Âm thanh, sóng biển, động đất và nhiệt

 

Trương Văn Tân

 

"Sự giản dị chính là cái tột bực của tinh vi."

Leonardo da Vinci

Tóm tắt

Tựa đề bài viết nói về bốn thực thể là âm thanh, sóng biển, động đất và nhiệt. Những điều thoạt nhìn như biệt lập không có một điểm chung nào. Nhưng xem vậy mà không phải vậy. Bốn thực thể trên mang năng lượng và năng lượng đó được truyền tải trong môi trường bằng sự dao động ở những tần số khác nhau nhưng tuân theo những định luật vật lý giống nhau. Môi trường có thể là thể khí (không khí), thể lỏng (nước) hay thể rắn (đất đá). Âm thanh gây tiếng ồn, sóng biển gây xói mòn và sóng động đất gây vỡ nứt. Hệ thống các ống hình trụ được sắp đặt theo một trật tự và chu kỳ gọi là tinh thể phonon (âm tử) có đặc tính làm phân tán và hấp thụ tiếng ồn, xói mòn và vỡ nứt. Bài viết phân tích đặc tính này trên một định luật cơ bản và giản dị – định luật nhiễu xạ Bragg, và sự cộng hưởng. Sóng siêu âm và nhiệt dao động trong băng tần của những tần số cao. Vì vậy, các ống hình trụ của tinh thể phonon cho hai thực thể này rất nhỏ có kích thước 1 phần triệu của mét (micromét) đến 1 phần tỷ của mét (nanomét). Ở kích thước vi mô này, tinh thể phonon trở thành một "sân chơi" nơi siêu âm, nhiệt, ánh sáng và electron tương tác với nhau, mở ra một bước ngoặt lớn đem các ngành chẩn đoán y học, điện tử, vi tính và viễn thông lên một tầm cao mới.

 

1.  Dẫn nhập

Âm thanh là một phần trong cuộc sống của con người lẫn thế giới loài vật. Nó là cơ bản của việc giao lưu thông tin cho muôn loài sinh linh. Sự kết hợp giữa các giai điệu trầm bổng bởi các nhạc sĩ, thi sĩ biến âm thanh thành tiếng nhạc, điệu thơ mang đến sự thoải mái cho con người. Âm nhạc phản ánh văn minh loài người. Trên bình diện khoa học, những làn sóng âm ngoài vùng khả thính của con người như sóng siêu âm được con người tận dụng để tạo ra những thiết bị hữu ích trong y học và công nghiệp. Tuy nhiên, cũng có những tạp âm như tiếng ồn mà con người muốn loại trừ trong sinh hoạt hằng ngày. Nhưng việc loại trừ, giảm thiểu hay uốn nắn đường đi của âm thanh không phải lúc nào cũng dễ dàng. Tiếng ồn trên đường cao tốc hay âm thanh nhạc rock phát ra từ căn nhà hàng xóm vẫn có thể xuyên qua những bức tường dày.         

Âm thanh, sóng biển, sóng động đất là những loại sóng cơ học. Sóng dao động ở những tần số khác nhau từ thấp đến cao. Sóng cơ học cần môi trường ở thể khí, thể lỏng hay thể rắn như không khí, nước và đất đá cho sự truyền tải (Phụ lục a). Nhưng sóng điện từ  (sóng radio, vi ba, tia hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại, tia X...) có thể truyền tải trong chân không. Vật liệu như thủy tinh đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ để chế tạo lăng kính, thấu kính nhằm hội tụ, phân tán ánh sáng, và cáp quang của thời hiện đại để truyền tải ánh sáng. Cuộc tìm kiếm những vật liệu mới để chinh phục và điều khiển ánh sáng và sóng điện từ vẫn tiếp diễn. Những thành tựu trong sóng điện từ và quang học có ảnh hưởng sâu đậm đến nghiên cứu sóng âm vì những định luật quang học phần lớn có thể áp dụng vào âm thanh.

Trong một bài viết [1], người viết đã đề cập đến một vật liệu mới có tên là "siêu vật liệu". Giáo sư Pendry (Imperial College London, Anh Quốc) và các đồng nghiệp tại Mỹ là những người tiên phong trong hướng nghiên cứu này [2]. Cụm từ "siêu vật liệu" được khai sinh từ những công trình nghiên cứu của Pendry. Nhóm Pendry đã thiết kế ra những vòng hở kim loại và sắp xếp theo một thứ tự và chu kỳ nhất định trên một chất nền. Cấu trúc có trật tự này được gọi là "siêu vật liệu" và thành phần đơn vị là các vòng hở kim loại được xem như là "nguyên tử" của siêu vật liệu. Trong những năm đầu của thế kỷ 21, kết quả này dẫn đến một phong trào nghiên cứu sôi nổi về siêu vật liệu quang học với những đặc tính như hằng số điện môi âm (negative dielectric constant), độ từ thẩm âm và chiết suất âm. Những đặc tính chưa từng thấy này đưa đến một tiềm năng là chế tạo áo choàng tàng hình và siêu thấu kính. Siêu thấu kính có thể quan sát được vật nhỏ hơn ½ bước sóng (Phụ lục b).

Tiếp nối với các công trình về siêu vật liệu quang học là siêu vật liệu âm thanh và nhiệt. Những thành quả có được từ sóng điện từ phần lớn có thể lặp lại cho sóng âm. Các công trình liên quan đến việc uốn nắn những đường đi của âm thanh tạo ra siêu vật liệu "tàng âm" cũng như siêu thấu kính âm học thu hút được nhiều kinh phí nghiên cứu từ chính phủ và đầu tư từ doanh nghiệp càng làm gia tăng sự sôi động của phong trào siêu vật liệu.

Trong những năm tháng của cao trào nghiên cứu, một số nhà khoa học đã hào hứng tuyên bố với một chút cường điệu rằng "siêu vật liệu là vật liệu nhân tạo có đơn vị thành phần được sắp xếp theo một trật tự để tạo ra những đặc tính chưa từng thấy trong thiên nhiên". Thật ra, trước các cuộc khảo sát của nhóm Pendry thì đã có những công trình tiên phong trong hai thập niên 80 và 90 của thế kỷ 20 về tác động của sóng điện từ (bao gồm ánh sáng) trên các vật thể nhân tạo chứa thành phần được sắp xếp có chu kỳ và trật tự. Vì sự trật tự trong cấu trúc, người ta đặt tên những vật thể này là "tinh thể quang tử" hay "tinh thể photon" (photonic crystal). Chữ "tinh thể" được mượn từ cụm từ "tinh thể khoáng chất" thiên nhiên trong đó tinh thể muối gần gũi với chúng ta nhất. Tinh thể muối có thể nhìn được bằng mắt thường là do sự sắp xếp có trật tự của hai nguyên tử chlorine (Cl) và sodium (Na) (Hình 1). Ngoài ra, còn vô số các tinh thể thiên nhiên khác từ kim cương, kim loại đến những hạt cát trên bãi biển cho thấy thiên nhiên đi trước loài người rất xa về việc tạo ra tinh thể.

                              

Hình 1: Hình trái: Tinh thể muối hai nguyên tử chlorine (Cl) và sodium (Na).
Hình phải: Tinh thể kim cương với mạng nguyên tử carbon.

Sau những công trình nghiên cứu tinh thể photon, người ta bắt đầu khảo sát "tinh thể âm tử" hay "tinh thể phonon" (phononic crystal) (Phụ lục c). Tinh thể thiên nhiên thường cho ta hình ảnh một vật chất rất nhỏ cần kính hiển vi để quan sát. Trong các tinh thể nhân tạo để có sự tương tác giữa sóng và vật thể, kích cỡ và khoảng cách của các "nguyên tử" nhân tạo tương đương bước sóng tác dụng lên vật thể đó. Bước sóng của sóng điện từ hay sóng âm thanh kéo dài từ nanomét đến vài trăm mét. Cho nên độ lớn và khoảng cách giữa "nguyên tử" trong tinh thể photon/phonon tỏa rộng từ vi mô (nanomét) đến vĩ mô (centimét, mét).

Siêu vật liệu bao gồm những vật liệu mang những thành phần được sắp xếp có trật tự hay những mạng lưới có dạng hình học (geometrical pattern) đặc thù. Trong ý nghĩa này "tinh thể photon" và "tinh thể phonon" cũng có thể xem là một thể loại của siêu vật liệu. Hiện nay không có sự phân định rõ ràng trên phương diện thuật ngữ giữa "siêu vật liệu" và "tinh thể photon/phonon". Chúng được dùng qua lại để chỉ định những vật liệu hay hệ thống có thành phần được sắp xếp có trật tự và chu kỳ. Nhưng hệ tinh thể photon/phonon có một đặc điểm lớn là sự xuất hiện "vùng cấm" (bandgap). Vùng cấm được biết đến trong chất bán dẫn, điển hình là nguyên tố silicon. Đặc tính của vùng cấm năng lượng của chất bán dẫn đã dẫn đến cuộc cách mạng công nghiệp của thế kỷ 20 và tạo nên một nền công nghiệp điện tử lừng lẫy ngày nay. Vùng cấm trong tinh thể photon/phonon là nơi mà tinh thể "cấm" sóng có một tần số nào đó không được đi xuyên qua. Sóng bị phản hồi.

