Câu chuyện về nguồn gốc của YlnMn - chất ‘màu xanh’ từ phòng thí nghiệm

Chẳng còn màu nào trên thế giới này được khám phá tiếp nữa — hay ít nhất đó là những gì mà một kẻ đang dạo mua họa cụ sẽ nghĩ. Tuy nhiên, hắn đã nhầm.

Khi chất màu xanh gần đây nhất được phát hiện, Thomas Jefferson* đang làm tại Nhà Trắng.

Việc chế tạo ra sắc xanh YlnMn gần đây lại là một câu chuyện li kì với những lời nguyền rủa, tai nạn và các khả năng vô hình. Cứ thử hỏi nhà hóa học kiêm nhà khoa học vật liệu Mas Subramanian mà xem!

Chẳng còn màu nào trên thế giới này được khám phá tiếp nữa — hay ít nhất đó là những gì mà một kẻ đang dạo mua họa cụ sẽ nghĩ. Tại các cửa hàng gia dụng và thiết bị, bạn có thể tìm thấy những mẫu swatch và thẻ màu ROYGBIV (dãy màu sắc tạo nên hiện tượng cầu vồng) với phần uốn cong nhẹ nhàng (cả trắng, đen và nâu,…). Và nếu bạn vẫn chưa thể tìm thấy sắc màu mà bạn muốn, chỉ cần đưa một bức hình hay con chip cho người làm tại đó và họ sẽ làm một loạt màu tùy chỉnh cho bạn.

Tuy nhiên, khám phá ra một chất màu mới lại là câu chuyện khác và hiếm xảy ra hơn, đặc biệt khi nhắc đến màu xanh.

*Thomas Jefferson: Tổng thống Hoa Kỳ, nhiệm kì từ năm 1801 đến năm 1809.


Trước tiên, hãy nhắc về khoa học một chút! Màu sắc có thể tạo ra bằng hai cách: kết quả của ánh sáng, hoặc là kết quả của việc dùng chất màu. Dù nhiều người hay dùng từ chất màu (pigment) và màu sắc (color) thay thế nhau, thật ra vẫn không chuẩn xác. Một chất màu là thứ vật lí hoặc là vật liệu, thường là chất rắn không hòa tan hoặc tạo thành hạt li ti trong chất lỏng. Dẫu vậy, “khi bạn thấy màu xanh trong tự nhiên, điều đó thường không phải bởi chất màu,” theo nhà hóa học Mas Subramanian. Ví dụ như mắt của người hay cánh bướm hiện màu xanh bởi chúng phản xạ một bước sóng ánh sáng cụ thể trên quang phổ ánh sáng có thể nhìn thấy được, nhưng cả mắt người và cánh bướm đều không chứa chất màu xanh (tương tự như bầu trời màu xanh sáng).

Trong thời đại mà ta có thể tùy chỉnh sự hòa trộn màu, bạn có thể mặc định rằng ta có thể biến bất kì màu nào thành chất màu. Nhưng các cơ chế đằng sau nó rất phức tạp; các nhà khoa học không có một thuật toán hay luật lệ nào để dự đoán một hợp chất hóa học sẽ thành ra thế nào. “Trông có vẻ đơn giản, nhưng nếu bạn thay đổi cấu phần hóa học hoặc cấu trúc tinh thể một chút, nó sẽ thay đổi màu sắc,” Subramanian cho biết. “Đó là phương pháp thử-và-mắc lỗi đến từ trực giác. Bạn không thể dự đoán màu sắc của một hợp chất trước khi tạo ra nó trong phòng thí nghiệm.”

