Vật liệu tàng hình

Tìm hiểu về vật liệu tàng hình: nguyên lý, sự phát triển ở hiện tại tương lai và thách thức

Vật liệu tàng hình Vật liệu tàng hình Vật liệu tàng hình I/Khái niệm: a/Cơ sở lí thuyết: Tàng hình gì? Tàng hình vật ở trạng thái mà mắt chúng ta, thiết bị quan sát không nhìn thấy được - Màu sắc từ đâu mà ra? Liệu màu sắc có phải thuộc tính vạn vật tự nhiên thực khách quan? Câu trả lời KHÔNG Đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím tên người đặt để phân biệt cảm nhận tương tác ánh sáng với vật chất Không màu tồn khách quan tự nhiên Vật liệu tàng hình Ánh sáng dạng lượng có tính nhị nguyên: vừa hạt lại vừa sóng điện từ với bước sóng khác nhau[1] Ánh sáng tự màu sắc Phổ sóng điện từ rộng, trải dài từ sóng radio có bước sóng cỡ hàng trăm ngàn km, tới sóng tia X, tia gamma với bước sóng ngắn phần ngàn tỉ meter (10-12 m, hay phẩn ngàn nanometer, nm) Trong dải phổ sóng điện từ với bước sóng dài bát ngát đó, phần phổ ánh sáng mắt người nhìn thấy chiếm phần không đáng kể, từ 780 nm xuống tới 380 nm - Vì chúng nhìn thấy vật thể, màu sắc ? Ta nhìn thấy vật thể ánh sáng vật thể phản chiếu vào mắt ta nên ta nhìn thấy hình giáng màu sắc vật thể Vật liệu tàng hình Hoa fuchsia - Ví dụ đóa hoa fuchsia có màu magenta ánh sáng trắng chiếu vào, hấp thụ tia sáng, phản xạ lại tia đỏ lam Đỏ lam hòa với tạo màu magenta thị giác =>> để làm cho vật tàng hình ta chỉ cần thay đổi đường tỉa tai phản xạ không cho nó chiếu vào mắt, thiết bị tiếp nhận Vật liệu tàng hình b/Nguyên lý tang hình: Hiện tượng tàng hình hay hình thật kết tương tác ánh sáng (hay sóng điện từ nghĩa rộng) vật chất Ta nhìn thấy vật quanh ta phản xạ ánh sáng tia sáng phản xạ đập vào mắt ta, thị giác cho ta cảm nhận màu sắc hữu giới xung quanh Nhưng đêm buông xuống hay ánh đèn phòng tắt vật "tàng hình" không phản xạ ánh sáng Khi ánh sáng, hay nói rộng sóng điện từ, tác động lên vật chất có ba trường hợp xảy ra: (1) phản xạ (reflection), truyền xạ (transmission) hấp thụ (hình 1) Hình 1: Sự tương tác giũa song điện từ (hay ánh sáng) với vật chất (1) song tới, (2) sóng phản xạ, (3) song truyền xạ (khúc xạ) (4) song hấp thụ Như vậy, muốn vật tàng hình ta phải triệt tiêu phản xạ ánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ ánh sáng xa người quan sát Ta cảm nhận việc điều chỉnh hướng phản xạ ánh sáng sống ngày Khi ta đứng trực diện trước gương phẳng, ta nhìn thấy ta gương Nhưng ta nghiêng gương với góc độ thích hợp, ta không thấy ta, ta "biến mất" gương Tuy nhiên, ta có gương hình cầu, dù có quay gương theo hướng hay ta di chuyển vị trí lúc thấy ta gương Như vậy, mặt cầu vị trí ánh sáng phản xạ đến người quan sát, mặt phẳng có góc làm ánh sáng phản xạ trở lại nơi người quan sát ánh sáng tới đụng vào gương góc 90 độ (khi ta đứng trực diện thẳng góc với gương) (Hình 2) Vật liệu tàng hình Hình 2: Sóng tới sóng phản xạ (a) mặt phẳng (b) mặt cầu Chỉ có sóng tới chạm vào mặt phẳng góc 90° phản xạ trở lại nguồn phát Đến nay, vật liệu quang học có cấu trúc nhân tạo khả dụng số bước sóng hẹp, giới hạn khả che phủ nhiều dải màu sắc Tuy nhiên, trở ngại sớm dỡ bỏ kỹ sư quang học đại học Stanford thành công việc thiết kế loại siêu vật liệu có dải sáng rộng với số khúc xạ âm màu sắc cầu vồng Vật liệu tàng hình "Chiếc áo" tàng hình đại học Duke chế tạo hoạt động dựa trênnguyên lý uốn cong ánh sáng xung quanh vật thể bao phủ Tuy nhiên, chế không đơn giản ánh sáng thoát từ lớp phủ phải tương ứng với độ phân cực pha luồng ánh sáng chiếu qua Nếu không, áo lộ nguyên hình trường hợp này, bạn không thấy thứ bị bao phủ "có áo đây" Vật liệu tàng hình Theo phó giáo sư Jennifer Dionne: "Tất vật liệu tự nhiên có số khúc xạ dương" Ví dụ không khí điều kiện tiêu chuẩn có số khúc xạ thấp tự nhiên, tức chút Trong