Bướm Papilio blumei phản xạ màu sắc với hiệu ứng đẹp lộng lẫy. Ảnh: Mathias Kolle
Thế giới loài vật thường trình diễn các “màu sắc cấu trúc” lộng lẫy có thể điều khiển ánh sáng theo một số kiểu kì lạ và kì diệu. Một nét đẹp như vậy là Papilio blumei, một loài bướm quê hương ở Indonesia, loài có đôi cánh có thể làm chủ việc kết hợp ánh sáng lục và lam trong những hỗn hợp khác nhau tùy thuộc vào góc bạn nhìn. Hiệu ứng đặc biệt này nay đã được bắt chước bởi một nhóm nhà nghiên cứu ở Anh, họ cho biết các màu sắc cấu trúc nhân tạo của họ có thể thêm vào các giấy tờ tài chính để tránh giả mạo.
Thoạt nhìn, đôi cánh của Papilio blumei có vẻ bị át hẳn bởi những vùng màu lục sáng. Tuy nhiên, nhìn gần hơn sẽ thấy đôi cánh lốm đốm những hốc có màu vàng ở giữa, ngả dần sang màu lam ở rìa ngoài. Ánh sáng từ phần giữa của hốc bị phản xạ trực tiếp còn ánh sáng chạm tới phần rìa ban đầu bị lệch về phía cấu trúc con trong hốc, chúng gồm xen kẽ những lớp biểu bì và không khí. Khi sau cùng nó xuất hiện trở lại, ánh sáng trên bị phân cực một phần và gồm một hỗn hợp các bước sóng, tạo ra hiệu ứng màu sắc cấu trúc.
Cơ chế của sự pha trộn màu sắc này được trình bày chi tiết một hai bài báo công bố hồi năm 2000 và 2001 với cùng một tác giả Pete Vukusic tại trường đại học Exeter. Mười năm sau, Vukusic đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại trường đại học Cambridge để tái tạo hiệu ứng trên trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu đã cấy các quả cầu plastic, với đường kính chỉ 5 µm, vào một chất nền silicon tráng vàng, trước khi thổi chúng ra bằng kĩ thuật khắc siêu âm. Thao tác này để lại một số chỗ trũng trên bề mặt vàng, bắt chước các hốc cánh của bướm. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng kĩ thuật lắng lớp nguyên tử để chồng 11 lớp xen kẽ alumina và titania, tái tạo các cấu trúc đa lớp bên trong các hốc cánh bướm. Mỗi lớp titania dày xấp xỉ 60 nm và mỗi lớp alumia dày xấp xỉ 80 nm, trong đó các cỡ được chọn để phù hợp với dải phản xạ màu lục-vàng của bướm Papilio blumei.
Jeremy Baumberg, một trong các nhà nghiên cứu làm việc tại trường đại học Cambridge, cho biết họ đã mất 10 năm để tái tạo hiệu ứng trên vì bản chất phức tạp của cấu trúc hốc. Tuy nhiên, ông phát biểu bằng quá trình tạo dựng của đội của có thể tăng quy mô dễ dàng để sản xuất những lượng lớn vật liệu tạo ra những hiệu ứng hòa trộn màu sắc này. Ông nói hiệu ứng trên có thể tái tạo sử dụng các vật liệu rẻ hơn và lí do duy chỉ sử dụng vàng là vì nhóm nghiên cứu của ông còn quan tâm đến plasmon học, một lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến sự tương tác của ánh sáng với các kim loại.
Nếu những vật liệu có cấu trúc này có thể sản xuất hàng loạt, thì chúng có thể dùng để chống giả mạo vì nhiều khoản mục ngày nay đòi hỏi một số loại đánh dấu chính thức, từ các giấy tờ ngân hàng và thẻ tín dụng cho đến vé xem các sự kiện lớn. Baumberg tin rằng các khoản mục được đánh dấu các màu sắc có cấu trúc có thể mang lại sự bảo mật chặt chẽ hơn so với một số phương pháp đã có, thí dụ như đánh dấu nước và ảnh toàn kí, những phương pháp đã trở nên dễ giả mạo hơn trong những năm gần đây. “Sự khác biệt là ở chỗ quá trình của chúng tôi là từ-dưới-lên – biểu hiện cuối cùng của các màu được biến đổi bởi những sai khác tinh vi trong thủ tục sản xuất ban đầu. Các công nghệ từ-trên-xuống như ảnh toàn kí có thể khá quy củ và do đó dễ bắt chước hơn”.
Kĩ thuật chế tạo mẫu sao lại màu sắc cấu trúc của bướm Papilio blumei. a) Lắng các chất keo polystyrene lên trên một chất nền silicon tráng vàng. b) Nuôi cấy platinum hoặc vàng trong các khe của ma trận chất keo bằng mạ điện. Việc lắng kim loại dừng lại khi bề dàu của màng lắng bằng với bán kính quả cầu chất keo. c) Loại các quả cầu polystyrene ra khỏi chất nền bằng siêu âm trong acetone. d) Thổi một màng carbon mỏng và ALD khỏi một chồng gồm 11 lớp xen kẽ TiO2 và Al2O3 (các mũi tên chỉ hướng dòng khí). e,f) Trong lộ trình thứ hai, các hạt chất keo tan chảy để phủ lên các hốc một màng đồng đều (e) bọc bởi một đa lớp TiO2-Al2O3 (f). (Ảnh: Mathias Kolle)
Vẫn không rõ lắm làm thế nào bướm Papilio blumei làm chủ việc phát triển các màu sắc có cấu trúc của nó, một phần vì cho đến nay các nhà nghiên cứu chưa có các kĩ thuật hiển vi để thu được cái nhìn chi tiết của cái đang diễn ra khi con bướm trẻ lớn lên bên trong kén của nó. Baumberg và đội của ông đang quan tâm khảo sát câu hỏi này, nhưng họ cũn quan tâm đến những loài động vật và thực vật khác có cơ thể có các màu sắc cấu trúc. Có nhiều thí dụ khác, như vỏ bọ cánh cứng và mắt tôm, trong đó các nhà sinh vật học tiến hóa tin rằng các động vật có thể đã phát triển khả năng phân cực ánh sáng thành một kĩ năng để sống sót.
Nghiên cứu này công bố trên tờ Nature Nanotechnology.
- Nguyễn Vi Na (theo physicsworld.com)