Quay về khoảng 6,000 năm trước, chất màu xanh sớm nhất được cho là màu ultramarine. Nó được tạo thành từ bột đá ngọc lưu ly (lapis lazuli), một loại đá biến chất màu xanh được khai thác ở Afghanistan, Nga, Chile và một số nước khác. Giữa năm 2,000 và 3,000 TCN, người Ai Cập tạo ra thứ được tin là chất màu tổng hợp đầu tiên: calcium copper tetrasilicate, hay hiện nay gọi là màu xanh Ai Cập (Egyptian blue), một sắc ngọc lam tạo bằng cách nung nóng cát, đồng, và một số hợp chất cùng với nhau ở 800°C đến 900°C . Hai chất màu xanh đó đứng riêng lẻ cho đến khi màu xanh Phổ (Prussian blue - các muối sắt ferrocyanide bị ô-xi hóa) được tạo thành năm 1704, sau đó là màu xanh cobalt (cobalt[II] ô-xít -nhôm ô-xít) năm 1802.

Ảnh thuộc quyền sở hữu của trường Đại học Bang Oregon
(Oregon State University)

Sau đó khoảng hai thế kỉ trôi qua cho đến khi chất màu xanh thứ năm được tạo ra —  bởi một tai nạn nhỏCâu chuyện nguyên gốc bắt đầu khi giáo sư khoa học - vật liệu tại trường Đại học Bang Oregon (OSU), Subramanian, nhận được trợ cấp từ Quỹ Khoa Học Quốc Gia để tạo nên hợp chất mang tính cách mạng — hoặc chỉ là mong muốn của chính anh — cho ngành công nghiệp máy tính. Một loại vật liệu tuyệt vời cho điện tử sẽ hoạt động như tụ điện để lưu trữ năng lượng và nam châm để giữ dữ liệu, cho phép xử lí dữ liệu và tính toán lượng tử ở tốc độ chưa từng đạt tới được trước đây.

Subramanian tìm kiếm các phần tử có lưu trữ năng lượng và dữ liệu như anh muốn, và anh chọn được bốn thứ: yttrium (y-tri), indium (in-đi), manganese (mangan)oxygen (ô-xi). “Chúng tôi cứ nghĩ là yttrium indium oxide sẽ hoạt động như một tụ điện và manganese oxide (mangan ô-xít) sẽ là nam châm,” anh giải thích. Các phần tử này được hòa lẫn với nhau và đặt vào lò trong phòng thí nghiệm để nung nấu ở khoảng 1,204.4°C trong vòng 12 giờ.

Ngày tiếp theo, Subramanian bước vào phòng thí nghiệm và trông thấy một hỗn hợp khó chịu. Anh nhớ lại mình đã hỏi một sinh viên rằng, “Cái quái gì đang xảy ra ở đây vậy?”, trong khi họ nhìn xuống chất đã được lấy ra khỏi lò, chết lặng. Đó là một màu xanh — nhưng không giống màu xanh nào họ từng thấy trước đây. “Tôi bị sốc. Trong 40 năm làm thực nghiệm, tôi chưa bao giờ thấy mangan ô-xít sản sinh ra màu xanh,” anh nói. “Các hỗn hợp mangan thường đen hoặc nâu.”

Ban đầu, Subrmanian (được chụp ở bức ảnh phía trên với chất màu mới) nghĩ rằng các sinh viên đã phạm sai lầm. Có phải là hỗn hợp đã bị nhiễm bẩn? Hay là mẫu thử đã bị dán nhãn sai? Nhưng sau khi lặp lại thí nghiệm một vài lần, họ nhận ra không có sự nhầm lẫn khoa học nào ở đây. Trước khi làm tại OSU, Subramanian dành gần ba thập kỉ tại DuPont, làm việc với hầu như tất cả chất liệu rắn (và thu được tổng cộng 54 bằng sáng chế trong quá trình này). Mặc dù anh chưa bao giờ nghiêm túc nhúng tay vào việc sáng tạo ra chất màu, anh vẫn khá quen thuộc với những chất đã tồn tại và nộp bằng sáng chế cho phát hiện mới của mình.

