Đập cổ kính ra tìm lấy bóng
Xếp tàn y lại để dành hơi
(Vua Tự Đức?)
 

Không biết vua Tự Đức có phải là tác giả của hai câu thơ đối nhau rất chỉnh nầy hay không, nhưng nó toát lên một niềm man mác, bùi ngùi trước sự ra đi vĩnh viễn của một người phi rất được nhà vua sủng ái. Hai câu thơ dù ngắn nhưng tràn ngập sự lãng mạn, dạt dào thương tiếc mà mãi đến hơn 100 năm sau người ta mới có thể tìm lại được trong những vần thơ tình "Màu tím hoa sim" của Hữu Loan. Hãy để sự lãng mạn vào một không gian an bình ấm áp có những bàn tay thi văn ve vuốt, ta thử đặt "cổ kính" và "bóng hình" trong cách nhìn lạnh lùng của khoa học. Lòng thương nhớ biểu hiện bằng sự tưởng tượng của nhà vua trở thành một thử thách khoa học đáng suy ngẫm cho những kẻ hậu sinh, là có thật sự trong gương hiện ra hình bóng người yêu và có cần phải đập vỡ gương để tìm lấy bóng? Khoa học hiện đại có câu trả lời rất dứt khoát.

Cửa sổ "thông minh" và kính "thông minh", những cụm từ nghe lạ tai nhưng gợi lên không ít sự tò mò. Đây là loại cửa sổ lồng kính thủy tinh có thể biến đổi màu sắc gây bởi kích thích điện, quang, hay nhiệt. Một thí dụ là sự đổi màu của thủy tinh thường thấy ở các loại kính râm đeo mắt. Loại thủy tinh nầy được gọi là thủy tinh có sự đổi màu quang học (photochromism). Khi chế tạo người ta cho vào thủy tinh những tinh thể chloride bạc (silver chloride). Tinh thể nầy có khả năng hấp thụ tia tử ngoại (UV, ultraviolet) trong ánh sáng mặt trời làm đen kính khi ra nắng. Khi vào nhà, nguồn tử ngoại không còn kính trong suốt trở lại. Sự đổi màu của kính râm là một áp dụng dựa trên một nguyên lý đơn giản và nhờ vậy rất thông dụng.

Cửa sổ "thông minh" có mục đích làm giảm năng lượng tiêu dùng trong nhà. Kính cửa sổ có thể làm sẫm lại cho mùa hè để ngăn chận ánh sáng gay gắt của mặt trời. Kính sẽ được làm trong lại vào mùa đông để ánh sáng lọt vào tăng thêm sự ấm áp. Vì khả năng giảm thiểu năng lượng tiêu dùng rất cao (20 - 30 % vào mùa hè), nhu cầu cửa sổ "thông minh" cho các tòa nhà càng ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, loại kính đổi màu dùng cho kính râm không thích hợp cho ứng dụng nầy. Sự đổi màu của kính cần phải được điều chỉnh khi cần thiết bởi người dùng bằng cách thay đổi điện áp của một nguồn điện được gắn vào kính. Khái niệm "đổi màu điện học" (electrochromism) ra đời. Vật liệu chính cho ứng dụng nầy là các loại oxide của các kim loại chuyển tiếp (transition metals) trong bảng phân loại tuần hoàn mà điển hình là oxide của tungsten (ký hiệu hóa học: W). Oxide kim loại là những hợp chất vô cơ. Tungsten oxide, WO3, đã được khảo sát hơn 30 năm nay cho cửa sổ "thông minh". Một lớp mỏng WO3 được phủ lên kính thủy tinh bằng phương pháp bốc hơi chân không (vacuum evaporation) hay mạ phun (sputtering). Ngoài ra, những vật liệu hữu cơ như bypyridiums (vilogens) cũng cho đặc tính đổi màu điện học. Công ty Pilkington (Anh), một hãng sản xuất thủy tinh lớn nhất thế giới, đã tung ra thị trường cửa sổ "thông minh" dùng cho các tòa nhà vào năm 1998. Tuy nhiên, các loại cửa sổ nầy sử dụng oxide của kim loại chuyển tiếp (thí dụ: WO3) vẫn chưa đạt tiêu chuẩn và giá thành còn quá cao.

