Language
Country/Area
No result found
Thế giới vật chất mà bạn không thể tưởng tượng được: Siêu vật liệu ảnh hưởng đến sóng điện từ và âm thanh như thế nào?
Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, hoạt động của vật chất dường như không đổi, nhưng các nhà khoa học đã sử dụng công nghệ kỹ thuật để tạo ra một loại vật chất hoàn toàn mới gọi là siêu vật liệu. Điều kỳ diệu của chất này, có những đặc tính thường không có trong tự nhiên, là chúng không được xác định bởi các đặc tính của vật liệu cơ bản mà thay vào đó là do cấu trúc được thiết kế mới. Những vật liệu như vậy không chỉ có thể điều khiển sóng điện từ mà còn điều chỉnh âm thanh và thậm chí cả sóng địa chấn. Điều này cuối cùng cho phép chúng ta có được cái nhìn thoáng qua về tình hình mới của công nghệ tương lai.
Những siêu vật liệu mới này được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, chẳng hạn như kim loại và nhựa, được sắp xếp ở quy mô nhỏ hơn bước sóng mà chúng tác động. Thông qua các hình dạng, hình học và cách sắp xếp chính xác, siêu vật liệu có thể chặn, hấp thụ, tăng cường hoặc bẻ cong sóng.
Các ứng dụng có thể có của các siêu vật liệu này khá rộng, từ thiết bị thể thao đến thiết bị y tế và thậm chí cả các ứng dụng hàng không tầm xa có liên quan đều cho thấy tiềm năng to lớn. Ví dụ, siêu vật liệu có thể được sử dụng để thiết kế các kim loại có khả năng chụp ảnh vượt quá giới hạn nhiễu xạ của thấu kính truyền thống, do đó làm tăng mật độ dữ liệu quang học.
Bằng cách thiết kế các cấu trúc phù hợp, những siêu vật liệu này thậm chí có thể thể hiện hiệu ứng "tàng hình" ở các bước sóng khác nhau. Việc trình diễn các vật liệu hàm mũ được phân loại là một ví dụ mang lại cho nhân loại một tiềm năng đáng kể hơn để hiện thực hóa viễn tưởng khoa học viễn tưởng về "áo choàng tàng hình". Ngoài sóng điện từ, siêu vật liệu cũng trở thành lĩnh vực nghiên cứu phổ biến trong nghiên cứu âm học và sóng địa chấn.
Khám phá lịch sử siêu vật liệu
Khái niệm siêu vật liệu không xuất hiện trong thời gian gần đây. Nó có thể bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19. Vào thời điểm đó, Jagadish Chandra Bose đã bắt đầu khám phá các chất có đặc tính kháng khuẩn. Đầu thế kỷ 20, Karl Ferdinand Lindman cũng nghiên cứu tác dụng của các đường xoắn ốc kim loại lên sóng. Sau đó, vào những năm 1940, Winston E. Kock của Phòng thí nghiệm AT&T Bell đã phát triển các vật liệu có đặc tính siêu vật liệu tương tự.
Năm 1967, Victor Veselago lần đầu tiên mô tả về mặt lý thuyết những vật liệu khúc xạ âm và chứng minh rằng những vật liệu đó có thể truyền ánh sáng. Cho đến năm 1995, John M. Guerra đã chế tạo thành công cách tử trong suốt có bước sóng dưới bước sóng rộng 50 nanomet, mở đường cho việc hiện thực hóa kim loại.
Phạm vi ứng dụng của siêu vật liệu
Với việc nghiên cứu sâu hơn về siêu vật liệu, khả năng ứng dụng khoa học và công nghệ của những vật liệu này trở nên vô tận. Từ cảm biến siêu âm cải tiến trong các thiết bị thử nghiệm y tế đến liên lạc tần số cao trên chiến trường, siêu vật liệu tiếp tục thay đổi cuộc sống của chúng ta. Tương tự như vậy, những vật liệu này có những ứng dụng đầy hứa hẹn trong quản lý năng lượng mặt trời, công nghệ laser và xây dựng chống động đất.
Để giúp người đọc hiểu rõ hơn về các khái niệm này, các nhà nghiên cứu chia siêu vật liệu thành nhiều nhánh chính: siêu vật liệu sóng điện từ/ánh sáng, siêu vật liệu sóng khác và siêu vật liệu khuếch tán.
Đặc điểm của siêu vật liệu điện từ
Hoạt động của siêu vật liệu điện từ bị ảnh hưởng bởi cấu trúc vi mô của vật liệu, nhỏ hơn bước sóng của sóng bị ảnh hưởng. Các đặc tính bất thường của những siêu vật liệu này là do phản ứng cộng hưởng của từng thành phần gây ra chứ không phải do sự sắp xếp không gian của chúng. Sự cộng hưởng như vậy làm cho các tham số hiệu dụng của sóng điện từ (chẳng hạn như hằng số điện môi và độ thấm từ) thay đổi, đó là lý do tại sao siêu vật liệu có thể thể hiện tính độc đáo của chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Đặc biệt, siêu vật liệu có chiết suất âm được gọi là siêu vật liệu chiết suất âm (NIM), được đặc trưng bởi có cả hằng số điện môi âm và độ thấm từ âm. Cấu hình này cho phép các vật liệu này thể hiện ưu điểm trong việc kiểm soát hướng truyền sóng điện từ và nâng cao khả năng chụp ảnh.
Những thách thức và triển vọng trong tương lai
Mặc dù siêu vật liệu có phạm vi ứng dụng rộng rãi nhưng việc sản xuất và ứng dụng chúng vẫn gặp nhiều thách thức. Làm thế nào để khắc phục những hạn chế kỹ thuật hiện nay của cộng đồng vật liệu và thiết kế các siêu vật liệu có hiệu suất ổn định và chi phí chế tạo thấp vẫn là nhiệm vụ quan trọng đối với các nhà khoa học vật liệu hiện nay. Tuy nhiên, khi nghiên cứu tiến triển, siêu vật liệu sẽ mang đến nhiều đổi mới khoa học công nghệ bất ngờ hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của xã hội.
Trong bản thiết kế công nghệ tương lai, siêu vật liệu sẽ thay đổi hiểu biết của chúng ta về vật chất như thế nào?
