Từ Ngụy Trang Đến Tàng Hình

      Tàng hình là một là đề tài hấp dẫn thu hút nhiều chú ý từ mọi giới không phân biệt kiến thức thấp cao hay già trẻ sang hèn. Nó là một đề tài rất cũ nhưng cũng rất mới, đã từng là yếu tố khiến bọn trẻ dí mắt vào những chuyện thần thoại đông tây từ thuở Tôn Ngộ Không xa xưa đến Harry Potter thời hiện đại. Nó mang đến nhiều tác động tâm lý, là niềm mơ tưởng của tuổi thơ nhưng có thể là nỗi hoang tưởng của tuổi già. Trong thiên nhiên, nó là phản ứng của một số loài vật như con cắc kè hoa trên bộ hay con mực dưới biển

      Chúng biết ngụy trang bằng cách biến đổi màu sắc trùng hợp với màu sắc xung quanh, tàng hình vào môi trường để tấn công hay phòng thủ. Đương nhiên, trong giới ảo thuật tàng hình là những màn trình diễn mua vui hào hứng không bao giờ thiếu. Nghiêm túc hơn, tàng hình và ngụy trang trong quân sự là một vấn đề quan trọng hàng đầu đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu khoa học tốn kém với mục đích duy nhất là "hô biến" không để lại dấu vết, không ồn ào tiếng động.Ngày nay, tàng hình và ngụy trang không còn đóng khung trong chuyện thần thoại, ảo thuật hay quốc phòng mà còn lan tỏa đến ngành xây dựng. Gần đây, chính phủ Hàn Quốc đã phê chuẩn một dự án xây nhà chọc trời "Tower Infinity" gần thủ đô Seoul. Khi hoàn thành tòa nhà sẽ cao 500 m và đứng thứ sáu trên thế giới về độ cao. Đâu có gì ấn tượng về chiều cao! Nhưng cái ấn tượng nằm ở chỗ là tòa nhà khổng lồ này biết tàng hình rồi lại hiện hình, chập chờn lung linh chợt đến chợt đi. Thoạt nghe như chuyện ma, nhưng rất thật. Bồ Tùng Linh có sống lại cũng không thể tưởng tượng những gì xảy ra trước mắt. Nhà thầu xây cất không tiết lộ những chi tiết kỹ thuật nhưng nghe đâu họ sẽ gắn 18 máy ảnh dọc theo chiều cao ở mặt sau toà nhà. Toàn thể mặt trước tòa nhà được trang bị những pa-nô (panel) chi chít đèn màu LED. Những chiếc máy này sẽ chụp quang cảnh xung quanh, nào là nhà cửa cây xanh, nào là bầu trời mây trắng hay đường chân trời le lói ánh hoàng hôn. Tất cả tạo thành một bức ảnh toàn diện (panorama) làm bối cảnh tòa nhà. Bức ảnh vừa chụp lập tức được truyền tới các pa-nô LED. Mặt trước toà nhà giờ đây chỉ là hình ảnh của trời xanh mây trắng hay ánh nắng hanh vàng trùng khớp với màu sắc với bối cảnh phía sau 

    Toà nhà "tàng hình" theo nguyên tắc của con cắc kè hoa hay con mực dưới biển. Pa-nô LED gắn trên các tòa nhà cao tầng làm màn hình tivi hay bảng quảng cáo nhiều màu sắc không có gì mới lạ ở các thành phố hiện đại nhưng pa-nô "cắc kè hoa" làm ngụy trang quang học là một ứng dụng khoa học độc đáo và cũng là chiêu hấp dẫn cho du khách thập phương.

Hình 2: Mô hình toà nhà "Tower Infinity" lúc ẩn lúc hiện
(nguồn: Photonics Online)

      Ý tưởng "ngụy trang quang học" của tòa nhà "Tower Infinity" có lẽ phát xuất từ thí nghiệm của giáo sư Susumu Tachi (Đại học Tokyo, Nhật Bản). Năm 2003, ông thiết lập một hệ thống quang học với máy ảnh đặt sau lưng một người thí nghiệm để chụp bối cảnh xung quanh. Hình ảnh này sẽ được phóng bởi máy chiếu hình (projector) lên mặt trước của người này, được dùng như màn ảnh, khiến cho người này trở nên "trong suốt" (Hình 3). Yêu cầu của thực nghiệm là màn ảnh phải phẳng để hình phóng không bị méo mó. Vì vậy, người được thí nghiệm thường phải mặc chiếc áo choàng phẳng phiu nhưng dù vậy những nếp nhăn của áo làm cho người thí nghiệm không hoàn toàn "trong suốt". Nhóm nghiên cứu của Susumu Tachi không có một bài báo cáo khoa học chính thức nào nhưng ngụy trang quang học đã thu hút giới xây cất cũng như những nhà "tàng hình học" quốc phòng. Ngụy trang quang học có thể thực hiện trên chiếc xe tăng vốn có nhiều mặt phẳng. Pa-nô LED có lẽ quá mong manh cho sự vận chuyển "hầm hố" của xe nhưng việc cài đặt các máy ảnh và máy chiếu hình theo phương pháp của giáo sư Susumu Tachi là việc khả thi.

