Siêu vật liệu potx

Siêu vật liệu
"Siêu vật liệu" là gì? Những tiến bộ mới nhất trong hiểu biết của loài
người về khoa học vật liệu đang ở đâu? Tháng 2 năm 2008, trong một bài
viết đánh giá về 10 lĩnh vực quan trọng nhất trong 50 năm trở lại đây,
Jonathan Wood - Tổng biên tập của Tạp chí Material Today, một trong những
tạp chí khoa học uy tín của thế giới, đã giải đáp cho chúng ta những thắc mắc
đó. Bài báo này đã gây tiếng vang lớn và nhận được sự tán đồng của đông
đảo các nhà nghiên cứu trong cộng đồng giới khoa học từ khắp các nước.
Sự đánh giáđược dựatrênkhả năng ứngdụngtrongcuộc sống, sự đóng góp
cácnghiêncứukhoa họcchocộng đồngthế giới,vàsự đónggóp ýkiến của các nhà
khoa học hàng đầu thế giới, từ nhiều quốc gia khác nhau. Phần lớn thuộc các lĩnh
vực đều đã quen thuộc với khoa học thế giới như Laser bán dẫn, Pin nhiên liệu,
Soft-lithography… và một số đã được chứng minh bằng giải Nobel Vật Lý như ống
nanocar-bone, Hiệuứngtừ trở khổnglồ,Kínhhiển vi đầu dò quét (ScanningProbe
Microscope). Nhưng cái tên cuối cùng trong danh sách này có lẽ ít người biết đến,
đó là Metamaterials, mà trong khuôn khổ bài viết này chúng tôi tạm dịch là Siêu
vật liệu. Tiền tố "meta" xuất phát từ tiếng Hy Lạp - "µeTá", có nghĩa là vượt ra
ngoài,vượt raxakhỏimột điềugìđó.Vậythực ra metamaterialhaySiêu Vật liệu là
gì, và vì sao nó có tên trong danh sách của những lĩnh vực khoa học sáng giá, ứng
cử viên cho giải Nobel tiếp theo này?
Câutrả lời bắtđầu từ hơn40 nămtrước,khi nhà vậtlýhọcngườiLiênXôcũ
là Veselago lần đầu tiên đưa ra ý tưởng về sự tồn tại của sóng điện từ trong một
môi trường "không bình thường" - môi trường chiết suất âm. Ý tưởng này tiên
đoánrằngchúng tasẽ cóthể quansátnhữngđộng thái rấtlạ lùngcủasóngđiện từ,
những độngthái có thể đảo lộn toànbộ mọi hiểu biết của chúng tavề cáctính chất
củasóngđiện từ. Một môitrườngcó chiếtsuấtâm sẽ có vectosóng ngượcphương
với vecto năng lượng, vận tốc pha âm. Hệ quả là một loạt các định luật về khúc xạ
ánh sáng như định luật Snell, định luật phát xạ Cherenkov, định luật Doppler… bị
đảo ngược. Ý tưởng tưởng như "điên rồ" này của Veselago không gây được chú ý
bởi một phần nó đi quá xa khỏi những hiểu biết truyền thống hàng trăm năm nay
củaloàingười,mộtphần khác là dosự hạnchế củacôngnghệ vật liệu thời điểmđó

