intTypePromotion=1
ADSENSE

Ứng dụng của siêu vật liệu

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

118
lượt xem
21
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một trong những tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu là "tàng hình" và "siêu thấu kính" [1]. Sóng thần, động đất và năng lượng xanh thoạt nghe như không có một sự liên hệ nào đến siêu vật liệu, nhưng nhóm nghiên cứu của giáo sư Xinhua Hu (Đại học Phục Đán, Thượng Hải, Trung Quốc) trong một bài báo cáo gần đây [2] đã dựa theo khái niệm chế tạo siêu vật liệu "tàng hình" làm thuật toán mô phỏng số cho thấy một ứng dụng rất thực tế và gần gũi: bảo vệ bờ biển bằng...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng của siêu vật liệu

  1. Ứng dụng của siêu vật liệu Một trong những tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu là "tàng hình" và "siêu thấu kính" [1]. Sóng thần, động đất và năng lượng xanh thoạt nghe như không có một sự liên hệ nào đến siêu vật liệu, nhưng nhóm nghiên cứu của giáo sư Xinhua Hu (Đại học Phục Đán, Thượng Hải, Trung Quốc) trong một bài báo cáo gần đây [2] đã dựa theo khái niệm chế tạo siêu vật liệu "tàng hình" làm thuật toán mô phỏng số cho thấy một ứng dụng rất thực tế và gần gũi: bảo vệ bờ biển bằng cách triệt tiêu những cơn sóng dữ. Việc phát hiện siêu vật liệu 10 năm trước đã được tạp chí Nature xem như là một cột mốc quan trọng trong lịch sử vật lý ngang hàng với việc khám phá laser, pin mặt trời hay tin học lượng tử. Trong việc thiết kế siêu vật liệu những đơn vị tạo thành phải nhỏ hơn bước sóng của sóng. Như thế, sóng không thể "nhìn" được từng chi tiết của đơn vị mà chỉ "thấy" một vật liệu đồng nhất. Ví dụ, vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba có thể ở cấp milim ét. Ta thoải mái thiết kế và cải biến những đơn vị cấu trúc ở kích cỡ này để thao túng đường đi của sóng mà sóng "không hề hay biết". Đối với ánh sáng thấy được (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng tinh vi của công nghệ nano với sự chính xác ở cấp nanomét. Đối tượng của siêu vật liệu là việc bẻ cong sóng điện từ theo ý muốn của mình khi đi qua môi trường siêu vật liệu. Bẻ cong đường đi ánh sáng là sự kiện bình thường
  2. trong thiên nhiên khi ánh sáng đi vào môi trường có chiết suất khác nhau như sự khúc xạ giữa nước và không khí, trong lăng kính, hay giữa không khí nóng và lạnh gây ảo ảnh trên mặt đường. Ta nhìn thấy vật vì có sự phản xạ của ánh sáng từ vật đến mắt ta. Việc làm "tàng hình" một vật chẳng qua là việc bẻ cong đường đi của sóng điện từ xung quanh vật đó khiến cho sự phản xạ đến người quan sát không xảy ra, do đó vật tàng hình. Hình 2: Hình trái: một vật tròn được nhìn thấy. Hình giữa: vật tròn được phủ kín bởi siêu vật liệu. Hình phải: Vật tròn tàng hình nhờ lớp phủ; lớp phủ cho ảo giác là ánh sáng bị phản chiếu từ mặt phẳng (Credit: Thomas Zentgraf). Năm 2006, nhóm nghiên cứu liên trường của giáo sư John Pendry (Imperial College, London, Anh quốc) và David Smith (Duke University, Mỹ) [3] lần đầu tiên đã chế tạo một siêu vật liệu làm tàng hình một vật trong vi ba (bước sóng centimét). Kết quả nghiên cứu này mang ý nghĩa quan trọng trong khoa học quốc phòng vì vi ba được sử dụng cho radar. Vài năm sau, trong nỗ lực nhằm làm tàng hình trong vùng ánh sáng thấy được, nhóm của giáo sư Xiang Zhang (Đại học California, Berkeley, Mỹ) làm tàng hình một vật trong tia hồng ngoại (bước sóng 1.600 nanom ét) (Hình 1 và 2) [4]. Nhưng trong các thí nghiệm dùng siêu vật liệu, vật bị tàng hình có kích thước rất nhỏ ở cấp microm ét (0,001 mm). Để làm con người tàng hình, một triệu lần to hơn, hay chiếc máy bay, một tỷ lần to hơn, chắc chắn sẽ còn nhiều gian nan. Hình 3: Những ống trụ rỗng có 4 khe khi nhìn ngang và nhìn xuống [2]. Nhóm Zhang còn có tham vọng triển khai siêu vật liệu cho sóng âm thanh. Siêu vật liệu âm thanh dễ chế tạo hơn siêu vật liệu sóng điện từ vì bước sóng của âm thanh
