Vật liệu tàng hình

Tìm hiểu về vật liệu tàng hình: nguyên lý, sự phát triển ở hiện tại tương lai và thách thức

Vật liệu tàng hình

- Màu sắc từ đâu mà ra?

Liệu màu sắc có phải là thuộc tính của vạn vật trong tự nhiên như một thực tại kháchquan?

Câu trả lời là KHÔNG.

Đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím chỉ là những cái tên con người đặt ra để phân biệtcảm nhận của mình về sự tương tác của ánh sáng với vật chất Không một màu nào tồntại khách quan trong tự nhiên

Ánh sáng là một dạng năng lượng có tính nhị nguyên: vừa là hạt lại vừa là sóng điện từvới các bước sóng khác nhau[1] Ánh sáng tự nó không có màu sắc Phổ sóng điện từ rấtrộng, trải dài từ các sóng radio có bước sóng cỡ hàng trăm ngàn km, tới các sóng tia X,tia gamma với bước sóng ngắn hơn 1 phần ngàn tỉ meter (10-12 m, hay 1 phẩn ngànnanometer, nm) Trong dải phổ sóng điện từ với những bước sóng dài bát ngát đó, phầnphổ của ánh sáng mắt người có thể nhìn thấy chỉ chiếm một phần không đáng kể, từ 780

nm xuống tới 380 nm

- Vì sao chúng nhìn thấy vật thể, màu sắc ?

- Ta nhìn thấy vật thể do ánh sáng của vật thể phản chiếu vào mắt ta nên ta nhìnthấy được hình giáng và màu sắc của vật thể

Hoa fuchsia

- Ví dụ đóa hoa fuchsia có màu magenta vì khi ánh sáng trắng chiếu vào, nó hấp thụtia sáng, chỉ phản xạ lại tia đỏ và lam Đỏ và lam hòa với nhau tạo ra màu magentatrong thị giác

=>> để làm cho vật tàng hình ta chỉ cần thay đổi đường đi tỉa tai phản xạ không cho nó chiếu vào mắt, thiết bị tiếp nhận.

và hấp thụ (hình 1).

Hình 1: Sự tương tác giũa song điện từ (hay ánh sáng) với vật chất (1) song tới, (2) sóng

phản xạ, (3) song truyền xạ (khúc xạ) và (4) là song hấp thụ

Như vậy, nếu muốn một vật tàng hình thì ta phải làm sao triệt tiêu được sự phản xạ củaánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ của ánh sáng đi ra xa người quan sát Ta có thểcảm nhận việc điều chỉnh hướng phản xạ ánh sáng trong cuộc sống hằng ngày Khi tađứng trực diện trước một tấm gương phẳng, ta sẽ nhìn thấy ta trong gương Nhưng khi tanghiêng tấm gương với một góc độ thích hợp, ta không còn thấy ta, ta đã "biến mất"trong gương Tuy nhiên, khi ta có một cái gương hình cầu, dù có quay gương theo hướngnào hay ta di chuyển bất kỳ ở vị trí nào lúc nào cũng thấy ta hiện trong gương Như vậy,đối với mặt cầu ở vị trí nào ánh sáng cũng có thể phản xạ đến người quan sát, trong khimặt phẳng chỉ có một góc duy nhất làm ánh sáng phản xạ trở lại nơi người quan sát là khiánh sáng tới đụng vào tấm gương ở góc 90 độ (khi ta đứng trực diện thẳng góc với tấmgương) (Hình 2)

Hình 2: Sóng tới và sóng phản xạ của (a) mặt phẳng và (b) mặt cầu Chỉ có sóng tới

chạm vào mặt phẳng ở góc 90° sẽ phản xạ trở lại nguồn phát.

