Màu sắc cánh bướm, lông công

1. Tản mạn về màu sắc

Ai đã học qua vật lý ở Trung học đều nhớ thí nghiệm của Newton, cho tia sáng Mặt trời qua lăng kính thấy rõ ánh sáng trắng tách ra thành bảy màu và gọi đó là bảy sắc cầu vồng. Những người lớn tuổi nhớ lại rằng khó thuộc được bảy màu đó nên phải ghép 7 chữ cái đầu của tiếng Tây là vivbjor cho dễ nhớ. Đó là violet – tím, indigo – chàm, vert – xanh lục, blue – xanh lam, jaune – vàng, orange – da cam và rouge – đỏ.

Nhưng dựa vào cơ sở nào để chia ánh sáng trắng thành 7 màu? Newton vào thế kỷ XVII phán như vậy vì ông theo Công giáo mà Công giáo thời đó rất trọng con số 7: 7 ngày trong một tuần, 7 nốt nhạc đồ, rê, mi, fa, sol, la, si, thậm chí thời đó quanh Mặt trời cũng chỉ mới biết là có 7 hành tinh. Chia ánh sáng ra thành 7 màu là chia một cách cảm tính, chia theo người nổi tiếng đã cách đây hơn 300 năm, không có cơ sở khoa học nào cả.Vậy dựa trên cơ sở nào để nói ánh sáng trắng là gồm có mấy màu? Đó là dựa trên cách cảm nhận về màu sắc của mắt người. Nhìn thấy một vật biết là hình dạng to hay nhỏ gồ ghề cao thấp màu sắc như thế nào là nhờ thấu kính của mắt tạo ra ảnh của vật hiện lên võng mạc, ở đấy có một lớp chi chít hàng triệu tế bào cảm nhận ánh sáng. Có hai loại tế bào cảm nhận ánh sáng: tế bào hình que (rod) và tế bào hình nón (cone). Tế bào hình que nhiều (cỡ 120 triệu) nhưng chỉ cảm nhận hai màu đen trắng, còn tế bào hình nón ít hơn (cỡ 5 triệu) mới cảm nhận được màu. (Hình 1)

Có ba loại tế bào hình nón, gọi tên theo phạm vi bước sóng ánh sáng nhạy cảm với tế bào: tế bào hình nón L (long – sóng dài), tế bào hình nón M (middle – sóng trung) và tế bào hình nón S (short – sóng ngắn). Gọi là sóng dài L, sóng trung M, sóng ngắn S là tương đối trong phạm vi sóng ánh sáng, L ứng với màu đỏ, M ứng với màu lục, S ứng với màu lam.

Ngày nay người ta dựa vào các màu mà ba tế bào hình nón đó cảm nhận để phân chia ánh sáng thành ba màu cơ bản đó là màu đỏ R (red), màu lục G (green) và màu lam B (blue).

Bất kỳ một màu nào mà mắt ta nhìn thấy cũng là sự pha trộn theo một tỉ lệ nào đấy của ba màu cơ bản đỏ, lục, lam, trong kỹ thuật thường ký hiệu là RGB.

Tại sao một vật lại có màu này hoặc màu kia? Điều đó phụ thuộc ánh sáng từ vật đến mắt có các bước sóng ứng với các màu cơ bản như thế nào. Thí dụ nếu ánh sáng từ vật đến mắt có các bước sóng chỉ kích thích các tế bào hình nón L, ta sẽ thấy vật ấy có màu đỏ. Nếu ánh sáng đến mắt ta có các bước sóng kích thích được cả tế bào hình nón L, cả tế bào hình nón M, mắt ta đồng thời cảm nhận được màu đỏ R và màu lục G, hai màu đó cộng lại thành màu vàng J (R+G=J).

Ta chưa xét trường hợp vật tự phát sáng mà chỉ xét trường hợp có ánh sáng như ánh sáng mặt trời chiếu vào vật, và vật tán xạ ánh sáng đó đến mắt ta. Ở đây có hai cách khác nhau làm cho mắt thấy được màu sắc của vật.

Cách thứ nhất là do chất màu. Một vật có màu xanh chẳng hạn là do trên bề mặt của vật đó có chất màu xanh. Ánh sáng chiếu đến, bề mặt của vật hấp thụ ánh sáng đối với tất cả các bước sóng trừ ánh sáng có bước sóng ứng với màu xanh thì tán xạ, tia tán xạ đến mắt, ta thấy màu xanh. Nói cách khác màu sắc thấy ở đây là do hấp thụ chọn lọc của chất màu, chất có màu xanh chọn lọc những ánh sáng không phải màu xanh để hấp thụ hết, chỉ tán xạ ánh sáng màu xanh. Trường hợp ánh sáng bước sóng nào vật cũng hấp thụ thì vật có màu đen. Ngược lại, ánh sáng có bất cứ bước sóng nào đến vật, vật cũng tán xạ ra ngoài, vật có màu trắng.