Cửa sổ "thông minh" là áp dụng dựa vào sự truyền xạ ánh sáng (light transmission). Ngoài ra, kính "thông minh" cũng có một áp dụng thú vị dựa trên căn bản phản xạ ánh sáng (light reflection), được dùng làm kính chiếu hậu cho những chiếc xe hơi sang trọng. Khi ánh sáng đèn pha của xe sau chiếu vào kính, kính sẽ tự động sẫm màu giảm thiểu ánh sáng làm chói mắt. Nguyên tắc cũng tương tự như các loại kính râm, nhưng các loại kính râm chỉ phản ứng với tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời, kính chiếu hậu "thông minh" cảm nhạy trong vùng ánh sáng thấy được.

Polymer dẫn điện (polymer có nối liên hợp) là vật liệu thứ ba có đặc tính đổi màu điện học. Áp dụng các loại polymer dẫn điện vào lĩnh vực nầy trở nên rất phổ cập, nhờ quá trình chế tạo đơn giản, thời gian ứng đáp đổi màu ngắn và tương phản màu sắc tốt. Tương tự như trong ứng dụng phát quang, polymer dẫn điện có một ưu thế là có thể thay đổi cấu trúc phân tử để hiển thị những màu sắc khác nhau.
 

I/ Nguyên tắc của sự điều chỉnh màu sắc

Cửa sổ đổi màu điện học thật ra là một bình điện giải có tiết diện rất to nhưng rất mỏng. Bình điện giải có hai cực và chất điện giải (Hình 1). Để làm cửa sổ "thông minh" bình điện giải đổi màu nhưng phải trong suốt để ánh sáng truyền qua. Ngược lại, kính chiếu hậu "thông minh" chỉ cần một điện cực trong suốt để tiếp nhận ánh sáng, điện cực kia sẽ phản xạ ánh sáng. Tương tự như trong cấu trúc của đèn phát quang (OLED, PLED), oxide dẫn điện có tính bền cao như idium-tin-oxide (ITO) thường được dùng để phủ với một lớp thật mỏng (~ 100 nm) lên nền thủy tinh để làm điện cực trong suốt [1]. Sau đó, một lớp mỏng của vật liệu đổi màu được phủ lên lớp ITO (Hình 1). Chất điện giải phải chứa hợp chất hóa học để có thể đổi sang màu thích hợp. Nếu dùng WO3 làm vật liệu đổi màu và dung dịch lithium perchlorate (LiClO4) làm chất điện giải, ở dạng nguyên thể WO3 sẽ trong suốt. Khi cho một dòng điện chạy vào bình điện giải (WO3 nhận điện tử e-), WO3 sẽ kết hợp với Li theo công thức

WO3 (trong suốt không màu) + xLi + xe- « LixWO3 (màu xanh)

Phản ứng điện hóa nầy biến lớp phủ WO3 trở thành LixWO3 có màu xanh nhạt. Khi dòng điện đổi chiều, phản ứng đi ngược lại, từ phải sang trái, LixWO3 trở thành WO3 trong suốt không nhuốm màu. Hình 1 cho thấy cấu trúc của một cửa sổ "thông minh".


Hình 1: Cấu trúc của một cửa sổ "thông minh"

II/ Sự chuyển hoán cấu trúc phân tử trong polymer dẫn điện

Polymer dẫn điện đã được các nhà khoa học lưu ý tới trong các ứng dụng liên quan đến màu sắc. Ngoài ứng dụng cho sự phát quang đã được đề cập trong một bài viết trước [1], sự đổi màu điện học là một ứng dụng thứ hai. Polymer còn gọi là plastic, nhựa hay chất dẻo. Polymer do các đơn vị phân tử (monomer, momo = đơn, poly = đa) tạo thành như một "chuỗi xích". Nếu monomer là ethylene, ta có polyethylene; là vinyl chloride, ta có poly(vinyl chloride) v.v...Nếu gọi M là monomer, polymer tương ứng sẽ là, ...MMMMMMMMMMMMMMM...., trong đó có hàng nghìn hoặc hàng chục nghìn M nối thành chuỗi xích.

