Katharine Burr Blodgett: người phụ nữ đứng sau kính không phản chiếu

Một tấm kính càng trong đôi khi lại càng gây chú ý, bởi ánh đèn, khuôn mặt và cảnh vật phía sau người quan sát đều có thể hiện lên trên bề mặt. Katharine Burr Blodgett đã tìm ra cách làm những phản xạ ấy gần như biến mất bằng các lớp màng có độ dày được kiểm soát ở cấp độ phân tử. Bà không khiến vật liệu trở nên vô hình theo nghĩa đen; bà làm cho kính bớt tự phô bày trước mắt người nhìn. Phát minh tại General Electric này bắt đầu từ nghiên cứu bề mặt của Irving Langmuir, rồi đi vào điện ảnh, thiết bị quân sự và nhiều sản phẩm quang học quen thuộc. [1]

Katharine Burr Blodgett là ai?

Blodgett sinh năm 1898 trong một gia đình đã có mối liên hệ với General Electric. Cha bà là luật sư bằng sáng chế của công ty nhưng bị sát hại chỉ vài tuần trước khi con gái chào đời. Từ nhỏ, Blodgett đã thể hiện năng lực học tập nổi bật: bà nhận học bổng vào Bryn Mawr College khi mới 15 tuổi. Con đường ấy quan trọng không chỉ vì thành tích cá nhân. Vào thời phụ nữ còn ít xuất hiện trong các phòng thí nghiệm công nghiệp, việc theo đuổi vật lý và hóa học đã đưa bà tới một môi trường có khả năng biến hiểu biết khoa học thành công nghệ thực tế. [1]

Trong năm cuối đại học, Blodgett được nhà hóa lý Irving Langmuir dẫn thăm các phòng nghiên cứu của General Electric. Langmuir từng là đồng nghiệp của cha bà và khuyến khích bà học tiếp trước khi xin vào công ty. Sau khi lấy bằng thạc sĩ vật lý tại Đại học Chicago năm 1918, Blodgett bắt đầu làm việc cùng ông vào cuối năm đó, trở thành nữ khoa học gia đầu tiên được General Electric tuyển dụng. Sự hỗ trợ của Langmuir mở cánh cửa, nhưng hướng đi riêng của Blodgett chỉ hình thành khi bà biến nghiên cứu bề mặt của người cố vấn thành một phương pháp chế tạo có thể kiểm soát. [1]

Một lớp dày một phân tử có gì đặc biệt?

Langmuir nghiên cứu cách các chất bám vào nhau ở cấp độ phân tử. Ông đã phát triển phương pháp tạo màng trên mặt nước chỉ dày một phân tử. Có thể hình dung bằng một ví dụ đơn giản: một lượng dầu rất nhỏ lan trên nước, ngày càng mỏng cho tới khi tương tác giữa các phân tử hạn chế sự lan rộng. Điểm đáng chú ý không nằm ở việc lớp màng trông mong manh, mà ở khả năng tổ chức vật chất thành một lớp có độ dày xác định. Khi bề mặt có thể được tạo ra có chủ đích, nó không còn chỉ là ranh giới thụ động giữa hai môi trường. [1]

Blodgett cùng Langmuir mở rộng cách tiếp cận này sang nhiều loại lipid, polymer và protein. Bước tiến riêng của bà là tìm cách chuyển rồi xếp các màng mỏng lên một vật rắn. Bà nhúng một tấm kim loại qua mặt nước đã phủ lớp dầu; mỗi lần nhúng có thể bổ sung thêm một lớp. Lặp lại thao tác cho phép các lớp chồng lên nhau thay vì tạo thành một màng có độ dày ngẫu nhiên. Nhờ vậy, độ dày cuối cùng có thể được điều chỉnh theo số lớp, tới mức kiểm soát theo từng phân tử. Một thao tác có vẻ đơn giản đã trở thành công cụ chế tạo cực kỳ tinh tế. [1]

Vì sao lớp phủ làm kính gần như “vô hình”?