chưa chophépông triểnkhai những thí nghiệm chứng minhlập luận của mình.
Hơn 30 năm sau, năm 1999, J.B.Pendry, một giáo sư vật lý nổi tiếng tại Đại
học Hoàng gia London đã đưa ra một mô hình cho phép tạo ra chiết suất âm của
mộtmôi trườnghiệudụngtừ những cấu trúc kim loạivà điệnmôixen kẽ. Dướitác
dụng của sóng điện từ, những cấu trúc này hoạt động như các mạch cộng hưởng
điện và từ riêngrẽ siêu nhỏ.
Những mạch cộng hưởng điện, từ này cho phép điều khiển tính chất hiệu
dụng khi tương tác với sóng điện từ của môi trường chứa nó. Bằng cách thay đổi
hình dạng vật lý và thành phần của các cấu trúc này, động thái của sóng điện từ
trong môi trường kể trên hoàn toàncó thể biết trước.Thế giới lúc bấy giờ bị rung
chuyển bởi phátkiếnnàycủaPendry,vàcácnhàkhoa họclại mộtlầnnữanínlặng
khi sau đó 1 năm, Shelby cùng các cộng sự tại Đại học California đã chứng minh
bằng thực nghiệm sự tồn tại của môi trường có chiết suất âm - một trong những
tính chất hứa hẹn nhất của Siêu vật liệu.
Cuộc cách mạng về sự hiểu biết đối với sóng điện từ đã chính thức bắt đầu.
Sau đó là hàng chục, hàng trăm và bây giờ là hàng ngàn bài báo mỗi năm, công bố
các kết quả nghiên cứu về Siêu vật liệu.Các nhà khoa học đang đưacon ngườitiến
gần tới sự hoàn hảo trong điều khiển động thái của sóng điện từ. Cho đến giờ, về
bảnchất,chúng ta cóthể hiểuSiêuvật liệu làmộtvật liệutổ hợp từ nhữngcấutrúc
nhân tạo nhỏ hơn, như một cách mà theo đó, chúng được thiết kế, chế tạo để có
được những tính chất điện từ như mong muốn.
Vậy, thực tế chúng ta mongmuốn điều gì ở Siêuvật liệu?
Những ứng dụng viễn tưởng có thật
Khi mà khả năng điều khiển sóng điện từ trở thành sự thật, thì đó là sự bắt
đầu của hàng triệu hàng triệu những ứng dụng mà trước đây chúng ta không dám
tưởng tượng. Ánhsáng, hay ít ra hiện nay làsóng điện từ tầnsố thấp, sẽ truyền đi
theo cái cách "không bình thường" mà các định luật đã kể trên không biểu diễn
được. Và mộttrong nhữngứngdụngđầutiên,đáng kể nhấttừ nhữngtính chấtđặc
biệt này của Siêu vật liệu mà chúng tôi muốn giới thiệu đó là Siêu thấu kính
(perfect lens). Trước hết chúng ta hãy bắt đầu từ thấu kính quang học thông

thường. Có thể nhìn thấy sự xuất hiện của thấu kính quang học truyền thống ở
khắp nơi trong cuộc sống, ví dụ như các loại ống kính, các loại kính hiển vi, máy
ảnh, máy ghi hình, các thiết bị laser… Các ứng dụng của thấu kính không chỉ trở
nên phổ biến trong thế kỷ này, mà nó còn tỏ rõ sự quan trọng khi là cầu nối của
nhân loạitrong những giao tiếp bằng hình ảnh, sự phát quang, các ứng dụng laser
trong chiếu sáng, chữa bệnh, quốc phòng… Tuy nhiên, có một nhược điểm mà
chúng ta không thể khắc phục nổi của thấu kính quang học truyền thống, đó là
không thể hội tụ ánh sáng vào một diệntích nhỏ hơnbình phươngbước sóng. Tức
là, với bước sóng ánh sáng nhỏ nhất có thể nhìn thấy là 380 nanomet, chúng ta
không thể thu được ảnh những vật nhỏ hơn 150 micromet nếu sử dụng thấukính
quang thôngthường. Như vậy, giớihạnquang họcđã được xác định, và tồn tạicho
đến trướckhi Siêu vật liệu xuất hiện.
Năm 2000, trên tạp chí Physics Review Leter, một trong những Tạp chí Vật
lý số một thế giới, J.B. Pendry một lần nữa đưa thế giới rẽ vào một bước ngoặt
trọng đại khi đưa ra mô hình Siêu thấu kínhsử dụng Siêu vật liệu. Giới hạn quang
học cổ điển đã bị xô đổ. Chúng ta đã nói về một thấu kính quang học có thể ghi lại
ảnh của tất cả mọi vậtcho dù nó rất nhỏ,nhưng ngượclại, Siêu vật liệu còn có thể
làm được hơn thế nữa.Chúng ta đang nói về một thế hệ thấu kính mới, có thể tạo
ra ảnh của những vật thể nhỏ bằng, nhỏ hơn hoặc nhỏ hơn rất nhiều lần bước
sóng. Hãy thử tưởng tượng xem có bao nhiêu thông tin từ một bức ảnh mà trước
kia bạn đã bỏ sót. Nếu ví một bức ảnh chụp thông thường là một chiếc bản đồ thế
giới, thì nay bạn đã có 1 bứcbản đồ mà trong đó,bạn có thể nhìn thấy từng người
từng ngườimột. Thế giới nano sẽ xuấthiện trướcmắtcác bạn chỉ bằngnhững ảnh
quang học. Bạn sẽ có một bức ảnh chụp những con vi khuẩn bằng những thao tác
đơn giản hơn nhiều. Những ứng dụng mà các bạn chỉ mới thấy trong những bộ
phim viễn tưởng sẽ xuất hiện vào một ngày không xa nữa bởi số lượng những
nghiên cứu về Siêu thấu kính ngày càng nhiều, bởi sự hiểu biết của loài người
trong việc ứng dụngSiêu thấu kính ngàycàng sâu sắc hơn…
Chẳng hạn như, thế giới đã không lạ gì với khái niệm "Người tàng hình" - kẻ
có thể biến mất trong ánh sáng đã xuất hiệntrong cuốn tiểu thuyết củaH.G. Wells

