Tìm hiểu màu sắc ở cấp nano

Một số sinh vật biến màu linh hoạt nhất trong vương quốc động vật không có màu sắc nổi bật của chúng từ sắc tố. Thay vậy, cơ thể chúng phủ những cấu trúc vi mô điều chỉnh tinh vi cách chúng phản xạ ánh sáng.

Thông thường, khi nghĩ tới màu sắc, chúng ta hay nghĩ tới các sắc tố và chất nhuộm. Ảnh: Shutterstock

Nay những con vật này đang truyền cảm hứng cho một thế hệ mới của công nghệ nano.

Việc tìm hiểu tại sao các sinh vật này xuất hiện trong thiên nhiên, và cách chúng ta có thể học theo chúng, đã đem đến nguồn cảm xúc cho Sáng kiến Nghiên cứu Tem chuẩn Cảm hứng Sinh học của Đại học Melbourne; một dự án xét các nguyên lí nền tảng của các hệ thống sinh học và áp dụng chúng một cách sáng tạo cho công nghệ và thiết kế.

Từ những con bọ cánh cứng đến ngành công nghệ nano mới

Giáo sư Devi Stuart-Fox, một nhà nghiên cứu ở Khoa Sinh vật học, Đại học Melbourne, hiện đang nhìn vào thế giới màu sắc trong vương quốc động vật.

“Tôi giới thiệu một mẫu ví dụ nhé?” bà hỏi, tay chỉ một bộ sưu tập bọ cánh cứng vỏ lóng lánh màu sắc trên bàn trước mặt.

“Chúng tôi có rất nhiều con bọ cánh cứng óng ánh và phát ánh kim đến mức trông y hệt như gương soi, và câu hỏi là “tại sao thế?”

Trong khuôn khổ Sáng kiến Cảm ứng Sinh học, giáo sư Stuart-Fox đang hợp tác với giáo sư Ann Roberts ở Khoa Vật lí. Roberts đang nghiên cứu cách làm ra màu sắc có cấu trúc dành cho các ứng dụng công nghệ như các màn hiển thị nhỏ gọn hơn và các camera phân giải cao hơn.

Các bộ mặt của màu sắc

“Khi bạn nghĩ tới những vật có màu sắc, nói chung bạn thường nghĩ tới các màu dựa trên các sắc tố hay chất nhuộm,” giáo sư Roberts giải thích.

“Ở những vật liệu đó, các bước sóng khác nhau sẽ được hấp thu lọc lựa và các bước sóng khác sẽ bị phản xạ lại, và đây là cái chúng ta cảm nhận là màu sắc.”

Màu sắc có cấu trúc cho phép các hiệu ứng như sự óng ánh ngũ sắc.

Màu sắc có cấu trúc thì nhiều sắc thái hơn.

Bằng cách phủ một lớp vật liệu với các ma trận cấu trúc nano, người ta có thể điều chỉnh bề mặt của một vật liệu ứng với những bước sóng ánh sáng nhất định.

Xử lí được kích cỡ và hình dạng của những cấu trúc này đồng nghĩa là các nhà khoa học có thể làm thay đổi được việc một bề mặt tương tác với phần nào của quang phổ nhìn thấy.

Họ có thể điều chỉnh chính xác những bước sóng nào bị phản xạ, tạo ra những màu sắc cực kì thuần khiết, cũng như cho những bước sóng nào truyền qua, làm cho bề mặt ấy trong suốt với những màu được chọn hay với những phân cực nhất định của ánh sáng.

Một thế giới mới về màu sắc

So với các sắc tố, màu sắc có cấu trúc mở ra nhiều triển vọng.

“Với màu sắc có cấu trúc, bạn thu được những hiệu ứng quang học không có được với những màu sắc gốc sắc tố,” giáo sư Stuart-Fox giải thích.

Màu sắc có cấu trúc cho phép những hiệu ứng như sự óng ánh ngũ sắc, trong đó một bề mặt thay đổi màu sắc tùy thuộc vào góc nhìn.

Bạn có thể thấy hiệu ứng này trên bộ cánh chim ruồi. Hiệu ứng tương tự xảy ra với sự phản xạ màu cầu vồng bạn thấy trên mặt đáy đĩa CD và DVD, và nước sơn đổi màu trên xe hơi.

Song đề phức tạp

Thách đố cho các nhà sinh học như giáo sư Stuart-Fox là chỉ ra vì sao động vật sử dụng cách tạo màu phức tạp như vậy. Với một số bọ cánh cứng, cấu trúc lớp vỏ của chúng tạo ra một hiệu ứng tựa như gương soi.

Các nhà vật lí đang tìm cách khai thác các hiệu ứng cấu trúc cho các ứng dụng kĩ thuật. Ảnh: Shutterstock

“Một ý tưởng lí giải rằng chúng sáng bóng đến mức phản xạ cây lá xung quanh là để ngụy trang. Mặc dù trông chúng có thể dễ gây chú ý đấy, nhưng cách này thật sự hoạt động được,” bà nói.