Với những tri thức liên quan đến siêu vật liệu và sự hiện hữu của vùng cấm trong các tinh thể nhân tạo, liệu tinh thể phonon, nói cách khác hệ thống có sự sắp xếp các thành phần theo trật tự và chu kỳ, có chăng cho một tiềm năng thực tế lợi dụng vùng cấm để "cấm" hay ngăn chặn tiếng ồn, sóng biển và sóng động đất? Ở băng tần cao, ta có sóng siêu âm (ultrasound), siêu vượt âm (hypersound) và nhiệt. "Nguyên tử" của những tinh thể phonon ở băng tần cao có kích thước rất nhỏ từ micromét đến nanomét. Ở kích thước vi mô này, tinh thể phonon là một địa bàn cho sự tương tác giữa siêu âm, nhiệt, ánh sáng và electron.

Bài viết giải thích về khả năng ngăn chặn và hấp thụ tiếng ồn, sự xói mòn của sóng biển và sự tàn phá của sóng động đất bởi các tinh thể phonon vĩ mô. Ngoài ra, hiện trạng của tinh thể phonon vi mô cho sóng siêu âm và nhiệt cũng được đề cập với nhiều tiềm năng lớn trong các ngành chẩn đoán y học, điện tử, vi tính và viễn thông.  

2. Âm thanh và sự uốn nắn đường đi của âm thanh  

Con người liên thông với môi trường xung quanh bằng ngũ giác. Trong đó thị giác và thính giác gần như là hai cảm nhận chính khi con người tiếp xúc với môi trường. Thị giác là sự cảm nhận nhờ vào phản xạ của ánh sáng được đưa lên bộ não xử lý trước cảm nhận của âm thanh. Thị giác qua đôi mắt cho ta sự nhận thức tức thời đến màu sắc rực rỡ và sự hùng vĩ của thiên nhiên cũng như sự linh động ba chiều của môi trường xung quanh. Sự phong phú và đa dạng của những thông tin thị giác ồ ạt áp đảo thính giác. Cho nên để có một cảm xúc toàn vẹn với thính giác chúng ta thường nhắm mắt lại, cắt đứt quấy nhiễu của thị giác, sâu sắc lắng nghe những nhịp điệu âm thanh len lỏi vào tâm thức. Khi âm thanh được sắp xếp theo một giai điệu trầm bổng thì chúng sẽ biến thành những dòng nhạc lời thơ khơi gợi lên nhiều nỗi hoài niệm hay cảm xúc dâng trào. Tiếng Việt là một ngôn ngữ giàu chất thơ có âm điệu nhẹ nhàng trầm bổng, "Tôi đưa em sang sông, chiều xưa mưa rơi âm thầm, để thấm ướt chiếc áo xanh, và đẫm ướt mái tóc em…" (Nhạc Nhật Ngân và Y Vũ). Âm thanh nối kết với cảm xúc một cách thầm lặng.  

Nhìn theo quy luật âm dương, nếu thị giác có tính dương thì thính giác mang tính âm.  Không có gì ngạc nhiên khi các chuyên gia tâm lý hay thần kinh học dùng âm nhạc tạo ra cảm xúc nhất định để khảo sát một trạng thái hay phản ứng tâm lý. Tiếng động hay tiếng kêu dù đơn điệu cũng đem lại một thoáng bồi hồi, ngược dòng thời gian mang ta về một kỷ niệm xa xưa gặp lại những hồi ức pha chút bâng khuâng; có thể đó là tiếng chuông chùa hoàng hôn, tiếng dế đêm thâu hoặc tiếng gà gáy trong sương sớm. Tú Xương từng khắc khoải trong những niềm tiếc nuối, "Vẳng nghe tiếng ếch bên tai. Giật mình còn tưởng tiếng ai gọi đò". Ngược lại, âm thanh khi là một tạp âm như tiếng ồn của xe, tiếng rít của gió hay tiếng nổ của bom thì cảm nhận của ta biến chuyển từ bứt rứt đến hãi hùng. Thính giác thật sự có một tầm quan trọng đến tinh thần và sự hài hòa của tâm lý con người.     

Cũng như quang phổ của sóng điện từ, âm phổ của âm thanh có tần số từ thấp đến cao (Phụ lục a). Mắt con người cảm nhận được một băng tần rất nhỏ của quang phổ sóng điện từ; đó là vùng ánh sáng khả thị thể hiện bằng màu sắc. Tai con người cảm nhận vùng âm thanh nghe được trong băng tần 20 Hz cho đến 20.000 Hz (Hình 2). Băng tần này bị thu ngắn khi tuổi đời gia tăng. Có loài vật có thể nghe được những âm thanh thấp hơn 20 Hz hay cao hơn 20.000 Hz. Tiếng bass của nhạc, tiếng động cơ xe tải hay tiếng lè nhè của gã say rượu là âm thanh có tần số thấp (100 – 500 Hz). Nói đến âm thanh có tần số cao ta nhớ ngay đến giọng ca trong như ngọc và cao vút của ca sĩ Thái Thanh hay Dolly Parton, tiếng hót của loài chim, và cao hơn nữa thì phải nói đến tiếng rít của gió và âm thanh cọ xát chát chúa của hai thanh sắt. Giọng đàn ông trầm (tần số thấp) hơn giọng đàn bà. Những nốt của chiếc đàn piano có tần số từ 30 đến 4000 Hz. Dưới 30 Hz hay trên 4000 Hz, tai con người vẫn cảm nhận âm thanh nhưng không biệt được độ cao thấp. Tiếng hát của Dolly Parton có thể đạt đến 1.000 Hz. Trên tần số này thì tiếng ca thành tiếng hét. Ta cần trải nghiệm của Tô Đông Pha, "hốt văn sư tử Hà Đông hống" (bỗng nghe sư tử Hà Đông rống) từ chất giọng the thé của các bà hàng xóm lúc cãi nhau, tần số có thể chạm đến 4.000 Hz! Cho nên, những nốt nhạc trên 4000 Hz chỉ là những "loạn âm". Sự bứt rứt khó chịu hay sự an bình thư giãn gây ra bởi âm thanh đều tùy thuộc vào tần số.

 

Hình 2: Vùng khả thính của tai con người chỉ chiếm một phần nhỏ của âm phổ từ 20 đến 20.000 Hz (20 KHz). Chỉ có một số loài vật mới nghe được vùng hạ âm (nhỏ hơn 20 Hz) hay siêu âm (cao hơn 20.000 Hz). (Nguồn: Google)

Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, tiếng ồn như là một sản phẩm phụ phiền toái trở nên một phần của cuộc sống. Hơn nửa thế kỷ qua, kỹ sư âm học đã áp dụng nhiều phương pháp giảm thanh ngăn chặn tiếng ồn nhưng vẫn không bắt kịp trước sự thay đổi nhanh chóng của xã hội và nhu cầu to lớn của con người. Tiếng gầm thét của các loại máy bay dân dụng khổng lồ như Boeing 787 Dreamliner, máy bay vận tải Antonov hay tiếng rầm rập đinh tai nhức óc của chiếc xe lửa cao tốc Shinkansen (Nhật Bản) chạy 350 km/h là những ô nhiễm môi trường đe dọa sức khỏe con người và sự an vui trong đời sống. Dù những chiếc xe hơi, xe máy hiện đại được lắp ráp với những cỗ máy êm tai và bộ phận giảm thanh nhưng số lượng xe càng ngày càng nhiều và tiếng ồn gia tăng. Giờ cao điểm kéo dài hơn, thời gian và không gian mà con người có thể tìm được sự yên bình với những tiếng động nhẹ nhàng của thiên nhiên dần dà thu hẹp rồi biến mất.

Con người đã chế tạo ra nhiều thiết bị hay vật liệu để uốn nắn đường đi ánh sáng hay dập tắt nó (hấp thụ) cho nhiều mục đích. Các nhà vật lý và  kỹ sư âm học cũng làm điều tương tự để chế ngự đường đi của âm thanh và chế tạo những thiết bị giảm thanh phức tạp. Thật ra, sự uốn nắn đường đi của âm thanh có một lịch sử lâu đời ngàn năm. Những kỹ sư âm học và kiến trúc sư châu Âu từ thời Trung Cổ đã là bậc thầy trong việc điều chỉnh đường đi của âm thanh qua sự phản hồi hay hấp thụ năng lượng âm thanh trong các kiến trúc giáo đường. Giáo đường được xây cất sao cho lời giảng của linh mục được phản hồi từ trần nhà, tường xung quanh để truyền tải đến tai mọi người. Mái vòm khổng lồ của đại thánh đường Firenze hay chiều cao và kích thước của đại thánh đường Milano tại Ý là những kiệt tác không chỉ của vẻ đẹp kiến trúc mà còn của âm hưởng học. Sau giáo đường, xây dựng nhạc viện hiện đại là một thử thách khác đối với kỹ sư và khoa học gia âm học. Họ nghiên cứu sự liên hệ giữa tiếng vang (reverberation) của từng nốt nhạc với kích thước nhạc viện và số lượng khán giả. Mỗi nốt nhạc cần có tiếng vang không dài quá cũng như không ngắn quá. Nếu thính phòng quá lớn thì âm thanh kéo dài, những nốt nhạc đi sau chồng lên tiếng vang của nốt đi trước, trở nên "loạn âm". Con người là một thể mềm hấp thụ âm thanh hiệu quả. Đồ đạc là vật phản hồi hay hấp thụ. Nếu số lượng người quá đông hay đồ đạc quá nhiều trong một thính phòng nhỏ thì tiếng vang quá ngắn, bài nhạc trở nên nhạt nhẽo. Trong nhà, phòng tắm cho tiếng vang nhiều hơn phòng ngủ. "Văn nghệ nhà tắm" là một hiện tượng phổ biến. Người ta thích ca linh tinh trong phòng tắm hơn phòng ngủ vì ai cũng muốn nghe tiếng vang lời ca của mình hòa trong những dòng nước ấm áp ngọt ngào dù giọng ca đôi khi chỉ là chất giọng của loài vịt...   

