Cập Nhật Ngành Khoa Học Vật Liệu

  Cập nhật hướng tiến bộ ở một ngành công nghệ quan trọng cho phát triển đất nước, ngành khoa học vật liệu- materials science :

 Xây dựng một thế giới tốt đẹp hơn, từng nguyên tử một mỗi lúc

                                                          GS Tôn thất Trình

          Khi các nhà khoa học vật liệu  nhìn vào bảng bảng  tuần hòan các nguyên tố, họ không thấy một đồ biểu  đầy các  ký hiệu hay con số; họ thấy một phòng chứa thực phẩm rộng lớn phân tử , giúp làm ra  vô hạn  đơn thuốc. Những đột kích thành công vào phòng này có thể lợi lộc cho tất cả chúng ta.  Hãy lấy thí dụ điện mặt trời.  Trong vòng 113 năm giữa  khám phá vật lý học  đằng sau  tế bào quang điện -photovoltaic và  năm 2000,  khả năng điện  mặt trời được thiết lập khắp thế giới ít hơn 1 gigawatt (một triệu kw ).  Nhưng những cải thiện gần đây của cấu tạo phân tử silicon ở các pannen quang điện- photovoltaic, đã giúp mang lại trên đường dây – online   hơn 10 gigawatt  điện mặt trời mới, chỉ riêng cho năm 2011. Hay xét đến cải thiện của các nhà máy khử muối biển- desalination plants mà trong vòng 40 năm qua, năng lượng cần thiết để biến nước biển mặn thành nước uống sạch muối, đã rơi xuống mất hơn 90%, phần lớn nhờ những cải thiện các máy lọc – filters sử dụng lấy đi muối biển. Năng lượng sạch hơn và những phương cách hửu hiệu hơn dùng nó:  Khi dân số thế giới kiên định đòi hỏi thêm nhiều tài nguyên hơn, khéo léo sáng chế của các nhà khoa học vật liệu  sẽ  càng trở thành thiết yếu hơn.

        Hầu hiểu rỏ hơn các sáng chế đang bộc lộ hiện nay, và những sáng chế có thể ló dạng mai đây, nguyệt  san Khám Phá – Discover Hoa Kỳ  chung sức với Tổ chức Di sản Hóa học – Chemical Heritage Foundation  ở thành phố  Philadelphia, tập hợp 6 chuyên viên  về khoa học vật liệu.  Thomas Connelly là chánh chuyên viên sáng chế  của hảng DuPont ; ông đã xử lý các doanh vụ Kevlar và Teflon cho hảng này.  Ryan Dirkx, nhà khoa học vật liệu tính trạng đặc – solid state, phó chủ tịch  R&D ( Khảo cứu & Phát triển ) ở Arkema , đã họat động trên chất Plexiglas acrylic. Mark Dorisky là xử lý viên về kỷ thuật  các dạng trung gian tòan cầu – global intermediates, đã lảnh đạo sản xuất các khối xây dựng phân tử dùng để tạo ra những phân tử  nhiều mặt, tựa dây chuyền, tên gọi là polymers.  Nhà hóa học Greg Nelson  là chánh chuyên viên  kỹ thuật của hảng Eastman Chemical.  Chris  Pappas  là chủ tịch Styron, một hảng phát triễn  plastics, latex và cao su tổng hợp ( nhân tạo ). A.N. Sreeram  là phó chủ tịch  R&D  của ban  Vật liệu Tiên tiến – Advanced Materials  của hảng Dow, đã họat động ứng dụng các vật liệu mới cho ngành y tế và các ngành máy móc tự động. Ivan Amato, tác giả sách : Cái Ngữ : Vật liệu  làm ra Thế giới- Stuff : The Materials the World Is Made Of,  điều hòa buổi họp .

              Vậy chớ  Cách nào Khoa học Vật liệu  Thay đổi Thế giới Ngày nay ?

      A.N. Sreeram  cho rằng câu trả lời hay nhất  là nhìn vào điện tử cá nhân. Nhưng ngành khoa học  vật liệu  đã làm ra các sáng chế năng nổ  ở những nơi khác thuộc lãnh vực căn bản cực trọng hơn cho chúng ta,  tỉ như  chỗ ẩn nấp. 48% của dấu chân năng lượng Hoa Kỳ dùng để cho các không gian chúng ta sinh sống  được hâm nóng lên mùa đông và mát lạnh mùa hè. Chúng ta phải  bảo tồn  năng lượng này . Nếu chúng ta cách ly- cách nhiệt  tốt đẹp nhà cửa chúng ta, chúng ta đã  tiết kiệm được rất nhiều. Những sản phẩm như bảng polystyrene xanh dương, song song với các vật liệu khác để đóng kín các bệ ( bậu ) cửa sổ  nhà  chúng ta đã  giảm bớt mất mát, thóat ra đáng kể năng lượng từ nhà cửa chúng ta.        

 Theo Chris Papaas, dân gian nghĩ là sáng chế tạo ra những điều mới mẽ. Nhưng nếu bạn lấy  những phân tử căn bản  và xếp đặt chúng  theo một cách đứng đắn, bạn đã làm ra  rất nhiều với những gì đã có. Bạn có thể  áp dụng điểm này vào một cái gì, tỉ như lốp ô tô : bạn có thể thay đổi các đặc tính vật lý học  của cao su  để cho lốp xe có thêm khả năng quay tròn, không bị mòn- wear lốp làm mất, không bị  mất vì ẩm ướt ăn chặc – wet grip. Nay đã có một lọai cao su tên gọi là  cao su  styrene butadiene hòa tan, ăn chặc được tốt đẹp khi trời mưa  nhưng lại không bị mòn  mau lẹ. Lốp xe của những công ty chung sức với chúng tôi  hiện đang  họat động hầu cải thiện số xăng cho dặm đường đi – gas mileage đến 10%, chỉ duy nhất bằng cách thay các lốp xe, vì lẽ  các lốp xe này  quay chạy với kháng cự ít hơn.

Theo Mark Doriski , song song với những dòng vừa kể, chúng tôi có một chất dầu nhớt- nhờn – bôi trơn  tổng hợp, tên gọi là SpectraSyn Elite , giúp chúng tôi cải thiện hiệu năng nhiên liệu cả ở nhiệt độ thấp, tỉ như khi bạn  mở máy đầu tiên trên bất cứ máy nào (chẳng hạn trên ô tô ), lẫn ở nhiệt độ cao. Nếu bạn lấy tòan thể xe ở Hoa Kỳ, nghĩa là hơn  200 triệu ô tô, và hóan chuyễn 1/3 số xe này từ dầu nhớt qui ước qua dầu tổng hợp, bạn sẽ lợi- tiết kiệm hơn 2% hiệu năng nhiên liệu. Như vậy bạn sẽ tiết kiệm được khỏang chừng 4 tỉ  lít (hay 1 tỉ ga lông gần 4 lít ) xăng mỗi năm ở Hoa Kỳ.Tương tự bạn bớt đi 1.5 triệu ô tô chạy trên đường xá.

Greg Nelson nói :  một phòng sạch ( ít bụi bặm,  một môi trường ít vi trùng  nơi các chip computer  và các điện tử khác   được chế tạo )  là  chứa đầy  nhóc các linh kiện để đẩy không khí  qua các máy lọc  kỳ cọ không khí . Những ứng dụng này  đòi hỏi hơn 99.97%   mọi  hạt tử - particles  lớn hơn  0.3 micron ( 1/100 000 ngón Anh – inch ) phải được lấy đi. Như vậy có thể sử dụng nhiều năng lượng. Một kỷ thuật mới gọi là sợi micrô – microfiber   đang được thương mãi hóa , giúp chúng ta  làm được lọc cao hiệu năng hơn ở nhiều hệ thống này và luôn thể tiết kiệm năng lượng .

 Còn Ryan Dirkx cho biết là chúng ta đã có một polymer căn cứ trên dầu thực vật tự làm lành – self healing. Bạn có thể cắt vật liệu này và đặt chúng với nhau, và chúng sẽ trở lui lại  có 100%  sức mạnh nguyên thủy trong vòng 2 hay 3 phút. Tiềm năng ứng dụng  cho các vật liệu tự làm lành gồm có dây đai chuyền- conveyor belts ,  các hấp thu sốc – shock absorbers , chất dính , sơn  và nhựa đường -  asphalts

Kỹ thuật  nanô tiến tới đâu rồi ? ( tiếp theo bài 20 điều về kỷ thuật nanô đã lên mạng Blogs The Gift tháng 11 năm 1010 )

