by
Tựa đề bài viết nói về bốn thực thể là âm thanh, sóng biển, động đất và nhiệt. Những điều thoạt nhìn như biệt lập không có một điểm chung nào. Nhưng xem vậy mà không phải vậy. Bốn thực thể trên mang năng lượng và năng lượng đó được truyền tải trong môi trường bằng sự dao động ở những tần số khác nhau nhưng tuân theo những định luật vật lý giống nhau. Môi trường có thể là thể khí (không khí), thể lỏng (nước) hay thể rắn (đất đá). Âm thanh gây tiếng ồn, sóng biển gây xói mòn và sóng động đất gây vỡ nứt. Hệ thống các ống hình trụ được sắp đặt theo một trật tự và chu kỳ gọi là tinh thể phonon (âm tử) có đặc tính làm phân tán và hấp thụ tiếng ồn, xói mòn và vỡ nứt. Bài viết phân tích đặc tính này trên một định luật cơ bản và giản dị – định luật nhiễu xạ Bragg, và sự cộng hưởng. Sóng siêu âm và nhiệt dao động trong băng tần của những tần số cao. Vì vậy, các ống hình trụ của tinh thể phonon cho hai thực thể này rất nhỏ có kích thước 1 phần triệu của mét (micromét) đến 1 phần tỷ của mét (nanomét). Ở kích thước vi mô này, tinh thể phonon trở thành một "sân chơi" nơi siêu âm, nhiệt, ánh sáng và electron tương tác với nhau, mở ra một bước ngoặc lớn đem các ngành chẩn đoán y học, điện tử, vi tính và viễn thông lên một tầm cao mới.
1. Dẫn nhập
Âm thanh là một phần trong cuộc sống của con người lẫn thế giới loài vật. Nó là cơ bản của việc giao lưu thông tin cho muôn loài sinh linh. Sự kết hợp giữa các giai điệu trầm bổng bởi các nhạc sĩ, thi sĩ, biến âm thanh thành tiếng nhạc, điệu thơ, mang đến sự thoải mái cho con người. Âm nhạc phản ánh văn minh loài người. Trên bình diện khoa học, những làn sóng âm ngoài vùng khả thính của con người như sóng siêu âm được con người tận dụng để tạo ra những thiết bị hữu ích trong y học và công nghiệp. Tuy nhiên, cũng có những tạp âm như tiếng ồn mà con người muốn loại trừ trong sinh hoạt hằng ngày. Nhưng việc loại trừ, giảm thiểu hay uốn nắn đường đi của âm thanh không phải lúc nào cũng dễ dàng. Tiếng ồn trên đường cao tốc hay âm thanh nhạc rock phát ra từ căn nhà hàng xóm vẫn có thể xuyên qua những bức tường dày.
Âm thanh, sóng biển, sóng động đất là những loại sóng cơ học. Sóng dao động ở những tần số khác nhau từ thấp đến cao. Sóng cơ học cần môi trường ở thể khí, thể lỏng hay thể rắn như không khí, nước và đất đá cho sự truyền tải (Phụ lục a). Nhưng sóng điện từ (sóng radio, vi ba, tia hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại, tia X...) có thể truyền tải trong chân không. Vật liệu như thủy tinh đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ để chế tạo lăng kính, thấu kính nhằm hội tụ, phân tán ánh sáng, và cáp quang của thời hiện đại để truyền tải ánh sáng. Cuộc tìm kiếm những vật liệu mới để chinh phục và điều khiển ánh sáng và sóng điện từ vẫn tiếp diễn. Những thành tựu trong sóng điện từ và quang học có ảnh hưởng sâu đậm đến nghiên cứu sóng âm vì những định luật quang học phần lớn có thể áp dụng vào âm thanh.
Cụm từ "siêu vật liệu" được khai sinh từ những công trình nghiên cứu của giáo sư Pendry (Imperial College London, Anh Quốc). Nhóm Pendry đã thiết kế ra những vòng hở kim loại và sắp xếp theo một thứ tự và chu kỳ nhất định trên một chất nền. Cấu trúc có trật tự này được gọi là "siêu vật liệu" và thành phần đơn vị là các vòng hở kim loại được xem như là "nguyên tử" của siêu vật liệu. Trong những năm đầu của thế kỷ 21, kết quả này dẫn đến một phong trào nghiên cứu sôi nổi về siêu vật liệu quang học với những đặc tính như hằng số điện môi âm (negative dielectric constant), độ từ thẩm âm và chiết suất âm. Những đặc tính chưa từng thấy này đưa đến một tiềm năng là chế tạo áo choàng tàng hình và siêu thấu kính. Siêu thấu kính có thể quan sát được vật nhỏ hơn ½ bước sóng (Phụ lục b).
