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 [r]
(1)Ý nghĩa vật lý tượng tàng hình
Tàng hình giấc mơ ngàn đời người thể qua nhiều truyện thần thoại tiểu thuyết viễn tưởng thời đại Tàng hình niềm mơ ước chiến lược gia quân 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 khơng cịn sóng phản xạ Kỹ thuật bao gồm việc thiết kế bề mặt để sóng bị tán xạ không quay nguồn quan sát, hay 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 đề tài nghiên cứu lớn hấp dẫn khơng ý gây tranh cãi cộng đồng nghiên cứu khoa học Hơn nửa kỷ qua, nhà khoa học bẻ ngoặt, uốn cong đường sóng điện từ (bao gồm ánh sáng), chí hấp thụ lượng cho mục đích tàng hình Trên vấn đề an ninh quốc gia, kỹ thuật mật quốc phòng lại đứng tảng quy luật vật lý cơng khai Mục đích viết nhằm giải thích quy luật Bài viết khơng liên quan đến kỹ "tàng hình" nhà ảo thuật.
1 Tàng hình: khái niệm nhiều thú vị
"Tàng hình" yếu tố thiếu truyện thần thoại hay tiểu thuyết viễn tưởng từ cổ chí kim, từ Đơng sang Tây Nó xem phép thần thơng khơi dậy tưởng tượng cuả độc giả 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 trị thương nhớ cuồng si, đến nón Perseus nhẫn Gyge thần thoại Hy Lạp mà mang vào có phép màu "hơ biến", hay áo chồng "tàng hình" Harry Potter làm từ vật liệu thần bí tìm thấy tận miền cực Đơng 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 làm loạt phản ứng sinh hóa học biến phân tử tế bào thể ông ta trở nên suốt không khí
Những kiện khoa học viễn tưởng thường dựa nguyên lý khoa học biết, gặp phải tình mà khoa học chưa có câu trả lời tác giả thả hồn vào tưởng tượng riêng tùy tiện định đoạt hướng tương lai khoa học cốt cho thích hợp với diễn biến câu chuyện tiểu thuyết Lối suy diễn nhiều có gắn bó với tri thức khoa học khỏi khung thơ thiển câu chuyện thần thoại Sự liên hệ viễn tưởng khoa học chừng mực định trao đổi hai chiều Các nhà khoa học hào hứng trước kiện viễn tưởng, định luật khoa học vành đai bó buộc tư họ phải vào khn phép Có nhiều phát minh nhân loại cách vơ tình hay cố ý hữu tiểu thuyết viễn tưởng trước chúng thực Jules Verne viết máy in fax, tàu ngầm, tàu vũ trụ, thám hiểm cung trăng có trăm năm trước kiện thực hữu hay phát minh Cái thang trời leo lên tận mây xanh hay việc thuộc địa hóa hành tinh chất liệu viễn tưởng người thực Tàng hình ảo thuật phạm trù "bí mật" có người hành nghề giao ước với để bảo mật quy luật hay kỹ xảo nghề nghiệp Khơng ảo thuật gia làm khán giả thán phục sửng sốt họ biến xuất nơi khác hay làm "tàng hình" ngun 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 phạm trù bí mật khơng muốn nói cực mật an ninh quốc gia Nhưng tượng tàng hình áp dụng quân khơng vượt ngồi 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 tài sản chung loài người không thuộc ai, hiển nhiên rõ ràng Tuy nhiên, kỹ xảo nghề nghiệp ảo thuật gia, tàng hình quân "kỹ xảo" làm nên vật liệu tàng hình hiệu chúng mật quốc gia.
(2)khơng thấy ta! Ngụy trang hịa hợp màu sắc với mơi trường xung quanh xem cách tàng hình dù thơ sơ Thí dụ việc hóa trang mặc áo đen đêm, mặc áo trắng dật dờ tuyết hay áo rằn ri luồn lách bụi rậm (Hình 1) Thiên nhiên làm điều từ ngàn xưa Một số loài động vật, loài cá chí trùng 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 đỉnh cao việc thay đổi hòa hợp màu sắc với cỏ
Hình 1: Người "tàng hình" sơn đứng cạnh bánh xe trưóc (Credit: Liu Bolin).
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 phịng tắt vật "tàng hình" khơng 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 (absorption) (Hình 2)
(3)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 khơng cịn 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 3) Đây thường thức lại phương pháp tạo dáng cho máy bay tàu chiến tàng hình Từ kết ta thấy vật thể nối kết cách hợp lý từ mặt phẳng vật có khả làm phản xạ sóng radar xa người quan sát vật thể hình cầu
Hình 3: 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
Radar công cụ hiệu để định vị, nhận dạng truy tìm máy bay tàu bè tầm xa Sóng radar dùng quân dân thường sóng vi ba có hành xử chất ánh sáng, sóng điện trường khác tần số (hay bước sóng) Đó loại sóng điện từ mà ta dùng lị 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 gọi vật liệu tàng hình Cuối cùng, vật liệu làm chấn động cộng đồng nghiên cứu khoa học có tên "siêu vật liệu"
(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 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)
2 Hình dạng vật thể tiết diện radar
Thiết bị radar phát sóng điện từ 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 sóng bật lại phản xạ Làn sóng phản xạ ghi nhận đài thu sóng từ người ta định vị nhận dạng mục tiêu Trên hình radar trạm thu sóng, sóng phản xạ cho biết độ lớn mục tiêu Thuật ngữ chuyên môn độ lớn "tiết diện radar" (radar cross section) Nếu mục tiêu vật thể làm từ vật liệu giống đương nhiên độ lớn vật to tiết diện radar to
Sự đời radar Thế Chiến thứ mang đến nhiều ứng dụng dân lẫn quốc phòng Trong ứng dụng dân tiết diện radar to điều kiện cần thiết để theo dõi giám sát máy bay hành khách hay thương thuyền biển khơi Ngược lại, ứng dụng quân để tránh sóng radar truy lùng đối phương, máy bay chiến hạm phải có tiết diện radar nhỏ thuận lợi Từ nhu cầu lẩn tránh mắt thần phe địch, ngày khai sinh radar 60 năm trước ngày khai sinh kỹ thuật tàng chiêu thức hóa giải radar Kỹ thuật bao gồm nhiều nghiên cứu lý thuyết tác động sóng điện từ lên bề mặt vật chất nhằm tối ưu hoá 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, ta thực "hơ biến" hình radar đối phương!