Đến nay, những vật liệu quang học có cấu trúc nhân tạo như vậy chỉ khả dụng trong một

số bước sóng rất hẹp, do đó giới hạn khả năng che phủ trên nhiều dải màu sắc Tuy nhiên,trở ngại này có thể sẽ sớm được dỡ bỏ bởi các kỹ sư quang học tại đại học Stanford đãthành công trong việc thiết kế một loại siêu vật liệu có dải sáng rộng với chỉ số khúc xạ

âm đối với 7 màu sắc cơ bản của cầu vồng

"Chiếc áo" tàng hình đầu tiên được đại học Duke chế tạo hoạt động dựa trênnguyên lý

uốn cong ánh sáng xung quanh một vật thể được bao phủ Tuy nhiên, cơ chế này không

hề đơn giản bởi ánh sáng thoát đi từ lớp phủ phải tương ứng với độ phân cực và pha củaluồng ánh sáng chiếu qua Nếu không, chiếc áo sẽ lộ nguyên hình và trong trường hợp

này, bạn có thể không thấy được thứ bị bao phủ nhưng có thể chắc rằng "có một chiếc áo

ở đây".

Theo phó giáo sư Jennifer Dionne: "Tất cả các vật liệu tự nhiên đều có chỉ số khúc xạ dương" Ví dụ như không khí ở các điều kiện tiêu chuẩn có chỉ số khúc xạ thấp nhất

trong tự nhiên, tức là trên 1 một chút Trong khi đó, chỉ số khúc xạ của nước là 1.33, củakim cương là 2.4 Vật liệu có chỉ số khúc xạ càng cao thì ánh sáng càng bị lệch hướngnhiều hơn so với đường đi ban đầu Nếu chỉ số khúc xạ gần bằng 0 hoặc âm thì một hiệntượng vật lý rất thú vị sẽ xảy ra Chúng ta có thể hình dung như sau, nếu cắm một chiếcống hút để nghiêng trong cốc nước, nếu chỉ số khúc xạ của nước âm thì hình ảnh củachiếc ống hút mà chúng ta thấy sẽ đảo ngược Phần trên ống hút (trên mặt nước) đangnghiêng từ phải sang trái nhưng phần dưới (dưới mặt nước) sẽ nghiêng từ trái sang phảithay vì cùng chiều (hình dưới)

Để có thể che khuất một vật thể hay hạn chế khúc xạ, vật liệu phải có khả năng kiểm soátchính xác đường đi của ánh sáng theo giả thuyết trên Tuy nhiên, rất ít vật liệu tự nhiên

có thể đáp ứng và câu trả lời là những siêu vật liệu quang học Khác với vật liệu tự nhiên,siêu vật liệu thừa hưởng những đặc tính quang học từ hình dạng hình học của các đơn vị

tế bào nano tạo nên nó hay còn gọi là "nguyên tử nhân tạo" Bằng cách thay đổi hìnhdạng của những đơn vị tế bào này, chỉ số khúc xạ của vật liệu có thể đạt giá trị dương,gần 0 hoặc âm

Thêm nữa, những vật liệu như vậy cần tương tác với cả từ trường và điện trường của ánhsáng Trước đây, nhiều nhà nghiên cứu đã thử chế tạo một siêu vật liệu chứa nguyên tửnhân tạo bao gồm 1 thành phần tương tác với điện trường và thành phần còn lại tương tácvới từ trường Mỗi thành phần tương tác với những màu sắc khác nhau của ánh sáng vàrất khó để các thành phần tương tác với nhiều bước sóng cùng lúc

Kết quả là dãy sóng hay phạm vi bước sóng dành cho hoạt động của mỗi thành phầnthường bị giới hạn Lớp phủ tàng hình rốt cuộc chỉ có thể hoạt động với ánh sáng vàng và

dĩ nhiên là không hữu dụng chút nào trừ khi bạn muốn giấu đi một … nải chuối cũngmàu vàng

Vì vậy, Jennifer Dionne cùng các sinh viên tốt nghiệp Hadiseh Alaeian, Ashwin Atre vànghiên cứu sinh tiền tiến sĩ Aitzol Garcia đã thiết kế một loại siêu vật liệu mới với cấu

trúc hợp nhất cho phép nó tương tác hiệu quả với cả điện trường và từ trường của ánhsáng trên một loạt các màu sắc ánh sáng.

