Phát hiện đột phá: Dùng âm thanh để 'ra lệnh' cho vật chất thay đổi độ cứng

Các nhà khoa học chế tạo "tia kéo" âm thanh để điều khiển độ cứng của vật liệu. Ảnh: IE

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cách điều khiển hành vi của vật liệu bằng âm thanh. Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications, nhóm nghiên cứu giải thích rằng các tần số sóng âm cụ thể có thể di chuyển một cách ổn định những đặc điểm cực nhỏ, mang tính cục bộ gọi là “nếp gấp cơ học” (mechanical kinks) - yếu tố quyết định phần nào của vật liệu sẽ mềm hay cứng.

“Nếp gấp cơ học” hoạt động như ranh giới giữa hai trạng thái nội tại khác nhau trong cùng một vật liệu. Ở hai phía của ranh giới này, các nguyên tử hoặc đơn vị cấu trúc có thể giống hệt nhau, nhưng cách sắp xếp trong không gian ba chiều lại khác nhau.

Chỉ một thay đổi cấu trúc rất nhỏ như vậy cũng có thể tạo ra sự khác biệt lớn về tính chất cơ học. Các “kink” đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nơi vật liệu bị biến dạng, xuất hiện trong những hiện tượng như kim loại bị uốn cong vĩnh viễn hoặc các sợi DNA tách ra.

Điều khiển “kink” bằng âm thanh: bước tiến mới cho vật liệu thích ứng

Từ lâu, việc kiểm soát “kink” đã thu hút các nhà khoa học vật liệu, vì chỉ cần dịch chuyển chúng là có thể thay đổi cách vật liệu hoạt động - chẳng hạn chuyển vùng mềm sang cứng và ngược lại. Tuy nhiên, việc điều khiển chính xác rất khó do các “kink” thường bị giữ lại bởi rào cản năng lượng.

“Các thí nghiệm trước đây cho thấy sóng âm có thể làm di chuyển ‘kink’, nhưng chuyển động thường khó đoán và khá hỗn loạn,” ông Nicholas Boechler - đồng tác giả chính của nghiên cứu, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Jacobs, thuộc Đại học California San Diego - cho biết.

Ông Boechler và cộng sự đã tìm ra cách điều khiển chính xác chuyển động của “kink” bằng sóng âm. Họ thiết kế một mô hình vật liệu đặc biệt, trong đó việc dịch chuyển “kink” gần như không cần năng lượng - một đặc tính rất hiếm. Điều này đạt được nhờ khiến hành vi cơ học của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc bên trong thay vì thành phần hóa học.

Trong mô hình này, vị trí của “kink” quyết định độ cứng của vật liệu: vùng xung quanh “kink” luôn mềm, còn càng xa thì càng cứng. Nếu “kink” nằm ở một đầu, đầu đó sẽ mềm còn đầu kia cứng; nếu nằm ở giữa, phần trung tâm mềm còn hai bên cứng hơn.

Sóng âm điều khiển từng bước cực chính xác

Ông Boechler mô tả phát hiện này như một “tia kéo” bằng âm thanh, có thể kéo “kink” di chuyển và thay đổi cảm nhận độ cứng của vật liệu theo ý muốn. Nhờ không có rào cản năng lượng, “kink” có thể được dịch chuyển một cách ổn định và theo từng bước rất nhỏ.

Khi phát sóng âm từ một phía, “kink” sẽ bị kéo về phía nguồn âm. Một xung âm nhỏ đẩy nó đi một đoạn ngắn, và mỗi xung tiếp theo lại đưa nó tiến xa hơn. Nói cách khác, các nhà nghiên cứu đã có thể điều khiển trạng thái bên trong của vật liệu từ xa.

Để kiểm chứng, nhóm đã tạo một mô hình kích thước thực gồm các đĩa xoay nối với nhau bằng lò xo. Mỗi đĩa đại diện cho một nguyên tử, còn lò xo đóng vai trò như liên kết nguyên tử. Một đĩa đặc biệt đại diện cho “kink”. Các xung âm ngắn khiến “kink” di chuyển từng vài đĩa về phía nguồn âm; lặp lại nhiều lần, nó tiến từng bước. Khi dùng rung động dài hơn, “kink” có thể bị kéo xuyên suốt chuỗi, làm đảo ngược bên mềm và bên cứng của vật liệu.

Nghiên cứu cho thấy con người có thể kiểm soát “kink” bằng âm thanh với độ chính xác chưa từng có - dù hiện tại chủ yếu theo hướng “kéo”. Chỉ những tần số nhất định mới kích hoạt được chuyển động, và mô phỏng cho thấy sóng âm vẫn truyền đủ động lượng để di chuyển “kink” ngay cả khi bị phản xạ một phần.

Phát hiện này mở ra khả năng điều chỉnh độ cứng và “lập trình” tính chất cơ học của vật liệu theo nhu cầu, một bước tiến quan trọng hướng tới các vật liệu thông minh trong tương lai.

Theo IE

Thu Quyên