Hấp thụ ánh sáng là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Hấp thụ ánh sáng (light absorption) là quá trình mà một vật chất thu nhận năng lượng photon từ bức xạ điện từ, chuyển hóa thành năng lượng nội tại như nhiệt, kích thích điện tử hoặc rung động phân tử. Quá trình này xảy ra trên mọi vật chất, từ khí quyển, thủy vực đến các vật liệu khô cứng, đóng vai trò then chốt trong các hiện tượng tự nhiên và ứng dụng công nghệ.

Trong quang hóa, hấp thụ ánh sáng khởi động các phản ứng như phân ly liên kết hóa học hoặc tạo cặp electron–lỗ trống. Trong tự nhiên, quang hợp ở thực vật và tảo dựa trên hấp thụ photon để sinh tổng hợp carbohydrate; ở công nghệ, pin mặt trời tận dụng lớp hấp thụ để chuyển đổi photon thành dòng điện (NREL).

Quang học khí quyển nghiên cứu hấp thụ bởi các phân tử khí như O3, CO2 và H2O, ảnh hưởng đến cân bằng năng lượng Trái Đất và hiệu ứng nhà kính. Trong y học, phương pháp quang phổ hấp thụ UV–Vis giúp xác định nồng độ protein hoặc DNA trong dung dịch.

Việc hiểu rõ cơ chế và đặc trưng hấp thụ ánh sáng giúp tối ưu thiết kế vật liệu quang học, cảm biến, thiết bị đo lường và hệ thống năng lượng tái tạo, đồng thời cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu về biến đổi khí hậu và sinh thái học.

Đại lượng đặc trưng và đơn vị

Hệ số hấp thụ α (absorption coefficient) mô tả khả năng vật chất hấp thụ ánh sáng, thường có đơn vị cm−1 hoặc m−1. Giá trị α phụ thuộc vào thành phần hóa học, cấu trúc phân tử và bước sóng ánh sáng. Giá trị α lớn cho thấy quá trình hấp thụ mạnh và ánh sáng giảm nhanh qua chiều dày vật liệu.

Độ dày lớp hấp thụ d thường đo bằng cm hoặc mm, thể hiện khoảng cách photon đi qua trước khi cường độ giảm đáng kể. Trong các thí nghiệm, giá trị d cần được kiểm soát chính xác để áp dụng định luật Beer–Lambert.

Nồng độ chất hấp thụ c (mol·L−1) xuất hiện trong dung dịch khi áp dụng công thức A = ε·c·l, với ε là hệ số mol hấp thụ (molar absorptivity) có đơn vị L·mol−1·cm−1. Hệ số ε đặc trưng cho hiệu quả của mỗi mol chất trong việc hấp thụ photon ở bước sóng cho trước.

• α (absorption coefficient): cm−1 hoặc m−1
• d (thickness): cm, mm
• ε (molar absorptivity): L·mol−1·cm−1
• c (concentration): mol·L−1

Định luật Beer–Lambert

Định luật Beer–Lambert là cơ sở toán học mô tả sự giảm cường độ ánh sáng khi truyền qua môi trường hấp thụ đồng nhất. Biểu thức: $I = I_0 \, e^{-\alpha d}$ trong đó I0 là cường độ đầu vào, I là cường độ sau khi qua lớp dày d, và α là hệ số hấp thụ.

Ở dạng logarit phổ dụng cho phân tích hóa học: $A = \log_{10}\frac{I_0}{I} = \varepsilon \, c \, l$ với A là độ hấp thụ (absorbance), ε hệ số mol hấp thụ, c nồng độ, l chiều dài quang kế (path length).

Định luật này chỉ chính xác khi mẫu đồng nhất, không có tán xạ và ở vùng hấp thụ tuyến tính (A < 1.5). Ứng dụng Beer–Lambert rộng khắp trong quang phổ UV–Vis, sắc ký quang phổ và đo nồng độ phân tử sinh học.

Phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ (absorption spectrum) biểu diễn A hoặc α theo bước sóng (λ) hoặc tần số (ν). Mỗi phân tử có dải hấp thụ đặc trưng, giúp nhận diện và định lượng trong hỗn hợp phức tạp. Ví dụ, chlorophyll a trong quang hợp hấp thụ mạnh ở ~430 nm và ~662 nm.

Phổ UV–Vis dùng cho hợp chất hữu cơ và sinh học, phổ gần hồng ngoại (NIR) cho khảo sát nước, hỗn hợp khí. Phổ bước sóng dài hơn (far-IR) dùng để xác định dao động phân tử và liên kết hoá học (NIST).

Đồ thị phổ thường thể hiện đỉnh hấp thụ (absorption peaks) và bề rộng dải (bandwidth), phản ánh mức độ chuyển mức điện tử và ảnh hưởng của môi trường. Phổ hấp thụ không chỉ nhận diện thành phần mà còn cung cấp thông tin về cấu trúc và tương tác phân tử.

• UV–Vis: 200–800 nm, khảo sát π→π* và n→π* transitions.
• NIR: 800–2500 nm, dao động liên phân tử.
• IR: 2.5–25 μm, móc nối hóa học và dao động nội phân tử.

Cơ chế vi mô

Hấp thụ ánh sáng bắt nguồn từ tương tác giữa photon và electron hoặc phân tử chất. Khi photon có năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức electron, nó sẽ được hấp thụ, đưa electron từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Các mức kích thích có thể là:

• Chuyển mức điện tử (π→π*, n→π*) trong các hợp chất hữu cơ, tạo ra các đỉnh hấp thụ đặc trưng trong phổ UV–Vis.
• Chuyển mức rung động và quay (vibrational/rotational transitions) trong phổ hồng ngoại, tương ứng với dao động liên kết và xoay phân tử.
• Chuyển mức tinh thể hoặc vùng dẫn/valence band trong chất bán dẫn, sinh cặp electron–lỗ trống quan trọng cho quang điện.