3.  Bộ lọc âm thanh từ một tác phẩm nghệ thuật

Nghệ thuật và khoa học là hai phạm trù khác nhau, nhưng chúng có những không gian tương tác nhất định. Leonardo da Vinci được biết như là một nhân vật nối kết giữa khoa học và nghệ thuật. Ngoài bức tranh nổi tiếng Mona Lisa với nụ cười mỉm thánh thiện lừng danh, ông còn là tác giả của những bức họa y khoa vô cũng tỉ mỉ và chính xác. Khoa học được áp dụng vào nghệ thuật trên nhiều phương diện như tổng hợp vật liệu hay các loại sơn bền tốt cho hội họa, tạo ra những lớp phủ để bảo vệ các tác phẩm nghệ thuật hay cung cấp những vật liệu cần thiết cho ngành điêu khắc. Những định luật vật lý về màu sắc, quy luật hóa học pha chế màu từ các loại dung môi đã giúp họa sĩ vẽ nên những bức họa nổi tiếng và tồn tại qua nhiều thế kỷ. Nhưng hiếm khi một tác phẩm nghệ thuật không những trở thành đối tượng nghiên cứu khoa học mà còn dẫn đến một đề tài "nóng" được thảo luận và khảo sát trong giới khoa học kéo dài qua nhiều thập niên.

Eusebio Sempere (1923-1985), một điêu khắc gia, họa sĩ nổi tiếng người Tây Ban Nha thuộc trường phái tối giản (minimalism) đã dựng lên một vật thể nghệ thuật bằng những ống thép bình thường (Hình 3) đặt trong một công viên tại thành phố Madrid (Tây Ban Nha). Những ống thép có đường kính 2,9 cm và đặt theo một khoảng cách 10 cm trên một bệ tròn. Tiến sĩ Francisco Meseguer, nhà vật lý quang học của Viện Khoa học Vật liệu tại Madrid, trong một buổi tối "chén chú chén anh" một người bạn đề nghị ông khảo sát tính chất âm học cái tác phẩm "tối giản" của Sempere. Ông và cộng sự kéo nhau ra ngoài công viên đặt ống loa và micrô xung quanh vật thể. Một bên, ống loa phát ra những tần số âm thanh khác nhau từ thấp đến cao. Bên kia, bộ cảm âm (micrô) thu nhận âm từ ống loa đi xuyên qua các ống thép. Cuộc thực nghiệm dã ngoại của Meseguer và cộng sự cho ra kết quả thú vị và được nhanh chóng đăng tải lên tạp chí Nature qua dạng một bức thư báo cáo ngắn xuất bản năm 1995 [3]. Ba năm sau, nhóm này đăng môt bài báo cáo bài bản hơn trên tạp chí Physical Review Letters [4].  

 

Hình 3: Tác phẩm nghệ thuật của Eusebio Sempere. (Nguồn: Google)

Từ quan điểm khoa học, tác phẩm của Sempere là một cấu trúc có thành phần được sắp xếp theo một trật tự có khoảng cách (chu kỳ) nhất định và có thể xem là một hệ thống tinh thể phonon. Trong đó, những ống thép là những "nguyên tử" giống như nguyên tử chlorine (Cl) và sodium (Na) trong muối hay nguyên tử carbon (C) trong kim cương.

Nhóm Meseguer sử dụng sóng âm có tần số 1 đến 4 kHz cho thí nghiệm. Kết quả cho thấy phần lớn âm thanh len lỏi đi qua các ống thép, nhưng âm thanh có tần số 1,67 kHz bị ngăn chặn và không được micrô ghi nhận. Tác phẩm của Sempere có đặc điểm như một bộ lọc âm thanh. Như vậy, âm thanh có tần số 1,67 kHz đã đi về đâu? Khi sóng âm tác động lên một vật thể, sóng sẽ đi xuyên qua vật thể (truyền âm), phản hồi hay hấp thụ. Phần âm thanh đi qua hệ thống ống thép đã được micrô ghi nhận thì không có gì đáng nói. Phần âm thanh không được ghi nhận chỉ có thể phản hồi hay bị hấp thụ. Các ống thép quá cứng cho việc hấp thụ âm thanh nhưng chúng lại là những vật làm phát tán sóng âm rất hữu hiệu. Cho nên, âm thanh chỉ có thể phản hồi theo một hướng khác chệch ra ngoài vị trí đặt chiếc micrô. Câu hỏi kế tiếp là tại sao có băng tần phản hồi và băng tần mà sóng có thể xuyên qua như không có vật gì cản trở?

Để hiểu rõ kết quả của nhóm Meseguer, hãy tưởng tượng ta đi lang thang trong một ngôi rừng cao su, nơi những cây cao su giống nhau được trồng thành hàng theo một trật tự. Ngoài bìa rừng, một dàn nhạc giao hưởng đầy đủ mọi nhạc cụ đang trình diễn những bài nhạc cổ điển. Khi âm thanh của dàn nhạc chạm vào đôi tai thì chúng đã bị biến đổi. Hệ quả là trong rừng ta chỉ nghe được tiếng trầm của cây đàn cello và tiếng bổng của cây violin, âm thanh của các nhạc cụ khác giữa hai cực trầm và bổng này không được truyền đến đôi tai. Việc băng tần "biến mất" cũng tương tự như hiện tượng được ghi nhận bởi nhóm Meseguer từ tác phẩm Sampere.

Để hình dung được tác động của sóng trên các ống thép, ta hãy hình tượng mặt hồ gợn sóng bởi những làn gió nhẹ. Sóng nước tác động lên một cây cột cắm vào đáy hồ, cây cột sẽ làm phân tán sóng theo hưóng ngược lại. Khi nhiều cây cột được cắm theo một trật tự có hàng có dọc thì sóng tác động lên từ cột này sang cột khác. Nhờ vào cách sắp xếp có trật tự theo một khoảng cách (chu kỳ) nhất định sự phân tán sóng tràn ngập trong toàn thể hệ thống các cây cột. Sóng phân tán tác động lên nhau gây ra hiện tượng giao thoa (nhiễu). Trong hiện tượng giao thoa khi hai luồng sóng phân tán nhấp nhô gặp nhau có 3 trường hợp xảy ra: (1) nếu điểm đỉnh của chúng gặp nhau ta sẽ có giao thoa tăng (constructive interference) và (2) nếu điểm đỉnh của luồng sóng này gặp điểm đáy của luồng sóng kia ta sẽ có giao thoa giảm (distructive interference) và (3) những tình huống giao thoa đâu đó giữa (1) và (2).

Trở lại kết quả của nhóm Meseguer, ta phải giải thích tại sao tác phẩm ống thép ngăn chặn sóng âm có tần số 1,67 kHz nhưng cho sóng âm ở các tần số khác xuyên qua. Để hiểu rõ thí nghiệm của nhóm Meseguer một cách định lượng chúng ta cần áp dụng định luật nhiễu xạ Bragg. Theo định luật Bragg, khi sóng có bước sóng bằng 2 lần khoảng cách giữa hai ống thép thì ta có sự giao thoa tăng (trường hợp 1) (Phụ lục d, công thức P4). Luồng sóng này phản hồi, nghĩa là không xuyên qua hệ thống ống thép. Những luồng sóng với bước sóng khác sẽ lọt vào trường hợp 2 và 3 và sẽ đi xuyên qua hệ thống các ống thép. 

Nói một cách khác, khi sóng tác động lên một hệ thống có thành phần được sắp xếp có trật tự theo một chu kỳ (khoảng cách giữa các thành phần) thì vùng cấm xuất hiện. Nghĩa là, vùng cấm là nơi sóng có tần số f_o bị "cấm" xuyên qua vật thể nhưng sóng có tần số lớn hoặc nhỏ hơn f_o thì có thể xuyên qua, tương tự như chùm tia X bị nhiễu hay không bị nhiễu trong Hình P2 (Phụ lục d). Vật thể này có thể xem như bộ lọc tần số, ngăn chặn một tần số nhưng cho các tần số khác đi qua. Như được trình bày trong Phụ lục e, kết quả tính toán dùng định luật Bragg cho thấy f_o = 1,715 kHz rất gần với trị số thực nghiệm 1,67 kHz.

Sau cuộc thực nghiệm dã ngoại của nhóm Meseguer một số thực nghiệm được triển khai cho các loại ống kim loại lớn nhỏ [4], xen kẽ các ống thép có kích cỡ khác nhau theo một chu kỳ nhất định [5]. Một công trình khác cho thấy cách sắp xếp các ống theo hình tam giác thay cho hình vuông (Hình 4) sẽ có hiệu quả ngăn chặn âm thanh trên một băng tần rộng tương đương với bức tường gạch [6]. Cây trồng hay bụi cây có đường kính và chiều cao khác nhau được trồng theo một trật tự cũng cho thấy hiệu quả ngăn chặn và phân tán âm thanh [7]. Mục đích của các thực nghiệm nhằm tạo những ứng dụng thực tế như việc giảm tiếng ồn của xe đồng thời giảm chi phí so với việc xây dựng những bức tường gạch và tạo ra một cảnh quan đẹp dọc theo các tuyến đường cao tốc. Trong các nhà máy, người ta dùng các ống thép để làm giảm nguồn ô nhiễm tiếng động cơ. Để chặn những tiếng ồn này người ta có thể thiết kế các ống thép có đường kính và khoảng cách thích hợp theo định luật Bragg.

