Neon: Từ khí vô hình đến ánh sáng định hình các đô thị thế kỷ 20
Neon ở trạng thái bình thường gần như vô hình và không mùi. Chỉ khi bị giữ trong một ống thủy tinh rồi kích thích bằng điện, nó mới hiện ra thành ánh đỏ cam đặc trưng. Nghịch lý ấy giải thích vì sao một chất khí không màu lại có thể trở thành dấu hiệu dễ nhận biết của các đại lộ, rạp hát, quán ăn và cửa hiệu thế kỷ 20. [1]
Câu chuyện của neon không bắt đầu trong một xưởng làm biển quảng cáo, mà trong nỗ lực tách những thành phần hiếm hoi ẩn trong không khí. Từ phòng thí nghiệm, nó đi qua ống phóng điện, trở thành chữ viết bằng ánh sáng, rồi tiếp tục xuất hiện trong máy tính điện tử để bàn và các mạch điện tử đời đầu. [1]
Tìm khí hiếm trong không khí
Cuối thế kỷ 19, nhà hóa học Scotland William Ramsay cùng các cộng sự theo đuổi những phần còn sót lại sau khi oxy và nitơ đã bị loại khỏi không khí. Họ dùng phản ứng hóa học, nhiệt và vật liệu hấp thụ để thu hẹp dần hỗn hợp ban đầu. Phần khí còn lại được nhận diện là argon, một nguyên tố gần như không kết hợp với các nguyên tố khác. [1]
Argon cho thấy không khí còn chứa những thành phần hiếm hơn. Năm 1898, Ramsay và Morris W. Travers làm lạnh argon đến dạng lỏng rồi gia nhiệt từ từ. Những phần sôi ở các nhiệt độ khác nhau giúp họ tách thêm neon, krypton và xenon. Nhóm nguyên tố này về sau được gọi là khí hiếm, bởi tính “kiệm lời” về mặt hóa học: chúng ít muốn liên kết với nguyên tử khác. [1]
Vì sao ống neon phát sáng?
Bản thân neon không tự phát sáng trong không khí. Khi được nạp vào ống thủy tinh kín và đặt dưới điện áp đủ lớn, dòng điện kích thích các hạt trong khí. Khi trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, chúng phát ra ánh sáng có màu đặc trưng. Với neon, màu nổi bật là đỏ, cam và vàng, thường được cảm nhận như một ngọn lửa đỏ cam liên tục. [1]
Chiếc ống thủy tinh giữ vai trò rất quan trọng. Nó gom khí vào một không gian kiểm soát được, còn các điện cực ở hai đầu đưa năng lượng vào bên trong. Người chế tạo phải hút bớt không khí, làm sạch thành ống bằng điện áp cao, bơm một lượng khí nhỏ rồi hàn kín. Các điện cực lớn hơn và mát hơn giúp ống sáng ổn định hơn, thay vì sớm chập chờn do tạp chất hoặc kim loại bám quanh điện cực. [1]
Từ thí nghiệm thành chữ viết bằng ánh sáng
Georges Claude là người biến hiện tượng đó thành hệ thống chiếu sáng có thể sử dụng. Ông cải tiến ống phóng điện chứa neon, đăng ký bằng sáng chế đầu tiên của mình về đèn neon năm 1910 và trình diễn nó tại một triển lãm ô tô ở Paris vào tháng 12 cùng năm. Ánh đỏ cam khi ấy không thật phù hợp để chiếu sáng chung, nhưng lại có lợi thế lớn trong quảng cáo: nổi bật, dễ nhìn và có thể uốn thành đường nét. [1]
Biển neon thương mại đầu tiên xuất hiện tại một hiệu cắt tóc ở Paris năm 1912. Sau đó, kỹ thuật này lan sang các thành phố lớn. Tại Los Angeles, hai biển hiệu Packard bằng ống neon màu cam với đường viền xanh đã gây chú ý mạnh khi được lắp cho một đại lý ô tô vào năm 1923. Những biển hiệu như vậy gắn neon với văn hóa xe hơi, nhà hàng ven đường, khách sạn và đời sống về đêm. [1]