Hình 3: Người "trong suốt" của giáo sư Susumu Tachi (nguồn: Google)

      Hiệu ứng "cắc kè hoa" còn vài ứng dụng khác. Trên làn da của cắc kè hoa là những tế bào có khả năng biến đổi màu sắc khác nhau. Làn da con mực thì còn cao siêu hơn vì đây là một vật liệu sinh học vừa đổi màu vừa chịu được nước muối. Trước hết có khả năng nào chúng ta mô phỏng được làn da cắc kè hoa? Nhóm nghiên cứu của giáo sư John Reynolds (Đại học Florida, Mỹ) đã tổng hợp được một loại polymer dẫn điện, polythiophene và các polymer dẫn xuất (derivative) bằng cách gắn các nhóm chức (functional group) lên polythiophene. Khi polymer được chế tạo thành điện cực trong bình điện giải thì dưới sự thay đổi điện thế polymer sẽ phản ứng và đổi màu. Hiện tượng này gọi là sự đổi màu điện học (electrochromic). Những nhóm chức có tác dụng cho các màu khác nhau và ba màu cơ bản cần nhất là đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Trộn hai trong ba màu này với độ đậm nhạt khác nhau thì sẽ cho nhiều màu khác.

      Trong ứng dụng thực tế, bình điện giải sẽ được chế tạo thành những ô vuông mỏng và nhỏ (Hình 4) trong đó chứa từng loại polymer có nhóm chức khác nhau để có nhiều màu khác nhau. Việc đổi màu được thực hiện bằng pin gia dụng có điện thế một vài volt. Những ô vuông này sẽ được đặt cạnh nhau trở thành pa-nô như mặt khảm (mosaic) nhiều màu. Cuối cùng các pa-nô sẽ được gắn lên bề mặt của vật cần ngụy trang. Chẳng hạn, khi xe đi vào rừng gam màu xanh là chính, khi xe đi trên sa mạc thì pa-nô được điều chỉnh sang gam màu vàng nhạt. Như vậy, pa-nô mặt khảm có thể xem như làn da cắc kè hoa. Vận tốc đổi màu rất nhanh chỉ trong vòng vài giây, và polymer có thể dùng đổi màu vài mươi ngàn lần. Ta đang có trong tầm tay một dụng cụ ngụy trang màu sắc vô cùng linh động. Nhưng con người vẫn chưa vượt qua được sự thông thái của cắc kè hoa và con mực khi chúng vận dụng cơ chế tự động đổi màu trùng khớp với môi trường chung quanh. Vấn đề đặt ra là thay vì phải dùng người thao tác, có thể nào bắt chước được những con vật trong thiên nhiên để chế tạo bộ cảm ứng biết nhận thức màu của môi trường rồi phát tín hiệu cho các pa-nô tự động chuyển màu mỗi khi có sự thay đổi màu sắc xung quanh?

Hình 4: Mỗi ô vuông là bình điện giải mỏng trong đó polymer là
điện cực đổi màu khi có sự biến chuyển điện thế (Nguồn: Google).

      Vùng ánh sáng khả thị mà mắt chúng ta cảm nhận được qua nhiều màu sắc chỉ là một vùng rất nhỏ trong phổ sóng điện từ. Những vùng khác của phổ kéo dài từ sóng radio đến tia X, tia gamma là những nơi vô hình, vô sắc. Tạm thời ta hãy từ giã vùng sắc màu nhiều thi vị có "màu vàng hoa cúc, lá xanh sân trường, mực tím học trò" để đi vào một vùng khác, vi ba – một vùng quan trọng của phổ sóng điện từ. Vi ba là vùng hoạt động của chiếc điện thoại thông minh (smart phone), của lò vi ba khiêm tốn trong nhà bếp và sóng radar tràn ngập không gian. Trước khi có lò vi ba và điện thoại thông minh, vi ba từ lâu đã được sử dụng trong hệ thống radar dân dụng lẫn quốc phòng. Để định vị một vật thể từ xa, có thể là chiếc máy bay hay con tàu, sóng radar (vi ba) được phát đi và nhận lại sóng phản hồi từ vật thể. Trong quốc phòng vùng vi ba là một đấu trường sôi động cho trò chơi ú tim của kẻ truy người ẩn. Kẻ truy phát sóng truy lùng người ẩn. Người ẩn tìm cách để triệt tiêu hay phân tán sóng phản hồi để làm mình tàng hình trước kẻ truy. Trong cuộc đấu trí này người ẩn hiện đang ở thế thượng phong với những chiếc máy bay hay tàu chiến có thiết kế tàng hình trước những làn sóng radar truy lùng. Những phương pháp lẩn tránh sóng radar lắm lúc đơn giản không ngờ. Chẳng hạn như đám bụi kim loại (chaff) được thả ra từ máy bay làm vật nghi trang (decoy) để đánh lừa radar. 