“Lời giải thích khác cho rằng chim chóc và các động vật khác có thể dễ dàng nhận ra những kẻ óng ánh này, nhưng chúng sẽ tránh đi – chúng nghĩ “đó không phải thức ăn”. Nhưng cả hai ý tưởng này đều chưa được kiểm tra.”

Giáo sư Stuart-Fox đang bố trí một thí nghiệm quy mô đặt hàng trăm bản sao bọ cánh cứng trong rừng nhiệt đới và môi trường thoáng để kiểm tra và phân biệt giữa lí thuyết ngụy trang và lí thuyết tránh né.

Bà còn cho triển khai một nghiên cứu trên những người đeo thiết bị theo dõi mắt di động để xem cách ngụy trang của bọ cánh cứng trước con người có hiệu quả như thế nào.

Thiên nhiên truyền cảm hứng cho công nghệ mới

Trong khi các nhà sinh học nhìn vào các lợi ích tiến hóa của màu sắc có cấu trúc, thì các nhà vật lí như giáo sư Roberts đang tìm cách khai thác các hiệu ứng cấu trúc cho các ứng dụng kĩ thuật.

Một cách tạo ra màu sắc có cấu trúc trong phòng thí nghiệm là dùng electron khắc các họa tiết vào một vật liệu trong một quá trình gọi là in thạch bản chùm điện tử.

Nhưng cách này có thể tốn thời gian và đắt đỏ, và nó chỉ có thể dùng trên những mảnh vật liệu nhỏ.

“Thật ra chúng tôi đang nghiên cứu phát triển một cách rộng mở hơn,” Roberts nói.

Công trình của bà bao gồm việc tạo ra những cái khuôn tái sử dụng được dập cấu trúc lên trên plastic mềm, như thế sẽ hiệu quả hơn nhiều so với in thạch bản chùm điện tử trong việc phủ các lớp rộng. Nó cũng làm đơn giản hóa rất nhiều quá trình tạo màu.

Nếu chúng ta nhìn vào kĩ thuật in màu chuẩn, thì nó đòi hỏi xếp chồng vài lớp mực in khác nhau, đó là lí do vì sao máy in mực phun có nhiều hộp mực màu. Nhưng màu sắc có cấu trúc thì có thể đạt được kết quả giống vậy trong một lần dập.

Ảnh điểm nhỏ hơn cho độ phân giải cao hơn và công nghệ nhỏ gọn hơn. Ảnh: Shutterstock

Và, không giống như màu sắc gốc sắc tố, màu sắc có cấu trúc không mờ dần theo thời gian.

Tương lai của màu sắc

Mặc dù màu sắc có cấu trúc có thể có các công dụng thẩm mĩ, nhưng nghiên cứu của giáo sư Roberts là nhìn vào những ứng dụng giá trị hơn của công nghệ này, nó có thể cho phép chế tạo các camera phân giải cao hơn, màn hình ti vi và màn hình điện thoại cực mỏng.

Để đạt tới độ phân giải cao hơn, chúng ta cần làm cho các ảnh điểm (pixel) trong các dụng cụ này nhỏ hơn.

Các pixel sử dụng các bộ lọc đỏ, lục và lam để tạo ra màu sắc mà chúng ta thấy trên màn hình. Vì thế, kích cỡ pixel về cơ bản bị hạn chế bởi kích cỡ của các bộ lọc màu mà bạn có thể sản xuất.

Các bộ lọc gốc sắc tố trong các dụng cụ hiện nay thường dày vài micro mét. Nhưng với màu sắc có cấu trúc, giáo sư Roberts có thể chế tạo các bộ lọc mỏng hơn khoảng mười lần, chuyển sang cấp nano mét. Pixel nhỏ hơn cho phép độ phân giải cao hơn và công nghệ nhỏ gọn hơn.

Nghiên cứu mới đây của bà là tích hợp một bộ lọc màu sắc có cấu trúc trực tiếp vào một con chip silicon.

Điều này không những giúp bà chế tạo các bộ lọc nhỏ hơn, mà nó còn tránh được các khó khăn đi cùng với việc canh thẳng các bộ lọc sắc tố với các pixel ở cấp micro khi chế tạo.

Giáo sư Stuart-Fox cho biết ích lợi của màu sắc có cấu trúc là tính đa dạng của nó.

“Các cấu trúc sinh học có xu hướng phức tạp, thế nhưng chúng chỉ sử dụng một vài viên gạch cấu trúc cơ bản,” bà nói.

“Giờ thì chúng ta có khả năng chế tạo các cấu trúc và vật liệu phức tạp hơn, chúng ta có thêm năng lực thu hút vào sinh học như là một nguồn cảm hứng.”

Tham khảo: Evgeniy Panchenko et al. Ultracompact Camera Pixel with Integrated Plasmonic Color Filters, Advanced Optical Materials (2019). DOI: 10.1002/adom.201900893

Nguồn: PhysOrg.com

Bài trước | Bài kế tiếp