Trong các vật liệu bán dẫn, photon có năng lượng lớn hơn băng năng lượng (band gap) sẽ kích thích electron từ dải valence lên dải dẫn, tạo electron–lỗ trống. Quá trình này được mô tả bởi công thức:

$E_{\text{photon}} = h \nu \geq E_{\text{g}}$

trong đó \(h\) là hằng số Planck, \(\nu\) là tần số photon, và \(E_{\text{g}}\) là độ rộng băng năng lượng của vật liệu.

Phương pháp đo

Phổ hấp thụ được ghi nhận bằng các thiết bị quang phổ như:

• Quang phổ UV–Vis–NIR: đo độ hấp thụ ở bước sóng 200–2500 nm, sử dụng phổ kế hấp thụ với nguồn đèn deuterium/tungsten và detector silicon hoặc InGaAs (NIST).
• Phổ kế quang học hồng ngoại (FTIR): Fourier-transform infrared spectrometer ghi phổ từ 2,5–25 µm, xác định dao động phân tử (Spectroscopy Online).
• Fluorescence quenching: sử dụng hiệu ứng tắt phát quang của chất phát quang khi có chất hấp thụ, gián tiếp xác định phổ hấp thụ.
• Sắc ký quang phổ (HPLC-UV): kết hợp sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector UV–Vis để định tính, định lượng thành phần trong hỗn hợp phức tạp.

Yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng gồm:

• Bản chất vật liệu: cấu trúc phân tử, dải băng năng lượng, nhóm chức và mật độ electron.
• Nồng độ và độ dày mẫu: theo định luật Beer–Lambert, absorbance tỷ lệ thuận với nồng độ và chiều dài quang kế.
• Nhiệt độ và áp suất: ảnh hưởng đến quỹ đạo phân tử và phổ hấp thụ vì dao động sẽ thay đổi theo nhiệt động học.
• Môi trường dung môi: tính phân cực, khả năng tương tác hydrogen bonding có thể dịch chuyển đỉnh hấp thụ (bathochromic hoặc hypsochromic shift).

Ứng dụng trong quang điện

Pin mặt trời (solar cells) dựa trên vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng để sinh cặp electron–lỗ trống, sau đó tách và thu thập tại điện cực tạo dòng điện. Các công nghệ nổi bật:

• Silicon tinh thể: hiệu suất 20–25%, băng rộng ~1,1 eV phù hợp hấp thụ phổ rộng (NREL).
• Pin perovskite: hiệu suất >25% trong phòng thí nghiệm, dễ chế tạo và hấp thụ mạnh ở vùng visible.
• Quang điện hữu cơ (OPV): sử dụng polymer bán dẫn, linh hoạt và màu sắc đa dạng nhưng hiệu suất thấp hơn (~15%).

Bảng so sánh hiệu suất và đặc tính:

Ứng dụng trong phân tích hóa học và sinh học

Quang phổ UV–Vis được sử dụng rộng rãi trong định lượng nồng độ phân tử sinh học như protein, enzyme, DNA/RNA qua độ hấp thụ đặc trưng của liên kết peptide và bazơ nitơ. Ví dụ:

• Xác định nồng độ protein bằng phương pháp Bradford (595 nm) hoặc BCA (562 nm).
• Đo độ tinh khiết DNA/RNA qua tỷ số A260/A280 bằng máy quang phổ UV–Vis.

FTIR giúp phân tích nhóm chức trong polymer, dược phẩm và vật liệu sinh học. Phổ FTIR cho phép xác định liên kết C=O, O–H, N–H… và đánh giá mức độ tương tác giữa phân tử và môi trường (Spectroscopy Online).

Ưu khuyết điểm và thách thức

Ưu điểm: phương pháp đơn giản, nhanh, không phá hủy mẫu, nhạy với nồng độ thấp và dễ tự động hóa. Thích hợp phân tích định lượng và định tính trong nhiều lĩnh vực.

Hạn chế: định luật Beer–Lambert chỉ áp dụng trong vùng hấp thụ tuyến tính; ở nồng độ cao hoặc mẫu không đồng nhất, tán xạ và phản xạ gây sai số lớn. Các mẫu đa pha hoặc hấp thụ mạnh có thể cần pha loãng hoặc kỹ thuật khác.

Thách thức: tách biệt hiệu ứng hấp thụ và tán xạ trong vật liệu nano hoặc hạt; hiệu chỉnh lượng nền (baseline) khi phổ phức tạp; phát triển vật liệu hấp thụ bước sóng rộng với hệ số hấp thụ cao cho ứng dụng năng lượng.

Tài liệu tham khảo

1. Hecht, E. “Optics.” Addison-Wesley, 2017.
2. Banwell, C. N., McCash, E. M. “Fundamentals of Molecular Spectroscopy.” McGraw-Hill, 1994.
3. National Institute of Standards and Technology. “NIST Chemistry WebBook.” https://webbook.nist.gov/.
4. National Renewable Energy Laboratory. “Best Research-Cell Efficiency Chart.” https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html.
5. Spectroscopy Online. “FTIR Basics.” https://www.spectroscopyonline.com.
6. Harris, D. C. “Quantitative Chemical Analysis.” W. H. Freeman, 2015.
7. Silverstein, R. M., Webster, F. X., Kiemle, D. “Spectrometric Identification of Organic Compounds.” Wiley, 2014.