 

Hình 4: Cách sắp xếp của tinh thể phonon: (1) Sắp xếp vuông, 4 cột thành một đơn vị (hình trái)
và (2) sắp xếp tam giác, 3 cột thành một đơn vị (hình phải) [8].

4.  Tinh thể phonon băng tần rộng

Một số công trình nghiên cứu như đã đề cập cho thấy hệ thống tinh thể phonon có thể ngăn chặn những tần số riêng lẻ nhưng có một câu hỏi thường xuyên đặt ra là: liệu một hệ thống được tạo dựng bằng những vật liệu đơn giản "công nghệ thấp" như ống kim loại có thể ngăn chặn qua sự phản âm hay hấp thụ âm trong tần số khả thính của con người (20 Hz – 20.000 Hz)? Câu trả lời mang một ý nghĩa quan trọng cho các nhà khoa học, kỹ sư xây dựng, kiến trúc sư trong việc kế hoạch đô thị, thiết kế cao ốc để tìm một lời giải trong việc loại trừ tiếng ồn. Theo kết quả tính toán của Kushwaha [9] thì việc này khả thi. Mặc dù không phủ lấp được toàn thể băng tần khả thính nhưng với ống kim loại có 6 đường kính khác nhau thì một bức tường ống có thể loại trừ tiếng ồn trong băng tần 200 Hz cho đến 4750 Hz.

Sự kết hợp các ống có nhiều đường kính khác nhau cho ra nhiều kết quả thú vị. Trong một công trình của đại học Bách khoa Valencia (Tây Ban Nha) [10], một tinh thể phonon hấp thụ âm thanh được chế tạo bằng những ống trụ plastic có đường kính lớn dần từ ngoài vào trong tạo thành một vành đai. Trong vành đai là tập hợp các ống trụ tạo thành tâm lõi (Hình 5). Khi sóng âm tiếp cận vành đai, sóng bị bẻ cong hướng về tâm lõi giống như ánh sáng bị khúc xạ. Tại tâm lõi, mọi năng lượng sóng bị hấp thụ bởi sự cọ xát của sóng với các ống trụ. Người ta gọi thiết bị này là "lỗ đen âm học" theo định nghĩa "lỗ đen" trong vũ trụ. Tiến sĩ Olga Umnova (Đại học Salford, Anh) tạo dựng một cấu trúc tương tự nhưng to hơn để khảo sát sự hấp thụ năng lượng gây ra bởi tiếng nổ của bom [11]. Người ở trong hầm trú ẩn có thể tử vong vì sức ép của quả bom nổ. "Lỗ đen âm học" có thể hấp thụ được năng lượng sức ép này khi đặt xung quanh hầm trú ẩn tránh được thương vong.

 

Hình 5: Tinh thể phonon (nhìn từ trên)
có vành đai và tâm lõi làm bằng những ống trụ plastic hấp thụ năng lượng sóng âm tạo ra "lỗ đen âm học".
Hình nhỏ góc trên bên phải là kết quả của mô hình toán cho thấy đường đi hướng tâm của sóng âm [10].

Tiếng ồn là tập hợp âm thanh hỗn loạn của nhiều tần số khác nhau. Một bài nhạc cũng là một tập hợp âm thanh nhiều tần số nhưng theo một giai điệu hài hòa êm tai. Nhưng khi có ông hàng xóm thích vặn nhạc to vang dội cả một khu xóm thì dù ta có đóng kín cửa những tiếng đệm bass "bùng bùng…" vẫn len lỏi xuyên vào nhà. Bài ca trở nên què quặt gây ra sự khó chịu như tiếng động cơ của chiếc xe tải chạy trên cao tốc hay tiếng còi hụ của tàu thủy. Người ta xây bức tường gạch để chặn tiếng ồn nhưng các âm có tần số thấp như tiếng bass, tiếng động cơ, tiếng còi vẫn có thể vượt rào.

Việc thay thế những bức tường gạch tốn kém bằng một barie tinh thể phonon với hàng cây xanh hay các ống thép là việc khả thi. Nhưng ngăn chặn tiếng ồn có tần số thấp với tinh thể phonon có nhiều khó khăn. Theo định luật Bragg, để gây ra sự phản hồi sóng ở tần số 100 Hz, khoảng cách giữa hai ống phải là 1,7 m. Ở khoảng cách này, đường kính của ống phải đủ lớn (~ 1 m) để lắp vào các khoảng trống cho việc phản hồi sóng có nhiều hiệu quả hơn. Thiết kế này cồng kềnh và không thực tế. Nhưng khi ống thép được triển khai thành một vật có thể vừa phản hồi ở tần số cao vừa hấp thụ âm ở tần số thấp thì hai cơ chế này sẽ tạo ra một hệ thống có sức ngăn chặn âm thanh trên một băng tần rộng. Việc hấp thụ âm thanh đã được áp dụng nhiều trong ngành xây dựng. Những thể xốp nhiều khe rãnh, lỗ trống vi mô hay bông sợi thủy tinh là vật liệu truyền thống hấp thụ âm thanh được đặt vào tường hay trên trần nhà [12]. Sóng âm đi vào những con đường ngoằn ngoèo của các khe rãnh hay lỗ trống và dần dần bị hấp thụ qua sự cọ xát với vật liệu.

Việc hấp thụ sóng còn xảy ra qua cơ chế cộng hưởng. Mọi vật thể hay cấu trúc đều có tần số cộng hưởng riêng của chúng. Khi có một rung động tương tác lên vật thể hay cấu trúc ở tần số rung giống như tần số tự nhiên của vật thể, nói nôm na là cùng một nhịp đập, thì sự cộng hưởng xảy ra. Khi đó năng lượng rung sẽ bị hấp thụ bởi vật thể hay cấu trúc đó. Một thí dụ dễ hiểu về cộng hưởng là một đoàn quân vài ngàn người cùng diễn hành qua một cây cầu. Khi nhịp đi của đoàn quân có tần số tương tự như tần số cộng hưởng tự nhiên của cây cầu thì năng lượng va đập vào cầu của hàng ngàn đôi chân được chiếc cầu hấp thụ và có khả năng làm sập cầu. Một thí dụ khác mà người đọc có thể xem trên youtube là một nguồn âm đặt trước một cái ly thủy tinh. Khi tần số âm thanh phát ra giống như tần số tự nhiên của cái ly thì sự cộng hưởng xảy ra, cái ly hấp thụ năng lượng sóng khiến nó bị vỡ tan.

Vật cứng như kim loại chỉ có tác dụng phản hồi nhưng vật mang tính đàn hồi như cao su hay các loại plastic mềm có khả năng hấp thụ năng lượng sóng theo cơ chế cộng hưởng. Người ta đã sử dụng các vật liệu truyền thống hấp thụ âm hay các mảnh vụn cao su được nghiền từ vỏ bánh xe phế thải [13] lấp đầy khoảng trống của ống thép hay viền xung quanh một lớp cao su mỏng bên ngoài ống thép [14]. Những vật liệu này hấp thụ sóng âm nhưng không cho hậu quả "khốc liệt" như cây cầu hay cái ly mà chỉ biến năng lượng sóng thành nhiệt. Bề mặt ống thép cũng được sửa đổi như cắt dọc theo chiều dài của ống để tiết diện của có hình chữ C hay trên bề mặt được khoan những lỗ trống (Hình 6) [15] để tạo sự cộng hưởng. Khi có những thay đổi này mô hình toán học cho thấy ngoài vùng cấm chính theo định luật Bragg có một vùng cấm thứ hai ở băng tần thấp hơn xuất hiện do sự cộng hưởng.  

Hình 6: Bề mặt ống thép được cắt dọc theo chiều dài của ống để tiết diện có hình chữ C
 hay trên bề mặt được khoan những lỗ trống tạo ra sự cộng hưởng [15].

Nhưng trước công trình này 3 năm, một mô hình toán học tương tự đã được công bố và thực chứng bởi các dữ liệu thực nghiệm từ một "bức tường" rất độc đáo làm từ các ống tre (Hình 7) [16]. Nhóm này dùng các ống tre tạo thành một hệ thống tinh thể phonon có vùng cấm phản hồi sóng như tác phẩm Sampere. Khi các ống tre được đục các lỗ trống dọc theo chiều dài ống thì vùng cấm thứ hai xuất hiện ở băng tần thấp hơn vùng cấm thứ nhất. Ống tre có lỗ trống như một ống sáo có tác dụng như vật cộng hưởng Helmholtz hấp thụ năng lượng ở một tần số nhất định (Phụ lục f). Công trình nghiên cứu này mang đến cho ta một ý tưởng "xanh" đem hương vị của hoa đồng cỏ nội để thanh lọc những tiếng ồn của chốn phồn hoa đô hội. Ta có thể chọn những ống tre, ống trúc to nhỏ khác nhau, đặt chúng ở những khoảng cách dài ngắn khác nhau, khoan những lỗ trống nhiều ít khác nhau để tối ưu hóa "bức tường" của tinh thể phonon ống tre. Trong lòng một đô thị ồn ào bụi khói ta vẫn có thể tạo ra một khu vườn Nhật Bản nhiều cây xanh được bao quanh bởi  bức tường tre đơn giản nhưng chặt chẽ tuân thủ những quy luật vật lý để cho ta một không gian trầm lắng. Trong không gian này những tiếng động có lẽ chỉ là tiếng róc rách của con suối nhỏ nhân tạo hay là tiếng vẫy đuôi của con cá koi hớp nước bắt mồi. Tại sao không?

