Cách mạng hóa cuộc sống

Ủy ban Nobel của Viện Hàn lâm khoa học Hoàng gia Thụy Điển nhận định, pin lithium-ion đã cách mạng hóa cuộc sống của chúng kể từ khi chúng xuất hiện trên thị trường vào năm 1991. Chúng đã đặt nền móng cho một xã hội không dây, không nhiên liệu hóa thạch. Đồng thời chúng mang lại lợi ích khổng lồ cho loài người.

Giáo sư Paul Coxon, chuyên ngành khoa học vật liệu và luyện kim thuộc Đại học Cambridge đánh giá pin lithium-ion thực sự là những “con ngựa thồ” của kỷ nguyên di động. “Có khoảng 2/3 dân số thế giới đang dùng ít nhất một thiết bị di động, có thể là điện thoại, máy tính xách tay hay máy tính bảng. Và gần như tất cả chúng đều hoạt động bằng pin sạc lithium-ion”-Giáo sư Coxon nói trên trang Quanta Magazine.

leftcenterrightdel
Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học 2019. (Từ trái sang: M.Stanley Whittingham, 
John B.Goodenough và Akira Yoshino).

“Chúng ta đã tiếp cận được cách mạng kỹ thuật”, Sara Snogerup Linse, giáo sư hóa học và là thành viên hội đồng trao giải cho biết. Pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, máy điều hòa nhịp tim và xe điện. Loại pin này được sử dụng ngày càng nhiều để lưu trữ năng lượng từ những nguồn luôn thay đổi như năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

Các nhà khoa học đã thuần hóa nguyên tố lithium, một kim loại mềm, màu trắng bạc. Lithium nguyên chất phản ứng mạnh đến mức phải lưu trữ nguyên tố này trong dầu. Nguyên tố này sẽ gây rò rỉ khí khi nó tiếp xúc với nước. Phản ứng này đã khiến lithium có những đặc tính cực kỳ hấp dẫn.

Whittingham là nhà khoa học thứ hai của Anh giành giải thưởng Nobel năm nay. Ông hiện là giáo sư tại Đại học Binghamton, New York, được tuyển dụng vào Exxon (Tập đoàn dầu khí đa quốc gia của Hoa Kỳ) vào những năm 70 thế kỷ trước. Trong khi nghiên cứu những vật liệu có thể giữ các hạt với kích thước một nguyên tử, ông đã phát hiện ra rằng titan disulfide chứa các ion lithium. Chất liệu giàu năng lượng này đã thu hút sự quan tâm của đội ngũ lãnh đạo Exxon. Tuy nhiên, pin lithium đầu tiên đã bị đoản mạch và bắt lửa.

Đã xảy ra một vài vụ nổ nên nhóm nghiên cứu của Whittingham quyết định dừng việc nghiên cứu loại năng lượng thay thế này.

Còn Goodenough, sinh ra tại Đức, là một giáo sư kỹ thuật 97 tuổi tại Đại học Texas ở Austin, Hoa Kỳ. Ông đã cải tiến pin lithium vào năm 1980 bằng cách hoán đổi titan disulfide, ở đầu cực âm của pin, bằng oxit coban. Nhờ vậy mà năng lượng tiềm tàng của pin đã tăng gấp đôi.

 Người thứ ba là Yoshino, hiện làm việc tại Đại học Meijo ở Nagoya, Nhật Bản. Ông sinh năm 1948 tại Osaka, tốt nghiệp Đại học Tokyo. Sau đó, ông làm việc tại Asahi Chemical. Tại đây, ông bắt đầu phát triển những vật chất để tạo ra một loại pin tốt hơn. Thời đó, nhu cầu về các thiết bị di động ngày càng tăng nhưng hầu hết các loại pin lại chỉ có thể sạc một lần. Những loại pin có thể sạc lại được thì lại quá to và nặng, với công suất và vòng đời hạn chế. Yoshino đã nghiên cứu chất bán dẫn hữu cơ (polyacetylene), một nguyên tố có khả năng dẫn điện, mặc dù là một chất hữu cơ. Đây là một chất làm cực dương tốt, nhưng ông không thể tìm được một chất để làm cực âm phù hợp với nó. Vào năm 1983, một nghiên cứu của nhà hóa học John

Goodenough đã thu hút ông. Nhờ Goodenough, ông đã biết đến lithium oxit coban-một cực âm hoàn hảo. “Chất lithium oxit coban của ông ấy đã cung cấp tất cả những gì tôi đang cần. Nó dẫn điện tốt và bằng một nửa trọng lượng của loại pin lithium-catmi hiện có”, Yoshino cho biết.

Ông Yoshino đã phát triển pin lithium-ion thương mại đầu tiên 5 năm sau khi ông thực hiện sự hoán đổi. Lần này, ông hoán đổi lithium phản ứng ở cực dương bằng vật liệu gốc carbon: Dầu than cốc. Việc loại bỏ lithium nguyên chất của Yoshino làm giảm nguy cơ nổ. Ông đã kết hợp than cốc với các hạt electron có điện tích âm hút các ion lithium dương ra khỏi oxit coban. Khi pin được kích hoạt, các ion và electron chảy ngược về cực âm.

Khác với các loại pin truyền thống, các phân tử này di chuyển từ đầu này sang đầu kia nên chúng sẽ không phản ứng với nhau. Những phát hiện này đã giúp tạo ra một loại pin nhẹ có thể sạc lại hàng trăm lần mà không hao mòn, theo hội đồng trao giải. Thủ tướng Nhật Bản Abe Shinzo đã gọi điện cho Yoshino vào tối thứ tư để chúc mừng ông.

