Siêu vật liệu
"Siêu vật liệu" là gì? Những tiến bộmới nhất trong hiểu biết của loài
người vềkhoa học vật liệuđang ở đâu? Tháng 2 năm 2008, trong một bài
viếtđánh giá về10 lĩnh vực quan trọng nhất trong 50 năm trởlạiđây,
Jonathan Wood - Tổng biên tập của Tạp chí Material Today, một trong những
tạp chí khoa học uy tín của thếgiới, đã giảiđáp cho chúng ta những thắc mắc
đó. Bài báo này đã gây tiếng vang lớn và nhậnđược sựtán đồng củađông
đảo các nhà nghiên cứu trong cộng đồng giới khoa học từkhắp các nước.
Sự đánh giá được dựa trên khảnăng ứng dụng trong cuộc sống, sự đóng góp
các nghiên cứu khoa học cho cộng đồng thếgiới, và sự đóng góp ý kiến của các nhà
khoa học hàng đầu thếgiới, từnhiều quốc gia khác nhau. Phần lớn thuộc các lĩnh
vựcđềuđã quen thuộc với khoa học thếgiới nhưLaser bán dẫn, Pin nhiên liệu,
Soft-lithography… và một số đã được chứng minh bằng giải Nobel Vật Lý như ống
nano car-bone, Hiệuứng từtrởkhổng lồ, Kính hiển vi đầu dò quét (Scanning Probe
Microscope). Nhưng cái tên cuối cùng trong danh sách này có lẽít người biếtđến,
đó là Metamaterials, mà trong khuôn khổbài viết này chúng tôi tạm dịch là Siêu
vật liệu. Tiền tố"meta" xuất phát từtiếng Hy Lạp - "µeTá", có nghĩa là vượt ra
ngoài, vượt ra xa khỏi mộtđiều 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
cửviên cho giải Nobel tiếp theo này?
Câu trảlời bắtđầu từhơn 40 năm trước, khi nhà vật lý học người Liên Xô cũ
là Veselago lầnđầu tiên đưa ra ý tưởng vềsựtồn tại của sóng điện từtrong một
môi trường "không bình thường" - môi trường chiết suất âm. Ý tưởng này tiên
đoán rằng chúng ta sẽcó thểquan sát những động thái rất lạlùng của sóng điện từ,
những động thái có thể đảo lộn toàn bộmọi hiểu biết của chúng ta vềcác tính chất
của sóng điện từ. Một môi trường có chiết suất âm sẽcó vecto sóng ngược phương
với vecto năng lượng, vận tốc pha âm. Hệquảlà một loạt các định luật vềkhúc xạ
ánh sáng như định luật Snell, định luật phát xạCherenkov, 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 sựhạn chếcủa công nghệvật liệu thờiđiểmđó
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 sưvật lý nổi tiếng tạiĐại
học Hoàng gia London đã đưa ra một mô hình cho phép tạo ra chiết suất âm của
một môi trường hiệu dụng từnhững cấu trúc kim loại và điện môi xen kẽ. Dưới tác
dụng của sóng điện từ, những cấu trúc này hoạtđộng nhưcác mạch cộng hưởng
điện và từriêng rẽsiêu nhỏ.
Những mạch cộng hưởng điện, từnày cho phép điều khiển tính chất hiệu
dụng khi tương tác với sóng điện từcủa 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 kểtrên hoàn toàn có thểbiết trước. Thếgiới lúc bấy giờbịrung
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 sựtạiĐại học California đã chứng minh
bằng thực nghiệm sựtồn tại của môi trường có chiết suất âm - một trong những
tính chất hứa hẹn nhất của Siêu vật liệu.
Cuộc cách mạng vềsựhiểu biếtđối với sóng điện từ đã chính thức bắtđầu.
Sau đó là hàng chục, hàng trăm và bây giờlà hàng ngàn bài báo mỗi năm, công bố
các kết quảnghiên cứu vềSiêu vật liệu. Các nhà khoa họcđang đưa con người tiến
gần tới sựhoàn hảo trong điều khiểnđộng thái của sóng điện từ. Cho đến giờ, về
bản chất, chúng ta có thểhiểu Siêu vật liệu là một vật liệu tổhợp từnhững cấu trúc
nhân tạo nhỏhơn, nhưmột cách mà theo đó, chúng được thiết kế, chếtạođể có
được những tính chấtđiện từnhưmong muốn.
Vậy, thực tếchúng ta mong muốnđiều gì ởSiêu vật liệu?