Nhóm của Dionne đã sử dụng một kĩ thuật có tên gọi "phép biến đổi bảo

giác" (conformal transformation) để chuyển đổi một cấu trúc siêu vật liệu 2 chiều với cácđặc tính quang học theo ý muốn thành một dạng 3 chiều ở tỉ lệ nano với đặc tính quanghọc được giữ nguyên

Cấu trúc nano được chuyển đổi có hình dạng giống như một mặt trăng lưỡi liềm, hẹp ởcác đầu và mỏng ở trung tâm và chúng chính là những nguyên tử nhân tạo tạo thành siêuvật liệu Các nguyên tử được sắp xếp trên một mạng lưới tuần hoàn và với thiết kế hiệntại, siêu vật liệu có chỉ số khúc xạ âm trên bước sóng dài 250nm trong nhiều vùng quangphổ thấy được và quang phổ cận hồng ngoại Nhóm nghiên cứu cho biết chỉ với một vàiđiều chỉnh về cấu trúc, siêu vật liệu có thể khả dụng trên nhiều bước sóng

Atre nói: "Chúng tôi có thể điều chỉnh hình dạng của lưỡi liềm hoặc thu nhỏ kích thước nguyên tử, do đó, siêu vật liệu có thể bao phủ các quang phổ thấy được, từ 400 đến 700nm".

Dĩ nhiên từ nghiên cứu của đại học Stanford đến chiếc áo tàng hình của Harry Porter làmột chặng đường rất xa Tuy nhiên, siêu vật liệu nói trên đã tạo nền tảng những lớp vậtliệu mới mà một ngày nào đó có thể dùng để chế tạo một chiếc áo hay lớp phủ thật sự

tàng hình, ít nhất là với mắt người Nghiên cứu của đại học Stanford đã được công bốtrên tạp chí Advanced Optical Materials.

Sử dụng một vật liệu không dính chế từ nhựa Teflon, các nhà nghiên cứu đã phát triển

một cách che giấu các vật thể thông qua loại bỏ sự bóp méo của ánh sáng, có thể tiết lộ vị

trí của chúng Theo các chuyên gia, "thảm" có thể bao phủ bề mặt phía dưới và giấu kín

sự hiện diện của bất kỳ món đồ nào mà nó trùm lên trên

Theo thiết kế, thảm tàng hình được chế tạo từ nhựa không dính Teflon có gắn các hạt

gốm hình trụ với chiều cao khác nhau (Ảnh: Daily Mail)

Nhóm nghiên cứu tuyên bố đã vượt qua một thiếu sót then chốt trong các nỗ lực trướcđây nhằm tạo ra áo tàng hình, bằng cách ngăn chặn việc giảm độ sáng mà nó phản xạ -điều thường có thể để lộ những gì nằm dưới nó Đột phá này có thể dẫn tới các dạng ngụytrang mới dành cho các tòa nhà hoặc thậm chí thảm trải sàn để che giấu những chi tiếtkhông đẹp mắt, nhưng thiết yếu với cả kết cấu công trình

Giáo sư Boubacar Kanté, người đứng đầu nghiên cứu đến từ Đại học California (Mỹ),

giải thích: "Sự tàng hình ban đầu có vẻ giống như ma thuật, nhưng các khái niệm tiềm ẩn của nó gần gũi với mọi người Tất cả những gì nó đòi hỏi là một sự thao túng nhận thức của chúng ta một cách thông minh Việc tàng hình hoàn toàn dường như vẫn còn vượt quá tầm với hiện nay, nhưng nó có thể trở thành hiện thực trong tương lai gần nhờ các tiến bộ gần đây về thiết bị che phủ".

Trong nghiên cứu mới, ông Kanté và các cộng sự đã thiết kế thảm tàng hìnhnhằm ngụytrang mọi vật thể đặt phía trên một bề mặt phẳng Toàn bộ hệ thống khiến vật thể và bềmặt trông phẳng bằng cách bắt chước sự phản xạ ánh sáng từ bề mặt phía dưới

Tuy nhiên, ở giai đoạn hiện tại, nhóm nghiên cứu mới đưa ra được ý tưởng và họ vẫn cần

phải chế tạo một nguyên mẫu thảm có thể "hô biến" vật thể phía dưới Dẫu vậy, trong báo

cáo nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Progress In Electromagnetics Research, họ cho biết