The New Blue - YInMn

Chất màu xanh mangan này được gọi là màu xanh YlnMn. Dù nó chắc chắn rất ấn tượng, nhưng đặc tính thu hút nhất lại không thể thấy bằng mắt thường. Tia hồng ngoại — thứ ngoài phạm vi ánh sáng có thể nhìn thấy được trong phổ điện từ —  vô hình với mắt con người và chỉ cảm nhận được bởi sức nóng. Màu xanh YlnMn phản xạ bức sóng hồng ngoại, đồng nghĩa với việc làm lệch hướng nhiệt. Và nó thật sự tốt trong việc này. Thực tế là chất màu xanh YlnMn phản xạ khoảng 80% những gì chất màu trắng có thể làm được, khiến nó trở thành chất màu xanh duy nhất có khả năng đặc biệt này. Subramanian đã tạo nên sự tương tác giữa các thành tố của chất màu.

Do tính chất làm mát của chất màu mới cùng màu sắc rạng rỡ của nó, các công ty trong các ngành công nghiệp khác nhau - bao gồm Chanel, HP, Merck và Nike - đều quan tâm đến xanh YlnMn. Năm 2015, một giấy phép độc quyền đã được cấp cho công ty màu Shepherd, quyết định chức năng thích hợp nhất với xanh YlnMn là làm lớp phủ công nghiệp cho mái nhà và vách ngoài, điều này có thể dẫn tới hiệu năng lớn hơn; sản phẩm được chào hàng năm 2017 sau khi nhận được sự chấp thuận từ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kì. Màu này đã đến gần hơn với người tiêu dùng phổ thông. Năm 2017, Crayola đã tạo ra một cây bút sáp màu vinh danh màu xanh YlnMn với tên Bluetiful. Trong khi nó không thật sự chứa chất màu đó, loại bút sáp màu mới mong muốn thu hút được sự chú ý của trẻ em đến STEM (thuật ngữ dùng để chỉ các ngành khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học), bằng cách công bố sự kết nối giữa khám phá khoa học và màu sắc.

New Blue YlnMn Blue Crayola Crayon

Đáng tiếc thay, chất màu xanh này đi cùng với giá cả khá đắt đỏ. Nguyên do là bởi sự cung cấp hạn chế chất indium trong khi nhu cầu lại cao, thiếu hụt nhà sản xuất và nhà tinh chế cũng như các yêu cầu về độ thuần khiết. Shepherd đang thử nghiệm việc pha loãng màu xanh YlnMn trong nỗ lực duy trì màu sắc này lẫn tính chất làm lệch nhiệt của nó. Người ta cũng có thể hòa trộn các màu sơn khác để đạt được màu sắc tương tự.

Subramanian đã nắm bắt được lỗi của chất màu này. Anh nhận ra mình có thể sản sinh các biến thể khác nhau của xanh YlnMn bằng cách gia tăng hoặc giảm bớt sự tập trung của mangan; anh cũng nỗ lực để tạo ra các chất màu mới. Gần đây nhất, phòng thí nghiệm của Subramanian đã tạo ra các chất màu cam, lục và tím sử dụng đồng, sắt, mangan và titan. Hiện nay anh đang tập trung để tạo ra màu đỏ không độc hại rất đang được mong chờ bởi hầu hết các sắc đỏ có chứa những yếu tố gây hại như cadmium, thủy ngân và chì. Tuy nhiên, anh vẫn chưa từ bỏ chất liệu đa chức năng dành cho phần cứng, thứ đã dẫn tới xanh YlnMn.

Anh có phát hành một văn bản về việc nghiên cứu của đội ngũ mình. “Chúng tôi đã bắt đầu tạo nên một hợp chất cách mạng trong ngành công nghiệp điện tử nhưng kết cục nó lại thành một cây bút sáp màu, hoặc có thể trở thành một phần ngôi nhà của chúng ta, hoặc là chiếc xe hơi của bạn.” anh nói. “Tôi nói với sinh viên của mình rằng, hãy luôn sẵn sàng mong đợi những gì bất ngờ.” Hay nói cách khác, hỡi những kẻ yêu màu xanh, bầu trời chính là giới hạn khi nhắc tới những gì bạn có thể khám phá được.

Bạn có thể xem bài nói chuyện TEDxSalem Talk của Mas Subramanian dưới đây:

Dịch: Lệ Lin

Nguồn: ideas.ted.com