      Những vòi nước cài sẵn trên tàu phun nước xung quanh tàu tạo nên bức tường nước mù mịt làm phân tán sóng radar từ đối phương. Các loại vật liệu như bột carbon, sợi carbon, polymer dẫn điện hay oxit sắt là vật liệu truyền thống được phủ lên máy bay, chiến hạm, dưới dạng sơn làm thay đổi điện tính và từ tính của bề mặt để hấp thụ radar vi ba. Trước kia đây là những vật liệu "vô danh" thuộc diện cơ mật quốc phòng. Ở những hội nghị khoa học khi có đề tài liên quan đến hấp thụ sóng điện từ người phát biểu phải giả đò ấp úng ngây thơ… Dù vậy cũng không qua được chuyên gia "cáo già" rành rọt quy luật vật lý vì các ông nghe một hiểu mười. Gần đây nhờ ảnh hưởng học thuật nên không khí trao đổi có phần thoải mái hơn và đã có những bài tổng quan tuyệt vời phân tích cặn kẽ cơ chế hấp thụ vi ba của vật liệu carbon. Các chuyên gia cũng không ngần ngại thổ lộ rằng một số nơi của thân và cánh máy bay tàng hình làm từ composite sợi carbon vừa là vật liệu cấu trúc vừa là vật liệu tàng hình.

      Sự phát triển của vật liệu hấp thụ vi ba không ngừng ở đây. Thay vì dùng các vật liệu truyền thống, trong bài viết có tựa đề "Adaptive radar absorbing structure with PIN diode controlled active frequency selective surface" (Cấu trúc hấp thụ radar biết ứng biến có bề mặt chủ động chọn lọc tần số được chế ngự bằng PIN diode) (A. Tennant and B. Chambers, Smart Mater. Struct. 13 (2004) 122) nhóm nghiên cứu của giáo sư Chambers (Đại học Sheffield, Anh Quốc) mô tả mạch điện thông minh chứa những linh kiện điện tử như diode, điện trở, tụ điện trên một pa-nô. Khi sóng tới radar chạm vào pa-nô, mạch điện ứng đáp bằng cách triệt tiêu những làn sóng tới trên một băng tần rộng. Lý thuyết trong bài báo không phức tạp cao siêu, mạch điện pa-nô có thể được chế tạo dễ dàng bằng công nghệ điện tử hiện có. Bài báo cáo chỉ rõ một đột phá, cách tân mà thành phẩm sẽ mang đến nhiều kết quả vô cùng quan trọng.

      Giữa vùng vi ba và ánh sáng khả thị là vùng hồng ngoại. Tia hồng ngoại chuyển tải nhiệt. Mọi vật đều phát ra bức xạ hồng ngoại nhưng lượng bức xạ và bước sóng tùy vào độ phát xạ (emissivity) và nhiệt độ của vật thể. Kẻ truy lùng phát hiện mục tiêu bằng cách lợi dụng nhiệt phát ra từ mục tiêu và sự tương phản của độ phát xạ giữa nó và môi trường xung quanh. Thân nhiệt con người tương ứng với bức xạ hồng ngoại có bước sóng 8 -12 micromét, động cơ của máy bay hay tàu có nhiệt độ 200 – 500 °C tương ứng hồng ngoại ở bước sóng 3 – 5 micromét. Máy dò (detector) hồng ngoại nhìn rất rõ một chiếc tàu trong màn đêm do sự dị biệt nhiệt độ giữa biển, không khí và buồng máy hay hơi nóng bay ra từ ống khói. Mục tiêu và môi trường xung quanh dù có nhiệt độ giống nhau nhưng nếu độ phát xạ khác nhau thì mục tiêu vẫn có thể lồ lộ hiện hình trong máy dò. Trong trò chơi ú tim ở vùng hồng ngoại kẻ truy có phần thắng thế. Những chiếc máy ảnh hay máy dò hồng ngoại ngày càng tinh vi, nhạy cảm, phát hiện cực nhanh lại có thể tạo hình và nhìn xuyên thấu màn đêm. Người ẩn cũng có những kỹ thuật che giấu hay kiềm chế nhiệt nhưng chưa đánh bại được kỹ thuật tiên tiến của kẻ truy lùng. Chẳng hạn, ta có thể tạo lớp phủ che giấu thân nhiệt của một người và có độ phát xạ giống các loài thực vật xung quanh trong một ngày nắng tốt. Nhưng khi trời bất chợt đổ mưa hay đương sự bỏ rừng xanh đi rong chơi ngoài biển thì lớp phủ không còn thích hợp. Kỹ thuật che giấu cần nhiều sự linh động để vượt qua những trở ngại khách quan đạt được vị thế "thiên thời, địa lợi". Kỹ thuật hiện nay vẫn chưa có sự ứng đáp linh động này. Dưới cặp mắt cú vọ của kẻ truy, người ẩn còn ở thế thụ động, che chỗ này lộ chỗ kia, loay hoay tìm phương án tối ưu để tránh những tia nhìn lăm lăm chết người.

