James Dewar trong phòng thí nghiệm. Ảnh: National Portrait Gallery.

James Dewar trong phòng thí nghiệm. Ảnh: National Portrait Gallery.

 

Các nhà khoa học từ lâu đã bị cuốn hút bởi các pha khác nhau của vật chất (rắn, lỏng, khí, plassma…), đặc biệt là điều kiện nhiệt độ và áp suất mà tại đó có sự chuyển đổi từ pha này sang pha khác. Một số công trình nghiên cứu tiên phong trong việc biến chất khí thành chất lỏng và chất rắn được thực hiện bởi nhà khoa học James Dewar vào cuối thế kỷ 19.

Dewar sinh ra tại Kincardine, Scotland, vào năm 1842. Ông là con út trong một gia đình gồm 6 anh em trai. Ông mồ côi năm 15 tuổi, nhưng vẫn được học hành đầy đủ. Ban đầu ông học tập tại Học viện Dollar, sau đó đến Đại học Edinburg – nơi ông gặp nhà hóa học Lyon Playfair, người sau này trở thành cố vấn của ông.

Dewar rất quan tâm đến vật lý và hóa học. Ông mô tả một số công thức khác nhau cho hợp chất benzen vào năm 1867, đồng thời xuất bản các bài báo về nhiều chủ đề khác nhau như trắc quang, nhiệt độ Mặt trời và hồ quang điện. Năm 1875, ông trở thành giáo sư tại Đại học Cambridge và được bầu vào Viện Hoàng gia Anh hai năm sau đó.

Năm 1878, ông bắt đầu một loạt nghiên cứu về quang phổ của các chất khí, bao gồm hành vi của chúng khi làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp. Đây là lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển thời bấy giờ. Năm 1845, nhà vật lý thiên tài Michael Faraday hóa lỏng thành công hầu hết các loại khí, ngoại trừ sáu loại khí được biết đến khi đó là khí vĩnh cửu (permanent gas) bao gồm: oxy (O2), hydro (H2), nitơ (N2), carbon monoxide (CO), methane (CH4) và nitric oxit (NO). Chỉ hai năm sau khi Dewar công tác tại Đại học Cambridge, hai nhà hóa học người Pháp Louis Cailletet và Raoul Pictet tạo ra oxy và nitơ ở dạng lỏng [độc lập với nhau] bằng cách làm lạnh chúng đến 80 độ trên độ không tuyệt đối, hay 80°K.

Dewar dành một trong những bài giảng tối thứ sáu của mình tại Viện Hoàng gia Anh cho chủ đề này, thậm chí ông còn trình diễn lại các thí nghiệm hóa lỏng khí oxy và nitơ của Cailletet và Pictet. Không dừng lại ở đó, Dewar đặt mục tiêu sẽ hóa lỏng các khí vĩnh cửu còn lại.

Sau nhiều nỗ lực cải tiến bộ dụng cụ thí nghiệm, Dewar có thể tạo ra oxy lỏng với số lượng lớn vào năm 1891. Ngoài ra, ông phát hiện oxy và ozone lỏng bị nam châm hút. Tuy nhiên, công việc khảo sát sự hóa lỏng của các chất khí ở nhiệt độ cực thấp vẫn gặp nhiều trở ngại do thiếu phương tiện giữ cho chất khí lạnh đủ lâu. Các khí hóa lỏng hấp thụ nhiệt từ không khí xung quanh quá nhanh và bay hơi trở lại thành pha khí. Dewar từng thử nghiệm những chiếc hộp chứa đầy gỗ xốp hoặc cỏ khô để cách nhiệt nhưng không mang lại kết quả.

Từ năm 1892 đến năm 1895, Dewar nghiên cứu tính chất điện của khí siêu lạnh cùng Ambrose Fleming. Ông tình cờ phát hiện than sau khi làm mát có thể giúp tạo ra chân không, bởi vì than hấp thụ các chất khí rất hiệu quả, đặc biệt là ở nhiệt độ rất thấp. Dewar nảy ra ý tưởng đặt một bình thủy tinh bên trong một bình khác, giữa chúng được ngăn cách nhau bởi một lớp chân không. Dụng cụ này giữ cho chất lỏng lạnh trong thời gian dài hơn. Heike Kamerlingh Onnes, cộng sự của Dewar, gọi nó là một sáng chế tuyệt vời, giúp duy trì nhiệt độ cực thấp trong quá trình hóa lỏng khí.

