Nobel Hoá học 2019 cho Pin Lithium

Hôm nay tí tởn đi nghe concert của "The Beatles" - Let it be tối muộn mới về nhà (đời sống tinh thần cuả mẹ trẻ thật là phong phú hihi), vừa ngồi nhai cơm vừa nghe chồng bảo rằng năm nay Nhật có giải Nobel hoá học, lại từ người của công ty "đối thủ". Thế nên tối ấp con ngủ cái là google ngay coi thử giải Nobel năm nay trao cho ai, về cái gì.

Nobel Hoá học năm nay trao cho ba nhà khoa học John B Goodenough, M Stanley Whittingham và Akira Yoshino để ghi nhận những đóng góp trong công cuộc phát minh và tối ưu hoá pin lithium. So với mọi năm, năm nay chủ đề được giải rất gần gũi với đời sống hàng ngày.

Pin lithium thì quá sức quen thuộc rồi: điện thoại, máy tính, hiện giờ là cả xe hơi (mảng xEV như Prius của Toyota (hybrid của pin lithium và gasoline) hay xe Tesla (dùng pin hoàn toàn) của soái ca Elon Musk) đều hoạt động nhờ năng lượng tích trữ từ loại pin này. Cùng là pin cả, thế pin lithium khác pin mặt trời ở chỗ nào? Đi sâu xa về nguyên lý thì khá phức tạp, có thể hiểu nôm na pin lithium là một dạng device có thể dự trữ năng lượng và chuyển hoá năng lượng hai chiều (hoá năng <=> điện năng) khá tốt, nói dễ hiểu là có thể sạc đi sạc lại để dùng nhiều lần. Pin mặt trời có khả năng chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng, nhưng không có khả năng dự trữ; thế nên tắt nắng thì pin hết chạy. Và pin mặt trời thường cũng chỉ được dùng theo phương thức chuyển đổi năng lượng một chiều từ quang năng (ánh sáng mặt trời) sang điện năng chứ không dùng ngược lại (chiều ngược lại từ điện năng sang quang năng là như đèn LED chẳng hạn). Trong tiếng Anh thì pin lithium được gọi là (lithium-ion) battery, còn pin mặt trời thì là "solar cell" chứ không dùng từ "battery".

Vậy để mổ xẻ xem vì sao mà có đến 3 nhà khoa học, đến từ 3 vùng khác nhau, nghe qua có vẻ chẳng liên quan gì đến nhau, lại cùng nhận giải Nobel năm nay. Phải chăng như những giải Nobel khác là 3 người tình cờ nghiên cứu và phát minh ra cùng một thứ - như kiểu "tư tưởng lớn gặp nhau" hay không?

Câu trả lời là ba nhà khoa học nhận giải năm nay là ba mảnh ghép vừa độc lập vừa tương hỗ trong một bức tranh toàn cảnh tuyệt vời mang tên pin lithium. Đầu tiên phải nói đến Stanley Whittingham vì ông là người đầu tiên phát minh ra pin lithium với ý tưởng táo bạo dùng nguyên tố kim loại nhẹ nhất trong bảng hệ thống tuần hoàn làm "hạt nhân" cho pin. Pin lithium đầu tiên vào những năm 70 của Whittingham dùng cực âm (anode) là lithium kim loại và cực dương (cathode) là titanium disulfide (TiS2). Tuy nhiên, pin lithium lúc này có nhược điểm vô cùng lớn về mặt an toàn, đó là rất dễ phát nổ sau khi sạc.

Và đó là lúc nhà khoa học thứ hai lộ diện, John Goodenough ở ĐH Oxford (lúc bấy giờ). Goodenough (tên hay ha! good enough :D) đã phát minh ra chất liệu mới thay thế cho TiS2 ở cathode. Đó cũng là vật liệu được dùng khá phổ biến hiện nay, lithium cobalt oxide (công thức hoá học thì rườm rà phết). Một breakthrough của Goodenough với vật liệu mới này là nó có khả năng tăng gấp đôi điện thế của pin, giúp tăng cường mức năng lượng mà pin có thể tích trữ (tức là cùng với một mức năng lượng nhưng pin có thể nhỏ và nhẹ bằng một nửa).

Miếng ghép cuối cùng của bức tranh, Akira Yoshino - nhà nghiên cứu ở Asahi Chemical - đã dùng cathode được phát minh bởi Goodenough ghép vào cực âm (anode) của mình để sản xuất ra chiếc pin lithium hoàn thiện đầu tiên vào năm 1985 - theo đúng nghĩa đạt tiêu chuẩn về công suất và an toàn. Vật liệu carbon cho anode được Yoshino phát triển hoàn toàn độc lập ở Nhật Bản, song song với việc Goodenough phát minh vật liệu cobalt oxide cho cathode ở trời Tây.