Polymer gia dụng thông thường như cao su, PVC, nylon, polyethylene là vật cách điện. Polymer dẫn điện (electrically conducting polymer) là một polymer có mạch carbon nối liên hợp, một loại liên kết giữa nối đơn và nối đôi (- C = C - C = C - ), và kết hợp với ion (ion âm, anion hoặc ion dương, cation). Polymer dẫn điện đã được mô tả chi tiết trong một bài viết trước [2]. Sự kết hợp với ion được gọi là "doping" và ion kết hợp là "dopant". Nối liên hợp và dopant là hai yếu tố cần thiết để có một polymer dẫn điện. Nếu dopant là một anion, A-, sự kết hợp của A- với polymer được diễn tả một cách dễ hiểu như sau,

......MMMMMMMMMMM..... (dạng 1) + A- «
...MMM+A-MMMM+A-MMMM+A-MMM.... (dạng 2)

Dạng 1 là vật liệu trung tính cách điện, dạng 2 là vật liệu dẫn điện. Độ dẫn diện càng tăng khi sự hiện hữu của A- trong mạch polymer càng nhiều. Nói một cách định lượng chính xác, sự khác nhau của độ dẫn điện giữa dạng 1 và 2 là 1 tỷ đến 10 tỷ lần. Dạng 2 ở dạng phim, có thể được tổng hợp dễ dàng qua phương pháp điện hóa (electrochemical method) bằng cách cho hai điện cực vào một dung dịch chứa M và A-. Khi đặt điện áp vào hai điện cực, ta sẽ có polymer dẫn điện (dạng 2) phủ lên điện cực dưới dạng một lớp phim mỏng. Dạng 2 có thể chuyển sang dạng 1 bằng cách đổi chiều dòng điện (điện áp dương chuyển thành âm). Lúc đó, dạng 2 "nhả" (de-doping) dopant A- để trở thành dạng 1 cách điện. Điện cực có lớp phủ polymer được dùng cho sự đổi màu điện học. Ngoài sự biến đổi độ dẫn điện của phim do sự chuyển hoán thuận nghịch giữa dạng 1 và 2 (doping/de-doping) ta còn thấy sự biến đổi màu sắc. Điều tiện lợi cho những trang cụ đổi màu là có điện áp thao tác rất thấp; thông thường sự chuyển hoán xảy ra qua lại từ 2 V đến -2 V.
 

III/ Đổi màu do polymer dẫn điện

Nếu so sánh Bảng 1 và Bảng 2, khe dải năng lượng của những polymer dẫn diện (dạng 1) gần gũi một cách không ngờ với năng lượng sóng của ánh sáng thấy được, tia cận hồng ngoại (near infrared) và tia tử ngoại (UV). Vì vậy, sự phát quang và đổi màu điện học trong polymer dẫn điện có một điểm chung là khe dải năng lượng (energy band gap) chi phối cơ chế của hai hiện tượng nầy.


Bảng 1: Trị số khe dải của các polymer mang nối liên hợp tiêu biểu (trước khi doping).

Sự chuyển hoán thuận nghịch giữa dạng 1 và dạng 2 được thực hiện dễ dàng qua cái bật điện để thay đổi chiều dòng điện, nhưng nó lại là cả một hiện tượng vật lý cần phải được giải thích tỉ mỉ. Khe dải năng lượng, một đặc tính của chất rắn, là một khoảng trống giữa hai dải năng lượng, dải hóa trị (valence band) và dải dẫn điện (conduction band). Khe dải liên quan đến sự dẫn điện, cách điện và phát quang đã được giải thích trong một bài viết trước [1]. Khi khe dải rộng (> 2 eV) ta có chất cách điện (thí dụ: gốm sứ, kim cương, plastic thông thường), khe dải hẹp (0 - 1,5 eV) ta có chất bán dẫn hay dẫn điện (thí dụ: silicon, kim loại). Polymer ở dạng 1 cơ bản là chất cách điện vì khe dải khá rộng (~ 2 eV) (Bảng 1). Qua quá trình doping, dạng 1 chuyển sang dạng 2, các dải năng lượng phụ được thành hình trong khe dải, tồn tại như bậc thang giúp hạt các hạt tải điện (charge carrier) di chuyến từ dải hóa trị đến dải dẫn điện ở bậc cao hơn mà không phải tốn nhiều công sức. Sự dẫn điện xảy ra. Hình 2 cho thấy sự thành hình dần dần của các dải năng lượng phụ khi nồng độ dopant A- được kết hợp vào mạch polymer càng cao.




