Theo các nhà khoa học đây là ví dụ đầu tiên về "sơn cấu trúc", không cần tới sắc tố vẫn ra màu.
Debashi Chanda vất vả kiếm tìm một nhà vật lý học biết vẽ. Đồng nghiệp của ông, hiện công tác tại phòng thí nghiệm khoa học nano tại Đại học Miền Trung Florida, đã thành công trong việc tạo ra một loại sơn mới. Thậm chí họ đã có trong tay những lọ sơn thử nghiệm đầy màu sắc. Nhưng khi đề bài yêu cầu ứng dụng lớp sơn ấy lên mặt phẳng, ai nấy đều lắc đầu.
“Chúng tôi còn chẳng vẽ nổi một con bướm, mà mới chỉ nói đến hình mà trẻ con cũng vẽ được thôi đấy nhé”, ông Chanda thở dài.
Nhưng họ vẫn cố hết sức có thể. Hình dáng, thiết kế trông đơn sơ thôi, nhưng sự giản đơn này có lẽ đã đánh lừa nhiều người. Nếu như dùng kính hiển vi soi rõ bề mặt phủ sơn, nhìn tới tận chiều không gian vô hình dưới mắt thường, ta mới có thể thấy thứ sơn đặc biệt này khác hoàn toàn với lớp sơn trên tường nhà.
Các nhà nghiên cứu dùng sơn cấu trúc để vẽ một con bướm.
Màu sắc tồn tại khắp nơi trong tự nhiên, và chúng ta tái dựng nó bằng kỹ thuật phối màu. Nhưng cách tự nhiên tạo ra màu sắc không hề đơn giản: một người chỉ cần nhìn cánh bướm hay đuôi công là phần nào hiểu được.
Không sử dụng các sắc tố giống con người, tự nhiên tạo ra màu bằng tô pô học, hay nói cách khác là tạo ra những cấu trúc đặc biệt phản lại những phổ ánh sáng cụ thể. Những bề mặt hiển vi trên đuôi công và cánh bướm làm nhiễu xạ ánh sáng chiếu vào nó, và tạo ra một thứ được gọi là “màu cấu trúc - structural color”. Thứ màu này bền hơn màu vẽ của họa sĩ, và không cấu thành từ các sắc tố.
Còn trong con mắt nhà khoa học, mấu chốt của việc chế tạo ra loại sơn mới không chỉ giúp giảm chất thải ra môi trường, mà còn giúp nhân loại dễ sống hơn trong một thế giới đang ngày một oi ả.
Trong một báo cáo khoa học xuất bản trên tạp chí Science Advances, và dựa trên khái niệm màu cấu trúc, nhóm nghiên cứu công tác tại phòng thí nghiệm của ông Chanda công bố loại sơn chưa từng tồn tại. Họ cho rằng đây là nước sơn “nhẹ nhàng” nhất thế giới, về cả hai yếu tố khối lượng và nhiệt độ. Thứ sơn này chứa những bông nhôm, và trên cấu trúc bông nhôm này chứa những hạt nano nhôm còn bé hơn nữa.
Với cân nặng không đáng kể, lớp sơn này có thể cắt giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện. Bên cạnh đó, thứ sơn mới được phát minh không hấp thu nhiệt giống sơn sắc tố thông thường, đồng thời chứa ít độc tố hơn sơn làm từ kim loại nặng.
Nhìn chung, sơn không thân thiện với môi trường.
Dayna Baumeister, đồng chủ nhiệm Trung tâm Mô phỏng Sinh học trực thuộc Đại học Bang Arizona, không lấy làm lạ khi thấy lớp sơn mới chứa vô số công năng chưa được khám phá hết. “Đây là màn biểu diễn tuyệt với cho thấy những khả năng có thể có, khi chúng ta luận lại những thiết kế cũ bằng cách tham khảo ý kiến tự nhiên”, bà nói.
Dù tốt gỗ hơn tốt nước sơn, nhưng không ai có thể khước từ công dụng của lớp phủ đa năng này. Con người đã dùng sắc tố hàng thiên niên kỷ, các thợ màu đã thành thạo kỹ năng pha chế để có được màu sơn mong muốn. “Họ biết rõ cần phải thêm thứ gì để tăng độ bóng; họ có thể làm màu sáng lên hay tối lại - họ đã hiểu rõ về sơn sau hàng trăm năm thử nghiệm”, ông Chanda nói.
Một dạng sơn mới sẽ phải sáng tạo hơn nữa, chạm tới lãnh giới của cấu trúc vật lý thay vì chỉ đẹp vẻ ngoài. Và cũng tương tự nhiều những phát minh danh giá khác, đột phá của nhóm ông Chanda đến một cách ngẫu nhiên.
Màu có thể được lưu dưới dạng khô hay được hòa vào hỗn hợp.
