Khoa học vừa phát minh ra một loại sơn mới, chỉ cần 1,3 kilogram là đủ để phủ một chiếc Boeing 747

Theo các nhà khoa học, đây là ví dụ đầu tiên về 'sơn cấu trúc', không cần sử dụng sắc tố vẫn có màu sắc.

Debashi Chanda đã tìm kiếm một nhà vật lý học có kỹ năng vẽ. Đồng nghiệp của ông, đang làm việc tại phòng thí nghiệm khoa học nano tại Đại học Miền Trung Florida, đã thành công trong việc phát triển một loại sơn mới. Mặc dù họ đã tạo ra các lọ sơn thử nghiệm với nhiều màu sắc, nhưng khi cố gắng áp dụng lên bề mặt phẳng, họ gặp khó khăn.

“Chúng tôi thậm chí không thể vẽ được một con bướm, chỉ nói đến những hình mà trẻ em cũng có thể vẽ được thôi,” ông Chanda nói.

Dù vẻ ngoài và thiết kế của nó có vẻ đơn giản, nhưng loại sơn này thực sự đặc biệt. Khi nhìn qua kính hiển vi, bề mặt phủ sơn trở nên rất phức tạp, vượt ra khỏi tầm nhìn của người thường.

Màu sắc tồn tại khắp nơi trong tự nhiên, và chúng ta cố gắng tái tạo chúng thông qua kỹ thuật phối màu. Nhưng quá trình tạo ra màu sắc tự nhiên không đơn giản: chỉ cần nhìn cánh bướm hoặc đuôi của một con công là có thể hiểu được phần nào về nó.

Thay vì sử dụng sắc tố như con người, tự nhiên tạo ra màu sắc thông qua các cấu trúc đặc biệt phản chiếu ánh sáng. Các bề mặt nhỏ trên cánh bướm và đuôi công tạo ra hiện tượng phản xạ ánh sáng, tạo nên màu sắc cấu trúc. Màu sắc này bền bỉ hơn so với sơn của họa sĩ và không cần sử dụng sắc tố.

Trong quan điểm của các nhà khoa học, chế tạo loại sơn mới không chỉ giảm lượng chất thải ra môi trường mà còn giúp con người sống dễ dàng hơn trong một thế giới đang ngày càng nóng lên.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, dựa trên ý tưởng về màu sắc cấu trúc, nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của ông Chanda đã thông báo về loại sơn mới chưa từng xuất hiện trước đó. Họ cho rằng đây là loại sơn nhẹ nhất trên thế giới cả về khối lượng và nhiệt độ. Sơn này chứa các bông nhôm và trên cấu trúc của chúng còn chứa các hạt nano nhôm nhỏ hơn nữa.

Với trọng lượng không đáng kể, lớp sơn này có thể giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ của phương tiện di chuyển. Ngoài ra, sơn mới này không hấp thụ nhiệt như sơn chứa sắc tố thông thường và ít chứa độc tố hơn so với sơn làm từ kim loại nặng.

Dayna Baumeister, cộng tác viên chính tại Trung tâm Mô phỏng Sinh học thuộc Đại học Bang Arizona, không ngạc nhiên khi nhận thấy lớp sơn mới mang lại nhiều tiềm năng chưa được khám phá. 'Đây là một minh chứng tuyệt vời cho sức mạnh của tự nhiên trong việc cung cấp ý tưởng sáng tạo cho chúng ta khi tái thiết kế các giải pháp cũ', bà nói.

Mặc dù sơn không thể sánh kịp với vật liệu gốc nhưng không ai có thể phủ nhận sự hữu ích của lớp sơn đa năng này. Con người đã sử dụng sắc tố hàng nghìn năm qua, các nghệ nhân đã phát triển kỹ thuật pha trộn để tạo ra màu sắc mong muốn. 'Họ hiểu rõ cách thêm các thành phần để tăng độ bóng hoặc làm cho màu sắc trở nên sáng hơn hoặc tối hơn - họ có kiến thức vững vàng về sơn sau hàng trăm năm thử nghiệm', ông Chanda nhấn mạnh.

Một loại sơn mới cần phải đạt đến mức độ sáng tạo cao hơn, chạm đến ranh giới của cấu trúc vật lý thay vì chỉ làm đẹp bề ngoài. Tương tự như nhiều phát minh lớn khác, động lực của nhóm Chanda đến một cách ngẫu nhiên.