      Một thập niên gần đây một loại vật liệu mới có tên là "siêu vật liệu" (metamaterials) xuất hiện. Khác với vật liệu thiên nhiên như thỏi sắt, tấm thủy tinh, plastic, gạch đá, siêu vật liệu là vật liệu nhân tạo có những đặc tính không có trong vật liệu thiên nhiên (Hình 5). Siêu vật liệu có thể có chiết suất thật to hay chiết suất số âm. Siêu vật liệu có khả năng bẻ cong những làn sóng tới (sóng điện từ và sóng âm) và nhờ vậy sóng cứ thế mà đi về phía trước không vọng lại hay phản hồi (Hình 6). Vì vậy, khi máy bay được phủ lên lớp siêu vật liệu, máy bay tàng hình. Khi phủ lên tàu ngầm hay ngư lôi, sonar vô hiệu. Gần đây, một nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công siêu vật liệu có thể kiềm chế nhiệt hồng ngoại. Thật là một vật liệu xuất quỷ nhập thần, một phương thuốc trị bá bệnh. Tuy nhiên, hiện nay các nhà khoa học chỉ có thể làm tàng hình vật thể rất nhỏ. Thoạt đầu ở micromét (1/1000 mm), rồi milimét đến bây giờ là centimét. Tiến đến kích cỡ con người, chiếc tàu hay máy bay thì còn nhiều gian nan, không chừng bất khả thi. Để chứng minh việc bẻ cong ánh sáng khiến vật tàng hình giáo sư John Howell (Đại học Rochester, Mỹ) thiết kế một thực nghiệm đơn giản dùng hai bồn thủy tinh chứa nước hình chữ L làm tàng hình đứa con 5 tuổi của ông (Hình 7). Tất cả dụng cụ thí nghiệm chỉ tốn $150!

Hình 5: Một siêu vật liệu tiêu biểu với những đơn vị cơ bản (chữ c nhỏ trong chữ C lớn) được sắp xếp có tính chu kỳ (Nguồn: Google). 

Hình 6: Sóng phát từ một nguồn bị bẻ cong bởi siêu vật liệu bao xung quanh cái nón làm cái nón tàng hình (Nguồn: Google) .

Hình 7: Thiết kế thực nghiệm của Howell: Tia sáng bị khúc xạ bởi hai bồn nước hình chữ L tạo ra một không gian tàng hình (màu xám) (Nguồn: J. C. Howell and J. B. Howell, arXiv:1306.0863v3, 10 June 2013).

      Một vật thể phát ra nhiều tín hiệu tự nhiên được thể hiện qua màu sắc, nhiệt độ và hình hài. Kẻ truy tận dụng những quy luật vật lý nắm bắt những tín hiệu đó để truy lùng người ẩn. Ngược lại người ẩn cũng dùng những quy luật vật lý tạo ra "ảo giác" đánh lừa kẻ truy. Từ lâu người viết rất ngưỡng mộ những chiêu tàng hình của danh sư ảo thuật David Copperfield. Việc làm tàng hình một toa xe lửa trên sân khấu hay làm tượng Nữ thần Tự do biến mất trong màn đêm của Copperfield là những màn trình diễn rất khó quên. Nhưng chắc chắn phù phép Copperfield không phải là phương pháp tàng hình áp dụng cho tòa nhà "Tower Infinity" dù rằng cả hai đều là một trò chơi "ảo giác". Trong khi đó các trò ú tim cực kỳ tốn kém, không may, vẫn tiếp diễn ngoạn mục trên chiến trường nhưng các hệ quả ứng dụng đời thường cũng mang lại nhiều niềm vui cho bàn dân thiên hạ.

Trương Văn Tân
Tiết Xuân đầy màu sắc.
(Tháng 10, 2013)

(Từ nguồn diendan.org)