Mặc dù sự hấp thụ sóng, như ta thấy, là một hiện tượng xảy ra ở thang phân tử, nhưng người ta có thể thiết lập một công thức đơn giản để đo độ phản xạ và hấp thụ của sóng điện từ trên bề[r]
(1)Ý nghĩa vật lý tượng tàng hình Tàng hình là giấc mơ ngàn đời người thể qua nhiều truyện thần thoại và tiểu thuyết viễn tưởng thời đại Tàng hình là niềm mơ ước các chiến lược gia quân và nhà nghiên cứu tàng hình học Nhu cầu che "mắt thần" radar đối phương sản sinh kỹ thuật tàng hình Kỹ thuật tàng hình xoay quanh việc ngăn chận hay giảm thiểu luồng sóng radar phản xạ từ mục tiêu bị theo dõi Mục tiêu tàng hình không còn sóng phản xạ Kỹ thuật này bao gồm việc thiết kế bề mặt để sóng bị tán xạ không quay nguồn quan sát, hay các phương thức chế tạo vật liệu hấp thụ radar để giảm thiểu triệt tiêu sóng phản xạ Gần đây, khái niệm "siêu vật liệu" với hiệu ứng tàng hình là đề tài nghiên cứu lớn hấp dẫn không ít chú ý và gây tranh cãi cộng đồng nghiên cứu khoa học Hơn nửa kỷ qua, các nhà khoa học đã bẻ ngoặt, uốn cong đường sóng điện từ (bao gồm ánh sáng), chí hấp thụ lượng nó cho mục đích tàng hình Trên vấn đề an ninh quốc gia, kỹ thuật này là mật quốc phòng nó lại đứng trên tảng các quy luật vật lý công khai Mục đích bài viết này nhằm giải thích quy luật đó Bài viết không liên quan đến kỹ "tàng hình" các nhà ảo thuật Tàng hình: khái niệm nhiều thú vị "Tàng hình" là yếu tố không thể thiếu truyện thần thoại hay tiểu thuyết viễn tưởng từ cổ chí kim, từ Đông sang Tây Nó xem phép thần thông khơi dậy tưởng tượng cuả độc giả và đưa người đọc không phân biệt trẻ già vào giới huyền hoặc, không tưởng đầy thú vị Từ nàng kiều nữ hồ ly "Liêu trai chí dị" sống bên người tình thư sinh đêm khuya biến lúc hừng sáng để lại chàng học trò thương nhớ cuồng si, đến cái nón Perseus và nhẫn Gyge thần thoại Hy Lạp mà mang vào thì có phép màu "hô biến", hay áo choàng "tàng hình" Harry Potter làm từ vật liệu thần bí tìm thấy tận miền cực Đông giới, tàng hình tiếp tục mê người qua nhiều hệ Quyển tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "Invisible Man" (Người vô hình) H G Wells xuất vào cuối kỷ 19 tác giả thêm vào chút "hương vị" khoa học, kể câu chuyện nhà khoa học đã làm loạt phản ứng sinh hóa học biến phân tử tế bào và thể ông ta trở nên suốt không khí Những kiện khoa học viễn tưởng thường dựa trên nguyên lý khoa học đã biết, gặp phải tình mà khoa học chưa có câu trả lời thì tác giả thả hồn vào tưởng tượng riêng mình và tùy tiện định đoạt hướng tương lai khoa học cốt cho thích hợp với diễn biến câu chuyện tiểu thuyết Lối suy diễn này ít nhiều có gắn bó với các tri thức khoa học và đã thoát khỏi cái khung thô thiển các câu chuyện thần thoại Sự liên hệ viễn tưởng và khoa học vì chừng mực định là trao đổi hai chiều Các nhà khoa học hào hứng trước các kiện viễn tưởng, định luật khoa học là vành đai bó buộc tư họ phải vào khuôn phép Có nhiều phát minh nhân loại cách vô tình hay cố ý đã hữu tiểu thuyết viễn tưởng trước chúng là thực Jules Verne đã viết máy in fax, tàu ngầm, tàu vũ trụ, thám hiểm cung trăng có trăm năm trước kiện này thực hữu hay phát minh Cái thang trời leo lên tận mây xanh hay việc thuộc địa hóa các hành tinh đã là chất liệu viễn tưởng người thực Tàng hình ảo thuật là phạm trù "bí mật" có người hành nghề cùng giao ước với để bảo mật các quy luật hay kỹ xảo nghề nghiệp Không ít ảo thuật gia đã làm khán giả thán phục và sửng sốt họ có thể biến xuất nơi khác hay làm "tàng hình" nguyên toa xe lửa Có thể họ vận dụng quy luật khoa học đơn giản có liên quan đến ánh sáng hay màu sắc đánh lừa mắt khán giả "Tàng hình" quân là phạm trù bí mật không muốn nói là cực mật an ninh quốc gia Nhưng tượng tàng hình áp dụng quân không vượt ngoài các quy luật vật lý liên quan đến tương tác ánh sáng hay nói rộng sóng điện từ với vật chất Những quy luật vật lý là tài sản chung loài người không thuộc ai, hiển nhiên và rõ ràng Tuy nhiên, kỹ xảo nghề nghiệp ảo thuật gia, tàng hình quân các "kỹ xảo" làm nên vật liệu tàng hình và hiệu chúng là mật quốc gia "Tàng hình" thường hiểu là "biến mất" theo quan điểm thông thường Nhưng khoa học, ta "tàng hình" không có nghĩa là ta "tan biến" vào cõi mơ hồ Ta lừng lững đứng đó người không thấy ta! Ngụy trang hòa hợp màu sắc với môi trường xung quanh có thể xem là cách Lop11.com (2) tàng hình dù là thô sơ Thí dụ việc hóa trang mặc áo đen màn đêm, mặc áo trắng dật dờ trên tuyết hay áo rằn ri luồn lách bụi rậm (Hình 1) Thiên nhiên đã làm điều này từ ngàn xưa Một số loài động vật, các loài cá chí côn trùng đã tạo hóa cho khả biến đổi màu sắc, hoa văn ngụy trang giống với môi trường xung quanh để bảo vệ thân hay phục kích mồi Con tắc kè hoa có lẽ là đỉnh cao việc thay đổi và hòa hợp màu sắc với cây cỏ Hình 1: Người "tàng hình" sơn đứng cạnh bánh xe trưóc (Credit: Liu Bolin) Hiện tượng tàng hình hay hình thật là kết tương tác ánh sáng (hay sóng điện từ nghĩa rộng) và vật chất Ta nhìn thấy vật quanh ta là phản xạ ánh sáng và tia sáng phản xạ đập vào mắt ta, thị giác cho ta cảm nhận màu sắc gì hữu giới xung quanh Nhưng màn đêm buông xuống hay ánh đèn phòng tắt thì vật "tàng hình" vì không còn phản xạ ánh sáng Khi ánh sáng, hay nói rộng là sóng điện từ, tác động lên vật chất thì có ba trường hợp xảy ra: (1) phản xạ (reflection), truyền xạ (transmission) và hấp thụ (absorption) (Hình 2) Hình 2: Sự tương tác sóng điện từ (hay ánh sáng) với vật chất (1) Sóng tới, (2) Sóng phản xạ, (3) Sóng truyền xạ và (4) Hấp thụ Lop11.com (3) Như vậy, muốn vật tàng hình thì ta phải làm triệt tiêu phản xạ ánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ ánh sáng xa người quan sát Ta có thể 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 còn thấy ta, ta đã "biến mất" gương Tuy nhiên, ta có cái gương hình cầu, dù có quay gương theo hướng nào hay ta di chuyển vị trí nào lúc nào thấy ta gương Như vậy, mặt cầu vị trí nào ánh sáng có thể phản xạ đến người quan sát, mặt phẳng có góc làm ánh sáng phản xạ trở lại nơi người quan sát là ánh sáng tới đụng vào gương góc 90 độ (khi ta đứng trực diện thẳng góc với gương) (Hình 3) Đây là thường thức lại là phương pháp tạo dáng cho máy bay và tàu chiến tàng hình Từ kết này ta thấy vật thể nối kết cách hợp lý từ các mặt phẳng thì vật này có khả làm phản xạ sóng radar xa người quan sát vật thể hình cầu Hình 3: Sóng tới và sóng phản xạ (a) mặt phẳng và (b) mặt cầu Chỉ có sóng tới chạm vào mặt phẳng góc 90° phản xạ trở lại nguồn phát Radar là công cụ hiệu để định vị, nhận dạng và truy tìm máy bay và tàu bè tầm xa Sóng radar dùng quân và dân thường là sóng vi ba có hành xử và chất ánh sáng, cùng là sóng điện trường khác tần số (hay bước sóng) Đó là loại sóng điện từ mà ta dùng lò vi ba để nấu ăn, hâm nóng hay dùng để nói chuyện qua điện thoại di động (Hình 4) Nhu cầu làm giảm thiểu hay triệt tiêu sóng phản xạ radar để "hô biến" đưa đến việc triển khai vật liệu hấp thụ radar hay còn gọi là vật liệu tàng hình Cuối cùng, vật liệu làm chấn động cộng đồng nghiên cứu khoa học có tên là "siêu vật liệu" (metamaterial) mà các nhà nghiên cứu lĩnh vực này tin cái áo choàng làm siêu vật liệu còn hiệu nghiệm cái áo choàng Harry Potter, khiến cho người mặc tàng hình trước "mắt thần" radar mắt thịt người trần Có thật hay không? Chúng ta hãy vào phần để hiểu rõ các quy luật vật lý đã làm tảng việc tạo dáng tàng hình, các nguyên lý chế tạo vật liệu hấp thụ radar và siêu vật liệu Lop11.com (4) Hình 4: Các loại sóng điện từ Wavelength: bước sóng, Frequency: tần số, Radio waves: sóng radio, FM radio and TV: sóng FM radio và tivi, Microwaves: vi ba, Infrared: hồng ngoại, Optical IR: hồng ngoại quang học, Ultraviolet: