Siêu vật liệu

Sự đánh giá được dựa trên khả năng ứng dụng trong cuộc sống, sự đóng góp các nghiên cứu khoa học cho cộng đồng thế giới, và sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học hàng đầu thế giới, từ nhiều quốc gia khác nhau. Phần lớn thuộc các lĩnh vực đều đã quen thuộc với khoa học thế giới như Laser bán dẫn, Pin nhiên liệu, Soft-lithography… và một số đã được chứng minh bằng giải Nobel Vật Lý như ống nano car-bone, Hiệu ứng từ trở khổng lồ, Kính hiển vi đầu dò quét (Scanning Probe Microscope). Nhưng cái tên cuối cùng trong danh sách này có lẽ ít người biết đến, đó là Metamaterials, mà trong khuôn khổ bài viết này chúng tôi tạm dịch là Siêu vật liệu. Tiền tố "meta" xuất phát từ tiếng Hy Lạp - "µeTá", có nghĩa là vượt ra ngoài, vượt ra xa khỏi một điều gì đó. Vậy thực ra metamaterial hay Siêu Vật liệu là gì, và vì sao nó có tên trong danh sách của những lĩnh vực khoa học sáng giá, ứng cử viên cho giải Nobel tiếp theo này?

Câu trả lời bắt đầu từ hơn 40 năm trước, khi nhà vật lý học người Liên Xô cũ là Veselago lần đầu tiên đưa ra ý tưởng về sự tồn tại của sóng điện từ trong một môi trường "không bình thường" - môi trường chiết suất âm. Ý tưởng này tiên đoán rằng chúng ta sẽ có thể quan sát những động thái rất lạ lùng của sóng điện từ, những động thái có thể đảo lộn toàn bộ mọi hiểu biết của chúng ta về các tính chất của sóng điện từ. Một môi trường có chiết suất âm sẽ có vecto sóng ngược phương với vecto năng lượng, vận tốc pha âm. Hệ quả là một loạt các định luật về khúc xạ ánh sáng như định luật Snell, định luật phát xạ Cherenkov, định luật Doppler… bị đảo ngược. Ý tưởng tưởng như "điên rồ" này của Veselago không gây được chú ý bởi một phần nó đi quá xa khỏi những hiểu biết truyền thống hàng trăm năm nay của loài người, một phần khác là do sự hạn chế của công nghệ vật liệu thời điểm đó chưa cho phép ông triển khai những thí nghiệm chứng minh lập luận của mình.

Hơn 30 năm sau, năm 1999, J.B.Pendry, một giáo sư vật lý nổi tiếng tại Đại học Hoàng gia London đã đưa ra một mô hình cho phép tạo ra chiết suất âm của một môi trường hiệu dụng từ những cấu trúc kim loại và điện môi xen kẽ. Dưới tác dụng của sóng điện từ, những cấu trúc này hoạt động như các mạch cộng hưởng điện và từ riêng rẽ siêu nhỏ.

Những mạch cộng hưởng điện, từ này cho phép điều khiển tính chất hiệu dụng khi tương tác với sóng điện từ của môi trường chứa nó. Bằng cách thay đổi hình dạng vật lý và thành phần của các cấu trúc này, động thái của sóng điện từ trong môi trường kể trên hoàn toàn có thể biết trước. Thế giới lúc bấy giờ bị rung chuyển bởi phát kiến này của Pendry, và các nhà khoa học lại một lần nữa nín lặng khi sau đó 1 năm, Shelby cùng các cộng sự tại Đại học California đã chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của môi trường có chiết suất âm - một trong những tính chất hứa hẹn nhất của Siêu vật liệu.

Cuộc cách mạng về sự hiểu biết đối với sóng điện từ đã chính thức bắt đầu. Sau đó là hàng chục, hàng trăm và bây giờ là hàng ngàn bài báo mỗi năm, công bố các kết quả nghiên cứu về Siêu vật liệu. Các nhà khoa học đang đưa con người tiến gần tới sự hoàn hảo trong điều khiển động thái của sóng điện từ. Cho đến giờ, về bản chất, chúng ta có thể hiểu Siêu vật liệu là một vật liệu tổ hợp từ những cấu trúc nhân tạo nhỏ hơn, như một cách mà theo đó, chúng được thiết kế, chế tạo để có được những tính chất điện từ như mong muốn.