Vào thập niên 1990s,  phát minh các  xy lanh carbon kích thước nguyên tử tên gọi là các ống nanô- nanôtubes carbon thuyết phục nhiều nhà khoa học là kỷ thuật nanô chế tạo ra những vật liệu theo mức phân tử, đã sẳn sàng để cách mạng vi tính – computing, y khoa và nhiều lảnh vực khác. 20 năm sau, vẫn chưa có các rôbốt kính hiển vi làm lành được bên trong thân thể chúng ta, nhưng vài linh kiện điện tử nanô cũng đã sẳn sàng để tung ra thị trường, và nhiều ứng dụng suy đóan có vẽ hợp lý, đáng tin :         

       *  Găng tay Phát điện- Generator Glove : nhà vật lý học David Carroll, viện đại học Wake Forest  đã phát triển  vải căn bản ống nanô – nanotube-base fabric, tên gọi là Power Felt – Nỉ Điện , tao ra một điện thế, chẳng hạn từ  khác biệt nhiệt độ giữa điện thọai của bạn và bàn tay bạn. Nhiệt lượng về một phía vật liệu làm các electrons di chuyễn, rồi chúng sẽ chậm dần và tích lũy ở phía mát lạnh hơn, tạo ra một điện thế. Trên những kiểu mẩu đầu tiên của Carroll, các mẩu vải Nỉ Điện – Power Felt  có thể sạc một phần các điện thọai tế bào và đèn pin – flashlight.  Carroll  ước tính là vải nỉ này có thể thị trường hóa trong vòng một năm tới .

    * Bọt biển  Dầu chảy lan tràn – Oil Spill Sponge:  Joseph Wang, kỷ sư nanô ở Viện đại học UC San Diego, bang Ca li – Hoa Kỳ,  đang cố làm  nhiều lọai máy nanô. Máy mới nhất là “tàu ngầm- submarine” hình xy lanh, kích thước chừng một hồng huyết cầu ( tế báo máu đỏ ), làm bằng  vàng kim, nickel, bạch kim – platinum  và một polymer, có thể  hút - thu thập các giọt dầu nhỏ trong nước. Những đàn “ tàu ngầm –subs” này  có khả năng thu thập 10 lần hơn chính khả năng mình, có cơ giúp làm sạch hẳn các dầu chảy tràn lan.

    *  Chất liệu Tinh khôn ( thông minh ) -Smart Matters:  Ứng dụng cuối cùng của kỹ thuật nanô có thể là chất liệu lập trình được - programmable matter, một chất có thể thay đổi hình dạng, màu sắc  hay các tính trạng khác theo yêu cầu. Một thu thập các hạt tử chứa computers kích thước nanô để điều hòa phối hợp những biến đổi này, theo lý thuyết áp dụng được trên bất cứ hình dạng nào. Daniela Rus, nhà khoa học robot, viện đại học MIT, đã tạo ra một kiểu mẩu đầu tiên cho những linh kiện như thế. Những khối “ sạn tinh khôn – smart pebbles” của bà dày 1cm, làm bằng một vi xử lý – microprocessor và các nam châm điện – electromagnets, có thể dò ra hình dáng một vật thể làm bằng những khối khác và nối nhau để sao chép chúng. Rus còn phát triễn ra những sợi gương- fiberglass lập trình được, có thể tự xếp lại thành nhiều hình dạng khác nhau, gồm luôn  cả một máy bay  cở nhỏ ( hình kèm ) .

     Các nhà khoa học nanô Việt Nam nghĩ sao và đang làm gì ở nước nhà và hải ngọai ? 

         Thách thức kế tiếp lớn cho  ngành công nghệ hóa học là gì đây ?  

     Thomas Connelly nói:  cần  làm xe hơi nhỏ bé hơn.  Tôi – Connnely tin rằng xe hơi điện có một tương lai sán lạn, nhưng chúng ta phải tìm cách  tiến tới các vật liệu mới – cho động cơ, cho tồn trử năng lượng, những  linh kiện đổi điện, và cho máy đổi điện- inverter  điện một chiều - direct current ( DC ) thành điện xoay chiều – alternating current ( AC ) và lẽ dĩ nhiên chúng ta phải lấy bớt cân lượng xe hơi đi.  Không có những sáng chế như vậy và những vật liệu giúp chế tạo  chúng, chúng ta sẽ không đủ khả năng đạt những mục tiêu năng lượng chúng ta đề ra. Đó là một thách thức to lớn.