đó, số khúc xạ nước 1.33, kim cương 2.4 Vật liệu có số khúc xạ cao ánh sáng bị lệch hướng nhiều so với đường ban đầu Nếu số khúc xạ gần âm tượng vật lý thú vị xảy Chúng ta hình dung sau, cắm ống hút để nghiêng cốc nước, số khúc xạ nước âm hình ảnh ống hút mà chúng ta thấy đảo ngược Phần ống hút (trên mặt nước) nghiêng từ phải sang trái phần (dưới mặt nước) nghiêng từ trái sang phải thay chiều (hình dưới) Vật liệu tàng hình Để che khuất vật thể hay hạn chế khúc xạ, vật liệu phải có khả kiểm soát xác đường ánh sáng theo giả thuyết Tuy nhiên, vật liệu tự nhiên đáp ứng câu trả lời siêu vật liệu quang học Khác với vật liệu tự nhiên, siêu vật liệu thừa hưởng đặc tính quang học từ hình dạng hình học đơn vị tế bào nano tạo nên hay gọi "nguyên tử nhân tạo" Bằng cách thay đổi hình dạng đơn vị tế bào này, số khúc xạ vật liệu đạt giá trị dương, gần âm Thêm nữa, vật liệu cần tương tác với từ trường điện trường ánh sáng Trước đây, nhiều nhà nghiên cứu thử chế tạo siêu vật liệu chứa nguyên tử nhân tạo bao gồm thành phần tương tác với điện trường thành phần lại tương tác với từ trường Mỗi thành phần tương tác với màu sắc khác ánh sáng khó để thành phần tương tác với nhiều bước sóng lúc Kết dãy sóng hay phạm vi bước sóng dành cho hoạt động thành phần thường bị giới hạn Lớp phủ tàng hình rốt hoạt động với ánh sáng vàng dĩ nhiên không hữu dụng chút trừ bạn muốn giấu … nải chuối màu vàng Vì vậy, Jennifer Dionne sinh viên tốt nghiệp Hadiseh Alaeian, Ashwin Atre nghiên cứu sinh tiền tiến sĩ Aitzol Garcia thiết kế loại siêu vật liệu với cấu Vật liệu tàng hình trúc hợp cho phép tương tác hiệu với điện trường từ trường ánh sáng loạt màu sắc ánh sáng Nhóm Dionne sử dụng kĩ thuật có tên gọi "phép biến đổi bảo giác" (conformal transformation) để chuyển đổi cấu trúc siêu vật liệu chiều với đặc tính quang học theo ý muốn thành dạng chiều tỉ lệ nano với đặc tính quang học giữ nguyên Cấu trúc nano chuyển đổi có hình dạng giống mặt trăng lưỡi liềm, hẹp đầu mỏng trung tâm chúng nguyên tử nhân tạo tạo thành siêu vật liệu Các nguyên tử xếp mạng lưới tuần hoàn với thiết kế tại, siêu vật liệu có số khúc xạ âm bước sóng dài 250nm nhiều vùng quang phổ thấy quang phổ cận hồng ngoại Nhóm nghiên cứu cho biết với vài điều chỉnh cấu trúc, siêu vật liệu khả dụng nhiều bước sóng Atre nói: "Chúng điều chỉnh hình dạng lưỡi liềm thu nhỏ kích thước nguyên tử, đó, siêu vật liệu bao phủ quang phổ thấy được, từ 400 đến 700nm" Dĩ nhiên từ nghiên cứu đại học Stanford đến áo tàng hình Harry Porter chặng đường xa Tuy nhiên, siêu vật liệu nói tạo tảng lớp vật liệu mà ngày dùng để chế tạo áo hay lớp phủ thật 10 Vật liệu tàng hình Hình 7: Khi có điện áp (trong hình: "on") polymer dẫn điện phản xạ sóng radar; điện áp (trong hình: "off") hấp thụ radar Ở tần số khoảng 1,03 GHz, vật liệu hấp thụ gần 99,9% (-50 dB) lượng sóng tới Trong khoảng đến 1,1 GHz, lượng bị hấp thụ 90 % (-20 dB) [8] Dạng dạng trung tính cách điện dạng dạng dẫn điện Dạng không hấp thụ dạng hấp thụ sóng radar [Hình 7] Như vậy, polymer dẫn điện trở nên vật liệu thông minh "hư hư thực thực" đánh lừa đối phương, cần thiết vật liệu tàng hình, không cần thiết lại vật liệu "ngu si" phản hồi sóng radar [8-10] Tuy nhiên, bình điện giải để thực điều kích cỡ hay hình dạng linh kiện thích hợp cho thiết kế máy bay hay tàu tàng hình Vào năm 2001 nhóm nghiên cứu Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (Chinese Academy of Sciences) tổng hợp polyaniline - polymer dẫn điện thông dụng - có dạng hình ống kích cỡ micromét [11] Bình thường, polymer dẫn điện tên gọi định nghĩa có tác dụng điện Nhưng polyaniline dạng hình ống có tác dụng từ tính băng tần quan trọng sóng radar (1 - 18 GHz) Phải nói phát thú vị có vật liệu nhẹ polymer mang khả hấp thụ sóng