Những phân tử kỳ diệu cho màn hình cảm ứng trong tương lai

Rồi sẽ đến ngày, bạn kiểm soát thế giới bằng đầu ngón tay. Nhờ vào màn hình cảm ứng của những chiếc máy "thông minh" thế hệ mới nhất, không có gì lướt web dễ dàng hơn thế!

Màn hình cảm ứng của điện thoại di động, cũng như mọi màn hình tinh thể lỏng (LCD) thực ra đều sử dụng tính năng đặc biệt của một vật liệu duy nhất, một hợp kim mà nguồn cung cấp có thể cạn kiệt trong vòng 10 năm nữa. Nhưng không chỉ có những màn hình của chúng ta bị đe dọa. Các pin quang điện voltaic và LED (diode phát quang) tiêu thụ năng lượng thấp - hai trụ cột trong cuộc chiến chống khí thải carbon - cũng có thể chịu chung số phận thiếu hụt vật liệu như thế.

Vật liệu đang nói đến này là hỗn hợp của hai oxide kim loại gọi là Indium Tin Oxide (ITO). Nó chủ yếu là indium, một kim loại có các tính năng quý giá, sản phẩm phụ của công nghiệp khai thác mỏ quặng chì và kẽm. Một sản phẩm đắt tiền, khó kiếm. Và, khi còn ở trong nhà máy, hợp kim trở thành một vật liệu khó xử lý, không bền và không chấp nhận bất cứ một sơ suất nhỏ nào trong thao tác.

ITO thật ra là một trong những vật liệu hiếm hoi cùng lúc có tính dẫn điện và trong suốt. Một tính năng lý tưởng cho các màn hình tiếp xúc. Trong khi đó những thiết bị di động của chúng ta sử dụng tính dẫn điện của các ngón tay để loại bỏ nhu cầu dùng đến chiếc que. Khi tiếp xúc với màn hình, chúng ta sẽ làm thay đổi điện dung khu vực bên dưới ngón tay - một sự thay đổi mà chỉ một lớp ITO đủ để dò ra. Liệu bao nhiêu thời gian nữa chúng ta sẽ mất đi sự kỳ diệu bé nhỏ này?

Cơ quan khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS) ước tính trữ lượng indium trên toàn thế giới là 16.000 tấn  - phần lớn tìm thấy ở Trung Quốc. Với tốc độ tiêu thụ indium như hiện nay, trữ lượng này có thể sẽ cạn kiệt vào năm 2020. Chắc chắn đến lúc đó chúng ta sẽ tìm thấy những nguồn indium mới, song ít có khả năng thỏa mãn cho sự bùng nổ nhu cầu về nó. Do đó điều cần làm ngay là phải tìm cho ra một vật liệu có cấu trúc hóa học gần với indium để thay thế. Trong số những ứng viên được chọn là oxide kẽm, có sẵn với số lượng lớn và rẻ hơn ITO. Tuy nhiên, oxide kẽm không có tính dẫn điện lẫn trong suốt và tính bền. Đó là vấn đề khi biết rằng độ nhạy của màn hình tùy thuộc vào tính dẫn điện của vật liệu sử dụng.

Giải pháp có lẽ là không để thay thế cho indium, nhưng để cho nó hoàn thiện hơn. Nhà khoa học Tobin Marks và êkíp của ông ở Đại học Northwestern, thành phố Evanston thuộc bang Illinois (Mỹ), đã phát triển một vật liệu căn bản dựa trên cadmium oxide phủ một màng mỏng indium. Nó cũng trong suốt như ITO với tính dẫn điện cao hơn 3 lần. Nhạy cảm với sự ăn mòn, vật liệu này phải được phủ một màng mỏng ITO, nhưng indium chỉ chiếm 20% trong thành phần cấu tạo của nó trong khi với ITO là 90%.

Có lẽ đây là giải pháp tạm thời khả thi, nhưng sự việc không đơn giản như thế. Trước nhất, cadmium là kim loại rất độc cần phải tuyệt đối cẩn trọng kể cả lúc trước và sau khi sử dụng. Kế tiếp, cadmium oxide dễ rạn nứt - một điều đặc biệt gây khó chịu trong trường hợp màn hình được chế tạo cho sự thao tác thường xuyên.

Hay có lẽ là polymer dẫn điện? Những chuỗi hữu cơ dài này hoạt động như những sợi phân tử và mềm dẻo hơn ITO. Trong tháng 2/2010, Giáo sư Yueh Lin Loo và êkíp của ông ở Đại học Princeton đã khám phá một phụ gia không chỉ có thể làm tan rã các polymer mà còn làm biến đổi sự tương tác giữa các chuỗi polymer, nhờ đó cho phép chúng "giãn ra". Điều đó giúp loại bỏ hiện tượng xoắn tít của các chuỗi làm phong tỏa dòng điện.

Nhưng giải pháp này còn chưa hoàn hảo. Nếu polymer không yếu ớt như các oxide kim loại, thì chúng thể hiện những điểm yếu khác. Như là nhạy cảm với tia tử ngoại và oxy trong không  khí - điều gây cản trở cho việc sử dụng chúng cho những thiết bị thường xuyên được thao tác.

Vậy thì có vật liệu nào thỏa mãn cho mọi tiêu chuẩn? Giáo sư Mark Hersam Đại học Northwestern nói là có: các vật liệu nano với thành phần chính là carbon. Trong một số trường hợp, nó là vật liệu mờ đục hơn chúng ta biết, nhưng có thể xử lý cho trở nên trong suốt.

Tháng 6/2010, một êkíp nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của hai Giáo sư Jong-Hyung Ahn và Byunh-Hee Hong ở Đại học Sungkyunkwan (Hàn  Quốc) đã phát triển một phim gồm 4 tầng graphene tựa trên một nền plastic. Graphene - vật liệu kỳ diệu nhận được giải Nobel vật lý năm 2010 do hai nhà khoa học khám phá (Andre Geim và Konstantin Novoselov) - gồm nhiều phiến graphite có độ dày như một nguyên tử. Sự kết hợp graphene-plastic cho 90% ánh sáng đi qua và có tính dẫn điện cao gần như ITO.

Tuy nhiên, điều khó khăn là làm cho chúng có bề mặt dẫn điện. Jonathan Coleman ở Đại học Trinity, Dublin (Ireland), đang nghiên cứu các vật liệu dẫn điện hợp tác với công ty điện tử khổng lồ Hewlett-Packard (HP). Nhưng Coleman nói: "Nếu có những sợi nano kim loại thay thế cho ống nano, chúng ta có thể tạo ra sự tiếp xúc tại nơi chạm vào, nhờ đó cho phép các electron đi qua".

Khi làm việc với sợi nano bạc, các nhà nghiên cứu khám phá họ có thể có được một vật liệu có độ trong suốt đến 85% và tính dẫn điện gần như cao như ITO.  Song giải pháp có cái giá của nó: sợi nano bạc đắt hơn ITO 10 lần trong sản xuất. Nhưng chưa phải là thua cuộc. Khi mà sự sản xuất gia tăng mạnh, giá cả (của sợi nano bạc) sẽ giảm xuống, trong khi giá của indium chỉ có thể tăng lên mà thôi