Cách thứ hai là do giao thoa, nhiễu xạ. Mặt nước đang trong xanh phẳng lặng nhưng nếu ta nhỏ trên đấy một giọt dầu, giọt dầu loang rộng ra thành một lớp cực mỏng trên mặt nước, lúc đó mặt nước nhìn thấy có nhiều màu xanh, đỏ, vàng… thường gọi là màu của váng dầu. Đó là do hiện tượng giao thoa của màng mỏng. Một chiếc đĩa CD nhìn sáng bóng nhưng thật ra trên đó có rất nhiều đường rãnh tròn cách đều nhau. Nhìn ánh sáng phản xạ qua đĩa CD, với góc nhìn này ta thấy màu đỏ, góc nhìn kia ta thấy màu xanh, màu vàng, v.v. đó là do hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua các vạch cách đều nằm khít nhau trên đĩa. Bản thân màng mỏng dầu gần như trong suốt không có chất màu gì. Bản thân đĩa CD mặt ngoài chỉ là một lớp nhôm mỏng sáng trắng một màu. Nhưng vì có cấu trúc màng mỏng, có cấu trúc là các vạch nhỏ khít nhau và cách đều v.v. nên ánh sáng trắng chiếu đến cấu trúc đó làm cho nhìn theo phương này thấy màu đỏ, nhìn theo phương kia thấy màu xanh… vậy màu sắc thấy ở đây là do cấu trúc.

Vì vậy có hai cách tạo ra màu sắc: tạo màu dùng chất màu và tạo màu theo cấu trúc.

2. Màu sắc của cánh bướm và lông công

Serge Berthier, giáo sư ở Đại học Paris 7 chuyên về quang học vật rắn nhúng cánh bướm vào các chất lỏng trong suốt có chiết suất n khác nhau: aceton có n=1,362, tricloetylen có n=1,478 (không khí có chiết suất n=1). Ông nhận thấy có hai loại cánh bướm, một loại nhúng vào màu sắc không thay đổi gì cả, một loại nhúng vào màu sắc thay đổi rõ rệt. Đem vào nghiên cứu ở kính hiển vi loại cánh bướm có màu sắc thay đổi khi nhúng vào chất lỏng thì thấy cánh bướm có nhiều vảy nhỏ, mỗi vảy dài độ 100 micromet nằm úp sát nhau trật tự như ngói lợp. Phóng đại to hơn nữa thì trong từng vảy lại thấy hàng dãy rãnh và nốt nằm cách đều có cấu trúc tuần hoàn.

Vậy là đã rõ, loại cánh bướm này có màu sắc là do cấu trúc, ở đây là những vảy, những rãnh, những nốt sắp xếp tuần hoàn. Ánh sáng trắng đến bị nhiễu xạ bởi cấu trúc này nên có màu sắc rực rỡ. Chiết suất của chất lỏng làm thay đổi đường đi của ánh sáng trong đó, ảnh hưởng đến nhiễu xạ. Vì vậy nhúng vào chất lỏng, màu sắc cánh bướm thay đổi.

Công là loài có bộ lông đẹp lộng lẫy, nhất là lông đuôi của con công trống. Đẹp không chỉ là vì nhiều màu, họa tiết đối xứng mà đặc biệt nhất lấp lánh, rực rỡ. Các nhà khoa học đã rất chú ý tìm hiểu tỉ mỉ để giải thích vẻ đẹp lông công.

Nhìn bằng mắt thường rất dễ thấy cuống lông dài, hai bên là các dải lông con nhiều màu kết lại thành hai nửa đối xứng. Quan sát kỹ bằng kính hiển vi thì thấy lông con lại gồm nhiều lông con nhỏ hơn nữa, mỗi lông con nhỏ này gồm có những khúc hình yên ngựa. Cắt những khúc hình yên ngựa này thành lát mỏng đưa vào hiển vi điện tử truyền qua thì thấy có nhiều hình như lưỡi liềm nằm hai bên đường gân nổi. Phóng đại to hơn nữa, thấy ở gần bề mặt các lưỡi liềm này có nhiều hạt tiết diện hình tròn xếp thành những lớp song song mặt ngoài. Phân tích ra thì thấy màu của lông công rất phụ thuộc cấu trúc gần bề mặt lưỡi liềm này. (Hình 3)

Lông con màu xanh, tiết diện hình tròn có đường kính 130 nanomet, cỡ 8-12 lớp, khoảng cách giữa các lớp là 150 nanomét. Lông con màu vàng tiết diện hình tròn có đường kính 140 nanomét, có 3-6 lớp khoảng cách giữa các lớp là 190 nanomét. Đối với các màu khác kích thước các chi tiết, số lớp, v.v. cũng có khác nhau vào cỡ hàng chục nanomét như trên.

Cánh bướm, lông công đều có màu sắc do cấu trúc. Cấu trúc của lông công tinh vi hơn, màu sắc đẹp rực rỡ hơn là màu sắc của cánh bướm.

3. Bắt chước cách tạo màu cấu trúc ở cánh bướm lông công

Lâu nay, để tạo màu người ta dùng chất màu thí dụ như bột màu, thuốc nhuộm v.v. sử dụng các phương pháp hóa học là chính.

