Tiến bộ ở ngành khoa học vật liệu thế giới

Thế giới vật liệu, vật chất : ( Việt Nam đã đến giai đọan nào ? )

Tương lai còn xa của cái ngữ vật liệu thông minh , an tòan , mạnh mẽ hơn

G S Tôn Thất Trình

Tiến bộ ở ngành khoa học vật liệu thế giới

Hacking  tổng hành dinh FBI's, tòa nhà cũ nhưng các vật liệu mới  

Khoa học vật liệu đã là cội rễ của tiến bộ vật chất, thật ra là của mọi tiến bộ, quá lâu ngày đến nổi chúng ta hầu như muốn quên và để lại đằng sau góp phần của khoa học này.  Thời đại Đồ Đá –  the Stone Age, Thời đại Đồng Thau- the Bronze Age , Thời đại Sắt- the Iron Age: tất cả đều được định nghĩa  bằng những cải thiện đáng kinh ngạc  cách nào chúng ta chế tạo và thao tác  những vật thể hằng ngày, từ những đầu búa nhọn hoắc hơn đẽo đá cứng  đến hợp kim aluminium – nhom cho  các cánh máy bay nhẹ hơn. Nhưng ngày nay, vào Thời đại Silicon, có phải tiến bộ  chỉ là thao tác các số một ( 1s ) và số không – zero ?

Câu trả lời vang rền là không – no. Vật liệu còn đáng chú tâm ngày nay hơn bao giờ hết và đó là lý do tại sao nguyệt báo Khoa Học Phổ Thông – Popular Science ( Hoa Kỳ ) lại dành phần lớn số tháng 11 / 2012  cho chúng . Tại các la bô khắp thế giới, các nhà khoa học đang họat động  nặng nhọc tạo dựng nền tảng cho các sản phẩm ngày mai:  từ sơn phết siêu mềm dịu đẩy lui mọi điều  nước đông đá- ice ( trên các cánh máy bay nhẹ cân ) chí đến Cầu Trùng Vàng Staphylococcus  aureus (   ở các bệnh viện đầy rẫy mầm bệnh ); các vật liệu tự điều chỉnh làm thay đổi các đặc tính  với nhiệt độ hay pH; và các phim áp điện -  piezoelectrixc films  chụp bắt các năng lượng phế thải, ngay cả thành ra những vật liệu thông minh khác, đặt năng lượng  vào những sử dụng hửu hiệu hơn. Khi các kỷ sư chứng minh những vật liệu này trong các la bô thử nghiệm và hội nhập chúng vào những họa kiểu nâng thêm những khả năng mới, mọi điều thảy đều sẳn sàng cho cải thiện, từ các bộ áo không gian hầu đi thám hiểm không gian giữa các hành tinh đến  các lò phản ứng hạt nhân.

Thật tế, Định luật Moore, trọng tâm tín điều Thời Đại Silicon, mô tả  một nguyên tắc không phải là khoa học dữ liệu  mà là khoa học vật liệu –cứ mỗi 18 tháng là  chúng ta sẽ tìm ra cách  nhồi nhét  hai lần nhiều bộ phận hơn vào chip đã hửu hạn.  Thế cho nên các vật liệu tốt hơn  sẽ làm ra các máy computer tốt hơn, rồi các máy này  giúp chúng ta họa thêm kiểu các vật liệu tốt hơn. Sau gần 2 triệu năm tiến bộ ở ngành khoa học vật liệu, chúng ta cũng vẫn còn chỉ mới bắt đầu tiến bước.  

Các cột mốc về  chất liệu: từ sắt đến siêu dẫn, những thành công lớn của vật liệu

28000 năm trước Công Nguyên - CN: con người thời kỳ đồ đá cũ- paleolithic , nung lữa những  hình vật men gốm từ đất sét, cho thấy  năng khiếu sớm sủa  chế biến vật liệu. 

5000 năm trước CN: Dân gian  gần Thổ nhĩ Kỳ cận đại học hỏi là không những họ trích chiết chất lỏng đồng – copper được từ đá malachite và azurite , mà còn đổ khuôn ra thành nhiều  lọai hình dáng khác nhau .

3000 năm trước CN:  các thợ kim lọai ở  các xứ Syria và Thổ nhĩ Kỳ cận đại tạo ra đồng thau – bronze- một trong những hợp kim đầu tiên – bằng cách thêm quặng thiếc –tin ore vào quặng đồng.

2500 trước CN: Dân Ai Cập cỗ xưa làm các chuổi hạt gương- glass beads, những thí dụ biết được sớm nhất của vật liệu. 2400 năm sau , gương được thổi vào các tàu thủy không thấm nước.

