Quang hóa là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm quang hóa

Quang hóa là ngành nghiên cứu các phản ứng hóa học được khởi phát hoặc chịu ảnh hưởng bởi ánh sáng, bao gồm ánh sáng tử ngoại, khả kiến hoặc hồng ngoại gần. Khi một photon ánh sáng được hấp thụ bởi phân tử hoặc nguyên tử, năng lượng ánh sáng làm thay đổi trạng thái điện tử của phân tử đó, từ đó dẫn đến các biến đổi hóa học như phân cắt liên kết, tái sắp xếp cấu trúc hoặc phản ứng với phân tử khác.

Phản ứng quang hóa chỉ xảy ra khi photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng mức năng lượng kích thích của phân tử. Tức là ánh sáng không chỉ đóng vai trò nguồn năng lượng, mà còn là tác nhân định hướng phản ứng thông qua quá trình kích thích điện tử. Một số ví dụ phổ biến trong đời sống bao gồm quang hợp, phản ứng phân hủy ozon, và quá trình xử lý ảnh phim truyền thống.

Khác với phản ứng nhiệt động học, phản ứng quang hóa cho phép kiểm soát vị trí và thời điểm xảy ra phản ứng với độ chính xác cao nhờ ánh sáng. Do đó, quang hóa được ứng dụng rộng rãi trong vật liệu nano, công nghệ sinh học, tổng hợp hữu cơ tinh chọn và thiết kế hệ thống chuyển hóa năng lượng hiệu quả.

Nguyên lý cơ bản

Các phản ứng quang hóa tuân theo hai định luật nền tảng. Thứ nhất là định luật Grotthuss–Draper, khẳng định rằng chỉ ánh sáng được hấp thụ mới có thể gây ra phản ứng hóa học. Điều này có nghĩa là bước sóng không phù hợp sẽ không tạo ra bất kỳ thay đổi hóa học nào dù có chiếu sáng.

Thứ hai là định luật Einstein trong quang hóa, phát biểu rằng mỗi photon được hấp thụ tương ứng với một sự kiện phản ứng hóa học. Định luật này cho phép định nghĩa đại lượng "hiệu suất lượng tử" (quantum yield), tức số phản ứng xảy ra trên mỗi photon hấp thụ:

$\Phi = \frac{\text{số phân tử phản ứng}}{\text{số photon hấp thụ}}$

Năng lượng photon được tính theo công thức:

$E = h \cdot \nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}$

Trong đó: $E$ là năng lượng photon, h = 6.626 \times 10^{-34} \text{ J·s} là hằng số Planck, $c = 3 \times 10^8 \text{ m/s}$ là tốc độ ánh sáng, và $\lambda$ là bước sóng ánh sáng. Các photon tử ngoại mang năng lượng cao hơn photon ánh sáng đỏ hoặc hồng ngoại, do đó có khả năng khởi phát nhiều phản ứng mạnh hơn.

Dưới đây là bảng so sánh năng lượng photon theo bước sóng ánh sáng:

Vùng phổ	Bước sóng (nm)	Năng lượng (eV)
Tử ngoại	100 – 400	3.1 – 12.4
Khả kiến	400 – 700	1.8 – 3.1
Hồng ngoại	700 – 1000+	< 1.8

Các trạng thái kích thích và chuyển hóa năng lượng

Khi phân tử hấp thụ photon, một electron sẽ được nâng từ quỹ đạo năng lượng thấp (trạng thái cơ bản, ký hiệu $S_0$) lên quỹ đạo năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích). Hai trạng thái kích thích phổ biến là trạng thái đơn $S_1$ và trạng thái ba $T_1$, tùy thuộc vào spin của electron sau khi kích thích.

Phân tử ở trạng thái kích thích có thể trở về trạng thái cơ bản theo nhiều con đường khác nhau, bao gồm:

• Huỳnh quang: Phát xạ ánh sáng tức thời khi electron trở về từ $S_1$ xuống $S_0$.
• Lân quang: Phát xạ ánh sáng chậm hơn khi electron chuyển từ $T_1$ xuống $S_0$, do thay đổi spin.
• Chuyển hóa nội phân tử (intersystem crossing): Electron chuyển từ $S_1$ sang $T_1$, sau đó quay lại $S_0$.
• Phân rã không bức xạ: Năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt thay vì ánh sáng.