radar hai chế từ điện Những vật liệu từ tính hấp thụ radar bột sắt hay oxit sắt có tỷ trọng nặng dễ bị ăn mòn (rỉ sét) Đây vật liệu lý tưởng cho máy bay, nơi mà đặc tính nhẹ cân điều kiện thiết kế quan trọng hàng đầu, hay tàu chiến phải thường xuyên tiếp cận với nước biển Hơn nữa, việc trộn thành phần điện carbon vào thành phần từ oxit sắt không cho hiệu ứng đồng vận (synergetic effect) [7] Polyaniline nhóm nghiên cứu Trung Quốc thỏa mãn điều kiện nhẹ cân mang hai đặc tính điện từ Tuy nhiên, sau báo cáo năm 2001 người viết không tìm thấy tư liệu nói đến việc triển khai polyaniline dạng ống áp dụng tàng hình 23 Vật liệu tàng hình 10 Vật liệu nano Ống than nano hạt nano kim loại oxit kim loại ngày đa dạng phương cách sản xuất nâng cao tạo sản phẩm đại trà Vật liệu nano mang đến nhiều ứng dụng hiệu ứng tàng hình cuả vật liệu đề tài nghiên cứu cuả nhà tàng hình học Người ta phối hợp polymer dẫn điện ống than nano tạo thành composite thấy composite hấp thụ vi ba nhiều có đơn độc thành phần [12] Điều chứng tỏ có hiệu ứng đồng vận xảy polymer dẫn ống than nano Hiện chưa có nhiều công bố hấp thụ radar hạt nano Khi kích thước vật liệu thu nhỏ diện tích bề mặt toàn thể hạt nano gia tăng với số lần tương đương Hạt sắt, oxit sắt hạt carbon dùng việc hấp thụ sóng radar có độ lớn micromét Hạt nano có kích thước khoảng 1.000 lần nhỏ hạt micromét Bằng phương pháp tính toán đơn giản, ta biết diện tích bề mặt cuả toàn thể hạt nano 1.000 lần lớn so với hạt micromét thể tích Khi có gia tăng bề mặt, đặc tính vật liệu gia tăng nhiều lần Đặc tính hấp thụ lượng sóng vi ba radar gây gia tăng từ tính điện tính vật liệu nano không nằm nguyên tắc Mặc dù loại hạt nano kim loại, oxit kim loại, chất bán dẫn, ống than nano lúc đa dạng tinh vi, người viết chưa tìm thấy báo cáo công khai nói tiềm vật liệu nano ứng dụng tàng hình Một điều thú vị khác mà vật liệu nano cống hiến cho hiệu ứng tàng hình khả hấp thụ lượng vùng hồng ngoại (infrared) Trong phổ điện từ, vùng hồng ngoại nằm cạnh vùng vi ba (Hình 4) Nhiệt phát từ động cơ, hay ma sát không khí phần đầu, phần đuôi rìa cánh máy bay phi vụ Nhiệt sinh xạ hồng ngoại mà cảm ứng tên lửa "lùng diệt" đối phương cảm nhận Khi phát hiện, tên lửa bám theo nguồn nhiệt phá tung mục tiêu Vì xạ hồng ngoại cần phải phát tán không bị cảm ứng đối phương phát Việc triển khai vươn tay đến vùng sóng "láng giềng" kề cận vi ba việc khả thi vật liệu nano 11 Vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến Các đài radar quân phát sóng để truy lùng máy bay hay tàu chiến đối phương tần số bí mật Đó thông tin cực mật quốc gia Tần số vùng – 18 GHz băng tần rộng vật liệu hấp thụ radar mang đến hiệu tần số nhỏ hẹp Nếu ta có vật liệu hấp thụ radar tuyệt vời nằm tần số đối phương tượng "trớt quớt" xảy hình bóng ta lồ lộ lên hình radar đối phương Nếu radar tên lửa khoảnh khắc tên lửa háo hức tìm ta mà đâm vào! Việc truy lùng phản kích giống hoạt cảnh phim hoạt hình "Tom and Jerry" Chú mèo Tom dùng cách để tóm cậu tí nhắt Jerry Jerry không chịu thua, vừa tìm cách trốn 24 Vật liệu tàng hình lánh vừa quay lại phản kích đánh phủ đầu mèo Tom tạo nên cảnh bát nháo vô thú vị Cậu tí Jerry lúc thắng cậu khôn khéo biết tiên liệu ý đồ mèo Tom nên tiến thoái nhịp nhàng đánh mèo Tom trận đòn nên thân Việc tiên liệu ý đồ đối phương nằm sách lược "Biết người biết ta" Nhưng việc tiên liệu tần số radar phe bên để "biết người" dành phần thắng cho ta chuyện mò kim đáy biển, "non cao đất rộng mà tìm"! Có lẽ ta phải cần đến thông minh can đảm điệp viên tầm cỡ James Bond 007 với nàng kiều nữ khêu gợi vào đất địch mang thông tin cực mật cho phe ta Nhưng công trình nghiên cứu nhóm Chambers (University of Sheffield, Anh Quốc) cho James Bond vườn nghỉ hưu sớm! Nhóm Chambers cho thấy không