2000 năm trước CN:  Dân gian xứ Anatolia và Ba Tư - Persia bắt đầu sản xuất sắt từ các quặng sắt.

Năm 1750:  Anh Quốc cấp môn bài chất gắn keo – glue patent đầu tiên, một chất dính – adhesive  làm ra từ cá.  Những thác đổ  chất gắn keo thiên nhiên hay tổng hợp theo chân dính chặc  này.

Năm 1750: Kỹ sư Anh John Smeaton sáng chế ra bê tông – concrete khi tìm kiếm một vật liệu nước không làm thoái hóa.

Năm 1839: Charles Goodyear  đổ chất gôm vào một  lò sấy nóng hổi, khám phá  ra lưu hóa- vulcanisation ( cao su) và cuối cùng là cao su chịu mưa nắng – weatherproof rubber.

Năm 1856: Henry Bessemer  làm môn bài một tiến trình để nung chảy  sắt ít carbon  thành thép phẩm giá cao hơn  có thể sản xuất số lượng lớn – đại trà.

Cũng năm 1856: Nhà hóa học Anh Alexander Parkes, được cấp môn bài  làm ra chất nhựa dẽo –plastic tổng hợp đầu tiên, thóat thai từ  bông vải – cotton hay celluloz gỗ.

Năm 1934: một nhóm do Wallace Hume Carothers lảnh đạo,  kéo những dây sợi nylon, lọai sợi tổng hợp đầu tiên, từ những ống thử nghiệm. Thọat tiên dùng làm lông bàn chải đánh răng.

Năm 1935:  Louis Minsk của hảng Eastman Koda phát triễn một polymer cho một mô hình đầu tiên kháng quang – photoresist,  có khả năng chuyễn qua một  chất nền, giúp  chế tạo  các bán dẫn – semiconductors.

Năm 1938: trong khi  khảo cứu những chất làm lạnh, ở hảng DuPont, nhà  hóa học Roy Plunkett khám phá ra một  mẩu  đang polymer- hóa . Thành quả: Teflon  không dính và kháng nhiệt lượng.

Năm 1958: ở hảng Texas Instruments, Jack Kilby  xây dựng  một mạch vòng hội nhập –integrated  circuit đầu tiên còn có tên là  mạch vòng vi tiểu – microcircuit , bằng cách phối hợp những tụ điện – capacitors, điện trở -resistors điods  và transistors thành một lát mỏng germanium.

Cũng năm 1958:  nhà vật lý học Roger Bacon,  làm ra những sợi graphit  dài 2.54 cm , thúc đẩy ông tạo ra những sợi carbon  hiệu năng cao  cũng cố  máy bay và hỏa tiễn ( tên lữa ).

Năm 1962: kỷ sư điện Nick Holonyak Jr. sáng chế ra điod phát ánh sáng  quang phổ ánh sáng mắt nhìn được LED – visible spectrum  light emitting diod. Ánh sáng đỏ nhảy vọt từ máy tính – calculators đến các dấu hiệu giao thông và bảng dán thông cáo – yết thị .

Năm 1964:  nhà khoa học Stephanie Kwolek , của hảng  DuPont , tạo ra những  polymer  cứng đờ, mạnh mẽ đưa tới Kevlar đạn bắn không thủng.

Năm 1970: các nhà khảo cứu hảng Corning sản xuất ra sợi  quang gương  với rất ít mất mát ánh sáng, làm cho  viễn thông và Internet có thể thực hiện được.

Năm 1977: các nhà hóa học  phát triễn các polymers hửu cơ có thể dẫn điện,  đặt nền tảng cho  OLED(s) các điôđ phát ánh sáng hửu cơ – organic light emitting diods.

Năm 1985:  các nhà khảo cứu khám phá những phân tử carbon 60 nguyên tử  hết sức ổn định trông tựa những vòm trắc địa – geodesic dome .  Họ gọi chúng là banh nhảy chồm- bucky balls, dựa theo tên của kiến trúc sư R. Buckminster Fuller.

Năm 1986: một nhóm ở hảng IBM chế tạo một men gốm  dẫn diện ở nhiệt độ rất cao , thúc đẩy một cuộc chạy đua  để khám phá  các siêu dẫn – superconductors còn nóng hơn nữa .

Năm 1991: một nhà khoa học Nhật tìm thấy  các ống nanô carbon, được kính nể  nhờ những đặc tính cơ học cao siêu của chúng.

Năm 1997: một nhà thực vật học Đức mô tả  các đặc tính tự làm sạch của lá sen, đẩy mạnh  đi vào một thời kỳ  các vật liệu siêu tính kỵ nước- super hydrophobic materials .

