Một phát hiện khoa học của thế kỷ 20:

Plastic dẫn điện

Trương Văn Tân (Exryu 70, Úc Châu)

Cái tựa đề "Plastic dẫn điện" có thể làm người đọc ngỡ ngàng đến độ buồn cười vì nó vượt qua ngoài sự tưởng tượng trong những sinh hoạt thông thường. Plastic còn gọi là cao phân tử (polymer) là chất dùng làm vật cách điện hơn là vật dẫn điện. Thật ra, người ta có thể tổng hợp plastic và làm cho nó dẫn điện. Năm 2000, Hàn Lâm Viện Khoa Học Thụy Điển đã trao giải Nobel Hoá Học cho Shirakawa, MacDiarmid và Heeger cho sự khám phá và phát triển cao phân tử dẫn điện (electrically conducting polymers).

As published in “Conductive Electroactive Polymers:Intelligent Materials Systems” 
(2^nd Edition) CRC Press, GG Wallace, GM Spinks, LAP Kane-Maguire, PR Teasdale, 2003.

Năm 1975, khi người viết còn là một sinh viên năm cuối tại Tokodai (Tokyo Institute of Technology) một phát hiện có tầm mức thời đại xảy ra một cách âm thầm trong khuôn viên nhà trường. Ông Trợ Thủ (Assistant Professor/Lecturer) Shirakawa Hideki cua Shigen Kenkyujo (Research Centre for Resources Utilization) trực thuộc Tokodai là một chuyên gia về tổng hợp cao phân tử polyacetylene (PA) bằng cách thổi khí acetylene qua một chất xúc tác. Acetylene là một chất khí người ta thường dùng để hàn gió đá. Phương pháp dùng thể khí để tổng hợp cho ra một thể rắn (trong trường hợp nầy là plastic) là một phương pháp công nghệ thông dụng để hình thành polyethylene (PE) và polypropylene (PP). Hai chất plastics nầy được tổng hợp bằng cách thổi khí ethylene hoặc propylene vào chất xúc tác Ziegler – Natta (tên cuả 2 nhà phát minh). PE và PP là hai plastics được gia dụng hoá dùng cho bao nhựa "nilon" và nhiều dụng cụ "plastic" trong sinh hoạt hằng ngày. Shirakawa theo phương pháp nầy để tổng hợp bột PA.

Một sự kiện tình cờ xảy ra gây ra bởi một lầm lỡ trong phòng nghiên cứu Shirakawa. Một anh nghiên cứu sinh người Đại Hàn trong quá trình tổng hợp PA lơ đểnh thế nào quên lời căn dặn cuả ông đã dùng chất xúc tác có nồng độ 1000 lần lớn hơn độ qui định. Anh du học sinh nầy cũng tổng hợp được PA nhưng không phải ở dạng bột đen trong điều kiện bình thường mà ở dạng phim màu bạc có tính đàn hồi. Sự kiện nầy cơ hồ như bị bỏ quên cho đến một năm sau (1976) khi giáo sư Alan MacDiamid (Đại Học Pennsylvania) viếng phòng thí nghiệm Shirakawa. MacDiarmid ngắm nghía tấm phim PA lạ lùng nầy và sau đó mời Shirakawa sang Pennsylvania cộng tác một năm. Trong khoảng thời gian nầy, cái sản phẩm gây ra bởi sự vô ý được đem ra khảo nghiệm trở lại. Cùng với sự cộng tác của giáo sư vật lý Alan Heeger, phim PA đươc cho tiếp xúc (exposure) với khí iodine (I₂). Khí iodine được hấp thụ vào PA dưới dạng ion làm tăng độ dẫn điện của PA đến 1 tỷ lần. Quá trình tiếp xúc với iodine gọi là doping và iodine là dopant của PA. Sau bước nhảy 1 tỷ lần PA từ trạng thái là vật cách điện trở thành một vật dẫn điện. Plastic dẫn điện ra đời. Sau kỳ tích tăng độ dẫn điện của phim PA nhảy vọt 1 tỷ lần qua một quá trình tiếp xúc (doping) cực kỳ đơn giản với khí iodine, lằn ranh phân biệt chất dẫn điện (kim loại), chất bán dẫn (silicon) và chất cách điện (plastic thông thường) bị xoá mờ. Thật vậy, tùy vào nồng độ của iodine trong PA người ta có thể điều chỉnh độ dẫn điện từ chất cách điện đến chất dẫn điện một cách dễ dàng.  