Một biển neon không chỉ là ống được uốn thành chữ. Người thợ phải nung thủy tinh, tạo các đoạn cong, gắn điện cực, hút khí, làm sạch bên trong và điều chỉnh thành phần khí. Màu sắc có thể thay đổi nhờ khí khác, hỗn hợp khí, thủy ngân, lớp phủ hoặc màu của ống. Vì vậy, một biển quảng cáo phát sáng xanh, tím hay trắng không nhất thiết chứa riêng neon; tên gọi phổ biến đôi khi rộng hơn thành phần thực tế. [1]
Neon bước vào máy tính
Ánh sáng chỉ là một phần câu chuyện. Trong một ống neon, điện áp để bật sáng cao hơn điện áp cần thiết để duy trì trạng thái đang sáng. Đặc tính này cho phép mạch điện giữ ống ở vùng trung gian: một thay đổi nhỏ của điện áp có thể điều khiển dòng điện. Khi được kết nối theo quy tắc phù hợp, ống có thể hoạt động như một công tắc nhị phân, tức một bộ phận chỉ xử lý hai trạng thái cơ bản. [1]
Nhờ vậy, các ống chứa neon từng tham gia vào mạch số, thiết bị đếm và máy tính đời đầu. Nixie tube là một dạng hiển thị nhỏ, trong đó các dây kim loại uốn thành chữ số hoặc ký hiệu nằm chồng lên nhau; khi có điện, ký tự được chọn phát sáng. Các máy tính điện tử để bàn ANITA Mk VII và Mk VIII dùng những ống chuyển mạch chứa neon cho logic tính toán và hiển thị kết quả bằng các con số sáng rõ. [1]
Ứng dụng này cho thấy một vật liệu có thể đổi vai trò theo cách điều khiển nó. Cùng một hiện tượng phóng điện tạo ra chữ trên mái nhà cũng có thể biểu diễn trạng thái trong mạch. Tuy nhiên, lợi thế ấy không kéo dài mãi. Từ thập niên 1970, transistor dần thay thế ống neon trong mạch chuyển mạch, còn điốt phát quang (LED) dần thay thế nhiều ống hiển thị Nixie. [1]
Vì sao neon vẫn chưa biến mất?
Thời kỳ hoàng kim của các biển neon khổng lồ kết thúc tương đối sớm. Những đợt tắt đèn thời chiến khiến nhiều biển hiệu không được bật lại; sau đó, biển nhựa và các loại đèn khác cung cấp lựa chọn rẻ hơn, dễ bảo trì hơn. Nhiều biển lớn bị tháo dỡ, nhưng người sưu tầm, nghệ sĩ và thợ làm biển đã giữ lại kỹ thuật uốn ống thủ công. [1]
Từ cuối thập niên 1970, neon có một đợt hồi sinh quy mô nhỏ. Các kiến trúc sư dùng nó để nhấn vào không gian, nghệ sĩ biến ống sáng thành tác phẩm, còn những người yêu đồ điện tử phục chế Nixie tube cho đồng hồ và thiết bị mang phong cách hoài cổ. Neon vì thế không còn là công nghệ thống trị, nhưng vẫn có một đặc điểm khó thay thế: ánh sáng xuất hiện ngay trong đường cong của vật liệu. [1]
Nhìn một biển hiệu đỏ cam, ta thường nghĩ đến quảng cáo trước khi nghĩ đến hóa học. Nhưng vẻ rực rỡ ấy là kết quả của một chuỗi chuyển đổi rất cụ thể: khí hiếm được tách từ không khí, đặt trong ống kín, kích thích bằng điện rồi uốn thành hình ảnh. Neon không làm ra mọi màu ánh sáng của đô thị, song nó đã giúp con người học cách viết bằng chính sự phóng điện. [1]