Siêu vật liệu

"Siêu vật liệu" là gì? Những tiến bộ mới nhất trong hiểu biết của loài người về khoa học vật liệu đang ở đâu? Tháng 2 năm 2008, trong một bài viết đánh giá về 10 lĩnh vực quan trọng nhất trong 50 năm trở lại đây, Jonathan Wood - Tổng biên tập của Tạp chí Material Today, một trong những tạp chí khoa học uy tín của thế giới, đã giải đáp cho chúng ta những thắc mắc đó.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Siêu vật liệu Siêu vật liệu Siêu vật liệu là gì? Những tiến bộ mới nhất trong hiểu biết của loàingười về khoa học vật liệu đang ở đâu? Tháng 2 năm 2008, trong một bàiviết đánh giá về 10 lĩnh vực quan trọng nhất trong 50 năm trở lại đây,Jonathan Wood - Tổng biên tập của Tạp chí Material Today, một trong nhữngtạp chí khoa học uy tín của thế giới, đã giải đáp cho chúng ta những thắc mắcđó. Bài báo này đã gây tiếng vang lớn và nhận được sự tán đồng của đôngđảo các nhà nghiên cứu trong cộng đồng giới khoa học từ khắp các nước. Sự đánh giá được dựa trên khả năng ứng dụng trong cuộc sống, sự đóng gópcác nghiên cứu khoa học cho cộng đồng thế giới, và sự đóng góp ý kiến của các nhàkhoa học hàng đầu thế giới, từ nhiều quốc gia khác nhau. Phần lớn thuộc các lĩnhvực đều đã quen thuộc với khoa học thế giới như Laser bán dẫn, Pin nhiên liệu,Soft-lithography… và một số đã được chứng minh bằng giải Nobel Vật Lý như ốngnano car-bone, Hiệu ứng từ trở khổng lồ, Kính hiển vi đầu dò quét (Scanning ProbeMicroscope). Nhưng cái tên cuối cùng trong danh sách này có lẽ ít người biết đến,đó là Metamaterials, mà trong khuôn khổ bài viết này chúng tôi tạm dịch là Siêuvật liệu. Tiền tố meta xuất phát từ tiếng Hy Lạp - µeTá, có nghĩa là vượt rangoài, vượt ra xa khỏi một điều gì đó. Vậy thực ra metamaterial hay Siêu Vật liệu làgì, và vì sao nó có tên trong danh sách của những lĩnh vực khoa học sáng giá, ứngcử viên cho giải Nobel tiếp theo này? Câu trả lời bắt đầu từ hơn 40 năm trước, khi nhà vật lý học người Liên Xô cũlà Veselago lần đầu tiên đưa ra ý tưởng về sự tồn tại của sóng điện từ trong mộtmôi trường không bình thường - môi trường chiết suất âm. Ý tưởng này tiênđoán rằng chúng ta sẽ có thể quan sát những động thái rất lạ lùng của sóng điện từ,những động thái có thể đảo lộn toàn bộ mọi hiểu biết của chúng ta về các tính chấtcủa sóng điện từ. Một môi trường có chiết suất âm sẽ có vecto sóng ngược phươngvới vecto năng lượng, vận tốc pha âm. Hệ quả là một loạt các định luật về khúc xạánh sáng như định luật Snell, định luật phát xạ Cherenkov, định luật Doppler… bịđảo ngược. Ý tưởng tưởng như điên rồ này của Veselago không gây được chú ýbởi một phần nó đi quá xa khỏi những hiểu biết truyền thống hàng trăm năm naycủa loài người, một phần khác là do sự hạn chế của công nghệ vật liệu thời điểm đóchưa 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 sư vật lý nổi tiếng tại Đạihọc Hoàng gia London đã đưa ra một mô hình cho phép tạo ra chiết suất âm củamột môi trường hiệu dụng từ những cấu trúc kim loại và điện môi xen kẽ. Dưới tácdụng của sóng điện từ, những cấu trúc này hoạt động như các mạch cộng hưởngđiện và từ riêng rẽ siêu nhỏ. Những mạch cộng hưởng điện, từ này cho phép điều khiển tính chất hiệudụng khi tương tác với sóng điện từ của môi trường chứa nó. Bằng cách thay đổihình dạng vật lý và thành phần của các cấu trúc này, động thái của sóng điện từtrong môi trường kể trên hoàn toàn có thể biết trước. Thế giới lúc bấy giờ bị rungchuyển bởi phát kiến này của Pendry, và các nhà khoa học lại một lần nữa nín lặngkhi sau đó 1 năm, Shelby cùng các cộng sự tại Đại học California đã chứng minhbằng thực nghiệm sự tồn tại của môi trường có chiết suất âm - một trong nhữngtính chất hứa hẹn nhất của Siêu vật liệu. Cuộc cách mạng về sự hiểu biết đối với sóng điện từ đã chính thức bắt đầu.Sau đó là hàng chục, hàng trăm và bây giờ là hàng ngàn bài báo mỗi năm, công bốcác kết quả nghiên cứu về Siêu vật liệu. Các nhà khoa học đang đưa con người tiếngần tới sự hoàn hảo trong điều khiển động thái của sóng điện từ. Cho đến giờ, vềbản chất, chúng ta có thể hiểu Siêu vật liệu là một vật liệu tổ hợp từ những cấu trúcnhân tạo nhỏ hơn, như một cách mà theo đó, chúng được thiết kế, chế tạo để cóđược những tính chất điện từ như mong muốn. Vậy, thực tế chúng ta mong muốn điều gì ở Siêu vật liệu? Những ứng dụng viễn tưởng có thật Khi mà khả năng điều khiển sóng điện từ trở thành sự thật, thì đó là sự bắtđầu của hàng triệu hàng triệu những ứng dụng mà trước đây chúng ta không dámtưởng tượng. Ánh sáng, hay ít ra hiện nay là sóng điện từ tần số thấp, sẽ truyền đitheo cái cách không bình thường mà các định luật đã kể trên không biểu diễnđược. Và một trong những ứng dụng đầu tiên, đáng kể nhất từ những tính chất đặcbiệt này của Siêu vật liệu mà chúng tôi muốn giới thiệu đó là Siêu thấu kính(perfect lens). Trước hết chúng ta hãy bắt đầu từ thấu kính quang học thôngthường. Có thể nhìn thấy sự xuất hiện của thấu kính quang học truyền thống ởkhắp nơi trong cuộc sống, ví dụ như các loại ống kính, các loại kính hiển vi, máyảnh, máy ghi hình, các thiết bị laser … Các ứng dụng của thấu kính không chỉ trởnên phổ biến trong thế kỷ này, mà nó còn tỏ rõ sự quan trọng khi là cầu nối củanhân loại trong những giao tiếp bằng ...