Hình 2: Sự thành hình của các dải năng lượng phụ do sự kết hợp của dopant vào mạch polymer (từ trái sang phải). Sự biến mất của các dải năng lượng phụ do sự tách rời dopant ra khỏi mạch polymer (từ phải sang trái).CB: conduction band, dải dẫn điện; VB: valence band, dải hóa trị.


Khi cho mẫu polymer vào quang phổ kế, khe dải sẽ được "nhận diện". Quang phổ cho thấy một đỉnh hấp thụ tương ứng với trị số năng lượng của khe dải. Sự xuất hiện của các dải năng lượng phụ sẽ tạo ra những khe dải phụ. Quang phổ sẽ cho thấy những đỉnh hấp thụ khác tương ứng với các khe dải phụ càng lúc càng hiện rõ, khi càng nhiều A- được kết hợp vào mạch polymer (Hình 3). Khi một vật hấp thụ một màu trong ánh sáng thấy được thì vật đó sẽ hiển thị các màu còn lại. Một vật có màu xanh vì vật đó hấp thụ màu đỏ/vàng và ngược lại. Khe dải phụ có trị số năng lượng thấp, nên sự hấp thụ ánh sáng xê dịch về vùng ánh sáng đỏ hay hồng ngoại, vật liệu sẽ hiển thị màu xanh.




Hình 3: Sự thay đổi đường cong hấp thụ ánh sáng của PT với nồng độ (%) của dopant được kết hợp vào mạch polymer [3].


Một thí dụ điển hình của sự đổi màu điện học là polythiophene (PT). Trong một dung dịch chứa dopant thích hợp, PT đổi màu từ xanh sang đỏ và ngược lại. Khi ở dạng trung tính (dạng 1, 0 % dopant), khe dải của PT có trị số khoảng 2,7 eV tương đương với năng lượng ánh sáng xanh (Hình 3). PT hấp thụ ánh sáng xanh, như vậy PT hiển thị màu đỏ. Khi có điện áp dương, PT chuyển sang dạng 2 (6 - 41 % dopant) hấp thụ vùng ánh sáng đỏ/vàng (1,7 eV) và vùng hồng ngoại (0,8 -1 eV), hiển thị màu xanh.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư John Reynolds (University of Florida, Mỹ) đặt trọng tâm vào poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). PEDOT đặc biệt có khe dải năng lượng nhỏ, 1,5 eV (Bảng 1), cho nên khi ở dạng trung tính (dạng 1) PEDOT hấp thụ vùng màu đỏ, hiển thị màu xanh đậm. Dưới điện áp dương, dạng 1 chuyển thành dạng 2, PEDOT hấp thụ ánh sáng đỏ và tia cận hồng ngoại, trở nên màu xanh nhạt (Hình 4). Đối với sự thay đổi điện áp, PEDOT có độ nhạy đổi màu rất cao. Ngoài ra, polymer nầy có tuổi thọ dài (100.000 lần chuyển hoán), tính bền nhiệt (thermal stability) cao, màu xanh dễ chịu, nên là một ứng viên sáng giá cho những ứng dụng thực tiễn. Nhóm Reynolds còn tổng hợp hàng loạt các chất dẫn xuất khác của PT và PPy được thiết kế có những khe dải năng lượng khác nhau, hiển thị những màu sắc khác nhau (Hình 5). Sự chọn lựa dopant và dung môi cho chất điện giải cũng rất quan trọng cho độ nhạy của sự đổi màu.

Hình 4: Cửa sổ thông minh dùng PEDOT. Dạng 1: xanh đậm, dạng 2: xanh nhạt. (a) Kích thước cửa 10 x 10 cm; (b) 30 x 30 cm [4].





 

Hình 5: Sự đổi màu do điện áp của PEDOT và các polymer dẫn xuất. D: trạng thái doped (dạng 2); I: trạng thái trung gian và N: trạng thái trung tính/de-doped (dạng 1) [5].

