Bạn đã từng chứng kiến kỹ thuật biến bột oxit thành tinh thể tổng hợp và sự kết hợp phức tạp của hai hoặc nhiều vật liệu trong lĩnh vực đồng hồ? Nếu chưa, Xin mời bạn đến với thế giới “giả kim” của nghệ thuật tổng hợp vật liệu.

Khi còn nhỏ, chúng ta luôn được dạy về sức mạnh của tập thể so với cá nhân, và có một câu chuyện phổ biến về chủ đề này: “một cây đũa rất dễ bị bẻ gãy, nhưng nếu gộp nhiều cây đũa lại với nhau thì chúng sẽ trở nên chắc chắn”. Hình ảnh thật tế rất dễ hiểu mà mắt thường có thể quan sát. Ngoài những hàm ý ẩn dụ ở đây, còn có rất nhiều vấn đề về kỹ thuật ứng dụng mà từ lâu con người đã tò mò về khả năng này.

Chúng tôi chọn cách tiếp cận trên không phải vì sự liên quan của nhau, mà vì chúng mang lại góc nhìn rõ ràng hơn. Ví dụ, hầu hết đồng hồ trong một bộ sưu tập giới hạn đặc biệt đều có bộ vỏ hay nền mặt số từ sợi carbon (có lẽ là vật liệu composite điển hình và nổi tiếng nhất trong ngành đồng hồ) và lắp mặt kính sapphire. Đối với sapphire, công bằng mà nói thì chưa ai từng có ý tưởng gia công cấu trúc từ sapphire hoặc thậm chí là sản xuất nhân tạo những tinh thể như vậy.

Thật vậy, cả vật liệu tổng hợp hay tinh thể nhân tạo đều có được nhờ những tiến bộ trong hóa học sau cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt là trong thế kỷ 19. Đương nhiên sẽ có phần nói về lịch sử và giới thiệu về tính khoa học đằng sau các vật liệu tổng hợp cùng tinh thể cụ thể được sử dụng trong lĩnh vực đồng hồ, nhưng trước tiên ta cần phải có một số định nghĩa.

Tính độc quyền được định nghĩa lại

Trong một số chuyên đề về vật liệu chế tác đặc biệt từng thực hiện, chúng tôi đã nhiều lần nhấn mạnh quan điểm về tính độc quyền và độ hiếm có. Điều quan trọng cần lưu ý, rằng các thương hiệu đồng hồ thích một câu chuyện hay, đặc biệt là có thể lồng ghép vào câu chuyện của bất kỳ thiết kế nào. Nói rộng hơn, toàn bộ ngành công nghiệp này đều đang ứng dụng kim loại (bao hàm cả hợp kim), high-tech ceramic, pha lê (chủ yếu là sapphire, về mặt kỹ thuật là khoáng chất ở dạng tinh thể), cùng vật liệu tổng hợp vào sản xuất và có nhiều lý do ẩn sau đó. Như bạn có thể tưởng tượng, những lý do ấy đều liên quan đến các đặc tính của vật liệu, rồi xa hơn là sự “huyền diệu” của khoa học vật liệu.

Kim loại quý là thứ không cần bàn cãi, bao gồm các hợp kim độc quyền khác nhau được quảng cáo là “vật liệu tốt nhất tiếp theo sau vàng”, ví dụ như Magic Gold – một loại hợp kim độc quyền của Hublot, được Maison đặt tên nhằm ngụ ý nhấn mạnh đặc tính ưu việt. Sở dĩ chúng tôi chọn Magic Gold để làm ví dụ vì chất liệu này nêu bật những hiểu lầm thường gặp về vật liệu tổng hợp, chủ yếu liên quan đến hợp kim, nhưng cũng có cả vật liệu vô định hình và ceramic. Để minh họa cho điều đó, đây là mô tả của ChatGPT khi nói về vật liệu tổng hợp:

“Vật liệu tổng hợp là loại vật liệu mới có tính chất được cải tiến hơn, cấu thành từ hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau. Các vật liệu riêng lẻ sẽ duy trì những đặc tính riêng biệt của chúng, nhưng cũng đồng thời hình thành một vật liệu mới có độ bền, độ cứng cao hơn và đảm bảo nhiều đặc tính mong muốn khác. Vật liệu tổng hợp có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, từ polyme, kim loại, high-tech ceramic hay cả vật liệu tự nhiên. Chúng thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, ô tô, xây dựng, y tế, thiết bị thể thao cũng như nhiều lĩnh vực khác”.