Học tập thiên nhiên, người ta đang có nhiều cách tạo màu cấu trúc, dùng các phương pháp vật lý là chính. Sau đây là một số thí dụ.

- Vải màu cấu trúc: Các nhà công nghệ đã thử tạo màu cho sợi nhân tạo bằng cách kéo sợi sao cho bên ngoài tạo thành các lớp mỏng có chiết suất và bề dày được tính toán phù hợp. Bề dày của mỗi lớp vào cỡ 100 nanomét. Càng tạo được nhiều lớp thì màu sắc của sợi càng đẹp vì hiện tượng giao thoa ở màng nhiều lớp bao giờ cũng cực đại rõ, sợi nhân tạo có nhiều lớp dễ có màu sắc rực rỡ, lung linh rất đẹp. Lấy sợi này để dệt vải may cho nghệ sĩ biểu diễn thì màu sắc lung linh huyền ảo của y phục rất dễ làm nổi bật thêm trên sân khấu.Khó khăn hiện nay chỉ là giá thành còn đắt vì kéo sợi nhiều lớp phải rất công phu. Tốc độ kéo sợi nhân tạo hiện nay là 100km trong 1 giờ. Tất nhiên kéo sợi nhân tạo có nhiều lớp phải công phu và tốc độ kéo phải chậm chạp hơn nhiều, mỗi giờ kéo được cỡ 1km.

- Tem chống hàng giả: Thường để chống hàng giả, hàng sản xuất ra phải dán tem đặc biệt chỉ nhà sản xuất mới có. Đối với các tem in màu dù tinh vi đến mấy, kỹ thuật bắt chước ngày nay cũng dễ in màu giống như tem thật.Người ta đã bắt chước cánh bướm, tạo màu cấu trúc cho tem. Có khi người ta dùng cánh bướm thật dùng chất dẻo đặc biệt áp vào cánh bướm bắt chước những nét tinh vi trên cánh bướm để làm khuôn. Sau đó lại cho chất dẻo này cứng lại, dùng làm khuôn để in thành giấy có bề mặt cấu trúc như bề mặt cánh bướm (phương pháp in vết – replic). Dùng giấy này làm tem chống hàng giả rất tốt vì rất khó bắt chước.

- Mực điện tử có màu: Xu hướng hiện nay là dùng giấy điện tử (e-paper) để hiển thị hình vẽ chữ viết y như là ở trang báo, trang sách vì đọc trên màn hình máy tính, tivi phải gò bó không thoải mái như cầm báo, cầm sách để đọc.Giấy điện tử thường là tấm mỏng mềm gần như giấy, trên đó có mực điện tử, thực ra là các hạt rất nhỏ có thể điều khiển bằng điện sao cho lúc thì màu trắng lúc thì màu đen, tùy điện thế điều khiển. Đó là giấy điện tử đen trắng, nói chung hiện nay đã làm được. Tuy nhiên làm giấy điện tử màu (hiện ra được chữ màu, ảnh màu) nói chung còn khó và đắt.Một phương án làm giấy điện tử màu dựa theo kiểu màu cấu trúc hiện nay đang được nhiều nhà nghiên cứu tìm cách chế tạo, phổ biến (hình 4).

Mỗi hạt mực gồm nhiều hạt oxyt silic nhỏ, đường kính 200 nanomét đặt trong ô nhỏ làm bằng polyme xốp có chất điện ly, gọi là ô polyme xốp điện hoạt. Nhóm các hạt oxyt silic này sắp xếp có trật tự tương tự như những hạt nhỏ ở cánh bướm lông công và được đặt giữa hai điện cực ít nhất là có một điện cực trong suốt. Polyme xốp bao bọc các hạt nhỏ oxyt silic được gọi là polyme điện hoạt vì tùy theo điện thế tác dụng lên polyme điện hoạt các hạt oxyt silic giãn ra hoặc co vào làm thay đổi khoảng cách sắp xếp các hạt oxyt silic, từ đó làm thay đổi điều kiện nhiễu xạ, nên màu sắc thay đổi. Mỗi ô polyme điện hoạt có vai trò là một phần tử ảnh trên giấy điện tử, kích thước mỗi chiều của phần tử ảnh cỡ vài chục micromet. Có thể qua đường truyền hoặc nhờ wifi để nạp chương trình in báo hoặc in sách, giấy điện tử sẽ hiển thị chữ viết, hình ảnh, người xem cầm đọc thoải mái.

Cấu trúc có trật tự rất tinh vi trong cánh bướm, lông công được xem là cấu trúc tinh thể photonic trong tự nhiên. Bắt chước cấu trúc này hiện nay nhờ công nghệ nanô người ta đã làm được các tinh thể photonic nhân tạo, từ đấy làm ra các linh kiện photonic để xử lý ánh sáng tương tự như các linh kiện bán dẫn xử lý điện tử.

Nguyễn Xuân Chánh - T/c Khoa học & Tổ quốc, 7 – 2012, tr 7