1.2.4.1. Vật liệu hấp thụ
Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của siêu vật liệu là khả năng hấp thụ hoàn toàn sóng điện từ (MPA). MPA lần đầu tiên đƣợc đề xuất bởi Landy và các cộng sự [12]. Mẫu chế tạo MPA đƣợc tạo thành từ các ô cơ sở đƣợc sắp xếp một cách tuần hoàn. Hình 1.10 biểu diễn cấu trúc ô cơ sở và phổ hấp thụ của MPA này. Cấu trúc bao gồm 3 lớp: mặt trƣớc và mặt sau tƣơng ứng là vòng cộng hƣởng điện (ERR) và CW làm từ kim loại đồng, ở giữa là lớp điện môi làm từ FR-4. Các tham số cấu trúc khác có thể đƣợc tham khảo trong tài liệu [12].
Hình 1.10. (Trái) a) Cấu trúc ERR, b) Cấu trúc CW và c) Ô cơ sở của MPA
dựa trên 2 cấu trúc cộng hưởng cùng với sự phân cực của sóng tới. (Phải) Phổ hấp thụ mô phỏng (nét liền), thực nghiệm (chấm tròn) và tính toán theo hàm Gauss dựa trên kết quả thực nghiệm (nét đứt, xám). Hình đính kèm là kết
quả mô phỏng độ hấp thụ tại tần số cộng hưởng tại các giá trị góc tới khác nhau [12].
Bằng cách giữ cố định vòng cộng hƣởng điện (ERR), đồng thời tối ƣu các tham số hình học của CW và độ dày điện môi, tính chất từ của MPA đƣợc điều khiển riêng biệt. Nhờ đó mà độ từ thẩm µ, và độ điện thẩm ε, của MPA
có thể đƣợc tối ƣu một cách độc lập. Sau một quá trình tối ƣu hóa, điều kiện phối hợp trở kháng sẽ đƣợc thỏa mãn. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy một đỉnh hấp thụ với độ hấp thụ 96% xuất hiện tại tần số 11.5 GHz.
1.2.4.2. Cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ chẩn đoán dịch bệnh, kiểm soát môi trƣờng, kiểm định chất lƣợng thực phẩm,… Gần đây siêu vật liệu nổi lên nhƣ là một hƣớng đi mới cho công nghệ cảm biến sinh học. Khác với công nghê cảm biến sinh học dựa trên phƣơng pháp huỳnh quang, cảm biến dựa trên siêu vật liệu không cần phải đánh dấu khiến cho chúng trở nên linh động hơn và tiết kiệm hơn về chi phí cũng nhƣ thời gian. Nhìn chung, cảm biến tích hợp siêu vật liệu có thể chia thành hai phƣơng pháp chính là cảm biến chiết suất của phân tử và cảm biến tần số dao động riêng của phân tử.
1.2.4.3. Truyền dẫn năng lượng không dây
Truyền dẫn năng lƣợng không dây [wireless power transfer (WPT)] có một lịch sử rất lâu từ thời kỳ của nhà khoa học Tesla năm 1983. Gần đây, nghiên cứu về WPT lại nổi lên một lần nữa do sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ mới. Một ví dụ điển hình là ứng dụng WPT trong công nghệ sạc không dây dành cho điện thoại thông minh và các thiết bị cầm tay khác. Nhìn chung, WPT có tiềm năng trong rất nhiều ứng dụng với các mức tiêu thụ năng lƣợng khác nhau: từ các thiết bị y tế đƣợc cấy ghép trong cơ thể con ngƣời, cho đến xe điện, và thậm chí là vệ tinh.
Trong mục này, luận văn sẽ giới thiệu tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu trong việc nâng cao hiệu suất truyền dẫn của WPT. Thí nghiệm mô hình WPT sử dụng siêu vật liệu lần đầu tiên đƣợc thực hiện bởi Wang và các cộng sự [18, 19]. Vì hầu hết hệ thống WPT thực tế dựa trên tƣơng tác từ, ta chỉ cần sử dụng siêu vật liệu có độ từ thẩm âm là đủ.
Hình 1.11. Mẫu chế tạo siêu vật liệu ở a) dạng 3 chiều và b) dạng phẳng [18].