  3. khoảng 1 m. Hãy tưởng tượng ngày nào đó siêu vật liệu âm thanh sẽ được phủ lên tàu ngầm, các luồng âm thanh phát từ sonar truy lùng tàu ngầm chỉ trượt lên thân tàu mà không bị phản hồi. Sóng ra đi mà không bao giờ trở lại; sonar trở nên vô hiệu. Tiếc rằng vì bản chất thực dụng quốc phòng, những triển khai của siêu vật liệu âm thanh sẽ ít nghe thấy trên các diễn đàn công khai và đi dần vào màn đêm bí mật. Bài báo cáo của nhóm Hu [2] cho thấy khái niệm siêu vật liệu còn áp dụng cho sóng cơ học mà sóng nước là một ví dụ. Trong khi nhóm Pendry - Smith chế tạo ra những đơn vị siêu vật liệu ở kích thước milim ét cho vi ba, nhóm Hu triển khai thành những ống hình trụ rỗng ở đơn vị mét. Những ống này có 4 khe dọc theo chiều cao ống và nếu được bố trí thích hợp (Hình 3) sẽ làm triệt tiêu sóng và hấp thụ 90% năng lượng sóng biến thành điện năng. Một công hai việc. Có nhiều phê phán về công trình này nhưng cũng có ý kiến cho rằng đây là khái niệm tuyệt vời nhằm ngăn chặn sóng thần và thậm chí động đất [5]. Khi các nhà khoa học đang băn khoăn tìm kiếm giải đáp làm tàng hình con người hay chiếc máy bay thì tại sao ta lại không áp dụng siêu vật liệu che dấu những vật nhỏ hơn? Những nếp nhăn thời gian, tàn nhan, mụn nám trên da mặt có thể tàng hình như có phù phép của ma thuật khi ta thoa lên một lớp kem siêu vật liệu. Nó sẽ cho người quan sát một ảo giác là ánh sáng phản xạ từ làn da trắng muốt, mịn màng… Những ca phẫu thuật căng da kéo mặt tốn kém và các lớp dày son phấn sẽ trở nên lỗi thời. Một niềm hạnh phúc vô biên sẽ được mang tới cho phái đẹp, nếu thời gian không phụ lòng người.
  4. Định luật truyền thẳng ánh sáng - Một định luật ngắn gọn nhưng ứng dụng lại không ... ngắn gọn “Trong một môi trường trong suốt, đồng tính, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng”: Rất ngắn gọn, rất xúc tích, đó là nội dung của định luật truyền thẳng ánh sáng. Sự truyền thẳng của ánh sáng có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và kĩ thuật. Chẳng hạn, dựa vào sự truyền thẳng của ánh sáng, người ta chế tạo những chiếc thước ngắm để xác định các điểm nằm trên một đường thẳng trong không gian; Khi các em học sinh đứng thẳng hàng, bạn tổ trưởng đứng đầu hàng (cho dù là học sinh lớp 1 hay 12) cũng “biết dùng” định luật truyền thẳng của ánh sáng để kiểm tra xem hàng đã thẳng chưa bằng cách … “ngắm”. Ngoài ra ta có thể vận dụng đặc điểm về sự truyền thẳng của ánh sáng để giải thích nhiều hiện tượng lí thú khác trong tự nhiên. Hãy bắt đầu từ “bóng tối” và “bóng nửa tối” … Bóng tối là gì ? Đặt một nguồn sáng nhỏ S (như bóng đèn, ngọn nến) trước một màn chắn (có thể là bức tường chẳng hạn), trong khoảng từ nguồn sáng đến màn chắn đặt một vật cản ánh sáng (như tấm bìa cứng), quan sát trên màn chắn ta
  5. thấy có một phần không nhận được ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới phần đó gọi là bóng tối . Bóng nửa tối là gì? Nếu nguồn sáng là rộng như ngọn lửa chẳng hạn, quan sát trên màn chắn ta thấy ngoài là bóng tối còn có một phần không tối hoàn toàn bao xung quanh, phần này chỉ nhận được ánh sáng từ một phần của nguồn sáng chiếu tới gọi là bóng nửa tối. Lấy một ví dụ nhé: Vào ban đêm, trong phòng chỉ có một ngọn đèn dầu. Khi ta đứng gần tường, bóng của ta in rõ nét trên tường, nhưng khi tiến lại gần đèn thì bóng của ta trên tường ngày càng kém rõ nét hơn. Vì sao như vậy nhỉ? Bay giờ thì bạn tự giải thích được rồi: Khi đứng gần tường (xa đèn) xuất hiện vùng bóng tối và bóng nửa tối. Do khoảng cách giữa người và tường nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa người và đèn nên bóng nửa tối bị thu hẹp, ta thấy vùng bóng tối rõ nét. Khi đứng gần đèn, vùng bóng nửa tối được nới rộng thêm nên vùng bóng tối lại kém rõ nét. Vậy thôi! Trên hình bên là nghệ thuật tạo bóng bàn tay. … Cùng định luật đi vào cuộc sống Từ đồng ruộng … Trên một thửa ruộng người ta cắm 3 cái cọc thẳng đứng. Nếu trong tay không có một dụng cụ nào, làm thế nào để xác định 3 cái cọc đó có thẳng hàng hay không? Đơn giản quá, những người nông dân vẫn thường làm mà: Nheo một mắt và nhìn bằng mắt kia trước một cọc (đầu tiên) ngắm thẳng theo hướng của 2 cái cọc còn lại, nếu 2 cọc còn lại bị cọc đầu tiên che khuất thì cả 3 cọc đã thẳng hàng. Đó là một hệ quả rút ra từ định luật truyền thẳng ánh sáng đấy! … Đến các xưởng mộc Còn các bác thợ mộc thì sao? Những người thợ mộc khi bào những thanh gỗ thẳng, thỉnh thoảng họ lại nâng một đầu thanh gỗ lên để ngắm. Làm như vậy có tác dụng gì ? Nguyên tắc của cách làm này đã dựa trên kiến thức vật lí nào? Bây giờ thì bạn cũng biết rồi: Người thợ mộc nâng một đầu thanh gỗ lên để ngắm nhằm mục
  6. đích kiểm tra xem mặt gỗ bào đã phẳng chưa. Nguy ên tắc của cách làm này dựa trên định luật truyền thẳng của ánh sáng. Bây giờ đi vào các lớp học và bệnh viện xem sao nhé! Tại sao trong các lớp học, người ta lắp nhiều bóng đèn ở các vị trí khác nhau mà không dùng một bóng đèn lớn (độ sáng của một bóng đèn lớn có thể bằng độ sáng của nhiều bóng đèn nhỏ hợp lại)? Đơn giản quá, việc lắp đặt bóng đèn thắp sáng trong các lớp học phải thỏa mãn ba yêu cầu sau: Phải đủ độ sáng cần thiết; Học sinh ngồi ở dưới không bị chói khi nhìn lên bảng đen và tránh các bóng tối và bóng nửa tối trên trang giấy mà tay học sinh viết bài có thể tạo ra. Trong ba yêu cầu trên, một bóng đèn lớn chỉ có thể thỏa mãn yêu cầu thứ nhất mà không thỏa mãn được hai yêu cầu còn lại. Trong khi đó, nếu dùng nhiều bóng đèn lắp ở những vị trí thích hợp sẽ thỏa mãn được cả ba yêu cầu. Đó chính là lý do giải thích vì sao trong lớp học người ta thường lắp nhiều bóng đèn ở các vị trí khác nhau. Trong các phòng mổ ở bệnh viện, người ta đã làm như thế nào để khi mổ, bàn tay của Bác sĩ không che khuất vết mổ hoặc tạo bóng tối trên chỗ mổ của bệnh nhân? Bây giờ thì quá đơn giản với bạn rồi: người ta thiết kế nhiều bóng đèn ở nhiều vị trí khác nhau sẽ làm cho ánh sáng của các bóng đèn này đan chéo nhau, khi mổ cho bệnh nhân, bàn tay của Bác sĩ có thể tạo ra bóng nửa tối đối với một ngọn đèn nào đó nhưng không thể tạo bóng tối đối với tất cả các bóng đèn trong phòng. Rất an toàn đấy! … Cùng định luật đi vào vũ trụ bao la Nhật thực và nguyệt thực chỉ là hai hiện tượng tự nhiên gần với ta nhất mà khi giải thích, cần phải có kiến thức về sự truyền thẳng ánh sáng, bóng tối và bóng nửa tối … Nhật thực: Mặt trời chiếu sáng Mặt trăng và Trái Đất, khi Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất cùng nằm trên đường thẳng, Mặt trăng ở giữa thì trên Trái đất xuất hiện bóng tối và bóng nửa tối. Một số nơi trên Trái Đất sẽ quan sát thấy nhật thực.
  7. Trong khi xảy ra hiện tượng nhật thực, chỉ có những người đứng trong vùng bóng tối của Mặt trăng trên Trái đất và những người đứng trong vùng lân cận (vùng bóng nửa tối) mới có thể quan sát được hiện tượng. Những người không đứng trong những vùng này thì không thể quan sát được hiện tượng nhật thực. Nguyệt thực: Mặt trời chiếu sáng Mặt trăng. Đứng từ Trái đất về ban đêm ta nhìn thấy ánh sáng phản chiếu từ Mặt trăng. Khi Mặt trăng bị Trái Đất che khuất, nó không được Mặt trời chiếu sáng nữa, lúc đó ta không nhìn thấy Mặt trăng, ta nói là có nguyệt thực. Mặt trăng quay quanh Trái đất, Trái đất lại quay quanh Mặt trời nên chỉ khi Mặt trăng đi vào vùng bóng tối của Trái đất hoàn toàn mới có hiện tượng nguyệt thực toàn phần, trong trường hợp này chỉ có một số vị trí nhất định trên Trái đất mới quan sát được (những vị trí này nằm trên mặt đất, xung quanh đường thẳng nối tâm Mặt trời, Trái đất và Mặt trăng. Những khu vực lân cận khác chỉ thấy nguyệt thực một phần.
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2