Vậy, thực tế chúng ta mong muốn điều gì ở Siêu vật liệu?

Những ứng dụng viễn tưởng có thật

Khi mà khả năng điều khiển sóng điện từ trở thành sự thật, thì đó là sự bắt đầu của hàng triệu hàng triệu những ứng dụng mà trước đây chúng ta không dám tưởng tượng. Ánh sáng, hay ít ra hiện nay là sóng điện từ tần số thấp, sẽ truyền đi theo cái cách "không bình thường" mà các định luật đã kể trên không biểu diễn được. Và một trong những ứng dụng đầu tiên, đáng kể nhất từ những tính chất đặc biệt này của Siêu vật liệu mà chúng tôi muốn giới thiệu đó là Siêu thấu kính (perfect lens). Trước hết chúng ta hãy bắt đầu từ thấu kính quang học thông thường. Có thể nhìn thấy sự xuất hiện của thấu kính quang học truyền thống ở khắp nơi trong cuộc sống, ví dụ như các loại ống kính, các loại kính hiển vi, máy ảnh, máy ghi hình, các thiết bị laser… Các ứng dụng của thấu kính không chỉ trở nên phổ biến trong thế kỷ này, mà nó còn tỏ rõ sự quan trọng khi là cầu nối của nhân loại trong những giao tiếp bằng hình ảnh, sự phát quang, các ứng dụng laser trong chiếu sáng, chữa bệnh, quốc phòng… Tuy nhiên, có một nhược điểm mà chúng ta không thể khắc phục nổi của thấu kính quang học truyền thống, đó là không thể hội tụ ánh sáng vào một diện tích nhỏ hơn bình phương bước sóng. Tức là, với bước sóng ánh sáng nhỏ nhất có thể nhìn thấy là 380 nanomet, chúng ta không thể thu được ảnh những vật nhỏ hơn 150 micromet nếu sử dụng thấu kính quang thông thường. Như vậy, giới hạn quang học đã được xác định, và tồn tại cho đến trước khi Siêu vật liệu xuất hiện.

Năm 2000, trên tạp chí Physics Review Leter, một trong những Tạp chí Vật lý số một thế giới, J.B. Pendry một lần nữa đưa thế giới rẽ vào một bước ngoặt trọng đại khi đưa ra mô hình Siêu thấu kính sử dụng Siêu vật liệu. Giới hạn quang học cổ điển đã bị xô đổ. Chúng ta đã nói về một thấu kính quang học có thể ghi lại ảnh của tất cả mọi vật cho dù nó rất nhỏ, nhưng ngược lại, Siêu vật liệu còn có thể làm được hơn thế nữa. Chúng ta đang nói về một thế hệ thấu kính mới, có thể tạo ra ảnh của những vật thể nhỏ bằng, nhỏ hơn hoặc nhỏ hơn rất nhiều lần bước sóng. Hãy thử tưởng tượng xem có bao nhiêu thông tin từ một bức ảnh mà trước kia bạn đã bỏ sót. Nếu ví một bức ảnh chụp thông thường là một chiếc bản đồ thế giới, thì nay bạn đã có 1 bức bản đồ mà trong đó, bạn có thể nhìn thấy từng người từng người một. Thế giới nano sẽ xuất hiện trước mắt các bạn chỉ bằng những ảnh quang học. Bạn sẽ có một bức ảnh chụp những con vi khuẩn bằng những thao tác đơn giản hơn nhiều. Những ứng dụng mà các bạn chỉ mới thấy trong những bộ phim viễn tưởng sẽ xuất hiện vào một ngày không xa nữa bởi số lượng những nghiên cứu về Siêu thấu kính ngày càng nhiều, bởi sự hiểu biết của loài người trong việc ứng dụng Siêu thấu kính ngày càng sâu sắc hơn…