(5)Những có kinh nghiệm đầu tư địa ốc biết ba điều tâm niệm vàng ngọc mua nhà đất "địa điểm", "địa điểm" "địa điểm"; việc tạo dựng máy bay tàu chiến tàng hình nhà khoa học kỹ sư thiết kế có ba chiến lược quan trọng "hình dáng", "hình dáng" "hình dáng"! Việc tạo dáng để giảm thiểu sóng phản xạ radar điều kiện tiên kỹ thuật tàng hình yếu tố tàng hình khác "hạ hồi phân giải" Thí dụ gương phẳng gương hình cầu bên cho ta khái niệm thiết kế Mặt phẳng với độ nghiêng thích hợp phản xạ sóng radar xa người quan sát (tức nguồn phát radar) mặt cầu phản xạ trở lại người quan sát (Hình 3) Thí dụ dễ hiểu đưa kết quan trọng 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 hình dạng đơn giản mặt phẳng, hình cầu, hình trụ, hình nón, hình khối Vật thể phức tạp máy bay, tàu bè, xe hơi, người, thú vật, chim muông, chí trùng, lùm bụi, cỏ Sự phản hồi sóng radar từ vật thể khơng phải đơn phản xạ mà bao gồm nhiễu xạ (diffraction) đỉnh nhọn, đường mép vật thể Định lượng sóng phản hồi radar rắc rối hình thể mục tiêu quan sát phức tạp người ta cần có mơ hình tốn học tinh vi lập trình vi tính thích hợp để tìm đáp án Và đáp án mong muốn đơn giản 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 Petr Ufimtsev tạo mơ hình tốn học để tính tốn phản xạ, nhiễu xạ tán xạ (scattering) sóng điện từ từ vật thể làm nên mặt phẳng với độ nghiêng khác Thập niên 60 điểm cao chiến tranh lạnh, phủ Liên Xơ lập nhiều tầng kiểm sốt để bảo mật tài liệu nhạy cảm có liên quan nhiều đến an ninh quốc gia Nhưng thật không ngờ mô hình tốn học Ufimtsev cho phép cơng bố rộng rãi Liên Xơ tồn giới Sự sơ hở xảy có lẽ Ufimtsev nhà vật lý trẻ tuổi vơ danh mơ hình tốn ơng "cây đa, đề" nhà cầm quyền Liên Xô đánh kết nghiên cứu chung chung khơng có giá trị quốc phịng lẫn kinh tế
Như báu vật từ trời rơi xuống, báo cáo dịch từ tiếng Nga sang tiếng Anh chuyên gia hãng hàng không Lockheed (Mỹ) có mắt tinh đời nhanh tay vồ lấy mơ hình này, từ triển khai thành lập trình vi tính mang tên Echo để tìm lời giải cho mơ hình Ufimtsev tính tốn tiết diện radar máy bay làm từ mặt phẳng Những tính tốn cho thấy vật to khơng thiết cho tiết diện radar to ta biết xếp bề mặt làm giảm thiểu phản hồi sóng radar Năm 1975, chuyên gia Lockheed tìm thiết kế tối ưu cho máy bay tàng hình có tiết diện radar nhỏ luồng sóng tới radar bị tán xạ xa người quan sát Chỉ vài năm sau, không quân Mỹ cho chào đời chiến đấu F-117 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)
(6)(b)
Hình 5: (a) F-117 Nighthawk với mặt phẳng origami (b) B-2 Spirit với rìa cánh tròn tránh nhiễu xạ và thân máy bay tối ưu hóa cho hiệu khí động lực học hiệu ứng tàng hình (Nguồn: Wikipedia). Khơng thiếu 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 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 kiện khoa học lạnh lùng 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 hình dạng đem lại ưu khí động lực học cho việc thao tác, đảo lượn gia giảm vận tốc
(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 cịn tiến thêm bước làm tiết diện radar vật thể nhỏ Vấn đề câu chuyện cũ xoay quanh việc giảm thiểu lý tưởng 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 sóng phản xạ giảm thiểu hay hồn tồn triệt tiêu Kim loại tính dẫn điện cao phản xạ gần 100 % sóng radar Bởi đặc tính nhẹ, tính bền dễ gia cơng, nhơm vật liệu thích hợp cho việc chế tạo loại máy bay, thép dùng cho tàu bè Như vậy, khơng có bề mặt đặc thù lớp sơn tàng hình máy bay hay chiến hạm có tiết diện radar lớn "Pháo đài bay" B-52 gầm thét bầu trời Việt Nam với lối thả bom rải thảm năm chiến tranh khốc liệt trường vùng Vịnh, thực máy bay bình thường đỗi "thật thà" khơng trang bị phương tiện "giả dối" để tàng hình Nếu đánh giá theo quan điểm tàng hình địi hỏi đặc tính giống "ninja" mờ mờ ảo ảo với hành xử im lìm "xuất quỷ nhập thần" B-52 kẻ đội sổ! Chiếc máy bay ném bom người Mỹ liệt kê vào hạng máy bay chiến thuật (tactical) vật thể biết bay cao khơng biết ẩn hình, vừa ồn vừa to xác lấy sức mạnh đè người B-52 có chiều ngang đôi cánh 56 m (máy bay tàng hình B-2: 52 m) chiều dài 50 m (B-2: 21 m) Kích thước B-52 B-2 coi ngang tiết diện radar B-52 có độ lớn 100 m2 so với B-2 0,1 m2 (1000 lần nhỏ hơn) F-117 nhỏ có trị số 0,025 m2 (4.000 lần nhỏ hơn) Trên hình radar, B-2 hay F-117 có tiết diện tương đương với lồi chim [1]
3 Vật liệu hấp thụ radar