Các trạng thái kích thích có thể kéo theo sự tái phân bố mật độ electron trong phân tử, gây biến đổi hình học, cắt liên kết hoặc tạo các gốc tự do. Những biến đổi này là khởi đầu của nhiều phản ứng quang hóa phức tạp, đặc biệt trong môi trường dung dịch hoặc sinh học.

Các loại phản ứng quang hóa

Phản ứng quang hóa rất đa dạng, phụ thuộc vào loại hợp chất và điều kiện chiếu sáng. Một số loại phản ứng phổ biến bao gồm:

1. Phản ứng phân ly quang (photodissociation): Liên kết trong phân tử bị phá vỡ do hấp thụ năng lượng photon. Ví dụ: phân tử Cl₂ bị chiếu UV → tạo ra 2 gốc Cl.
2. Phản ứng cộng quang (photodimerization): Hai phân tử hoặc nhóm chức tương tác dưới ánh sáng để tạo thành cấu trúc mới, thường gặp trong các hợp chất thơm.
3. Phản ứng quang oxy hóa – khử (photo-redox): Phản ứng electron giữa chất cho và chất nhận, xúc tác bằng ánh sáng, được ứng dụng mạnh trong tổng hợp hữu cơ.
4. Phản ứng vòng hóa quang học (photo-cyclization): Tạo cấu trúc vòng mới nhờ thay đổi liên kết π trong hệ liên hợp dưới ánh sáng UV hoặc xanh lam.

Các phản ứng này có thể xảy ra trong pha khí, lỏng hoặc rắn, với tốc độ và hiệu suất rất khác nhau. Điều kiện môi trường như dung môi, pH, oxy hòa tan và nhiệt độ cũng ảnh hưởng mạnh đến hướng và hiệu suất phản ứng quang hóa.

Dưới đây là ví dụ minh họa cho phản ứng phân ly quang học của brom:

$Br_2 + h\nu \rightarrow 2Br\cdot$

Các gốc tự do Br· sinh ra có thể tham gia phản ứng chuỗi tiếp theo, như trong quá trình brom hóa ankan.

Ứng dụng trong tự nhiên: Quang hợp

Quang hợp là một trong những quá trình quang hóa quan trọng nhất trong tự nhiên, diễn ra trong thực vật, tảo và một số vi khuẩn quang dưỡng. Đây là quá trình sinh học trong đó năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng hóa học lưu trữ trong phân tử carbohydrate, đồng thời giải phóng khí oxy vào khí quyển.

Phản ứng tổng quát của quá trình quang hợp có thể được viết như sau:

$6CO_2 + 6H_2O + hv \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Quá trình này diễn ra trong lục lạp, nơi chứa hệ sắc tố chính là chlorophyll a. Chlorophyll hấp thụ photon trong vùng ánh sáng xanh tím (400–500 nm) và đỏ (600–700 nm), kích hoạt electron và khởi phát chuỗi phản ứng chuyển hóa năng lượng. Toàn bộ quá trình bao gồm hai giai đoạn chính:

• Pha sáng: Diễn ra trong màng thylakoid, sử dụng ánh sáng để tạo ATP và NADPH.
• Pha tối (chu trình Calvin): Diễn ra trong chất nền lục lạp (stroma), sử dụng ATP và NADPH để cố định CO₂ thành glucose.

Quang hợp duy trì chu trình carbon toàn cầu, cung cấp cơ sở cho chuỗi thức ăn và điều hòa khí hậu Trái Đất. Đây cũng là nguồn cảm hứng cho phát triển các công nghệ “quang tổng hợp nhân tạo” (artificial photosynthesis).

Ứng dụng trong công nghiệp và công nghệ

Quang hóa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử, hóa học vật liệu và công nghệ môi trường. Một ví dụ điển hình là công nghệ quang khắc (photolithography), nền tảng để chế tạo vi mạch bán dẫn và chip điện tử. Trong quy trình này, ánh sáng tử ngoại được dùng để khắc họa lên lớp màng nhạy sáng (photoresist), sau đó xử lý để tạo ra các mạch điện có kích thước nano.

Ngoài ra, quang hóa còn đóng vai trò trong sản xuất màng mỏng quang dẫn, tế bào năng lượng mặt trời và cảm biến sinh học. Các phản ứng quang xúc tác được khai thác để tổng hợp phân tử hữu cơ với độ chọn lọc cao, giảm nhu cầu dùng nhiệt độ cao hoặc hóa chất độc hại.