tử ngoại, Optical UV: tử ngoại quang học, X-radiation: xạ X, Gamma radiation: xạ gamma, Visible spectrum: phổ ánh sáng thấy được, Red: đỏ, Green: xanh lục, Blue: xanh lam, Crimson: đỏ thắm, Yellow: vàng, Cyan: xanh cyan, violet: tím (Nguồn: Google) Hình dạng vật thể và tiết diện radar Thiết bị radar phát sóng điện từ các tần số khác nhau, từ megahertz (MHz) đến gigahertz (GHz), tùy theo nhu cầu giám sát (surveillance), theo dõi (tracking), định vị hay truy lùng mục tiêu Khi sóng phát từ nguồn phát chạm vào vật thì sóng bật lại phản xạ Làn sóng phản xạ ghi nhận đài thu sóng và từ đó người ta có thể định vị và nhận dạng mục tiêu Trên màn hình radar trạm thu sóng, sóng phản xạ cho biết độ lớn mục tiêu Thuật ngữ chuyên môn độ lớn này là "tiết diện radar" (radar cross section) Nếu mục tiêu là vật thể làm từ vật liệu giống thì đương nhiên độ lớn vật càng to thì tiết diện radar càng to Sự đời radar Thế Chiến thứ đã mang đến nhiều ứng dụng dân lẫn quốc phòng Trong các ứng dụng dân tiết diện radar to là điều kiện cần thiết để theo dõi và giám sát máy bay hành khách hay thương thuyền trên biển khơi Ngược lại, ứng dụng quân để tránh sóng radar truy lùng đối phương, máy bay và các chiến hạm phải có tiết diện radar càng nhỏ càng thuận lợi Từ nhu cầu lẩn tránh mắt thần phe địch, ngày khai sinh radar 60 năm trước là ngày khai sinh kỹ thuật tàng hình chiêu thức hóa giải radar Kỹ thuật này bao gồm nhiều nghiên cứu lý thuyết tác động sóng điện từ lên trên bề mặt vật chất nhằm tối ưu hoá các vật liệu hấp thụ radar (radar absorbing materials, RAM) việc thiết kế bề mặt để vật thể có tiết diện radar cực nhỏ Khi tiết diện tiến đến zero, thì ta thực "hô biến" trên màn hình radar đối phương! Các nhà tàng hình học còn có tham vọng cao là tạo vật thể có tiết diện radar lớn nhỏ tùy lúc theo ý muốn người điều khiển Có nghĩa là đấu hay chiến hạm có khả "tàng hình" hay "hiện hình" trước radar đối phương Nghe người hùng truyện cổ tích có bao phép thần thông, đây là mục tiêu nhà tàng hình học nhắm đến Như chiến lược gia Tôn Tử đã nói hai ngàn năm trước "Việc binh là việc giả dối", thật là đột phá tuyệt vời các nhà khoa học quân có thể làm chiến đấu hay chiến hạm biết "giả dối", hình trước mắt radar đối phương thời bình và lâm trận công thời chiến nó đổi sang tư tàng hình Việc này có thực khả thi không? Chúng ta hãy theo trình tự từ dễ đến khó, hiểu quy luật thiết kế vật "tàng hình" từ đơn giản đến phức tạp Lop11.com (5) Những đã có kinh nghiệm đầu tư địa ốc biết ba điều tâm niệm vàng ngọc mua nhà đất là "địa điểm", "địa điểm" và "địa điểm"; thì việc tạo dựng máy bay và tàu chiến tàng hình nhà khoa học và kỹ sư thiết kế có ba chiến lược quan trọng là "hình dáng", "hình dáng" và "hình dáng"! Việc tạo dáng để giảm thiểu sóng phản xạ radar là điều kiện tiên kỹ thuật tàng hình và yếu tố tàng hình khác "hạ hồi phân giải" Thí dụ cái gương phẳng và gương hình cầu bên trên cho ta khái niệm thiết kế Mặt phẳng với độ nghiêng thích hợp phản xạ sóng radar xa người quan sát (tức là nguồn phát radar) và mặt cầu phản xạ trở lại đúng người quan sát (Hình 3) Thí dụ dễ hiểu này đưa kết quan trọng là có thiết kế với mặt cầu muốn vật thể tàng hình Việc định lượng tiết diện radar vật thể từ đơn giản đến phức tạp trở thành ngành đặc biệt điện từ học Vật thể đơn giản có nghĩa là hình dạng đơn giản mặt phẳng, hình cầu, hình trụ, hình nón, hình khối Vật thể phức tạp là máy bay, tàu bè, xe hơi, người, thú vật, chim muông, chí côn trùng, lùm bụi, cây cỏ Sự phản hồi sóng radar từ vật thể không phải đơn là phản xạ mà còn bao gồm nhiễu xạ (diffraction) đỉnh nhọn, đường mép vật thể Định lượng sóng phản hồi radar càng rắc rối hình thể mục tiêu quan sát càng phức tạp và vì người ta cần có mô hình toán học tinh vi và lập trình vi tính thích hợp để tìm đáp án Và cái đáp án mong muốn đơn giản là làm tìm thiết kế tạo dáng tối ưu vật thể cực to có tiết diện radar cực nhỏ Vào thập niên 60 kỷ trước, nhà khoa học Nga trẻ tên là Petr Ufimtsev đã tạo mô hình toán học để tính toán phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ (scattering) sóng điện từ từ vật thể làm nên các mặt phẳng với các độ nghiêng khác Thập niên 60 là điểm cao chiến tranh lạnh, chính phủ Liên Xô lập nhiều tầng kiểm soát để bảo mật tài liệu nhạy cảm có liên quan ít nhiều đến an ninh quốc gia Nhưng thật không ngờ mô hình toán học Ufimtsev cho phép công bố rộng rãi Liên Xô và toàn giới Sự sơ hở xảy có lẽ vì Ufimtsev là nhà vật lý trẻ tuổi vô danh và mô hình toán ông các "cây đa, cây đề" nhà cầm quyền Liên Xô đánh giá là kết nghiên cứu chung chung không có giá trị quốc phòng lẫn kinh tế Như báu vật từ trên trời rơi xuống, bài báo cáo dịch từ tiếng Nga sang tiếng Anh các chuyên gia hãng hàng không Lockheed (Mỹ) có mắt tinh đời nhanh tay vồ lấy mô hình này, từ đó triển khai thành lập trình vi tính mang tên là Echo để tìm lời giải cho mô hình Ufimtsev và tính toán tiết diện radar máy bay làm từ các mặt phẳng Những tính toán này cho thấy vật to không thiết cho tiết diện radar to ta biết xếp bề mặt làm giảm thiểu phản hồi sóng radar Năm 1975, các chuyên gia Lockheed đã tìm thiết kế tối ưu cho máy bay tàng hình có tiết diện radar nhỏ vì luồng sóng tới radar bị tán xạ xa người quan sát Chỉ vài năm sau, không quân Mỹ cho chào đời chiến đấu F117 Nighthawk (Chim ưng đêm) với thân máy bay lắp ghép với mặt phẳng ba chiều (faceted surface) giống máy bay giấy origami trẻ (Hình 5) (a) Lop11.com (6) (b) Hình 5: (a) F-117 Nighthawk với các mặt phẳng origami và (b) B-2 Spirit với rìa cánh tròn tránh nhiễu xạ và thân máy bay tối ưu hóa cho hiệu khí động lực học và hiệu ứng tàng hình (Nguồn: Wikipedia) Không thiếu gì lời ca lãng mạn tôn vinh người hùng chiến sĩ phi công tung đôi cánh sắt, lái chiến đấu đại trông ngầu gầm thét xé toạt không gian, đảo lượn trên khung trời xanh "lênh đênh ngàn mây trôi êm đềm", mang tới cho người em gái hậu phương sầu mộng niềm đam mê ngây ngất Nhưng mặt sau lãng mạn này là kiện khoa học lạnh lùng và trần trụi Việc đảo lượn máy bay siêu âm chiến đấu cần phải tuân thủ nguyên lý khí động lực học (aerodynamics) Tuy nhiên, mặt phẳng origami không phải là hình dạng đem lại ưu khí động lực học cho việc thao tác, đảo lượn và gia giảm vận tốc Các chuyên gia công ty hàng không Northrop (Mỹ) tiếp tục triển khai lập trình Lockheed tìm lời giải toán học cho việc thiết kế bề mặt vừa có lợi điểm khí động lực học vừa có thể phân tán sóng phản xạ ngoài vùng kiểm soát radar đối phương Kết tính toán này là máy bay ném bom tàng hình B-2 Spirit với đôi cánh phẳng có bề mặt to và thân máy bay có hình dạng dài thon thả thỏa mãn yêu cầu khí động lực học và hiệu tàng hình (Hình 5) Có thể nói B-2 là máy bay đỉnh cao việc thiết kế đạt đến điểm tối ưu cho hai yêu cầu đối nghịch này Khi điều kiện khí động lực học không còn là đòi hỏi quan trọng, chẳng hạn các chiến hạm tàng hình, mặt phẳng origami là bề mặt ưa chuộng vì nó dễ chế tạo, tiện lợi cho việc lắp ráp và ít tốn kém sản xuất (Hình 6) Lop11.com (7) Hình 6: Tàu chiến tàng hình Sea Shadow (Mỹ) với mặt phẳng origami (Nguồn: Wikipedia) Các nhà tàng hình học chưa dừng bước việc thiết kế hình dáng mà còn tiến thêm bước làm tiết diện radar vật thể càng nhỏ Vấn đề là câu chuyện cũ xoay quanh việc giảm thiểu lý tưởng là triệt tiêu luồng sóng phản xạ, nhiễu xạ từ thân máy bay Khi vật liệu có khả hấp thụ phần hay toàn thể lượng sóng tới radar thì sóng phản xạ giảm thiểu hay hoàn toàn triệt tiêu Kim loại vì tính dẫn điện cao phản xạ gần 100 % sóng radar Bởi đặc tính nhẹ, tính bền và dễ gia công, nhôm là vật liệu thích hợp cho việc chế tạo các loại máy bay, và thép