(8)Sóng radar thường nằm vùng vi ba (microwave) có tần số từ – 18 GHz phổ điện từ (Hình 4) Ở tần số bước sóng có chiều dài từ milimét đến vài centimét Để hiểu rõ phản xạ, truyền xạ hấp thụ sóng điện từ, ta khơng cần tưởng tượng mơng lung xa vời mà nhìn lị vi ba khiêm tốn nhà bếp Lị phát sóng tần số 2,45 GHz (bước sóng: 12,2 cm) tần sóng "anh em" radar Ở tần số nước thức ăn thịt cá, rau cải hấp thụ lượng vi ba biến thành nhiệt Kim loại 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 đề cập trên, vi ba truyền xạ qua thủy tinh lọt ngồi Để có an tồn, người ta dùng vách kim loại với lỗ nhỏ có đường kính vài milimét nhỏ bước sóng vi ba (12,2 cm) Nó vừa tường ngăn chặn rị rỉ vi ba vừa cửa sổ quan sát Thí dụ cho thấy phản xạ từ bề mặt kim loại 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 làm quân đội Đức quốc xã nhiều phen điêu đứng chiến đấu loại nhỏ có tên Mosquito (Con muỗi) Những "Con muỗi" bay nhanh, oanh tạc xác làm đối phương điên đầu radar phịng khơng Đức khơng nhìn thấy Mosquito! Những trận quân chiến thắng Mosquito trở thành huyền thoại Thế chiến thứ niềm tự hào khơng qn Hồng gia Anh Các chiến tích tự hào dựa kiện đỗi khiêm tốn đơn giản thân chiến đấu "Con muỗi" chế tạo ván ép (plywood) So với kim loại, gỗ vật liệu phản xạ sóng radar tồi "tồi tệ" mà radar quân Đức không phát kịp thời lượt cơng "muỗi"
Sự thành cơng ngồi dự tưởng chiến đấu Mosquito ngẫu nhiên cố ý Ngẫu nhiên chiến trường trở thành điều may mắn cho nhân loại Trên luận điểm khoa học ngẫu nhiên cách gián tiếp cho thấy điều hiển nhiên người ý phản xạ sóng radar khác nhơm gỗ Người Anh khơng có ý định chế tạo "Mosquito" loại máy bay tàng hình Trong lúc nhơm vật liệu tuyệt vời chế tạo máy bay, việc sử dụng ván ép thật ý tưởng lạ lùng, kéo lùi lại kỹ thuật thiết kế thân máy bay trở lại thuở ban sơ cơng nghệ hàng khơng, khan nhôm thời chiến họ phải dùng gỗ để thay Gần 8.000 Mosquito chế tạo sử dụng Thế chiến thứ
Sự khác gỗ nhôm chứng minh tương tác sóng điện từ vật liệu qua tượng phản xạ, truyền xạ, hấp thụ, nhiễu xạ khúc xạ tùy thuộc vào điện tính từ tính vật liệu Điều thật chất sóng điện từ, tên diễn đạt qua phát nhà vật lý học James Maxwell, hôn phối hạnh phúc điện trường 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 lưỡng cực trở nên cực đại có cộng hưởng xảy tần số tùy vào đặc tính vật chất Sự cộng hưởng đưa đến hấp thụ lượng sóng tối đa tần số tan biến thành nhiệt ta thấy nước thức ăn lò vi ba tần số 2,45 GHz Mặc dù hấp thụ sóng, ta thấy, tượng xảy thang phân tử, người ta thiết lập công thức đơn giản để đo độ phản xạ hấp thụ sóng điện từ bề mặt loại vật liệu bước sóng (tần số) khác dựa vào phương trình sóng điện từ tiếng Maxwell
(9)Sự vĩ đại phương trình Maxwell khai minh loạt kiện khoa học mang tính đột phá có tầm vóc thời đại như: (1) thống điện trường từ trường, (2) thống loại sóng, (3) ánh sáng sóng điện từ (4) đặt tảng định lượng để lý giải tương tác sóng điện từ vật chất Trong sống đại, người "tắm" sóng điện từ Khơng gian sinh hoạt tràn ngập sóng radio cho việc truyền thanh, truyền hình, sóng radar, sóng vi ba, sóng điện thoại đương nhiên ánh sáng, tia hồng ngoại tử ngoại từ mặt trời Nếu khơng có phương trình sóng Maxwell có lẽ khơng có thiên văn học đại khơng có cơng cụ viễn thơng từ đài thu phát sóng khổng lồ, tháp ăng-ten cao ngất ngưởng đến điện thoại di động nhỏ bé Nó tạo cách mạng phương thức liên thông người đồng loại mà nối kết người với vũ trụ bao la Trở lại sườn gỗ Mosquito Gỗ dùng thành công cho chiến đấu Mosquito, gỗ tán xạ 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 nguyên lý thô sơ 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 số tùy theo điện tính, từ tính vật liệu tần số sóng Điện tính biểu qua độ dẫn điện hay độ điện thẩm (permitivity) từ tính biểu độ từ thẩm (permeability) [2] (Phụ lục a) Uy lực phương trình Maxwell tỏa sáng cơng thức độ phản xạ vùng sóng radar (tần số - 18 GHz) cho thấy sóng radar phản xạ gần 100 % từ bề mặt kim loại
Sau Thế Chiến thứ chun gia tàng hình học khơng ngừng nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar Hịa bình trở lại giới lại chìm đắm chiến tranh lạnh nhu cầu "nhìn trộm" lẫn thúc đẩy việc chế tạo chiến máy bay trinh sát phủ lớp sơn hấp thụ radar bay thật cao để tránh radar đối phương Từ công thức định lượng độ phản xạ, nhà khoa học tính độ dẫn điện (qua độ điện thẩm) từ tính (độ từ thẩm) vật liệu thích hợp cho việc hấp thụ vùng vi ba (tần số đến 18 GHz) Họ xác nhận 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 - 10 mm Những vật liệu 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 làm gia tăng trọng lượng vật thể phủ đáng kể Yếu tố gây nhiều điểm bất lợi tính bền sơn việc giảm trọng lượng thân máy bay, tàu thủy lúc nguyên lý hàng đầu thiết kế cơng nghệ Ngồi ra, lớp sơn hấp thụ radar tần số, không may tần số radar đối phương nằm tần số hấp thụ lớp sơn vơ hiệu Kết ta mắc lưới radar, tầm nhìn phe địch vận mệnh ta nằm bàn tay lông đối
phương đáng sợ!