Như vậy, Whittingham là người đưa ra khái niệm và hiện thực hoá chiếc pin lithium đầu tiên - tuy nhiên lúc đó chưa hoàn thiện về mặt năng lượng và mức độ an toàn; tiếp đó Goodenough hoàn thiện vật liệu cho cathode, và Yoshino hoàn thiện vật liệu cho anode. Bài học rút ra là cứ làm tốt phần việc của mình, rồi sẽ đến lúc những mảnh ghép tự động tìm đến nhau và xếp vừa khít tạo nên một bức tranh hoàn hảo (và lúc đó bạn sẽ được giải Nobel :D).

Một vài sự thật vui xoay quanh ba nhà khoa học được giải năm nay

1. John Goodenough hiện là người đạt giải Nobel lớn tuổi nhất tính đến hiện giờ - 97 tuổi. Và ở lứa tuổi hiện tại, ông vẫn duy trì việc lên lab thường xuyên và niềm đam mê với nghiên cứu khoa học. (Đây là lý do mà mình quyết định không đi theo con đường nghiên cứu, vì bản thân thấy không có đủ đam mê đến vậy, haizz)

2. John Goodenough ngoài là một nhà hoá học (chemist) còn là một nhà vật lý (physicist). Ngoài pin lithium, ông còn là cha đẻ của RAM (random access memory) dùng cho máy tính. (Oà, thiệt là kinh khủng quá đi mà!)

3. Cuốn sách thay đổi đời Goodenough là "Science and the modern world" của Whitehead. Ông tiết lộ rằng ông thật sự không biết mình muốn làm gì lúc còn trẻ. Trước lúc nhập ngũ, ông đọc được cuốn sách trên và có một linh cảm rằng mình nên theo học Vật lý nếu có thể bình an trở về sau chiến tranh. Và sau đó, ông theo học khoa Vật lý ở trường Đại học Chicago sau khi trở về Mỹ. Và đó là những khởi đầu đưa ông đến với việc phát minh ra bộ nhớ RAM.

4. Nói về những cuốn sách đổi đời thì cũng phải kể đến bác Akira Yoshino. Ông Yoshino tiết lộ con đường đưa ông đến thế giới khoa học bắt đầu từ cuốn sách "A chemical history of a candle" của Michael Faraday do một người thầy giáo đưa cho ông lúc 9 tuổi. Ông chia sẻ rằng cuốn sách đó đã thay đổi hoàn toàn suy nghĩ của ông khi nhìn cây nến cháy. Việc suy nghĩ về ngọn lửa từ cây nến sẽ như thế nào trong môi trường không trọng lượng - hình dáng màu sắc ra sao - khiến ông vô cùng thích thú. Thông điệp ông gửi tới những nhà khoa học trẻ ngay sau khi đón nhận giải Nobel là "It is important to think everyday". Ông là bằng chứng cho việc luôn quan sát và suy nghĩ về những hiện tượng xảy ra xung quanh, từ lúc là cậu bé 9 tuổi cho đến ngay cả bây giờ khi đã là một nhà khoa học được vinh danh quốc tế.

5. Với nhu cầu khổng lồ của pin lithium hiện nay, nhiều nhà khoa học đã gióng lên hồi chuông cảnh báo về sự thiếu hụt nguồn cobalt - nguyên liệu chủ yếu cho cathode hiện tại. Việc thu hồi và tái chế cobalt từ pin lithium cũ khá là khó khăn và phức tạp. Do đó việc phát minh ra một vật liệu mới thay thế cobalt oxide đang là một đề tài nghiên cứu nóng hổi và cấp thiết. Pin lithium, tuy có lịch sử phát triển lâu đời và đã gặt hái được nhiều thành tựu to lớn trong ứng dụng, vẫn chưa thực sự hoàn thiện và đang trên con đường cải tiến hàng ngày. Vì vậy, những nhà khoa học trẻ, hãy vững chân tiếp bước trên con đường của mình! Để rồi một ngày nào đó, biết đâu có thể bạn sẽ là người được vinh danh trên bục đài nhận giải :)

Bonus cho các bạn hình ngọn lửa cháy ở môi trường không trọng lực nhé. Nguồn: NASA Science. Mình chưa từng suy nghĩ hay đặt câu hỏi về điều này (thiếu tố chất nhà khoa học là thế đấy), có bạn nào từng thắc mắc tương tự như bác Yoshino về hình ngọn lửa trong không gian vũ trụ sẽ như thế nào hay không?