Chẳng hạn như, thế giới đã không lạ gì với khái niệm "Người tàng hình" - kẻ có thể biến mất trong ánh sáng đã xuất hiện trong cuốn tiểu thuyết của H.G. Wells hay R.W. Ellison và đã từng làm say mê biết bao độc giả. Sự hấp dẫn của những cuốn tiểu thuyết viễn tưởng luôn nằm ở chỗ nó biết khơi gợi cho người đọc những điều kỳ lạ và độc đáo nhất mà người ta có thể tưởng tượng được. Người ta đã từng nghĩ sẽ thật điên rồ nếu họ có thể bay được như chim, và rồi giờ đây họ đã bay, thậm chí còn bay cao và xa hơn bất cứ loài chim nào. "Người tàng hình" đã có hơn 100 năm đứng trong danh mục những chuyện viễn tưởng hay nhất mọi thời đại, nhưng giờ thị không còn là viễn tưởng nữa mà đang trở thành hiện thực.

Ánh sáng, một loại bóng điện từ phổ biến nhất, giờ đây có thể bị điều khiển để bị uốn cong khi truyền qua một vật. Nguyên lý về một lớp vỏ bọc có thể làm một vật trở thành "điểm mù" của ánh sáng đã được nhóm nghiên cứu của tiến sĩ vật lý D. Schurig đưa ra và chứng minh bằng thực nghiệm năm 2006. Bài báo đã được đăng trên tạp chí Science, cái nôi của những giải Nobel trước đó. Một lớp siêu vật liệu với các tính chất đặc biệt đã được tính toán, thiết kế, và chế tạo để bẻ cong mọi tia sáng khi nó truyền tới một vật. Các tia sáng này sẽ đi vòng qua vật và do đó, như một "điểm mù" trong không gian, nó không thể bị nhìn thấy trong một dải tần số nhất định. Magnetic cloaking, tên của lớp vỏ bọc kì diệu đó, đã mở ra không chỉ một, mà là vô vàn các ứng dụng cho nhân loại, cả trong đời sống sinh hoạt lẫn quân sự. Chúng ta không chỉ nói về Người tàng hình, mà còn có thể làm chủ khả năng điều khiển ánh sáng nói riêng, và sóng điện từ nói chung, một cách hoàn hảo nhất bằng Siêu vật liệu.

Một vài ứng dụng Siêu vật liệu có lợi cho sức khỏe và môi trường.

Những nghiên cứu về Siêu Vật liệu với vô vàn các cấu trúc khác nhau đã và đang cung cấp cho thế giới những hiểu biết sâu sắc về thế hệ vật liệu thông minh này. Khả năng điều khiển và kiểm soát sóng điện từ đang dần được hoàn thiện. Gần đây nhất, người ta đã sử dụng một cấu trúc Siêu vật liệu dày 0,3 milimet để hấp thục gần như tuyệt đối (99,97%) sóng điện từ trong dải tần số GHz. Về cơ bản, vùng hấp thụ có thể được điều khiển để tạo ra loại vật liệu hấp thụ ở giải tần số mong muốn. Độ dày của lớp hấp thụ chỉ bằng 1/10 bước sóng hấp thụ. Một lần nữa, cái không thể đã trở thành cái có thể. Những loại sóng có hại sẽ không đến với chúng ta nữa nếu chúng ta có một chiếc áo làm bằng Siêu vật liệu. Một ô cửa phủ vật liệu Siêu hấp thụ sẽ không cho các tia cực tím có hại lọt qua. Hay chúng ta có thể tạo ra những căn phòng "sạch" thực sự với sóng điện từ, những điều kiện lý tưởng trong thí nghiệm hay trong đo lường thực tế. Và khi đó, việc tạo ra một chiếc áo khoác tàng hình như của Harry Potter, ắt hẳn sẽ là một điều hết sức bình thường.