Vật liệu linh hoạt để bảo vệ các tòa nhà, quân nhân

Công nghệ tàng hình, ý tưởng để giảm thiểu khả năng phát hiện vật thể của kẻ thù, đã thúc đẩy các tiến bộ trong nghiên cứu quân sự trong nhiều thập kỷ qua.

Ngày nay, máy bay, tàu hải quân, tàu ngầm, tên lửa và vệ tinh thường được phủ bọc vật liệu hấp thụ radar, chẳng hạn như sơn, để che giấu hoặc che đậy chúng khỏi sự phát hiện của radar, sonar (hệ thống định vị vật dưới nước bằng âm hoặc siêu âm), hồng ngoại và các phương pháp phát hiện khác.

Lớp bọc vật liệu (áo choàng) là vật liệu phủ, làm cho vật thể không thể phân biệt được với môi trường xung quanh hoặc không thể phát hiện được bằng các phép đo từ trường bên ngoài.

Phòng thí nghiệm được sử dụng để tiến hành thí nghiệm trong nghiên cứu. Nguồn: Đại học Missouri

Giáo sư Guoliang Huang, khoa cơ khí và kỹ thuật hàng không vũ trụ, cho biết: Vật liệu phủ này hoàn chỉnh và ‘trưởng thành’ theo ý nghĩa kỹ thuật, các đặc tính của âm thanh (radar, sonar) và sóng quang (hồng ngoại) được biết rõ nên có thể tránh bị phát hiện. Tuy nhiên, rất ít công việc đã thành công trong việc giải quyết vấn đề che giấu cho sóng đàn hồi trong môi trường rắn, chẳng hạn như sóng địa chấn truyền qua mặt đất, Huang cho biết.

Gần đây, Huang, cùng với cựu nghiên cứu sinh bậc sau tiến sỹ và sinh viên của mình, trợ lý giáo sư Hussein Nassar và trợ lý giáo sư nghiên cứu Yangyang Chen, đã thiết kế và tạo ra một siêu vật liệu mới, một vật liệu có cấu trúc nhân tạo, nhằm đạt được một lớp phủ vật liệu có tính đàn hồi ‘hoàn hảo’.

“Vật liệu này - đã được nghiên cứu cả về về lý thuyết và thử nghiệm, được chúng tôi tạo ra trong phòng thí nghiệm. Chúng tôi gọi nó là 'vật liệu cực' (polar material) bởi vì chúng tôi nhận ra nó có mô-men xoắn bên trong. Chúng tôi là người đầu tiên đề xuất các nguyên lý của vật liệu này và cũng là người đầu tiên thiết kế và chế tạo vật liệu này. Theo khái niệm, nếu bạn có một vật thể mà bạn muốn làm cho vô hình, bạn thiết kế một số loại vật liệu phủ xung quanh vật thể để khi một sóng nào đó chạm vào vật thể, nếu đi xung quanh vật liệu nhưng không xảy ra hiện tượng khúc xạ”, Huang cho biết.

Lấy ví dụ, một radar tạo ra sóng radar, sóng âm, sẽ khúc xạ khi nó chạm vào tàu ngầm, khiến nó có thể nhìn thấy được tầu ngầm. Nhưng nếu các bộ phận đó được phủ trong vật liệu che giấu, sóng radar sẽ không khúc xạ được và không thể được phát hiện ra tầu ngầm.

“Tuy nhiên, nếu bạn muốn ẩn giấu một cái gì đó trong phương tiện truyền thông, thì điều này là khác. Trong môi trường này, sóng phức tạp hơn sóng radar vì không chỉ có sóng nén mà còn có sóng biến dạng. Trong kỹ thuật dân dụng, chúng ta đối phó với sóng địa chấn, có sóng dọc và cắt sóng và phần lớn thiệt hại là do sóng biến dạng”, Huang nói.

Đột phá trong nghiên cứu cơ bản

Huang cho biết, không có vật liệu tự nhiên nào thỏa mãn vấn đề lâu dài về sự biến đổi - bất biến, trong đó các đặc tính phi tiêu chuẩn là cần thiết sau các biến đổi nhất định. Mục đích cuối cùng của nghiên cứu này là có thể mô hình hóa, thiết kế và chế tạo vật liệu sẽ lấp đầy "khoảng trống hành vi" này.

Lớp vật liệt mới do nhóm của Huang tạo ra bao gồm một mạng tinh thể đã phân loại chức năng được nhúng trong một nền đẳng hướng liên tục. Các lớp này được in 3D và lắp ráp thủ công.

Trong bài viết trong bài báo được xuất bản bởi the Physical Review of Letters, Huang cho biết nhóm đã nghiên cứu bằng thực nghiệm và bằng số các đặc tính của ‘chiếc áo choàng tàng hình’ được đề xuất này và tìm thấy hiệu suất che giấu của nó rất tốt dưới cả sức căng và lực cắt. Ngoài việc bảo vệ các cấu trúc chống lại sóng địa chấn, một ứng dụng tiềm năng khác của siêu vật liệu mới sẽ là triệt tiêu các rung động trên động cơ để giảm tiếng ồn.

Vật liệu có cấu trúc dạng mạng giúp chống lại cả hai loại sóng năng lượng. Nguồn: Đại học Missouri

“Không ai có thể thiết kế một vật liệu che giấu hoàn hảo trong môi trường đàn hồi trong 20 năm, cho đến khi chúng tôi sản xuất vật liệu mới này”, Huang nói. “Đối với chúng tôi, đó là một bước đột phá cơ bản. Chúng tôi đã sử dụng in 3D để tạo ra vật liệu này, nguyên tắc này có thể được sử dụng với bất kỳ vật liệu nào. Siêu vật liệu chính là một vật liệu có cấu trúc mà các đặc tính được hiện thực hóa thông qua cấu trúc”.

“Kết quả mà nhóm nghiên cứu của Đại học Missouri công bố gần đây rất đáng khích lệ. Nghiên cứu này có thể dẫn đến các chiến lược mới để điều khiển các sóng cơ học ra khỏi các khu vực quan trọng trong các vật thể rắn, có thể cho phép các khả năng mới trong bảo vệ và điều động binh sĩ”, tiến sĩ Dan Cole,  phòng thí nghiệm nghiên cứu quân sự (CCRL) thuộc Bộ chỉ huy phát triển khả năng chiến đấu của Quân đội Hoa Kỳ (ARL), cho biết.

Công trình nghiên cứu vừa được công bố trên Physical Review Letters, một tạp chí của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ.

Theo https://phys.org/news/2020-05-flexible-material-military-personnel.html