Điểm đặc biệt của công trình nghiên cứu khoa học này là ba nhà khoa học đã hỗ trợ cho nhau để giải quyết những vấn đề cấp thiết.

Ở những nơi trên thế giới thiếu cơ sở hạ tầng về điện thì giờ đây mọi người có thể truy cập internet thông qua điện thoại di động được sạc bằng các tấm pin mặt trời nhỏ-công nghệ ứng dụng pin lithium. Đây thực sự là một phát minh thay đổi cuộc sống đối với nhiều người. Phát minh này đã mang lại cho toàn thế giới một sự thay đổi lớn: Tiếp cận với năng lượng điện.

Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực để sử dụng những chất liệu mới cho pin sạc để cải thiện công suất và hiệu quả của chúng. Pin có thể lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo làm giảm bớt sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Với Whittingham, pin lithium có vai trò lớn trong cuộc sống của mỗi người dân trên toàn thế giới. Ông cũng đang nghiên cứu cách giúp tiết kiệm chi phí cho loại pin này.

Nhận giải Nobel ở tuổi 97

Ông Goodenough trở thành nhà khoa học lớn tuổi nhất nhận giải Nobel ở độ tuổi 97. Nhà khoa học hiện sống tại Texas, Mỹ, cho biết ông vẫn chưa từ bỏ niềm say mê của mình: Nghiên cứu về công nghệ pin. Ông cũng hy vọng có thể chứng kiến nghiên cứu sinh cuối cùng của mình tốt nghiệp. Vào hồi tháng 6 vừa qua, Goodenough chia sẻ với tờ The Times rằng khi ông cùng các cộng sự tiến hành nghiên cứu phát triển pin lithium, ông cũng không quá kỳ vọng vào công trình nghiên cứu lần này của mình. “Tôi không biết các kỹ sư điện sẽ làm gì với loại pin này. Tôi không thể đoán trước được những phát minh như điện thoại di động, máy quay phim, hay những thiết bị khác”-ông nói.

“Tôi cũng không biết khi nào Chúa trời sẽ mang tôi đi. Ở tuổi này, tôi không dám nhận hướng dẫn nghiên cứu khoa học cho bất kỳ ai. Học trò cuối cùng của tôi là một chàng trai khá thông minh. Tôi hy vọng là có thể thấy cậu ấy tốt nghiệp. Nhưng đó chỉ là hy vọng của tôi. Tôi đếm từng ngày tôi còn sống, và tôi cũng chỉ làm được vậy”.

Giúp đỡ môi trường

Trả lời phỏng vấn truyền hình Nhật Bản sau khi nghe tin mình giành giải thưởng, Yoshino mỉm cười nói, ông rất vui vì đã giúp cho môi trường: “Tôi vui vì pin lithium-ion đã giành giải trong một bối cảnh như vậy”-ông nói-“Tôi hy vọng đây sẽ là động lực cho những nhà nghiên cứu trẻ”.

Gregory Offer, chuyên gia về kỹ sư cơ khí tại Imperial College London cho biết, công trình nghiên cứu của các nhà khoa học đã mang đến một trong những công nghệ then chốt của thế kỷ 21. “Họ đã đẩy mạnh cuộc cách mạng di động, và giờ lại góp một phần không nhỏ trong việc giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu bằng cách điện khí hóa phương tiện giao thông và lưu trữ nguồn điện thay thế mới”-Gregory Offer nói thêm.

 Ba nhà khoa học nhận giải sẽ chia đều giải thưởng tiền mặt 913.000USD và nhận huy chương vàng tại Viện Hàn lâm khoa học Hoàng gia Thụy Điển. Giải Nobel về hóa học được công bố hôm 9-10 là giải thưởng thứ ba được công bố trong năm nay. Năm ngoái, giải thưởng Nobel Hóa học được trao cho Frances H.Arnold, George P.Smith và Gregory P.Winter. Frederick Sanger là nhà khoa học duy nhất cho đến nay từng đoạt giải thưởng Nobel Hóa học hai lần, vào năm 1958 và 1980. Nhà khoa học trẻ tuổi nhất từng nhận giải thưởng danh giá này là Frederic Joloit-Curie, một bác sĩ người Pháp, vào năm 1935, khi ông mới 35 tuổi. Ông nhận giải thưởng cùng với vợ mình là Irene Joliot-Curie (con gái của Marie Curie) sau khi hai người phát hiện ra hoạt động phóng xạ nhân tạo.

Trong số hơn 600 huy chương giải thưởng Nobel được trao cho lĩnh vực khoa học, 20 giải thưởng đã được trao cho phụ nữ. Viện Hàn lâm khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã điều chỉnh quá trình trao giải của năm 2019 để khuyến khích sự đa dạng hơn; điều này đã thúc đẩy số lượng các nhà khoa học nữ được đề cử. Mặc dù vậy, các giải thưởng về khoa học năm 2019 đều thuộc về nam giới.

Trong di chúc cuối đời, nhà khoa học Alfred Nobel tuyên bố để lại 94% gia tài để vinh danh những người có cống hiến “vĩ đại nhất cho nhân loại” trong lĩnh vực vật lý, hóa học, y sinh, văn học và hòa bình. Người được Nobel ủy thác thực hiện di chúc là hai kỹ sư Ragnar Sohlman và Rudolf Lilljequist.

NGUYỄN THỊ PHƯỢNG