cần phải sử dụng tài sức James Bond hào hoa thích thập thò làm việc "đánh cắp" tài liệu mật ta có khả thiết kế bề mặt phủ vật liệu hấp thụ radar có đặc tính ứng biến động (dynamic adaptive radar absorbing materials, DARAM) gọi mặt phủ "thông minh" Mặt phủ giúp ta chế ngự sóng tới radar dù tần số [8-9, 13] Theo nhóm Chambers, ta cần hai điều kiện Điều kiện thứ điện trở (hay độ dẫn điện, độ dẫn điện tỷ lệ nghịch với điện trở) lớp phủ thay đổi tần số hấp thụ radar di chuyển qua lại (nên "động", dynamic) băng tần rộng lớn Điều kiện thứ hai phía sau lớp phủ ta đặt cảm ứng để phát tần số radar đối phương Khi luồng radar chạm vào lớp phủ, cảm ứng xác nhận tần số radar báo cho lớp phủ biết để kịp thời "ứng biến" (adaptive) điều chỉnh đến tần số hấp thụ vi mạch liên thông (Hình 8) [9] Không thế, sóng radar đối phương chuyển sang tần số khác hệ thống có khả di chuyển hấp thụ sóng đến tần số tương ứng để triệt tiêu nguồn đe dọa [8] Tất trình tự thao tác phải diễn biến cực nhanh, vài giây đồng hồ, phải trước bước đối phương nhanh chóng làm nhòa luồng sóng radar đe dọa Thật hệ thống thông minh Nhưng cấu tưởng điện học cho thấy nguyên lý ứng xử hệ thống vừa hấp thụ lượng sóng điện từ vừa tự động di chuyển đến tần số hấp thụ (absorb while scanning) 25 Vật liệu tàng hình Hình 8: Hệ thống vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến (DARAM) cảm ứng xác nhận tần số sóng tới Vậy vật liệu sử dụng tạo lớp phủ thông minh để thực cấu tưởng này? Người ta nghĩ đến polymer dẫn điện Như đề cập trên, độ dẫn điện (hay điện trở) polymer thay đổi trình điện hóa Ngoài ra, polymer dẫn mang tính chất tụ điện [8] Khi có kích hoạt điện hóa, vật liệu thay đổi độ dẫn điện điện dung (capacitance) tụ điện để tạo thành lớp phủ hấp thụ radar "thông minh" Đây đặc tính vượt trội bột carbon hay bột sắt, oxit sắt cổ điển mang điện tính hay từ tính bất biến, thụ động "vô cảm" trước kích thích từ Tuy nhiên, việc sử dụng polymer dẫn lớp phủ hấp thụ radar gặp hai trở ngại lớn Trở ngại thứ liên quan đến đặc tính không ổn định nhiệt (thermally unstable) cố hữu loại polymer mà ta thường biết qua tên thông dụng plastic Trong kinh nghiệm thường ngày, chúng ta biết polymer biến tính phân hủy nhiệt độ cao (80 – 200 °C) tia tử ngoại ánh sáng mặt trời Độ dẫn điện polymer bị biến đổi hay bị triệt tiêu tác nhân Trở ngại thứ hai thay đổi tần số hấp thụ sóng radar polymer dẫn lớp phủ thông minh kéo dài nhiều phút Sự ứng biến chậm so với tốc độ biến hoá vòng "vài tích tắc" radar đối phương loại trừ việc sử dụng polymer để chế tạo lớp phủ "thông minh" Nhưng bế tắc không làm nhóm Chambers chùn bước Việc chế tạo vật liệu lý tưởng vừa nhẹ, vừa mỏng hấp thụ sóng radar bao trùm băng tần rộng 26 Vật liệu tàng hình (broadband) ứng phó với tất tần số đối phương mục tiêu tối hậu mà nhà tàng hình học muốn đạt tới Nhóm Chambers chuyển hướng nghiên cứu triển khai mô hình điện học cho việc chế tạo cấu trúc hấp thụ lượng radar băng tần rộng Họ không chú trọng đến vật liệu biết hạt carbon, bột sắt, hợp chất oxit hay polymer dẫn mà tập trung vào cấu trúc mà đơn vị tạo thành có ba đặc tính điện trở, điện dung điện cảm (inductance) (Phụ lục b) Trên phương diện thực nghiệm, họ chọn diode có ba đặc tính cần thiết trên, linh kiện thông dụng ứng dụng điện tử, làm đơn vị cấu trúc Trên bề mặt bảng mạch in (printed circuit board) có diện tích 18,5 x 12,5 cm dày 0,8 mm họ cài vào 180 diode Khi có dòng điện chạy qua, cấu trúc hấp thụ 90 - 95% lượng sóng tới radar băng tần từ GHz đến 14 GHz Đây số đáng kinh ngạc cho cấu trúc tương đối đơn giản mỏng Khi vật thể có độ lớn máy bay to trung bình hấp thụ 90 - 95% lượng sóng, tiết diện radar tương đương với chim bồ câu! Không có dòng điện, cấu trúc giả vờ "ngu si" phản hồi sóng radar So với