Ở khu cắm trại hay buổi biểu diễn, khi bẻ một chiếc que nghe tiếng “tách” rồi lắc, ánh sáng huỳnh quang sẽ lan ra. Không có pin hay dây điện, cầm trong tay cũng không thấy nóng. Không đốt cháy hay nung nóng thứ gì như nến hoặc bóng đèn, vậy làm sao nó có thể phát sáng? Bí mật nằm ở phản ứng hóa học diễn ra bên trong chiếc que. Hiện tượng này chính là “phát quang hóa học (Chemiluminescence)”.
Nói đơn giản, phát quang hóa học là “hiện tượng năng lượng sinh ra từ phản ứng hóa học được chuyển thành ánh sáng thay vì nhiệt”. Vì gần như không tỏa nhiệt nên nó còn được gọi là “ánh sáng lạnh”; khi diễn ra trong cơ thể sinh vật, hiện tượng này có tên riêng là phát quang sinh học.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ định nghĩa và nguyên lý tạo ra ánh sáng của phát quang hóa học đến những ví dụ như que phát sáng, luminol, đom đóm, cùng cách ứng dụng trong phòng thí nghiệm và sản xuất công nghiệp.
Cách phản ứng hóa học tạo ra ánh sáng
Phát quang hóa học là gì?
Phần lớn ánh sáng chúng ta thường thấy phát ra từ những vật nóng. Hiện tượng vật thể được nung đến nhiệt độ cao phát sáng, như nến hay bóng đèn sợi đốt, được gọi là phát sáng do nung nóng. Trong khi đó, ở phát quang hóa học, bản thân phản ứng tạo ra ánh sáng ngay cả ở nhiệt độ thấp.
(1) Ánh sáng đã được biết đến từ lâu
Phốt pho trắng do Hennig Brand người Đức phát hiện vào năm 1669 tự phát ra ánh sáng xanh lục dịu nhẹ trong không khí. Cảnh tượng ấy ấn tượng đến mức tên gọi phốt pho (Phosphorus) bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “vật mang ánh sáng”; ánh sáng này là một ví dụ điển hình của phát quang hóa học, sinh ra khi phốt pho trắng phản ứng với oxy trong không khí. Đối với các chất được tạo ra trong phòng thí nghiệm, vào năm 1877, nhà hóa học Ba Lan Bronisław Radziszewski lần đầu tiên quan sát thấy phát quang hóa học ở một hợp chất có tên là lophine (Lophine).
(2) Những ánh sáng tương tự nhưng khác nhau
Ba loại phát sáng được phân biệt dựa vào nguồn cung cấp năng lượng.
- Huỳnh quang (Fluorescence): Là hiện tượng một chất hấp thụ ánh sáng rồi lập tức phát ra ánh sáng có màu khác.
- Lân quang (Phosphorescence): Là hiện tượng giữ lại năng lượng ánh sáng đã hấp thụ rồi từ từ phát ra, với ví dụ điển hình là miếng dán dạ quang.
- Phát quang hóa học (Chemiluminescence): Là hiện tượng phát sáng chỉ nhờ năng lượng của phản ứng hóa học mà không hấp thụ ánh sáng.
Nguyên lý tạo ra ánh sáng
Điểm mấu chốt là “trạng thái kích thích”. Electron trong vật chất thường nằm ở trạng thái cơ bản ổn định nhất, nhưng khi nhận năng lượng, chúng chuyển lên mức cao hơn, trở thành trạng thái kích thích. Vì trạng thái kích thích không ổn định nên electron nhanh chóng trở về vị trí ban đầu, đồng thời giải phóng năng lượng dư dưới dạng photon, tức những hạt ánh sáng.
(1) Phản ứng tạo ra phân tử ở trạng thái kích thích
Phản ứng hóa học thông thường giải phóng năng lượng dư dưới dạng nhiệt. Trong phát quang hóa học, sản phẩm tạo thành từ phản ứng giữa hai chất đã ở trạng thái kích thích ngay từ đầu. Khi phân tử này trở về trạng thái cơ bản, nó phát ra ánh sáng nên nhiệt độ hầu như không tăng.
(2) Phân tử quyết định màu sắc của ánh sáng
Màu sắc ánh sáng thay đổi theo độ lớn của phần năng lượng được giải phóng khi chuyển xuống trạng thái thấp hơn. Năng lượng lớn thì ánh sáng thiên về màu xanh lam, còn năng lượng nhỏ thì thiên về màu đỏ. Vì vậy, tùy phân tử nào phát sáng, cùng một nguyên lý vẫn có thể tạo ra nhiều màu khác nhau.