Sự đời sợi carbon (carbon fibres) vào thập niên 60 kỷ trước tạo composite có chất polymer sợi carbon vừa nhẹ vừa bền cho 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 vật liệu cấu trúc vừa vật liệu tàng hình Khơng có ngạc nhiên composite sợi carbon ứng viên sáng giá tất vật liệu cho chế tạo máy bay, tàu chiến tàng hình đại
Trong ứng dụng thực tiễn, vật liệu lý tưởng cho việc hấp thụ radar cần lúc ba điều kiện bền, nhẹ hấp thụ thật nhiều băng tần thật rộng (tương phản với tần số) Như vậy, nhà khoa học giải vấn đề nào? Chúng ta vào phần
4 Polymer dẫn điện
(10)lượng sóng radar, khả điều chỉnh độ dẫn điện đưa đến việc hấp thụ sóng tần số khác nhau, hay biến vật liệu giả đị "ngu si" phản xạ sóng radar, cần thiết trở lại chức "thơng minh" cố hữu, hấp thụ sóng radar Các chiến lược chiến thuật chiến tranh tập hợp "giả dối" "đánh lừa", polymer dẫn linh hoạt phương diện
Đặc điểm polymer dẫn 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, hấp thụ lượng sóng phát nhiệt [5] Ngồi ra, ta cần 2% polypyrrole (một loại polymer dẫn điện thông dụng) trộn vào lớp cao su hay lớp sơn dày 2,5 mm hỗn hợp hấp thụ 90% lượng vi ba băng tần 12 - 18 GHz [6-7] Một loạt polymer dẫn điện với cấu trúc hóa học khác polyaniline, polythiophene
poly(phenylene vinylene) cho hiệu ứng tương tự tần số radar thích hợp Một đặc điểm khác polymer dẫn điện hai dạng: (1) dạng trung tính cách điện (2) dạng dẫn điện kết nạp với dopant A Polymer dẫn đặt bình điện giải thay đổi điện áp bình, hai dạng chuyển hốn 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; khơng có 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 khơng 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, khơng 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 khơng phải linh kiện thích hợp cho thiết kế máy bay hay tàu tàng hình
(11)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 khơng tìm thấy tư liệu nói đến việc triển khai polyaniline dạng ống áp dụng tàng hình
5 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 cơng bố hấp thụ radar hạt nano Khi kích thước vật liệu thu nhỏ diện tích bề mặt tồn 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 tốn đơn giản, ta biết diện tích bề mặt cuả tồn 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 khơng nằm ngồi ngun 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 cơng 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 khơng khí phần đầu, phần 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
6 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 ngồi 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 khơng chịu thua, vừa tìm cách trốn 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
(12)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] Khơng thế, sóng radar đối phương chuyển sang tần số khác hệ thống cịn 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 nhịa 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)
Hình 8: Hệ thống vật liệu hấp thụ radar biết ứng biến (DARAM) và cảm ứng xác nhận tần số sóng tới.
(13)là 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! Khơng có dịng 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 khơng tìm thấy báo cáo đề tài sau viết năm 2004 [14]
7 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 đốn 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 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 tồn 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
(14)Như 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 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 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 mơ vịng kim loại có khe hở [16] [Hình 9] Hình dáng, kích thước cách xếp đơn vị tính tốn 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) Vịng kim loại đồng có khe hở kích cỡ milimét, (b) Cứ sáu vịng 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 khơng thể "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 "khơng hay biết" Đối với ánh sáng thấy (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế địi hỏi kỹ cơng nghệ nano với xác cấp nanomét
Siêu vật liệu có lẽ khơng xuất khơng có 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 khơng có 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? Ơng phát biểu tính tốn 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 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 đốn báo cáo Veselago nằm im lìm 30 năm qua xó xỉnh đầy bụi lơi ánh sáng Lý luận ơng 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
(15)kia có chiết suất khác đường ánh sáng bị khúc xạ mặt tiếp giáp Đó tượng thường thấy tia sáng từ khơng 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 mơi trường có chiết suất dương chiết suất âm
Hình 10a: Nguyên lý khúc xạ ánh sáng (a) môi trường chiết suất dương (b) mơi trường chiết suất âm
Hình 10b: Khúc xạ chất lỏng có chiết suất dương (hình trái) chất lỏng giả tưởng có chiết suất âm [18]
(16)Hình 11: Siêu vật liệu hay vật liệu có chiết suất âm Đơn vị cấu trúc (Hình 9) lắp ráp thành một hệ thống lập thể có trình tự định với vịng đồng có khe hở cho độ từ thẩm âm sợi dây đồng
cho độ điện thẩm âm vùng vi ba.