Năm 2000: các nhà vật liệu chứng minh vật liệu mêta có thể thao tác các phóng xạ điện từ - electromagnetic radiation , mở toang  cách tìm kiếm  áo chòang tàng hình.

Năm 2004: các nhà khoa học dùng  băng dính cô lập graphene  khỏi graphite . Những tấm  carbon chỉ dày có một nguyên tử  là vật liệu mỏng nhất và mạnh mẽ nhất  biết được và đồng thời cũng là một dẫn diện  kiệt xuất .

Năm 2007: bằng cách nhập sức làm dính của tắc kè – geckos và trai sò – mussel, các nhà khoa học viện đại học Northwestern phát triễn  một chất dính  họat động tốt ở cả hai điều kiện  khô và ẩm ướt.

Vài vật liệu tân tiến hiện hữu và 5- 10 năm tới( ?) trên thế giới

Cấy tơ nhện. Các mô – tissues con người rách quá dễ dàng . Và tơ nhện  lại mạnh mẽ hơn cả thép nữa . Thế cho nên ở bang Utah,  các nhà khảo cứu đang quay tơ nhện  thành một chất liệu  dùng để sửa chửa vai và đầu gối bị hư hại. Họ gầy giống nuôi những con dê chuyễn gen – transgenic goats sản xuất những thể tích lớn protein tơ nhện, quay những tơ này thành dảnh dây -strand và bện dây thành sợi. Những dây sợi duy trì độ duỗi căng,  nhưng mạnh 100 lần hơn dây chằng con người  và 20 lầnmạnh hơn gân- tendon .  Tơ nhện cũng có thể  làm cho những  ghép -tháp xương ít dễ vỡ- giòn hơn, theo lời Markus Buehler, người phối hợp các proteins  tơ nhện với collagen ở đại học MIT. Cả hai nhóm ước lượng là cấy – implants tơ nhện có thể được chấp thuận dùng cho con người vào năm 2030.

Da Điện tử . 

Da không phải chỉ để bảo vệ thân thể, mà còn để chuyễn đi các cảm gíác. Bằng cách làm cho  điện tử - electronics trở nên mềm mại và nạc như thịt , các kỷ sư đã tìm thấy  cách chế tạo da nhân tạo  bao phủ các mối tháp  và phục hình – prosthetics cũng cảm giác được vài điều.  Các nhà khảo cứu ở Viện đại học Illinois đã tạo ra những mạch vòng mỏng thín và  dễ uốn, đủ để bao phủ  một đầu ngón tay, nơi chúng biến áp lực thành những dấu hiệu điện.  Một chất gel  phát triễn ở đại học Stanford , có khả năng tồn trữ điện,  có thể  thành một bình điện vô không được. Và Carmel Majidi thuộc viện Carnegie Mellon đang cố gắng biến cao su thành những máy cảm dò – sensors áp lực và cọ xát.  Ông đạt nó nằm trong  những kênh  kim lọai lỏng, sẽ đổi tính chất dẫn điện  khi chất lỏng di chuyễn. Da điện tử  có thể ích lợi cho nhũng sinh vật không là con người.  Phương thức làm công nghệ này có thể  có tiềm năng làm rôbốt và náy móc giống nhiều dạng đời sống hơn.

Lò Hạt nhân An tòan hơn . 104  nhà máy điện hạt nhân  hơn của Hoa Kỳ dựa vào thép cho nhiều bộ phận của Lò , kể cả các bình áp lực chứa uranium. Nhưng  cũng có thể xẩy ra là  các lọat  phóng xạ  tới tấp đều đặn có thể làm thép thoái hóa, làm  bình thép  nứt nẻ. Các nhà khảo cứu ở Caltech và La bô Quốc gia ( Hoa Kỳ )  Los Alamos đã chế tạp những composites nanô cán thành phiến ( thành lá ), những vật liệu   tốt hơn có cơ  xây dựng những lò tương lai, không bị tai họa. Các tiếp hợp – bề mặt chung  các lớp kim lọai giữa các composites, hấp thu  các khuyết điểm  phóng xạ cảm ứng ra làm cho vật liệu   bị phóng xạ trở nên dễ vỡ. Trong tương lai gần, các phiến có thể hội nhập vào thép thay đổi các bộ phận già nua ở các nhà máy hiện hửu, theo lời kỷ sư Caltech Julia Greer.  Các vật liệu phi thuyền không gian  cũng có thể sơn phủ bằng  các tấm phiến cán nanô này, bảo đảm an tòan cho phi thuyền chống lại các phóng xạ vũ trụ - cosmic radiation ở không gian sâu vời vợi.

