Anh Hùng Thầm Lặng Của Khoa Học: Buckminster Fuller, Kiến Trúc Sư Muốn Thiết Kế Lại Thế Giới ( Và Đã Truyền Cảm Hứng Cho Một Thế Giới Nanosize )

(MENAFN- The Conversation) Vào ngày 14 tháng 11 năm 1985, một bức thư thông báo về phát hiện ra một loài carbon siêu ổn định xuất hiện trên tạp chí khoa học Nature. Ngay cả tiêu đề của bức thư, C60: Buckminsterfullerene, cũng gây xôn xao trong cộng đồng độc giả học thuật của tạp chí.

Các phân tử thường được đặt tên một cách chính xác và khách quan. Phân tử này được đặt theo tên kiến trúc sư và nhà tương lai người Mỹ Richard Buckminster Fuller (bạn bè thường gọi là Bucky), người đã tạo ra các mái vòm địa cầu trở thành biểu tượng của thiết kế hiện đại vào những năm 1950 và 1960.

Các mái vòm hình cầu của Fuller được thiết kế để nhẹ nhưng vẫn chắc chắn, với mỗi phần tam giác phân bổ đều áp lực trên khung cong. C60 là dạng nguyên tử tương tự của những mái vòm này, không được làm từ các thanh thép mà từ các nguyên tử carbon – mỗi nguyên tử liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử lân cận để tạo thành một chiếc lồng nhỏ hình cầu.

Dạng allotrop mới của carbon này ổn định và đối xứng đến mức nó đã thay đổi bản đồ kiến trúc phân tử. Nó đã khởi đầu một cuộc đua khoa học dẫn đến giải Nobel Hóa học năm 1996 cho nhà khoa học người Anh Harold Kroto và các đồng nghiệp người Mỹ Robert Curl và Richard Smalley vì phát hiện của họ.

Fullerene (nay còn gọi là Buckyballs) đã tồn tại trên Trái Đất từ lâu – trong bụi than, khí thải núi lửa và khoáng chất cổ đại. Nhưng khám phá khoa học của chúng xuất phát từ nỗ lực mô phỏng hóa học của các sao đỏ giàu carbon.

Phát hiện này mở ra kỷ nguyên công nghệ nano – sản xuất và điều chỉnh các vật liệu ở quy mô cực nhỏ trước đây không thể tưởng tượng nổi. Nhưng đây không phải là cách duy nhất tên của Fuller được ghi nhận trong khoa học.

Ai là Buckminster Fuller?

Ít nhân vật nào của thế kỷ 20 lại khó phân loại như Fuller. Ông ít nhất là một nhà phát minh, nhà thiết kế, kỹ sư, nhà văn, triết gia và nhà tương lai học. Sinh năm 1895 tại Massachusetts, trình độ học vấn của ông ngắn ngủi và khá hỗn loạn – ông bị đuổi học hai lần khỏi Đại học Harvard. Tuy nhiên, điều này không làm giảm tham vọng của ông trong việc tái thiết lại thế giới.

Fuller có thể khá lập dị và đôi khi gây tranh cãi. Các dự án ban đầu của ông thường thất bại, nhưng sức hút và sự lạc quan vô hạn của ông đã biến ông thành một nhân vật công chúng hấp dẫn. Kết quả là ông sở hữu một danh mục sáng chế và ý tưởng đáng chú ý, thể hiện các nguyên mẫu táo bạo và ý tưởng cách mạng.

Các mái vòm địa cầu đầu tiên của ông được xây dựng từ các vật liệu nhẹ, thường là các thanh thép hình ống liên kết thành mạng lưới tam giác và phủ lớp acrylic. Chúng tận dụng lợi thế cấu trúc của sự đối xứng: bao phủ một không gian rộng lớn với ít vật liệu nhất có thể và vẫn giữ được độ bền vượt trội.

Fuller đã cấp bằng sáng chế cho thiết kế này vào năm 1951. Mặc dù ban đầu còn nhiều hoài nghi từ giới kiến trúc, các mái vòm địa cầu nhanh chóng được ứng dụng thực tế. Quân đội Mỹ đã sử dụng chúng để xây dựng các trạm radar di động nhanh chóng trong điều kiện Bắc Cực.

Một trong những ví dụ nổi tiếng nhất là mái vòm khổng lồ được xây dựng cho triển lãm quốc tế Expo 67 tại thành phố Montreal, Canada. Hiện nay được biết đến với tên gọi Bảo tàng sinh thái Montreal (Montreal Biosphere), cấu trúc này trở thành một trong những biểu tượng dễ nhận biết của kiến trúc tương lai những năm 1960.

