Ứng dụng của siêu vật liệu ppsx

Ứng dụng của siêu vật liệu
Một trong những tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu là "tàng hình" và
"siêu thấu kính" [1]. Sóng thần, động đất và năng lượng xanh thoạt nghe như
không có một sự liên hệ nào đến siêu vật liệu, nhưng nhóm nghiên cứu của
giáo sư Xinhua Hu (Đại học Phục Đán, Thượng Hải, Trung Quốc) trong một
bài báo cáo gần đây [2] đã dựa theo khái niệm chế tạo siêu vật liệu "tàng
hình" làm thuật toán mô phỏng số cho thấy một ứng dụng rất thực tế và gần
gũi: bảo vệ bờ biển bằng cách triệt tiêu những cơn sóng dữ.
Việc phát hiện siêu vậtliệu 10năm trước đã đượctạp chí Naturexem như là
một cột mốc quantrọngtrong lịch sử vật lý ngang hàng với việc khám phálaser,
pin mặt trờihay tinhọc lượng tử.
Trongviệc thiết kế siêu vật liệu nhữngđơn vị tạo thành phải nhỏ hơn bướcsóng
của sóng.Như thế, sóng không thể "nhìn" được từng chi tiết của đơnvị mà chỉ
"thấy" một vậtliệuđồng nhất.
Ví dụ,vi ba cóbướcsóng vài centimét,đơnvị cấu trúc để tương tác với viba có thể
ở cấp milimét. Ta thoải mái thiết kế và cải biến những đơn vị cấu trúc ở kích cỡ này
để thao túng đường đi củasóng màsóng "không hề hay biết". Đối với ánhsáng
thấyđược (cóbước sóngvài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng tinhvi
của côngnghệ nano với sự chínhxác ở cấp nanomét.
Đối tượng của siêu vậtliệu là việc bẻ cong sóng điệntừ theo ý muốn của mình khi
đi quamôi trường siêu vật liệu. Bẻ congđường điánh sánglà sự kiệnbình thường
trong thiên nhiên khiánh sángđi vào môi trườngcó chiết suất khác nhaunhư sự
khúcxạ giữa nước và khôngkhí, trong lăng kính,hay giữa không khí nóng và lạnh
gây ảoảnh trên mặt đường. Tanhìn thấy vật vì có sự phản xạ của ánh sáng từ vật
đến mắt ta. Việc làm "tàng hình" một vật chẳng qua là việcbẻ cong đườngđi của
sóng điện từ xung quanhvậtđó khiến chosự phản xạ đến người quan sát không
xảy ra, dođó vật tànghình.
Hình 2: Hình trái: một vật tròn được nhìn thấy. Hìnhgiữa: vật trònđược phủ kín
bởi siêu vật liệu. Hìnhphải: Vật tròntàng hìnhnhờ lớp phủ;lớpphủ cho ảo giáclà
ánh sáng bị phản chiếu từ mặt phẳng (Credit:ThomasZentgraf).
Năm 2006,nhómnghiên cứu liên trườngcủa giáo sư John Pendry(Imperial

College, London,Anh quốc) và David Smith (DukeUniversity,Mỹ) [3]lần đầu tiên
đã chế tạo một siêuvật liệulàm tàng hìnhmột vật trong viba (bước sóng
centimét). Kết quả nghiên cứunày mang ý nghĩa quantrọng trong khoahọc quốc
phòngvì vi ba được sử dụng cho radar.
Vài năm sau,trong nỗ lực nhằm làm tànghình trong vùng ánh sáng thấy được,
nhóm của giáosư Xiang Zhang (Đại học California, Berkeley,Mỹ)làm tàng hình
một vật trong tia hồng ngoại (bước sóng1.600 nanomét) (Hình1 và 2) [4]. Nhưng
trong các thí nghiệm dùng siêuvật liệu, vật bị tànghình có kích thước rấtnhỏ ở
cấp micromét(0,001 mm). Để làm con người tàng hình,một triệulần to hơn, hay
chiếc máy bay,một tỷ lầnto hơn,chắc chắn sẽ còn nhiềugian nan.
Hình 3: Nhữngống trụ rỗng có4 khekhi nhìn ngang và nhìn xuống[2].
Nhóm Zhangcòn có thamvọng triển khaisiêu vật liệu cho sóngâm thanh. Siêu vật
liệu âm thanh dễ chế tạo hơnsiêu vật liệu sóng điện từ vì bước sóng của âm thanh
khoảng 1m.
Hãy tưởng tượng ngày nào đó siêu vật liệu âm thanhsẽ được phủ lên tàu ngầm,
các luồng âmthanh phát từ sonartruy lùngtàu ngầm chỉ trượt lên thântàu mà
khôngbị phản hồi.Sóng ra đi mà khôngbao giờ trở lại;sonar trở nên vô hiệu.
Tiếc rằngvì bảnchấtthựcdụng quốc phòng, những triển khai củasiêuvật liệuâm
thanh sẽ ít nghethấytrên các diễnđàn công khai vàđi dần vào màn đêmbí mật.
Bài báo cáocủa nhómHu [2]chothấy kháiniệm siêu vật liệu còn áp dụngcho sóng
cơ học mà sóng nướclà mộtví dụ.Trongkhi nhómPendry -Smithchế tạo ra
những đơn vị siêu vật liệu ở kích thước milimét cho vi ba, nhóm Hu triển khai
thành những ống hình trụ rỗngở đơn vị mét.
Những ốngnày có4 khedọc theochiều cao ốngvà nếu được bố trí thích hợp(Hình
3) sẽ làm triệttiêu sóngvà hấp thụ 90% nănglượng sóng biến thành điện năng.
Một công haiviệc. Có nhiều phê phánvề công trình này nhưngcũng có ýkiến cho
rằng đây là khái niệm tuyệt vời nhằm ngănchặn sóngthần và thậm chí độngđất
[5].
Khi các nhà khoahọcđangbăn khoăn tìm kiếm giảiđáplàm tàng hình con người
hay chiếc máy baythì tại saota lại không ápdụngsiêu vật liệu chedấu những vật