Pannen  mặt trời tìm kiếm nhiệt lượng.  Tương tự hoa hướng dương nghiêng về phía ánh sáng, các pannen mặt trời  có thể tăng thêm năng sản xuất năng lượng bằng cách xoay quanh theo mặt trời di chuyễn. Nhưng  xoay cũng đòi hỏi năng lượng.  Hongrui Jiang , một  kỷ sư tại Viện đại học Wuscosin - thành phố Madison, nói : “  Không có bao nhiêu vật liệu  có thể phản ứng với  ánh sáng mặt trời đồng thời cũng phản ứng cơ học nữa.  Jiang phát triễn một vật liệu  có thể  thụ động  thay đổi  nền móng- đáy của một bố trí mặt trời .  Ông phối hợp những ống nanô carbon, hấp thu ánh sáng mặt trời, nhờ một elastomer tinh thể lỏng – liquid crystalline( LCE )  co lại khi nó nóng lên. Khi năng lượng mặt trời  hâm nóng một  bên đáy, LCE co rút lại, làm cho pannen mặt trời nghiêng về phía mặt trời; khi phía này  đi vào bóng râm, LCE nguội đi và trở lại bề cao nguyên thủy.  Thử nghiệm ngòai đồng cho thấy là hệ thống tăng thêm hửu hiệu các pannen mặt trời  trung bình chừng 10% .

Bệnh viện sạch mầm bệnh. 

Lây nhiễm vi khuẩn ở các bệnh viện Hoa Kỳ giết mỗi năm khỏang100 000 người. Nhân viên phải luôn luôn  khử trùng  các bề mặt để chận đứng chúng lan tràn. Một vật liệu  một la bô Harvard làm tiền phong có thể ngăn cản các sinh vật sinh trưởng ở thiết bị y khoa, tỉ như ống thông – catheter; vật liệu trơn trượt đến nổi vi khuẩn không còn dính vào đó được nữa.  Căn cứ trên kỷ thuật SLIPS ( slippery liquid infused porous surfaces- các bề mặt xốp thấm đầy chất lỏng trơn trượt ).  Nó  tác dụng đòn bẩy giống như một cơ chế làm cho các sâu bọ trượt rơi ở cây giao bóng chày. Các lỗ nanô làm cơ cấu cho nền móng đặc, tỉ như Teflon hay kim lọai, mồi lên một chất dầu bôi trơn  siêu mềm dịu. Mọi điều gì khác, gồm luôn mầm bệnh, đơn giản trượt ra khỏi  chất lỏng phết sơn. Nhà khoa học vật liệu Harvard Tak Sing Wong nói rằng SLIPS  có một ảnh hưởng tương tự trên bụi bặm , nước đá , và hình vẽ trên tường – graffiti, khiến chúng có tiềm năng ích lợi cho  nhiều công nghệ hơn nữa.

Máy bay cánh dơi hay ngỗng trục – pivot giữa trời . 

Ngày nay máy bay vẫn chưa gần kề mức lanh lẹ  và chúnh xác của nhũng sinh vật biết bay giỏi nhất của thiên nhiên.  Dơi - bats khác hẳn các sinh vật khác và cũng khác đa số vật liệu công nghệ là vì chúng  có cánh rất dễ uốn  giúp  chúng có  những đặc tính khí động lực học – aerodynamics đáng lưu ý, theo lời Kenny Breuer nhà kỷ sư cơ khí thuộc viện đại học Brown University.  Các nhà khảo cứu  viện đại học Syracuse đã tạo ra một  vật liệu phẩm giá tương đương. : dây chuyền polymer xếp đuôi nhau làm chúng trở nên cứng đờ và ổn định  ở một chiều hướng , nhưng lại 12 lần  đàn hồi – mềm dẽo  hơn ở chiều hướng kia. Trong 5- 10 năm tới, một vật liệu như vậy  sẽ giúp cho cánh máy bay không người lái vỗ cánh  bằng cách nới rộng hay co rút lại, và như thế sẽ giúp cho máy bay  bay ở tốc độ  chậm  và ngõng- xoay ngược lại trục  đích xác ở những nhiệm vụ giám sát.

