Một nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Leiden, Hà Lan mới đây đã làm nên kỳ tích: Họ đã chế tạo được một con thuyền nhỏ nhất thế giới với kích thước chỉ 30 micromet. Để bạn có thể hình dung con thuyền ấy nhỏ đến chừng nào thì đường kính của một sợi tóc người là khoảng 180 micromet.
Về cơ bản, chiếc thuyền này có thể trôi trên bề mặt của một sợi tóc.
Chiếc thuyền này có thể trôi trên bề mặt của một sợi tóc.
Con thuyền micro được chế tạo để phục vụ một nghiên cứu có tên là "Các vật thể bơi kích thước micro dạng keo in 3D sử dụng cơ chế đẩy xúc tác" công bố trên tạp chí Soft Matter.
Nghiên cứu này nhằm mục đích chứng minh một công nghệ in 3D mới có thể giúp con người chế tạo được các vật thể siêu nhỏ, bắt chước lại các thực thể bơi trong tự nhiên cũng có kích thước hiển vi như vi khuẩn hoặc tinh trùng.
Khi 2 hạt ánh sáng gặp nhau trong một khối trong suốt
Để có thể chế tạo ra một chiếc thuyền có kích thước micormet, các nhà khoa học phải sử dụng đến một công nghệ in 3D đặc biệt gọi là "two-photon polymerization -2PP" (trùng hợp polymer bằng hai photon).
Đây là một công nghệ điêu khắc vật chất cực kỳ tiên tiến và nghệ thuật, lợi dụng các phản ứng quang xúc tác của vật liệu nhạy quang polyme.
Đầu tiên, các nhà khoa học sẽ chọn ra một vật nhạy quang trong suốt, có thể cho ánh sáng truyền xuyên vào bên trong đó. Sau đó, họ chiếu một tia sáng đầu tiên vào bên trong lòng vật liệu, kích thích một nửa quá trình biến vật liệu này thành polymer.
Để nửa còn lại của quá trình polyme hóa diễn ra, tia sáng thứ hai được chiếu tiếp vào trong lòng vật liệu. Tại điểm giao nhau của hai tia sáng, phản ứng polymer hóa sẽ diễn ra hoàn toàn, biến vật liệu nhạy quang thành polymer. Toàn bộ quá trình này tạo ra một điểm lắng đọng giống như nhựa được nhả ra từ đầu kim của máy in 3D.
Hỗ trợ quá trình này là các chùm tia photon phát có công suất cực mạnh.
Nói một cách khác, 2PP sử dụng chính các đầu của chùm photon ánh sáng để thay thế cho đầu kim của máy in 3D. Chính vì vậy mà nó có thể in ra các vật thể cực kỳ nhỏ, xuống tới cỡ micromet với độ phân giải của mỗi điểm lắng đọng đạt tới 100 nm.
Hỗ trợ quá trình này là các chùm tia photon phát có công suất cực mạnh. Các nhà khoa học đã sử dụng đến các hệ laser có thể phát xung trong thời gian cực ngắn, cỡ femto giây (10-15 giây) với công suất cực đại lên tới 200 GW. Để so sánh, tổng công suất lắp đặt nguồn điện toàn hệ thống điện Việt Nam tính đến cuối năm 2019 mới đạt tới gần 55 GW.
Mô hình tháp Tokyo Sky Tree
Cầu tháp London
Công nghệ 2PP trước đây đã được các nhà khoa học sử dụng để tạo ra các vật thể siêu nhỏ, như mô hình tháp Tokyo Sky Tree, Cầu tháp London hay một tòa lâu đài trên đầu bút chì như bạn đã thấy phía trên.
Nhưng một nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Leiden nghĩ rằng họ còn có thể dùng nó để chế tạo ra các vật thể động, những vật thể có thể ở kích thước micromet bắt chước cách vi khuẩn hoặc những con tinh trùng di chuyển.
"Bằng cách điều khiển và kiểm soát laser truyền vào bên trong vật liệu trong suốt, chúng tôi có thể in ra bất cứ một hình dạng vật thể bơi được nào mà chúng tôi muốn", Daniela Kraft, một thành viên nhóm nghiên cứu cho biết
Con thuyền Benchy có thể bơi trên một sợi tóc
Để có thể hiện thực hóa ý tưởng của mình, Kraft và các đồng nghiệp đã sử dụng kỹ thuật 2PP để tạo ra một con thuyền Benchy. Giải thích lý do tại sao lại chọn mô hình thuyền này, Kraft cho biết Benchy là một con thuyền mà bất kể một người sở hữu máy in 3D nào cũng phải có.
Nó như một mô hình chuẩn, chứa nhiều cấu trúc khó với đầu kim in 3D như các hình vòng cung, các buồng và cửa sổ mở. Với việc in thành công mô hình thuyền Benchy, bạn có thể chắc chắn rằng máy in 3D của mình hoạt động tốt.
"Đó cũng là một điều đương nhiên với một máy in 3D ở kích thước micro như của chúng tôi", Fraft nói. "Ngoài ra, việc chế tạo một chiếc thuyền cỡ micromet có thể bơi cũng rất thú vị".
Đúng vậy, không chỉ dừng lại ở việc in ra một vật thể bất động, nhóm của Kraft còn hướng tới việc trang bị động cơ đẩy cho chúng.
Sau khi các vật thể bơi được chế tạo thành công, họ đã phủ lên bề mặt chúng một lớp platin (Pt) siêu mỏng. Và bởi platin có thể xúc tác cho hydrogen peroxide (H2O2) phân hủy thành nước và O2, khi thả vật thể vào môi trường nước có pha 10% hydrogen peroxide, nó sẽ có thể di chuyển bằng phản lực của khí O2 sinh ra.
Mặc dù động cơ này chưa được "lắp đặt" trên con thuyền Benchy, nhưng về mặt lý thuyết, Kraft đã có thể chứng minh rằng nó sẽ giúp thuyền của mình bơi được. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo ra các vật thể hình cầu và hình xoắn ốc, phủ platin lên chúng và thả vào nước pha 10% hydrogen peroxide, kết quả là chúng đã di chuyển theo những con đường rất đặc biệt:
Các nhà khoa học hi vọng rằng mô hình chuyển động của các vật thể micro này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các chuyển động phức tạp của vi khuẩn hoặc tinh trùng trong cơ thể người. Chẳng hạn như mới đây, một nhóm các nhà khoa học đã phát hiện ra một kiểu di chuyển rất lạ của tinh trùng, được cho là đã đánh đổ giả thuyết từng tồn tại 300 năm về kiểu bơi của chúng.
Trở lại với con thuyền Benchy mà nhóm nghiên cứu của Kraft đã chế tạo. Mặc dù chưa được trang bị động cơ đẩy nhưng với kích thước chỉ 30 micromet, bây giờ nó đã chính thức xác lập kỷ lục - trở thành con thuyền nhỏ nhất thế giới từng được chế tạo.