Tiếp nối với các công trình về siêu vật liệu quang học là siêu vật liệu âm thanh và nhiệt. Những thành quả có được từ sóng điện từ phần lớn có thể lặp lại cho sóng âm. Các công trình liên quan đến việc uốn nắn những đường đi của âm thanh tạo ra siêu vật liệu "tàng âm" cũng như siêu thấu kính âm học thu hút được nhiều kinh phí nghiên cứu từ chính phủ và đầu tư từ doanh nghiệp càng làm gia tăng sự sôi động của phong trào siêu vật liệu.
Trong những năm tháng của cao trào nghiên cứu, một số nhà khoa học đã hào hứng tuyên bố với một chút cường điệu rằng "siêu vật liệu là vật liệu nhân tạo có đơn vị thành phần được sắp xếp theo một trật tự để tạo ra những đặc tính chưa từng thấy trong thiên nhiên". Thật ra, trước các cuộc khảo sát của nhóm Pendry thì đã có những công trình tiên phong trong hai thập niên 80 và 90 của thế kỷ 20 về tác động của sóng điện từ (bao gồm ánh sáng) trên các vật thể nhân tạo chứa thành phần được sắp xếp có chu kỳ và trật tự. Vì sự trật tự trong cấu trúc, người ta đặt tên những vật thể này là "tinh thể quang tử" hay "tinh thể photon" (photonic crystal). Chữ "tinh thể" được mượn từ cụm từ "tinh thể khoáng chất" thiên nhiên trong đó tinh thể muối gần gũi với chúng ta nhất. Tinh thể muối có thể nhìn được bằng mắt thường là do sự sắp xếp có trật tự của hai nguyên tử chlorine (Cl) và sodium (Na) (Hình 1). Ngoài ra, còn vô số các tinh thể thiên nhiên khác từ kim cương, kim loại đến những hạt cát trên bãi biển cho thấy thiên nhiên đi trước loài người rất xa về việc tạo ra tinh thể.
Hình 1: Hình trái: Tinh thể muối hai nguyên tử chlorine (Cl) và sodium (Na). Hình phải: Tinh thể kim cương với mạng nguyên tử carbon.
Sau những công trình nghiên cứu tinh thể photon, người ta bắt đầu khảo sát "tinh thể âm tử" hay "tinh thể phonon" (phononic crystal) (Phụ lục c). Tinh thể thiên nhiên thường cho ta hình ảnh một vật chất rất nhỏ cần kính hiển vi để quan sát. Trong các tinh thể nhân tạo để có sự tương tác giữa sóng và vật thể, kích cỡ và khoảng cách của các "nguyên tử" nhân tạo tương đương bước sóng tác dụng lên vật thể đó. Bước sóng của sóng điện từ hay sóng âm thanh kéo dài từ nanomét đến vài trăm mét. Cho nên độ lớn và khoảng cách giữa "nguyên tử" trong tinh thể photon/phonon tỏa rộng từ vi mô (nanomét) đến vĩ mô (centimét, mét).
Siêu vật liệu bao gồm những vật liệu mang những thành phần được sắp xếp có trật tự hay những mạng lưới có dạng hình học (geometrical pattern) đặc thù. Trong ý nghĩa này "tinh thể photon" và "tinh thể phonon" cũng có thể xem là một thể loại của siêu vật liệu. Hiện nay không có sự phân định rõ ràng trên phương diện thuật ngữ giữa "siêu vật liệu" và "tinh thể photon/phonon". Chúng được dùng qua lại để chỉ định những vật liệu hay hệ thống có thành phần được sắp xếp có trật tự và chu kỳ. Nhưng hệ tinh thể photon/phonon có một đặc điểm lớn là sự xuất hiện "vùng cấm" (bandgap). Vùng cấm được biết đến trong chất bán dẫn, điển hình là nguyên tố silicon. Đặc tính của vùng cấm năng lượng của chất bán dẫn đã dẫn đến cuộc cách mạng công nghiệp của thế kỷ 20 và tạo nên một nền công nghiệp điện tử lừng lẫy ngày nay. Vùng cấm trong tinh thể photon/phonon là nơi mà tinh thể "cấm" sóng có một tần số nào đó không được đi xuyên qua. Sóng bị phản hồi.
