Thiết bị phát quang siêu co giãn: Chặng đường của những bất ngờ

Cầm trên tay tấm điện cực trong suốt đang được kéo giãn, TS. Trần Nguyên Hùng vẫn nhớ như in quá trình nghiên cứu kéo dài nhiều năm với những khám phá bất ngờ, từ tiền đề là các nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano bắt đầu từ năm 2014. Lúc này, những thiết bị mang được trên người (wearable devices) hoặc có thể co giãn đang trở thành hướng nghiên cứu phát triển mạnh mẽ trên thế giới, trong đó, các thiết bị phát quang co giãn là chủ đề rất được quan tâm bởi những giá trị khổng lồ mà chúng đem lại khi dùng cho màn hình điện thoại, máy tính, ti vi hay các nguồn chiếu sáng.

Trong số các loại thiết bị phát quang có triển vọng mặc trên người như vậy, thiết bị phát quang dùng điện xoay chiều (ACEL) là một lựa chọn tiềm năng, nhờ ưu điểm là độ tương phản rất cao, thời gian đáp ứng rất nhanh và có góc nhìn lớn. “Nếu như màn hình OLED - một dạng thiết bị phát quang khác rất phổ biến hiện nay có độ phân giải cao nhưng khó kéo giãn do điện cực thường làm bằng nhôm hoặc bạc có độ sáng màn hình phụ thuộc vào góc nhìn thẳng hoặc nhìn xiên; thì loại màn hình ACEL này sẽ phát sáng đồng đều theo mọi hướng”, TS. Hùng cho biết.

Thêm vào đó, ACEL có cấu trúc đơn giản chỉ gồm hai điện cực và một lớp phát quang gồm các hạt quang điện cỡ micromet được bọc trong một môi trường điện môi. “Nếu phát triển được hai lớp điện cực có khả năng co giãn là coi như sẽ giải quyết được bài toán để ứng dụng ACEL vào trong thực tiễn”, TS. Hùng cho biết. Dù đã có không ít nghiên cứu về ACEL trước đây, hầu hết những thiết bị này đều có hiệu suất thấp, đòi hỏi quá trình chế tạo phức tạp (do phải tạo khuôn chứa dung dịch ion), hoặc sử dụng các sợi nano bạc đắt đỏ hay các kim loại dạng lỏng vốn rất độc hại để dẫn điện. “Việc tạo ra thiết bị co giãn được vốn đã khó, làm sao để có một phương pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí và có thể sản xuất ở quy mô lớn còn khó hơn và vẫn còn là một vấn đề bỏ ngỏ”, TS. Hùng nói.

Nhìn lại những vật liệu đã tổng hợp được, anh và các đồng nghiệp tự hỏi: loại vật liệu và phương pháp nào sẽ giúp cho ACEL co giãn có triển vọng “bước ra” khỏi cánh cửa phòng thí nghiệm trong tương lai? Câu trả lời mà nhóm đưa ra trong bài báo “Highly stretchable electroluminescent device based on copper nanowires electrode” mới xuất bản trên tạp chí Scientific Reports vào tháng năm có lẽ nằm ngoài dự liệu của không ít nhà nghiên cứu, thậm chí là chính bản thân nhóm của TS. Hùng ở thời điểm mới bắt đầu.

Một trong những điểm bất ngờ ấy đến từ việc lần đầu tiên sợi nano đồng được sử dụng thành công để làm điện cực trong thiết bị ACEL co giãn, theo nhóm nghiên cứu. Tại sao trước đây các thử nghiệm tương tự lại chủ yếu sử dụng sợi nano bạc mà không chú ý đến sợi nano đồng - vốn rẻ và dễ chế tạo hơn hẳn? Lý do thứ nhất có thể nằm ở việc ứng dụng của sợi nano đồng phải vượt qua được những giới hạn của các nghiên cứu trước. “Có thể có nhóm khác cũng đã thử dùng nhưng chưa khám phá ra phương pháp thiết kế hình dạng của đồng để đạt được hiệu suất mong muốn. Và lý do thứ hai là đồng cũng có những hạn chế nhất định làm cho một số nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với sợi bạc rồi sẽ không quan tâm đến đồng nữa”, TS. Hùng nói.

