Vẽ bằng ống nano carbon mà không phải xoá đi chín phần mười

Hãy thử tưởng tượng bạn được giao vẽ một chữ W bằng bột vàng. Cách làm duy nhất bạn được phép dùng là: rắc vàng phủ kín cả tờ giấy, rồi lấy hoá chất tẩy sạch mọi chỗ không phải chữ W. Chữ W hiện ra thật, nhưng phần vàng bị tẩy đi nhiều gấp mấy lần phần còn lại. Nghe vô lý đúng không? Vậy mà suốt nhiều năm, đó gần như là cách duy nhất người ta tạo hình cho một trong những vật liệu đắt đỏ nhất của công nghệ hiện nay. Câu hỏi đặt ra rất đơn giản: có cách nào vẽ mà không phải xoá không?

Đóng bớt lỗ, thay vì tẩy bớt vật liệu

Một nhóm nghiên cứu ở Skoltech (Nga), cùng đồng nghiệp từ Harbin Institute of Technology (Trung Quốc) và ITMO University (Nga), vừa công bố trên tạp chí Light: Advanced Manufacturing một cách làm khác hẳn.

Thứ họ muốn tạo hình là ống nano carbon đơn vách (single-walled carbon nanotube). Bạn có thể hình dung nó như một tấm lưới carbon dày đúng một lớp nguyên tử, cuộn tròn lại thành ống cực nhỏ. Loại ống này dẫn điện tốt, dẻo, và mỏng tới mức ánh sáng đi xuyên qua được. Vấn đề là muốn dùng nó trong một thiết bị, người ta phải xếp nó thành hoa văn có hình dạng chính xác, chứ không phải một mảng liền.

Cách cũ là phủ một lớp màng liền rồi ăn mòn (etching) bỏ phần thừa. Theo Dmitry Krasnikov, phó giáo sư tại Skoltech Photonics và đồng tác giả nghiên cứu, cách đó có thể làm mất tới chín phần mười lượng ống nano. Tệ hơn nữa, hoá chất ăn mòn còn làm hỏng chất lượng của phần ống nano được giữ lại.

Cách mới bắt đầu từ một vật rất tầm thường: một tấm màng lọc nitrocellulose, loại màng lọc quen thuộc trong phòng thí nghiệm sinh học. Tấm màng ấy đầy những lỗ li ti thông từ mặt này sang mặt kia. Nhóm nghiên cứu lấy một khuôn kim loại cắt bằng laser, mang hình âm bản của hoa văn cần vẽ, nung nóng rồi ép mạnh lên màng. Lực ép khoảng 200 megapascal, tính ra gần 2.000 lần áp suất không khí quanh bạn. Ở những chỗ bị ép, các lỗ nhỏ bẹp lại và bít kín.

Sau đó là bước tài tình. Ống nano carbon được thổi tới dưới dạng sol khí, nghĩa là những hạt cực nhỏ lơ lửng trong một dòng khí, giống như bụi trong nắng. Dòng khí đó được cho đi xuyên qua tấm màng. Chỗ nào lỗ còn thông thì khí lọt qua và ống nano đọng lại. Chỗ nào lỗ đã bít thì khí không qua được, nên ống nano cũng không đọng. Hoa văn hiện ra ngay từ lượt đầu tiên, không phải xoá bất cứ thứ gì.

Vì sao mẹo này lại chạy được

Bí mật nằm ở chỗ ống nano carbon đơn vách nhẹ đến mức quán tính của nó gần như bằng không. Quán tính là cái làm bạn chúi người về trước khi xe phanh gấp: vật càng nặng càng muốn giữ nguyên đà cũ. Ống nano nhẹ tới mức không có cái đà ấy. Nó không lao thẳng theo hướng cũ mà ngoan ngoãn trôi theo dòng khí, khí rẽ đâu thì nó theo đó.

Giáo sư Albert Nasibulin, người đứng đầu Skoltech Photonics, tóm gọn ý tưởng: chỉ cần đóng bớt những lỗ không cần dùng, rồi để chính dòng khí vẽ ra hoa văn. Nói cách khác, thay vì cố đặt từng hạt vật liệu vào đúng chỗ, họ điều khiển đường đi của dòng chảy và để vật liệu tự rơi xuống đúng nơi.

Điều đó đổi được ba thứ thật sự đáng kể. Thứ nhất, không mất chín phần mười vật liệu đắt tiền. Thứ hai, vì không dùng hoá chất ăn mòn và không đưa thêm dung môi lạ vào màng, ống nano giữ nguyên chất lượng và không cần xử lý thêm sau đó. Thứ ba, tấm màng đã ép trở thành một khuôn bền, dùng đi dùng lại nhiều lần; qua các lượt thử, tính chất quang của màng ống nano chỉ chênh nhau vài phần trăm.

Ở một phiên bản trước, nhóm từng chặn vùng không cần bằng cách phủ đồng lên màng. Cách đó buộc hoa văn phải liền một mạch, không được có chi tiết tách rời, và một phần đồng còn bám vào ống nano làm giảm chất lượng. Bỏ đồng đi, cả hai rắc rối cùng biến mất.

Để làm gì, cho ai

Nhóm đã làm thử hai thiết bị. Cái thứ nhất là một cảm biến biến dạng: hoa văn ống nano hình chữ W đặt trên đế epoxy, một loại nhựa cứng. Khi miếng nhựa bị kéo căng, độ dẫn điện của hoa văn thay đổi, và thiết bị "biết" là vật đang chịu lực. Mức thay đổi này lớn hơn ít nhất 3 lần so với các cảm biến tương tự làm bằng cách thông thường, và sau 3.000 lần kéo rồi thả, phản hồi vẫn ổn định.

Chuyện đó có nghĩa gì với một người bình thường? Cảm biến kiểu này có thể gắn vào cánh máy bay hay trụ cầu để báo sớm khi vật liệu bắt đầu mỏi, trước lúc mắt người nhìn thấy vết nứt. Nó không phải một con số đẹp trong bài báo, nó là thứ giữ an toàn cho hành khách trên máy bay và cho người đi qua cầu.

Thiết bị thứ hai là một hoa văn hình xoắn ốc chuyển lên màng elastomer mỏng, tức là màng co giãn được như cao su. Nó hoạt động như một thấu kính cho sóng terahertz, loại sóng vô hình nằm giữa ánh sáng hồng ngoại và sóng vi ba. Kéo giãn màng là đổi được chỗ hội tụ của sóng, không cần thay nguồn phát hay đầu thu.

Thử ở nhà, bằng một tờ giấy lọc

Bạn có thể bắt chước nguyên lý này ngay trong bếp. Lấy một tờ giấy lọc cà phê, đặt lên mặt phẳng cứng, rồi lấy chuôi thìa ấn thật mạnh lên vài chỗ cho sợi giấy bẹp lại. Sau đó rót từ từ nước pha màu lên tờ giấy. Hãy quan sát: nước thấm qua chỗ nào, đọng lại ở chỗ nào, và hình vẽ hiện ra có giống chỗ bạn ấn không.

Bạn không hề chỉ huy từng giọt nước. Bạn chỉ đổi đường đi của dòng chảy.

Vậy còn thứ gì quanh bạn đang được "vẽ" theo cách đó mà bạn chưa để ý? Vết cát trên bãi biển, hình bụi trên cánh quạt, những đường mòn người ta giẫm tắt qua bãi cỏ. Khi nào thì việc điều khiển dòng chảy dễ hơn việc xếp đặt từng thứ một?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.