dùng cho tàu bè Như vậy, không có bề mặt đặc thù và lớp sơn tàng hình thì máy bay hay chiến hạm có tiết diện radar lớn "Pháo đài bay" B-52 đã gầm thét trên bầu trời Việt Nam với lối thả bom rải thảm năm chiến tranh khốc liệt và trên trường vùng Vịnh, thực máy bay bình thường đỗi "thật thà" vì không trang bị phương tiện "giả dối" để tàng hình Nếu đánh giá theo quan điểm tàng hình đòi hỏi đặc tính giống "ninja" mờ mờ ảo ảo với hành xử im lìm "xuất quỷ nhập thần" thì B-52 là kẻ đội sổ! Chiếc máy bay ném bom này người Mỹ liệt kê vào hạng máy bay chiến thuật (tactical) là vật thể biết bay cao không biết ẩn hình, vừa ồn ào vừa to xác lấy sức mạnh đè người B-52 có chiều ngang đôi cánh là 56 m (máy bay tàng hình B-2: 52 m) và chiều dài là 50 m (B-2: 21 m) Kích thước B-52 và B-2 có thể coi là ngang tiết diện radar B-52 có độ lớn là 100 m2 so với B-2 là 0,1 m2 (1000 lần nhỏ hơn) F-117 càng nhỏ có trị số là 0,025 m2 (4.000 lần nhỏ hơn) Trên màn hình radar, B-2 hay F-117 có tiết diện tương đương với loài chim [1] Vật liệu hấp thụ radar Như đã đề cập trên, sóng điện từ chạm vào vật thì phản xạ, truyền xạ và hấp thụ xảy (Hình 2) Muốn làm giảm phản xạ, ta cần gia tăng truyền xạ hay hấp thụ Người vô hình tiểu thuyết "Invisible Man" là nhân vật có chiết suất giống không khí Tác giả sách có ý tưởng ngộ nghĩnh mang chút màu sắc khoa học Khi ánh sáng qua hai môi trường có chiết suất giống thì không có phản xạ mà có truyền xạ 100% và nhân vật này trở nên suốt ánh sáng; tàng hình Sóng radar phần lớn truyền xạ qua thủy tinh, gốm sứ và plastics Máy bay làm thủy tinh, gốm sứ hay plastic tàng hình nhờ truyền xạ, chế tạo máy bay các vật liệu này đây là việc không tưởng Sóng radar truyền xạ qua composite chứa sợi thủy tinh Sợi thủy tinh bền có thể làm vật liệu cho thân máy bay tàng hình Nhưng máy móc, vật dụng và người máy bay lại là vật phản xạ Giảm phản xạ cách dùng vật liệu truyền xạ là việc hoàn toàn không thực tế Chọn lựa còn lại là hấp thụ lượng sóng radar để làm giảm thiểu hay triệt tiêu phản xạ Sự hấp thụ này biến lượng sóng thành nhiệt Lop11.com (8) Sóng radar thường nằm vùng vi ba (microwave) có tần số từ – 18 GHz phổ điện từ (Hình 4) Ở tần số này bước sóng có chiều dài từ milimét đến vài centimét Để hiểu rõ phản xạ, truyền xạ và hấp thụ sóng điện từ, ta không cần tưởng tượng mông lung xa vời mà hãy nhìn cái lò vi ba khiêm tốn nhà bếp Lò phát sóng tần số 2,45 GHz (bước sóng: 12,2 cm) là tần sóng "anh em" radar Ở tần số này nước thức ăn thịt cá, rau cải hấp thụ lượng vi ba và biến thành nhiệt Kim loại là vật liệu phản hồi vi ba tốt Vách lò kim loại phản xạ toàn vi ba vào thức ăn Cánh cửa lò làm thủy tinh để quan sát bên lò Như đã đề cập trên, vi ba truyền xạ qua thủy tinh và lọt ngoài Để có an toàn, người ta dùng vách kim loại với lỗ nhỏ có đường kính vài milimét nhỏ bước sóng vi ba (12,2 cm) Nó vừa là tường ngăn chặn rò rỉ vi ba ngoài vừa là cửa sổ quan sát Thí dụ này cho thấy phản xạ từ bề mặt kim loại và hấp thụ lượng vi ba vật có điện tính hay từ tính thích hợp Nước thức ăn có điện tính thích hợp cho việc hấp thụ vi ba tần số 2,45 GHz Trong Thế Chiến thứ 2, không quân Anh đã làm quân đội Đức quốc xã nhiều phen điêu đứng vì chiến đấu loại nhỏ có tên là Mosquito (Con muỗi) Những "Con muỗi" này bay nhanh, oanh tạc chính xác và làm đối phương điên đầu vì radar phòng không Đức không nhìn thấy Mosquito! Những trận quân và chiến thắng Mosquito trở thành huyền thoại Thế chiến thứ và là niềm tự hào không quân Hoàng gia Anh Các chiến tích và tự hào này dựa trên kiện đỗi khiêm tốn và đơn giản là thân chiến đấu "Con muỗi" này chế tạo ván ép (plywood) So với kim loại, gỗ là vật liệu phản xạ sóng radar tồi và chính cái "tồi tệ" này mà radar quân Đức không phát kịp thời các lượt công "muỗi" Sự thành công ngoài dự tưởng chiến đấu Mosquito là ngẫu nhiên là cố ý Ngẫu nhiên chiến trường đã trở thành điều may mắn cho nhân loại Trên luận điểm khoa học cái ngẫu nhiên này cách gián tiếp cho thấy điều hiển nhiên ít người chú ý là phản xạ sóng radar khác nhôm và gỗ Người Anh không có ý định chế tạo "Mosquito" loại máy bay tàng hình Trong lúc nhôm đã là vật liệu tuyệt vời chế tạo máy bay, thì việc sử dụng ván ép thật là ý tưởng lạ lùng, kéo lùi lại kỹ thuật thiết kế thân máy bay trở lại thuở ban sơ công nghệ hàng không, vì khan nhôm thời chiến họ phải dùng gỗ để thay Gần 8.000 Mosquito đã chế tạo và sử dụng Thế chiến thứ Sự khác gỗ và nhôm đã chứng minh tương tác sóng điện từ và vật liệu qua các tượng phản xạ, truyền xạ, hấp thụ, nhiễu xạ và khúc xạ tùy thuộc vào điện tính và từ tính vật liệu đó Điều này thật vì chất sóng điện từ, cái tên đã diễn đạt và qua phát nhà vật lý học James Maxwell, là hôn phối là hạnh phúc điện trường và từ trường Cho nên, tác dụng sóng điện từ lên vật liệu gây dao động lưỡng cực điện (electric dipole) hay lưỡng cực từ (magnetic dipole) phân tử vật chất Sự dao động các lưỡng cực trở nên cực đại có cộng hưởng xảy tần số nào đó tùy vào đặc tính vật chất Sự cộng hưởng đưa đến hấp thụ lượng sóng tối đa tần số đó và tan biến thành nhiệt ta thấy nước thức ăn lò vi ba tần số 2,45 GHz Mặc dù hấp thụ sóng, ta thấy, là tượng xảy thang phân tử, người ta có thể thiết lập công thức đơn giản để đo độ phản xạ và hấp thụ sóng điện từ trên bề mặt các loại vật liệu các bước sóng (tần số) khác dựa vào phương trình sóng điện từ tiếng Maxwell Ở đây người viết xin mở ngoặc nói sơ lược phương trình sóng điện từ thiên tài James Maxwell người Scotland vào kỷ 19 Khi nói đến sóng điện từ người ta bắt buộc phải nói đến phương trình Maxwell Bằng bốn công thức đơn giản súc tích, phương trình sóng Maxwell đã kết hợp điện trường và từ trường, hai thực thể khác biệt, để mô tả chất sóng điện từ Cái vĩ đại phương trình này đã khiến cố giáo sư Richard Feynman (Nobel Vật lý 1965) phải lên "Một vạn năm sau hậu xem phương trình Maxwell là phát vĩ đại kỷ 19 So với nó, kiện lịch sử khác cùng thời vào quên lãng việc tầm thường tỉnh lẻ" Phương trình Maxwell cho thấy loại sóng khác từ sóng radio có bước sóng cực dài hàng chục kilomét đến tia X, tia gamma lượng cao với bước sóng cực ngắn picomét (10-12 m) là bà họ hàng gọi chung là sóng điện từ Phương trình Maxwell còn tính vận tốc truyền sóng là vận tốc truyền ánh sáng (khoảng 300.000 km/s) Từ tương đồng này Maxwell đã kết luận ánh sáng thấy bao gồm ánh sáng đỏ, vàng, xanh, tím, chẳng qua là vùng sóng phổ điện từ Lop11.com (9) Sự vĩ đại phương trình Maxwell là nó đã khai minh loạt kiện khoa học mang tính đột phá có tầm vóc thời đại như: (1) thống điện trường và từ trường, (2) thống các loại sóng, (3) ánh sáng là sóng điện từ và (4) đặt tảng định lượng để lý giải tương tác sóng điện từ và vật chất Trong sống đại, người "tắm" sóng điện từ Không gian sinh hoạt chúng ta tràn ngập sóng radio cho việc truyền thanh, truyền hình, sóng radar, sóng vi ba, sóng điện thoại và đương nhiên ánh sáng, tia hồng ngoại và tử ngoại từ mặt trời Nếu không có phương trình sóng Maxwell có lẽ không có thiên văn học đại và không có công cụ viễn thông từ đài thu phát sóng khổng lồ, tháp ăng-ten cao ngất ngưởng đến điện thoại di động nhỏ bé Nó đã tạo cách mạng các phương thức liên thông người và đồng loại mà còn nối kết người với vũ trụ bao la Trở lại cái sườn gỗ Mosquito Gỗ đã dùng thành công cho chiến đấu Mosquito, vì gỗ tán xạ và hấp thụ sóng radar làm giảm độ phản xạ độ dẫn điện gỗ thấp, không muốn quay thời mông muội ngành hàng không Sự ngẫu nhiên đầy may mắn này nguyên lý thô sơ là ta phải dùng vật liệu có độ dẫn điện trung bình để gia tăng hấp thụ lượng sóng làm giảm sóng phản xạ Việc nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar (radar absorbing materials, RAM) đời Xuất phát từ phương trình Maxwell, việc định lượng độ phản xạ sóng điện từ diễn tả công thức đơn giản cho chúng ta số tùy theo điện tính, từ tính vật liệu và tần số sóng Điện tính biểu qua độ dẫn điện hay độ điện thẩm (permitivity) và từ tính biểu độ từ thẩm (permeability) [2] (Phụ lục a) Uy lực phương trình Maxwell tỏa sáng công thức độ phản xạ vùng sóng radar (tần số - 18 GHz) cho thấy sóng radar phản xạ gần 100 % từ các bề mặt kim loại Sau Thế Chiến thứ các chuyên gia tàng hình học không ngừng nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar Hòa bình trở lại giới lại chìm đắm chiến tranh lạnh và nhu cầu "nhìn trộm" lẫn thúc đẩy việc chế tạo chiến máy bay trinh sát phủ lớp sơn hấp thụ radar và có thể bay thật cao để tránh radar đối phương Từ công thức định lượng độ phản xạ, các nhà khoa học tính độ dẫn điện (qua độ điện thẩm) và từ tính (độ từ thẩm) vật liệu thích hợp cho việc hấp thụ vùng vi ba (tần số đến 18 GHz) Họ xác nhận các loại bột carbon có độ dẫn điện thấp hay bột sắt (carbonyl iron), oxit sắt hay oxit hợp chất sắt (thí dụ: ferrite) có từ tính thích hợp Họ chế loại sơn chứa hạt carbon hay chứa bột sắt hay phức hợp chứa hai Lớp sơn phủ lên thân máy bay với độ dày thường là - 10 mm Những vật liệu này hấp thụ 50 - 90 % lượng sóng radar vùng vi ba có tần số - 18 GHz Lớp sơn dày chứa bột sắt, oxit sắt dễ bị rỉ sét và làm gia tăng trọng lượng vật thể phủ khá đáng kể Yếu tố này gây nhiều điểm bất lợi tính bền sơn và việc giảm trọng lượng thân máy bay, tàu thủy lúc nào là nguyên lý hàng đầu các thiết kế công nghệ Ngoài ra, lớp sơn hấp thụ radar tần số, không may tần số radar đối phương nằm ngoài tần số hấp thụ thì lớp sơn vô hiệu Kết là ta mắc lưới radar, tầm nhìn phe địch và vận mệnh ta nằm bàn tay lông lá đối phương đáng sợ! Sự đời sợi carbon (carbon fibres) vào thập niên 60 kỷ trước tạo các composite có chất polymer và sợi carbon vừa nhẹ vừa bền cho các ứng dụng cấu trúc Giống hạt carbon, sợi carbon có độ dẫn điện thích hợp cho việc hấp thụ vi ba nên composite sợi carbon vừa là vật liệu cấu trúc vừa là vật liệu tàng hình Không có gì ngạc nhiên composite sợi carbon là ứng viên sáng giá tất vật liệu cho chế tạo máy bay, tàu chiến tàng hình đại Trong các ứng dụng thực tiễn, vật liệu lý tưởng cho việc hấp thụ radar cần lúc ba điều kiện là bền, nhẹ và hấp thụ thật nhiều trên băng tần thật rộng (tương phản với tần số) Như vậy, các nhà khoa học giải vấn đề này nào? Chúng ta hãy vào các phần Polymer dẫn điện Kể từ lúc tình cờ khám phá vào năm 1975, 30 năm qua polymer dẫn điện là đề tài nghiên cứu sôi động trên mặt sở lẫn ứng dụng Những công trình nghiên cứu vật liệu này đã thu tóm sách tiếng Việt xuất năm 2008 [3] Polymer dẫn đã nghiên cứu vật liệu tàng hình đa và "thông minh" [4] Tương tự sợi carbon và bột carbon, polymer dẫn điện là vật liệu hữu có khả dẫn điện Nhưng khác với kim loại và carbon, độ dẫn điện polymer dẫn có thể điều chỉnh phương pháp điện Lop11.com hóa (electrochemical) Khi áp dụng vào việc hấp thụ (10) lượng sóng radar, khả điều chỉnh độ dẫn điện đưa đến việc hấp thụ sóng tần số khác nhau, hay có thể biến vật liệu giả đò "ngu si" phản xạ sóng radar, cần thiết trở lại chức "thông minh" cố hữu, hấp thụ sóng radar Các chiến lược chiến thuật chiến tranh là tập hợp "giả dối" và "đánh lừa", và polymer dẫn linh hoạt phương diện này Đặc điểm polymer dẫn là khả hấp thụ lượng vi ba hữu hiệu Một thí nghiệm nhỏ dùng lò vi ba gia dụng cho thấy ta cho vi ba tác dụng lên polymer dẫn, nó hấp thụ lượng sóng và phát nhiệt [5] Ngoài ra, ta cần 2% polypyrrole (một loại polymer dẫn điện thông dụng) trộn vào lớp cao su hay lớp sơn dày 2,5 mm là hỗn hợp này có thể hấp thụ ít 90% lượng vi ba băng tần 12 - 18 GHz [6-7] Một loạt polymer dẫn điện với các cấu trúc hóa học khác polyaniline, polythiophene và poly(phenylene vinylene) cho hiệu ứng tương tự tần số radar thích hợp Một đặc điểm khác là polymer dẫn điện có thể hai dạng: (1) dạng trung tính cách điện và (2) dạng dẫn điện kết nạp với dopant A Polymer dẫn đặt bình điện giải và thay đổi điện áp bình, hai dạng chuyển hoán sau, MMMMMMMMMMMMMM (dạng 1) + A ↑↓ MMMM+A-MMMMM+A-MMM+A-MMMM (dạng 2) Hình 7: Khi có điện áp (trong hình: "on") polymer dẫn điện phản xạ sóng radar; không có điện áp (trong hình: "off") nó hấp thụ radar Ở tần số khoảng 1,03 GHz, vật liệu này hấp thụ gần 99,9% (-50 dB) lượng sóng tới Trong khoảng đến 1,1 GHz, lượng bị hấp thụ là 90 % (-20 dB) [8] Dạng là dạng trung tính cách điện và dạng là dạng dẫn điện Dạng không hấp thụ và 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 là vật liệu tàng hình, không cần thiết lại là vật liệu "ngu si" phản hồi sóng radar [8-10] Tuy nhiên, bình điện giải để thực điều này dù cho kích cỡ nào hay hình dạng nào không phải là linh kiện thích hợp cho các 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) đã tổng hợp polyaniline - polymer dẫn điện thông dụng - có dạng hình ống kích cỡ micromét [11] Bình thường, polymer dẫn điện tên gọi đã định nghĩa có tác dụng điện Nhưng polyaniline dạng hình ống thì có tác dụng từ tính băng tần quan trọng sóng radar (1 - 18 GHz) Phải nói đây là phát thú vị vì có vật liệu nhẹ polymer mang khả hấp thụ sóng radar hai chế từ và điện Những vật liệu từ tính hấp thụ radar bột sắt hay oxit sắt có tỷ trọng nặng và dễ bị ăn mòn (rỉ sét) Đây không phải là vật liệu lý tưởng cho máy bay, nơi mà đặc tính nhẹ cân là 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] Lop11.com (11) Polyaniline nhóm nghiên cứu Trung Quốc thỏa mãn điều kiện nhẹ cân và mang hai đặc tính điện và từ Tuy nhiên, sau bài báo cáo năm 2001 người viết không tìm thấy tư liệu nói đến việc triển khai polyaniline dạng ống các áp dụng tàng hình Vật liệu nano Ống than nano và các hạt nano kim loại và oxit kim loại càng ngày càng đa dạng và phương cách sản xuất càng nâng cao tạo sản phẩm đại trà Vật liệu nano mang đến nhiều ứng dụng và hiệu ứng tàng hình cuả vật liệu này là đề tài nghiên cứu cuả các nhà tàng hình học Người ta phối hợp polymer dẫn điện và ống than nano tạo thành composite đã thấy composite này hấp thụ vi ba nhiều có đơn độc thành phần [12] Điều này chứng tỏ có hiệu ứng đồng vận xảy polymer dẫn và ống than nano Hiện chưa có nhiều công bố hấp thụ radar hạt nano Khi kích thước vật liệu thu nhỏ thì diện tích bề mặt toàn thể hạt nano gia tăng với số lần tương đương Hạt sắt, oxit sắt và 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 cùng 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 và điện tính vật liệu nano không nằm ngoài nguyên tắc này Mặc dù các loại hạt nano kim loại, oxit kim loại, chất bán dẫn, ống than nano càng lúc càng đa dạng và tinh vi, người viết chưa tìm thấy các báo cáo công khai nói tiềm vật liệu nano các ứng dụng tàng hình Một điều thú vị khác mà vật liệu nano có thể cống hiến cho hiệu ứng tàng hình là 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 và rìa cánh máy bay các phi vụ Nhiệt sinh xạ hồng ngoại mà các cảm ứng tên lửa "lùng và diệt" đối phương có thể cảm nhận Khi đã phát hiện, tên lửa bám theo nguồn nhiệt và 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 là việc khả thi vật liệu nano 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 là thông tin cực mật quốc gia Tần số này đâu đó vùng – 18 GHz và đây là băng tần rộng vật liệu hấp thụ radar có thể mang đến hiệu tần số nhỏ hẹp Nếu ta có vật liệu hấp thụ radar tuyệt vời nằm ngoài tần số đối phương thì tượng "trớt quớt" xảy và hình bóng ta lồ lộ lên màn hình radar đối phương Nếu là radar tên lửa thì khoảnh khắc tên lửa háo hức tìm ta