Phát triển từ R&D đến một ngành công nghiệp mới

Sợi carbon được nhiệt phân từ các loại nguyên liệu ban đầu như dầu mỏ, than đá, tre, hay từ vật liệu có nguồn gốc cellulose (rayon, cotton), một số loại sợi phenolic hoặc polyacrylonitrile (PAN),...Chứa ít nhất 90% nguyên tử carbon, sợi carbon có nhiều ưu điểm như nhẹ, chịu nhiệt, độ bền cao,…đã được thương mại từ năm 1960, ứng dụng chủ yếu trong ngành hàng không, vũ trụ. Hiện nay, sợi carbon được ứng dụng rộng rãi trong thể thao, giải trí, công nghiệp, giao thông, vật liệu composite.

Polyacrylonitril (PAN), còn được gọi là Creslan 61, là một polyme hữu cơ tổng hợp bán tinh thể, với công thức mạch thẳng (C3H3N)n, được hai nhà khoa học người Đức là Hans Fikentscher và Claus Heuck tổng hợp đầu tiên vào năm 1930. PAN là một polyme linh hoạt được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm như siêu màng lọc, sợi rỗng thẩm thấu ngược, sợi dệt may, là tiền chất để tạo nên sợi carbon PAN (sau đây gọi là sợi C-PAN).  

Tạo nền tảng cho một ngành công nghiệp từ sáng chế
Vào gần cuối Chiến tranh thế giới thứ II, Tập đoàn Union Carbide (UCC- Union Carbide Corporation), chuyên sản xuất dây tóc bóng đèn điện ở Mỹ bắt đầu khảo sát vật liệu thay thế sợi tungsten trong bóng đèn. Đến năm 1956, UCC bắt đầu sử dụng rayon để tạo ra sợi carbon. Trong khi nghiên cứu chế tạo sợi carbon từ rayon đang phát triển ở Mỹ, thì tại Nhật, sợi carbon được các nhà khoa học Viện Nghiên cứu Công nghiệp Osaka (GIRIO) nghiên cứu chế tạo từ PAN vào cuối những năm 1950.

GIRIO rất chú trọng nghiên cứu về carbon từ khi mới thành lập. Năm 1952, GS. Akio Shindo được giao phụ trách bộ phận R&D về carbon của GIRIO. Lúc ấy, GS. Shindo chưa biết mình sẽ tìm ra được ứng dụng gì của carbon vào công nghiệp. Tuy nhiên, mục tiêu của ông là phải sáng tạo được những điều có ích cho xã hội. Tháng 4/1959, GS. Shindo đọc một bài viết trên tạp chí “Machine Design” của Nhật, đề cập đến sự phát triển sợi carbon được làm từ rayon tại Công ty National Carbon (National Carbon Company) của Mỹ, và bị thu hút bởi tiềm năng sử dụng của chúng. Chỉ một tháng sau, GS. Shindo bắt tay vào nghiên cứu sợi carbon. Những nghiên cứu ban đầu không có chủ định, nhưng sớm giúp GS. Shindo phát hiện những ưu điểm của sợi carbon được làm từ PAN. Sợi C-PAN rất nhẹ và có những đặc tính tuyệt vời, mở ra đa dạng ứng dụng: tính chịu nhiệt và không mài mòn có thể được dùng như vật liệu chống cháy và vật liệu lọc các loại khí ở nhiệt độ cao, các loại alkalis và acid khác nhau; tính dẫn điện cao có thể được sử dụng như vật liệu bức xạ hồng ngoại hay ống chân không filament (vacuum tube filament); những thớ sợi mềm dẻo tự nhiên của sợi C-PAN rất có ý nghĩa để sử dụng trong nhiều công cụ điện khác nhau,…

Ban đầu, dự án nghiên cứu sợi C-PAN được xem là “bình thường” nên kinh phí nhận được hạn hẹp, chỉ sau vài tháng triển khai đã thay đổi và trở nên “đặc biệt” nhờ vào kết quả ban đầu nhiều hứa hẹn. Dự án được đầu tư mở rộng, nhóm nghiên cứu tăng từ 6 lên 10 nhà nghiên cứu toàn thời gian, cộng thêm sự hỗ trợ từ các nguồn nhân lực khác. Tháng 9/1959, GS. Shindo và cộng sự đã phát triển thành công phương pháp tạo sợi C-PAN.

