Quá trình tiến hóa của các mẫu màu trong mẫu da quang tử mềm. Nguồn: Siddharth Doshi, Đại học Stanford.

Bạch tuộc và mực nang nổi tiếng với khả năng hòa mình hoàn hảo vào môi trường xung quanh. Chúng có thể nhanh chóng thay đổi cả màu sắc và kết cấu da, một khả năng mà các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng tái tạo trong các vật liệu nhân tạo.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Stanford báo cáo một bước tiến lớn. Trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Nature, họ mô tả một vật liệu linh hoạt có thể nhanh chóng thay đổi các hoa văn và màu sắc bề mặt, tạo thành các chi tiết nhỏ hơn cả sợi tóc người.

“Kết cấu bề mặt đóng vai trò quan trọng trong cách chúng ta cảm nhận các vật thể, cả về hình thức lẫn cảm giác,” Siddharth Doshi, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Stanford và là tác giả chính của bài báo, cho biết. “Những loài động vật này có thể thay đổi cấu trúc cơ thể ở mức độ gần như vi mô, và giờ đây chúng ta có thể kiểm soát động học hình thái bề mặt của vật liệu - và các đặc tính thị giác liên quan đến nó - ở cùng mức độ này.”

Sự đổi mới này có thể dẫn đến việc cải thiện hệ thống ngụy trang cho cả con người và robot, cũng như màn hình linh hoạt thay đổi màu sắc cho các thiết bị đeo được. Nó cũng mở ra những cánh cửa mới trong lĩnh vực quang học nano, một lĩnh vực tập trung vào việc kiểm soát ánh sáng ở quy mô rất nhỏ để sử dụng trong điện tử, mã hóa và sinh học.

"Không có hệ thống nào khác vừa mềm mại, vừa có khả năng trương nở, lại vừa có thể tạo hình ở cấp độ nano như thế này", Nicholas Melosh, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, đồng thời là tác giả chính của bài báo, cho biết. "Bạn có thể hình dung ra vô số ứng dụng khác nhau."

Cách vật liệu tạo ra các họa tiết động

Để tạo ra những kết cấu thay đổi liên tục này, nhóm nghiên cứu đã kết hợp kỹ thuật khắc quang điện tử (electron-beam lithography), một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chất bán dẫn, với một màng polymer phản ứng với nước. Khi tiếp xúc với chùm tia điện tử hội tụ, các vùng cụ thể của màng sẽ trở nên thấm hút nhiều hoặc ít hơn. Khi vật liệu hấp thụ nước, những vùng đó sẽ trương nở khác nhau, tạo thành các hoa văn phức tạp chỉ xuất hiện khi màng ướt.

Phát hiện quan trọng đến một cách bất ngờ. Trong một thí nghiệm trước đó, Doshi đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét để kiểm tra cấu trúc nano trên màng polymer. Thay vì vứt bỏ các mẫu sau đó, ông đã tái sử dụng chúng. Trong các thử nghiệm sau này, các vùng đã từng tiếp xúc với chùm tia điện tử có phản ứng khác biệt và hiển thị các màu sắc riêng biệt.

"Chúng tôi nhận ra rằng mình có thể sử dụng các chùm tia điện tử này để kiểm soát địa hình ở quy mô rất nhỏ," Doshi nói. "Đó chắc chắn là một sự tình cờ may mắn."

Từ bề mặt phẳng đến cấu trúc 3D

Độ chính xác của kỹ thuật này cho phép tạo ra những chi tiết đáng kinh ngạc. Các nhà nghiên cứu thậm chí còn tạo ra một phiên bản thu nhỏ của El Capitan ở Yosemite. Khi khô, bề mặt hoàn toàn phẳng. Khi thêm nước vào, cấu trúc nổi lên khỏi lớp màng, tạo thành hình dạng ba chiều.

Bằng cách điều chỉnh cẩn thận độ trương nở của vật liệu, nhóm nghiên cứu cũng có thể kiểm soát cách nó phản chiếu ánh sáng. Điều này cho phép chuyển đổi giữa bề mặt bóng và mờ, tạo ra hiệu ứng hình ảnh vượt trội so với những màn hình hiện tại. Quá trình này có thể đảo ngược. Thêm dung môi giống như cồn sẽ loại bỏ nước và đưa vật liệu trở lại trạng thái phẳng ban đầu.

Phương pháp tương tự cũng có thể tạo ra các mẫu màu phức tạp. Bằng cách đặt các lớp kim loại mỏng ở cả hai mặt của polyme, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các cấu trúc được gọi là bộ cộng hưởng Fabry-Pérot, có khả năng chọn lọc các bước sóng ánh sáng cụ thể. Khi màng phim giãn nở hoặc co lại, nó sẽ hiển thị các màu sắc khác nhau. Với tỷ lệ nước và dung môi phù hợp, một bề mặt đơn giản có thể biến thành một loạt các mẫu màu rực rỡ.

"Bằng cách điều khiển linh hoạt độ dày và cấu trúc bề mặt của màng polymer, bạn có thể tạo ra rất nhiều màu sắc và kết cấu đẹp mắt," Mark Brongersma, Giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, đồng thời là tác giả chính của bài báo, cho biết. "Việc sử dụng các vật liệu mềm có thể giãn nở, co lại và thay đổi hình dạng mở ra một bộ công cụ hoàn toàn mới trong lĩnh vực quang học để điều khiển hình ảnh của mọi vật."

Ứng dụng tương lai trong ngụy trang và robot

Khi kết hợp nhiều lớp màng này, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh độc lập cả màu sắc và kết cấu, cho phép vật liệu hòa quyện vào môi trường xung quanh theo cách tương tự như bạch tuộc (mặc dù cần phải thử nghiệm nhiều lần).

Hiện tại, việc khớp màu nền đòi hỏi phải điều chỉnh thủ công lượng nước và dung môi. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tự động hóa quy trình này bằng cách bổ sung hệ thống thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo có khả năng phân tích môi trường xung quanh và điều chỉnh vật liệu trong thời gian thực.

"Chúng tôi muốn có thể kiểm soát điều này bằng mạng lưới thần kinh - về cơ bản là một hệ thống dựa trên trí tuệ nhân tạo - có thể so sánh làn da và môi trường xung quanh, sau đó tự động điều chỉnh để phù hợp trong thời gian thực, mà không cần sự can thiệp của con người," Doshi nói.

Những khả năng mới

Các ứng dụng tiềm năng của vật liệu này vượt xa lĩnh vực ngụy trang. Việc kiểm soát chính xác kết cấu bề mặt có thể giúp điều chỉnh ma sát, cho phép các robot nhỏ có thể bám vào bề mặt hoặc trượt trên chúng. Ở cấp độ nano, những thay đổi về cấu trúc cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào, mở ra những ứng dụng khả thi trong kỹ thuật sinh học. Nhóm nghiên cứu thậm chí còn đang hợp tác với các nghệ sĩ để khám phá những cách sử dụng sáng tạo cho vật liệu này.

"Cuối cùng thì việc thay đổi nhỏ các đặc tính của vật liệu mềm ở khoảng cách micromet đã trở nên khả thi, điều này sẽ mở ra vô vàn khả năng," Melosh nói. "Tôi nghĩ sẽ có rất nhiều điều thú vị sắp xảy ra."