mà đâm vào! Việc truy lùng và 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 lánh vừa quay lại phản kích đánh phủ đầu mèo Tom tạo nên cảnh bát nháo vô cùng thú vị Cậu tí Jerry lúc nào thắng vì 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 thì chuyện mò kim đáy biển, "non cao đất rộng biết đâu mà tìm"! Có lẽ ta phải cần đến thông minh và can đảm điệp viên tầm cỡ James Bond 007 cùng với nàng kiều nữ khêu gợi vào đất địch mang thông tin cực mật cho phe ta Nhưng các 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 cái 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) còn gọi là mặt phủ "thông minh" Mặt phủ này giúp ta chế ngự sóng tới radar dù tần số nào [8-9, 13] Theo nhóm Chambers, ta cần hai điều kiện Điều kiện thứ là điện trở (hay độ dẫn điện, độ dẫn điện tỷ lệ nghịch với điện trở) lớp phủ thay đổi thì tần số hấp thụ radar có thể di chuyển qua lại (nên là "động", dynamic) trên băng tần rộng lớn Điều kiện thứ hai là phía sau lớp phủ ta đặt cảm ứng để Lop11.com (12) phát tần số radar đối phương Khi luồng radar chạm vào lớp phủ, cảm ứng xác nhận tần số radar và 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 này còn 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, và phải trước bước đối phương nhanh chóng làm nhòa luồng sóng radar đe dọa Thật là hệ thống thông minh Nhưng đây là 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) Hình 8: Hệ thống vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến (DARAM) và cảm ứng xác nhận tần số sóng tới Vậy vật liệu nào có thể sử dụng tạo lớp phủ thông minh để thực cấu tưởng này? Người ta nghĩ đến polymer dẫn điện Như đã đề cập trên, độ dẫn điện (hay điện trở) polymer có thể thay đổi quá trình điện hóa Ngoài ra, polymer dẫn còn mang tính chất tụ điện [8] Khi có kích hoạt điện hóa, vật liệu này có thể thay đổi độ dẫn điện và điện dung (capacitance) tụ điện để tạo thành lớp phủ hấp thụ radar "thông minh" Đây là đặc tính vượt trội bột carbon hay bột sắt, oxit sắt cổ điển mang điện tính hay từ tính bất biến, thụ động và "vô cảm" trước kích thích từ ngoài 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 các loại polymer mà ta thường biết qua cái tên thông dụng là plastic Trong kinh nghiệm thường ngày, chúng ta biết polymer biến tính và phân hủy nhiệt độ cao (80 – 200 °C) và tia tử ngoại ánh sáng mặt trời Độ dẫn điện polymer bị biến đổi hay bị triệt tiêu tác nhân này Trở ngại thứ hai là thay đổi tần số hấp thụ sóng radar polymer dẫn lớp phủ thông minh có thể kéo dài nhiều phút Sự ứng biến này quá 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 các bế tắc này không làm nhóm Chambers chùn bước Việc chế tạo vật liệu lý tưởng vừa nhẹ, vừa mỏng và có thể hấp thụ sóng radar bao trùm băng tần rộng (broadband) có thể ứng phó với tất tần số đối phương là mục tiêu tối hậu mà các nhà tàng hình học muốn đạt tới Nhóm Chambers chuyển hướng nghiên cứu và triển khai mô hình điện học cho việc chế tạo cấu trúc hấp thụ lượng radar trên băng tần rộng Họ không chú trọng đến các vật liệu đã 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 là điện trở, điện dung và 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 các 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 Lop11.com trúc này có thể hấp thụ 90 - 95% lượng sóng tới radar trên băng tần từ GHz đến 14 GHz Đây (13) là số đáng kinh ngạc cho cấu trúc tương đối đơn giản và mỏng Khi vật thể có độ lớn máy bay to trung bình hấp thụ 90 - 95% lượng sóng, tiết diện radar nó tương đương với chim bồ câu! Không có dòng điện, cấu trúc giả vờ "ngu si" phản hồi sóng radar So với các vật liệu hấp thụ truyền thống, có thể nói đây là cấu trúc đạt đến đỉnh cao "thông minh" và mang đến điều kiện lý tưởng cho việc hấp thụ sóng radar Cấu trúc diode đơn giản này có thể triển khai cách kết hợp với các linh kiện điện tử phức tạp khác để mở rộng băng tần hấp thụ Tiếc thay, người viết không tìm thấy bài báo cáo cùng đề tài sau bài viết đầu tiên năm 2004 [14] Siêu vật liệu Tính chất vật liệu tính, hóa tính, lý tính, điện tính, từ tính, quang tính là đặc tính tùy thuộc vào chất hóa học các phân tử làm nên vật liệu đó Đó là điều hiểu biết kinh điển Khi muốn biến đổi tính chất vật liệu, người ta thường có khuynh hướng dùng các phương pháp cải biến hóa học để thực Thí dụ, cho vào sắt vài phần trăm carbon để chế tạo thép có độ cứng và độ bền tốt sắt Điện tính chất bán dẫn silicon đuợc biến đổi các chất tạp gọi là dopant Trong vật liệu polymer, ta có thể tiên đoán các tính chất polymer từ các đặc tính phân tử (monomer) tạo thành Từ đó, ta có thể dùng các loại monomer khác nhau, biến đổi cách "hóa học" để tạo composite với các đặc tính tối ưu Như thế, biến đổi tính chất vật liệu qua các phương pháp hóa học tổng hợp, gia công với chất phụ gia hay tạo các loại composite đã trở thành phương thức chế biến lâu đời khoa học vật liệu Tương tự, quang học và điện từ học đặc tính điện và từ vật chất là yếu tố quan trọng việc tận dụng và chế ngự ánh sáng theo các nhu cầu Chẳng hạn các 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 các đặc tính thích hợp cho ứng dụng Thí dụ, người ta điều chỉnh thành phần hóa học sợi quang để có thể truyền quang trên 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 trang trí các khung cửa giáo đường Một thí dụ cho ứng dụng quang học khác là người ta dùng các loại plastic (polymer) suốt thay cho thủy tinh để giảm trọng lượng cho các loại kính cận Nhưng chiết suất các loại polymer lại nhỏ thủy tinh, cho nên kính plastic dày kính thủy tinh Để gia tăng chiết suất, kính plastic thường cải biến cách dùng các nhóm chức chứa bromine (Br) làm giảm độ dày kính trì tiêu cự (độ kính), nhẹ và hết là gìn giữ vẻ đẹp gương mặt người mang Những thí dụ trên cho thấy phân tử cải biến thì các tính chất quang học và điện từ vật chất cải biến Nhưng đây không phải là đường để định đoạt đặc tính điện từ vật chất Từ năm 2000, loại vật liệu nhân tạo gọi là "siêu vật liệu" (metamaterial) khám phá và trở thành đề tài nghiên cứu "nóng" các đại học, viện nghiên cứu doanh nghiệp và quốc phòng Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên chất vô (chất bán dẫn), hữu (carbon, polymer), kim loại và oxit kim loại, siêu vật liệu là cấu trúc thiết kế hoàn toàn nhân tạo cách bố trí (engineer) đơn vị cấu trúc cho các đặc tính điện từ quan trọng độ từ thẩm và độ điện thẩm có trị số theo ý muốn kể trị số âm Đặc tính và hình dạng đơn vị này đề cập phần sau Cơ quan "European Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials" định nghĩa siêu vật liệu là "một xếp các thành phần cấu trúc nhân tạo thiết kế để đạt đặc tính điện từ thuận lợi và khác thường" (an arrangement of artificial structural elements, designed to achieve advantageous and unusual electromagnetic properties) [15] Tạp chí Nature đã xem việc phát siêu vật liệu là 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 gì ngạc nhiên quan DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) chính phủ Mỹ tỏ hào phóng trước đề án nghiên cứu siêu vật liệu và mười năm qua đã tích cực tài trợ các hội thảo liên quan đến lý thuyết và ứng dụng vật liệu này Cho đến (năm 2010), các bài báo cáo thành nghiên cứu siêu vật liệu đã đăng tải lên các 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 bài tổng quan đặc sắc Scientific American, Physics Today, Physics World, Materials Today, MRS Bulletin v.v Lop11.com (14) 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 và phản trực cảm, ngược lại thường thức mà người ta đã biết từ kinh điển chính quy Chính vì khác thường và phản trực cảm, vật liệu nhân tạo này biểu tiền tố "siêu" dịch từ chữ "meta" có nguồn từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là "vượt" (beyond) Siêu vật liệu "vượt" qua vật liệu cổ điển nằm ý nghĩa là đơn vị vật chất chúng ta thường biết là phân tử, thì siêu vật liệu là đơn vị cấu trúc nhân tạo có kích cỡ từ milimét đến nanomét Siêu vật liệu cho ta khái niệm và phương thức tập trung vào việc cải biến các đơn vị cấu trúc là thay đổi đặc tính hóa học phân tử các vật liệu cổ điển Những đơn vị này có thể xem "phân tử" theo nghĩa rộng, định các chức và đặc tính điện từ siêu vật liệu Chúng có thể là que micro/nano vàng, sợi micro/nano bạc, mạng lưới vi mô hay là vòng kim loại có khe hở [16] [Hình 9] Hình dáng, kích thước và cách xếp đơn vị này đã tính toán trước để thích ứng cho ứng dụng gây kết tương tác siêu vật liệu và 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 thì 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 không thể "nhìn" chi tiết đơn vị mà "thấy" vật liệu đồng nhất, giống ta nhìn ly thủy tinh chứa nước thấy nước và 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 có thể cấp milimét Ta thoải mái thiết kế và cải biến đơn vị cấu trúc kích cỡ này 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 chính xác cấp nanomét Siêu vật liệu có lẽ không xuất không có lý thuyết nhà khoa học người Nga tên là Veselago và bén nhạy giáo sư vật lý John Pendry Imperial College London (Anh Quốc) Độ từ thẩm và độ điện thẩm vật chất thiên nhiên phần lớn có trị số dương và không có vật chất nào đồng thời cùng có trị số âm Nhưng vào năm 1968, Veselago nảy sinh ý tưởng lạ đời ta có vật liệu mà độ từ thẩm và độ điện thẩm đồng thời có trị số âm thì đời đổi thay nào? Ông phát biểu tính toán và suy luận trên tạp chí Soviet Physics Uspekhi [17] Tuy nhiên, bài báo vật lý mang ý nghĩa mông lung này dễ dàng chìm vào quên lãng Bỗng nhiên, ngày đẹp trời nào đó 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 và độ điện thẩm trị số nào dương lẫn âm và zero, thì điều tiên đoán bài báo cáo Veselago nằm im lìm 30 năm qua xó xỉnh đầy bụi lôi ánh sáng Lý luận ông trở thành chuẩn mực vì vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm âm là siêu vật liệu tối thượng mà các nhà khoa học muốn đạt tới Cũng dễ hiểu bài báo cáo Veselago vỏn vẹn trang giấy đã trích dẫn 3.000 lần 10 năm qua, số to chứng tỏ địa vị tiên phong và tầm quan trọng lý thuyết Veselago Quang học cho ta biết độ từ thẩm và độ điện thẩm có liên quan trực tiếp đến chiết suất (Phụ lục c) Chiết suất không khí (xem không khí là chân không) là chiết suất nước là 1,33, thủy tinh là 1,5 Trị số chiết suất là dương Khi tia sáng (hay sóng điện từ) từ môi trường này đến môi trường Lop11.com (15) có chiết suất khác thì đường ánh sáng bị khúc xạ mặt tiếp giáp Đó là tượng thường thấy tia sáng từ không khí sang môi trường nước (hay thủy tinh) Vật liệu "giả tưởng" bài viết Veselago có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm nên chiết suất là số âm Người ta gọi đây là vật liệu có chiết suất âm (negative refractive index materials, NIM) và đề cập trên đây là siêu vật liệu các nhà khoa học nhắm tới vì các tiềm ứng dụng "đổi đời" quang học, điện từ học, điện tử học và quang điện tử (photonics) Hình 10a và 10b [18] minh họa hai trường hợp khúc xạ môi trường có chiết suất dương và chiết suất âm Hình 10a: Nguyên lý khúc xạ ánh sáng (a) môi trường chiết suất dương và (b) môi trường chiết suất âm Hình 10b: Khúc xạ chất lỏng có chiết suất dương (hình trái) và 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 đã nhờ Pendry tư vấn chế hấp thụ radar mẫu sợi carbon Pendry phát điều thú vị là điện tính carbon tạo hấp thụ sóng radar không từ chất cố hữu carbon mà còn hình dạng dài và mỏng sợi carbon Việc khám phá liên hệ điện tính và hình dáng vật liệu này khiến ông liên tưởng đến liên hệ tương tự cho từ tính Câu hỏi ông đặt là: có khả nào chế tạo vật liệu phi từ (non-magnetic) trở nên vật liệu mang từ tính cách điều chỉnh hình dạng vật ấy? Suy nghĩ này không phải là hoang tưởng mà có sở lý luận phảng phất các công thức phương trình Maxwell Rằng là có dòng điện chạy ngang vật (chẳng hạn sợi dây hay vòng kim loại) thì từ trường cảm ứng phát sinh xung quanh vật đó Từ nguyên lý này, tưởng tượng đưa Pendry tiến thêm bước là ta tạo vô số vòng cực nhỏ đồng (đồng là kim loại phi từ) cài chúng vào chất nền, sau đó cho dòng điện chạy qua các vòng này thì ta có cảm ứng từ Nếu ta kết hợp sợi carbon mang điện tính công ty Marconi tạo hỗn hợp với các vòng tí hon với cảm ứng từ thì ta có may chế ngự xạ điện từ theo ý muốn Pendry vô hình trung đã có ý niệm tiên khởi tạo siêu vật liệu có khả tạo hiệu ứng tàng hình băng tần vô cùng rộng lớn kéo dài từ vùng vi ba đến vùng ánh sáng thấy Lop11.com (16) Hình 11: Siêu vật liệu hay vật liệu có chiết suất âm đầu tiên Đơn vị cấu trúc (Hình 9) lắp ráp thành hệ thống lập thể có trình tự định với các vòng đồng có khe hở cho độ từ thẩm âm và sợi dây đồng cho độ điện thẩm âm vùng vi ba Độ điện thẩm âm diện số vật liệu độ từ thẩm âm là điều có Vật liệu cùng có đồng thời hai trị số âm và đó có chiết suất âm theo ý tưởng Veselago, lại càng hoi không nói là vô vọng Nhưng, "đừng tuyệt vọng, em đừng tuyệt vọng"! Người hùng Pendry sừng sững xuất vị cứu tinh… Việc tạo độ điện thẩm âm tương đối dễ dàng độ từ thẩm âm nên Pendry đặc biệt quan tâm đến từ tính vật liệu Xuất phát từ vật phi từ biến thành vật mang đặc tính từ, Pendry suy diễn tiếp khả biến đổi hình dáng và kích thước vòng kim loại đồng để tạo độ từ thẩm âm Ông và các cộng đề nghị vòng kim loại có khe hở có thể cộng hưởng và tạo độ từ thẩm âm tác dụng với sóng điện từ [19] Ông gọi tên đơn vị cấu trúc này là vòng cộng hưởng hở (split ring resonator) Nhóm nghiên cứu San Diego Đại học California (San Diego, Mỹ) tiếp tục phát huy cấu trúc này và lần đầu tiên lịch sử khoa học tạo vật liệu có chiết suất âm công bố ba bài báo cáo quan trọng [20-22] Đây là cấu trúc lập thể tạo thành vòng kim loại đồng có khe hở in mặt trước và sợi đồng theo chiều dọc mặt sau [22] (Hình 11) Khi sóng vi ba tác dụng lên cấu trúc lập thể này thì vòng đồng sản sinh độ từ thẩm âm và sợi đồng cho độ điện thẩm âm Từ góc khúc xạ sóng, nhóm nghiên cứu San Diego tìm thấy trị số chiết suất siêu vật liệu này là -2,7 [22] Công trình thực nghiệm nhóm San Diego khẳng định lý thuyết Veselago và đã biến giấc mơ Veselago thành thực Cấu trúc lập thể với các kết thí nghiệm nhóm San Diego là bước nhảy vọt quang học và điện từ học, niềm hân hoan phe "khẳng định" lại là mối hoài nghi phe "phủ định" Các nhà khoa học không dễ dàng chấp nhận gì quá ngược với cái trực cảm vốn có, hay đột phá muốn chọc thủng quán tính tư Hoài nghi là đặc tính chung các nhà khoa học và nó ám kết phát thí nghiệm còn nhiều việc phải làm và nhiều điều phải lý giải nghiêm túc theo đúng các quy luật vật lý Nhưng trước đám bụi mù tranh luận lắng đọng thì đã có nhiều đề xuất ứng dụng cho siêu vật liệu Vật liệu chiết suất âm đã mở hàng loạt tiềm cho các dụng cụ quang học, điện từ, quang điện tử, sinh học và sinh y học Đặc biệt, thành công vùng sóng vi ba trở thành tảng cho việc chế tạo siêu vật liệu với bố trí cấp nano (nano-engineering) để triển khai tới các vùng sóng với bước sóng ngắn vùng hồng ngoại và ánh sáng thấy - vùng sóng cho người nhiều ứng dụng hữu ích Dựa theo ý tưởng Veselago, chúng ta hãy xem siêu vật liệu có thể đóng góp nào để cải thiện dụng cụ quang học đơn giản nhất: cái thấu kính Siêu vật liệu và siêu thấu kính Veselago thảo luận đường ánh sáng qua thấu kính giả tưởng có chiết suất âm mà bây người ta gọi là "siêu thấu kính" (superlens) (Hình 12) Vào năm 2000, Pendry hồi sinh và triển khai lý