Phát quang hóa học trong đời sống
Ngay cả ngoài phòng thí nghiệm, phát quang hóa học cũng gần gũi hơn chúng ta tưởng. Hiện tượng này có nhiều ứng dụng, từ đồ chơi đến điều tra tội phạm và các sinh vật trong tự nhiên.
[Ví dụ 1] Que phát sáng bật sáng khi bẻ
Bên trong que phát sáng có dung dịch chứa este oxalat và thuốc nhuộm huỳnh quang, cùng một ống thủy tinh mỏng chứa hydro peroxide. Khi bẻ que, ống thủy tinh vỡ khiến hai dung dịch hòa trộn, năng lượng sinh ra từ phản ứng kích thích thuốc nhuộm và tạo ra ánh sáng. Phương pháp này dựa trên phản ứng do Edwin Chandross tại Phòng thí nghiệm Bell của Mỹ phát hiện vào thập niên 1960, sau đó được Michael Rauhut thuộc công ty hóa chất American Cyanamid cải tiến thành dạng ngày nay. Thay đổi loại thuốc nhuộm sẽ tạo ra các màu như xanh lục, xanh lam và cam; ở nơi ấm, que sáng hơn nhưng nhanh tắt, còn ở nơi lạnh, que sáng yếu hơn nhưng lâu tắt.
[Ví dụ 2] Luminol tìm dấu máu
Luminol (Luminol) là chất phát ra ánh sáng xanh lam khi phản ứng với hydro peroxide, được tổng hợp lần đầu tại Đức vào năm 1902. Năm 1928, nhà hóa học Đức H. O. Albrecht phát hiện rằng máu làm ánh sáng này mạnh hơn, bởi sắt trong hemoglobin của máu hỗ trợ phản ứng. Tiếp đó, vào năm 1937, nhà pháp y người Đức Walter Specht đã nghiên cứu chi tiết phương pháp sử dụng chất này để kiểm tra dấu máu tại hiện trường vụ án. Ngay cả lượng máu rất nhỏ còn sót lại ở chỗ đã lau sạch cũng phát sáng trong bóng tối khoảng 30 giây.
[Ví dụ 3] Đom đóm thắp sáng màn đêm
Đom đóm phát sáng khi luciferin (Luciferin) trong cơ thể phản ứng với oxy nhờ sự hỗ trợ của enzyme có tên luciferase (Luciferase). Đây chính là phát quang hóa học do sinh vật tạo ra; sứa và cá dưới biển sâu cũng phát sáng theo nguyên lý tương tự, dù các chất tham gia khác nhau tùy loài.
Ứng dụng và giới hạn của phát quang hóa học
Phát quang hóa học không cần chiếu ánh sáng từ bên ngoài nên nền tối, nhờ đó có thể phát hiện chính xác cả lượng ánh sáng rất nhỏ. Ưu điểm này giúp nó được sử dụng rộng rãi như một công cụ phân tích.
(1) Phát hiện những lượng rất nhỏ
Thiết bị quan trắc không khí đo lượng chất ô nhiễm trong không khí bằng cách đếm ánh sáng phát ra khi nitơ monoxit phản ứng với ozone. Trong các thí nghiệm khoa học sự sống, người ta gắn phản ứng phát sáng với một protein cụ thể để phát hiện cả những lượng nhỏ đến mức mắt thường không nhìn thấy.
(2) Một khi đã bật sáng thì không thể đảo ngược
Khi các chất phản ứng được dùng hết, ánh sáng cũng chấm dứt nên que phát sáng chỉ dùng được một lần. Luminol cũng phản ứng và phát sáng với các chất chứa sắt hoặc đồng, cũng như chất tẩy trắng, vì vậy không thể lập tức kết luận đó là máu khi thấy phát sáng mà phải kiểm tra lại bằng phương pháp khác.
Phát quang hóa học cho thấy ánh sáng có thể được tạo ra chỉ khi các chất gặp nhau, ngay cả khi không đốt lửa. Que phát sáng ở buổi biểu diễn, ánh sáng xanh lam tại hiện trường điều tra và đom đóm trong đêm hè đều đang phát sáng theo cùng một nguyên lý.
Tự hỏi thêm một lần ánh sáng trước mắt đến từ đâu chính là bước đầu tiên trong hành trình khám phá hóa học trong đời sống.
