Khi các thiết bị điện tử bão hòa vào mọi ngõ ngách của cuộc sống, có một vấn đề sẽ xảy ra: Đó là sự giao thoa của các trường điện từ phát ra từ các thiết bị khác nhau có thể làm nhiễu lẫn nhau. Trong kỹ thuật, các nhà khoa học gọi hiện tượng này là nhiễu điện từ (EMI).
Chẳng hạn, sóng Wifi phát ra từ modem nhà hàng xóm có thể làm nhiễu tín hiệu Wifi nhà bạn. Sóng bluetooth hay thậm chí máy xay sinh tố trong nhà bếp có thể làm nhiễu TV kế bên phòng khách. Nhiễu điện từ cũng là lý do các hãng hàng không luôn phải yêu cầu hành khách tắt điện thoại hoặc bật "Chế độ máy bay" mỗi khi cất và hạ cánh.
Để giải quyết vấn đề này, từ lâu các kỹ sư đã cố gắng tìm kiếm một vật liệu nhẹ, ổn định về mặt cơ học, linh hoạt và dễ sản xuất có thể "nhốt" sóng điện từ trong các không gian giới hạn.
Một mặt, nó có thể giảm thiểu hiệu quả hoạt động nhiễu điện từ. Mặt khác, nó có thể giúp các kết nối của bạn trở nên bảo mật hơn, thậm chí bảo vệ sức khỏe của bạn với những lo ngại về sự ảnh hưởng của sóng điện từ tới cơ thể.
Và như bạn đã có thể hình dung, nếu có một vật liệu chặn được sóng điện từ, bạn có thể dùng nó để hòa vào sơn hoặc dán tường nhà mình nhằm giới hạn phạm vi truy cập Wifi cá nhân. Sẽ không còn chuyện hàng xóm có thể "hack" hoặc bắt chùa Wifi nhà bạn được nữa. Thật tuyệt vời phải không?
Sự kì diệu đến từ vật liệu 1D (1 chiều)
Tất cả những điều kể trên giờ đã không còn là tương lai viễn tưởng, sau khi một nhóm các kỹ sư tại Đại học California tuyên bố đã tạo ra được một loại màng linh hoạt, sử dụng chất độn nano một chiều, rất dễ sản xuất và quan trọng là nó có khả năng chặn sóng điện từ một cách tuyệt đối.
Nghiên cứu của họ vừa được đăng trên tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực khoa học vật liệu Advanced Materials. Alexander A. Balandin, giáo sư nổi tiếng về kỹ thuật điện từ và máy tính tại Đại học Kỹ thuật Marlan, một trong số đồng tác giả nghiên cứu cho biết:
"Những tấm phim mới lạ này hứa hẹn sẽ được ứng dụng trong các công nghệ truyền thông tần số cao, đòi hỏi các màng chắn nhiễu điện từ phải linh hoạt, nhẹ, chống ăn mòn, rẻ tiền và cách điện. Chúng kết hợp mạnh mẽ với bức xạ tần số vô tuyến tần số cao trong khi vẫn cách điện với các phép đo dòng điện một chiều".
Để tạo ra được vật liệu mới này, nhóm của giáo sư Balandin đã sử dụng TaSe3, một vật liệu gần đạt được tới cấp độ 1D. Hiểu đơn giản về vật liệu 1D hay một chiều, nghĩa là một nguyên tử hay phân tử của chúng có thể liên kết tối thiểu với chỉ một phân tử, nguyên tử bên cạnh.
Vật liệu thông thường của chúng ta sử dụng đều ở dạng 3D, nghĩa là một nguyên tử của chúng liên kết tối thiểu với 3 nguyên tử bên cạnh. Vật liệu 2D như màng mỏng graphene là vật liệu mà một nguyên tử có thể liên kết tối thiểu với 2 nguyên tử bên cạnh nó.