Hình 7: Những ống tre với những lỗ trống cộng hưởng tạo ra bức tường ngăn chặn tiếng ồn.
Ống tre có đường kính trung bình 4 cm, cao 2,60 m và đường kính lỗ trống 9 mm.
Hệ thống tinh thể ống tre cho thí nghiệm gồm 9 ống x 5 dãy [16].

Ngoài lỗ trống tầm milimét, những khe hay lỗ trống có kích thước nhỏ hơn 1 mm, trong khoảng micromét, cũng có thể khắc trên bề mặt tấm kim loại mỏng, plastic hay giấy bìa để hấp thụ âm thanh bởi cơ chế cộng hưởng. Ở thập niên 70 của thế kỷ 20, một giáo sư người Trung Quốc, Dah-You Maa, đã dùng các phương trình toán học để lý giải hiện tượng hấp thụ qua các khe hở micromét  [17]. Theo ông, khe trống hay lỗ trống với kích cỡ vài trăm micromét (100 – 300 µm) có thể hấp thụ năng lượng sóng trên một băng tần rộng mà không cần đến những vật liệu như thể xốp, cao su hay bông sợi thủy tinh hỗ trợ. Lý thuyết Maa đã được thương mại hóa tạo ra những pa-nô kim loại hay plastic trong hay đục nhiều màu sắc vừa đẹp mắt vừa hấp thụ tiếng ồn trong lĩnh vực xây dựng [18].

Theo dòng nghiên cứu của giáo sư Maa, một công trình gần đây đáng chú ý có ứng dụng thực tiễn do nhóm nghiên cứu của Đại học Bách khoa Valencia (Tây Ban Nha) thực hiện [19]. Nhóm này dùng những ống nhôm được khắc với mật độ dày đặc những khe ngắn và hẹp (Hình 8a). Những khe này có tác dụng hấp thụ sóng âm. Ba dãy ống nhôm được sắp xếp theo một trật tự thành một hệ thống tinh thể phonon phản hồi sóng. Họ hoàn thành một hệ thống vừa hấp thụ vừa phản hồi âm thanh ở băng tần có tần số thấp (1.000 – 5.000 Hz). Hệ thống này có chức năng ngăn chặn âm thanh tương tự như bức tường bê tông có kích thước giống nhau (Hình 8b).

           

                (a)                                                                         (b)                                        

Hình 8: (a) Khe hở trên bề mặt ống nhôm có chiều dài b = 1,61 mm và chiều ngang a = 48,1 μm
và (b) Hàng rào hấp thụ âm thanh làm bằng 3 dãy ống nhôm khắc khe hở có đường kính 16 cm, cao 3 m, đặt cách nhau 22 cm [19].   

5.  Sóng biển và sóng động đất

Như sóng âm, sóng nước và sóng động đất là sóng cơ học. Đây là những loại sóng có sức tàn phá to lớn gây ra sự xói mòn và sạt lở. Một số nhóm nghiên cứu đã lập ra những mô hình toán tìm hiểu sự tác động của hai loại sóng này lên hệ thống tinh thể phonon cho việc ngăn chặn sóng biển và sóng động đất.

Phương pháp truyền thống bảo vệ bờ biển là dùng tetrapod, những tảng bê tông bốn chân, đặt chồng lên nhau không trật tự dọc theo bờ làm giảm năng lượng xói mòn của sóng. Trong mô hình của tiến sĩ Hu và cộng sự [20], nhóm này tạo ra một loại ống có bốn khe hở dọc theo chiều dài ống (Hình 9). Những thay đổi trên bề mặt ống như đã đề cập đều biến ống thép "trơ trơ" như đá thành một vật biết hấp thụ năng lượng. Nhưng khác với loại ống dùng trong không khí chỉ có một khe hở dọc theo chiều dài hay những lỗ trống, sự hấp thụ sóng xảy ra nhờ bốn khe hở. Khi sóng đánh vào, nước biển ùa vào ống qua khe hở mặt trước, và nước được thải ra qua khe hở ở mặt sau. Như thế chiều cao sóng khi tác động qua ống bị suy sụp nhanh chóng. Năng lượng sóng bị hấp thụ. Kết quả tính toán của Hu và cộng sự cho thấy một hệ thống với 5 dãy ống với bốn khe hở (1) phản hồi và hấp thụ 90 % năng lượng sóng tới và (2) có thể ngăn chặn sóng có bước sóng dài (tần số thấp). Sóng có bước sóng dài là sóng thần. Như vậy, suy diễn từ kết quả tính toán thì hệ thống ống của Hu và cộng sự có tiềm năng ngăn chặn sóng thần. Lý thuyết đưa ra những kết quả lý tưởng cho những trường hợp đơn giản nhưng thực tế thì không hề đơn giản. Sóng biển không chỉ đơn thuần là loại sóng bề mặt hiền lành chỉ biết đưa đẩy ra vào mà còn có những luồng sóng ngầm hay vòng xoáy. Những yếu tố này không được bao gồm trong mô hình của Hu và cộng sự. Ngoài ra, thiết lập một hệ thống các dãy ống rắn chắn dọc theo bờ có thể rất tốn kém. Tạm thời, người ta hài lòng với các tảng tetrapod đặt lổng chổng dù không thẩm mỹ nhưng tiết kiệm được nhiều kinh phí.

Hình 9: Mô hình tinh thể phonon với ống hình trụ có bốn khe hở cho việc hấp thụ năng lượng sóng biển [20].

Trong khi việc ngăn chặn sóng biển chỉ dừng ở mô hình toán thì những nghiên cứu về sóng động đất đã được thực nghiệm ở hiện trường. Trong tất cả những loại thiên tai, có lẽ động đất gây nhiều tổn thất lớn về sinh mạng cũng như tài sản. Hiện nay, tại các quốc gia phải hứng chịu nhiều thảm họa động đất như Nhật Bản người ta thiết kế nhà cao tầng và cấu trúc hạ tầng có khả năng làm giảm sự rung chuyển gây bởi động đất. Nhưng biện pháp này vô hiệu đối với những trận động đất lớn. Một phương sách khác là làm giảm cường độ sóng trước khi nó chạm đến các tòa nhà và nơi công cộng. Động đất gây ra bởi sự va chạm giữa hai thềm lục địa, năng lượng va chạm được truyền đi dưới dạng sóng. Những luồng sóng này khi chạm mặt đất sẽ trở thành sóng bề mặt dao động qua lại hay lên xuống với tốc độ di chuyển vài km trong một giây. Liệu những luồng sóng này có giống như sóng âm di chuyển trong không khí hay trong nước có thể bị bẻ ngoặt theo một hướng khác hoặc bị chặn nơi chúng ta muốn bảo vệ?

Tiến sĩ Sebastien Guenneau và cộng sự của đại học Aix-Marseille (Pháp) và Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia (CNRS, Pháp) cùng với các kỹ sư xây dựng của công ty Ménard đã thực hiện một thí nghiệm hiện trường hoành tráng để trả lời câu hỏi trên và tìm hiểu hiệu năng chống động đất của hệ thống tinh thể phonon [21]. Nhóm này khoan 3 x 10 lỗ trống hình trụ, mỗi lỗ có đường kính 32 cm và chiều sâu 5 m, khoảng cách giữa hai lỗ trống là 1,73 m. Nguồn chấn động được treo từ một cần cẩu (Hình 10). Các bộ cảm chấn được đạt xen kẽ trong và ngoài hệ thống lỗ trống. Kết  quả thí nghiệm cho thấy sóng chấn động phản hồi trở lại về phía nguồn phát chấn. Như vậy, nếu ta xây một vành đai các lỗ trống hình trụ (Hình 11) quanh một tòa nhà hay khu vực thì chúng sẽ được bảo vệ từ mọi phía.

       

(a)                                                              (b)                                       

Hình 10: Cuộc thí nghiệm thực địa của nhóm Guenneau: (a) chi tiết thí nghiệm và (b) hiện trường [21].

 

Hình 11: Vành đai tinh thể phonon (2) bao quanh nền nhà (3) để chống sóng động đất (1).

Thí nghiệm nhóm Genneau xác nhận hệ thống tinh thể phonon cũng có tác dụng làm phản hồi sóng trong lòng đất. Các lỗ trống không khí làm phản hồi sóng ở tần số 50 Hz nhưng sóng động đất có nhiều tần số đặc trưng khác nhau. Các nhà khoa học và kỹ sư địa chất cần phải có đề án thiết kế để bao phủ mọi tần số như Kushwaha đã thực hiện cho sóng âm trong không khí. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy cấu trúc các lỗ trống làm phản hồi sóng có phần hơi "ích kỷ" vì sóng phản hồi sẽ gây thêm tác hại cho khu vực xung quanh của vùng được bảo vệ. Để tránh trường hợp này các lỗ trống đơn giản của nhóm Genneau được thay thế bằng ống thép hay bê tông và tiết diện của ống có thể là hình tròn hay chữ thập tùy theo loại đất đá [22]. Các loại ống cần phải được cải tiến để có khả năng hấp thụ năng lượng sóng như các ống kim loại được gia công đã đề cập ở phần trên. Chẳng hạn, cao su được bao quanh ống nhằm gia tăng sự hấp thụ.

