Siêu vật liệu 3D với nếp uốn tự nhiên

Mô phỏng quy trình chế tạo siêu vật liệu.

Siêu vật liệu là những vật liệu nhân tạo được thiết kế kết hợp với các phần tử cộng hưởng để đạt được những đặc tính không có trong các vật liệu tự nhiên. Ví dụ như bằng cách tổ chức các vật liệu theo một cách đặc biệt, các nhà khoa học có thể chế tạo ra các loại vật liệu có tính khúc xạ âm (negative refractivity), tức là khúc xạ ánh sáng ở một góc ngược chiều so với các vật liệu thông thường. Tuy nhiên, các siêu vật liệu cho đến nay vẫn còn tồn tại một nhược điểm quan trọng, đó là không giống như các vật liệu tự nhiên, chúng được thiết kế theo hai chiều và không đẳng hướng, điều đó có nghĩa là chúng được thiết kế để hoạt động chỉ theo một hướng nhất định. Ngược lại, các vật liệu tự nhiên ba chiều có một đặc trưng giống như nhau nhìn từ mọi hướng. Ví dụ như nước bên trong một cái cốc thủy tinh có hành vi giống như một vật liệu đẳng hướng đối với ánh sáng, mặc dù bản thân phân tử nước có cấu trúc không đối xứng và bất đẳng hướng.

Trước đây, các nhà khoa học đã có thể chế tạo các siêu vật liệu đẳng hướng ba chiều, nhưng mới chỉ ở quy mô rất nhỏ. Giờ đây, trong một đột phá quan trọng được công bố trên Tạp chí Advanced Optical Materials, các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu khoa học tự nhiên Nhật Bản (RIKEN) cộng tác với các nhà nghiên cứu đến từ Viện ITRC (Instrument Technology Research Center), NARLabs Đài Loan, đã chế tạo thành công một loại siêu vật liệu lớn, có bản chất đẳng hướng, kích thước 4 mm x 4 mm², sử dụng một phần tử siêu vật liệu được gọi là vòng cộng hưởng hở (split-ring resonator - SRR).

Nhón nghiên cứu đã đạt được bước đột phá này dựa trên cơ sở một kỹ thuật chế tạo mới kết hợp giữa in litô điện tử top-down với cơ chế tự gấp nếp bottom-up phát sinh do ứng suất bên trong của kim loại. Kỹ thuật này được gọi là phương pháp tự uốn nếp do ứng suất kim loại (metal-stress driven self-folding method).

Bắt đầu bằng quy trình top-down, các nhà nghiên cứu làm lắng đọng một lớp polime PMMA trên chất nền silic. Sau đó họ sử dụng kỹ thuật in litô bằng chùm điện tử để khắc một cái rãnh có hình dạng giống như một dải ruy băng trên vật liệu polime đó, và sau đó lắng đọng lên một dải kim loại bằng niken và vàng. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã loại bỏ tất cả lớp phủ kim loại bên ngoài rãnh. Từ đây quy trình trở nên có chiều từ dưới lên. Họ đã loại bỏ tất cả silic ngoại trừ một núm nhỏ nằm ở  chính giữa dải và khi núm nhỏ này được cho tiếp xúc với không khí, sức căng trên dải kim loại dẫn đến sự uốn cong theo hướng vòng lên trên, kết quả tạo ra một cấu trúc cộng hưởng siêu vật liệu ba chiều.

Về bản chất, sức căng bên trong bản thân các vật liệu thường khiến cho chúng uốn khúc. Nhóm nghiên cứu sau đó đã sử dụng phép đo quang phổ để phát hiện vật liệu này có tính đẳng hướng một cách rõ rệt và khác thường khi đổi chiều theo một hướng bất kỳ với góc tới là 40 độ. Các  đặc tính quang này của SRR cũng phù hợp với các tính toán bằng số về trường điện từ 3D.

Các kết quả nghiên cứu mang lại một phương pháp có triển vọng trong chế tạo các siêu vật liệu đối xứng cao, dẫn đến các phản ứng quang đẳng hướng. Theo Takuo Tanaka thuộc Phòng thí nghiệm siêu vật liệu RIKEN, người lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết, phương pháp chế tạo siêu vật liệu mới là một bước đột phá quan trọng do đã kết hợp khái niệm siêu vật liệu vào trong các thành phần thực, đặc biệt là ở tần số quang. Phương pháp chế tạo này có thể phát triển theo hướng xếp chồng bằng cách lắng đọng nhiều lớp, cho phép chế tạo ra các siêu nguyên tử ba chiều thậm chí còn phức tạp hơn.với các đặc tính quang thú vị.

Các siêu vật liệu thu hút được sự chú ý do chúng có tiềm năng tạo ra các siêu thấu kính, và các thiết bị tàng hình, cho phép chúng ta vượt quá giới hạn nhiễu xạ  của các thấu kính thông thường, thành công của nhóm nghiên cứu có thể đưa ước mơ đến gần hơn với hiện thực.

Theo Vista.gov.vn