    Pappas cho là  thắp sáng LED  là một vấn đề  khoa học vật liệu chánh yếu: phổ biến  ánh sáng thật là hửu hiệu năng lượng từ LEDs, xuyên qua các vật liệu có những đặc tính quang học  chính chắn, hầu cung cấp  lọai ánh sáng chúng ta cần; đặt những thành phần  này trong một vật liệu  có những đặc tính lý học đúng cho ảnh hưởng; giải quyết việc mòn – wear , không làm vàng đi, và v.v… Ánh sáng LED  là một kỷ thuật đang trổi dậy, nơi khoa học vật liệu đang khởi sự đóng một vài trò lớn,  hòan tất một điều gì đó  cho xã hội và giảm bớt sử dụng và  phí tổn năng lượng.

    Theo Dirkx, một thách thức khác là phế thải.  Khi chúng ta  bắt đầu họa kiểu vật liệu, chúng ta phải họa kiểu tái chủ định, tái dụng.  Chúng ta sẽ phải họa kiểu một vật liệu khác hẳn, nếu chúng ta có trong óc nảo 3 hay 4 điều kế tiếp , sẽ có  trong đời sống chúng sau đó . Hãy  lấy trường hợp các mô đun – modules quang điện. Thật là đồ  sộ, nếu vào đời sống thứ ba hay thứ tư , chúng trở thành các bao đổ rác, đổ phế thải.

    Nelson nói là đúng vậy, thách thức chánh là kéo dài thêm đời sống của một sản phẩm bằng cách  làm nó bền vững hơn và sử dụng nó có một lối mòn  cuối đời.  Khi chúng ta nhận lời thách đố này. chúng ta sẽ có nhiều chỗ đứng  hơn cho các nhà tiêu thụ mới,  đang đến với các thị trường trổi dậy bước vào giới trung lưu  và là một thành phần giới này. Nếu chúng ta không nhận lời thách đố, thì sẽ có một thế giới  khó sinh sống hơn, vì không có chỗ đứng cho  tất cả mọi người, sử dụng năng lượng theo cách thức chúng ta sử dụng ngày nay .

                  Vậy chớ đột khởi nào đang ở góc đường đây ? 

      Theo Pappas,  một đột khởi này  là các ống nanô carbon  đã nói trên, có những đặc tính  vật liệu và điện  hấp dẫn. Nhưng chúng đã đuợc sản xuất thành những bó rối lung tung beng  và tách riêng rẻ chúng theo phương cách  có thể sử dụng được,  lại có năng xuất  qúa thấp kém, chừng 2 , 3 hay 4% mà thôi.  Phần còn lại đều là phế thải – waste.  Đúng là một phí tổn qúa cao.  Tách riêng rẽ chúng với năng xuất cao, sẽ thay đổi trò chơi.  Ngay nay , hiện có những kỷ thuật gần kề thương mãi hóa mà tôi, Pappas, nghĩ rằng sẽ là con đường dài tiến tới  giải quyết vấn đề.  Rồi bạn sẽ thấy gía cả các ống nanô hạ thấp,  đủ để chúng hội nhập cho những sử dụng hằng ngày-có lẽ là lốp xe chăng? - tăng thêm  bền vững dài lâu.

         Nelson cho rằng nguồn lớn nhất  năng lượng mới 30 năm tới sẽ là tiết kiệm năng lượng: năng lượng chúng ta sử dụng bây giờ  sẽ được tiế tkiệm,  nhờ  làm chúng hửu hiệu hơn . Sáng chế  thật sự sẽ xảy ra ở đây rồi .

        Connelly nói là đang có một  thay đổi căn bản  trên phương thức sinh học ảnh hưởng tới khoa học vật liệu  ( xem bài  các máy móc sinh học  bừng dậy cuối bài này ).  Bạn hãy nhìn xem  khả năng làm công nghệ  tạo ra các  sinh vật- engineer organism sản xuất  một lọat dàn trải rộng vật liệu  ở nhiệt độ bình thường, áp xuất  khí quyễn , môi trường  nước mà không có  các kim loại  xa lạ - và điều này sẽ ảnh hưởng cơ bản cách thức chúng ta chế tạo vật liệu trong tương lai. Thêm vào đó  tính cách đặc thù tuyệt diệu  của sinh học giúp chúng ta sản xuất vật liệu phí tổn hửu hiệu hơn là tiến trình  hóa học nhiệt – thermochemical processing  qui ước, và để sản xuất những vật liệu mà chúng ta không thể đơn giản chế tạo ra  bằng cách làm xúc tác – catalysis qui ước. Đây là một thay đổi thật sự gây ra biến đổi, và việc này đang xảy ra ngay bây giờ.