Khai thác năng lượng bạn hay những đôi giày chạy điện .  Các kỷ sư đã chuyễn hóa độ căng thẳng cơ học  thành điện, sử dụng những linh kiện  áp điện- piezoelectric devices đã hơn 100 năm rồi, nhưng mục tiêu  chạy điện một iPod  bằng cách đập mạnh vào lề đường  vẫn còn lẫn tránh xa.  Các vật liệu áp điện hiện hửu rất khó chế tạo và điển hình chứa đựng các kim lọai độc hại  tỉ như kền – nickel và chì- lead. Các nhà khảo cứu ở La bô  Quốc Gia ( Hoa Kỳ ) Lawrence Berkeley đã giải quyết cả hai vấn đề  bằng cách dùng virus công nghệ di truyền, tự ráp thành một phim. Khi đặt áp xuất, các proteins xoắn ốc của vỏ  virus,  bện -cuộn và quay đầu lại  tạo ra một điện tích – charge . Khai thác một bộ sưu tập kích thước một tem bưu điện sản xuất ra 400 millivots điện, hay đủ để chạy  ngắn ngủi một màn hình LCD. Trong vòng 5- 10 năm tới, theo lời  kỷ sư sinh học Seung-wuk Lee, phim có thể  được sử dụng để khai thác điện từ những  dao động -lúc lắc xây cất, các nhịp tim đập và các di động khác nữa.

Computers tự sửa chữa lấy. 

Các mạch vòng hội nhập  có thể giúp làm thành thời đại kỷ thuật số - the digital age , nhưng chúng vẫn còn bị  một giới hạn lớn:  hư hỏng lý học. Một lớp sơn phủ mới viện đại học Illinois phát triễn sẽ có khả năng đem lại sự sống cho một mạch vòng chết đứng, chỉ trong vòng một milligiây- millisecond, ngay cả khi bạn dùng một dao X-Acto  để xắt lát nó, theo lời kỷ sư Nancy Sottos. Nhóm của bà  phủ một lớp sơn dây vàng kim với những cáp xun- capsules  nhìn được ở kính hiển vi  kim lọai lỏng. Khi dây táp, cáp sun nứt toang và kim loại chảy đầy chỗ nứt, tái lập sức dẫn điện. Trong 5- 10 năm tới, những lớp sơn phủ  tự làm lành lấy mình tương tự, có thể bao phủ những dây dợ nối liền các bộ phận của bảng mạch vòng. Sottos nói: như vậy giúp cho hầu như mọi computers hay đồ gá nào khả năng tự sửa chửa .

Áo quần thông minh.  Mặc áo quần khác biệt, ai đó có thể sửa sọan trải nắng, mưa hay lạnh lẻo, nhưng từ trước đến nay, chưa có áo sơ mi hay quần dài  thích hợp một cách thông minh với môi trường. Anna Balazs, một kỷ sư viện đại học Pittburgh, nói là hai thập niên tới “ áo quần bạn  có thể  suy nghĩ thay cho bạn”.  Một vật liệu phát triễn ở Pitt và Harvard có thể điều hòa nhiệt độ mình, giữ chúng ở  một tầm nào đó.  Một vòng thắt phản hồi hóa học và cơ học  trong các lớp nó, chuyễn một phản ứng sản xuất nhiệt tắt và mở  đúng theo những độ đã lập trình trước. Một chiến lược y hệt cũng có thể được sử dụng  chế tạo vật liệu  tự điều hòa lấy mình, phản ứng với những kích thích khác, tỉ như  pH, ánh sáng hay glucose- có nghĩa đó là ống nước, cửa sổ , hay các linh kiện y khoa  cũng có thể thông minh như thế.

 Áo giáp không lọt qua nổi.  “ Ở nhiều lảnh vực khoa học vật liệu, chúng ta đã đạt đến mức tốt nhất  có thể làm được  nhờ các  kỷ thuật  công nghệ” theo lời kỷ sư  Viện đại học McGill  Francois Barthelat .” tôi nghĩ rằng thiên nhiên  có nhiều kỷ xảo mới dạy cho chúng ta”.  Áo giáp ( nhung y)  bảo vệ  nhiều động vật biển  có đến 3000 lần bền bỉ hơn những vật liệu làm ra chúng. Bằng cách  sao chép cơ cấu vảy cá, Barthelat  phóng đại tương tự  độ bền bỉ của  của một  vật liệu composit. Các kỷ sư  Viện đại học Villanova nhét chặc  các tinh thể  men gốm- ceramic  của một hợp chất mềm hơn  ở những góc cạnh giống như ở vỏ ốc tù – conch shells. Vì lẽ các đường nứt ngòng nguèo  và kiệt sức dần thay vì  phá tan vật liệu, chúng  10 lần mạnh hơn  là căn bản men gốm. Tiến bộ như thế có thể cũng cố áo giáp  từ 3 đến 5 năm .

                             ( Irvine, Ca Li – Hoa Kỳ,  ngày 23 tháng 10 năm 2012 )