Dữ liệu thực nghiệm và những dự đoán từ mô hình toán đã nâng sự hiểu biết về công nghệ chống động đất lên một tầm cao. Việc thực hiện một vành đai bảo vệ quả thật tốn kém nhưng so với tổn thất to lớn mà động đất gây ra thì kinh phí xây dựng chỉ là một phần nhỏ. Vấn đề là chúng ta vẫn chưa hiểu hết về hiện tượng địa chấn vì sóng động đất vốn phức tạp. Dữ liệu của nhóm Gennneau chỉ là kết quả của sóng bề mặt trong khi việc truyền tải của sóng khối (bulk wave) trong lòng đất vẫn chưa được hiểu cặn kẽ. Ngoài ra, sóng di động trên những băng tần khác nhau và tùy thuộc vào đặc tính của môi trường truyền tải, đó là những tầng đất đá của vỏ địa cầu. Cho nên không có một thiết kế chung cho tất cả mọi tình huống địa lý.

Sự xói mòn bởi sóng biển là kết quả của quá trình dao động miệt mài gây bởi năng lượng sóng trong một thời gian dài. Ngược lại, năng lượng va chạm giữa hai thềm lục địa gây ra động đất có con số khổng lồ được thiên nhiên phóng thích trong một thời gian rất ngắn. Một trận động đất có độ Richter 6 thả ra năng lượng tương đương với một quả bom hạt nhân Hiroshima có sức tàn phá của 15.000 tấn thuốc nổ TNT. Ở độ  Richter 7 sức tàn phá bằng 30 quả bom Hiroshima. Thảm họa sóng thần năm 2011 tại vùng Đông Bắc Nhật Bản gây ra bởi một trận động đất ở độ Richter 9 có sức tàn phá hơn 30.000 quả bom Hiroshima. Một sức mạnh khủng khiếp vượt qua mọi sự tưởng tượng nhưng con số phản ánh địa chấn có mật độ năng lượng rất cao. Trong thời đại của năng lượng tái tạo mà tiêu biểu là năng lượng mặt trời, năng lượng gió đang phổ biến rộng khắp, cái nhẹ nhàng của sóng biển và cái mãnh liệt của sóng động đất đều nằm trong tầm ngắm của các nhà khoa học. Hiện nay, đã có những thiết bị tích điện cho năng lượng mặt trời để chứa điện dùng từ từ trong một thời gian dài. Người ta cũng chế tạo được thiết bị và vật liệu chuyển hoán cơ năng (sóng biển, sóng động đất) thành điện năng. Những thiết bị này có thể gắn vào hệ thống tinh thể phonon vừa ngăn chặn sóng vừa hấp thụ sóng để biến thành điện. Nhật Bản thường xuyên có những trận rung chuyển nhỏ dưới Richter 5 không đủ sức mạnh tàn phá nhưng phóng thích ra nhiều năng lượng mà hệ thống tinh thể phonon có thể khai thác và tích trữ.   

6.  Siêu âm, siêu vượt âm và nhiệt

Nền công nghiệp điện tử với hạt electron khởi đầu hơn 50 năm trước đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghiệp của thế kỷ 20 với những sản phẩm như máy tính và điện thoại thông minh. Cuộc cách mạng vô tiền khoáng hậu này đã làm thay đổi cách sống và bộ mặt của cuộc sống loài người. Đứng sau cuộc cách mạng điện tử là con chip chứa hàng tỷ transistor và công cụ cực nhỏ này được vận hành bởi vùng cấm electron của vật liệu bán dẫn silicon. Ngoài ra, cáp quang truyền thông, những đĩa CD, DVD, máy in laser thông dụng, thiết bị in laser tạo vật kim loại 3 chiều là thành quả của các nghiên cứu quang tử học (photonics) từ 20 năm qua. Âm tử học (phononics) là người em sanh sau đẻ muộn nhưng sự kết hợp của electron, photon và phonon với vùng cấm đặc trưng của từng thể loại sẽ dự kiến được áp dụng trong các thiết bị tương lai. Khi đó internet sẽ nhanh hơn, máy tính và điện thoại di động sẽ đa dạng và đa năng hơn, và vô số tiềm năng khác. Nhưng để đạt tới những tiềm năng này chúng ta còn một quãng đường dài nghiên cứu trước mắt, cần thêm ít nhất 10 năm. 

Siêu âm là sóng âm có tần số trong vùng megahertz (MHz, 1 MHz = 1.000.000 Hz) có bước sóng trong vùng micromét (μm) nằm ngoài vùng khả thính của con người. Hình 12a cho thấy hệ thống tinh thể phonon làm bằng miếng (wafer) silicon với những ống không khí có đơn vị μm. Hệ thống này cho thấy một vùng cấm siêu âm khoảng 500 MHz nơi có sự phản hồi sóng xảy ra theo định luật Bragg (Phụ lục d). Một trong những thiết bị quan trọng dùng trong y học là máy ảnh siêu âm chụp nội tạng hay thai nhi. Theo dòng thời gian, độ phân giải của máy càng lúc càng được cải thiện để có thể quan sát những chi tiết nhỏ hơn. Tuy nhiên, giống như kính hiển vi quang học, máy tạo hình siêu âm bất lực trước chi tiết nhỏ hơn 1/2 bước sóng. Cũng như siêu thấu kính quang học của nhóm Pendry, siêu thấu kính âm học dựa trên tinh thể phonon đã được chế tạo và khảo sát nhằm chinh phục được sự nhiễu xạ nhỏ hơn 1/2 bước sóng [23]. Những hoạt động nghiên cứu của tinh thể phonon siêu âm bắt đầu vào những năm đầu tiên của thế kỷ 21. Hơn 15 năm trôi qua, đã có nhiều đề nghị ứng dụng chế tạo bộ cảm ứng siêu âm và các ứng dụng y học khác [24]. Tuy nhiên, những dữ liệu thực nghiệm cho đến nay chỉ dừng ở mức hàn lâm và chưa được biến thành thương phẩm. 

 

Hình 12: Hệ thống tinh thể phonon cho (a) siêu âm làm từ miếng silicon với những ống không khí có đường kính 6 μm và chiều cao 100 μm [25]; (b) siêu vượt âm có kích cỡ nhỏ hơn 1 μm và (3) nhiệt có kích cỡ nanomét [26].

Khi khoảng cách giữa hai ống tiến đến mức vài micromét thì vùng cấm của tinh thể phonon sẽ lọt vào vào tần số của vùng siêu vượt âm ở đơn vị gigahertz (GHz, 1 GHz = 1 tỷ Hz). Micromét cũng là đơn vị của bước sóng ánh sáng. Như vậy, những tinh thể phonon này có thể vừa có vùng cấm cho sóng siêu vượt âm lẫn ánh sáng. Sự đồng hành và tương tác giữa phonon và photon ánh sáng trên cùng một địa bàn mở ra một công nghệ mới cho việc chế tạo các linh kiện vô tuyến, vi tính và viễn thông.

Sự truyền tải nhiệt xảy ra ở tần số tetrahertz (THz, 1 THz = 1 ngàn tỷ Hz). Giống như âm thanh, nhiệt và nguyên tử của môi trường tương tác với nhau. Nhiệt làm cho nguyên tử dao động và sự dao động khiến nhiệt lan tỏa đi khắp mọi phía. Sự truyền nhiệt xảy ra. Thời gian dao động qua lại một vòng của nguyên tử bởi nhiệt vào khoảng 10^-13 giây. Nghĩa là, trong 1 giây nguyên tử dao động khoảng 10¹³ lần (10.000 tỷ lần), nói theo thuật ngữ khoa học thì tần số dao động là 10¹³ Hz hay là 10 THz. Bước sóng của phonon ở vùng THz nằm trong phạm vi nanomét.   

Trong một môi trường vĩ mô như môi trường chúng ta đang sống thì sự truyền nhiệt xảy ra do sự khuyếch tán nhiệt trong không khí, chất lỏng hay chất rắn. Đó là những thể nghiệm hằng ngày. Nhưng trong môi trường vi mô nanomét như trong con chip của máy tính chứa vài tỷ silicon transistor thì sự truyền nhiệt không xảy ra bởi cơ chế khuếch tán mà do sự dao động của mạng lưới nguyên tử silicon. Đối với các chuyên gia điện tử thiết kế máy tính, điện thoại di động hay pa-nô năng lượng mặt trời, điều quan trọng bậc nhất là tìm kiếm một phương pháp chế ngự đường đi của nhiệt trong mạng lưới silicon. Sự phát tán nhiệt từ con chip trong máy tính hay trong chiếc điện thoại di động là một trong những vấn đề nổi cộm trong công nghiệp điện tử và vi tính. Sự phát nhiệt làm giảm tính năng của vận tốc xử lý và sức chứa của bộ nhớ. Công ty chế tạo máy tính thường để chiếc quạt nhỏ trước con chip để làm mát những linh kiện này, nhưng đây chỉ là cách vá víu tạm thời. Các nhà thiết kế máy tính và điện thoại di động đang tìm hiểu cơ chế truyền nhiệt trong mạng lưới nguyên tử silicon để tìm một giải pháp thải nhiệt ra ngoài con chip và bộ nhớ một cách hiệu quả nhất. Ngược lại, ở các thiết bị khác nhiệt cần được điều dẫn đến một mục tiêu mong muốn hay làm chậm lại dòng chảy của nhiệt. Một thí dụ là thiết bị nhiệt điện (thermoelectric device). Thiết bị này sử dụng sự khác biệt nhiệt độ giữa hai vị trí để sản xuất điện. Để có sự chuyển hoán tối đa từ nhiệt sang điện, dòng nhiệt cần phải bị chặn lại hay ít nhất di chuyển thật chậm để duy trì sự khác biệt nhiệt độ nhằm gia tăng hiệu suất chuyển hoán từ nhiệt thành điện. Nếu nguồn nhiệt là cơ thể con người thì thì thiết bị nhiệt điện có thể tạo một nguồn điện cá nhân miễn phí cho điện thoại di động hay laptop.

