Màu sắc và ánh sáng - đôi điều mới lạ

Có thể không dùng bóng đèn tròn, đèn ống mà vẫn có được ánh sáng xanh đỏ tím vàng… để báo hiệu, để trang trí, vẫn có được ánh sáng trắng để chiếu sáng, rự rỡ hơn nhưng ít tốn điện hơn.

Hạt photon dễ dàng chui qua những lỗ kích thước nhỏ hơn hạt photon. Đó là một vài tin mới lạ về màu sắc và ánh sáng mà báo chí gần đây đã đưa tin. Chúng tôi xin tóm lược để giới thiệu cùng bạn đọc.

Tạo màu không dùng chất màu

1. Cánh bướm - có hai cách tạo màu Serge Berthier, giáo sư ở Đại học Paris 7 chuyên về quang học vật rắn. Ông nhúng cánh bướm vào các chất lỏng trong suốt có chiết xuất n khác nhau: axeton n = 1,362, tricloetylen n = 1, 478 (không khí bình thường n = 1). Ông nhận thấy có hai loại cánh bướm.

Loại thứ nhất ở trong không khí hay nhúng trong chất lỏng cánh bướm không thay đổi màu sắc. Loại thứ hai, thí dụ cánh của loài bướm Morpho Codarti, khi nhúng vào chất lỏng thì màu sắc đổi thay: trong không khí có màu xanh sáng ánh kim, nhúng vào axeton chuyển thành màu xanh thẫm, nhúng vào tricloetylen cánh bướm trở nên có màu nâu tối của hạt dẻ. Khi lấy ra ngoài không khí, cánh bướm trở lại màu vốn có là màu xanh sáng ánh kim.

Vậy màu sắc của cánh bướm loại này thay đổi là do thay đổi của môi trường. Tại sao như vậy?

Dùng hiển vi điện tử quét để quan sát cánh bướm loại thứ hai này người ta thấy ở cánh bướm có nhiều vảy nhỏ, mỗi vảy dài cỡ một trăm micromet, nằm úp sát nhau tương đối đều đặn như kiểu lợp ngói ở mái nhà.

Điều chỉnh kính hiển vi cho độ phóng đại cao hơn quan sát chi tiết hơn ở cánh bướm, khéo léo cắt ngang từng cái vảy để nhìn. Người ta phát hiện ra là vảy có cấu tạo nhiều lớp, mỗi lớp chỉ dày độ phần mười micromet. Vậy là đã rõ: một nguyên nhân làm cho cánh bướm có màu sắc là do cấu tạo nhiều lớp vảy cánh bướm. Màu sắc ở đây là do hiện tượng giao thoa như là màu sắc ta thấy ở bong bóng xà phòng hoặc váng dầu trên mặt nước. Tia sáng đi đến mặt trên của lớp mỏng, một phần bị phản xạ một phần truyền qua đi vào lớp mỏng. Phần này của tia sáng có thể bị phản xạ qua mặt dưới của lớp mỏng và tia này đi ra ngoài giao thao với tia phản xạ ở mặt trên của lớp mỏng. Chênh lệch đường đi giữa hai tia nhân với chiết suất của môi trường có tên gọi là hiệu quang lộ. Ánh sáng mặt trời chiếu vào vảy bướm có bước songlbiến thiên liên tục, bước sónglnào thoả mãn điều kiện hiệu quang lộ bằng một số nguyên lần số bước sónglthì bước sóng đó thoả mãn điều kiện cực đại giao thoa: ta thấy màu sắc ứng với bước sóng đó nổi bật lên. Nếu là nhiều lớp mỏng chồng lên nhau thì hiện tượng giao thoa càng mạnh, màu sắc càng nổi bật. Màu sắc ở cánh bướm còn là do hiện tượng nhiễu xạ: các vảy của cánh bướm còn có các vạch nhỏ li ti cách đều nhau. Ánh sáng trắng chiếu vào các vạch nhỏ li ti cách đều này sẽ tạo ra màu sắc tương tự như ta nhìn thấy nhiều màu ở đĩa CD.