Ở những năm đầu thập niên 1980, một cuộc chạy đua diễn ra giữa các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới để nâng cao độ dẫn điện của PA cho đến khi đạt đến độ dẫn điện cuả đồng. Đây là cuộc chạy đua mang tính hiếu kỳ hơn là thực dụng. PA không có giá trị cho những áp dụng thực tiễn bởi vì PA bị oxít hoá trong không khí. Thậm chí trong chân không PA cũng tự suy thoái (self degradation). Oxít hoá và sự suy thoái đưa đến sư suy giảm độ dẫn điện. Một vật liệu không có tính ổn định (environmental stability) đối với môi trường xung quanh khó có thể trở thành những vật liệu mang tính áp dụng. Mặc dù không có tính ổn định cố hữu, PA vẫn là vật liệu được nhóm Shirakawa nghiên cứu cho đến ngày hôm nay. MacDiarmid và Heeger chuyển qua polyaniline (PAn). Ngoài ra, polypyrrole (PPy) và polythiophene (PTh) là hai loại plastics quan trọng được nghiên cứu có hệ thống gần 30 năm qua. Thật ra, PPy dẫn điện được một nhóm nghiên cứu tại Úc (CSIRO) phát hiện ở thập niên 1960. Họ báo cáo trên Australian Journal of Chemistry rồi đình chỉ công việc vì ngở là chất tạp (impurities) không quan trọng! PAn, PPy và PTh là những plastics có độ ổn định tốt hơn PA nên có thể dùng trong những áp dụng thực tiễn. 

Như vậy, trên cơ sở nào plastics lại có thể dẫn điện? Cơ chế dẫn điện có giống như kim loại hay không? Plastics được tổng hợp qua sự nối kết  cuả các phân tử đơn vị (monomer) tạo ra một phân tử dài (cao phân tử) như sợi dây xích. Monomer của PA là phân tử acetylene. Đặc điểm của những plastics dẫn điện là những nối carbon trong những vật liệu nầy là nối liên hợp (conjugation bond), - C = C – C =  C - , có nghĩa là sự nối tiếp cuả nối đơn C – C và nối đôi C = C. PA, PAn, PPy và PTh đều có đặc điểm nầy trong cấu trúc cao phân tử. Đặc điểm thứ hai là sự hiện diện cuả dopant. Iodine là một thí dụ điển hình trong PA. Hai đặc điểm nầy làm plastics trở nên dẫn điện. Dopant có thể là những nguyên tố nhỏ như iodine (I), chlorine (Cl), những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ miễn là những chất nầy cho ra những ion âm (anion) để kết hợp với những chuỗi xích carbon cuả plastic.

Trong kim loại sự dẫn điện xảy ra là do sự di động cuả các điện tử tự do (free electrons) giữa hai điện thế (voltage) khác nhau. Dòng điện tử tự do mang điện âm (-) nầy di động sinh ra dòng điện đi từ hiệu thế cao đến thấp như một dòng nước chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp. Vì vậy, điện tử tự do trong kim loại được gọi là hạt tải điện (charge carrier). Gỗ, đá và những plastics thông thường khác là chất cách điện vì không có những hạt tải điện. Sự dẫn điện, bán dẫn và cách điện được giải thích rõ ràng qua khái niệm khe năng lượng (energy band gap) trong vật lý chất rắn (solid state physics). Vì khuôn khổ bài viết có giới hạn, khái niệm nầy không được đề cập ở đây.

