Khi bộ chip len lỏi vào từng thớ vải trên trang phục viễn tưởng

Trong nhiều thập kỷ, giấc mơ ấy bị chặn đứng bởi một rào cản vật lý tưởng chừng không thể phá vỡ: sự xung khắc giữa cơ thể mềm mại của con người và bản chất cứng nhắc, giòn tan của con chip điện tử. Nhưng rào cản đó vừa chính thức được gỡ bỏ tại Thượng Hải. Các nhà khoa học từ Đại học Phúc Đán (Fudan University) vừa công bố trên tạp chí Nature một thành tựu có thể coi là phép màu của kỹ thuật vật liệu: họ đã chế tạo thành công "chip dạng sợi".

Lần đầu tiên trong lịch sử, những mạch điện tích hợp chứa hàng ngàn bóng bán dẫn không còn nằm trên những tấm silicon phẳng lì, lạnh lẽo mà được cuộn tròn, mềm mại như một sợi tóc, sẵn sàng để dệt, giặt, vò nát và thậm chí chịu sức nặng của một chiếc xe tải cán qua mà vẫn "sống sót".

Bài viết này sẽ đưa bạn đi sâu vào phòng thí nghiệm để giải mã bí thuật giúp con người "bẻ cong" silicon, biến quần áo trở thành bộ não kỹ thuật số thứ hai của loài người.

Tại sao chip truyền thống "dị ứng" với cơ thể người?

Để hiểu được sự vĩ đại của cú đột phá này, trước hết chúng ta cần nhìn lại "nỗi đau" của ngành công nghiệp bán dẫn suốt nửa thế kỷ qua. Kể từ khi những con chip đầu tiên ra đời, chúng đã bị cầm tù trên những tấm wafer silicon phẳng.

Silicon, nguyên liệu nền tảng của thế giới số, là một chất liệu tuyệt vời về mặt điện tử nhưng lại là một thảm họa về mặt cơ học. Nó cứng như đá và giòn như thủy tinh. Trong ngôn ngữ vật lý, chúng ta nói đến sự chênh lệch về "Mô-đun Young", thước đo độ cứng của vật liệu. Tấm silicon có mô-đun Young cực lớn, trong khi cơ thể con người và vải vóc lại có mô-đun Young cực thấp. Sự chênh lệch này tạo ra cái gọi là "sự khập khiễng về cơ học".

Hãy tưởng tượng bạn cố gắng dán một tấm kính mỏng lên một quả bóng cao su đang liên tục co bóp. Chỉ cần một cử động nhỏ, tấm kính sẽ vỡ tan tành hoặc bong ra ngay lập tức. Đó chính là lý do tại sao các thiết bị đeo (wearables) hiện nay như đồng hồ thông minh hay vòng tay sức khỏe thực chất chỉ là những "cục gạch" cứng được buộc vào cổ tay bằng một sợi dây mềm. Chúng ta đang "đeo" đồ điện tử chứ không phải "mặc" đồ điện tử. Các kỹ sư trước đây đã từng cố gắng tạo ra vải điện tử, nhưng họ chỉ dừng lại ở mức dệt các sợi dẫn điện đơn giản để làm cảm biến hoặc phát sáng đèn LED.

Giấc mơ tích hợp khả năng tính toán logic, tức là đưa cả một CPU vào sợi chỉ, vẫn luôn thất bại. Bởi lẽ, để tạo ra một con chip xử lý, bạn cần khắc quang khắc hàng triệu bóng bán dẫn với độ chính xác nano lên một bề mặt phẳng tuyệt đối. Sợi vải thì ngược lại, dưới kính hiển vi, bề mặt của chúng gồ ghề, lồi lõm như những dãy núi, khiến việc khắc mạch điện trở thành nhiệm vụ bất khả thi.