Bên cạnh các thiết kế của mình, Fuller còn dành phần lớn cuộc đời để phát triển Synergetics, một khung lý thuyết triết học-hình học khám phá cách các cấu trúc và năng lượng tương tác trong tự nhiên. Trung tâm của công trình này là “ephemeralisation” – thuật ngữ do Fuller đặt để mô tả quá trình đạt được kết quả ngày càng lớn hơn với ít vật liệu và năng lượng hơn.

Trong những năm cuối đời, ông trở thành một nhân vật trí thức toàn cầu, thuyết trình hàng nghìn buổi trên khắp thế giới. Fuller thu hút khán giả bằng tầm nhìn độc đáo về thiết kế, công nghệ và quản lý hành tinh – từng có một chuỗi bài giảng marathon mang tên “Mọi thứ tôi biết”. Chuỗi này kéo dài 42 giờ.

Sức mạnh của đối xứng

Đối xứng là một trong những mã hợp nhất mạnh mẽ nhất của khoa học và là một trong những công cụ diễn giải linh hoạt nhất của nó. Nó tiết lộ những tương đương bất ngờ giữa các hình dạng khác nhau về kích thước nhưng không về cấu trúc.

Vào những năm 1960, quả bóng đá đã áp dụng hình học tương tự như mái vòm địa cầu của Fuller: sự kết hợp của 12 hình ngũ giác và 20 hình lục giác khâu lại thành một mạng lưới bền chắc để hấp thụ lực và lăn tròn ít biến dạng nhất có thể. Thật vậy, một sơ đồ của quả bóng đá đã được dùng để minh họa cho thông báo về C60: Buckminsterfullerene.

Chương này dành riêng cho các nhà khoa học ít nổi tiếng hơn nhưng có ảnh hưởng lớn, đã có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự nghiệp và hướng nghiên cứu của nhiều người khác, bao gồm cả các tác giả của các bài viết này.

Kể từ bức thư của Nature năm 1985, một gia đình các vật liệu siêu cứng, siêu mảnh đã xuất hiện. Trong số đó có các ống nano carbon nhỏ về đường kính nhưng dài hơn nhiều vào năm 1991, và graphene dày một nguyên tử vào năm 2004 – cả hai đều được sử dụng rộng rãi trong điện tử, cảm biến, vật liệu composite và thiết bị năng lượng.

Khi được thêm vào các hợp chất polymer hoặc hợp kim kim loại, các chiếc lồng carbon nhỏ này giúp tăng cường và giảm trọng lượng vật liệu, nâng cao hiệu suất trong mọi lĩnh vực từ linh kiện máy bay, pin mặt trời đến dụng cụ y tế như máy quét MRI.

Làm nhiều hơn với ít hơn

Cấu trúc của fullerene tự nhiên thể hiện nguyên lý ephemeralisation của Fuller – khả năng làm nhiều hơn và nhiều hơn nữa với ít vật liệu và năng lượng hơn.

Fuller tưởng tượng tiến bộ công nghệ như một con đường hướng tới hiệu quả, sự thanh lịch, bền vững và thịnh vượng. Ông áp dụng nguyên lý ephemeralisation trong các thiết kế của mình, tận dụng khoa học và hình học để đạt hiệu suất tối đa với nguồn lực tối thiểu.

Ngoài các mái vòm địa cầu, các sáng chế của ông còn bao gồm Nhà Dymaxion – một ngôi nhà tiền chế, tiết kiệm môi trường, thiết kế để dễ dàng sản xuất hàng loạt và vận chuyển – và Xe Dymaxion. Được cấp bằng sáng chế năm 1933, thân xe khí động học của nó được thiết kế để chở nhiều hành khách hơn trong khi cải thiện hiệu quả nhiên liệu và tốc độ tối đa.

Fuller cũng hình dung các giải pháp đột phá cho các môi trường khắc nghiệt. Những ý tưởng này bao gồm Đảo dưới biển – một căn cứ dưới nước được neo bằng các dây cáp chéo nhau để giữ vững trong bão – và hệ thống cầu treo, biến ý tưởng của cầu treo thành một mái vòm cung tạo ra không gian nội thất rộng lớn với ít vật liệu nhất có thể.

Fuller qua đời năm 1983 sau một đời dành để tái thiết thế giới – và tưởng tượng lại cách con người có thể sống. Hai năm sau, ông nhận được một sự tri ân bất ngờ từ ngành hóa học: một phân tử carbon đối xứng hoàn hảo được đặt tên theo ông, ghi nhận sự cống hiến suốt đời của ông cho hiệu quả hình học.

Trong chiếc Buckyball kích thước nano, những ý tưởng xã hội đầy khát vọng của Fuller được thể hiện qua một phân tử thể hiện tính tối giản, hiệu quả và thiết kế thông minh.