          Các máy móc sinh học đang bừng dậy

    Phí tổn làm trình tự gen (es)  mỗi ngày mỗi gia giảm , không những chỉ cách mạng ngành sinh học.  Nó cũng cung cấp cho các kỷ sư  những dụng cụ để thao tác những chức năng thiên nhiên của sinh vật, theo những phương cách  không tưởng tượng nổi cách đây 10 năm, mở toang những nguồn giàu có của vật liệu mới căn bản sinh học. Hai sáng chế tuyên bố năm nay 2012, minh họa  tiềm năng các vật liệu này cho máy phát điện mang theo được và vi tính- computing cao tốc.

·         Những bình điện – ác quy virus: Seung-wuk Lee, một kỹ sư sinh học viện đại học UC Berkeley, Bắc bang Ca Li, đã tìm thấy một virus tên gọi là M13 là một máy phát điện thiên nhiên,  phản ứng với di động  ( tỉ như  một đập nhẹ bàn chân hay tiếng tim đập ) bằng cách xây đắp  một sạc – charge điện.  Khi một phim mỏng thín  của M13  công nghệ hóa bị kẹp kiểu bánh mì  giữa hai điện cực và bị làm căng thẳng cơ học,  nó tạo ra điện  tương đương một phần tư  pin ( bình điện ) AAA, đủ để thắp sáng  một màn hình nhỏ LCD ( xem hình ).  Vá víu di truyền thêm  protein( s ) virus này, Lee tin tưởng rằng ông có thể gây nên một sạc điện 20 lần mạnh hơn. Lee nói: “ vật liệu virus này,  ngày nào đó, có thể cấy vào được trong thân thể chúng ta, vì chưng virus này không  độc hại gì cho con người cả. Rồi  tim đập của bạn có thể biến thành điện đó”.  Ông tiên đóan  là các máy phát điện căn bản là virus  cấy vào người,  sẽ có thể là nguồn  năng lượng vĩnh viễn cho máy trợ thính – hearing aids và các điện thọai tế bào .  Những kỷ thuật này có thể  sống còn thương mãi  trong vòng 10 năm nữa, theo  lời kiên quyết của Lee.

·           Những computer thận: tại Viện Kỹ thuật liên bang Thụy Sỉ  ở thành phố Zurich , một nhóm do kỷ sư sinh học  Martin Fussenegger lảnh đạo, đã làm công nghệ hóa các tế bào con người  để thực thi những phép tính nhị nguyên – binary calculations   căn bản của computing. Fussenegger đã tạo  ra máy tính sinh học bằng  cách công nghệ hóa một tế bào thận phôi thai, phản ứng trên hai hóa chất khác nhau : chất erythromycin ( một thuốc kháng sinh )  và chất phloretin( một  hợp chất tìm thấy  trên cây táo tây – cây pom) . Các tế bào phản ứng  với các “ nhập liệu – inputs”  bằng cách lòe sáng – glowing  màu đỏ hay màu xanh lục – tương đương các con số 1 và  zero( số không ) . Các mạch vòng hửu cơ, ngày nào đó,  sẽ được sử dụng như thể chính là máy computers .  Đáng tò mò hơn nữa , chúng có thể đặt nằm  trong thân thể chúng ta để thực hiện một lọat chức năng y khoa. Chẳng hạn,  Fusenegger tưởng tượng ra  những mạch vòng sinh học có đủ phức tạp để sử dụng các proteins  liên hệ đến bệnh tật, như thể là nhập liệu. Các mạch vòng này có thể giải tỏa insulin  hay các hợp chất chửa bệnh khác, mỗi khi chúng dò ra điều kiện y khoa liên quan.   

         

                 ( Irvine , Nam Ca Li , ngày 10 tháng 8 năm 2012 )