Các ứng dụng nổi bật gồm:

• Chế tạo OLED (Organic Light-Emitting Diodes) cho màn hình TV và điện thoại.
• Phân tách nước bằng ánh sáng để sản xuất hydrogen sạch.
• Xử lý nước thải bằng các quá trình oxy hóa quang nâng cao (AOPs).

Xem thêm tại: ScienceDirect – Photochemistry

Vai trò trong y sinh học

Trong lĩnh vực y sinh học, quang hóa được ứng dụng trong liệu pháp quang động (PDT – photodynamic therapy) nhằm tiêu diệt tế bào ung thư hoặc mô bệnh mà không gây tổn hại đến mô khỏe mạnh xung quanh. Quy trình bao gồm ba thành phần: chất nhạy sáng (photosensitizer), ánh sáng có bước sóng thích hợp và oxy. Khi ánh sáng chiếu vào khu vực chứa chất nhạy sáng, các dạng oxy hoạt hóa (ROS) như singlet oxygen được tạo ra và phá hủy tế bào đích.

Phương pháp này đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt cho điều trị một số loại ung thư như ung thư da, phổi, thực quản và bàng quang. Ưu điểm của PDT là xâm lấn tối thiểu, phục hồi nhanh và có thể lặp lại nhiều lần mà không gây kháng thuốc.

Quang hóa còn hỗ trợ trong kỹ thuật đánh dấu sinh học bằng huỳnh quang, trong đó các phân tử được gắn với fluorophore phát sáng khi chiếu sáng, giúp quan sát quá trình nội bào trong kính hiển vi huỳnh quang. Điều này đóng vai trò không thể thiếu trong sinh học phân tử, y học chính xác và kỹ thuật di truyền.

Quang xúc tác và bảo vệ môi trường

Quang xúc tác là một phân ngành quan trọng của quang hóa, sử dụng các vật liệu bán dẫn như titanium dioxide (TiO₂) để xúc tác phản ứng hóa học dưới tác động ánh sáng. Khi hấp thụ photon có năng lượng phù hợp, electron trong TiO₂ được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử – lỗ trống (electron–hole pairs), từ đó kích hoạt phản ứng oxy hóa khử.

Các ứng dụng chính của quang xúc tác trong môi trường:

• Phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải công nghiệp (thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, hợp chất phenol).
• Diệt khuẩn trong không khí, nước và trên bề mặt vật liệu y tế.
• Phân tách nước thành hydrogen và oxygen trong điều kiện chiếu sáng – hướng đến năng lượng tái tạo.

Dưới đây là ví dụ phản ứng quang xúc tác tổng quát trên bề mặt TiO₂:

$TiO_2 + hv \rightarrow e^- + h^+$

Trong đó, electron và lỗ trống tham gia vào quá trình khử và oxy hóa các hợp chất hữu cơ hoặc nước.

Đo lường và thiết bị quang hóa

Việc phân tích và nghiên cứu các phản ứng quang hóa đòi hỏi thiết bị chuyên dụng có độ chính xác cao. Một số công cụ phổ biến gồm:

• Máy quang phổ UV-Vis: Đo phổ hấp thụ của hợp chất ở dải tử ngoại và khả kiến để xác định bước sóng tối ưu kích thích.
• Fluorometer: Phân tích huỳnh quang, giúp xác định hiệu suất lượng tử và thời gian sống trạng thái kích thích.
• Cell điện hóa quang học: Được dùng trong nghiên cứu pin mặt trời, đo hiệu suất chuyển đổi quang – điện.

Ngoài ra, kỹ thuật laser xung ngắn (femtosecond laser) được sử dụng để khảo sát động học phản ứng ở thang thời gian femtosecond, mở ra cánh cửa nghiên cứu cơ chế phản ứng siêu nhanh trong hệ sinh học và vật liệu.

Tài liệu tham khảo

1. Turro, N. J., Ramamurthy, V., & Scaiano, J. C. (2009). Principles of Molecular Photochemistry: An Introduction. University Science Books.
2. Royal Society of Chemistry. Photochemistry – RSC Education. Retrieved from https://edu.rsc.org/photochemistry
3. ScienceDirect. (n.d.). Photochemistry Topics. Retrieved from https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/photochemistry
4. OECD. (2021). Photochemical Advanced Oxidation Processes for Water Treatment. Retrieved from https://www.oecd.org/environment/resources/photochemical-oxidation-processes.pdf
5. National Cancer Institute. Photodynamic Therapy. Retrieved from https://www.cancer.gov/about-cancer/treatment/types/photodynamic-therapy