Định nghĩa này không sai về mặt kỹ thuật, nhưng thiếu đi các ví dụ cụ thể, từ “vật liệu” được lặp đi lặp lại giống như một loại thần chú nào đó. Để có một ví dụ hữu ích, thì ván ép là thứ mà hầu hết chúng ta đều biết rõ và cũng là một vật liệu tổng hợp. Ván ép có hiếm không? Điều đó sẽ làm rõ đề tài mà chúng ta đang xem xét, nhưng chắc chắn bạn sẽ thắc mắc tại sao vật liệu tổng hợp lại được ưa chuộng trong ngành đồng hồ cao cấp. Và làm thế nào để một loại vật liệu tổng hợp như thế này có thể trở thành vật liệu phù hợp để sản xuất bộ vỏ đồng hồ cao cấp?  Tất nhiên, ván ép không hiếm cũng không độc quyền và chưa có thương hiệu nào từng đưa ra ý tưởng làm ra một chiếc đồng hồ trị giá 3.500 USD trở lên bằng vật liệu này.

Tuy nhiên hãy tưởng tượng nếu bạn có một loại ván ép độc quyền – một loại gỗ được chế tạo riêng cho công ty của bạn, vì bạn đã đóng góp chất xám trong quá trình phát triển ban đầu. Hãy trở lại với Magic Gold, được phát triển độc quyền bởi EPFL cùng Hublot, đây là một sự kết hợp giữa vàng và ceramic – một hỗn hợp được gọi là ceramic kim loại, hoặc chính thức hơn là MMC (sẽ nói thêm về điều này sau), dĩ nhiên chỉ có Hublot được độc quyền sử dụng. Đây chắc chắn không phải là hỗn hợp ceramic kim loại duy nhất hiện có, mặc dù có một số nhầm lẫn về tên gọi vì những quy định chưa chặt chẽ và cách gọi MMC sẽ cụ thể hoặc sẽ chính xác hơn nhiều.

Cần một sự rõ ràng

Khi nói đến các vật liệu đang tạo nên xu hướng, chúng ta lại nói về Hublot – nơi nghiên cứu tính chất cơ bản của vật liệu gần như mỗi ngày. Mặc dù chúng tôi chọn Magic Gold để làm ví dụ cho vật liệu tổng hợp, nhưng nhà sản xuất này cũng nổi tiếng với bộ vỏ đồng hồ từ sapphire màu và gần đây là cho cả dây đeo. Chính xác, họ đã phát triển khá nhiều màu sắc mới cho sapphire ngay tại cơ sở nghiên cứu ở Nyon. Tinh thể là những vật liệu rắn chứa các nguyên tử cấu thành được tổ chức thành những mạng lưới có cấu trúc cao, đây chính là yếu tố để phân biệt chúng với kim loại.

Ví dụ, sapphire hay khoáng chất corundum, thực chất là nhôm oxit hay Al2O3, nhưng điều khiến nó trở thành tinh thể hoặc khoáng chất là cách các nguyên tử được sắp xếp. Đó là lý do tại sao bạn có thể đã nghe nói rằng “kim cương và than chì giống nhau”, ngoại trừ cấu trúc phân tử khác nhau. Tuy nhiên, trên thật tế thì kim cương và than chì hoàn toàn không giống nhau, còn tinh thể sapphire tổng hợp là tinh thể nhân tạo gồm alumina lại có đặc tính tương tự như sapphire tự nhiên, và thường xuất hiện trong nhiều ứng dụng đòi hỏi độ rõ quang học, khả năng chống trầy xước và độ bền cao.

Kể chuyện qua chất liệu

Không giống như vật liệu tổng hợp, con người chỉ phát minh ra tinh thể sapphire tổng hợp từ thế kỷ 19 và gần đây là tạo ra các tinh thể có kích thước lớn từ vật liệu này một cách hiệu quả (ví dụ như màn hình điện thoại thông minh và ống kính quang học). Ngay cả những tinh thể sapphire bảo vệ mặt số đồng hồ cũng được xem là có kích cỡ lớn. Điều đáng nói chính là, các tinh thể này có thể được xem là một dạng vật liệu tổng hợp, và đó cũng là lý do tại sao Hublot gọi các tinh thể sapphire có màu của họ là vật liệu tổng hợp.