Hạn chế nan giải ấy chính là: đồng rất dễ bị oxi hóa. Thế nhưng thật bất ngờ, nhược điểm “chí mạng” này lại không xảy ra khi sợi nano đồng được dùng trong điện cực của ACEL. Nhóm của TS. Hùng phát hiện ra, nếu để nguyên ở trong không khí, điện cực làm từ đồng sẽ bị oxi hóa rất nhanh và chỉ trong vòng một tuần là mất đi tính dẫn điện. Song, khi dùng ở trong thiết bị phát quang, dữ liệu đo mỗi ngày cho thấy điện trở hầu như không tăng và hiệu suất phát quang của thiết bị cũng giảm rất ít (chỉ 2% sau 7 ngày).

Quá trình nghiên cứu còn dẫn nhóm đến một bất ngờ khác: hóa ra phương pháp phủ sợi nano đồng lên lớp phát quang lại đơn giản hơn họ tưởng rất nhiều. “Chúng tôi đã từng thử khá nhiều cách khác nhau để phủ đồng lên tấm đế này nhưng điện trở khi bị kéo giãn vẫn không đạt được như kỳ vọng”, TS. Hùng kể lại. Trong một lần Th.S Trần Phương – tác giả thứ nhất của nghiên cứu - quyết định thử dùng một phương pháp rất phổ biến trong đời sống là phun phủ, kết quả là các sợi đồng lại cuộn vào nhau trên lớp phát quang - yếu tố mấu chốt giúp điện cực tăng khả năng co giãn. “Đây là một khám phá rất thú vị trong quá trình chế tạo bởi các phương pháp phủ đồng khác thường khá khó khăn và phải trải qua nhiều bước, thậm chí lúc đó tôi cũng không nghĩ rằng phương pháp giải quyết bài toán này lại đơn giản như vậy”, TS. Hùng nói.

Sau nhiều thử nghiệm, nhóm lý giải được, việc phun sẽ tạo ra các hạt dung môi rất nhỏ cỡ micromet, nhờ đó sợi nano đồng sẽ có thể cuộn theo các hạt dung môi đó và vẫn giữ nguyên được hình dạng khi phủ lên trên bề mặt lớp phát quang. “Hình dạng đó giống như một sợi dây được cuộn lại nên khi bị kéo ra, sợi dây không đứt và dòng chảy electron bên trong sợi đồng vẫn được bảo toàn”, TS. Hùng giải thích.

Những phát hiện mấu chốt như vậy đã góp phần giúp nhóm đạt được kết quả ấn tượng. Theo đó, điện cực của họ có độ sáng đạt 97,6 cd/m2 và có thể gập, cuộn, xoắn mạnh, kéo giãn tới 100% mà vẫn duy trì khả năng dẫn điện sau một tháng, thậm chí còn sáng hơn gấp hai lần. “Đây là hiệu ứng Poisson: khi thiết bị được kéo ra thì chiều dài của nó tăng lên đi cùng với chiều dày giảm đi, do đó điện trường trên lớp phát sáng sẽ tăng lên, cung cấp nhiều năng lượng hơn để phát sáng”, TS. Hùng giải thích. Đồng thời, họ còn tối ưu được điện trở, giúp cho ngưỡng điện áp khi thiết bị bắt đầu phát sáng thấp hơn nhiều so với các nghiên cứu khác, từ đó giảm công suất tiêu thụ điện cũng như an toàn hơn khi mặc lên cơ thể con người trong các ứng dụng tương lai.

Nếu không quá quen thuộc với môi trường khoa học, có thể sẽ có người đặt câu hỏi: liệu đây có phải là một thành quả ngẫu nhiên? Song, nếu không có những kết quả nghiên cứu tích lũy kéo dài 8 năm theo hướng tổng hợp vật liệu để chủ động hoàn toàn được quy trình sản xuất và tối ưu tỉ lệ chiều dài/đường kính của sợi nano đồng, có thể nhóm của TS. Hùng cũng đã dễ dàng lướt qua những điểm đặc biệt như vậy. Vào năm 2014, sợi nano đồng do nhóm chế tạo có tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính là 100, nhưng hiện nay con số này đã lên tới 3,000 - một tỉ lệ rất lớn giúp giữ cho điện trở của thiết bị ở mức rất thấp (dù tỉ lệ tối ưu có thể lên tới 10,000, song nhóm của TS. Hùng quyết định giữ ở tỉ lệ ở ngưỡng 3,000 để đảm bảo việc chế tạo theo quy mô lớn sẽ không quá phức tạp mà vẫn đảm bảo hiệu quả của điện cực).

