Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã phát triển thành công một loại vật liệu mềm dẻo có khả năng nhanh chóng thay đổi kết cấu bề mặt và màu sắc, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong những lĩnh vực như ngụy trang, nghệ thuật, robot và kỹ thuật sinh học ở cấp độ nano.

Bạch tuộc và mực nang từ lâu được biết đến như những “bậc thầy ngụy trang” của đại dương. Nhiều loài có thể nhanh chóng thay đổi cả màu sắc lẫn cấu trúc bề mặt da - một khả năng mà các nhà khoa học đã cố gắng tái tạo bằng vật liệu nhân tạo trong nhiều năm. Trong nghiên cứu công bố ngày 7/1 trên tạp chí Nature, các nhà khoa học Stanford đã tiến thêm một bước quan trọng với một vật liệu linh hoạt có thể phồng lên tạo ra nhiều kết cấu và màu sắc khác nhau chỉ trong vài giây, tạo nên các hoa văn có độ phân giải nhỏ hơn cả sợi tóc người.

Công nghệ này có thể dẫn đến các hệ thống ngụy trang động hiệu quả hơn, không chỉ cho con người mà cả các hệ thống robot. Ngoài ra, nó còn mở ra khả năng phát triển các màn hình mềm có thể đổi màu cho thiết bị đeo. Trong lĩnh vực nanophotonics, lĩnh vực nơi ánh sáng được điều khiển chính xác ở quy mô nano, vật liệu mới cũng có thể giúp thúc đẩy nhiều tiến bộ trong điện tử, mã hóa, sinh học và các lĩnh vực khác.

Theo các nhà khoa học, hiện chưa có hệ vật liệu nào khác vừa mềm, có thể trương nở mạnh và vẫn cho phép tạo hình cấu trúc ở cấp độ nano như vậy, vì thế tiềm năng ứng dụng của công nghệ này rất rộng.

Tạo ra các hoa văn có thể thay đổi

Để tạo ra kết cấu động trên vật liệu mềm, nhóm nghiên cứu đã kết hợp kỹ thuật quang khắc chùm electron (electron-beam lithography) thường dùng trong chế tạo bán dẫn với một lớp màng polymer có khả năng trương nở khi hấp thụ nước. Bằng cách chiếu chùm electron vào màng polymer, họ có thể điều chỉnh mức độ trương nở của từng vùng trên bề mặt. Nhờ đó, các hoa văn chi tiết chỉ xuất hiện khi màng được làm ướt.

Phát hiện rằng chùm electron có thể thay đổi khả năng hấp thụ nước của polymer và tạo ra các hoa văn màu sắc khác nhau ban đầu là một điều bất ngờ. Trong một dự án trước đó, nhà nghiên cứu Siddharth Doshi đã dùng kính hiển vi điện tử quét để quan sát các cấu trúc nano trên một lớp polymer. Thông thường các mẫu sau khi chụp ảnh sẽ bị bỏ đi, nhưng lần này ông quyết định tái sử dụng chúng. Khi thử nghiệm lại, các vùng đã được chiếu electron trước đó phản ứng khác đi và hiển thị màu sắc khác. Từ đó, nhóm nghiên cứu nhận ra rằng chùm electron có thể được dùng để điều khiển địa hình bề mặt vật liệu ở quy mô cực nhỏ.

Kỹ thuật tạo hình này chính xác đến mức nhóm nghiên cứu đã tạo ra một mô hình nano của khối đá El Capitan tại Công viên quốc gia Yosemite. Khi khô, lớp màng hoàn toàn phẳng; nhưng khi thêm nước, hình dạng khối đá nổi lên khỏi bề mặt. Nhóm cũng tạo ra các cấu trúc bề mặt tinh vi có thể thay đổi cách ánh sáng tán xạ tùy theo lượng nước trong màng, tạo ra hiệu ứng bề mặt từ bóng loáng đến mờ, thậm chí chân thực hơn nhiều màn hình điện thoại hay máy tính hiện nay. Khi thêm dung môi giống rượu để loại bỏ nước, các màng polymer lại trở về trạng thái phẳng ban đầu.

Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh rằng cùng kỹ thuật này có thể tạo ra các mẫu màu sắc phức tạp có thể bật tắt. Họ phủ các lớp kim loại mỏng lên hai mặt của màng polymer để tạo thành bộ cộng hưởng Fabry-Pérot, một cấu trúc có thể chọn lọc các bước sóng ánh sáng nhất định tùy theo khoảng cách giữa hai lớp kim loại. Khi màng polymer trương nở với độ dày khác nhau, nó sẽ hiển thị các màu sắc khác nhau. Nhờ vậy, chỉ từ một tấm vật liệu đơn sắc ban đầu, với sự kết hợp thích hợp giữa nước và dung môi, bề mặt có thể biến thành một mạng lưới các đốm màu rực rỡ.

Theo các nhà nghiên cứu, việc có thể điều khiển độ dày và địa hình bề mặt của polymer theo thời liệu cho phép tạo ra một phổ màu sắc và kết cấu rất phong phú, mở ra những công cụ hoàn toàn mới trong quang học để kiểm soát cách các vật thể hiển thị trước mắt người quan sát.

Khả năng ứng dụng trong tương lai

Khi kết hợp nhiều lớp vật liệu thành một thiết bị nhiều tầng, nhóm nghiên cứu đã có thể điều khiển đồng thời cả màu sắc và kết cấu, giúp vật liệu ngụy trang theo hoa văn nền gần giống như cách bạch tuộc làm được.

Hiện tại, để đạt được màu sắc và kết cấu phù hợp với môi trường xung quanh, các nhà khoa học vẫn phải điều chỉnh thủ công lượng nước và dung môi. Trong tương lai, họ dự định tích hợp hệ thống thị giác máy tính có thể tự động phân tích môi trường xung quanh và điều chỉnh mức độ trương nở của vật liệu để hòa trộn với nền.

Ngoài lĩnh vực ngụy trang, nhóm nghiên cứu cũng quan tâm đến các ứng dụng khác. Ví dụ, việc thay đổi kết cấu bề mặt ở quy mô nhỏ có thể tăng hoặc giảm ma sát, giúp robot nhỏ bám chặt vào bề mặt hoặc trượt qua nó. Các cấu trúc nano này cũng có thể ảnh hưởng đến cách tế bào phản ứng, mở ra những ứng dụng tiềm năng trong kỹ thuật sinh học. Ngoài ra, các nhà khoa học thậm chí đang hợp tác với các nghệ sĩ tại Stanford để tạo ra những tác phẩm nghệ thuật sử dụng chính loại vật liệu này.

Theo nhóm nghiên cứu, việc có thể điều khiển các đặc tính của vật liệu mềm ở khoảng cách chỉ vài micron đã trở thành hiện thực, và điều này có thể mở ra nhiều hướng phát triển công nghệ đầy hứa hẹn trong tương lai.

P.A (theo Stanford)