Tinh thể sapphire có vị trí ưu việt trong ngành đồng hồ vì sở hữu các đặc tính riêng biệt, như độ cứng và độ trong suốt cao. Khi được hỏi về vấn đề này, Hublot nhấn mạnh đến khía cạnh duy trì độ bền vật liệu của tinh thể sapphire mà hãng phát triển. Điều này đưa chúng ta trở lại vấn đề các đặc tính của vật liệu có tầm quan trọng tối cao đối với mục đích chúng được sử dụng, hoặc có lẽ mục đích sử dụng đã quyết định vật liệu cụ thể được dùng. Một ví dụ về điều này là việc A. Lange & Söhne sử dụng vòng bi ceramic trong hệ thống lên dây cót tự động của mẫu Odysseus, điều này trở nên có ý nghĩa bởi tính chất thể thao của chiếc đồng hồ đó.

Và chúng ta cũng không cần giả vờ rằng phải có một loại vật liệu mới vì các nhà sưu tầm đồng hồ của thế kỷ 21 cần trang bị như thể anh ta sẽ lên sao Hỏa để làm nhiệm vụ… hoặc sẽ sử dụng mặt số Kevlar để hấp thụ tác động từ một viên đạn. Thông thường, những nhu cầu đó chỉ đơn giản là thỏa mãn cảm giác mạnh mẽ mà một loại vật liệu như vậy có thể mang lại, hay là vì khoảng thời gian mà nghệ nhân chế tác đã bỏ ra để điều chỉnh sao cho phù hợp để sử dụng trong đồng hồ đeo tay.

Đó là sự ám chỉ đến cả Hublot và Richard Mille – hai thương hiệu ủng hộ việc phát triển các vật liệu kỳ lạ trong ngành đồng hồ. Richard Mille với chiếc RM 009 nổi tiếng đã chứng minh rằng những chiếc đồng hồ trọng lượng siêu nhẹ sẽ là một lý do phù hợp cho mức giá cao đến khó tin nếu nhà sản xuất nỗ lực đúng mức. Đối với chúng tôi, nguyên nhân đến từ MMC (Metal Matrix Composite) độc quyền của Alusic được sử dụng trong RM 009, đó cũng là thời điểm chúng tôi phát hiện ra khoa học vật liệu có một vị trí tương đương trong lĩnh vực chế tạo đồng hồ truyền thống và cả về mặt quảng bá!

Nhiều hơn chỉ là tổng số

Dù chúng ta có thể nghĩ về vật liệu tổng hợp như một thứ gì đó tương lai hoặc tiên tiến, nhưng chúng thực sự đã đồng hành cùng chúng ta trong suốt nền văn minh của loài người. Theo bản năng, chúng ta có thể nghi ngờ tuyên bố này, nhưng chúng ta đã chứng minh được tính đơn giản của vật liệu tổng hợp. Bạn có thể không nghĩ rằng chiếc đồng hồ carbon cực kỳ hiện đại lại là hậu duệ của nền văn hóa Ai Cập cổ đại và văn minh Lưỡng Hà, rất có thể là các nền văn minh đã nghĩ đến việc kết hợp rơm rạ với bùn để tạo nên gạch.

Rất lâu trước khi khoa học vật liệu ra đời, tổ tiên của chúng ta đã phát hiện ra rằng có thể tạo ra vật liệu bền bỉ hơn bằng cách kết hợp một vài vật liệu khác cùng nhau và khiến chúng bền bỉ hơn khi tiếp xúc với một lượng nhiệt nhất định. Ở những nơi còn sản xuất và sử dụng gạch bùn truyền thống, người ta vẫn tạo nên chúng bằng cách hòa trộn hỗn hợp rơm và bùn rồi nung ở nhiệt độ cao. Điều này có lẽ xảy ra cùng thời với sự phát triển của đồ gốm và đó chắc chắn là kết quả của những thí nghiệm thực tế trên đất sét.

Vật liệu tổng hợp có thể tiếp tục là trụ cột trong xây dựng ở thế giới cổ đại, riêng bê tông có lẽ là ví dụ nổi bật nhất, ít nhất là trong mắt chúng ta. Theo nhiều tài liệu và không thiếu bằng chứng xác thực, người La Mã đã cực kỳ thành công nhờ bê tông. Họ không phải là những người đầu tiên sử dụng vật liệu này, nhưng công thức đặc biệt của họ được công nhận rộng rãi là có đặc tính gần nhất với những gì chúng ta sử dụng ngày nay. Điều này giúp mở rộng việc sử dụng vật liệu này để xây dựng cầu cảng cùng các công trình ngập nước – người La Mã là những người đầu tiên sử dụng loại bê tông (opus caementicium) có thể ngâm dưới nước, đây là đặc tính mà hiện tại chúng ta coi là đương nhiên.

