Vì sao kính màn hình gập mỏng hơn sợi tóc lại khó vỡ?

Dù không phải thương hiệu đầu tiên gia nhập thị trường (sau Google, Samsung hay Motorola), Apple khẳng định thiết bị này mang lại bước ngoặt mới.

Trong bài thuyết trình, CEO John Ternus tuyên bố sản phẩm sẽ định hình lại trải nghiệm sử dụng điện thoại màn hình gập.

Khả năng uốn cong bền bỉ của màn hình là tổng hòa của nhiều đột phá trong khoa học vật liệu và kỹ thuật vi mô, thay vì chỉ dựa vào một phát minh đơn lẻ.

Thách thức lớn nhất nằm ở việc tạo ra bề mặt vừa đủ dẻo dai để gập hàng trăm nghìn lần, vừa đủ cứng vững trước các va đập cơ học thường ngày.

Nghịch lý của độ mỏng

Về mặt bản chất, thủy tinh là một “chất rắn vô định hình”. Cấu trúc nguyên tử của nó bị khóa chặt ở trạng thái tương tự chất lỏng đông đặc.

Thủy tinh thông thường giòn và dễ vỡ vụn khi uốn cong bởi các nguyên tử nằm trong mạng liên kết cứng; khi độ dày càng lớn, lực căng tập trung ở mép ngoài bề mặt cong sẽ càng cao, dẫn tới đứt gãy.

Tuy nhiên, tính chất này thay đổi căn bản khi vật liệu đạt đến độ mỏng cực hạn. Một sợi tóc người có độ dày trung bình từ 50 đến 100 micromet, trong khi lớp kính siêu mỏng trên iPhone Duo được ghi nhận mỏng dưới 30 micromet. 

Khi kính được chế tạo ở độ dày cực nhỏ, biến dạng do uốn trong vật liệu giảm đáng kể với cùng một bán kính cong. Nhờ đó, lớp kính có thể uốn theo màn hình mà giảm nguy cơ hình thành và phát triển vết nứt.

Giáo sư John Rogers, khoa khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Northwestern giải thích: "Độ dày quyết định trực tiếp khả năng kháng uốn của vật liệu. Khi đạt độ mỏng cực hạn, vật liệu sẽ trở nên linh hoạt hơn đáng kể".

Giáo sư Rogers đưa ra phép so sánh thực tế giữa gỗ và giấy: "Một thanh gỗ dày gần như không thể uốn cong. Nhưng giấy - về bản chất cũng làm từ sợi gỗ - lại rất dẻo vì nó cực kỳ mỏng. Quy tắc tương tự cũng áp dụng cho thủy tinh".

Liên kết đa tầng

Bên cạnh giải pháp giảm độ dày, các nhà khoa học đã tinh chỉnh cấu thức hóa học để gia tăng độ bền.

Các nhà khoa học cũng có thể điều chỉnh thành phần hóa học của thủy tinh. Chẳng hạn, boron trioxide được sử dụng trong một số loại thủy tinh borosilicate, giúp vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp.

Ở dạng rất mỏng, những thay đổi về thành phần và cấu trúc mạng thủy tinh có thể góp phần cải thiện khả năng chịu uốn.

Ở cấp độ vi mô, cấu trúc này cho khả năng uốn vượt trội so với thủy tinh tiêu chuẩn.

Cấu trúc màn hình hoàn chỉnh còn tích hợp thêm một lớp polymer quang học siêu bền, chịu được hàng trăm nghìn chu kỳ gập mở mà không xuất hiện nếp hằn hay biến dạng thị giác.

Toàn bộ hệ thống đa tầng này được liên kết chặt chẽ bởi chất kết dính quang học trong suốt chuyên dụng.

Chất này mang đặc tính nhớt - đàn hồi tương tự dạng gel lỏng - có tác dụng neo giữ các bề mặt cố định, cho phép các lớp vật liệu dịch chuyển tương đối khi gập mở, qua đó phân bổ và giảm ứng suất uốn giữa các lớp.