Chính vì thế, đột phá của nhóm nghiên cứu tại Đại học Phúc Đán không nằm ở việc họ tìm ra một vật liệu mới thay thế silicon, mà là họ đã tìm ra cách "thuần hóa" silicon, buộc nó phải tuân theo quy luật mềm mại của vải vóc mà không đánh mất đi sức mạnh tính toán vốn có. Họ đã giải được bài toán hóc búa: Làm sao để xây dựng những tòa nhà chọc trời (bóng bán dẫn) trên một nền đất liên tục rung chuyển (sợi vải co giãn)?

Bí thuật "Xoắn ốc đa lớp": Xây lâu đài trên sợi tóc và nguyên lý chiếc lò xo

Giáo sư Peng Huisheng và các cộng sự đã không chọn cách đối đầu trực diện với độ cứng của silicon, mà họ chọn cách "nhu đạo", nương theo lực để hóa giải lực. Bí mật của công nghệ chip sợi nằm ở một kiến trúc hình học đặc biệt mà họ gọi là cấu trúc xoắn ốc (helical architecture).

Quy trình chế tạo của họ giống như một màn ảo thuật vi mô. Đầu tiên, họ không sử dụng nền silicon cứng mà dùng một sợi polymer có tính đàn hồi cao để làm trục chính. Nhưng như đã nói, bề mặt sợi polymer này quá xù xì để khắc mạch điện. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một giải pháp thiên tài: họ phủ lên sợi polymer một lớp chuyển tiếp siêu mịn.

Lớp vật liệu này hoạt động như một lớp nhựa đường tráng lên con đường đầy ổ gà, biến bề mặt gồ ghề của sợi polymer thành một "đồng bằng" phẳng lì ở cấp độ nano. Chính trên bề mặt phẳng nhân tạo này, quá trình quang khắc mạch điện mới có thể diễn ra.

Tuy nhiên, điều kỳ diệu thực sự nằm ở cách họ sắp xếp các lớp vật liệu. Thay vì xếp các bóng bán dẫn (transistor) thẳng hàng như trên chip truyền thống, cách sắp xếp sẽ khiến mạch điện bị đứt gãy ngay lập tức khi sợi vải bị kéo căng, họ đã cuốn các lớp vật liệu bán dẫn, cách điện và dẫn điện theo hình xoắn ốc quanh lõi sợi. Hãy hình dung về chiếc dây điện thoại bàn ngày xưa hay một chiếc lò xo. Khi bạn kéo giãn chiếc lò xo, sợi kim loại tạo nên nó thực chất không hề bị giãn ra hay chịu lực căng quá lớn, mà nó chỉ đơn giản là duỗi các vòng xoắn ra.

Nguyên lý này đã được áp dụng triệt để cho chip sợi. Khi người mặc áo co tay hay vận động mạnh, sợi chip sẽ bị kéo giãn. Nhờ cấu trúc xoắn ốc, các lớp vật liệu bán dẫn mỏng manh sẽ trượt nhẹ và duỗi ra theo trục của sợi thay vì bị kéo căng trực tiếp. Điều này giúp bảo toàn tính toàn vẹn của hàng ngàn bóng bán dẫn nằm trên đó.

Kết quả là trên một sợi chiều dài chỉ vài mét và mỏng như sợi tóc, các nhà khoa học đã tích hợp thành công hàng trăm ngàn bóng bán dẫn hoạt động trơn tru. Họ đã tạo ra một "kiến trúc đa lớp" nơi các cổng logic, bộ nhớ và vi xử lý nằm gọn trên một tiết diện hình tròn, điều mà trước đây chỉ có thể thấy trên các bề mặt phẳng 2D. Đây là bước nhảy vọt từ hình học phẳng sang hình học không gian trong ngành chế tạo chip.