đã sử dụng thiết kế được máy tính hỗ trợ để mô phỏng cách thảm tàng hình sẽ hoạt động

Theo thiết kế, thảm tàng hình được tạo thành từ một ma trận chất liệu nhựa không dính

Teflon mỏng, trong đó các hạt gốm hình trụ nhỏ được gắn thêm vào, đóng vai trò nhưchất điện môi Mỗi hạt chất điện môi có chiều cao khác nhau, phụ thuộc vào vị trí của nótrên thảm, giúp nhóm nghiên cứu kiểm soát được sự phản xạ ánh sáng ở mỗi điểm trênthảm

Nhóm nghiên cứu tuyên bố, thảm tàng hình của họ có thể mỏng hơn đáng kể so vớinhững thiết bị tàng hình từng được phát triển trước đây Ngoài ra, thảm cũng không gâymất mát, đồng nghĩa với việc ánh sáng phản xạ không bị giảm cường độ Đặc điểm này

có được nhờ thảm tàng hình sử dụng các hạt phi kim loại, không hấp thụ ánh sáng nhưchất liệu chế tạo các dạng áo choàng tàng hình khác

Nếu được chế tạo thành công, thảm tàng hình được kỳ vọng có thể được sử dụng để cho

ra đời vật liệu ngụy trang hữu hiệu hơn dành cho các tòa nhà và xe cộ

II/Các loại vật liệu tàng hình:

(-H2N2)-Công nghệ tàng hình là tổng hợp của rất nhiều công nghệ tiên tiến khác nhauthuộc các lĩnh vực vật lý kỹ thuật, vật liệu mới, điện tử, công nghệ thông tin, động lực, tựđộng hoá, năng lượng Hiện nay, kỹ thuật tàng hình được coi là một kỹ thuật tổng hợptiên tiến nhất đối chọi lại các thủ đoạn trinh sát, thăm dò của radar, điện tử, hồng ngoại,sóng âm thanh và thường được gọi là kỹ thuật tàng hình radar, kỹ thuật tàng hình điện

tử, kỹ thuật tàng hình các nguồn sáng có thể phát hiện được và kỹ thuật tàng hình sóng

âm thanh Tuy nhiên, thực chất kỹ thuật tàng hình là sự phát triển của kỹ thuật ngụytrang truyền thống theo hướng công nghệ cao Trong kỹ thuật tàng hình, vật liệu tànghình được coi là yếu tố then chốt Hiện nay trên thế giới đã và đang phát triển một số vậtliệu tàng hình sau:

1 Vật liệu polyme:

Loại vật liệu này mới được phát triển trong những năm gần đây nhờ có kết cấu đa dạng,đặc tính cơ lý-hóa họcđộc đáo Phức hợp vật liệu polyme dẫn điện với vật liệu vô cơ tổnhao từ, hoặc các hạt cực nhỏ có thể phát triển thành một loại vật liệu kiểu mới, nhẹ, hấpthụ sóng viba dải tần rộng Sản phẩm kết hợp polyme dẫn là Contex, một loại sợi do hãngMilliken & Co, sản xuất từ năm 1990 Sợi được phủ lớp vật liệu polyme dẫn được gọi làPolypyrrole và có thể dệt thành thảm chống tĩnh điện, đã được Mỹ sử dụng cùng vớinhững tấm Card trên máy bay để triệt tiêu năng lượng đến của radar

2 Chất hấp thụ sợi thép đa tinh thể:

Công ty Gamma của châu Âu đã phát triển một loại sơn hấp thụ sóng ra-đa kiểu mới, sửdụng sợi xenlulô thép đa tinh thể làm vật liệu hấp thụ Đây là một loại vật liệu hấp thụ ra-

đa từ tính, hiệu quả cao trong băng tần rất rộng trong khi trọng lượng giảm tới 40-60%;khắc phục được khuyết điểm quá nặng của đa số vật liệu hấp thụ từ tính

