Ranh giới trong khoa học vật liệu và công nghệ cảm biến đang bị phá vỡ bởi một nghiên cứu kết hợp lực bay lên, khả năng cách nhiệt và phản hồi theo thời gian thực.
Các nhà nghiên cứu tại Đơn vị Máy lượng tử tại Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) vừa tạo ra đột phá với miếng vật liệu bằng than chì, khi giúp nó có thể lơ lửng ở vị trí ổn định mà không cần bất kỳ tiếp xúc vật lý hoặc hỗ trợ cơ học nào.
Tấm than chì bay lơ lửng trên bệ đỡ bằng nam châm. (Ảnh: OIST).
Thông thường, chúng ta chỉ hay biết đến thí nghiệm này với vật liệu từ kim loại (sắt), hoặc nam châm. Tuy nhiên, than chì cũng có tính nghịch từ, nghĩa là nó có tương tác với từ trường.
Từ thực tế này, các nhà khoa học đã phủ silica lên một hình vuông nhỏ gồm các hạt than chì. Sau đó, họ dùng sáp để biến vật liệu thành một chất cách điện, giúp nó chống lại sự mất năng lượng nhanh chóng từ bệ đỡ bằng nam châm.
Kết quả, các nhà nghiên cứu đã tạo thành một tấm vuông mỏng cỡ vài cm bằng than chì, có thể lơ lửng phía trên các nam châm được sắp xếp theo mô hình dạng lưới.
GS. Jason Twamley, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, nhấn mạnh rằng hệ thống này có thể hoạt động hiệu quả mà không cần dựa vào nguồn năng lượng bên ngoài. Bên cạnh đó, chúng còn tạo ra môi trường thuận lợi, nhằm hỗ trợ phát triển các cảm biến siêu nhạy để đo lường hiệu quả và với độ chính xác cao.
GS. Jason lý giải, khi một từ trường bên ngoài tác động vào các vật liệu "ngược từ", chúng sẽ tạo ra một từ trường theo hướng ngược lại, còn gọi là lực đẩy - giúp đẩy vật liệu ra khỏi từ trường.
Tàu đệm từ áp dụng công nghệ vật liệu nghịch từ, giúp con tàu có thể di chuyển mà không chạm vào đường băng. (Ảnh: Getty).
Bởi vậy, các vật thể làm bằng vật liệu nghịch từ có thể bay lơ lửng trên từ trường mạnh. Thí dụ, trong tàu đệm từ, nam châm siêu dẫn tạo ra từ trường đủ mạnh để đưa vật liệu nghịch từ bay lên. Rốt cuộc, con tàu thậm chí có thể di chuyển mà không chạm vào đường băng, tạo ra hiệu ứng như thách thức trọng lực.
Dẫu vậy, việc tạo ra một hệ thống "bay lơ lửng" không cần nguồn điện bên ngoài vẫn tồn tại một số thách thức. Yếu tố hạn chế lớn nhất là tình trạng "giảm chấn xoáy", xảy ra khi một hệ dao động mất năng lượng theo thời gian do ngoại lực.
Chính sự mất năng lượng này đã ngăn cản việc sử dụng lực đẩy từ trường để phát triển các cảm biến tiên tiến.
Ngoài ra, còn một vấn đề khác là tình trạng giảm thiểu năng lượng chuyển động (động năng) của toàn bộ hệ thống. Thông thường, để đạt được một nền tảng "lơ lửng" không ma sát, tự duy trì, chúng ta cần phải giải quyết cả thách thức về giảm chấn xoáy và năng lượng chuyển động.
Để giải quyết những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc tạo ra một loại vật liệu mới có nguồn gốc từ than chì. Bằng cách thay đổi nó về mặt hóa học, họ đã thành công biến than chì thành chất cách điện.
Sự thay đổi này ngăn chặn sự thất thoát năng lượng, đồng thời cho phép vật liệu bay lên, lơ lửng trong chân không, tại điều kiện phòng thí nghiệm.
"Nếu được làm mát liên tục, nền tảng của chúng tôi có thể hoạt động tốt hơn cả những máy đo trọng lực nguyên tử nhạy bén nhất được phát triển cho đến nay", GS. Jason chia sẻ.
"Công việc đang diễn ra của chúng tôi tập trung vào việc cải tiến hệ thống này để cách ly hoàn toàn chúng khỏi các nhiễu loạn bên ngoài như rung động, từ trường và nhiễu điện".
Bằng cách kết hợp lực bay lên, khả năng cách nhiệt và phản hồi theo thời gian thực, nhóm của GS. Jason đang vượt qua ranh giới của những gì có thể đạt được trong khoa học vật liệu và công nghệ cảm biến.
Nghiên cứu này cũng mở ra những khả năng thú vị cho các cảm biến siêu nhạy, giúp chúng đạt được khả năng kiểm soát chính xác trên các nền tảng dao động tương tự.