Với những tri thức liên quan đến siêu vật liệu và sự hiện hữu của vùng cấm trong các tinh thể nhân tạo, liệu tinh thể phonon, nói cách khác hệ thống có sự sắp xếp các thành phần theo trật tự và chu kỳ, có chăng cho một tiềm năng thực tế lợi dụng vùng cấm để "cấm" hay ngăn chặn tiếng ồn, sóng biển và sóng động đất? Ở băng tần cao, ta có sóng siêu âm (ultrasound), siêu vượt âm (hypersound) và nhiệt. "Nguyên tử" của những tinh thể phonon ở băng tần cao có kích thước rất nhỏ từ micromét đến nanomét. Ở kích thước vi mô này, tinh thể phonon là một địa bàn cho sự tương tác giữa siêu âm, nhiệt, ánh sáng và electron.
Bài viết giải thích về khả năng ngăn chặn và hấp thụ tiếng ồn, sự xói mòn của sóng biển và sự tàn phá của sóng động đất bởi các tinh thể phonon vĩ mô. Ngoài ra, hiện trạng của tinh thể phonon vi mô cho sóng siêu âm và nhiệt cũng được đề cập với nhiều tiềm năng lớn trong các ngành chẩn đoán y học, điện tử, vi tính và viễn thông.
Phụ lục:
a. Âm phổ
Tương tự như sóng điện từ, sóng âm (thanh) có tần số trải dài từ hertz (Hz) đến tetrahertz (THz). Tần số khả thính của con người chỉ là một phần nhỏ của âm phổ nằm trong phạm vi từ 20 Hz đến 20.000 Hz (20 kHz) (Hình P1).
Hình P1: Âm phổ và các ứng dụng tiêu biểu. Frequency: Tần số; Infrasound: hạ âm; Sound: âm; Ultrasound: siêu âm; Hypersound: siêu vượt âm; Heat: nhiệt. Music: âm nhạc; Ultrasound imaging: Tạo ảnh siêu âm; Thermal devices: thiết bị nhiệt; Sonar: máy định vị thủy âm. Phononic crystals: tinh thể phonon.
Hertz (Hz) là đơn vị của tần số, 1 Hz = 1 dao động/giây. 1 kHz (kiloHertz) = 1.000 Hz, 1 MHz (MegaHertz) = 106 Hz, 1 GHz (GigaHertz) = 109 GHz, 1 THz (TeraHertz) = 1012 Hz.
Bước sóng λ và tần số f liên hệ qua công thức
λ = c/f (P1)
c là vận tốc sóng âm.
Trong không khí c = 343 m/s, và tần số khả thính là 20 đến 20.000 Hz, tương đương với bước sóng 17 m đến 1,7 cm.
b. Độ phân giải
Kính hiển vi quang học không thể quan sát được vật nhỏ hơn ½ bước sóng của ánh sáng trắng do nhiễu xạ. Ánh sáng trắng có bước sóng là 550 nm (nanomét) (trung bình cộng của bước sóng ánh sáng tím 400 nm và ánh sáng đỏ 700 nm) nên kính không thể nhìn vật nhỏ hơn 225 nm.
c. Phonon
Sóng âm là một loại sóng cơ học cần một môi trường để truyền tải. Môi trường đó có thể là chất khí, chất lỏng và chất rắn. Sóng âm không thể truyền tải trong chân không. Sóng điện trường có thể truyền tải trong chân không. Đây là điểm khác biệt giữa sóng âm và sóng điện trường. Định luật quang học phần lớn đều có thể áp dụng cho sóng âm.
Khi sóng âm hiện diện trong không khí thì sóng sẽ gây ra sự di động qua lại có chu kỳ của các phân tử không khí (N2 và O2) và sự di động qua lại làm thay đổi áp suất của không khí và sự thay đổi này khiến cho sự truyền âm xảy ra từ đầu này sang đầu kia. Trong chất rắn các nguyên tử không di chuyển tự do như phân tử khí nhưng chúng tạo ra một mạng lưới (lattice) như các viên bi được nối với lò xo. Sóng âm tác động lên mạng lưới nguyên tử làm mạng co giãn. Sự rung động co giãn truyền tải âm thanh khắp trên mạng lưới nguyên tử theo một chu kỳ. Thuật ngữ "phonon" (âm tử) chỉ là hạt "ảo" được định nghĩa là một thực thể mang năng lượng rung động (vibration energy) được lượng tử hóa. Cũng như một photon (quang tử) của ánh sáng mang năng lượng E = hf, h là hằng số Planck, f là tần số sóng điện từ, cho phonon f là tần số của sự rung động của mạng lưới trong chất rắn hay sự duy chuyển qua lại của nguyên tử trong chất khí hay chất lỏng.
Tác giả bài viết:
Trương Văn Tân
Tác giả cuốn sách "Vật liệu và thiết bị nano", NXB Tổng Hợp Tp HCM 2016.
0 comments: