Trước khi con người biết cách tạo ra những mặt đồng hồ sử dụng những chất phát sáng, cách duy nhất để biết giờ khi trời tối là mua một chiếc đồng hồ có tính năng minute repeater, lên cót để nghe tiếng kính coong rồi từ đó suy luận ra là mấy giờ bao nhiêu phút. Nhưng sau này những người lính hoạt động về đêm thực tình không muốn dùng những chiếc đồng hồ đó ngay cả khi làm nhiệm vụ về đêm, không khác gì “lạy ông con ở bụi này”. Và thế là con người bắt đầu đổ những chất liệu phát quang lên mặt đồng hồ.
Nhưng ở một khía cạnh khác, gần như chẳng có chất liệu phát quang nào tồn tại được mãi cả. Những chiếc Rolex hay Heuer cũ có được cái dáng vẻ phong trần bụi bặm sau vài chục năm sử dụng chính là nhờ khái niệm mà anh em chơi đồng hồ gọi là “patina”, bề mặt kim, mặt số và phần lume cũ xỉn dần. Đồng hồ vintage sẽ là chủ đề của một bài viết khác, còn trong bài này mình sẽ nói nhiều hơn về cái cách con người khiến mặt số đồng hồ sáng trong đêm tối.
Hiệu ứng lân quang
Khả năng phát sáng trong đêm tối của nhiều chất liệu được gọi là lân quang (phosphorescence), một kiểu phát quang đặc biệt. Còn phát quang (photoluminescence) về cơ bản là khả năng tự trở thành nguồn sáng sau khi được ánh sáng mặt trời chiếu vào. Ánh sáng là những chùm tia photon (một dạng hạt lượng tử trong trường điện từ). Khái niệm phát quang trong vật lý lượng tử khá phức tạp, nhưng có thể tạm hiểu là thế này: Nếu một electron của một nguyên tử có khả năng phát quang thu được hạt photon, nó sẽ được kích thích để có năng lượng cao hơn, và sau khi được đưa về trạng thái nghỉ, electron đó sẽ “thả” hạt photon trước đó ra và tạo ra ánh sáng mắt người có thể nhìn thấy được.
Hai dạng phát quang anh em quen thuộc là huỳnh quang (flourescence) và lân quang. Những chất có khả năng huỳnh quang “nhả” năng lượng chúng thu được rất nhanh, và sẽ chỉ phát sáng khi có một nguồn sáng kích thích chất đó. Lấy ví dụ đơn giản chính là chiếc đèn neon anh em hay dùng ở nhà. Những chất huỳnh quang bên trong ống đèn neon sẽ dừng phát sáng ngay khi nguồn sáng gốc bị tắt.
Trong khi đó lân quang lại có tốc độ nhả photon chậm hơn rất nhiều, mất vài tiếng đồng hồ để thả hết lượng photon đã thu được vào ban ngày khi mặt trời chiếu sáng. Đó chính là chất liệu được đổ lên cọc số đồng hồ đeo tay của chúng ta. Nhưng thực ra chất liệu đầu tiên để làm cọc số dạ quang trên đồng hồ lại là Radium, một chất phóng xạ tự phát sáng.
Radium
Sau khi được sơn lên mặt đồng hồ, radium sẽ từ từ phân rã, tạo ra hạt alpha (2 proton và 2 neutron), hạt beta (electron hoặc positron năng lượng cao), và tia gamma (chùm hạt photon năng lượng cao), nhờ đó radium có thể phát sáng, nhưng rất yếu. Khi ấy con người thường sử dụng radium kết hợp với một lớp sơn phát quang khác tô ra ngoài viền chữ số, ví dụ như kẽm sulfide và một loại kim loại nữa để tạo ra màu sắc phát quang đặc trưng.
Ở cái thời con người vẫn chưa hiểu hết về phóng xạ những năm 20, 30 của thế kỷ XX, chúng ta vẫn chưa biết những tác hại tới sức khỏe của phóng xạ. Có hai vấn đề chính với những mặt đồng hồ sử dụng radium làm chất phát quang. Một, nó là chất vô cùng thiếu ổn định, và hai, phóng xạ của nó rất độc với con người. Tia gamma và khí radon đều là những thứ có khả năng gây ung thư cho con người, và cũng có nghiên cứu khoa học chứng minh mặt số đồng hồ đeo tay khi ấy có khả năng gây bệnh hoặc thậm chí gây ngộ độc phóng xạ khiến con người tử vong. Nhưng nhờ khả năng phát sáng rất tốt, nhiều mẫu đồng hồ quân đội thời bấy giờ vẫn dùng rất nhiều radium để người lính sử dụng hiệu quả hơn. Chúng đều chỉ dành cho quân nhân và đều có dòng chữ “tiêu hủy sau khi sử dụng” để không làm hại tới sức khỏe của thường dân. Nhưng giờ chúng trở thành đồ sưu tầm, vì rất hiếm, bất chấp sự nguy hiểm của Radium đối với cơ thể con người.
Như đã nói, Radium là một chất không hề ổn định. Có những chiếc đồng hồ chỉ vài năm sau khi sử dụng đã không thể phát sáng trong đêm, nhưng cũng có chiếc vài chục năm chưa tắt.
Sau vài chục năm, đồng hồ sử dụng radium làm chất phát quang sẽ ngừng phát sáng, nhưng chu kỳ bán rã của chất này là 1.602 năm, và vẫn luôn có khả năng phóng xạ chừng nào chúng còn tồn tại. Vài anh em săn đồng hồ cổ chỉ cần dùng máy đo geiger dí vào mặt đồng hồ là biết con số đó có đúng là dùng radium hay là hàng fake.
Anh em có thể không biết, chiếc GMT Master 6542 của Rolex là một trong số những chiếc đồng hồ sử dụng radium làm chất phát quang ở cả mặt số lẫn viền bezel, và Rolex từng phải thu hồi chúng để thay thế viền bezel vì lo ngại mối nguy hiểm từ phóng xạ.
Promethium và Tritium
Sau vài thập kỷ, con người mới chấp nhận một thực tế rằng radium hoàn toàn không an toàn để làm chât phát quang trên đồng hồ, và những nghiên cứu mới để tìm chất thay thế được tiến hành. Một trong số đó khám phá tiềm năng của những đồng vị phóng xạ ít gây nguy hiểm cho con người hơn, ví dụ như promethium. Nó chỉ tạo ra hạt beta, và năng lượng cũng thấp hơn radium nên sử dụng để làm chất kích thích phosphor phát sáng cũng an toàn hơn. Seiko từng sử dụng promethium-147 để làm đồng hồ, nhưng chu kỳ bán rã của nó chỉ là 2,62 năm, nên khả năng phát sáng của promethium cũng rất kém nếu so với radium.
Trong khi đó tritium, đồng vị phóng xạ của Hydrogen cũng tạo ra hạt beta năng lượng thấp, nhưng có chu kỳ bán rã dài hơn, 12,32 năm, và nó được đóng vào trong những tuýp thủy tinh kín để phát sáng. Không chỉ dùng cho đồng hồ, mà tritium cũng được dùng để làm những chi tiết phát quang trên máy bay hay thước ngắm vũ khí. Hiện giờ có lẽ những hãng đồng hồ nổi nhất vẫn còn dùng tritium làm chất phát quang chính là Ball và Luminox, nhìn tuýp tritium bên trong cọc số sáng chói, rất đã.
Vấn đề của tritium là vì nó có chu kỳ bán rã, nên sau một thời gian, khả năng phát sáng của nó cũng sẽ giảm dần và rồi tắt ngấm, vẫn không tối ưu cho một chiếc đồng hồ dùng vài chục năm trời.
Luminova và Super Luminova
Luminova được công ty Nemoto Nhật Bản phát minh ra vào năm 1993, và đến năm 1998, RC-Tritec AG kết hợp với Nemoto để mở LumiNova AG Thụy Sỹ, cung cấp chất phát quang cho ngành công nghiệp đồng hồ tại đất nước này. Về cơ bản, Luminova giống như một dạng “pin mặt trời”, lưu năng lượng photon nó giữ được vào ban đêm, và ban ngày lại phải “sạc” lại photon vào các phân tử luminova. Lợi thế của nó là không độc, không có phóng xạ, nhưng bù lại là luminova chỉ phát sáng được vài tiếng đồng hồ trước khi hết photon.
Luminova sử dụng một chất liệu có tên stronti aluminat (SrAl2O4), có cường độ sáng rất mạnh sau khi hấp thụ đủ photon. Chất liệu này được kết hợp với Europi, một nguyên tố không độc, không có phóng xạ để tạo ra Luminova. Thậm chí người Nhật còn giỏi tới mức tạo ra được nhiều sắc xanh khác nhau cho chất phát quang gần như hoàn hảo này, xanh da trời sáng được lâu nhất, còn xanh lá có cường độ sáng cao nhất. Nó gần như là lựa chọn lý tưởng cho các nhà sản xuất đồng hồ, khi không bị tiêu biến trong quá trình sử dụng, chỉ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm cao mà thôi. Super-Luminova mới đến mức, bây giờ chúng ta vẫn chưa thể biết chất liệu phát sáng này có vòng đời bao nhiêu năm.