Độ điện thẩm âm diện số vật liệu độ từ thẩm âm điều có Vật liệu có đồng thời hai trị số âm có chiết suất âm theo ý tưởng Veselago, lại hoi khơng nói 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 kích thước vịng kim loại đồng để tạo độ từ thẩm âm Ông cộng đề nghị vịng kim loại có khe hở cộng hưởng tạo độ từ thẩm âm tác dụng với sóng điện từ [19] Ông gọi tên đơn vị cấu trúc vịng cộng hưởng hở (split ring resonator) Nhóm nghiên cứu San Diego Đại học California (San Diego, Mỹ) tiếp tục phát huy cấu trúc lần lịch sử khoa học tạo vật liệu có chiết suất âm cơng bố ba báo cáo quan trọng [20-22] Đây cấu trúc lập thể tạo thành vòng kim loại đồng có khe hở in mặt trước sợi đồng theo chiều dọc mặt sau [22] (Hình 11) Khi sóng vi ba tác dụng lên cấu trúc lập thể vịng đồng sản sinh độ từ thẩm âm 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 -2,7 [22]
Cơng trình thực nghiệm nhóm San Diego khẳng định lý thuyết Veselago biến giấc mơ Veselago thành thực Cấu trúc lập thể với kết thí nghiệm nhóm San Diego bước nhảy vọt quang học điện từ học, niềm hân hoan phe "khẳng định" lại mối hoài nghi phe "phủ định" Các nhà khoa học không dễ dàng chấp nhận ngược với trực cảm vốn có, hay đột phá muốn chọc thủng qn tính tư Hồi nghi đặc tính chung nhà khoa học ám kết phát thí nghiệm cịn nhiều việc phải làm nhiều điều phải lý giải nghiêm túc theo quy luật vật lý Nhưng trước đám bụi mù tranh luận lắng đọng có nhiều đề xuất ứng dụng cho siêu vật liệu Vật liệu chiết suất âm mở hàng loạt tiềm cho dụng cụ quang học, điện từ, quang điện tử, sinh học 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 vùng sóng với bước sóng ngắn vùng hồng ngoại ánh sáng thấy - vùng sóng cho người nhiều ứng dụng hữu ích
Dựa theo ý tưởng Veselago, xem siêu vật liệu đóng góp để cải thiện dụng cụ quang học đơn giản nhất: thấu kính
8 Siêu vật liệu siêu thấu kính
(17)Hình 12: Đường ánh sáng qua (a) thấu kính bình thường có chiết suất dương (b) siêu thấu kính có chiết suất âm
Tại gọi "siêu thấu kính"? Thấu kính phận trung tâm dụng cụ quang học từ máy ảnh bình thường, kính hiển vi quang học đến kính viễn vọng thiên văn Dù chế tạo hồn hảo, khơng chứa khuyết tật gây trình sản xuất, thấu kính quang học khơng cho hình ảnh rõ rệt vật quan sát vật có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng Nếu bước sóng ánh sáng trắng 550 nm (nanomét) (trung bình cộng bước sóng ánh sáng tím 400 nm ánh sáng đỏ 700 nm) hình ảnh vật nhỏ 550 nm (độ lớn vi-rút) kính hiển vi quang học bị nhoè nhiễu xạ (diffraction) Tuy nhiên, siêu thấu kính làm từ vật liệu có chiết suất âm khơng bị ảnh hưởng nhoè ảnh nhiễu xạ Điều 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 nhịe nhiễu xạ có đề nghị ứng dụng li-tô quang học (optical lithography) hay tạo vi mạch đến cấp nanomét, sản xuất loại đĩa quang học (DVD, CD) với lượng trữ liệu vài trăm lần nhiều tiềm xử lý liệu ánh sáng máy vi tính hay dụng cụ điện tử Ngồi ra, kính hiển vi có vai trị đặc biệt sinh học Việc quan sát vi-rút, phân tử sinh học DNA, protein kính hiển vi điện tử thường thức, tiếc thay tia điện tử mang lượng cao "giết" phân tử sinh học 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" chìa khóa để giải mã bí mật sinh học trì sống sinh linh tận phân tử Ngày xuất sản phẩm thương trường có lẽ cịn xa, theo Pendry giấc mơ Veselago dứt khoát trở thành thực thập niên trôi qua cho thấy thành đầy kinh ngạc lĩnh vực
9 Siêu vật liệu hiệu ứng tàng hình
Vào mùa thu năm 1943 lúc chiến thứ vào thời kỳ liệt, nhiên nguồn tin bắn từ phe Đồng Minh cho hải quân Mỹ 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 thời gian Thậm chí có số "nhân chứng" cho họ thấy chiến hạm tàng hình phút đồng hồ liền đường di chuyển từ Philadelphia đến Norfolk! Ngày hơm nay, người ta thừa hiểu vận động chiến tranh tâm lý để làm lung lạc ý chí chiến đấu phe Đức quốc xã Đó lời đồn đại, việc chế tạo vật liệu tàng hình trước mắt thịt trần tục "mắt thần" radar, tưởng chừng hữu tiểu thuyết viễn tưởng hay chiến tranh tâm lý, không ngờ vật liệu lý tưởng nằm tầm tay nhà khoa học
(18)Quân thật bãi tha ma gần chùa chơn tử sĩ samurai Ơng dùng bút lơng vẽ bùa lên người Hoichi làm cho Hoichi "tàng hình" trước 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 tai người lơ lửng qua lại khơng trung Tìm khơng Hoichi, hồn ma giận tuốt gươm cắt đứt tai Cái tai rớt xuống đất, máu tn xối xả Hóa ra, tai tai Hoichi mà vị hịa thượng bỏ sót qn vẽ bùa ngày hơm trước