Những con số "không tưởng": Khi chip điện tử mình đồng da sắt trước xe tải 15 tấn

Nếu chỉ dừng lại ở lý thuyết, công nghệ này sẽ chỉ nằm trong tủ kính phòng thí nghiệm. Nhưng điều khiến giới khoa học toàn cầu chấn động chính là độ bền "không tưởng" của loại chip sợi này trong các bài kiểm tra khắc nghiệt nhất, những bài kiểm tra mà ngay cả những chiếc điện thoại thông minh bền bỉ nhất hiện nay cũng phải chào thua.

Thử thách đầu tiên là áp lực cơ học. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện một thí nghiệm táo bạo: để một chiếc xe tải trọng tải 15 tấn cán qua tấm vải được dệt từ các chip sợi này. Kết quả thật kinh ngạc, sau khi chiếc xe đi qua, màn hình hiển thị kết nối với tấm vải vẫn sáng đèn, các chức năng cảm ứng và xử lý tín hiệu vẫn hoạt động bình thường như chưa hề có chuyện gì xảy ra. Điều này đồng nghĩa với việc trong tương lai, bạn có thể vô tư ngồi đè lên chiếc áo thông minh, hay thậm chí bị va đập mạnh trong các hoạt động thể thao mà không lo làm hỏng "bộ não" của trang phục.

Chưa dừng lại ở đó, loại chip này còn phải vượt qua "cửa ải" đáng sợ nhất của đồ điện tử: nước và nhiệt độ. Chúng ta đều biết nước và chip bán dẫn là kẻ thù không đội trời chung. Nhưng với lớp vỏ bảo vệ polyme đặc biệt được thiết kế để bao bọc kín khít các cấu trúc xoắn ốc bên trong, chip sợi của Đại học Phúc Đán đã sống sót qua 100 chu trình giặt máy và sấy khô liên tục. Nó chịu được sự quăng quật của lồng giặt, sự ăn mòn của bột giặt hóa chất và nhiệt độ sấy lên tới 100 độ C. Đây là tấm "giấy thông hành" quan trọng nhất để công nghệ này bước ra khỏi phòng lab và đi vào đời sống thực tế, bởi quần áo thì phải giặt.

Khả năng co giãn của nó cũng đạt đến những giới hạn vật lý ấn tượng. Sợi chip có thể bị kéo giãn tới 30% chiều dài ban đầu, bị xoắn vặn 180 độ và uốn cong hơn 100.000 lần mà hiệu suất không hề suy giảm.

Để chứng minh sức mạnh thực tế, nhóm nghiên cứu đã dệt các sợi này thành một chiếc áo khoác thông minh. Chiếc áo này không cần kết nối với điện thoại hay máy tính bảng, bản thân nó là một chiếc máy tính độc lập. Trên tay áo, một hệ thống hiển thị dệt từ sợi phát quang được điều khiển bởi chip sợi đã hiển thị bản đồ chỉ đường theo thời gian thực. Nó cũng liên tục theo dõi nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và hiển thị cảnh báo ngay trên vải nếu phát hiện dấu hiệu bất thường.

Vấn đề năng lượng, "gót chân Achilles" của thiết bị di động, cũng được giải quyết bằng một hệ sinh thái sợi. Chip xử lý này được cấp điện bởi các sợi pin dẻo (fiber batteries) và thậm chí là các sợi thu năng lượng từ chuyển động cơ thể (energy-harvesting fibers) mà nhóm nghiên cứu này đã phát triển trước đó. Tất cả tạo nên một hệ thống khép kín, tự chủ và vô hình.

Đột phá của các nhà khoa học Trung Quốc không chỉ đơn thuần là tạo ra một loại vật liệu mới. Nó đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên "Fabric Computing" (Điện toán vải vóc), nơi ranh giới giữa vật dụng và thiết bị số bị xóa nhòa.

Trong tương lai không xa, khái niệm "mang theo máy tính" sẽ trở nên lỗi thời, bởi vì chính chúng ta sẽ "mặc" máy tính lên người, và công nghệ sẽ len lỏi vào từng thớ vải để phục vụ con người một cách thầm lặng và bền bỉ nhất.

Bùi Tú