Phát triển phương pháp làm ra sợi carbon từ PAN là đỉnh cao trong nghiên cứu sáng tạo của GS. Shindo. Ông đã phát hiện ra PAN bền nhiệt lạ thường, điều này có ý nghĩa quan trọng là PAN có thể giữ lại tỷ lệ carbon cao sau khi carbon hóa, và kết quả là tạo ra sản phẩm sợi bền hơn, mềm dẻo hơn và chịu nhiệt tốt hơn bất kỳ loại sợi carbon nào. Mặt khác, nếu sử dụng nguyên liệu rayon thì không hiệu quả khi chỉ thu được không đến 20% sợi carbon. Trong khi đó, sản xuất sợi carbon từ PAN theo phương pháp của GS. Shindo sẽ thu được từ 50-60% sợi C-PAN, và phương pháp này dễ dàng thực hiện hơn so với sử dụng rayon để tạo ra sợi carbon.

Sợi C-PAN đã nhanh chóng thay thế sợi carbon rayon. Đến nay, chì còn không đến 10% sợi carbon rayon có mặt trong các sản phẩm có sử dụng sợi carbon trên thế giới. Nhờ tính chất ưu việt, sợi C-PAN thích hợp để sử dụng rộng rãi trong quân đội, ngành hàng không, vũ trụ,…để làm thân và các bộ phận máy bay thương mại, cấu trúc công nghiệp không gian, pin lithium, dụng cụ thể thao, các cấu trúc vật liệu cường lực trong công nghiệp xây dựng,…Ứng dụng đa dạng đã làm bùng nổ ngành công nghiệp sợi C-PAN từ những năm 1970.

Quản lý tài sản trí tuệ và cấp phép sử dụng công nghệ

Ban đầu, GIRIO không nhắm đến việc đăng ký bảo hộ các sáng chế, cho đến khi ông Tadashi Sengoku làm Tổng giám đốc GIRIO vào tháng 8/1958. Xác định tầm quan trọng của quyền sở hữu trí tuệ, Tadashi Sengoku quyết định đăng ký bảo hộ các sáng chế của GIRIO. Để xác định sáng chế nào được nộp đơn bảo hộ, GIRIO sẽ xem xét dựa trên số lượng các yếu tố sáng tạo quan trọng. Tuy nhiên, trước tiên nhà nghiên cứu phải tự quyết định cho dự án nghiên cứu của họ là nên hay không nên đăng ký bảo vệ tài sản trí tuệ.

Cân nhắc mục tiêu của GIRIO và các tài sản trí tuệ được tạo ra trong quá trình sáng tạo cần được bảo vệ, GS. Shindo đã nộp đơn đăng ký sáng chế cho phương pháp sản xuất sợi C-PAN vào tháng 9/1959 tại JPO (Japan Patent Office) và quốc tế. Bảo hộ sáng chế sẽ giúp GIRIO đạt mục tiêu thương mại hóa kết quả nghiên cứu bằng nhiều cách khác nhau, là phương tiện để công nghệ được giới thiệu trước công chúng, thu hút sự quan tâm của các doanh nghiệp và tạo cơ hội lựa chọn đối tác. Sáng chế được bảo hộ còn là sự đảm bảo khả năng của GIRIO về những cam kết công nghệ được chuyển giao, điều này làm tăng thêm doanh thu qua chuyển nhượng, cấp phép sử dụng sáng chế, đồng thời tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu cùng làm việc với đơn vị nhận công nghệ trong hoạt động R&D và tiếp cận cơ sở hạ tầng R&D của họ.

Mặc dù GIRIO hoạt động với mục tiêu là thúc đẩy phát triển công nghệ và công nghiệp thông qua hoạt động R&D, nhưng thời kỳ đầu không có người hay bộ phận phụ trách việc thương mại hóa, chuyển nhượng hay xây dựng chính sách chuyển giao công nghệ. Thành công của phương pháp làm ra sợi C-PAN đã thúc đẩy GIRIO quan tâm đến hoạt động chuyển giao công nghệ. Vào năm 1961, GIRIO thành lập Văn phòng Tư vấn công nghệ (TCO - Technological Consultation Office) nhằm thương mại hóa kết quả nghiên cứu, cũng như hỗ trợ công nghệ và tư vấn cho doanh nghiệp.

Trong thời gian GS. Shindo tập trung vào sợi C-PAN, hai công ty Tokai Electrode và Nippon Carbon cũng đang phát triển các sản phẩm sợi carbon. Cả hai đều có kinh nghiệm về các sản phẩm sợi carbon và bị thu hút bởi cơ hội mà sợi C-PAN mang đến, nên đều tiếp cận với TCO và GIRIO để được chuyển giao công nghệ sản xuất sợi C-PAN. Tuy nhiên, dự án mạo hiểm của họ vào sợi C-PAN không đạt được thành công như kỳ vọng, vì cả hai tuy có kinh nghiệm về phát triển các sản phẩm sợi carbon, nhưng không có khả năng sản xuất sợi C-PAN, mà đây lại là yêu cầu tiên quyết.