Việc điều chỉnh hướng đi hoặc ngăn chặn dòng nhiệt cần tinh thể phonon. Nhiệt truyền tải ở tần số THz tương ứng với bước sóng nanomét, nên "nguyên tử" tinh thể cũng phải có kích thước tương đương. Tinh thể phonon nanomét đã được chế tạo bằng phương pháp li-tô (lithography) (Hình 12c) [27]. Phương pháp chế tác này vẫn gặp nhiều khó khăn vì mặt phẳng của tinh thể phonon cần phải có độ phẳng tuyệt đối có độ lồi lõm ở độ nhỏ nguyên tử (10^-10 m) [28]. Nếu lớn hơn, sóng phonon sẽ bị tán xạ trước khi có cơ hội tương tác với tinh thể. Đây là một thách thức cần khắc phục để có những ứng dụng thực tiễn.

 

7.  Lời kết

Vùng cấm electron của chất bán dẫn đã tạo nên huyền thoại trong lịch sử khoa học và cũng là nhân tố của cuộc cách mạng điện tử của thế kỷ 20. Việc phát hiện vùng cấm đặc trưng của tinh thể photon và theo đó là tinh thể phonon đã làm bùng lên một trào lưu nghiên cứu từ thập niên 80 của thế kỷ trước. Hai mươi năm sau vào những năm đầu của thế kỷ 21, Pendry và cộng sự tạo ra siêu vật liệu mà thực chất cũng là những hệ thống có thành phần được sắp xếp trật tự như tinh thể photon/phonon. Chiếc bình mới "siêu vật liệu" cho thêm nhiều hương vị vào vò rượu cũ, đóng góp những tri thức mới dẫn đến các ứng dụng tàng hình, tàng âm, chiết suất âm và siêu thấu kính quang học lẫn âm thanh. Dù rằng, tính khả thi của những tiềm năng này vẫn còn vướng mắc những yêu cầu khó khăn trong thực tế.

Những công trình nghiên cứu về những tinh thể nhân tạo photon cho quang học và phonon cho sóng cơ học biểu hiện sự liên hệ mật thiết giữa vật lý và vật liệu học. Chúng đã làm giàu những kiến thức vật lý và đưa ra những thách thức cho việc thiết kế vật liệu mang đặc tính theo các yêu cầu của dự đoán lý thuyết. Bài viết này trình bày một khía cạnh nhỏ của tinh thể phonon, một hệ thống nhân tạo giản dị được tạo thành bởi những ống hình trụ sắp xếp theo một trật tự có chu kỳ. Đặc điểm của hệ thống này là phản hồi các loại sóng cơ học như sóng âm, sóng biển và sóng động đất, những ứng dụng rất gần gũi đóng góp vào chất lượng cuộc sống và sự an toàn của môi trường.

Định luật Bragg biểu hiện bởi một công thức dễ hiểu đã soi thấu được cấu trúc của các tinh thể khoáng chất thiên nhiên 100 năm trước và giờ đây đã trở thành một mẫu mực cho các ứng dụng của tinh thể phonon nhân tạo bao trùm từ mức vĩ mô như sóng thần, sóng động đất đến mức vi mô của sóng siêu âm, siêu vượt âm và nhiệt. Trên phương diện lý thuyết các nhà khoa học đã dùng nhiều con toán phức tạp dựa trên các quy luật vật lý chất rắn để suy đoán ra vị trí vùng cấm của tinh thể, nhưng sự so sánh với định luật Bragg như là một chuẩn mực lúc nào cũng là điều phải có. Có lẽ, cha con nhà Bragg cũng không ngờ đến những khoa học gia hậu bối đã "mượn" định luật của hai ông để khảo sát các sóng cơ học tác động lên những cấu trúc vĩ mô có kích thước 10 tỷ lần lớn hơn những cấu trúc thiên nhiên chứa nguyên tử của tầm cỡ Angstrom (10^-10 m, hay là 1 phần mười tỷ của mét).

Những vật liệu giản dị của nền "công nghệ thấp" như ống thép, ống tre, ống bê tông, thậm chí lỗ trống không khí trong lòng đất trở thành các "nguyên tử" của tinh thể phonon. Nhưng sự giản dị không ngừng ở đây. Vật liệu hấp thụ năng lượng sóng ít tốn kém như cao su vụn từ vỏ xe phế thải hay những khe hở đơn giản trên bề mặt ống đã biến ống thành một vật hấp thụ sóng hữu hiệu.

Những cuộc thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, ngoài đường phố hay trong lòng đất được bố trí hoành tráng và công phu đã chứng minh tính thực tiễn của tinh thể phonon. "Bức tường" tinh thể phonon có thể là hàng cây xanh hoặc những ống kim loại dọc theo đường cao tốc hay là một ốc đảo tĩnh mịch được che chắn bởi những ống tre trong lòng phố thị ồn ào là việc khả thi trong tầm tay. Nhưng liệu con người có chăng khả năng không chỉ thuần hóa được những cơn sóng dữ, hay những trận động đất có sức tàn phá khủng khiếp mà còn khai thác được năng lượng của chúng như một nguồn năng lượng tái sinh khổng lồ? Đây là một thử thách to lớn và tốn kém cần đến những nghiên cứu lâu dài với sự hỗ trợ của nhà nước.

Khi tiến tới các tần số cao hơn như sóng siêu âm và cao hơn nữa như sóng siêu vượt âm và nhiệt, sự sắp xếp và kích cỡ của thành phần của tinh thể phonon sẽ thuộc về cõi vi mô của micromét và nanomét. Hiện tượng nhìn thấy ở mức vĩ mô cũng xuất hiện ở mức vi mô. Nhưng khi càng tiến tới tần số cao, việc chế tác tinh thể phonon micromét và nanomét với độ chính xác của kích thước nguyên tử trở nên khó khăn cần được khắc phục để có những ứng dụng thực tiễn. Con đường đi đến sự thành công có thể gian nan nhưng sự kết hợp giữa electron, ánh sáng và phonon sẽ cho ra những thiết bị "lai" mà tiềm năng ứng dụng của chúng sẽ mở ra một bước ngoặt lớn cho các nền công nghiệp chẩn đoán y học, điện tử, vi tính và viễn thông.

Năm trăm năm trước thiên tài Leonardo cảm khái thốt lên một tuyệt cú ngắn gọn, "Sự giản dị chính là cái tột bực của tinh vi" (Simplicity is the ultimate of sophistication). Thiên nhiên là hiện thân của quá trình tiến hóa vĩ đại từ những điều giản dị. Con người miệt mài quan sát, nhiệt tình tìm cảm hứng từ thiên nhiên siêu phàm. Tinh thể photon/phonon nhân tạo là những mô phỏng của tinh thể thiên nhiên. Mong rằng cũng như thiên nhiên, những mô phỏng này sẽ phục vụ cho sự an vui của con người, sự hài hòa giữa đất trời và muôn loài sinh linh, để cho những dòng sông không bao giờ ngừng chảy và cho cây ngàn mãi mãi xanh tươi.

Melbourne/San Jose

Tháng 9 - Tháng 12, 2017.

Phụ lục

a.  Âm phổ

Tương tự như sóng điện từ, sóng âm (thanh) có tần số trải dài từ hertz (Hz) đến tetrahertz (THz). Tần số khả thính của con người chỉ là một phần nhỏ của âm phổ nằm trong phạm vi từ 20 Hz đến 20.000 Hz (20 kHz) (Hình P1).

Hình P1: Âm phổ và các ứng dụng tiêu biểu [26]. Frequency: Tần số; Infrasound: hạ âm; Sound: âm; Ultrasound: siêu âm; Hypersound: siêu vượt âm; Heat: nhiệt. Music: âm nhạc; Ultrasound imaging: Tạo ảnh siêu âm; Thermal devices: thiết bị nhiệt; Sonar: máy định vị thủy âm. Phononic crystals: tinh thể phonon.

Hertz (Hz) là đơn vị của tần số, 1 Hz = 1 dao động/giây. 1 kHz (kiloHertz) =  1.000 Hz, 1 MHz (MegaHertz) = 10⁶ Hz, 1 GHz (GigaHertz) = 10⁹ GHz, 1 THz (TeraHertz) = 10¹² Hz.

Bước sóng λ và tần số f  liên hệ qua công thức

    λ = c/f                                           (P1)

c là vận tốc sóng âm.