Cực đại giao thoa cũng như cực đại nhiễu xạ phụ thuộc vào hiệu quang lộ. Do đó thay đổi môi trường (thay đổi chiết xuất) hoặc thay đổi hiệu đường đi (thay đổi góc nhìn, thay đổi bề dày) đều dẫn đến thay đổi bước sónglthoả mãn điều kiện cực đại. Vì vậy màu sắc tạo nên bởi giao thoa hay nhiễu xạ dễ dàng bị biến đổi khi thay đổi góc nhìn, thay đổi môi trường.

Chính điều này giải thích tính chất lung linh đổi màu không những ở cánh bướm mà còn ở nhiều loài bọ, bò sát…

2. Bắt chước cánh bướm để tạo màu cho sợi dệt

Công nghệ, đặc biệt là công nghiệp dệt đang tìm cách học tập cách tạo màu ở cánh bướm để thay thế cách nhuộm vải. Ta thử nhìn lại vài vấn đề tồn tại trong kỹ thuật nhuộm vải hiện nay để thấy rõ yêu cầu phải cải tiến.

Vải vóc quần áo hiện nay có màu sắc là do nhuộm bằng hoá chất màu. Để nhuộm một tấn sợi cần đến mười tấn đến một ngàn tấn nước. Giá thuốc nhuộm khá cao, hơn nữa nhiều loại thuốc nhuộm chứa kim loại nặng yêu cầu xử lý nước pha thuốc nhuộm phải xử lý kỹ, tinh khiết. Tất cả những điều nói trên dẫn đến chi phí nhuộm vải chiếm tỉ lệ cao trong quá trình sản xuất vải.

Nếu bắt chước được cách tạo mầu theo kiểu cấu trúc như ở cánh bướm có thể chi phí ít hơn màu sắc không bị phai mà lại có thể biến đổi màu lung linh đẹp mắt.

Các nhà công nghệ đã bắt đầu việc tạo mầu cho sợi nhân tạo bằng cách làm ra sợi có các lợp rất mỏng bên ngoài, bề dày mỗi lớp cỡ 1/10 micromet. Càng tạo được nhiều lớp thì màu sắc càng đẹp vì hiẹn tượng giao thoa ở màng nhiều lớp cho các cực đại nhọn, sắc nét hơn. Năm 1999 các nhà công nghệ Nhật đã đưa triển lãm loại polyme rất mỏng chiết suất khác nhau. Không có một chút chất màu nào nhưng màu sắc của sợi lung linh rất đẹp mắt.

Khó khăn hiện nay là quy mô sản xuất và giá thành. Tốc độ kéo sợi thông thường hiện nay vào cỡ 100 km sợi trong 1 giờ. Nếu kéo sợi có nhiều lớp mà lại khống chế được bề dày từng lớp thì tốc độ kéo chậm hơn rất nhiều so với kéo sợi thường. Đã có nhiều bằng sáng chế đăng ký về phương pháp kéo dài sợi nhiều lớp, nhưng còn phải phấn đấu nhiều cho việc hạ giá thành.

Với cách chế tạo được nhưng còn khá đắt hiện nay, người ta chỉ mới nghĩ đến việc ứng dụng sợi nhiều màu do cấu trúc để làm dấu hiệu cho sản phẩm, chống việc làm hàng giả, vì việc kéo sợi có nhiều lớp để tạo màu là độc chiêu, khó bắt chước được. Mặt khác, lợi dụng sợi có nhiều màu do cấu trúc có màu sắc thay đổi lung linh theo góc nhìn, theo những rung động nhỏ, có thể làm ra những mốt áo quần cho các bà các cô ăn mặc sành điệu. Một khi đuợc ưa chuộng thì vấn đề giá cao chỉ là vấn đề nhỏ.