Như vậy những hạt tải điện nguyên nhân chính gây ra dòng điện trong plastic dẫn điện là ai? Có phải là những điện tử tự do mang điện âm giống như kim loại hay không? Câu trả lời là "Không". Để trả lời câu hỏi cơ bản nầy, chúng ta hãy trở lại quá trình doping. Dopant được "hấp thụ" vào dưới dạng anion (ion mang điện âm). Chúng ta hãy xem thí dụ của PA khi được cho tiếp xúc với khí iodine đề cập bên trên. Khí iodine, I₂, sẽ kết hợp với polyacetylene (PA) dưới dạng anion I ^-. Để trung hòa âm tính cuả anion iodine, carbon cuả plastic PA sẽ xuất hiện điện dương (+). Đây là một quá trình tự nhiên xảy ra trong vạn vật. Khi một vật trung tính (neutral) bị một vật mang điện xâm nhập, trong điều kiện thuận lợi vật thể nầy sẽ tự "phản ứng" bằng cách sản xuất điện đối nghịch để bảo tồn cái trung tính cố hữu cuả mình. Điện dương (+) xuất hiện trên các chuỗi carbon gọi là polaron trong vật lý. Một cặp polaron (+ +) là bipolaron. Quang phổ học (spectroscopy) xác nhận rằng khi có một dòng điện được áp đặt vào plastic dẫn điện polaron và bipolaron di động giữa hai điện thế khác nhau. Nói một cách khác, tương tự như điện tử tự do (free electron) trong kim loại, polaron và bipolaron là hạt tải điện (charge carrier) cho sự truyền điện trong plastics dẫn điện.

Kể từ khi plastic dẫn điện được phát hiện, những vật liệu nầy trở thành một đề tài nghiên cứu cơ sở rất phong phú cho các nhà nghiên cứu vật lý, hoá học, vật liệu học, điện học và cả sinh học. Ngoài những đề tài nghiên cứu có tính bác học nhầm thỏa mãn sự tò mò cuả các nhà khoa học, những cơ sở nghiên cứu cuả các công ty thương mãi khắp nơi trên thế giới đã cố gắng biến plastic dẫn điện thành những áp dụng cụ thể trong đời sống hằng ngày hoặc áp dụng quân sự. Từ năm 1996 đến 2000 có hơn 2000 bằng phát minh (patents) và 8000 báo cáo khoa học liên quan đến plastic dẫn điện và hơn 100 đề nghị áp dụng cụ thể hoặc đang được thương mãi hoá  (commercialization). Việc biến plastic dẫn điện thành những sản phẩm hữu dụng là một chuyện tất nhiên vì nó có thể thay thế kim loại hay những chất bán dẫn mà điển hình là silicon. Mươ`i năm trước dây, hãng Bridgestone – Seiko đã cho ra loại pin nhỏ (rechargeable battery) với điện cực PAn được dùng trong calculator hay máy chụp hình. Gần đây Mitsubishi đã tung ra thị trường những siêu tụ điện (supercapacitor) rất thông dụng trong điện thoại di động. Những siêu tụ điện nầy dùng PPy là vật liệu chính vì chất nầy có mật độ tụ điện rất cao.  

Plastic dẫn điện còn dùng làm vật liệu cho những trang cụ cảm nhận (sensors). Plastic dẫn điện khi tiếp xúc với hóa chất chẳng hạn như hơi rượu độ dẫn điện sẽ thay đổi một cách có hệ thống. Nhờ vậy người ta có thể phân biệt được brandy thật và brandy có pha vài % nước lã. Một nhóm nghiên cứu tại Pháp đã phát minh ra sensor dùng plastic dẫn điện đo được chính xác lượng đường trong máu. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu trên thế giới cố gắng tổng hợp những chất plastic dẫn điện có thể "ngữi" được chất nổ TNT cho việc dò mìn (land mine). Tuy nhiên cho đến nay thì vẫn chưa "qua mặt" lổ mũi cuả chú khuyển nhà mình!

Plastic dẫn điện lại có hoạt tính điện hoá (electro-acivity). Đặc tính nầy đưa đến áp dụng chống ăn mòn (anti – corrosion) trong kim loại. Hóa chất chống ăn mòn hữu hiệu nhất là chromate. Tuy nhiên đây là chất mang nhiều độc tính gây ung thư. Tổng ngân khoản dùng để chống ăn mòn cũng lên gần 100 tỷ Mỹ kim hằng năm trên toàn thế giới. Vì vậy, việc thay thế chromate với một hoá chất khác là một việc làm bức thiết trong giới công nghệ. Công ty Ormecon (Đức) đã đi tiên phong trong việc dùng plastic dẫn điện trong việc chống ăn mòn trong sắt hoặc nhôm. Người viết cũng đã tổng hợp plastic dẫn điện chống ăn mòn trong magnesium. Magnesium là một chất dễ bị ăn mòn nhất trong tất cả kim loại.

