) hoặc giảm hiệu suất chuyển đổi (trong năng lượng). Ngoài ra, hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt $(\eta)$ ở một số vật liệu vẫn còn thấp, đặc biệt khi hoạt động trong dải bước sóng rộng.

Vấn đề ổn định lâu dài cũng là yếu tố cản trở ứng dụng thực tế. Một số vật liệu như black phosphorus dễ bị oxi hóa khi tiếp xúc với không khí hoặc nước, trong khi các cấu trúc nano plasmonic có thể biến dạng hoặc mất tính cộng hưởng sau thời gian sử dụng dài. Ngoài ra, việc sản xuất vật liệu nhiệt quang ở quy mô lớn với chi phí thấp vẫn là bài toán chưa có lời giải tối ưu.

Bảng tổng hợp một số thách thức chính:

Thách thức	Hệ quả	Giải pháp đề xuất
Hiệu suất $\eta$ thấp	Giảm hiệu quả sinh nhiệt	Thiết kế vật liệu lai, tăng hấp thụ quang
Phân bố nhiệt không đều	Gây tổn thương không mong muốn	Điều khiển chính xác nguồn sáng, cấu trúc vật liệu
Thoái hóa vật liệu	Giảm hiệu năng theo thời gian	Tăng độ bền hóa học và cơ học
Chi phí sản xuất cao	Hạn chế thương mại hóa	Nghiên cứu vật liệu thay thế giá rẻ

Triển vọng nghiên cứu tương lai

Tương lai của hành vi nhiệt quang sẽ gắn liền với sự phát triển của vật liệu nano chức năng cao, công nghệ in 3D vi cấu trúc và trí tuệ nhân tạo (AI) trong thiết kế vật liệu. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc tối ưu hóa hấp thụ ánh sáng trong vùng NIR-II (1000–1700 nm), nơi ánh sáng có khả năng xuyên sâu và ít bị tán xạ trong mô sinh học, mở ra khả năng điều trị sâu không xâm lấn.

Trí tuệ nhân tạo đang được ứng dụng để dự đoán cấu trúc vật liệu lý tưởng cho chuyển đổi quang – nhiệt, rút ngắn thời gian thử nghiệm. Đồng thời, các hệ thống điều khiển bằng ánh sáng lập trình được (programmable photothermal systems) sẽ cho phép tạo ra phân bố nhiệt theo hình dạng không gian cụ thể, ứng dụng trong y học cá nhân hóa hoặc xử lý vi mô.

Về mặt ứng dụng xã hội, các thiết bị nhiệt quang di động, giá rẻ có thể góp phần vào việc tiếp cận năng lượng và y tế chất lượng cao tại các khu vực đang phát triển, thúc đẩy bình đẳng công nghệ toàn cầu.

Tài liệu tham khảo

1. ACS Chemical Reviews – Photothermal Nanomaterials
2. NCBI: Photothermal Therapy in Cancer Treatment
3. ScienceDirect – Photothermal Conversion for Solar Applications
4. Jain, P. K., et al. (2008). Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size, shape, and composition: Applications in biological imaging and biomedicine. Journal of Physical Chemistry B, 110(14), 7238–7248.
5. Govorov, A. O., & Richardson, H. H. (2007). Generating heat with metal nanoparticles. Nanotoday, 2(1), 30–38.