Trong lúc Dewar trình bày một chuỗi 6 Bài giảng Giáng sinh (Christmas Lectures) tại Viện Hoàng gia Anh từ tháng 12/1893 đến tháng 1/1894, ông đã hóa lỏng một số chất khí trong giảng đường trước sự chứng kiến của khán giả. Ông cho thấy chất khí sau khi biến thành thể lỏng có thể duy trì trạng thái này nếu được bảo quản đúng cách trong “bình cách nhiệt Dewar”. Hai tuần sau, ông làm lạnh không khí và chuyển nó về thể rắn trong cuộc họp của Viện Hoàng gia Anh vào ngày 19/1/1894. Tuy nhiên, bản chất của không khí ở trạng thái rắn mà Dewar tạo ra không được miêu tả rõ ràng. Người ta đã suy đoán rằng, nó có thể là một “khối băng” của không khí, trong đó cả oxy và nitơ tồn tại ở dạng rắn.

Điều đáng tiếc là Dewar không đăng ký bằng sáng chế cho bình cách nhiệt. Vì vậy, ông không nhận được tiền khi hai nhà máy sản xuất đồ thủy tinh của Đức tung ra thị trường một sản phẩm cực kỳ thành công, đó là hộp đựng đồ uống cách nhiệt có thể lưu giữ cả chất lỏng nóng và lạnh dựa trên thiết kế của ông.

Mặc dù Dewar thua kiện tại tòa án để đòi lại quyền sáng chế, nhưng công việc nghiên cứu của ông khá thành công. Dewar hóa lỏng thành công khí hydro vào năm 1898 nhờ sử dụng một máy làm lạnh lớn do ông tự chế tạo tại Viện Hoàng gia Anh. Ông tiếp tục cải thiện phương pháp hóa lỏng không khí của mình, và cuối cùng đã thành công trong việc hạ nhiệt độ xuống chỉ còn 13 độ trên độ không tuyệt đối [13°K], một mức nhiệt độ mà mọi loại khí sẽ hóa lỏng trừ heli.

Dewar rất muốn tìm cách hóa lỏng khí heli, nhưng các nỗ lực của ông đều thất bại. Nguyên nhân là do khí heli khan hiếm vào thời điểm đó, và dường như nguồn heli của ông có lẫn khí neon nên đóng băng ở nhiệt độ cao hơn. Các dụng cụ thí nghiệm của ông bị tắc nghẽn do băng hình thành.

Năm 1908, Onnes vinh dự trở thành người đầu tiên hóa lỏng khí heli, dựa trên việc cải tiến các phương pháp Dewar sử dụng trước đó. Onnes nhận giải thưởng Nobel Vật lý năm 1913 cho công trình nghiên cứu của mình. Dewar không được nhận giải Nobel, mặc dù ông nằm trong danh sách đề cử nhiều lần. Tuy nhiên, ông đã nhận nhiều giải thưởng và huy chương danh giá khác trong suốt sự nghiệp, trong đó phải kể đến việc ông được phong tước năm 1904.

Chiến tranh Thế giới thứ nhất bùng nổ đã làm gián đoạn chương trình nghiên cứu của Dewar về tính chất của các nguyên tố ở nhiệt độ thấp. Ông không bao giờ xây dựng lại chương trình của mình, ngay cả khi chiến tranh kết thúc. Thay vào đó, ông tập trung vào việc nghiên cứu sức căng bề mặt của bong bóng xà phòng và đo bức xạ hồng ngoại trong khí quyển bằng một dụng cụ do chính ông thiết kế.

Thành tựu nổi bật khác của Dewar là việc tạo ra cordite, một loại thuốc nổ không khói, khi làm việc cùng đồng nghiệp Frederick Abel tại một ủy ban của Chính phủ về chất nổ. Dewar qua đời ở London vào ngày 27/3/1923. Dù vậy, các kết quả nghiên cứu của ông về chất khí ở nhiệt độ thấp, và đặc biệt là sáng chế bình cách nhiệt Dewar, đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của lĩnh vực đông lạnh sau này.