Nếu bạn dùng kính hiển vi điện tử phóng đại tối đa vào các vật liệu này, bạn sẽ thấy vật liệu 3D lúc nào cũng có dạng khối, vật liệu 2D là dạng mặt phẳng còn vật liệu 1D là dạng sợi, với chỉ một sợi nguyên tử hoặc phân tử duy nhất liên kết với nhau thành chuỗi bằng lực hút van der Waals.
Bởi van der Waals là một lực hút yếu, việc chế tạo ra một vật liệu 1D lý tưởng rất khó. Do đó, các nhà khoa học hiện mới chỉ tiến tới chế tạo được các vật liệu gần 1D. Sự thành công đó được đo bằng một thông số gọi là "aspect ratio" tính bằng chiều dài chia cho chiều rộng của sợi vật liệu. "Aspect ratio" càng lớn, vật liệu càng đạt gần tới mức 1D.
Đối với các sợi nano TaSe3 trong nghiên cứu này, giáo sư Balandin và các đồng nghiệp của mình đã đưa aspect ratio đạt tới ngưỡng 10^6. Ở ngưỡng sát với vật liệu 1D này, các hạt electron tự do trong sợi TaSe3 sẽ tương tác với sóng điện trường cho phép nó hấp thụ hoặc phản xạ hoàn toàn năng lượng điện từ.
Không dẫn điện và cho hiệu quả che chắn tới 99,99%
Tuy nhiên, điểm thú vị nhất ở đây là TaSe3 vốn có bản chất là kim loại mà giáo sư Balandin có thể làm cho nó không dẫn điện. Cách làm là độn các sợi TaSe3 vào polymer. Bởi các sợi này rất khó tiếp xúc với nhau ở kích thước nano, dòng điện không thể chạy qua vật liệu và vật liệu thậm chí cũng trở nên nhẹ hơn.
Các sợi vật liệu TaSe3 1D trong nghiên cứu của Giáo sư Balandin và cộng sự.
Đó là những gì mà các nhà khoa học đã tìm kiếm bấy lâu. Chúng ta biết nếu muốn chặn sóng điện từ trong một căn phòng thì cách đơn giản chỉ cần xây nó với các bức tường kim loại. Kim loại cũng có thể chặn sóng điện từ, bởi vậy mà chiếc điện thoại khung nhôm của bạn luôn phải có những dải nhựa cho sóng chạy ra vào.
Nhưng nhược điểm của kim loại là chúng rất nặng, dẫn điện và đắt đỏ. Bạn không thể chế tạo ra các thiết bị chặn sóng điện từ, chạy bằng điện mà lại có vỏ kim loại dẫn điện được. Bạn cũng không thể ốp trần và bọc những bức tường thép xung quanh nhà mình chỉ để ngăn không cho hàng xóm bắt chùa Wifi.
Với các sợi TaSe3 bây giờ, công việc sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Bạn có thể hòa chúng vào sơn hoặc keo giấy dán tường, sau đó quét một lớp màng là đủ. "Hiệu quả che chắn có thể lên tới 99,99% chỉ bằng một lớp màng dày vài micromet và nó không hề dẫn điện", Zahra Barani, một nghiên cứu sinh tham gia vào nghiên cứu cho biết.
Tất nhiên, các nhà khoa học không đầu tư tiền chỉ để giúp bạn bảo mật Wifi nhà mình. Giáo sư Balandin cho biết vật liệu TaSe3 mà ông tạo ra còn có rất nhiều ứng dụng quan trọng khác. Mục đích cuối cùng của nó là để giảm thiểu hiện tượng nhiễu điện từ EMI.
Khi các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ và nhiều hơn, chúng ta sẽ cần đến một thế hệ vật liệu che chắn mới và TaSe3 hoàn toàn đáp ứng đủ chỉ tiêu để sử dụng cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo trong tương lai.
Vật liệu tổng hợp đã chứng minh được tính cách điện hoàn hảo và tác dụng che chắn EMI đặc biệt hiệu quả trong dải tần gigahertz và sub-terahertz, là dải tần mà các công nghệ truyền thông hiện tại và tương lai sẽ tập trung khai thác sử dụng.
Tham khảo Phys, Nanowerk, Sciencedirect