Hình 1.11. là mẫu chế tạo của siêu vật liệu có độ từ thẩm âm ở dạng 3 chiều và dạng phẳng. Để đảm bảo rằng siêu vật liệu đủ nhỏ, cấu trúc 2 vòng cộng hƣởng dạng xoắn đƣợc sử dụng. Trong cấu trúc ô cơ sở này, 2 vòng cộng hƣởng dạng xoắn bằng đồng nằm trên hai mặt của một lớp điện môi, Rogers RO4003C, và 2 vòng này đƣợc kết nối bằng 1 trục đồng. So với cấu trúc SRR truyền thống, cấu trúc này có thể tạo ra đƣợc độ tự cảm và điện dung hiệu dụng lớn hơn nhiều. Nhờ đó tần số cộng hƣởng sẽ đƣợc hạ thấp. Mẫu siêu vật liệu dạng phẳng đƣợc tạo ra bằng cách bỏ các lớp cấu trúc ở giữa của mẫu siêu vật liệu 3 chiều, chỉ để lại 2 mặt phẳng song song với nhau.
Hình 1.12 biểu diễn thí nghiệm WPT cho một bóng đèn 40W. Một máy phát tần số cao với bộ khuếch đại năng lƣợng đƣợc kết nối vào ăng ten. Kết quả quan sát cho thấy, trong trƣờng hợp không có siêu vật liệu, đèn chỉ phát ra ánh sáng rất yếu. Khi siêu vật liệu đƣợc đặt ở giữa, độ sáng của đèn lớn hơn rất nhiều và đèn phát sáng nhất khi sử dụng siêu vật liệu ở dạng phẳng. Thí nghiệm này cho thấy hiệu suất WPT đã đƣợc tăng cƣờng một cách đáng kể và siêu vật liệu phù hợp để ứng dụng trong hệ WPT năng lƣợng cao.
Hình 1.12. Thí nghiệm hệ WPT đối với bóng đèn 40 W khi
a) không sử dụng siêu vật liệu, có sử dụng siêu vật liệu b) dạng 3 chiều và c) dạng phẳng [18,19].
1.2.4.4. Siêu thấu kính
Năm 2000, Pendry [16] đã chứng minh có thể sử dụng siêu vật liệu chiết suất âm để chế tạo siêu thấu kính. Điểm khác biệt cơ bản giữa siêu thấu kính và thấu kính thông thƣờng ở chỗ nó là thấu kính phẳng và nhờ vào chiết suất âm nên nó hoạt động giống nhƣ một thấu kính hội tụ. Đặc biệt cũng nhờ vào tính chiết suất âm, siêu thấu kính có thể phục hồi không chỉ thành phần truyền qua mà cả thành phần dập tắt (evanescent wave) của sóng tới (hình 1.13).
Hình 1.13. Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính
dựa trên siêu vật liệu có chiết suất âm. 1.2.4.5. Áo choàng tàng hình
Hình 1.14. Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình.
Ứng dụng này đƣợc đề xuất và kiểm chứng bởi Schurig và các cộng sự năm 2006 tại tần số sóng rada. Đối với các vật liệu có trong tự nhiên khi tƣơng tác với sóng điện từ thì sự truyền qua hoàn toàn là không đạt đƣợc. Tuy nhiên đối với “siêu vật liệu” khi tƣơng tác với sóng điện từ thì ánh sáng bị bẻ cong quanh vật thể nên sự truyền qua là hoàn toàn đạt đƣợc và khi đó vật bị tàng hình (Hình 1.14). Điều thú vị ở đây là, ngƣời quan sát không thể nhìn thấy sự khác biệt giữa ánh sáng truyền qua môi trƣờng hay truyền trên một không gian
trống. Với ứng dụng này, chúng ta có quyền nghĩ về một loại vật liệu mới mà nếu chúng ta đƣợc “bao phủ” bởi nó, thì không ai có thể nhìn thấy chúng ta cho dù chúng ta đang đứng ngay trƣớc mặt họ. Điều này đặc biệt quan trọng trong quân sự cũng nhƣ đời sống.
Ngoài những ứng dụng trên, vật liệu chiết suất âm còn rất nhiều tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Với các tính chất đặc biệt, vật liệu chiết suất âm hứa hẹn sẽ có thêm nhiều ứng dụng khác trong thực tế nhƣ thiết bị khoa học, y tế, pin năng lƣợng và đặc biệt trong lĩnh vực quân sự.