thuyết Veselago qua bài viết có tựa đề là "Negative refraction gives a perfect lens" (Chiết suất âm làm thấu kính lý tưởng) [23] "Chiếc thấu kính lý tưởng" bài viết Pendry có nghĩa là siêu thấu kính Báo cáo này đã làm sôi cộng đồng nghiên cứu quang học và điện từ học Trong Veselago còn ngập ngừng giai đoạn lý thuyết và giả tưởng thì Pendry hùng hồn khẳng định và chứng minh việc chế tạo vật liệu chiết suất âm là khả thi và siêu thấu kính hữu với tiềm tuyệt vời Lop11.com (17) Hình 12: Đường ánh sáng qua (a) thấu kính bình thường có chiết suất dương và (b) siêu thấu kính có chiết suất âm Tại gọi là "siêu thấu kính"? Thấu kính là phận trung tâm các dụng cụ quang học từ cái máy ảnh bình thường, kính hiển vi quang học đến kính viễn vọng thiên văn Dù chế tạo hoàn hảo, không chứa khuyết tật gây quá trình sản xuất, thấu kính quang học không cho hình ảnh rõ rệt vật quan sát vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng Nếu bước sóng ánh sáng trắng là 550 nm (nanomét) (trung bình cộng bước sóng ánh sáng tím 400 nm và ánh sáng đỏ 700 nm) thì hình ảnh vật nhỏ 550 nm (độ lớn vi-rút) kính hiển vi quang học bị nhoè vì nhiễu xạ (diffraction) Tuy nhiên, siêu thấu kính làm từ vật liệu có chiết suất âm không bị ảnh hưởng nhoè ảnh nhiễu xạ Điều này cho thấy siêu thấu kính cho người dụng cụ quang học để quan sát vật có độ lớn nhỏ bước sóng ánh sáng [24] Khả "kỳ quái" siêu thấu kính làm tan biến nhòe nhiễu xạ có đề nghị ứng dụng li-tô quang học (optical lithography) hay tạo vi mạch đến cấp nanomét, sản xuất các loại đĩa quang học (DVD, CD) với lượng trữ liệu vài trăm lần nhiều và tiềm xử lý liệu ánh sáng máy vi tính hay dụng cụ điện tử Ngoài ra, kính hiển vi có vai trò đặc biệt sinh học Việc quan sát vi-rút, phân tử sinh học DNA, protein kính hiển vi điện tử là thường thức, tiếc thay tia điện tử mang lượng cao "giết" phân tử sinh học này lúc quan sát Kính hiển vi quang học dùng ánh sáng qua siêu thấu kính cho ta thấy vật chất sinh học trạng thái "sống" và đây là chìa khóa để giải mã bí mật sinh học trì sống sinh linh tận cùng phân tử Ngày xuất các sản phẩm này trên thương trường có lẽ còn xa, theo Pendry giấc mơ Veselago dứt khoát trở thành thực và thập niên đã trôi qua cho thấy thành đầy kinh ngạc lĩnh vực này Siêu vật liệu và hiệu ứng tàng hình Vào mùa thu năm 1943 lúc chiến thứ vào thời kỳ liệt, thì nhiên nguồn tin bắn từ phe Đồng Minh cho hải quân Mỹ đã thành công việc chế tạo loại tàu chiến tàng hình nhìn mắt thường lẫn hệ thống radar Nguồn tin cho chiến hạm USS Eldridge dùng làm thí nghiệm Project Rainbow (Kế hoạch Cầu vồng) nhằm triển khai kỹ thuật tàng hình dùng trường điện từ để bẻ cong không gian và thời gian Thậm chí có số "nhân chứng" cho họ đã thấy chiến hạm này đã tàng hình phút đồng hồ liền trên đường di chuyển từ Philadelphia đến Norfolk! Ngày hôm nay, người ta thừa hiểu đó là vận động chiến tranh tâm lý để làm lung lạc ý chí chiến đấu phe Đức quốc xã Đó là lời đồn đại, việc chế tạo vật liệu có thể tàng hình trước mắt thịt trần tục và "mắt thần" radar, tưởng chừng hữu tiểu thuyết viễn tưởng hay chiến tranh tâm lý, không ngờ đây cái vật liệu lý tưởng đó nằm tầm tay các nhà khoa học Hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu có lẽ giống câu chuyện phim kinh dị Nhật Bản mang tựa đề là "Kaidan" (Quái đàm) hay là "Những chuyện ma quái " Chuyện kể có người mù đàn tỳ bà cực hay tiếng khắp vùng tên là Hoichi sống ngôi chùa Trong đêm khuya, samurai (võ sĩ) đến chùa mời Hoichi đến doanh trại vị Tướng Quân (Shogun) đánh đàn Vị hòa thượng chùa biết đây là hồn ma tử trận trận đánh vài trăm năm trước đến quấy phá Hoichi Doanh trại Tướng Lop11.com (18) Quân thật là bãi tha ma gần chùa chôn các tử sĩ samurai Ông bèn dùng bút lông vẽ bùa lên người Hoichi làm cho Hoichi "tàng hình" trước các hồn ma Đêm sau, hồn ma samurai trở lại tìm Hoichi để đánh tiếp trường ca cho vị Tướng Quân nghe Nhưng hồn ma không thấy Hoichi mà thấy cái tai người lơ lửng qua lại không trung Tìm không Hoichi, hồn ma giận tuốt gươm cắt đứt cái tai Cái tai rớt xuống đất, máu tuôn xối xả Hóa ra, cái tai đó chính là tai Hoichi mà vị hòa thượng đã bỏ sót quên vẽ bùa ngày hôm trước Những dòng chữ ngoằn ngoèo bùa chú câu chuyện ma quái Nhật Bản, chuyện hình, tàng hình cổ tích thần thoại, cái áo choàng Harry Potter hay là "người vô hình" tiểu thuyết H G Wells phản ánh cái khát vọng sở hữu khả biến hóa thần thông người Những sản phẩm tàng hình viễn tưởng có tác dụng ngược, trở thành nỗi ám ảnh thường trực, mục tiêu nhắm đến các nhà khoa học Liệu đây giới hạn cho phép các quy luật vật lý, có vật liệu nào phủ lên làm cho ta hoàn toàn đến không thấy bóng hình, không để lại dấu chân, và cho người phương tiện làm thỏa mãn giấc mơ ngàn đời? Theo các thành nghiên cứu 10 năm qua, siêu vật liệu có câu trả lời khẳng định Cũng giống vật liệu hấp thụ radar, tác động sóng điện từ hiệu ứng tàng hình cho thấy việc thiết kế siêu vật liệu phải đặt trọng tâm vào điện tính (được diễn tả độ điện thẩm) và từ tính (được diễn tả độ từ thẩm) Lý thuyết hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu đã nhen nhúm qua liên hệ tư vấn Pendry và công ty Marconi Materials Technology Từ cái siêu thấu kính có chiết suất âm và "vùng trời tự do" cho phép thiết kế siêu vật liệu có độ từ thẩm và điện thẩm trị số, Pendry tung tuyệt chiêu khác Năm 2006, ông và các cộng thảo luận khả liên quan đến hiệu ứng tàng hình là có phương pháp nào, ít trên mặt lý thuyết, người ta có thể uốn nắn theo ý muốn mình đường sóng điện từ không gian đặc biệt nào đó Không gian đặc biệt này thực là siêu vật liệu Pendry và các cộng xuất phát từ ý tưởng đơn giản và đã chứng minh uốn cong trường điện từ có thể thực phương pháp chuyển đổi tọa độ (coordinate transformation) [25-26] Nghĩa là, theo quan điểm toán học nơi đường sóng bị uốn cong thì tọa độ bị chuyển hướng, và hệ tọa độ họ suy diễn trị số độ từ thẩm và độ điện thẩm cho phương trình sóng Maxwell thỏa mãn Như thế, Pendry đã sáng tạo phương pháp gọi là "quang học chuyển đổi" (transformation optics) Phương pháp này giúp ta tìm trị số độ từ thẩm và độ điện thẩm thích ứng, hay nói khác trị số chiết suất cần thiết để dẫn dụ uốn cong đường sóng điện từ môi trường siêu vật liệu Kết Pendry và các cộng cho thấy siêu vật liệu phủ (cloak) lên vật, sóng điện từ (hay ánh sáng) thay vì theo đường thẳng đâm sầm vào mục tiêu gây phản xạ, nhiễu xạ ta thường biết thì bây bị uốn cong lớp phủ, vòng theo ngoại vi vật phủ, giống giòng nước nhẹ nhàng chảy vòng quanh khối đá nhô lên dòng suối (Hình 13) [25] Một siêu vật liệu chế ngự đường sóng điện từ trên thực chất đã "đánh lừa" luồng sóng để nó phải vòng mục tiêu và không có luồng sóng nào bị phản xạ trở lại người quan sát Mục tiêu mà người ta muốn soi mói nhìn vào, bây bị tàng hình và hoàn toàn "trong suốt" Hình 13: Đường sóng điện từ siêu vật liệu: (A) Biểu hai chiều, vật bị phủ là cầu tròn có bán kính R1, và lớp phủ có bề dày (R2-R1) và (B) Biểu ba chiều Lý thuyết "quang học chuyển đổi" Pendry và các cộng là lý thuyết suông không có cộng tác tiến sĩ David Smith; nhà thực nghiệm tài ba Duke University (Mỹ) và đã là thành viên nhóm nghiên cứu San Diego Thực theo lý thuyết Pendry và dựa theo kinh nghiệm chế tạo vật liệu chiết suất âm trước [20], cặp bài trùng Pendry-Smith cùng với các nghiên cứu sinh chế tạo siêu vật liệu mà đơn vị cấu trúc là vòng hở cộng hưởng kim loại đồng với kích thước dần Lop11.com (19) dần biến đổi vị trí khác để chiết suất biến đổi theo yêu cầu hiệu ứng tàng hình [27] Với siêu vật liệu này, họ đã chứng tỏ thực nghiệm luồng vi ba "ngoan cố" bị uốn và bắt buộc phải vòng quanh bề