3 Vật liệu đối xứng vật-ảnh (Chiral):

Chiral là một loại hiện tượng mà vật thể và ảnh đối xứng quagương của nó không tồn tại tính đối xứng về hình học; không thể sử dụng bất cứ phươngpháp nào để làm cho vật thể và ảnh đối xứng qua gương của nó tồn tại tính đối xứng về

hình học, cũng không thể sử dụng bất cứ phương pháp nào để làm cho vật thể và ảnh đốixứng qua gương trùng hợp được với nhau Bắt đầu từ những năm 1950, các công trìnhnghiên cứu cho thấyvật liệu Chiral có thể làm giảm phản xạ của sóng điện từ chiếu vào,đồng thời có thể hấp thụ sóng điện từ Đến những năm 1980, nghiên cứu đặc tính hấp thụ

và phản xạ sóng viba của vật liệu Chiral được thực sự coi trọng Hiện nay, vật liệu Chiralhấp thụ sóng radar là hỗn hợp vật chất có kết cấu dựa trên vật liệu cơ bản để tạo thành vậtliệu phức hợp

4 Vật liệu tàng hình thông minh:

Vật liệu tàng hình thông minh là một trong những ứng dụng của kỹ thuật cao, mới đượcphát triển từ những năm 1980 Đây là một loại vật liệu và kết cấu có chức năng nhận biết,

xử lý thông tin, tự ra quyết định và hòa trộn tín hiệu, tạo ra khả năng tàng hình thôngminh Hiện nay, kỹ thuật tàng hình đang phát triển theo hướng vận dụng tổng hợp, cânbằng tính năng tàng hình và các tính năng khác; mở rộng phạm vi tần số và phạm vi ứngdụng, hạ thấp giá thành

5 Sơn tàng hình:

Sơn tàng hình là loại sơn phức tạp có thể hấp thụ các loạisóng cao tần, vi ba, sóng milimét Thành phần của nó có “nội bào” chứa lớp bọc kim loạihoặc những hạt hình cầu nhỏ đường kính cỡ 5µm- 75µm Sau khi tạo lớp sơn bảo vệ, lớpsơn cuối cùng sẽ làm cho vũ khí trang bị dày thêm vài micrômét Các hạt hình cầu nhỏ li

ti rất thích hợp để phủ lên bất kỳ kết cấu nào Các nhà khoa học đã tạo ra được nhiều loạisơn thẩm thấu hình cầu liti để phối hợp với nhau nhằm tạo nên các công cụ khác nhau,bao gồm cả chống nhiễu điện tử, hấp thụ sóng ra-đa, sóng hồng ngoại và ngụy trang hồngngoại Sử dụng chất sơn hạt hình cầu liti còn có ưu điểm giá thành hạ, và thời gian sửdụng kéo dài

Ngay trên một loại vũ khí trang bị, cũng có thể sử dụng các loại sơn khác nhau ở các bộphận khác nhau.Trên xe tăng hoặc các loại xe bọc thép có thể sơn lên nóc xe, phía trước

và hai bên thành xe một loại sơn phức hợp có thể làm cho radar bám theo và các hệ thốngtìm mục tiêu trên các phương tiện tiến công của đối phương bị sai lạc; còn các bộ phận

thụ hồng ngoại hoặc sơn ngụy trang phức hợp So với các loại sợi dệt tàng hình, sử dụngsơn hạt cầu liti không chỉ là một phương pháp giải quyết tàng hình bền hơn, mà giá thànhthấp hơn (mỗi xe tăng chỉ cần từ 5.000 đến 8.000 USD) Các máy bay tàng hình của Mỹnhư F-117 Nighthawk và B-2 Spirit được sơn bằng loại sơn tàng hình.