Plastic dẫn điện mà điển hình là poly (phenylene vinylene) (PPV) có thể làm phát quang (luminescence) với nhiều màu sắc khác nhau giống như tinh thể lỏng (liquid crystal). Hiện nay, những màn hình tinh thể lỏng rất mỏng cho các máy vi tính và TV là món hàng đang được ưa chuộng trên thị trường điện tử. Seiko – Epson (Nhật) và Samsung (Hàn Quốc) đang chế tạo những màn hình mềm cực mỏng dùng plastic dẫn điện với một hy vọng là màn hình nầy có thể thay thế màn hình tinh thể lỏng trong một tương lai gần.

Plastic dẫn điện có thể hấp thụ vi ba (microwave absorption). Vi ba là sóng điện từ có độ dài sóng ở đơn vị cm và tần số ở giga-hertz (GHz). Thí dụ, lò vi ba (microwave oven) gia dụng có sóng điện từ ở tần số 2.45 GHz. Vi ba được dùng trong radar dân sự và quân sự ở nhiều tần số khác nhau. Độ dẫn điện cuả plastic dẫn điện có thể điều chỉnh để "hút" radar ở những tần số khác nhau. Khái niệm nầy đưa đến cách thiết kế vật liệu "tàng hình". Độ dẫn điện có thể được điều chỉnh thật thấp biến plastic dẫn điện thành plastic cách điện. Khi ở trạng thái cách điện thì radar sẽ bị phản hồi (reflection). Như vậy, chúng ta có một vật liệu hư hư thật thật. Tôn Tử bảo "Việc binh là việc giả dối" mà plastic dẫn điện có thể dùng vào "việc giả dối" một cách tài tình. Trong thời bình, vật liệu nầy được biến thành vật cách điện có thể xử sự như một vật liệu "ngu si" phản hồi radar cuả đối phương. "Thánh nhân giả khù khờ". Trong thời chiến, do sự điều chỉnh nâng cao độ dẫn điện vật liệu trở nên "thông minh" hấp thụ radar. Kết quả là trên màn hình radar cuả đối phương ta sẽ "hiện hình" trong thời bình và "tàng hình" trong thời chiến!

Trên đây là những thí dụ cụ thể nêu lên những đặc tính hữu dụng của plastic dẫn điện. Một khám phá tình cờ xảy ra tại Tokodai gần 30 năm trước đã đưa đến nhiều áp dụng trong đời sống thường nhật thì phải nói đây là một món quà Trời cho và cũng là một trong những sự kiện hi hữu trong lịch sử Khoa Học. Đầu thế kỷ thứ 20 đã được đánh dấu bằng những lý thuyết vĩ đại trong vật lý như cơ học lượng tử (quantum mechanics), thuyết tương đối của Einstein, định luật bất xác định của Heisenberg, phương trình sóng Schrödinger, tính nhị nguyên cuả sóng và hạt v.v… Những lý thuyết nầy đã giải thoát con người ra khỏi lối suy luận cổ điển cuả cơ học Newton và nâng cao trình độ tư duy con người trong việc khám phá bí ẩn trong những cái nhỏ nhất như nguyên tử và những cái to nhất như vũ trụ. Cuối thế kỷ 20 được đánh dấu bằng sự trưởng thành cuả vật liệu học (materials science) điển hình là silicon và những thành quả của công nghệ silicon, sự xuất hiện vật liệu hữu cơ như plastic dẫn điện, fullerene C60 và gần đây carbon nanotubes.

Những năm đầu cuả thế kỷ 21 cho thấy sự hình thành nền công nghệ nano (nanotechnology) mà người ta có thể tạo ra những trang cụ (device) ở thứ nguyên nanometer ( = 10^-9 m) với kích thước nhỏ gần bằng nguyên tử hay phân tử. Những vật liệu hữu cơ chắc chắn sẽ là những vật liệu cơ bản đóng góp vào sự thành công cuả nền công nghệ nano mang tính đột phá với tiềm năng sâu rộng nầy.

Melbourne, August 2004

Trương Văn Tân