vật liệu hấp thụ truyền thống, nói cấu trúc đạt đến đỉnh cao "thông minh" mang đến điều kiện lý tưởng cho việc hấp thụ sóng radar Cấu trúc diode đơn giản triển khai cách kết hợp với linh kiện điện tử phức tạp khác để mở rộng băng tần hấp thụ Tiếc thay, người viết không tìm thấy báo cáo đề tài sau viết năm 2004 [14] 12 Siêu vật liệu Tính chất vật liệu tính, hóa tính, lý tính, điện tính, từ tính, quang tính đặc tính tùy thuộc vào chất hóa học phân tử làm nên vật liệu Đó điều hiểu biết kinh điển Khi muốn biến đổi tính chất vật liệu, người ta thường có khuynh hướng dùng phương pháp cải biến hóa học để thực Thí dụ, cho vào sắt vài phần trăm carbon để chế tạo thép có độ cứng độ bền tốt sắt Điện tính chất bán dẫn silicon đuợc biến đổi chất tạp gọi dopant Trong vật liệu polymer, ta tiên đoán tính chất polymer từ đặc tính phân tử (monomer) tạo thành Từ đó, ta dùng loại monomer khác nhau, biến đổi cách "hóa học" để tạo composite với đặc tính tối ưu Như thế, biến đổi tính chất vật liệu qua phương pháp hóa học tổng hợp, gia công với chất phụ gia hay tạo loại composite trở thành phương thức chế biến lâu đời khoa học vật liệu Tương tự, quang học điện từ học đặc tính điện từ vật chất yếu tố quan trọng việc tận dụng chế ngự ánh sáng theo nhu cầu Chẳng hạn loại thấu kính máy ảnh, kính mắt hay sợi quang (optical fibre) thiết kế dựa vào việc điều chỉnh hóa tính vật chất để cung cấp đặc tính thích hợp cho ứng dụng Thí dụ, người ta điều chỉnh thành phần hóa học sợi quang để truyền quang đoạn đường dài; cho chì vào thủy tinh để gia tăng chiết suất làm lăng kính hay ly tách gia dụng sang trọng; cho hạt nano vàng vào để chế tạo thủy tinh nhiều màu dùng cho việc 27 Vật liệu tàng hình trang trí khung cửa giáo đường Một thí dụ cho ứng dụng quang học khác người ta dùng loại plastic (polymer) suốt thay cho thủy tinh để giảm trọng lượng cho loại kính cận Nhưng chiết suất loại polymer lại nhỏ thủy tinh, kính plastic dày kính thủy tinh Để gia tăng chiết suất, kính plastic thường cải biến cách dùng nhóm chức chứa bromine (Br) làm giảm độ dày kính trì tiêu cự (độ kính), nhẹ hết gìn giữ vẻ đẹp gương mặt người mang Những thí dụ cho thấy phân tử cải biến tính chất quang học điện từ vật chất cải biến Nhưng đường để định đoạt đặc tính điện từ vật chất Từ năm 2000, loại vật liệu nhân tạo gọi "siêu vật liệu" (metamaterial) khám phá trở thành đề tài nghiên cứu "nóng" đại học, viện nghiên cứu doanh nghiệp quốc phòng Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên chất vô (chất bán dẫn), hữu (carbon, polymer), kim loại oxit kim loại, siêu vật liệu cấu trúc thiết kế hoàn toàn nhân tạo cách bố trí (engineer) đơn vị cấu trúc cho đặc tính điện từ quan trọng độ từ thẩm độ điện thẩm có trị số theo ý muốn kể trị số âm Đặc tính hình dạng đơn vị đề cập phần sau Cơ quan "European Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials" định nghĩa siêu vật liệu "một xếp thành phần cấu trúc nhân tạo thiết kế để đạt đặc tính điện từ thuận lợi khác thường" (an arrangement of artificial structural elements, designed to achieve advantageous and unusual electromagnetic properties) [15] Tạp chí Nature xem việc phát siêu vật liệu cột mốc quan trọng lịch sử vật lý mang tầm vóc ngang hàng với việc khám phá laser, pin mặt trời hay thông tin lượng tử (quantum information) Không ngạc nhiên quan DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) phủ Mỹ tỏ hào phóng trước đề án nghiên cứu siêu vật liệu mười năm qua tích cực tài trợ hội thảo liên quan đến lý thuyết ứng dụng vật liệu Cho đến (năm 2010), báo cáo thành nghiên cứu siêu vật liệu đăng tải lên tạp chí chuyên ngành tiếng Science, Nature, Nature Materials, Physical Review Letters, gia tăng theo cấp lũy thừa có đến số ngàn, chưa kể đến tổng quan đặc sắc