Trong không khí c = 343 m/s, và tần số khả thính là 20 đến 20.000 Hz, tương đương với bước sóng 17 m đến 1,7 cm.

b.  Độ phân giải

Kính hiển vi quang học không thể quan sát được vật nhỏ hơn ½ bước sóng của ánh sáng trắng do nhiễu xạ. Ánh sáng trắng có bước sóng là 550 nm (nanomét) (trung bình cộng của bước sóng ánh sáng tím 400 nm và ánh sáng đỏ 700 nm) nên kính không thể nhìn vật nhỏ hơn 225 nm. 

c.   Phonon

Sóng âm là một loại sóng cơ học cần một môi trường để truyền tải. Môi trường đó có thể là chất khí, chất lỏng và chất rắn. Sóng âm không thể truyền tải trong chân không. Sóng điện trường có thể truyền tải trong chân không. Đây là điểm khác biệt giữa sóng âm và sóng điện trường. Định luật quang học phần lớn đều có thể áp dụng cho sóng âm.

Khi sóng âm hiện diện trong không khí thì sóng sẽ gây ra sự di động qua lại có chu kỳ của các phân tử không khí (N₂ và O₂) và sự di động qua lại làm thay đổi áp suất của không khí và sự thay đổi này khiến cho sự truyền âm xảy ra từ đầu này sang đầu kia. Trong chất rắn các nguyên tử không di chuyển tự do như phân tử khí nhưng chúng tạo ra một mạng lưới (lattice) như các viên bi được nối với lò xo. Sóng âm tác động lên mạng lưới nguyên tử làm mạng co giãn. Sự rung động co giãn truyền tải âm thanh khắp trên mạng lưới nguyên tử theo một chu kỳ. Thuật ngữ "phonon" (âm tử) chỉ là hạt "ảo" được định nghĩa là một thực thể mang năng lượng rung động (vibration energy) được lượng tử hóa. Cũng như một photon (quang tử) của ánh sáng mang năng lượng E = hf, h là hằng số Planck,  f  là tần số sóng điện từ, cho phonon f  là tần số của sự rung động của mạng lưới trong chất rắn hay sự duy chuyển qua lại của nguyên tử trong chất khí hay chất lỏng. 

d.   Định luật Bragg

Khoa học gia lúc nào cũng có nhu cầu "nhìn" và muốn nhìn thấu đáo đến tận cùng nguyên tử. Những hạt cát lóng lánh trên bờ biển, hay các hạt kim cương lung linh đã được các nhà khoa học đã dùng tia X để quan sát. Nhưng không phải tia X nào cũng có thể quan sát được tinh thể mà phải theo định luật của William Henry Bragg và người con trai William Laurence Bragg (công thức P2). Họ cùng nghiên cứu và cũng là giáo sư trường Đại học Adelaide (South Australia, Úc), và nhận giải Nobel Vật lý năm 1915 cho công trình này.  

Khi chùm tia X có những bước sóng khác nhau bắn vào tinh thể thì sóng sẽ chạm vào nguyên tử của các tầng tinh thể gây ra sự nhiễu xạ. Chỉ có tia X có bước sóng tuân theo công thức P2 sẽ bị nhiễu cho sự giao thoa tăng (constructive diffraction) và phản xạ xảy ra. Tia X có bước sóng khác không bị nhiễu sẽ đi qua (truyền xạ) tinh thể (Hình P2).

    

Hình P2: Chùm tia X (1) có nhiều bước sóng khác nhau được bắn vào một tinh thể ở góc tới θ. Chỉ có chùm tia (2) có bước sóng tuân theo định luật Bragg bị nhiễu xạ có sự giao thoa tăng. Những chùm tia khác (3) không bị nhiễu đi xuyên qua (truyền xạ) tinh thể. Chùm tia (2) và (3) tạo một góc 2θ. Đường gạch ngang biểu hiện những mặt bằng nguyên tử.

Người đọc có thể tham khảo sách giáo khoa để hiểu cách tìm công thức P2 dựa theo Hình P3

                                      nλ = 2d sinθ                                 (P2)

n = 1, 2, 3 , …; λ là bước sóng; d là khoảng giữa hai tầng nguyên tử; góc θ là góc tới của tia X.

Khi sóng tác dụng thẳng góc với bề mặt tinh thể θ = 90°, sinθ  = 1, ta có

                                            nλ= 2d                                  (P3)

hay là d = nλ/2. Như vậy, khi n =1 khoảng cách nhỏ nhất giữa các tầng tinh thể thỏa mãn định luật Bragg là

                                           d= λ /2                                   (P4)

Hình P3: Hai chùm tia X bắn vào tinh thể ở một góc tới θ  chạm vào nguyên tử tinh thể (O) rồi phản xạ theo định luật Bragg.

e. Ta thử áp dụng định luật Bragg vào tác phẩm của Sempere, biết rằng khoảng cách giữa hai ống thép là 10 cm, hay d = 10 cm. Bước sóng phản hồi theo công thức P4 là λ = 20 cm. Tần số f tương ứng với bước sóng 20 cm là

                                     f = c/λ                                 (P4)

c là vận tốc của âm thanh trong không khí có trị số là 343 m/s. Ta có

f = 343/0,02 = 1715 Hz = 1,715 kHz

Con số lý thuyết 1,715 kHz rất gần với dữ liệu thực nghiệm của nhóm Meseguer là 1,67 kHz.

f.   Vật cộng hưởng Helmholtz

Lỗ trống trên bề mặt của ống có tác dụng cộng hưởng theo cơ chế Helmholtz, còn gọi là vật cộng hưởng Helmholtz (Helmholtz resonator) (Hình P4). Chai bia, lon nước ngọt, chiếc tù và, cây sáo trúc, đàn guitar là những biến thể của vật cộng hưởng Helmholtz. Dùng chai bia như một thí dụ, tần số cộng hưởng của chai bia được diễn tả bởi phương trình sau,  

                                   f = (c/2π)(S/Vl)^1/2                          (P5)

f : tần số cộng hưởng, S: diện tích cổ chai, l: chiều cao cổ chai và V: thể tích thân chai.

Hình P4: Vật cộng hưởng Helmholtz.

Khi ta thổi ngang miệng chai bia ta gây sự dao động không khí trong thân chai và khi sự dao động này đạt đến tần số cộng hưởng của chai bia (công thức P5) thì âm thanh phát ra ở tần số này. Nếu ta đổ nước vào chai thì V sẽ nhỏ hơn, theo công thức P5 trên thì trị số của f sẽ tăng và âm thanh phát ra ở cung bậc cao hơn.

 

Tài liệu tham khảo1.       

1.   Trương Văn Tân, "Vật liệu và thiết bị nano", Chương 4, NXB Tổng Hợp Tp HCM 2016.

2.   J. P. Pendry and D. R. Smith, Scientific America (July 2006) 61.

3.   R. Martinez-Sala, J. Sancho, J. V. Sanchez, V. Gomez, J. Llinares, and F. Meseguer, Nature, 378 (1995) 242.

4.   J. V. Sánchez-Pérez et al, Phys. Rev. Lett., 80 (1998) 5325.

5.   D. Caballero et al, Phys. Rev. E, 60 (1999) R6316.

6.   J. V. Sánchez-Pérez et al, Appl. Phys. Lett., 81 (2002) 5240.

7.   R. Martínez-Sala et al, J. Sound and Vibration, 291 (2006) 100.

8.   T. Miyashita, Meas. Sci. Tech., 16 (2005) R47.

9.    M. S. Kushwaha, Appl. Phys. Lett., 70 (1997) 3218.

10.  A. Climente, D. Torrent and J. Sánchez-Dehesa, Appl. Phys. Lett., 100 (2012) 144103.

11.  Trevor Cox, "The sound book", W. W. Norton & Company, New York/London 2014.

12.   J. P. Arenas and  M. J. Crocker, Sound and Vibration, (July 2010) 12.

13.   J. Sánchez-Dehesa et al, J. Acoust. Soc. Am., 129 (2011) 1173.

14.  M. Hirsekorn, Appl. Phys. Lett., 84 (2004) 3364.

15.   N. Kessissoglou and S. M. B. Fard, Proceedings of the 22nd International Congresss on Acoustics, (2016).

16.   C. Lagarrigue, J. P. Groby, V. Tournat, J. Acoust. Soc. Am., 133 (2013) 247.

17.  Dah-You Maa, Sci. Sin., XVIII (1975) 55 & J. Acoust. Soc. Am., 104 (1998) 2861.

18.   H. V. Fuchs and X. Zha, Acta Acustica United With Acustica, 92 (2006) 139.

19.  V. M. García-Chocano, S. Cabrera and J. Sánchez-Dehesa, Appl. Phys. Lett., 101 (2012) 184101.

20.   X. Hu, C. T. Chan, K.-M. Ho and J. Zi, Phys. Rev. Lett., 106 (2011) 174501.

21.  S. Brûlé, E. H. Javelaud, S. Enoch, and S. Guenneau., Phys. Rev. Lett., 112 (2014) 133901.

22.   M. Miniaci, A. Krushynska, F. Bosia and N. M. Pugno, New J. Phys., 18 (2016) 083041.

23.   N. Kaina, F. Lemoult, M. Fink and G. Lerosey, Nature, 525 (2015) 77.

24.   J. H. Page, AIP Advance, 6 (2016) 121606.

25.  V. Laude, A. Khelif and S. Benchabane, "Phononic Crystals", www.femto-st.fr

26.  M. Maldovan, Nature, 503 (2013) 209.

27.   T. Gorishnyy, C. K. Ullal, M. Maldovan, G. Fytas, and E. L. Thomas., Phys. Rev. Lett., 94 (2005) 115501.

28.  J. Maire et al, Sci. Adv., 3 (2017) e1700027.