 

IV/ Vật liệu "tàng hình" hút nhiệt

Sự thành hình của các khe dải phụ có trị số nhỏ hơn 1,7 eV trong quá trình doping cho polymer khả năng hấp thụ vùng ánh sáng đỏ và tia hồng ngoại (Bảng 2). Sự đổi màu bây giờ có một nghĩa rộng, vì "màu" bây giờ là hồng ngoại. Sự hiển thị màu trong những vùng sóng điện từ nầy không còn quan trọng nữa vì thật ra không có màu để thay đổi; việc nghiên cứu được đặt nặng vào sự hấp thụ sóng. Tia hồng ngoại chẳng qua là nhiệt có độ dài sóng trải dài từ 0,8 µm (cận hồng ngoại, near infrared) đến 18 µm (viễn hồng ngoại, far infrared). Vật càng nóng thì tia hồng ngoại phát từ vật đó càng ngắn (định luật Planck về thể đen). Con người phát ra tia hồng ngoại có độ dài sóng ở khoảng 8 - 12 µm, một trong những vùng hồng ngoại được đặc biệt chú ý.

Nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Prasanna Chandrasekhar (công ty Ashwin-Ushas, Mỹ) tập trung sự nghiên cứu vào các vật liệu polymer dẫn điện có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại. Đây là vật liệu "tàng hình" hút nhiệt. Những vật liệu nầy có tiềm năng lớn trong các áp dụng quân sự nhằm "che mắt" các bộ cảm nhận (sensor/detector) hồng ngoại hoặc máy ảnh, ống nhòm có trang bị bộ cảm nhận hồng ngoại. Các loại dụng cụ nầy dễ dàng phát hiện những kẻ thích lẩn lút trong bụi rậm về đêm thực hiện hành vi "mờ ám", hay xác định vị trí máy bay, tàu thủy nhờ nguồn nhiệt phát ra từ buồng máy hay do sự cọ xát với không khí ở đầu, rìa cánh và đuôi máy bay. Vật liệu hấp thụ hồng ngoại sẽ "hóa giải" những con mắt thần nhìn xuyên màn đêm, nhất là các loại tên lửa dùng bộ cảm nhận hồng ngoại tìm nhiệt (IR-homing missile) để lùng và tiêu diệt mục tiêu. Trong lĩnh vực áp dụng dân sự, lớp phủ nầy sẽ chắn nhiệt trong ánh sáng mặt trời nhưng cho ánh sáng đi vào nhà ở những ngày hè nóng bức. Một khả năng áp dụng khác là dùng để điều hòa nhiệt độ trong các vệ tinh nhân tạo. Trong không gian, sự truyền nhiệt khó xảy ra vì không có không khí, vì vậy những bộ phận của vệ tinh hướng về mặt trời sẽ rất nóng và nơi khuất nắng sẽ rất lạnh. Vật liệu polymer hấp thụ nhiệt có thể thay thế những công cụ hoặc cấu trúc cồng kềnh điều chỉnh nhiệt độ trên vệ tinh.

Chandrasekhar và cộng sự đặc biệt chú ý đến tia hồng ngoại có độ dài sóng 3 – 5 µm và 8 - 12 µm vì đây là những vùng thao tác của bộ cảm nhận liên quan đến nhiệt thoát ra từ con người và máy móc. Gần đây, nhóm nghiên cứu nầy còn tiến thêm một bước là chế tạo ra một vật liệu hấp thụ 95 % tia hồng ngoại có độ dài sóng trải dài từ 1 đến 20 µm [6]. Thông thường, người ta chỉ có thể chế tạo những vật liệu hấp thụ tia hồng ngoại ở những độ dài sóng (hay tần số) đơn lẻ. Vì vậy, có thể gọi đây là một vật liệu "tàng hình" tầm cỡ mang tính đột phá có khả năng hấp thụ nhiệt trên một băng tần dải rộng (broadband). Vật liệu nầy là PAn được doped với poly(anethosulfate) (dạng 2) [6]. Điều nầy cho thấy sự chọn lựa một dopant thích hợp cũng rất quan trọng trong việc điều chỉnh khe dải thích hợp cho vùng sóng cần được hấp thụ.