Scientific American, Physics Today, Physics World, Materials Today, MRS Bulletin v.v Như chúng ta thấy phần kế tiếp, so với vật liệu cổ điển từ thiên nhiên đặc tính điện từ siêu vật liệu khác thường phản trực cảm, ngược lại thường thức mà người ta biết từ kinh điển quy Chính khác thường phản trực cảm, vật liệu nhân tạo biểu tiền tố "siêu" dịch từ chữ "meta" có nguồn từ tiếng Hy Lạp, nghĩa "vượt" (beyond) Siêu vật liệu "vượt" qua vật liệu cổ điển nằm ý nghĩa đơn vị vật chất chúng ta thường biết phân tử, siêu vật liệu đơn vị cấu trúc nhân tạo có kích cỡ từ milimét đến nanomét Siêu vật liệu cho ta khái niệm phương thức tập trung vào việc 28 Vật liệu tàng hình cải biến đơn vị cấu trúc thay đổi đặc tính hóa học phân tử vật liệu cổ điển Những đơn vị xem "phân tử" theo nghĩa rộng, định chức đặc tính điện từ siêu vật liệu Chúng que micro/nano vàng, sợi micro/nano bạc, mạng lưới vi mô vòng kim loại có khe hở [16] [Hình 9] Hình dáng, kích thước cách xếp đơn vị tính toán trước để thích ứng cho ứng dụng gây kết tương tác siêu vật liệu sóng điện từ Hình 9: Một thí dụ đơn vị cấu trúc siêu vật liệu dùng vi ba: (a) Vòng kim loại đồng có khe hở kích cỡ milimét, (b) Cứ sáu vòng làm nên đơn vị in lên hai bảng cách điện cao cm gắn thẳng góc vào [16] Trong việc thiết kế siêu vật liệu đơn vị tạo thành phải nhỏ bước sóng sóng điện từ đuợc sử dụng Như thế, sóng điện từ "nhìn" chi tiết đơn vị mà "thấy" vật liệu đồng nhất, giống ta nhìn ly thủy tinh chứa nước thấy nước thủy tinh, mà không thấy phân tử thủy tinh hay phân tử nước Thí dụ, sóng vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba cấp milimét Ta thoải mái thiết kế cải biến đơn vị cấu trúc kích cỡ để thao túng đường sóng mà sóng "không hay biết" Đối với ánh sáng thấy (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ công nghệ nano với xác cấp nanomét Siêu vật liệu có lẽ không xuất lý thuyết nhà khoa học người Nga tên Veselago bén nhạy giáo sư vật lý John Pendry Imperial College London (Anh Quốc) Độ từ thẩm độ điện thẩm vật chất thiên nhiên phần lớn có trị số dương vật chất đồng thời có trị số âm Nhưng vào năm 1968, Veselago nảy sinh ý tưởng lạ đời ta có vật liệu mà độ từ thẩm độ điện thẩm đồng thời có trị số âm đời đổi thay nào? Ông phát biểu tính toán suy luận tạp chí Soviet Physics Uspekhi [17] Tuy nhiên, báo vật lý mang ý nghĩa mông lung dễ dàng chìm vào quên lãng Bỗng nhiên, ngày đẹp trời 29 Vật liệu tàng hình vào năm 2000 cộng đồng nghiên cứu khoa học đưa khái niệm "siêu vật liệu" với tiềm chế tạo vật liệu có độ từ thẩm độ điện thẩm trị số dương lẫn âm zero, điều tiên đoán báo cáo Veselago nằm im lìm 30 năm qua xó xỉnh đầy bụi lôi ánh sáng Lý luận ông trở thành chuẩn mực vật liệu có độ từ thẩm độ điện thẩm âm siêu vật liệu tối thượng mà nhà khoa học muốn đạt tới Cũng dễ hiểu báo cáo Veselago vỏn vẹn trang giấy trích dẫn 3.000 lần 10 năm qua, số to chứng tỏ địa vị tiên phong tầm quan trọng lý thuyết Veselago Quang học cho ta biết độ từ thẩm độ điện thẩm có liên quan trực tiếp đến chiết suất (Phụ lục c) Chiết suất không khí (xem không khí chân không) chiết suất nước 1,33, thủy tinh 1,5 Trị số chiết suất dương Khi tia sáng (hay sóng điện từ) từ môi trường đến môi trường có chiết suất khác đường ánh sáng bị khúc xạ mặt tiếp giáp Đó tượng thường thấy tia sáng từ không khí sang môi trường nước (hay thủy tinh) Vật liệu "giả tưởng" viết Veselago có độ từ thẩm âm độ điện thẩm âm nên chiết suất số âm Người ta gọi vật liệu có chiết suất âm (negative refractive index materials, NIM) đề cập siêu vật liệu nhà khoa học nhắm tới tiềm ứng dụng "đổi đời" quang học, điện từ học, điện tử học quang điện tử (photonics) Hình 10a 10b [18] minh họa hai trường hợp khúc xạ môi trường có chiết suất dương chiết suất âm Hình 10a: Nguyên