Khi ấy, Công ty Toray Industries (Toray), nhà sản xuất sợi tổng hợp lớn nhất ở Nhật Bản cũng quan tâm đến công nghệ sợi carbon. Vào năm 1961, Toray khởi sự nghiên cứu khả năng sản xuất và các ứng dụng mới của các loại sợi carbon khác nhau. Với lợi thế về kinh nghiệm và khả năng sản xuất sợi PAN, vào năm 1970,  Toray ký được thỏa thuận với GIRIO để khai thác công nghệ sản xuất sợi C-PAN. Song song đó, biết được tiến trình Tokai Electrode và Nippon Carbon đã được phép khai thác công nghệ sản xuất sợi C-PAN, Toray đàm phán với hai công ty này để mua các kết quả đã nghiên cứu bổ sung về sợi C-PAN.

Bùng phát nhờ chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp

Kế hoạch của Toray là dẫn đầu thế giới về sản xuất sợi C-PAN. Tiếp nhận công nghệ sản xuất từ GIRIO, Toray tập trung vào phương pháp sản xuất, cải tiến và phát triển sản xuất sợi C-PAN chất lượng cao nhất có thể. Tất cả thay đổi vào tháng 10/1972, khi Gay Brewer, một golf thủ chuyên nghiệp người Mỹ đoạt danh hiệu vô địch giải Taiheiyo Club Masters, một trong những giải golf uy tín ở Nhật. Giới truyền thông tường thuật rộng rãi rằng cán gậy golf của Brewer được làm bằng sợi carbon từ công ty khởi nghiệp Aldila của Mỹ, điều này đã tạo lợi thế dẫn đến thành công. Sự kiện trên làm bùng nổ các sản phẩm làm bằng sợi carbon. Toray đầu tư vốn vào sản xuất cán gậy golf sợi C-PAN và trình làng vào năm 1973, đồng thời tiếp tục đầu tư nghiên cứu sử dụng sợi carbon tạo các sản phẩm có thể sử dụng rộng rãi trong đời sống để mở rộng thương mại như áo chống đạn, dây neo, cần câu, găng tay bảo hộ, vợt tennis…. Giữa các năm 1973-1974, nhu cầu sợi C-PAN gia tăng nhanh chóng và Toray đã chạy hết công suất để sản xuất được 5 tấn sợi C-PAN/tháng. Cuối năm 1974, năng suất tăng lên 13 tấn sợi C-PAN/tháng, và Toray đã tạo lập vững chắc vị trí nhà cung ứng sợi C-PAN chất lượng cao hàng đầu thế giới cho đến ngày nay.

Thay vì xây dựng nên một công ty startup hay sáng lập một công ty spin-off trên cơ sở sáng chế phương pháp tạo ra sợi C-PAN, GS. Shindo và cộng sự đã có một quyết định sáng suốt là chuyển giao công nghệ thông qua thỏa thuận cấp phép cho doanh nghiệp giàu kinh nghiệm về sợi carbon và năng lực sản xuất các sản phẩm có thành phần sợi carbon. Kết quả là năng lực nghiên cứu, kinh nghiệm sản xuất và hiểu biết về thị trường được nhân lên nhiều lần nhờ sự kết hợp năng lực R&D của GIRIO với thực tiễn sản xuất và cơ sở hạ tầng của doanh nghiệp. Sự kết hợp này đã rút ngắn thời gian đưa sản phẩm từ phòng nghiên cứu ra thị trường, giảm thiểu phí đầu tư, tạo nền tảng vững chắc để phát triển nên một ngành công nghiệp nỗi trội của Nhật Bản.

Thành công trong chuyển giao công nghệ sợi C-PAN đóng góp quan trọng trong phát triển kinh tế Nhật Bản trong các thập kỷ 1970-1980. Đến nay, các doanh nghiệp Nhật Bản như Toray, Mitsubishi Rayon Co. Ltd., Toho Tenax Co. Ltd., Nippon Carbon Co. Ltd….chiếm khoảng 80% sợi carbon cung cấp trên thế giới, đưa nước Nhật lên vị trí dẫn đầu  ngành công nghiệp sợi carbon thế giới.

Sản phẩm dệt từ sợi carbon (Photo: Toray)

Sản phẩm dệt từ sợi carbon  (Photo: Toray)

Các ống sợi carbon (Photo: Toray)

Phương Lan (CESTI)