6 Vật liệu nano:

Sự ra đời của của tàng hình Nanômét đã mở ra hướng pháttriển vũ khí tàng hình thông minh trong tương lai Các nước như Mỹ, Pháp, Đức, Nhật,Nga coi kỹ thuật Nanômét là kỹ thuật tàng hình thế hệ mới Vật liệu Nanômét làloại vật liệu do các hạt siêu nhỏ (1- 15 Nanômét) của kim loại, hợp kim, vật liệu vô cơhoặc của vật liệu polyme qua ép nén, liên kết hoặc phun tạo thành Vi hạt Nanômét cókích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của tia hồng ngoại và sóng radar nên tínhtruyền sóng qua và tỷ lệ hấp thụ sóng điện từ lớn hơn nhiều so với các loại vật liệu thôngthường, đặc biệt nó có đặc tính tổn hao từ lớn, nên có thể làm vật liệu tàng hình Vi hạtNanômét có tính hấp thụ sóng tốt trong phạm vi phổ tần khá rộng, được coi gần như vật

"siêu đen" tuyệt đối, nhất là thể rắn Nanômét của các loại chất ô xy có tính hấp thụ tốt đốivới sóng hồng ngoại, làm vật liệu tàng hình tổng hợp với kênh phổ rộng dùng cho cảsóng hồng ngoại và radar, làm cho kỹ thuật tàng hình phát triển mạnh theo phương hướng

từ kênh sóng đơn nhất sang kênh phổ tần rộng Một đặc tính của vật liệu nanô mà các vậtliệu khác không thể so sánh được, là đặc điểm có tính hấp thụ sóng rất mạnh, hoạt tínhcao và dễ phân tán, nên rất dễ tạo thành lớp phủ tàng hình nhẹ, siêu mỏng Như vậy, lớpphủ tàng hình dày hàng chục micrômét như hiện nay sẽ được thay thế bởi lớp phủ dày chỉmấy chục Nanômét Điều này làm cho trọng lượng giảm đi rất nhiều, và nâng cao tínhnăng tàng hình của vũ khí, trang bị Các nhà khoa học quân sự đã nghiên cứu chế tạođược ''bột siêu đen'' chất sơn tẩm Nanômét có thể hấp thụ 99% sóng radar, có khả năngnhận biết, tự xử lý các mệnh lệnh chỉ huy và tin tức

7 Kỹ thuật tàng hình Plasma:

Công nghệ tàng hình Plasma (còn gọi là tàng hình đẳng ion)

có tính kinh tế, rẻ tiền hơn tất cả các công nghệ tàng hình đã có, nhưng lại có hiệu quảtàng hình rất cao Bản chất của công nghệ tàng hình Plasma là cân đối giữa hiệu quả khí

động học và tính tàng hình của vật thể Đó là công nghệ tàng hình khác hoàn toàn với cáccông nghệ tàng hình truyền thống Thực chất plasma có nghĩa là nguyên tử của nó chứanhiều động năng tới mức các điện tử hóa trị được giải phóng do những va đập giữa cácnguyên tử Một tín hiệu vô tuyến gặp phải luồng Plasma sẽ dễ dàng bị phân tán Sóngđiện từ gặp phải Plasma cũng sẽ bị năng lượng hóa cao và đổi hướng làm cho máy thukhông thu được tín hiệu phản hồi, vì thế radar không phát hiện được sự hiện diện của vũkhí trang bị Cũng có khả năng là plasma sẽ đánh lừa và tiêu tán năng lượng sóng vôtuyến bằng cách hút tín hiệu xung quanh nó cho tới khi tín hiệu bị triệt tiêu, do đó khôngphản hồi lại radar.

Các máy phát Plasma thế hệ đầu tiên và thế hệ thứ hai đã được thử trên mặt đất và thửbay Hiện nay đang nghiên cứu một hệ thống thuộc thế hệ thứ ba dựa trên những nguyêntắc vật lý mới, và có thể tham khảo sử dụng năng lượng tĩnh điện bao quanh thân máybay để giảm tiết diện phản xạ radar Hệ thống tàng hình Plasma trên những tương tác củaPlasma và sóng điện từ, nhưng theo một hướng rất khác lạ Thiết bị Plasma tàng hình sẽtạo ra một trường Plasma xung quanh máy bay Một ưu điểm của công nghệ tàng hìnhPlasma đem lại đó là có thể ứng dụng cho các loại vũ khí, khí tài hiện nay mà không cầnphải thay đổi cấu trúc hình dạng, chỉ cần lắp trên vũ khí, khí tài đó một máy phát plasma

để tạo ra một trường plasma bao quanh