nhỏ hơn? Những nếp nhăn thời gian,tànnhan, mụn námtrên da mặt có thể tàng
hình như có phù phép củama thuật khi ta thoa lên mộtlớp kem siêu vật liệu. Nó sẽ
cho ngườiquan sátmột ảo giác là ánh sáng phảnxạ từ làn da trắng muốt, mịn
màng…Nhữngca phẫu thuậtcăng dakéo mặt tốnkém vàcáclớp dàyson phấn sẽ
trở nên lỗi thời. Một niềmhạnh phúc vô biên sẽ được mang tới cho phái đẹp, nếu
thời gian không phụ lòng người.
Định luật truyền thẳng ánh sáng -
Một định luật ngắn gọn nhưng ứng
dụng lại không ngắn gọn
“Trong một môi trường trong suốt, đồng tính, ánh sáng truyền đi theo
đường thẳng”: Rất ngắn gọn, rất xúc tích, đó là nội dung của định luật truyền
thẳng ánh sáng.
Sự truyền thẳng của ánh sáng có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và kĩ
thuật. Chẳng hạn, dựa vào sự truyền thẳng của ánh sáng, người ta chế tạo những
chiếc thước ngắm để xác định các điểm nằm trên một đường thẳng trong không
gian; Khi các em học sinh đứng thẳng hàng, bạn tổ trưởng đứng đầu hàng (cho dù
là họcsinh lớp 1hay 12) cũng “biết dùng” định luật truyền thẳng của ánh sáng để
kiểmtra xemhàng đã thẳngchưabằng cách… “ngắm”.
Ngoàirata có thể vậndụngđặcđiểmvề sự truyền thẳngcủaánhsángđể giải
thích nhiều hiện tượng lí thúkháctrong tự nhiên.
Hãy bắt đầu từ “bóng tối” và “bóng nửa tối” …
Bóng tối là gì ? Đặt một nguồn sáng nhỏ S (như bóng đèn, ngọn nến) trước
một màn chắn (có thể là bức tường chẳng hạn), trong khoảng từ nguồn sáng đến
mànchắnđặtmộtvậtcảnánh sáng(như tấm bìa cứng), quansát trênmànchắn ta
thấy cómột phần không nhận được ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới phần đó gọi
là bóng tối .
Bóng nửa tối là gì? Nếu nguồnsáng làrộngnhư ngọnlửachẳng hạn,quansát
trên màn chắn ta thấy ngoài là bóng tối còn có một phần không tối hoàn toàn bao
xung quanh, phần này chỉ nhận được ánh sáng từ một phần của nguồn sáng chiếu
tới gọi là bóng nửa tối.