Chandrasekhar còn có tham vọng dùng nguyên tắc "đổi màu" áp dụng vào vùng vi ba (microwave). Theo ý kiến của người viết bài nầy thì sự hấp thụ vi ba không bị sự chi phối của khe dải năng lượng - một biến số vi mô, chỉ thích hợp cho độ dài sóng nanomét (nm) và micromét (μm) của vùng ánh sáng thấy được hay tia hồng ngoại. Vi ba là sóng điện từ có độ dài sóng ở mm và cm, cơ bản là sóng radar, kế cận vùng hồng ngoại. Sự hấp thụ vi ba tùy thuộc những đặc tính vĩ mô của vật liệu như điện tính biểu hiện bằng hằng số điện môi (dielectric constant) và từ tính biểu hiện bằng độ từ thẩm (permeability). Sự hấp thụ radar bởi polymer dẫn điện và nguyên tắc "tàng hình" đã được đề cập trong một bài viết trước [7].
 

V/ Tơ sợi "thông minh"

Lợi dụng sự đổi màu điện học, các nhà khoa học đang đối đầu với một thử thách mới là chế tạo ra một loại tơ sợi "thông minh", làm ra vải vóc có thể biến đổi màu sắc hòa nhập vào môi trường xung quanh để ngụy trang. Nếu ta hành sự trong bóng tối áo trở thành đen, khi ta chui vào bụi áo sẽ rằn ri và khi lang thang trên sa mạc áo sẽ nhạt màu. Đây là hiệu ứng con cắc kè hoa (chameleon effect). Nhà thơ Nguyên Sa đã từng trồng cây si vĩ đại trước một đối tượng thích thay màu áo, làm nhà thơ phải thốt lên những vần thơ tình lãng mạn đủ mọi sắc màu, "Áo nàng vàng anh về yêu hoa cúc. Áo nàng xanh anh mến lá sân trường"... Nếu cô nàng đỏng đảnh mặc áo làm bằng vải "thông minh", bỏ vài cục pin vào túi cứ vài phút lại bật điện thay màu áo xanh vàng đỏ tím, nhà thơ sẽ ngẩn ngơ trước sự tiến bộ khoa học, hay lại vơ vẩn đem lòng mến thương con cắc kè hoa....?!

***

Khe dải năng lượng là một khái niệm cơ bản đưa đến hai ứng dụng chính là sự phát quang và sự đổi màu. Hai ứng dụng cho thấy một điểm chung là muốn thay đổi màu sắc thì phải điều chỉnh trị số của khe dải năng lượng. Việc nầy thực hiện bằng cách tổng hợp các loại polymer dẫn điện mang nối liên hợp với một khe dải có trị số định trước. Ngoài ra, sự đổi màu còn được quyết định bởi việc xuất hiện và biến mất của các khe dải phụ do sự chuyển hoán giữa doping/de-doping. Từ cửa sổ và kính "thông minh" đến vật liệu "tàng hình" hút nhiệt và các loại tơ sợi biết "đổi màu" để ngụy trang hay để làm dáng, hiện tượng đổi màu điện học cho thấy nhiều áp dụng thú vị. Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại thị trường cho áp dụng "đổi màu" còn rất khiêm tốn và cục bộ so với thị trường đèn phát quang, một lĩnh vực công nghệ đang phát triển rất nhanh mà các nhà kinh tế dự đoán doanh thu có thể đạt đến hàng trăm tỷ USD vài trong thập niên tới.

Hãy trở lại với cổ kính của vua Tự Đức. Với nguyên tắc đổi màu hiện có và kỹ thuật tạo hoa văn, hình ảnh người xưa của quân vương sẽ dễ dàng được phủ lên kính "thông minh", lúc ẩn lúc hiện, cùng nhoẻn miệng cười với vua mà không cần phải vùi dập tấm gương! Nhà vua chắc chắn sẽ rất đẹp lòng. Nhưng nếu có một đòi hỏi cao hơn là nàng phải bước ra như Giáng Kiều trong tranh, thì có lẽ ta phải cần đến một công nghệ "phản tàng hình" và tài năng của một nhà ảo thuật...


TVT
Mùa Đông Nam bán cầu
23 June 2007