Những dịng chữ ngoằn ngo bùa câu chuyện ma quái Nhật Bản, chuyện hình, tàng hình cổ tích thần thoại, áo chồng Harry Potter "người vơ hình" tiểu thuyết H G Wells phản ánh khát vọng sở hữu khả biến hóa thần thơng người Những sản phẩm tàng hình viễn tưởng có tác dụng ngược, trở thành nỗi ám ảnh thường trực, mục tiêu nhắm đến nhà khoa học Liệu giới hạn cho phép quy luật vật lý, có vật liệu phủ lên làm cho ta hồn tồn đến khơng thấy bóng hình, khơng để lại dấu chân, cho người phương tiện làm thỏa mãn giấc mơ ngàn đời? Theo 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) từ tính (được diễn tả độ từ thẩm)
Lý thuyết hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu nhen nhúm qua liên hệ tư vấn Pendry công ty Marconi Materials Technology Từ siêu thấu kính có chiết suất âm "vùng trời tự do" cho phép thiết kế siêu vật liệu có độ từ thẩm điện thẩm trị số, Pendry tung tuyệt chiêu khác Năm 2006, ông cộng thảo luận khả liên quan đến hiệu ứng tàng hình có phương pháp nào, mặt lý thuyết, người ta uốn nắn theo ý muốn đường sóng điện từ khơng gian đặc biệt Khơng gian đặc biệt thực siêu vật liệu Pendry cộng xuất phát từ ý tưởng đơn giản chứng minh uốn cong trường điện từ thực phương pháp chuyển đổi tọa độ (coordinate transformation) [25-26] Nghĩa là, theo quan điểm tốn học nơi đường sóng bị uốn cong tọa độ bị chuyển hướng, hệ tọa độ họ suy diễn trị số độ từ thẩm độ điện thẩm cho phương trình sóng Maxwell thỏa mãn Như thế, Pendry sáng tạo phương pháp gọi "quang học chuyển đổi" (transformation optics) Phương pháp giúp ta tìm trị số độ từ thẩm 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 cộng cho thấy siêu vật liệu phủ (cloak) lên vật, sóng điện từ (hay ánh sáng) thay theo đường thẳng đâm sầm vào mục tiêu gây phản xạ, nhiễu xạ ta thường biết bị uốn cong lớp phủ, vòng theo ngoại vi vật phủ, giống giòng nước nhẹ nhàng chảy vịng quanh khối đá nhơ lên dịng suối (Hình 13) [25] Một siêu vật liệu chế ngự đường sóng điện từ thực chất "đánh lừa" luồng sóng để phải vịng mục tiêu khơng có luồng sóng bị phản xạ trở lại người quan sát Mục tiêu mà người ta muốn soi mói nhìn vào, bị tàng hình hồn tồn "trong suốt"
Hình 13: Đường sóng điện từ siêu vật liệu: (A) Biểu hai chiều, vật bị phủ cầu trịn có bán kính R1, lớp phủ có bề dày (R2-R1) (B) Biểu ba chiều.
(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 chứng tỏ thực nghiệm luồng vi ba "ngoan cố" bị uốn bắt buộc phải vòng quanh bề mặt (một vật hai thứ ngun) khơng bị phản xạ; thực chất vật tàng hình sóng vi ba
Nhìn lại, siêu vật liệu thật "siêu" Khi vật chất đồng nước, khơng khí, thủy tinh có trị số chiết suất định, siêu vật liệu khơng có chiết suất âm mà cịn 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 chứng minh thí nghiệm Bài viết vỏn vẹn ba trang giấy nhóm Pendry-Smith tạp chí Science [27] thực làm chấn động cộng đồng nghiên cứu quang học điện từ học giới nghiên cứu khoa học quân Như đề cập phần trên, tương tác với sóng điện từ địi hỏi kích cỡ 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 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 chồng Harry Potter ta cần thiết kế đơn vị cấp nanomét Điều đòi hỏi kỹ chế tạo vật chất, phận hay cấu trúc xác cấp
nanomét thử thách to lớn nhà nghiên cứu nano
Hình 14: Thứ tự từ trái sang phải Hình trái: vật trịn nhìn thấy. Hình giữa: vật trịn phủ kín siêu vật liệu
Hình phải: Vật trịn tàng hình nhờ lớp phủ (Credit: Thomas Zentgraf)
(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 kỷ chân lý chấp nhận Thuyết lượng tử thuyết tương đối thí dụ điển hình Siêu vật liệu không ngoại lệ Trong mục đích tìm chân lý, hồi nghi, tranh luận, biện luận, phê bình, tự phê bình tư cần thiết nhà khoa học mặt lành mạnh bất khả phân nghiên cứu khoa học Việc chế ngự uốn nắn đường sóng điện từ siêu vật liệu cho thấy tượng kỳ lạ gây nhiều tranh luận thú vị chí gay gắt hội thảo khoa học phe "khẳng định" phe "phủ định" Liệu liệu thực nghiệm siêu vật liệu có phải dạo khúc cho việc sửa đổi lại lý thuyết kinh điển cải biên tất thư tịch liên quan đến quang học điện từ học, hay chúng hội chứng "công bố chết tiệt" (publish or perish) với mục đích kiếm tiền kinh phí nghiên cứu khoa học gia?