Nhóm nghiên cứu không đang hướng đến việc phát triển một loại sơn mới, mà họ muốn tạo ra một tấm gương nhôm với diện tích lớn nhờ sự hỗ trợ của máy tia bốc hơi điện. Tuy nhiên, mỗi khi máy hoạt động, họ phát hiện ra những cụm nguyên tử nhôm nhỏ, đến mức hiển vi, nhưng đủ lớn để làm hỏng bề mặt của tấm gương. Những cụm nguyên tử nhôm này hiện diện trên toàn bề mặt của tấm gương một cách 'phiền toái', theo lời ông Chanda.

Và thì ra, những lỗi nhỏ này lại mang lại lợi ích khác. Khi ánh sáng trắng chiếu vào những hạt nano nhôm, các electron trong kim loại được kích thích và dao động hoặc cộng hưởng. Khi chiều không gian giảm xuống cỡ nano, các nguyên tử phản ứng theo cách đặc biệt. Dựa trên kích cỡ của hạt nano, các electron sẽ dao động với các bước sóng ánh sáng riêng biệt. Kết quả là, ánh sáng trắng được phản chiếu với một phổ nhất định: việc phủ hạt nano lên bề mặt làm cho nó tạo ra màu sắc.

Kích cỡ của các hạt nano sẽ xác định màu sắc xuất hiện. 'Chỉ cần điều chỉnh kích thước, bạn có thể tạo ra mọi màu sắc,' ông Chanda nói. Khác biệt với sắc tố, mỗi màu không cần phải có một phân tử cơ sở riêng - nhôm là cơ sở cho quá trình tạo màu này, chỉ khác nhau ở kích cỡ và bước sóng của các hạt nano.

Cơ chế này đã giúp nhóm nghiên cứu tạo ra một loại sơn mới. Họ bắt đầu với một lớp gương hai mặt mỏng, sau đó phủ lớp vật liệu đệm để tăng cường hiệu ứng màu. Sau đó, họ thêm các hạt nano kim loại lên hai mặt của tấm gương và ngâm vào một dung dịch chất dính mịn. Khi đạt đến màu sắc mong muốn, nhóm nghiên cứu bắt đầu quá trình tô vẽ.

Bởi vì màu cấu trúc có thể phủ lên một mặt phẳng lớn chỉ với một lớp vật liệu mỏng và siêu nhẹ, ông Chanda tin rằng loại sơn mới có thể mang lại bước đột phá trong ngành hàng không. Một chiếc Boeing 747 thông thường cần khoảng 500 kilogram sơn để phủ toàn bộ bề mặt, nhưng với loại sơn mới này, nhà sản xuất máy bay chỉ cần 1,3 kilogram sơn để thực hiện công việc tương tự. Giảm trọng lượng này đồng nghĩa với việc tiết kiệm nhiên liệu.

Perry Flint, người phát ngôn viên của Hiệp hội Hàng không Thương mại Quốc tế, đồng ý với quan điểm trên. “Với chi phí nhiên liệu chiếm tỷ lệ lớn trong chi phí vận hành [khoảng 30% vào năm 2022], các hãng hàng không luôn tìm cách cải thiện hiệu suất của nhiên liệu”, ông Flint nói, đồng thời nêu một ví dụ rất cụ thể.

Khi hãng hàng không American Airlines loại bỏ 30 kilogram tài liệu hướng dẫn phi công trên mỗi chuyến bay, họ đã tiết kiệm được đến 1,2 triệu USD chi phí vận hành hàng năm. Trong năm 2021, American Airlines đã áp dụng loại sơn mới cho dòng máy bay 737, dẫn đến việc tiết kiệm được 1,1 triệu lít nhiên liệu.

Các chuyên gia đang nghĩ tới việc sơn lớp phủ trên vỉa hè bằng loại sơn mới, giúp làm giảm nhiệt độ tích tụ tại các thành phố lớn. Điều này có thể làm mát các phương tiện, con đường, thậm chí là mái nhà. Một hệ thống làm mát cho cơ sở hạ tầng có thể giúp con người tiết kiệm năng lượng cần thiết cho việc làm mát.

Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt loại sơn mới không phải là việc dễ dàng. Theo ông Chanda, “phòng thí nghiệm không phải là một nhà máy”. Còn theo nhận định của bà Baumeister, những ứng dụng ban đầu có thể sẽ nhỏ nhặt: có thể là trong các thiết bị điện tử hoặc trong quy trình sản xuất nhạy cảm với nhiệt.

Bà Baumeister tỏ ra lạc quan về một tương lai tươi sáng, khi những phát minh dựa trên yếu tố sinh học có thể được áp dụng ở quy mô lớn. “Tương lai của loài người phụ thuộc vào việc chúng ta hòa mình vào tự nhiên”, bà nhấn mạnh.

Theo Tạp chí Wired