Một số tàn tích hay công trình kiến trúc như đền Pantheon ở Rome, cũng như các thắng cảnh danh tiếng khác như Đấu trường La Mã vẫn còn tồn tại đến thế kỷ 21. Ở đây, chúng ta nên lưu ý rằng bê tông cũng chứng minh rằng vật liệu tổng hợp đôi khi cũng xuất hiện trong tự nhiên, ví dụ như con hà tiết ra một loại bê tông hữu cơ để tự liên kết với đá.

Thời gian trôi qua, vật liệu tổng hợp nhân tạo đã chứng tỏ bản thân ở khắp mọi nơi, kể cả trên chiến trường. Chiếc cung bằng vật liệu tổng hợp nổi tiếng của cung thủ người Mông Cổ đã đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra vương quốc lớn nhất thế giới. Những chiếc cung này bao gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, chẳng hạn như gỗ, sừng động vật, vải lụa, nhựa thông và gân động vật. Sự kết hợp của các vật liệu cho phép loại cung này thể hiện sức mạnh và hiệu suất vượt trội so với những chiếc cung đơn giản hoàn toàn bằng gỗ vốn được ưa chuộng vào thời điểm đó. Điều thú vị là đây có lẽ là lần đầu tiên từ “composite” thực sự xuất hiện trong các mô tả về vật liệu có thành phần hỗn hợp – ví dụ như bê tông, vốn không được gọi là hỗn hợp. Một số chiếc cung này có niên đại từ thế kỷ 12 Công Nguyên, đã được các nhà nghiên cứu phát hiện và kiểm tra chuyên sâu.

Trở lại với vật liệu tổng hợp, câu chuyện về sợi carbon cũng bắt đầu từ thế kỷ 19, nhưng theo một cách đáng ngạc nhiên khác. Nhà vật lý và nhà phát minh Joseph Swan đã sản xuất sợi carbon để dùng làm dây tóc trong bóng đèn vào năm 1860, nhưng cả ông và Thomas Edison – người cũng đã thực hiện một số công việc tiên phong với sợi carbon cho cùng mục đích, đều không nghĩ rằng vật liệu này có bất kỳ ứng dụng nào khác. Tuy nhiên, nỗi phấn khích trước sự phát triển trong thế giới vật liệu tổng hợp là điều có thể cảm nhận được trong thế kỷ 20, mặc dù mức độ có lẽ ít hơn những gì đang xảy ra với nhựa. Vật liệu tổng hợp carbon chưa bao giờ đạt đến mức giá thành thấp như nhựa, cũng như nhựa tổng hợp cũng không phải là một phần quan trọng của câu chuyện này.

Vào đầu thế kỷ 20, Leo Hendrick Baekeland đã mở ra kỷ nguyên của vật liệu tổng hợp đương đại khi ông phát minh ra Bakelite vào năm 1907. Đúng vậy, chính loại nhựa rắn tổng hợp này đã gây được tiếng vang khi xuất hiện trên vành bezel của Rolex GMT-Master vào nửa thế kỷ sau, tuy nhiên vật liệu này thậm chí còn rắn hơn vào năm 1907. Baekeland nhận thấy ông có thể làm dẻo và tăng độ bền cho nhựa tổng hợp bằng cách kết hợp nó với xenlulo. Các loại nhựa ngày càng tốt hơn tiếp tục xuất hiện, bao gồm cả nhựa polyester vào những năm 1930 của Cyanamid và DuPont của Mỹ.

Gần như cùng lúc đó, công ty Thủy tinh Owens-Illinois đã phát triển thứ mà sau này trở thành sợi thủy tinh – vật liệu tổng hợp được sử dụng rộng rãi nhất ngày nay bên cạnh bê tông và xi măng. Sự phát triển ban đầu đó cho thấy nếu thủy tinh được kéo thành sợi hoặc sợi mỏng, rồi dệt thành hình dạng giống vải và kết hợp cùng các loại nhựa tổng hợp mới hơn, thì kết quả thu được chính là các loại vật liệu cấp tiến có độ bền cao và trọng lượng nhẹ hơn.

Bài Ashok Soman

Chuyển ngữ Vincent Pham