Siêu vật liệu từ giấc mơ đến hiện thực

Khối vuông này là một cấu trúc nano của một dạng "siêu vật liệu". Những hoạ tiết được khắc đều nhau sẽ làm thay đổi hướng đi của chùm ánh sáng chiếu vào

Song trên thực tế, vấn đề phải giải quyết của khoa học và công nghệ là, làm sao để có thể chế tạo ra một loại vật liệu có khả năng "nắn lại" luồng ánh sáng được. Trong tự nhiên, hoàn toàn không có một dạng vật chất nào có khả năng như thế. Cho nên, con người phải tự phát minh ra một cấu trúc vật chất hoàn toàn "nhân tạo", hầu có thể "vô hình hoá" những gì mình muốn. Đó chính là những dạng "siêu vật liệu" (metamaterial).

Đặc tính của loại vật liệu này là, với một cấu trúc nano đã được "đẽo gọt" rất tinh xảo, tổng thể khối của khối vật chất này sẽ tự "điều khiển" được các tính chất điện từ của vật liệu đó. Theo lời giải thích của nhà vật lý John Pendry, người đi tiên phong trong lĩnh vực đầy "ma thuật" này, khi chúng ta thay đổi được cấu trúc của vật chất ở mức độ vi thể bằng cách "chạm trổ" chúng bằng các hoạ tiết có kích thước hình học đều nhau, để vật chất đó có chỉ số khúc xạ âm, chúng ta sẽ tạo ra được một dạng vật chất mới có khả năng làm biến dạng các sóng radar đi đến, khi cấu trúc của nó.

Và cũng trên lý thuyết, để có được mức chỉ số này, nguyên lý khá đơn giản: chỉ cần biến hai đặc điểm vật lý của vật chất đó là độ thấm từ và hằng số điện môi thành "âm" là được. Tuy vậy, trong tự nhiên, chúng ta cũng tìm thấy một vài dạng vật chất như kim loại cũng có hằng số điện môi là âm, nhưng trớ trêu thay, hoàn toàn không có cấu tạo vật chất nào có được đồng thời hai tính chất nói trên ở chỉ số âm cả. Mãi đến năm 2001, hai nhà vật lý Hoa Kỳ là David Smith và Sheldon Schultz mới thành công trong việc chế tạo ra những mẫu "siêu vật chất" đầu tiên từ kim loại đồng. Đây quả là một thành công lớn của công nghệ nano tiên tiến. Tuy nhiên, khó khăn vẫn còn nhiều.

Chữ "NA" bên trái được quan sát từ một kính hiển vi thông thường, nhưng khi chiếc kính hiển vi được gắn thêm một thấu kính "siêu vật chất", thì hình ảnh sau đó (bên phải) sẽ có độ phân giải tối ưu

Những ứng dụng thực tiễn

Theo giáo sư Frédéric Zolla, tác giả của một công trình nghiên cứu về các ứng dụng của "siêu vật liệu", khả năng chế tạo ra được một thiết bị có thể hoàn toàn "đánh lừa" được thị giác con người chỉ sẽ trở thành hiện thực trong vòng không sớm hơn 10 năm nữa! Một đồng tác giả của nghiên cứu này đã khẳng định một cách đầy ẩn dụ: "Chúng ta cần phải có thêm nhiều bước nhảy vọt về công nghệ nữa mới có thể đi đến đích được. Và nếu như chúng ta huy động mọi phương tiện vào cuộc, thì có lẽ con người cũng sẽ đặt chân lên sao Hoả sớm hơn là có thể tàng hình ngay trên Trái đất này!". Vậy, phải chăng giấc mơ tàng hình của con người chỉ là viển vông? Điều đó, tương lai sẽ trả lời. Song trước mắt, con người đã biết ứng dụng những đặc tính vượt trội của "siêu vật liệu" cho những ước mơ... trong tầm tay!

Một ứng dụng mà các nhà vật lý quan tâm nhiều nhất là chế tạo ra những thấu kính quang học có độ phân giải cực mạnh, tức không có quang sai, nhằm giúp con người quan sát các vật thể ở một mức độ tinh xảo cao nhất có thể. Biết rằng, độ phân giải của một bức hình luôn bị giới hạn bởi độ dài sóng của nguồn ánh sáng chiếu vào.

Do đó, đối với ánh sáng thấy được, mắt chúng ta chỉ có thể nhận ra được đến mức tối đa những hình thể có kích thước nhỏ nhất là vài trăm nanomét. Nhưng khi sử dụng thấu kính được chế tạo từ "siêu vật chất", với chỉ số khúc xạ âm, các bước sóng sẽ cộng hưởng với cấu trúc nano của chúng và được khuếch đại lên. Từ đó, hình ảnh phản chiếu lại mắt sẽ được "nhận diện" ở một độ phân giải cao nhất, có nghĩa là, sẽ rõ nét nhất. Ngoài ra, ứng dụng của "siêu vật liệu" còn đang được nghiên cứu để áp dụng vào kỹ thuật in ấn cao cấp và lưu trữ thông tin trên đĩa laser.

Ảo ảnh thị giác. Khi nhúng một cây viết chì vào chậu nước, chúng ta sẽ thấy cây viết bị gập đi, do ánh sáng truyền đi trong nước chậm hơn so với môi trường không khí. Nhưng khi được đặt vào một dạng vật liệu có chỉ số khúc xạ âm, cây viết sẽ hoàn toàn bị "bẻ gãy" làm đôi!

Tường Nguyễn