Và ngay cả khi nhóm đã chủ động được phương pháp tạo ra sợi nano đồng có tỉ lệ tốt, họ vẫn gặp phải những khó khăn tới mức có lúc “rất muốn bỏ cuộc”, TS. Hùng cho biết. “Khi thử nghiệm phương pháp phun, những mẫu đầu tiên của chúng tôi trông thực sự kinh khủng, vừa gồ ghề, vừa không đều, điện trở cũng rất cao. Tại thời điểm ấy nhóm rất nản, tự hỏi làm điện cực đã khó khăn như thế này rồi, lúc ứng dụng vào trong thiết bị còn khó ra sao, không biết có đi được đến bước cuối cùng không”.

Để giải quyết bài toán, họ đã phân tích bề mặt của các mẫu điện cực đầu tiên và phát hiện ra, vấn đề nằm ở khoảng cách quá gần giữa đầu phun và tấm đế. “Ở các mẫu này, hạt nước chứa sợi đồng có tốc độ phun ra quá nhanh, đồng thời, chúng tôi lại dùng áp suất cao để tạo ra dòng khí xịt, khiến cho dung dịch cứ liên tục bám vào bề mặt thành những hạt rất lớn, đến lúc bay hơi hết thì sợi đồng phân bố không đều, bề mặt gồ ghề, xấu xí”, TS. Hùng nhớ lại cách nhóm tìm ra hướng giải quyết.

Nhưng khi đã làm được điện cực và tối ưu được chiều dày của lớp phát sáng rồi, việc ghép hai phần này lại với nhau và đảm bảo khả năng dẫn điện cũng không dễ dàng. Nhóm của TS. Hùng đã thử dùng băng dính dẫn điện để dán các phần lại với nhau, nhưng cứ áp vào lại bị bong ra. “Sau một thời gian thử, chúng tôi mới nghĩ ra, phần áp để nối dây ra thì mình nên làm ở dạng cứng và cố định để sợi đồng không bị bong, còn lớp phát sáng bên trong thì mới làm ở dạng đàn hồi được”, TS. Hùng nhớ lại. Có thể thấy, tất cả những kết quả mà nhóm đạt được sẽ không thể có nếu không có sự kiên trì theo đuổi đến cùng để tìm ra vấn đề.

Dù hài lòng với sản phẩm đầu ra, dưới góc nhìn của nhà nghiên cứu trước một dòng chảy rất dài và rộng lớn của khoa học, TS. Hùng cho rằng “đây mới chỉ là một đóng góp nhỏ bé trên con đường phát triển một thiết bị hoàn chỉnh và được thương mại hóa mà thôi”. Để làm ra một thiết bị có màn hình hoàn thiện, theo TS. Hùng, các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào tạo hình cho điện cực để hiển thị được chữ và hình ảnh. Bên cạnh đó, hiện màn hình này vẫn đang ở trạng thái đơn sắc, do đó cần phải nghiên cứu để thay đổi vật liệu ở lớp phát quang và tạo ra ánh sáng có bước sóng lớn hơn. “Chúng tôi cũng đang viết một bản thảo về việc nghiên cứu giảm điện áp hoạt động của thiết bị xuống nhằm có một sản phẩm hoàn hảo hơn so với hiện tại”, TS. Hùng chia sẻ về dự định. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đã mở rộng ứng dụng của loại vật liệu này trong các thiết bị điện tử khác như cửa sổ thông minh, cảm biến đàn hồi, pin mặt trời và được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín như Applied Surface Science hay ACS Applied Nano Materials.

Điều anh mong muốn chính là làm sao để cho sợi nano đồng có những ứng dụng thiết thực hơn và thực sự đi vào đời sống. “Sợi nano bạc đã làm được điều đó rồi. Dù chỉ đóng góp một hàm lượng khoa học rất nhỏ thôi, nhưng tôi rất mong có thể tiếp tục thúc đẩy hướng nghiên cứu về sợi nano đồng để chúng cũng có những cơ hội mở rộng phạm vi ứng dụng, mục đích cuối cùng là phục vụ đời sống con người như chăm sóc sức khỏe, giải trí, hay hỗ trợ các chức năng vận động”, TS. Hùng nói.