Nhóm nghiên cứu không dự định chế tạo một loại sơn mới, mà đang muốn dựng nên một tấm gương nhôm có diện tích bề mặt lớn với sự trợ giúp của một chiếc máy có tên “máy tia bốc hơi electro”. Nhưng sau mỗi lần dùng máy, họ đều phát hiện ra những “hòn đảo nano” đặc biệt - một cụm nguyên tử nhôm nhỏ tới mức hiển vi, nhưng vẫn đủ lớn để khiến tấm gương không toàn vẹn. Những hòn đảo nano này hiện hữu trên khắp bề mặt tấm gương “một cách rất phiền”, theo lời ông Chanda.
Và thời khắc “ơ-rê-ka” tới: lỗi nhỏ này lại có ích theo một cách khác. Khi ánh sáng trắng chiếu vào những hạt nhôm nano, các electron trong kim loại bị kích thích - hoặc bị dao động hoặc bị cộng hưởng. Khi chiều không gian được kéo xuống cỡ nano, các nguyên tử phản ứng theo những cách rất lạ. Dựa trên kích cỡ của các hạt nhôm nano, các electron trong đó sẽ dao động với những bước sóng ánh sáng riêng biệt. Ánh sáng trắng chiếu vào đây sẽ được phản lại với một phổ nhất định: việc phủ hạt nhôm lên bề mặt phản chiếu đã khiến bề mặt tạo ra màu sắc.
Màu trên cánh bướm không sinh ra từ sắc tố.
Kích cỡ các hòn đảo nano kia sẽ quyết định màu gì xuất hiện. “Chỉ cần thay đổi chiều, bạn có thể tạo ra mọi màu sắc”, ông Chanda nói. Không giống sắc tố vốn cần một phân tử gì đó làm cơ sở cho mỗi màu, đơn cử như phân tử cô-ban hay một chất nào khác, phân tử cơ sở của quá trình tạo màu này luôn là nhôm, chỉ có điều chúng được cắt thành những kích cỡ khác nhau, dao động với những bước sóng ánh sáng khác nhau.
Cơ chế này giúp các nhà khoa học tạo ra được một thứ sơn mới. Nhóm bắt đầu với một lớp gương hai mặt mỏng, và phủ lên trên mỗi mặt một lớp vật chất đệm giúp cường hóa hiệu ứng màu. Sau đó, họ đặt lên trên hai mặt những hòn đảo kim loại nano và để giúp vật liệu này tương thích với các chất dính, họ ngâm các tấm vật liệu vào bông màu mịn. Cuối cùng, khi đã đủ màu tạo nên cầu vồng, nhóm nghiên cứu bắt tay vào tô vẽ.
Bởi lẽ màu cấu trúc có thể phủ một mặt phẳng lớn chỉ với một lớp vật chất mỏng và siêu nhẹ, ông Chanda cho rằng loại sơn mới có thể tạo nên đột phá trong ngành hàng không. Một chiếc Boeing 747 cần trung bình 500 kilogram sơn để phủ hết các mặt phẳng, nhưng với loại sơn mới, nhà sản xuất máy bay chỉ cần 1,3 kilogram sơn để làm điều tương tự. Giảm trọng lượng đồng nghĩa với việc tiết kiệm nhiên liệu.
Perry Flint, phát ngôn viên của Hiệp hội Hàng không Thương mại Quốc tế, đồng tình với nhận định trên. “Với việc chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn chi phí vận hành [khoảng 30% nội trong năm 2022], các hãng hàng không luôn tìm cách cải thiện hiệu suất của nhiên liệu”, ông Flint nói, đồng thời nêu lên một ví dụ rất trực quan.
Khi hãng hàng không American Airlines bỏ đi 30 kilogram tài liệu hướng dẫn phi công trên mỗi chuyến bay, hàng năm họ đã tiết kiệm được tới 1,2 triệu USD chi phí vận hành. Năm 2021, American Airlines áp dụng loại sơn mới cho dòng máy bay 737, qua đó tiết kiệm được 1,1 triệu lít nhiên liệu.
Lớp sơn phủ nhẹ hơn đồng nghĩa với việc máy bay tiêu hao ít nhiên liệu hơn.
Các chuyên gia đang nghĩ tới chuyện sơn vỉa hè bằng lớp sơn mới, giúp làm giảm nhiệt lượng tích tụ tại những thành phố lớn. Nó có thể làm mát xe cộ, đường sá, thậm chí mái nhà. Một hệ thống làm mát cho cơ sở hạ tầng có thể giúp nhân loại tiết kiệm năng lượng vốn được dùng trong làm mát.
Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt loại sơn mới không phải chuyện sớm chiều. Theo lời ông Chanda, thì “phòng thí nghiệm không phải là cái xưởng”. Còn theo nhận định của bà Baumeister, những ứng dụng ban đầu sẽ nhỏ thôi: có thể là đồ điện tử, hay ứng dụng trong dây chuyền sản xuất nhạy cảm với nhiệt.
Bà Baumeister phơi phới hy vọng vào một tương lai sáng, khi những phát minh dựa trên yếu tố sinh học có thể được ứng dụng ở quy mô lớn. “Tương lai của nhân loại dựa vào việc chúng ta tìm ra cách ăn khớp với tự nhiên”, bà nhận định.