Vật liệu phát sáng lấy cảm hứng từ hiện tượng biển “Blue Tears”

Những hiện tượng tự nhiên thường là nguồn cảm hứng lớn cho khoa học vật liệu. Một ví dụ mới đến từ Đại học Quốc gia Dương Minh Giao Thông (National Yang Ming Chiao Tung University – NYCU) ở Đài Loan. Tại đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một vật liệu mềm phát sáng không độc hại, lấy cảm hứng từ hiện tượng biển phát quang nổi tiếng mang tên “Blue Tears” ở quần đảo Matsu.

Điểm đặc biệt của vật liệu này là phát ánh sáng xanh khi bị kéo giãn, nén hoặc biến dạng, tương tự cách sóng biển kích thích ánh sáng xanh trong tự nhiên. Công nghệ này có thể mở đường cho các ứng dụng mới trong màn hình linh hoạt, cảm biến y sinh và thiết bị điện tử đeo được.

Hiện tượng tự nhiên “Blue Tears” ở Matsu

Mỗi năm vào khoảng mùa xuân, vùng biển quanh quần đảo Matsu ngoài khơi Đài Loan có thể phát ra ánh sáng xanh rực rỡ vào ban đêm. Hiện tượng này được gọi là “Blue Tears” (những giọt nước mắt xanh).

Nguyên nhân là do các vi sinh vật biển phát quang sinh học. Khi bị khuấy động bởi sóng, tàu thuyền hoặc chuyển động của nước, chúng sẽ phát ra ánh sáng xanh, tạo nên cảnh tượng giống như đại dương phát sáng.

Cảnh tượng này đã truyền cảm hứng cho các nhà khoa học tại NYCU: liệu có thể tạo ra một vật liệu nhân tạo phát sáng khi chịu tác động cơ học, giống như cách biển phát sáng khi có sóng hay không?

Vật liệu mới hoạt động như thế nào?

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một vật liệu nền silicone mềm chứa các thành phần phát quang. Trong quá trình thử nghiệm, họ phát hiện rằng:

• Khi kéo giãn, nén hoặc làm biến dạng vật liệu, nó sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang màu xanh.
• Silicone đóng vai trò là khung vật liệu linh hoạt, cho phép kéo giãn và uốn cong nhiều lần.
• Sự biến dạng cơ học làm thay đổi cấu trúc quang học bên trong vật liệu, từ đó kích hoạt phát quang.

Loại vật liệu này thuộc nhóm vật liệu phát quang phản ứng cơ học (mechanically responsive luminescent materials). Trong những hệ vật liệu như vậy, lực cơ học có thể thay đổi cách các phân tử sắp xếp hoặc tương tác điện tử bên trong vật liệu, dẫn đến sự thay đổi trong cách ánh sáng được phát ra.

Thú vị hơn, phát hiện ban đầu được cho là bắt nguồn từ một quan sát tình cờ của nghiên cứu sinh khi vật liệu phát sáng trong lúc thử nghiệm cơ học – khiến nhóm nghiên cứu liên tưởng ngay đến những con sóng phát sáng ở Matsu.

Phát ra ánh sáng phân cực tròn

Ngoài ánh sáng xanh thông thường, vật liệu còn có thể tạo ra ánh sáng phân cực tròn (circularly polarized light).

Đây là dạng ánh sáng đặc biệt, trong đó trường điện từ xoay theo dạng xoắn khi truyền đi, thay vì dao động theo một mặt phẳng như ánh sáng thông thường.

Ánh sáng phân cực tròn rất quan trọng trong các công nghệ quang học vì nó có thể mã hóa thông tin theo hướng xoay (trái hoặc phải) của ánh sáng. Các vật liệu phát quang phân cực tròn (CPL) đang được nghiên cứu rộng rãi cho các công nghệ hiển thị và quang tử tiên tiến.

Khi vật liệu mềm bị kéo giãn hoặc nén, cấu trúc quang học hoặc cấu trúc “chiral” bên trong có thể thay đổi, từ đó điều chỉnh đặc tính phân cực của ánh sáng phát ra.

Sự kết hợp giữa độ linh hoạt cơ học và khả năng điều khiển phân cực ánh sáng khiến vật liệu này trở thành ứng viên hấp dẫn cho các thiết bị quang tử thế hệ mới.

Những ứng dụng tiềm năng

Vì vật liệu mềm, co giãn và không chứa kim loại nặng độc hại, các nhà nghiên cứu cho rằng nó có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ.

Màn hình linh hoạt và thiết bị đeo

Vật liệu phát quang có thể điều chỉnh bằng cơ học có thể tích hợp vào màn hình linh hoạt, thiết bị điện tử đeo hoặc các thiết bị mềm. Ánh sáng phân cực có thể giúp tăng độ tương phản và hiệu suất hiển thị.

Cảm biến và chẩn đoán y sinh

Do không chứa kim loại nặng độc hại, vật liệu có tiềm năng dùng trong cảm biến y sinh hoặc thiết bị theo dõi sức khỏe đeo trên cơ thể, nơi tính an toàn sinh học là yếu tố quan trọng.

Màn hình 3D thế hệ mới

Ánh sáng phân cực tròn là nền tảng của nhiều hệ thống hiển thị lập thể (stereoscopic). Bằng cách mã hóa hình ảnh cho mắt trái và mắt phải bằng hai trạng thái phân cực khác nhau, màn hình có thể tạo ra hiệu ứng 3D.

Vật liệu mềm phát CPL có thể giúp tạo ra màn hình 3D linh hoạt hoặc có thể kéo giãn trong tương lai.

Một phần của hệ sinh thái nghiên cứu rộng hơn tại NYCU

Nghiên cứu về vật liệu “Blue Tears” cũng phản ánh hướng nghiên cứu lớn tại NYCU: kết hợp cảm hứng sinh học, khoa học vật liệu và kỹ thuật quang học.

Ví dụ, các dự án gần đây của trường bao gồm:

• Hydrogel nanocomposite tự phục hồi dùng cho in 3D sinh học để tạo cấu trúc mô, thậm chí mô phỏng tai người trong nghiên cứu y sinh.
• Công nghệ quang tử và metasurface giúp cải thiện hiệu suất màu sắc và hệ thống chống giả mạo cho thẻ và hộ chiếu.

Các dự án này tuy khác lĩnh vực, nhưng cùng chia sẻ một triết lý: thiết kế vật liệu mới dựa trên cảm hứng tự nhiên và kiểm soát ánh sáng ở cấp độ vi mô.

Từ hiện tượng biển phát sáng đến công nghệ tương lai

Khám phá của nhóm NYCU cho thấy thiên nhiên vẫn là “phòng thí nghiệm” lớn nhất của khoa học. Từ ánh sáng xanh của đại dương Matsu, các nhà khoa học đã tạo ra một vật liệu phát quang linh hoạt, an toàn và có thể điều chỉnh bằng lực cơ học.

Nếu được phát triển thêm, những vật liệu như vậy có thể trở thành nền tảng cho màn hình co giãn, thiết bị đeo thông minh, công nghệ hình ảnh quang học mới và hệ thống hiển thị 3D trong tương lai.