mặt (một vật hai thứ nguyên) và vì không bị phản xạ; trên thực chất vật này đã tàng hình sóng vi ba Nhìn lại, siêu vật liệu thật là "siêu" Khi vật chất đồng nước, không khí, thủy tinh có trị số chiết suất định, thì siêu vật liệu không có thể có chiết suất âm mà còn là tập hợp mảnh khảm (mosaic) quang học đẹp tuyệt vời mang trị số chiết suất khác theo định người Khả dùng siêu vật liệu phủ lên vật khiến vật tàng hình sóng vi ba lần đầu tiên đã chứng minh thí nghiệm Bài viết vỏn vẹn ba trang giấy nhóm Pendry-Smith trên tạp chí Science [27] thực làm chấn động cộng đồng nghiên cứu quang học và điện từ học là giới nghiên cứu khoa học quân Như đã đề cập phần trên, tương tác với sóng điện từ đòi hỏi kích cỡ các đơn vị cấu trúc siêu vật liệu phải nhỏ bước sóng sử dụng Bước sóng sóng vi ba radar (tần số GHz) có kích thước milimét đến centimét nên việc chế tạo các đơn vị siêu vật liệu có phần dễ dàng Bước sóng ánh sáng thấy vùng nanomét (nm), trải dài từ 380 nm (ánh sáng tím) đến 700 nm (ánh sáng đỏ) Nếu muốn hiệu ứng tàng hình xảy vùng ánh sáng thấy cái choàng Harry Potter thì ta cần thiết kế đơn vị cấp nanomét Điều này đòi hỏi kỹ chế tạo vật chất, phận hay cấu trúc chính xác cấp nanomét và còn là thử thách to lớn các nhà nghiên cứu nano Hình 14: Thứ tự từ trái sang phải Hình trái: vật tròn nhìn thấy Hình giữa: vật tròn phủ kín siêu vật liệu Hình phải: Vật tròn tàng hình nhờ lớp phủ (Credit: Thomas Zentgraf) Nhóm Zhang còn có tham vọng triển khai siêu vật liệu cho sóng âm (acoustic wave) Hãy tưởng tượng ngày nào siêu vật liệu âm phủ lên tàu ngầm, các luồng sóng âm phát từ sonar [32] đối phương trượt lên thân tàu mà không bị phản hồi Sóng mà không trở lại; sonar trở nên vô hiệu Các đề án và tiến triển nghiên cứu lĩnh vực này nhóm Zhang khiến các chiến lược gia và chuyên gia tàu ngầm Mỹ không dấu niềm hân hoan lẫn cảm phục Nghe đâu, DARPA chi đẹp, sẵn sàng vung tay cung cấp vài trăm triệu đô la cho đề án nhóm Pendry, nhóm Smith và nhóm Zhang, chưa kể nhiều kinh phí linh tinh khác các viện trợ trọn gói quốc tế từ Bộ Khoa học Trung Quốc Bằng phương pháp cải biến đơn vị cấu trúc thích hợp cho sóng điện từ tần số, hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu đã thí nghiệm chứng minh là khả thi vùng sóng vi ba đến vùng lân cận ánh sáng thấy "Quang học chuyển hướng" đã khởi động đợt sóng thần, các liệu thực nghiệm xuất ào ạt đê vỡ Cứ theo đà phát triển này thì cái áo choàng tàng hình tương lai các nhà khoa học siêu việt cái choàng Harry Potter Người mặc có phép thần "hô biến" trên vùng sóng rộng lớn từ vi ba đến vùng ánh sáng thấy được! Giả dụ có người mặc cái áo choàng phủ lớp siêu vật liệu tàng hình thì anh này không thấy cảnh vật xung quanh vì ánh sáng không thể xuyên qua áo Trước mắt là màu đen Như vậy, phải khoét lỗ cái áo choàng chừa cặp mắt để nhìn thấy xung quanh Anh ta tàng hình trừ cặp mắt lơ lửng không gian qua lại cái lỗ tai Hoichi! Đã có người lo ngại nên để kỹ thuật này lọt vào tay tên đạo chích hay tệ hại thành phần khủng bố cực đoan Tuy nhiên, chúng ta vội lạc quan vì việc chế tạo cái áo choàng trên tuyệt vời áo Harry Potter cần thời gian dài tương lai xa chưa thể dự liệu Và các thí nghiệm tàng hình siêu vật liệu, vật bị tàng hình có kích thước nhỏ cấp micromét (1/1.000 mm) Để làm người tàng hình, triệu lần to hơn, hay máy bay, tỷ lần to hơn, chắcLop11.com chắn còn nhiều gian nan (20) 10 Và… ý kiến đối nghịch Trong lịch sử khoa học xuất lý thuyết đột phá thường gây tranh cãi kéo dài hàng chục năm đôi kỷ chân lý chấp nhận Thuyết lượng tử và thuyết tương đối là thí dụ điển hình Siêu vật liệu không là ngoại lệ Trong mục đích tìm chân lý, hoài nghi, tranh luận, biện luận, phê bình, tự phê bình là tư cần thiết nhà khoa học và là mặt lành mạnh bất khả phân nghiên cứu khoa học Việc chế ngự và uốn nắn đường sóng điện từ siêu vật liệu cho thấy tượng kỳ lạ và đã gây nhiều tranh luận thú vị chí gay gắt các hội thảo khoa học phe "khẳng định" và phe "phủ định" Liệu các liệu thực nghiệm siêu vật liệu có phải là dạo khúc cho việc sửa đổi lại lý thuyết kinh điển và cải biên tất thư tịch liên quan đến quang học và điện từ học, hay chúng là hội chứng "công bố hay là chết tiệt" (publish or perish) với mục đích kiếm tiền kinh phí nghiên cứu các khoa học gia? Giáo sư Ben Munk (Ohio State University, Mỹ), lão làng nghiên cứu điện từ và chuyên gia tàng hình học, là người triệt để phản đối vật liệu có chiết suất âm Ông không tin hữu vật liệu có độ từ thẩm và độ điện thẩm đồng thời cùng âm Những phản biện ông viết thành sách có nhan đề "Metamaterials: Critique and Alternatives" (Siêu vật liệu: Phê phán và Cách nhìn khác) [33] Munk truy nguyên bài báo cáo Veselago [17] và cho lý thuyết Veselago đúng trên phương diện toán học khiếm khuyết (deficiency) trên phương diện vật lý vì lý luận Veselago hàm chứa biến số thời gian có trị số âm Nếu có chiết suất âm thì thời gian âm Ông hóm hỉnh bảo ông đã hưu cho nên thời gian có âm thì ông muốn xin khoảnh thời gian đó để cái diễm phúc "cải lão hoàn đồng" ngược dòng thời gian tìm lại chút xuân xanh! Theo ông, giấc mơ Veselago là giấc mơ, gian này không có siêu thấu kính chiết suất âm Đương nhiên, ông công kích lý luận và đề nghị Pendry, hệ luận Veselago, cách thiết kế vật liệu chiết suất âm mà nhóm San Diego đã thực [22] Cái mà nhóm San Diego gọi là sóng khúc xạ và từ đó tính trị số chiết suất -2,7 cho cấu trúc mang các vòng hở cộng hưởng và đường thẳng (Hình11) chẳng qua là nhầm lẫn Theo Munk, sóng đó không phải là sóng khúc xạ mà là xạ sóng bề mặt (surface wave), đặc trưng cấu trúc có trình tự xếp định bao gồm cấu trúc nhóm San Diego Cho đến (2010) người viết không tìm thấy phản biện nào từ phe "khẳng định", là từ chuyên gia đầu ngành Pendry hay Smith, phê bình Munk và đó liệu thực nghiệm siêu thấu kính và hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu ào ạt dòng thác liên tục xuất trên các tạp chí khoa học Tiếng nói Munk có phần đơn độc ông muốn trì chất lượng cho khoa học chính thống (good science), phá tan tâm lý bầy đàn cùng hùa chạy hướng và gióng lên tiếng chuông cảnh báo đến các quan cung cấp kinh phí nghiên cứu cái "chân" và "giả" tượng khoa học Dù đúng hay sai, Munk là "mãnh hổ", hay đúng là "lão hổ" mang tâm hồn chính trực, không ngớt tiếng gầm dòng thác lũ 11 Tàng hình: nhân tố "bách chiến bách thắng"? Năm 1999 trên chiến trường Kosovo (Yugoslavia cũ), "Chim ưng đêm" F-117 bị tên lửa SAM tuyến phòng không quân đội Yugoslavia bắn hạ Bộ tư lệnh không lực Mỹ chẳng màng đến việc giải thích chi tiết vụ việc, dù đây là máy bay công nghệ "cũ kỹ" thập niên 1970, cần chi phải nói nhiều! Nhưng kiện này đã cái gót chân A-sin (Achilles' heel) máy bay tàng hình mà chính phủ Mỹ đã đầu tư hàng trăm tỉ đô la F-117 hay B-2 đại và toàn thể các chiến hạm tàng hình các cường quốc Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Thụy Điển không phải hoàn toàn vô hình trước radar Ở đây, chúng ta cần trở lại tảng các quy luật vật lý xoay quanh phương trình sóng Maxwell Trong toàn thể bài viết này, chúng ta thảo luận sóng radar vùng vi ba có tần số cấp gigahertz (GHz) tương ứng với bước sóng phạm vi milimét và centimét Hình dáng bề mặt phân tán sóng radar và vật liệu hấp thụ radar thiết kế và chế tạo để đối ứng với sóng vi ba Nhờ đó F-117, B-2 có thể bay lả lướt, các chiến hạm tàng hình có thể nhởn nhơ lướt sóng vùng vi ba vào chỗ không người mà không sợ bị phát Nhưng, hệ thống radar phát sóng băng tần megahertz (MHz) với bước sóng tương ứng đơn vị mét, tình hình hoàn toàn đổi khác Trong các công thức toán học diễn tả độ phản xạ cuả sóng, tần số (hay bước sóng) Lop11.com (21)