Chất chống dính Teflon: Một phát hiện tình cờ

Năm 1938, nhà hóa học người Mỹ Roy J. Plunkett đã tình cờ phát hiện ra hợp chất polytetrafluoroethylene (PTFE), một loại polyme có nhiều đặc tính nổi trội sau này được đăng ký với tên nhãn hiệu là Teflon.

Plunkett sinh ra ở bang Ohio (Mỹ) vào năm 1910. Ông lớn lên trong hoàn cảnh nghèo khó và theo học trường Đại học Manchester tại bang Indiana. Trong thời gian đi học, ông ở cùng phòng với Paul Flory – người sau này đoạt giải Nobel vì những đóng góp quan trọng cho lý thuyết về polyme.

Giống như Flory, Plunkett tiếp tục hoàn thành chương trình đào tạo tiến sĩ tại Đại học Bang Ohio Luận án của ông đã giải thích cơ chế của quá trình oxy hóa carbohydrate. Năm 1936, sau khi nhận bằng tiến sĩ, ông gia nhập công ty E.I. du Pont de Nemours (nay được gọi là DuPont) với tư cách là một nhà khoa học nghiên cứu, nơi ông làm việc trong suốt phần đời còn lại.

Nghiên cứu ban đầu của Plunkett tại Phòng thí nghiệm Jackson của DuPont liên quan đến việc điều chế các chất làm lạnh chlorofluorocarbon mới. Ông hy vọng sẽ tạo ra hợp chất không độc, không cháy để thay thế các chất làm lạnh có tác động xấu đến môi trường và sức khỏe như lưu huỳnh dioxide (SO2) và amoniac (NH3).

Trong một lần điều chế khí tetrafluoroethylen (TFE), ông đã cố gắng cất giữ loại khí này trong một bình chứa hình trụ nặng 1kg và bảo quản lạnh trong đá khô trước khi cho nó tham gia vào phản ứng clo hóa [Chú thích: đá khô là dạng rắn của carbon dioxide (CO2)].

Sáng ngày 6/4/1938, Plunkett yêu cầu hai trợ lý Jack Rebok và Robert McHarness thiết lập một bộ dụng cụ thí nghiệm bao gồm bình khí nén TFE đã bảo quản trước đó. Theo lý thuyết, khi van của bình chứa được mở, khí TFE sẽ thoát ra ngoài do áp suất trong bình lớn. Nhưng thực tế không có khí thoát ra và khối lượng bình chứa cũng không thay đổi. Plunkett nhanh chóng nhận ra rằng bên trong bình không còn khí TFE. Ông lật ngược nó lại và một lớp bột trắng rơi xuống sàn trong phòng thí nghiệm.

Cuối cùng, Plunkett quyết định cưa đôi bình khí nén TFE và quan sát thấy nhiều bột hơn bám chặt dưới đáy và thành bình.

Sau khi kiểm tra, Plunkett phát hiện khí TFE đã xảy ra phản ứng trùng hợp, tạo thành một chất rắn như sáp gọi là polytetrafluoroethylen (PTFE). Bề mặt sắt bên trong bình chứa đóng vai trò như một chất xúc tác. Đây là điều mà lý thuyết hóa học thịnh hành thời điểm đó không dự đoán được.

Ban đầu, Plunkett coi thí nghiệm của mình là một thất bại. Nhưng sau khi kiểm tra tính chất hóa học của PTFE, ông nhận thấy nó có một số đặc tính đáng chú ý. Ví dụ, nó có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt cao, cũng như có độ ma sát bề mặt rất thấp.

“Anh ấy gần như ngay lập tức nhận ra rằng vật liệu PTFE rất khác biệt và có nhiều ứng dụng tiềm năng”, Lois, vợ của Plunkett, nói với tờ The New York Times vào năm 1994.

Sau đó không lâu, các nhà hóa học và kỹ sư khác đã tìm cách khai thác những tính chất chất hóa học nổi trội của PTFE, mặc dù ban đầu quá trình sản xuất nó khá tốn kém và hợp chất này cũng không dễ tạo hình trong khuôn đúc. Nhóm nghiên cứu làm việc cho Dự án Manhattan của Mỹ đã sử dụng PTFE trong quá trình chế tạo bom nguyên tử. Đặc tính chống ăn mòn của PTFE tỏ ra khá hữu ích khi người ta dùng nó làm lớp phủ cho các van và một số bộ phận khác trong các ống chứa uranium hexafluoride (UF6) có mức độ phản ứng cao tại nhà máy làm giàu uranium ở Oak Ridge, bang Tennessee.

Năm 1945, Công ty Kinetic Chemicals – đối tác kinh doanh của DuPont và General Motors – đã đăng ký PTFE với tên nhãn hiệu là Teflon. Dây chuyền sản xuất PTFE của Kinetic Chemicals mỗi năm tạo ra khoảng 900 tấn Teflon.

Vào những năm 1950, các nhà khoa học đã phát minh ra chất đồng trùng hợp (copolymer) giữ được hầu hết các đặc tính hóa học và cơ học mong muốn của PTFE nhưng lại dễ dàng đúc hoặc ép đùn hơn, từ đó mở ra nhiều ứng dụng thực tế hơn.

Năm 1954, kỹ sư người Pháp Marc Grigoire tạo ra chiếc chảo chống dính đầu tiên phủ PTFE với tên thương hiệu là Tefal, theo gợi ý của vợ ông. Năm 1961, doanh nhân trẻ Marion A. Trozzolo đã bán ra thị trường loại chảo chống dính PTFE đầu tiên do Mỹ sản xuất tên là “The Happy Pan” (Chảo Hạnh phúc). Kể từ đó, dụng cụ nấu ăn chống dính dần trở thành một sản phẩm gia dụng phổ biến và được cung cấp bởi hàng trăm nhà sản xuất trên toàn thế giới.

Ngày nay, người ta sử dụng Teflon trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, ví dụ như cần gạt nước ô tô; chất chống bám bẩn trên thảm, đồ nội thất và quần áo; dùng trong bóng đèn; thậm chí ngay cả một số sản phẩm chăm sóc tóc. Trong lĩnh vực y tế, nó được sử dụng như một loại vật liệu cấy ghép trong các ca phẫu thuật và làm lớp phủ của ống thông, bởi vì nó ngăn không cho vi khuẩn và các tác nhân lây nhiễm khác bám vào bề mặt. Teflon cũng là một thành phần phổ biến trong các loại sơn chống chịu thời tiết.

Thành phố Philadelphia đã trao tặng Huân chương John Scott cho Plunkett vào năm 1951 để tôn vinh những đóng góp của ông trong việc phát hiện ra hợp chất Teflon, một phát minh đã đóng góp vào “sự thoải mái, phúc lợi và hạnh phúc của nhân loại”. Những người tham dự buổi lễ trao huy chương thậm chí còn được nhận một hộp bánh nướng phủ Teflon miễn phí.

Plunkett tiếp tục công việc sản xuất chì tetraetyl – một loại phụ gia của xăng – và freon tại công ty DuPont trước khi nghỉ hưu năm 1975. Ông vinh dự được ghi tên vào Hội trường Danh vọng Các nhà phát minh Quốc gia Mỹ (NIHF) vào năm 1985.