Samuel Kistler sáng tạo vật liệu rắn siêu nhẹ aerogel

Aerogel là tên gọi chung của các loại vật liệu tổng hợp siêu nhẹ, xốp có thành phần cấu tạo chứa đến 99,8% không khí. Điều này khiến chúng được mệnh danh là “khói đông lạnh”. Vật liệu silica aerogel từng giữ kỷ lục Guinness thế giới về chất rắn có tỷ trọng thấp nhất tính đến năm 2012.

Các tính chất nổi bật của aerogel khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng khoa học và công nghiệp, chẳng hạn như các thí nghiệm thu giữ bụi vũ trụ trong không gian, chế tạo vật liệu cách nhiệt cho robot thám hiểm sao Hỏa của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) và bộ tản nhiệt trong một số máy dò hạt. Người đầu tiên tạo ra aerogel là nhà hóa học Samuel Kistler.

Kistler sinh ra tại thị trấn Cedarville, California (Mỹ) vào năm 1900. Cha của ông là một chủ cửa hàng kinh doanh. Lúc còn trẻ, ông rất thích tìm hiểu về những con ngựa hoang và muốn trở thành cao bồi. Vào năm 12 tuổi, cha của ông đã bán cửa hàng và gia đình chuyển đến sống tại thành phố Santa Rosa. Ở trường trung học, ông yêu thích môn hóa học nên thường xuyên tham gia các lớp học thêm đại học về môn này bên cạnh chương trình phổ thông của mình.

Khi bắt đầu học tại trường Đại học Thái Bình Dương vào năm 1917, Kistler dự định sẽ theo chuyên ngành về nông nghiệp và tìm hiểu cách chơi đàn cello. Nhưng kế hoạch này đã thay đổi ba năm sau đó, và ông chuyển đến Đại học Stanford (Mỹ) để hoàn thành bằng cử nhân hóa học. Sau khi tốt nghiệp, ông làm việc tại Công ty Standard Oil ở California. Một năm sau, ông trở lại trường Đại học Thái Bình Dương để dạy môn hóa học trước khi chuyển đến Đại học Illinois vào năm 1931.

Không rõ chính xác khi nào Kistler thành công trong việc chế tạo aerogel đầu tiên của mình, hoặc thậm chí là ở đâu: trường Đại học Thái Bình Dương, nơi có cơ sở thí nghiệm hạn chế, hay Đại học Stanford, nơi Kistler lấy bằng tiến sĩ. Luận án của ông liên quan đến sự kết tinh của các axit amin từ chất lỏng siêu tới hạn. Ông đã công bố một vài bài báo vào cuối những năm 1920 về vấn đề sử dụng gel ướt để làm vật liệu lọc.

Một số tài liệu viết rằng, ý tưởng ban đầu về aerogel của Samuel Kistler lấy cảm hứng từ một cuộc cá cược với nhà khoa học đồng nghiệp Charles Learned về khả năng thay thế chất lỏng bên trong lọ thạch bằng chất khí mà không làm nó bị co ngót lại, hoặc giảm thể tích.

Chúng ta biết rằng aerogel là trọng tâm nghiên cứu của Kistler vào thời điểm ông chuyển đến Đại học Illinois. Ông sử dụng một quá trình gọi là “làm khô siêu tới hạn” để tạo ra vật liệu aerogel. Đầu tiên, ông khiến chất lỏng chuyển sang trạng thái chất lỏng siêu tới hạn bằng cách tăng nhiệt độ và áp suất. Sau đó, ông giảm áp suất, làm bay hơi và loại bỏ chất lỏng bên trong lọ thạch, chỉ để lại chất rắn xốp. Ông đã công bố kết quả thí nghiệm về aerogel trong bài báo có tựa đề “Coherent Expanded Aerogels and Jellies” trên tạp chí Nature vào ngày 16/5/1931.

Tuy nhiên, vật liệu aerogel gần như bị lãng quên trong ba thập kỷ tiếp theo. Nguyên nhân là do quá trình tạo ra nó mất nhiều công sức và tốn kém, cũng như có khả năng gây nổ. Ngoài ra, phản ứng điều chế aerogel cần sử dụng đến các chất độc hại. Về đặc tính, aerogel có màu đục chứ không trong suốt. Mặc dù một số vật liệu aerogel đầu tiên thể hiện khả năng chịu nhiệt nhưng chúng vẫn không đủ tốt để thương mại hóa.

Năm 1935, Kistler rời Đại học Illinois và trở thành giám đốc nghiên cứu của Công ty Norton. Hầu hết các bằng sáng chế của ông đều được đăng ký từ thời điểm này, bao gồm việc tạo ra một loại polymer chống xước cho kính mắt. Ông cũng là thành viên quan trọng trong nhóm phát triển và sản xuất kim cương nhân tạo của công ty.

Kistler đã hợp tác với công ty Monsanto vào đầu những năm 1940 để phát triển các sản phẩm silica aerogel như một chất làm mờ [giúp giảm độ sáng] trong sơn và vecni, sử dụng làm chất cô đặc trong bom Napan, và là một thành phần để tạo ra cao su silicone. Cõ lẽ vì chi phí sản xuất silica aerogel quá đắt đỏ và sự cạnh tranh ngày càng tăng từ các vật liệu cách nhiệt khác, công ty Monsanto đã ngừng sản xuất dòng sản phẩm silica aerogel với tên gọi “Santocel” vào năm 1970.

Kistler chuyển đến Đại học Utah vào năm 1952 và trở thành trưởng khoa kỹ thuật, nơi ông tiếp tục giảng dạy và thực hiện các nghiên cứu cho đến khi nghỉ hưu. Ông là người ủng hộ mạnh mẽ hoạt động giáo dục khoa học và tầm quan trọng của nó đối với xã hội.

“Chúng ta cần thừa nhận rằng công nghệ không có đạo đức. Nó phục vụ cái ác hiệu quả như nó phục vụ cái thiện. Do đó, chúng ta phải chịu trách nhiệm về việc sử dụng công nghệ một cách hợp lý và đạo đức”, Kistler nói với các kỹ sư tốt nghiệp tại Đại học Utah vào năm 1965.

Kistler qua đời tại thành phố Salt Lake vào ngày 6/11/1975, ngay trước khi vật liệu aerogel bắt đầu được quan tâm trở lại. Một phần là do các nhà khoa học Pháp đã tìm ra phương pháp sản xuất aerogel an toàn và hiệu quả hơn vào năm 1980.

Ngày nay, giới khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu aerogel mới với nhiều đặc tính ưu việt để ứng dụng vào mọi lĩnh vực của đời sống.

Ví dụ vào năm 2018, nhóm nghiên cứu tại Đại học Newcastle (Anh) đã tạo ra một loại aerogel mới có cấu trúc phân lớp, xốp, mô phỏng theo cấu trúc của cánh chuồn chuồn. Khi chuồn chuồn thoát khỏi giai đoạn ấu trùng, cánh của chúng bị ướt và giống như gel. Tuy nhiên, chuồn chuồn có khả năng tiết ra các bicarbonate, phân tử có khả năng giải phóng khí CO2 để loại bỏ tất cả hơi ẩm còn sót lại trên cánh. Các nhà khoa học ở Đại học Newcastle đã bắt chước quá trình này bằng cách sử dụng baking soda, thay vì sử dụng nhiệt độ và áp suất cao để làm khô silica.