Lấy một ví dụ nhé: Vàobanđêm,trongphòngchỉ cómộtngọnđèndầu.Khita
đứng gần tường, bóng của ta in rõ nét trên tường, nhưng khi tiến lại gần đèn thì
bóng của ta trên tường ngàycàng kém rõ nét hơn.
Vì sao như vậy nhỉ? Bay giờ thì bạn tự giải thích được rồi: Khi đứng gần
tường (xa đèn) xuất hiện vùng bóng tối và bóng nửa tối. Do khoảng cách giữa
người và tường nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa người và đèn nên bóng
nửa tối bị thu hẹp, ta thấy vùng bóng tối rõ nét.Khi đứng gần đèn, vùng bóng nửa
tối đượcnới rộng thêmnên vùng bóng tốilại kémrõ nét. Vậy thôi!
Trênhình bên là nghệ thuật tạo bóng bàntay.
… Cùng định luật đi vào cuộc sống
Từ đồng ruộng …
Trên một thửa ruộng người ta cắm 3 cái cọc thẳng đứng. Nếu trong tay
không có một dụng cụ nào, làm thế nàođể xácđịnh 3 cáicọc đó có thẳnghàng hay
không?
Đơn giản quá, những người nông dân vẫnthường làm mà: Nheo một mắt và
nhìn bằng mắt kia trước một cọc (đầu tiên) ngắm thẳng theo hướng của 2 cái cọc
còn lại, nếu2 cọccònlạibị cọc đầutiênchekhuấtthì cả 3cọcđã thẳng hàng. Đó là
một hệ quả rút ra từ định luật truyền thẳngánhsáng đấy!
… Đến các xưởng mộc
Còn các bác thợ mộc thì sao? Những người thợ mộc khi bào những thanh gỗ
thẳng,thỉnh thoảng họ lạinângmộtđầuthanhgỗ lênđể ngắm. Làm như vậycótác
dụnggì?Nguyêntắc củacáchlàmnàyđã dựa trên kiếnthứcvậtlínào?Bâygiờ thì
bạn cũng biết rồi: Người thợ mộc nâng một đầu thanh gỗ lên để ngắm nhằm mục
đích kiểm tra xem mặt gỗ bào đã phẳng chưa. Nguyên tắc của cách làm này dựa
trên địnhluậttruyền thẳng của ánh sáng.
Bây giờ đi vào các lớp học và bệnh viện xem sao nhé!
Tạisao trongcác lớp học,ngườita lắp nhiều bóng đèn ở các vị trí khác nhau
mà không dùng một bóng đèn lớn (độ sáng của một bóng đèn lớn có thể bằng độ
sáng của nhiềubóngđèn nhỏ hợp lại)?
Đơn giản quá, việc lắp đặt bóng đèn thắp sáng trong các lớp học phải thỏa

mãn bayêu cầu sau: Phải đủ độ sángcầnthiết;Học sinh ngồi ở dướikhông bị chói
khi nhìn lên bảng đen và tránh cácbóng tối vàbóng nửatối trên trang giấymà tay
học sinh viết bài có thể tạo ra. Trong ba yêu cầu trên, mộtbóng đèn lớnchỉ có thể
thỏamãnyêucầu thứ nhấtmàkhôngthỏa mãnđượchaiyêu cầucònlại.Trongkhi
đó, nếudùng nhiều bóng đèn lắp ở những vị tríthích hợp sẽ thỏa mãn được cả ba
yêucầu.Đó chính là lýdo giải thíchvìsaotrong lớphọcngườitathường lắpnhiều
bóng đèn ở các vị trí khác nhau.
Trong các phòng mổ ở bệnh viện, người ta đã làm như thế nào để khi mổ,
bàn taycủaBácsĩ không che khuấtvếtmổ hoặc tạobóng tốitrênchỗ mổ củabệnh
nhân? Bây giờ thì quá đơn giản với bạn rồi: người ta thiết kế nhiều bóng đèn ở
nhiều vị trí khác nhau sẽ làm cho ánh sáng của các bóng đèn này đan chéo nhau,
khi mổ cho bệnh nhân, bàn tay của Bác sĩ có thể tạo ra bóng nửa tối đối với một
ngọn đèn nào đó nhưng không thể tạo bóng tối đối với tất cả các bóng đèn trong
phòng.Rất antoànđấy!
… Cùng định luật đi vào vũ trụ bao la
Nhật thực và nguyệt thực chỉ là hai hiện tượng tự nhiên gần với ta nhất mà
khi giải thích, cần phải có kiến thức về sự truyền thẳng ánh sáng, bóng tối và bóng
nửa tối …
Nhật thực: Mặttrời chiếu sáng Mặttrăng vàTráiĐất, khi Mặt trời, Mặttrăng
và Trái đất cùng nằm trên đường thẳng, Mặt trăng ở giữa thì trên Trái đất xuất
hiện bóngtối vàbóngnửa tối. Một số nơitrên Trái Đất sẽ quansát thấy nhật thực.
Trong khi xảy rahiện tượng nhật thực,chỉ có những người đứngtrong vùng
bóng tối của Mặt trăng trên Trái đất và những người đứng trong vùng lân cận
(vùng bóng nửa tối) mới có thể quan sát được hiện tượng. Những người không
đứng trong những vùngnày thìkhôngthể quansát đượchiện tượng nhật thực.
Nguyệt thực: Mặt trời chiếu sáng Mặt trăng. Đứng từ Trái đất về ban đêm ta
nhìn thấy ánh sáng phản chiếu từ Mặt trăng. Khi Mặt trăng bị Trái Đất che khuất,
nókhôngđượcMặttrờichiếusángnữa,lúc đó takhôngnhìnthấyMặttrăng,tanói
là cónguyệtthực.
Mặt trăng quay quanh Trái đất, Trái đất lại quay quanh Mặt trời nên chỉ khi

Mặt trăng đi vào vùng bóng tối của Trái đất hoàn toàn mới có hiện tượng nguyệt
thực toàn phần, trong trường hợp này chỉ có một số vị trí nhất định trên Trái đất
mới quan sát được (những vị trí này nằm trên mặt đất, xung quanh đường thẳng
nối tâm Mặt trời, Trái đất và Mặt trăng. Những khu vực lân cận khác chỉ thấy
nguyệtthực mộtphần.