hay R.W. Ellison và đã từng làm say mê biết bao độc giả. Sự hấp dẫn của những
cuốn tiểu thuyếtviễn tưởngluôn nằmở chỗ nóbiếtkhơigợi chongườiđọcnhững
điều kỳ lạ vàđộc đáonhấtmàngườitacóthể tưởng tượng được.Người ta đã từng
nghĩ sẽ thật điên rồ nếu họ có thể bay được như chim, và rồi giờ đây họ đã bay,
thậm chí còn bay caovà xa hơn bất cứ loài chimnào. "Ngườitànghình" đã có hơn
100 năm đứng trong danh mục những chuyện viễn tưởng hay nhất mọi thời đại,
nhưng giờ thị không còn là viễn tưởng nữa mà đang trở thành hiện thực.
Ánh sáng, một loại bóng điện từ phổ biến nhất, giờ đây có thể bị điều khiển
để bị uốncongkhitruyềnquamột vật.Nguyên lývề mộtlớpvỏ bọc có thể làmmột
vật trở thành "điểmmù" của ánh sáng đã được nhóm nghiên cứu của tiến sĩ vậtlý
D. Schurig đưa ra và chứng minh bằng thực nghiệm năm 2006. Bài báo đã được
đăng trên tạp chí Science, cái nôi của những giải Nobel trước đó. Một lớp siêu vật
liệuvớicáctính chấtđặc biệt đã được tínhtoán,thiếtkế, và chế tạo để bẻ congmọi
tiasáng khi nótruyền tới mộtvật. Các tia sángnàysẽ đi vòngquavậtvàdođó, như
một "điểm mù" trong không gian, nó không thể bị nhìn thấy trong một dải tần số
nhất định. Magnetic cloaking, tên của lớp vỏ bọc kì diệu đó, đã mở ra không chỉ
một,mà làvôvàncácứng dụngchonhânloại,cả trongđờisống sinh hoạtlẫn quân
sự. Chúng ta không chỉ nói về Người tàng hình, mà còn có thể làm chủ khả năng
điều khiển ánh sáng nói riêng, vàsóng điện từ nói chung, một cách hoàn hảo nhất
bằngSiêu vật liệu.
Một vài ứng dụng Siêu vật liệu có lợi cho sức khỏe và môi trường.
Những nghiên cứu về Siêu Vật liệu với vô vàn các cấu trúc khác nhau đã và
đang cung cấp cho thế giới những hiểu biết sâu sắc về thế hệ vật liệu thông minh
này.Khả năngđiềukhiểnvàkiểmsoát sóngđiệntừ đang dần được hoàn thiện. Gần
đây nhất, người ta đã sử dụng một cấu trúc Siêu vật liệu dày 0,3 milimet để hấp
thục gần như tuyệt đối (99,97%) sóng điện từ trong dải tần số GHz. Về cơ bản,
vùng hấp thụ có thể được điều khiển để tạo ra loại vật liệu hấp thụ ở giải tần số
mong muốn. Độ dày của lớp hấp thụ chỉ bằng 1/10 bước sóng hấp thụ. Một lần
nữa,cáikhông thể đã trở thành cáicóthể.Những loạisóngcóhại sẽ khôngđếnvới
chúng ta nữa nếu chúng ta có một chiếc áo làm bằng Siêu vật liệu. Một ô cửa phủ

vật liệu Siêu hấp thụ sẽ không cho các tia cực tím có hại lọt qua. Hay chúng ta có
thể tạo ra những căn phòng "sạch" thực sự với sóng điện từ, những điều kiện lý
tưởngtrongthí nghiệm haytrong đolường thựctế.Vàkhiđó,việctạoramộtchiếc
áo khoác tàng hình như của Harry Potter, ắt hẳn sẽ là một điều hết sức bình
thường.