Kính thông thường cho ánh sáng đi qua nhưng cũng phản xạ một phần ánh sáng về phía người quan sát. Vì thế, người nhìn có thể thấy cả vật ở bên kia kính lẫn hình ảnh phản chiếu trên bề mặt. Với cửa sổ, điều này đôi khi chỉ gây khó chịu; với ống kính máy quay, máy chiếu hoặc thiết bị quan sát, phản xạ có thể che chi tiết mà người dùng cần thấy. Bài toán của Blodgett không phải loại bỏ tấm kính, mà là hạn chế phần ánh sáng phản xạ trong khi vẫn giữ đường nhìn xuyên qua nó. [1]

Blodgett phủ màng lên cả hai mặt kính và điều chỉnh độ dày của các lớp. Ở cấu hình thích hợp, ánh sáng nhìn thấy phản xạ từ lớp phủ triệt tiêu ánh sáng phản xạ từ kính. “Triệt tiêu” ở đây có thể hiểu là hai phần phản xạ không còn cộng lại thành một hình ảnh nổi bật trước mắt. Kết quả là bề mặt ít lóa hơn và kính dường như biến mất khỏi đường nhìn. Tên gọi “kính vô hình” vì vậy mô tả hiệu ứng thị giác của lớp phủ, không phải một vật liệu có khả năng tàng hình hay làm mọi vật phía sau biến mất. [1]

Điện ảnh đã cho thấy phát minh này làm được gì?

Một trong những lần xuất hiện đáng nhớ nhất của công nghệ này gắn với Gone with the Wind. Theo Science History Institute, bộ phim ra mắt năm 1939 là tác phẩm màu quy mô lớn đầu tiên được trình chiếu qua hệ thống ống kính và lớp phủ dựa trên công trình của Blodgett. Khi giảm các phản xạ không mong muốn trong máy quay và máy chiếu, hệ quang học có thể truyền hình ảnh rõ hơn tới màn bạc. Khán giả không cần nhìn thấy lớp màng để nhận ra kết quả; điều họ thấy là hình ảnh trong và ít bị ánh sáng thừa làm suy giảm. [1]

Trường hợp điện ảnh cũng cho thấy một nghịch lý thú vị của phát minh quang học: lớp phủ càng làm tốt nhiệm vụ, nó càng ít bị nhận ra. Một chi tiết cơ khí mới có thể được nhìn thấy và gọi tên, còn màng chống phản chiếu chỉ biểu hiện qua sự vắng mặt của lóa sáng. Sau thành công ban đầu, ống kính không phản chiếu tiếp tục được dùng trong máy quay và máy chiếu phim màu, góp phần làm trải nghiệm hình ảnh sau chiến tranh thuyết phục hơn. Công nghệ đứng giữa cảnh phim và khán giả, nhưng mục tiêu của nó là không để lại dấu vết dễ thấy. [1]

Từ chiến trường đến quang học hiện đại

Trong Thế chiến II, kính của Blodgett được dùng trong máy ảnh trinh sát trên máy bay và kính tiềm vọng tàu ngầm. Đây là những thiết bị mà độ rõ của hình ảnh có ý nghĩa trực tiếp: người quan sát cần phân biệt cảnh vật qua nhiều bề mặt quang học, trong điều kiện không phải lúc nào cũng thuận lợi. Bà còn có các đóng góp khác cho thời chiến. Nghiên cứu trước đó về tính chất của than hỗ trợ cải thiện mặt nạ phòng độc và màn khói; bà cũng phát triển một kỹ thuật khử băng trên cánh máy bay, giúp phi công hoạt động trong những điều kiện từng quá nguy hiểm. [1]

Ảnh hưởng lâu dài của Blodgett nằm ở tư duy kiểm soát bề mặt bằng những lớp vật chất cực mỏng. Kính không phản chiếu dựa trên khám phá của bà hiện diện trong màn hình máy tính, kính mắt, kính chắn gió và nhiều bề mặt cần độ trong cao. Các màng mỏng ấy còn tiếp tục được nghiên cứu cho vi mạch và cảm biến. Công trình của Blodgett nhắc rằng một phát minh không nhất thiết phải thêm vào thứ gì dễ nhận thấy. Đôi khi, bước tiến quan trọng lại là loại bỏ một trở ngại rất nhỏ giữa mắt người và thế giới: phần ánh sáng phản xạ trên một bề mặt tưởng như đã hoàn toàn trong suốt. [1]