lý khúc xạ ánh sáng (a) môi trường chiết suất dương (b) môi trường chiết suất âm 30 Vật liệu tàng hình Hình 10b: Khúc xạ chất lỏng có chiết suất dương (hình trái) chất lỏng giả tưởng có chiết suất âm [18] Những kết khoa học thường đến tay người nghiên cứu qua ngẫu nhiên Ý tưởng siêu vật liệu tàng hình ngẫu nhiên phát xuất từ mẫu vật liệu hấp thụ radar Vào thập niên 90 kỷ trước, công ty Marconi Materials Technology (Anh Quốc) chuyên sản xuất vật liệu tàng hình thương mại nhờ Pendry tư vấn chế hấp thụ radar mẫu sợi carbon Pendry phát điều thú vị điện tính carbon tạo hấp thụ sóng radar từ chất cố hữu carbon mà hình dạng dài mỏng sợi carbon Việc khám phá liên hệ điện tính hình dáng vật liệu khiến ông liên tưởng đến liên hệ tương tự cho từ tính Câu hỏi ông đặt là: có khả chế tạo vật liệu phi từ (non-magnetic) trở nên vật liệu mang từ tính cách điều chỉnh hình dạng vật ấy? Suy nghĩ hoang tưởng mà có sở lý luận phảng phất công thức phương trình Maxwell Rằng có dòng điện chạy ngang vật (chẳng hạn sợi dây hay vòng kim loại) từ trường cảm ứng phát sinh xung quanh vật Từ nguyên lý này, tưởng tượng đưa Pendry tiến thêm bước ta tạo vô số vòng cực nhỏ đồng (đồng kim loại phi từ) cài chúng vào chất nền, sau cho dòng điện chạy qua vòng ta có cảm ứng từ Nếu ta kết hợp sợi carbon mang điện tính công ty Marconi tạo hỗn hợp với vòng tí hon với cảm ứng từ ta có may chế ngự xạ điện từ theo ý muốn Pendry có ý niệm tiên khởi tạo siêu vật liệu có khả tạo hiệu ứng tàng hình băng tần vô rộng lớn kéo dài từ vùng vi ba đến vùng ánh sáng thấy Hình 11: Siêu vật liệu hay vật liệu có chiết suất âm Đơn vị cấu trúc (Hình 9) lắp ráp thành hệ thống lập thể có trình tự định với vòng đồng có khe hở cho độ từ thẩm âm sợi dây đồng cho độ điện thẩm âm vùng vi ba 31 Vật liệu tàng hình III:Ứng dụng công nghệ tàng hình: Phục vụ cho nhu cầu mục đích người từ khoa học kĩ thuật quân trang trí thiết kế nội thất Áo tàng hình Nếu bạn biết tới tắc kè với khả thay đổi màu sắc theo môi trường để ngụy trang quần áo tàng hình hoạt động với nguyên lý tương tự Quân đội Mỹ cho biết: "Một hệ thống ngụy trang giống tắc kè hoa liên tục cập nhật màu sắc hoa văn theo thời gian thực- giúp che giấu điện binh sỹ chiến trường" Quân đội Mỹ kêu gọi doanh nghiệp quân phát triển công nghệ ngụy trang thích ứng sáng tạo dễ dàng sử dụng người lính môi trường khác nhau, với việc chúng không cần phải sử dụng lượng tiêu thụ lượng Những quân phục thử nghiệm cần phải làm việc địa hình từ góc độ Họ cần phải đảm bảo chúng hoạt động phạm vi rộng nhiệt độ, môi trường mưa tuyết, không gây cản trở tới công việc người lính Ngoài ra, quân đội Mỹ yêu cầu lớp ngụy trang đòi hỏi nguồn điện, chúng không nặng 0,45 kg phải cung cấp hoạt động 32 Vật liệu tàng hình Hyperstealth Biotechnology chứng minh siêu vật liệu ngụy trang cho nhà khoa học quân Mỹ vào năm ngoái Năm 2006, John Pendry, nhà vật lý lý thuyết trường cao đẳng Imperial London, phát triển loại siêu vật liệu bẻ cong ánh sáng xung quanh đối tượng giấu cách sử dụng siêu vật liệu sử dụng sóng điện Tuy nhiên, nhiều người cho công nghệ làm việc phòng thí nghiệm với bước sóng cụ thể từ góc độ định Ngoài ra, hạn chế siêu vật liệu bẻ cong ánh sáng, không hoàn toàn biến Mặc dù vậy, số doanh nghiệp quân tự tin họ có nguyên mẫu sản phẩm hoạt động tốt Guy Cramer, CEO nhà sản xuất thiết bị ngụy trang Hyperstealth Biotechnology, cho biết công ty ông ta chứng minh siêu vật liệu ngụy trang cho nhà khoa học quân Mỹ vào năm ngoái, dự án cho phép công ty hoàn thiện công nghệ tàng hình Tuy nhiên, Cramer chưa tiết lộ chi tiết hình ảnh siêu vật liệu tàng hình 33 Vật liệu tàng hình Các dự án Hyperstealth Biotechnology cho phép công ty hoàn thiện công nghệ tàng hình Tuy nhiên họ chưa tiết lộ chi tiết hình ảnh