III. VẬT LIỆU MỚ
8. Chế tạo ở cấp micron và nano
3.2. Các vật liệu thông minh
3.2.1. Công nghệ
Có một số loại vật liệu vừa có khả năng cảm nhận, vừa có khả năng tạo ra những dịch chuyển, thí dụ vật liệu sắt điện (trong đó có điện áp tạo ra tuỳ thuộc vào điện trường bên ngoài tác dụng vào), hay các hợp kim có khả năng nhớ hình dạng (shape-memory alloys, với khả năng thay đổi hình dạng nhờ biến đổi pha, tuỳ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ), hay các vật liệu từ giảo (trong đó có điện áp tạo thành tuỳ thuộc vào từ trường bên ngoài tác dụng vào). Những hiệu ứng này cũng tác dụng theo chiều ngược lại, bởi vậy có thể dùng những vật liệu này ở dạng riêng rẽ hay kết hợp với nhau, để vừa có khả năng cảm nhận, vừa thực hiện những dịch chuyển tương ứng với điều kiện môi trường bên ngoài. Hiện nay chúng đang được ứng dụng rộng rãi, từ máy in phun, đến các bộ truyền động đĩa từ và các thiết bị chống đông cứng.
Một nhóm vật liệu thông minh có tầm quan trọng là các composit được tạo ra trên cơ sở chì ziriconat titanat (PZT) và các loại vật liệu sắt điện có liên quan để cho phép tăng độ nhạy cảm, phản ứng lại với nhiều tần số và có khả năng thay đổi tần số. Ví dụ về nhóm vật liệu này là vật liệu có tên gọi là “Moonie”. Đó là bộ biến năng PZT được đặt bên trong một
hốc bán nguyệt, có tác dụng khuyếch đại phản ứng của nó lên nhiều lần. Một ví dụ khác là composit của bari stronti titanat và các vật liệu phi sắt điện, với khả năng phản ứng với tần số hay trường biến thiên nhanh. Chúng được ứng dụng để làm các bộ cảm biến và dẫn động với khả năng hoặc là thay đổi tần số, hoặc là làm thích hợp tín hiệu, hoặc mã hoá tín hiệu. Hiện nay, những vật liệu sắt điện đã được ứng dụng cho các bộ nhớ lâu bền, hoặc các thẻ thông minh (Smart Card), hoặc dùng trong các ván trượt tuyết với khả năng thay đổi hình dạng tuỳ theo áp lực.
Một nhóm vật liệu thông minh cũng rất quan trọng nữa là các polyme thông minh (chẳng hạn các gel ion có khả năng biến dạng tuỳ thuộc vào tác dụng của điện trường). Những polyme chịu tác dụng của điện trường đó hiện đã được áp dụng để tạo ra “cơ bắp nhân tạo”. Tuy những vật liệu tạo ra hiện nay vẫn còn hạn chế về cơ học, nhưng nó là lĩnh vực nghiên cứu tích cực, với những ứng dụng tiềm năng cho rôbốt thám hiểm vũ trụ, làm việc trong môi trường độc hại v.v... Những hydrogel có khả năng nở ra hoặc co lại tuỳ thuộc vào sự thay đổi của độ pH hoặc nhiệt độ có thể mở ra những lĩnh vực ứng dụng mới, chẳng hạn như để bọc thuốc đưa vào cơ thể và giải phóng vào những thời điểm cần thiết dựa theo nồng độ hoá chất của cơ thể (thí dụ, dùng để bọc insulin). Một phương án khác trong xu thế giải phóng thuốc có sự giám sát này là sử dụng loại vật liệu có lớp ngoài ưa nước và lớp trong kỵ nước.
3.2.2. Những vấn đề và ảnh hưởng liên quan
Một thế giới trong đó có vô vàn các bộ cảm biến và dẫn động được phân bố khắp nơi và kết mạng với nhau sẽ có triển vọng tăng cường, tối ưu hoá và làm thích ứng năng lực của các hệ thống/thiết bị thông qua những thông tin thu nhận được và khả năng dẫn động trực tiếp hơn. Việc tiếp tục có thêm nhiều khả năng truyền thông hơn, cộng thêm với năng lực đưa vào danh mục và định vị các tin tức cá nhân gắn vào và phối hợp các chức năng hỗ trợ đã tán thành, coi đó là những lợi ích và có thể sẽ được thực thi vào năm 2020.
Việc phát triển tiếp tục các bộ cảm biến sinh trắc kích thước nhỏ, cùng với những tiến bộ trong việc nhận dạng giọng nói, chữ viết và vân tay có thể đem lại những hệ thống an ninh hiệu quả cho từng người. Chúng có thể ứng dụng trong việc nhận dạng để phục vụ cho cơ quan cảnh sát/quân sự, cũng như trong kinh doanh, giải trí và cho cá nhân.
Những ứng dụng tiềm năng khác của vật liệu thông minh có thể đem lại vào năm 2020 bao gồm: quần áo thay đổi theo thời tiết, giao tiếp với các hệ thống thông tin, giám sát các dấu hiệu quan trọng, giải phóng thuốc trong cơ thể có giám sát, tự động bảo vệ vết thương, những toà nhà tự điều chỉnh theo thời tiết, những chiếc cầu và đường giao thông có khả năng nhận biết và tự sửa chữa những nứt rạn ngầm, những bếp đun làm việc theo lệnh truyền đến bằng sóng vô tuyến, những trung tâm giải trí và điện thoại áp dụng thực tại ảo (virtual reality), những thiết bị chẩn đoán y tế cá nhân (có thể liên hệ trực tiếp với các trung tâm y tế). Mức độ phát triển và ứng dụng những công nghệ đó vào cuộc sống hàng ngày có thể sẽ phụ thuộc nhiều hơn vào thái độ tiếp nhận của mọi người so với các vấn đề liên quan tới kỹ thuật.
Ngoài các chức năng giám sát và nhận dạng mà các vật liệu thông minh có thể đảm nhận như đã được đề cập ở trên, những phát triển mới trong lĩnh vực rôbốt có thể đem lại những
năng lực nhạy cảm mới và tinh tế hơn, giúp phát hiện và phá huỷ chất nổ và hàng lậu và để hoạt động trong môi trường độc hại. Việc tăng cường năng lực của vật liệu, cả về nguồn năng lượng lẫn khả năng nhạy cảm và dẫn động, cũng như việc kết hợp những chức năng đó với năng lực máy tính có thể đem lại những ứng dụng đó.
Những xu hướng phát triển ở trên cũng làm nảy sinh nhiều vấn đề. Việc nhận được thông tin từ những bộ cảm biến được bố trí ở khắp nơi và việc tiếp cận với dữ liệu thu thập được làm nảy sinh ra những mối lo ngại lớn về khả năng xâm hại tới những điều khoản bí mật cá nhân. Ngoài ra, tốc độ phát triển của các loại vật liệu mới đó có thể sẽ tuỳ thuộc vào mức đầu tư và động lực thị trường. Nhiều khi, những lợi ích tức thì và việc tiết kiệm phí tổn nhờ ứng dụng các vật liệu thông minh sẽ tiếp tục tạo động lực phát triển, nhưng việc nghiên cứu ra những vật liệu kỳ diệu hơn có thể sẽ phụ thuộc vào quyết tâm và niềm tin của Chính phủ trong việc đầu tư cho những lợi ích dài hạn.