Những ứng dụng viễn tưởng có thật
Khi mà khảnăng điều khiển sóng điện từtrởthành sựthật, thì đó là sựbắt
đầu của hàng triệu hàng triệu những ứng dụng mà trướcđây chúng ta không dám
tưởng tượng. Ánh sáng, hay ít ra hiện nay là sóng điện từtần sốthấp, sẽtruyềnđi
theo cái cách "không bình thường" mà các định luậtđã kểtrên không biểu diễn
được. Và một trong những ứng dụng đầu tiên, đáng kểnhất từnhững tính chấtđặc
biệt này của Siêu vật liệu mà chúng tôi muốn giới thiệuđó là Siêu thấu kính
(perfect lens). Trước hết chúng ta hãy bắtđầu từthấu kính quang học thông
thường. Có thểnhìn thấy sựxuất hiện của thấu kính quang học truyền thống ở
khắp nơi trong cuộc sống, ví dụnhưcác loạiống kính, các loại kính hiển vi, máy
ảnh, máy ghi hình, các thiết bịlaser… Các ứng dụng của thấu kính không chỉtrở
nên phổbiến trong thếkỷnày, mà nó còn tỏrõ sựquan trọng khi là cầu nối của
nhân loại trong những giao tiếp bằng hình ảnh, sựphát quang, các ứng dụng laser
trong chiếu sáng, chữa bệnh, quốc phòng… Tuy nhiên, có một nhượcđiểm mà
chúng ta không thểkhắc phục nổi của thấu kính quang học truyền thống, đó là
không thểhội tụánh sáng vào một diện tích nhỏhơn bình phương bước sóng. Tức
là, với bước sóng ánh sáng nhỏnhất có thểnhìn thấy là 380 nanomet, chúng ta
không thểthu đượcảnh những vật nhỏhơn 150 micromet nếu sửdụng thấu kính
quang thông thường. Nhưvậy, giới hạn quang họcđã 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 sốmột thếgiới, J.B. Pendry một lần nữađưa thếgiới rẽvào một bước ngoặt
trọng đại khi đưa ra mô hình Siêu thấu kính sửdụng Siêu vật liệu. Giới hạn quang
học cổ điểnđã bịxô đổ. Chúng ta đã nói vềmột thấu kính quang học có thểghi lại
ảnh của tất cảmọi vật cho dù nó rất nhỏ, nhưng ngược lại, Siêu vật liệu còn có thể
làm được hơn thếnữa. Chúng ta đang nói vềmột thếhệthấu kính mới, có thểtạo
ra ảnh của những vật thểnhỏbằng, nhỏhơn hoặc nhỏhơn rất nhiều lần bước
sóng. Hãy thửtưởng tượng xem có bao nhiêu thông tin từmột bứcảnh mà trước
kia bạnđã bỏsót. Nếu ví một bứcảnh chụp thông thường là một chiếc bảnđồ thế
giới, thì nay bạnđã có 1 bức bảnđồ mà trong đó, bạn có thểnhìn thấy từng người
từng người một. Thếgiới nano sẽxuất hiện trước mắt các bạn chỉbằng những ảnh
quang học. Bạn sẽcó một bứcảnh chụp những con vi khuẩn bằng những thao tác
đơn giản hơn nhiều. Những ứng dụng mà các bạn chỉmới thấy trong những bộ
phim viễn tưởng sẽxuất hiện vào một ngày không xa nữa bởi sốlượng những
nghiên cứu vềSiêu thấu kính ngày càng nhiều, bởi sựhiểu biết của loài người
trong việcứng dụng Siêu thấu kính ngày càng sâu sắc hơn…
Chẳng hạn như, thếgiớiđã không lạgì với khái niệm "Người tàng hình" - kẻ
có thểbiến 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. Sựhấp dẫn của những
cuốn tiểu thuyết viễn tưởng luôn nằmởchỗnó biết khơi gợi cho ngườiđọc những
điều kỳlạvà độcđáo nhất mà người ta có thểtưởng tượng được. Người ta đã từng
nghĩsẽthậtđiên rồnếu họcó thểbay được nhưchim, và rồi giờ đây họ đã bay,
thậm chí còn bay cao và xa hơn bất cứloài chim nào. "Người tàng hình" đã có hơn
100 nămđứng trong danh mục những chuyện viễn tưởng hay nhất mọi thờiđại,
nhưng giờthịkhông còn là viễn tưởng nữamàđang trởthành hiện thực.
Ánh sáng, một loại bóng điện từphổbiến nhất, giờ đây có thểbị điều khiển
để bịuốn cong khi truyền qua một vật. Nguyên lý vềmột lớp vỏbọc có thểlàm một
vật trởthành "điểm mù" của ánh sáng đã được nhóm nghiên cứu của tiến sĩvật 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 trướcđó. Một lớp siêu vật
liệu với các tính chấtđặc biệtđã được tính toán, thiết kế, và chếtạođể bẻcong 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 thểbịnhìn thấy trong một dải tần số
nhấtđịnh. Magnetic cloaking, tên của lớp vỏbọc kì diệuđó,đã mởra không chỉ
một, mà là vô vàn các ứng dụng cho nhân loại, cảtrong đời sống sinh hoạt lẫn quân
sự. Chúng ta không chỉnói vềNgười tàng hình, mà còn có thểlàm chủkhảnăng
điều khiển ánh sáng nói riêng, và sóng điện từnói 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 vềSiêu Vật liệu với vô vàn các cấu trúc khác nhau đã và
đang cung cấp cho thếgiới những hiểu biết sâu sắc vềthếhệvật liệu thông minh
này. Khảnăng điều khiển và kiểm soát sóng điện từ đang dầnđược hoàn thiện. Gần
đây nhất, người ta đã sửdụng một cấu trúc Siêu vật liệu dày 0,3 milimet để hấp
thục gần nhưtuyệtđối (99,97%) sóng điện từtrong dải tần sốGHz. Vềcơbản,