siêu vật liệu tàng hình Công nghệ ngày phát triển áp dụng vào mặt sống Nếu dự án phát triển quân phục tàng hình quân đội Mỹ thành công, chúng ta hoàn toàn thấy viễn cảnh mà trước thấy phim khoa học viễn tưởng binh sĩ hoàn toàn "biến mất" cần thiết chiến trường 34 Vật liệu tàng hình Một tiềm ứng dụng siêu vật liệu "tàng hình" "siêu thấu kính" [1] Sóng thần, động đất lượng xanh nghe liên hệ đến siêu vật liệu, nhóm nghiên cứu giáo sư Xinhua Hu (Đại học Phục Đán, Thượng Hải, Trung Quốc) báo cáo gần [2] dựa theo khái niệm chế tạo siêu vật liệu "tàng hình" làm thuật toán mô số cho thấy ứng dụng thực tế gần gũi: bảo vệ bờ biển cách triệt tiêu sóng Việc phát siêu vật liệu 10 năm trước tạp chí Nature xem cột mốc quan trọng lịch sử vật lý mang tầm vóc ngang hàng với việc khám phá laser, pin mặt trời hay tin học lượng tử Trong việc thiết kế siêu vật liệu đơn vị tạo thành phải nhỏ bước sóng sóng Như thế, sóng "nhìn" chi tiết đơn vị mà "thấy" vật liệu đồng Thí dụ, vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba cấp milimét Ta thoải mái thiết kế cải biến đơn vị cấu trúc kích cỡ để thao túng đường sóng mà sóng "không hay biết" Đối với ánh sáng thấy (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ tinh vi công nghệ nano với xác cấp nanomét Đối tượng siêu vật liệu việc bẻ cong sóng điện từ theo ý muốn qua môi trường siêu vật liệu Bẻ cong đường ánh sáng kiện bình thường thiên nhiên ánh sáng vào môi trường có chiết suất khác khúc xạ nước không khí, lăng kính, hay không khí nóng lạnh gây ảo ảnh mặt đường Ta nhìn thấy vật có phản xạ ánh sáng từ vật đến mắt ta Việc làm "tàng hình" vật chẳng qua việc bẻ cong đường sóng điện từ xung quanh vật khiến cho phản xạ đến người quan sát không xảy ra, vật tàng hình Năm 2006, nhóm nghiên cứu liên trường giáo sư John Pendry (Imperial College, London, Anh Quốc) David Smith (Duke University, Mỹ) [3] lần chế tạo siêu vật liệu làm tàng hình vật vi ba (bước sóng centimét) Kết nghiên cứu mang ý nghĩa quan trọng khoa học quốc phòng vi ba sử dụng cho radar Vài năm sau, nỗ lực nhằm làm tàng hình vùng ánh sáng thấy được, nhóm giáo sư Xiang Zhang (Đại học California, Berkeley, Mỹ) làm tàng hình vật tia hồng ngoại (bước sóng 1.600 nanomét) (Hình 2) [4] Nhưng thí nghiệm dùng siêu vật liệu, vật bị tàng hình có kích thước nhỏ cấp micromét (0,001 mm) Để làm người tàng hình, triệu lần to hơn, hay máy bay, tỷ lần to hơn, chắn nhiều gian nan Khi nhà khoa học băn khoăn tìm kiếm giải đáp làm tàng hình người hay máy bay ta lại không áp dụng siêu vật liệu che dấu vật nhỏ hơn? Những nếp nhăn thời gian, tàn nhan, mụn nám da mặt tàng có phù phép ma thuật ta thoa lên lớp kem siêu vật liệu Nó cho người quan sát 35 Vật liệu tàng hình ảo giác ánh sáng phản xạ từ da trắng muốt, mịn màng… Những ca phẫu thuật căng da kéo mặt tốn lớp dày son phấn trở nên lỗi thời Một niềm hạnh phúc vô biên mang tới cho phái đẹp, thời gian không phụ lòng người Tài liệu tham khảo Trương Văn Tân, "Ý nghĩa vật lý tượng tàng hình" (mạng erct.com, vietsciences.free.fr, diendan.org) http://www.erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/UngDung-cua-Sieuvatlieu.htm http://www.erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/HienTuongTangHinh/HienTuongTangHinh.htm http://www.hoahocngaynay.com/vi/tin-tuc-hoa-hoc/cong-nghe-moi/848-04022011.html http://www.hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-hien-dai/vat-lieu-moi/318-vat-lieu-sieu-den-tanghinh.html http://baodatviet.vn/khoa-hoc/cong-nghe/but-pha-trong-cuoc-dua-vat-lieu-tang-hinh-3282677/ http://khoahoc.tv/congnghemoi/cong-nghe-moi/55105_vat-lieu-tang-hinh-moi-tao-ra-boi-anhsang.aspx http://khoahoc.tv/congnghemoi/cong-nghe-moi/21292_sap-tim-ra-chiec-ao-tang-hinh.aspx 36 Vật liệu tàng hình MỤC LỤC 37