Giáo sư Ben Munk (Ohio State University, Mỹ), lão làng nghiên cứu điện từ chuyên gia tàng hình học, người triệt để phản đối vật liệu có chiết suất âm Ơng khơng tin hữu vật liệu có độ từ thẩm độ điện thẩm đồng thời âm Những phản biện ông viết thành sách có nhan đề "Metamaterials: Critique and Alternatives" (Siêu vật liệu: Phê phán Cách nhìn khác) [33] Munk truy nguyên báo cáo Veselago [17] cho lý thuyết Veselago phương diện toán học khiếm khuyết (deficiency) phương diện vật lý lý luận Veselago hàm chứa biến số thời gian có trị số âm Nếu có chiết suất âm thời gian âm Ơng hóm hỉnh bảo ông hưu thời gian có âm ơng muốn xin khoảnh thời gian để diễm phúc "cải lão hồn đồng" ngược dịng thời gian tìm lại chút xn xanh! Theo ông, giấc mơ Veselago giấc mơ, gian khơng có siêu thấu kính chiết suất âm
Đương nhiên, ơng cơng kích lý luận đề nghị Pendry, hệ luận Veselago, cách thiết kế vật liệu chiết suất âm mà nhóm San Diego thực [22] Cái mà nhóm San Diego gọi sóng khúc xạ từ tính trị số chiết suất -2,7 cho cấu trúc mang vòng hở cộng hưởng đường thẳng (Hình11) chẳng qua nhầm lẫn Theo Munk, sóng khơng phải sóng khúc xạ mà 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 khơng tìm thấy phản biện từ phe "khẳng định", từ chuyên gia đầu ngành Pendry hay Smith, phê bình Munk liệu thực nghiệm siêu thấu kính hiệu ứng tàng hình siêu vật liệu ạt dòng thác liên tục xuất tạp chí khoa học Tiếng nói Munk có phần đơn độc ơng muốn trì chất lượng cho khoa học thống (good science), phá tan tâm lý bầy đàn hùa chạy hướng gióng lên tiếng chng cảnh báo đến quan cung cấp kinh phí nghiên cứu "chân" "giả" tượng khoa học Dù hay sai, Munk "mãnh hổ", hay "lão hổ" mang tâm hồn trực, khơng ngớt tiếng gầm dịng thác lũ
11 Tàng hình: nhân tố "bách chiến bách thắng"?
Năm 1999 chiến trường Kosovo (Yugoslavia cũ), "Chim ưng đêm" F-117 bị tên lửa SAM tuyến phịng khơng qn đội Yugoslavia bắn hạ Bộ tư lệnh khơng lực Mỹ chẳng màng đến việc giải thích chi tiết vụ việc, dù máy bay công nghệ "cũ kỹ" thập niên 1970, cần chi phải nói nhiều! Nhưng kiện gót chân A-sin (Achilles' heel) máy bay tàng hình mà phủ Mỹ đầu tư hàng trăm tỉ đô la F-117 hay B-2 đại toàn thể chiến hạm tàng hình cường quốc Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Thụy Điển khơng phải hồn tồn vơ hình trước radar Ở đây, cần trở lại tảng quy luật vật lý xoay quanh phương trình sóng Maxwell Trong tồn thể viết này, thảo luận sóng radar vùng vi ba có tần số cấp gigahertz (GHz) tương ứng với bước sóng phạm vi milimét centimét Hình dáng bề mặt phân tán sóng radar vật liệu hấp thụ radar thiết kế chế tạo để đối ứng với sóng vi ba Nhờ F-117, B-2 bay lả lướt, chiến hạm tàng hình nhởn nhơ lướt sóng vùng vi ba vào chỗ không người mà không sợ bị phát
(21)lúc biến số định (Phụ lục a) Quy luật vật lý lúc muốn vây chặt ước muốn người; tàng hình vi ba tiếc thay hình sóng megahertz Nói cách định lượng, tiết diện radar vùng vi ba gia tăng 10 – 100 lần sóng megahertz [34] Loại sóng khơng phải sóng xa lạ sinh hoạt ngày Đó sóng radio, tivi mang đến thoải mái đến cho qua hình nhỏ gia đình hay điệu nhạc êm dịu từ bên bờ đại dương Khi sóng radio sử dụng radar, ta giám sát (surveillance) di động vật thể cách xa hàng ngàn dặm Tuy nhiên khác với vi ba, sóng radio khơng có khả định vị
(locating) xác khoảng cách người quan sát mục tiêu Và nguyên nhân vi ba loại sóng thơng dụng ứng dụng dân lẫn quốc phòng cho việc giám sát định vị lúc Mặt khác, ta nhìn lại cơng thức độ phản xạ vật liệu hấp thụ radar, độ điện thẩm độ từ thẩm, bề dày lớp phủ biến số định độ phản xạ (Phụ lục a) Độ phản xạ thấp bề dày lớp phủ 1/4 bước sóng [7] Trong vùng vi ba, ta cần lớp phủ vài milimét Trong vùng megahertz, bước sóng dài vài mươi đến vài trăm mét việc tạo lớp phủ có bề dày 1/4 bước sóng vài mươi mét việc không tưởng điên rồ!
