Các màng mỏng MXene tạo ra màu sắc cấu trúc sáng hơn, dễ điều chỉnh hơn và có dải màu rộng hơn so với các vật liệu thông thường, mở ra khả năng tạo ra các lớp phủ hiệu suất cao có thể sản xuất hàng loạt cho các ứng dụng cảm biến, màn hình và các tính năng bảo mật.

Hãy thử nghiêng một tờ tiền hiện đại dưới ánh sáng, bạn sẽ thấy màu sắc của nó có những thay đổi lấp lánh. Những hiệu ứng này không được tạo ra bởi bột màu mà bởi các lớp vi mô có khả năng điều khiển chính ánh sáng. Đây được gọi là màu cấu trúc. Nó hoạt động bằng cách kiểm soát cách ánh sáng phản xạ và giao thoa trên các bề mặt được thiết kế ở quy mô nano. Loại màu này bền hơn thuốc nhuộm, khó làm giả hơn và có thể tạo ra những hiệu ứng mà bột màu thông thường không thể làm được.

Tuy nhiên, việc tạo ra màu cấu trúc trong phòng thí nghiệm không hề đơn giản. Hầu hết các thiết kế đều dựa vào các lớp kim loại và vật liệu trong suốt được xếp chồng lên nhau một cách cẩn thận để kiểm soát cách ánh sáng được hấp thụ và phản xạ. Các hệ thống này phụ thuộc vào độ dày và đặc tính vật liệu chính xác để chọn lọc các bước sóng cụ thể. Kết quả thường không như mong đợi: màu sắc có thể trông rực rỡ nhưng lại bị tối, hoặc có thể sáng nhưng chỉ hiển thị được một dải màu hẹp.

Thách thức nằm ở sự cân bằng về mặt quang học. Kim loại phản xạ ánh sáng rất mạnh nhưng lại thiếu khả năng hấp thụ chọn lọc. Vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng chính xác hơn nhưng lại tán xạ hoặc làm suy yếu ánh sáng theo những cách làm giảm độ trong của màu. Cả hai loại vật liệu này đều khó chế tạo trên diện tích lớn bằng các phương pháp chi phí thấp.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials cho thấy các nhà nghiên cứu đã đã có một cách tiếp cận khác. Các tác giả sử dụng một loại vật liệu hai chiều gọi là MXene để tạo ra các lớp phủ màng mỏng có khả năng phản chiếu màu sắc tươi sáng, có thể điều chỉnh trên một phổ rộng. Những vật liệu này được cấu tạo từ các hợp chất cacbua và nitrua kim loại chỉ dày vài nguyên tử. Đặc tính quang học của chúng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi thành phần, cấu trúc và hóa học bề mặt. Điều này cho phép chúng hấp thụ và phản xạ ánh sáng theo những cách đặc biệt mà các vật liệu thông thường khó có thể đạt được.

Các tác giả đã xây dựng một lớp phủ ba lớp. Lớp trên cùng là một màng mỏng MXene giúp hấp thụ ánh sáng trong một phạm vi có kiểm soát. Bên dưới nó là một lớp đệm trong suốt làm bằng silicon dioxide. Ở lớp đế là một màng nhôm phản quang. Ánh sáng đi vào cấu trúc này sẽ phản xạ nhiều lần giữa các lớp. Một số bước sóng nhất định sẽ tăng cường lẫn nhau trong khi những bước sóng khác bị triệt tiêu, tạo ra màu sắc có thể nhìn thấy thông qua hiện tượng giao thoa.

Điểm mấu chốt nằm ở cách lớp MXene tương tác với ánh sáng. Các vật liệu được sử dụng—Ti₃C₂Tₓ, Ti₂CTₓ, và Nb₂CTₓ—có chỉ số khúc xạ gần tương đương với hệ số tắt dần (khả năng hấp thụ ánh sáng) của chúng trên toàn bộ phổ ánh sáng nhìn thấy. Chỉ số khúc xạ mô tả mức độ ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua vật liệu.

Hệ số tắt dần mô tả lượng ánh sáng bị hấp thụ. Khi các giá trị này tương đương nhau, vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng một cách đồng đều trên mọi bước sóng, không tạo ra các biến dạng hay sự thay đổi màu sắc không mong muốn. Sự cân bằng này tạo ra những màu sắc rõ nét, có độ bão hòa cao và vẫn giữ được độ sáng ngay cả khi thay đổi.

Để đo lường hiệu suất của các màng MXene, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đo lường elip phổ và tính toán đầu ra màu sắc của chúng trên biểu đồ sắc độ CIE 1931, một biểu đồ biểu diễn tất cả các màu mà mắt người có thể nhìn thấy. Các lớp phủ này bao phủ gần 88% không gian màu sRGB. Con số này rộng hơn những gì các vật liệu hấp thụ thông thường như titan, crom hay titan nitrua có thể đạt được trong các cấu hình tương tự. Trong một số trường hợp, dải màu còn vượt ra ngoài toàn bộ không gian sRGB.

Độ phản xạ cũng rất mạnh. Các lớp phủ dựa trên MXene tạo ra giá trị phản xạ đỉnh gần 0.9. Đây là một con số cao bất thường đối với các hệ thống màu cấu trúc, nơi mà sự hấp thụ mạnh thường làm giảm độ sáng. Các lớp phủ này vẫn duy trì độ sáng này ngay cả khi độ dày của lớp silicon dioxide thay đổi. Sự thay đổi trong lớp này làm dịch chuyển bước sóng phản xạ, tạo ra các màu sắc khác nhau mà không làm ảnh hưởng đến cường độ.

Các tác giả cũng đã kiểm tra xem việc thay đổi độ dày của lớp MXene ảnh hưởng đến hiệu suất màu sắc như thế nào. Khi màng dày hơn, vật liệu hấp thụ nhiều ánh sáng hơn, làm dịch chuyển màu sắc phản xạ về phía các bước sóng dài hơn. Điều này đã thay đổi màu sắc từ vàng sang đỏ rồi sang tím. Tuy nhiên, vượt qua một điểm nhất định, độ sáng bắt đầu giảm.

Độ dày khoảng 20 nanomet được chứng minh là tối ưu, mang lại cả độ sắc nét (chroma) mạnh và độ phản xạ cao. Ở độ dày lớn hơn, màng truyền ít ánh sáng hơn và tạo ra màu sắc đậm hơn nhưng độ sáng lại giảm đi.

Nhóm nghiên cứu đã khảo sát cách góc nhìn ảnh hưởng đến sự xuất hiện của các lớp phủ. Vì hiệu ứng giao thoa phụ thuộc vào độ dài đường đi của ánh sáng, vốn thay đổi theo góc, nên màu cấu trúc thường thay đổi theo hướng của ánh sáng tới. Các lớp phủ MXene cũng tuân theo quy luật này. Ở các góc nhìn hẹp (gần trực diện), màu sắc vẫn ổn định. Khi góc tăng từ 10 đến 60 độ, bước sóng phản xạ bị dịch chuyển.

Dưới cả ánh sáng phân cực s và phân cực p, các lớp phủ đều tạo ra những thay đổi rõ rệt và có thể dự đoán được về màu sắc. Hiện tượng này hoàn toàn khớp với kết quả mô phỏng và xác nhận khả năng điều chỉnh màu sắc theo góc của các màng này.

Để chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của phương pháp, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một số sản phẩm minh họa. Chúng bao gồm một mẫu hoa văn với các ký hiệu đầy màu sắc trên một tấm wafer, các chữ cái được viết tay bằng mực MXene, và các màng diện tích lớn được phủ trên nhựa dẻo. Một hoa văn hình con tắc kè hoa đã được tạo ra bằng cách kết hợp cả ba loại MXene, mỗi loại tạo ra một phần khác nhau trong phổ màu. Những sản phẩm này vẫn duy trì được màu sắc và độ phản xạ sau 180 ngày lưu trữ. Không có sự suy giảm đáng kể nào được quan sát.

Các lớp phủ được tạo ra bằng kỹ thuật phun phủ và ứng dụng mực. Đây là những kỹ thuật đơn giản và tương thích với quy trình sản xuất hàng loạt, chi phí thấp. Các lớp nhôm và silicon dioxide bên dưới được lắng đọng bằng các phương pháp tiêu chuẩn. Quá trình này không đòi hỏi kỹ thuật in thạch bản (lithography) hay tạo hoa văn ở quy mô nano.

Đây là một lợi thế quan trọng so với các hệ thống màu cấu trúc khác, vốn thường yêu cầu các kỹ thuật chế tạo phức tạp để đạt được hiệu suất quang học tương đương.

Các tác giả lưu ý rằng độ bền lâu dài trong môi trường vẫn là một vấn đề cần quan tâm. Việc tiếp xúc với độ ẩm và nhiệt độ có thể làm suy giảm các đặc tính quang học của MXene theo thời gian. Tuy nhiên, kết quả cho thấy việc tiếp tục cải tiến chất lượng và thành phần của MXene có thể kéo dài độ bền và hiệu suất của chúng trong một phạm vi điều kiện rộng hơn.

Nghiên cứu này chứng minh rằng MXene cung cấp một nền tảng thực tiễn và linh hoạt cho kỹ thuật tạo màu cấu trúc. Các đặc tính quang học của chúng, kết hợp với sự dễ dàng trong gia công, đã tạo ra màu sắc sống động, thay đổi theo góc nhìn với khả năng điều chỉnh rộng và độ sáng cao. Những đặc tính này làm cho chúng trở nên phù hợp cho các ứng dụng trong cảm biến, màn hình, chống hàng giả và thiết kế trực quan, nơi mà màu sắc đòi hỏi phải vừa chính xác vừa đáng tin cậy.

P.T.T (NASTIS), theo Nanowerk News, 10/2025