Như vậy, ý nghĩa tuyệt đối tàng hình chưa nhân tố "bách chiến bách thắng" tùy thuộc vào nhiều điều kiện hồn tồn bị gị ép quy luật vật lý Thiết kế máy bay, tàu chiến tàng hình khơng phải tồn bích Đâu kẽ hở bị lộ diện tai tiểu Hoichi câu chuyện "Quái Đàm" mà radar hay cảm ứng tầm xa đối phương dễ dàng phát Những phương pháp hay vật liệu làm mờ mắt radar tạo bứt phá kỹ thuật kéo dài nhiều vài năm Công nghệ cảm ứng (sensing technology) lúc tạo cảm ứng (sensors) tinh vi, nhạy cảm tận dụng vùng sóng điện từ chưa sử dụng vùng terahertz (THz) nằm vùng vi ba hồng ngoại hay vùng tử ngoại (ultraviolet) Trong đó, nghiên cứu siêu vật liệu trứng nước ứng dụng thực tiễn có lẽ cịn xa vời
12 Lời kết
Những điều trình bày viết dựa báo cáo tư liệu công khai Nhưng phần tảng băng ngầm; cánh cửa sổ nhỏ mở cho ta hội đưa mắt khe khẽ nhìn vào kho báu mật Con người thích đấu trí chinh phục Radar tạo điều kiện cho phát triển kỹ thuật tàng hình, sau lại có kỹ thuật phản tàng hình Một chiêu thức tung khơng sớm muộn bị hóa giải chiêu thức cao hơn, lại bị khống chế chiêu thức khác cao Nghe truyện kiếm hiệp Kim Dung, thật Con người phát sóng truy lùng mục tiêu, người chế ngự đường sóng, chí dặp tắt Cái tuyệt vời tất thao tác tuân thủ theo phương trình Maxwell, q vơ Maxwell cống hiến cho nhân loại Dù cho sóng có nhảy nhót sao, dù người có uốn nắn đường sóng theo giai điệu nào, phương trình Maxwell chuẩn mực bao trùm hành trạng thao tác sóng điện từ May thay, khơng phải cơng thức tốn học đầy ký hiệu khó hiểu, dày đặc số thách thức tư lồi người Nó đơn giản khơng ngờ Những cơng thức dẫn xuất sau này, đứa phương trình Maxwell, định lượng độ phản xạ sóng hay tiên đốn đặc tính điện từ, chiết suất siêu vật liệu biểu toán học đơn giản Rõ ràng, đấu trí "tàng hình" "phản tàng hình", khơng phải lý thuyết phức tạp mà phương thức chế tạo (fabrication) vật liệu, dù vật liệu thiên nhiên hay siêu vật liệu, với kết hợp đa ngành yếu tố định phát triển kỹ thuật tàng hình lơi kéo theo ngành cơng nghệ liên quan, lúc trạng thái động vươn tới bước vạn dặm
Trương Văn Tân
Tháng năm, 2010.
Phụ lục
(22)Ta có lớp phủ có bề dày, d, phủ lên bề mặt kim loại Sóng điện từ di chuyển khơng khí (free space) tác dụng lên bề mặt lớp phủ Sự tương tác gây tổng trở tới (incident impedance), Zin,
bề mặt tiếp giáp khơng khí lớp phủ Zin = Zo(μ/ε)1/2 tanh(γd) (1.1)
Zo tổng trở khơng khí (= 377 Ω), μ độ từ thẩm lớp phủ, ε độ điện thẩm lớp phủ γ là,
γ = j(2πf/c)(με)1/2 (1.2)
f tần số, c vận tốc sóng điện từ (và ánh sáng) chân khơng (khoảng 300.000 km/s) j số ảo j = (-1)1/2.
Độ phản xạ (reflectivity), Γ , sóng điện từ từ bề mặt lớp phủ biểu công thức sau, Γ = (Zin - Zo)/(Zin + Zo) (1.3)
Γ số phức Thông thường, độ phản xạ Re (đơn vị decibel = dB) dạng log Γ sử dụng, Re = 20 log10|Γ| (1.4)
|Γ| = trị số tuyệt đối Γ.
Như vậy, 90% sóng bị hấp thụ, Re = -20 dB; 99% bị hấp thụ, Re = -40 dB, 99.9% bị hấp thụ Re = -60 dB b Cấu trúc hấp thụ radar biết ứng biến
Trong viết quan trọng có tựa đề "Adaptive radar absorbing structure with PIN diode controlled active frequency selective surface" (Cấu trúc hấp thụ radar biết ứng biến có bề mặt chủ động chọn lọc tần số chế ngự PIN diode) (A Tennant and B Chambers, Smart Mater Struct 13 (2004) 122), tác giả tạo mơ hình điện học tổng trở Zs của lớp phủ biến số tổng trở tới Zin (xem công thức 1.1, Phụ lục
1) Zs chứa ba yếu tố điện trở R, điện dung C điện cảm L, biểu công thức sau,
Zs = R + jωL + 1/jωC (2.1)
ω = tần số góc, số ảo j = (-1)1/2.
Thay đổi yếu tố R, C L cho kết tối ưu với độ hấp thụ băng tần rộng Tác giả sử dụng PIN diode thương mại có ba yếu tố để chế tạo cấu trúc hấp thụ radar mỏng hấp thụ sóng radar băng tần rộng lớp phủ vật liệu có
(23)Sự liên hệ quang học điện từ học diễn tả công thức đơn giản gọi quan hệ Maxwell, n2 = εμ (3.1)
n chiết suất vật chất, ε độ điện thẩm μ độ từ thẩm vật chất đó. Từ cơng thức 3.1 ta có,
n = ±(εμ)1/2 (3.2)
Nếu ε μ dương ta có, n = (εμ)1/2 (3.3)
Nếu ε μ âm ta có, n = -(εμ)1/2 (3.4)
Theo định luật Snell, khúc xạ tia sáng tuân theo công thức, n2sin θ2 = n1sin θ1 (3.5)
n1, n2: chiết suất môi trường 2, θ1: góc tới mơi trường θ2: góc khúc xạ mơi trường
Chiết suất tương đối khơng khí nước 1,33 Một tia sáng tới không khí chạm mặt nước góc tới 60° góc khúc xạ θ2 là,
sin θ2 = (1/1,33)sin 60°
θ2 = 41°
Nếu mơi trường có chiết suất âm, -1,33, θ2 (xem Hình 10a)
ạo nhà laser