NHỮNG VI TINH THỂ NỨT VỠ TỰ LÀNH VÀ LẠI GIỮ ĐƯỢC ÁNH SÁNG

Các thiết bị quang tử đang ngày càng thu nhỏ: ống dẫn mang ánh sáng đi, bộ cộng hưởng giữ ánh sáng lại, laser. Ở kích thước đó, một vết nứt vi mô cũng đủ làm hỏng chúng. Theo các tác giả, cách các vết nứt hình thành và lành lại trong các tinh thể quang học hữu cơ vẫn “phần lớn chưa được khám phá”.

Những tinh thể tự sửa chữa vết nứt của mình, theo lời họ, là “một hiện tượng hiếm gặp và đáng chú ý”. Các ví dụ trước đây được bài báo trích dẫn gồm muối mỏ, kali clorua và nhôm oxit (alumina), cùng một số tinh thể phân tử. Nhưng phần lớn chúng dài từ vài milimet đến vài centimet, được thao tác bằng kẹp và kim. Một số lành chậm: các tinh thể dài khoảng 3 milimet chỉ phục hồi được 6,7% sau khi bị ép trong 24 giờ. Những tinh thể khác, có dạng hình kim, nối liền lại chỉ trong vài mili giây.

Đầu kính hiển vi làm búa

Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar và các đồng nghiệp tại Đại học Hyderabad và Đại học Trung ương Karnataka, Ấn Độ, đã đi xuống đến kích thước mà ở đó tinh thể hoạt động như những linh kiện quang học. Họ dùng một hợp chất hữu cơ tên là HDMAC, phát sáng màu đỏ cam dưới tia cực tím, với phổ phát xạ có tâm ở 660 nanomet. Khi được nhỏ dưới dạng dung dịch lên một lam kính, nó tạo thành những tinh thể mỏng hình vuông và hình chữ nhật có bề ngang vài chục micromet.

Công cụ của họ là đầu mũi trên thanh công-xôn (cantilever) của một kính hiển vi lực nguyên tử, được dùng vừa để làm nứt tinh thể theo những cách có kiểm soát, vừa để đẩy các mảnh ghép lại với nhau. Các tác giả mượn từ vựng của gãy xương: vết nứt ngang chạy cắt ngang tinh thể, vết nứt dọc chạy dọc theo nó, vết nứt chéo chạy theo đường chéo; còn gãy bong (avulsion) là khi một mảnh nhỏ bị xé rời ra.

Những mảnh hợp nhất lại

• Trong một tinh thể khoảng 13,7 × 12,5 micromet, một vết nứt chéo biến mất khi cạnh của tinh thể bị đẩy vào trong. Dưới kính hiển vi điện tử, chỗ sửa gần như liền mạch, chỉ có một đường mờ khi phóng đại lớn. Chỉ có chỗ một mảnh đã bị xé đi là vẫn không lành.
• Một tinh thể dài khoảng 20 micromet bị tách thành hai mảnh rời nhau. Được căn chỉnh lại và ép vào nhau, chúng lành ngay lập tức. Khi sau đó bị đầu mũi đẩy, tinh thể di chuyển như một khối duy nhất.
• Các vết nứt dọc theo hai mặt phẳng tinh thể khác nhau đều lành. Gần như tất cả các vi tinh thể đều lành khi các bề mặt gãy vẫn sạch; một đống mảnh vụn li ti tại chỗ gãy cản trở quá trình lành.
• Một tinh thể lớn dạng vảy, với cùng cách sắp xếp phân tử, đã vỡ vụn thay vì nứt gọn, và không lành.

Bao nhiêu ánh sáng quay trở lại

Các tinh thể dài hoạt động như ống dẫn sóng: ánh sáng phát ra ở một đầu truyền đến đầu kia. Với một tinh thể dài 271 micromet, nhóm nghiên cứu chiếu một tia laser 405 nanomet vào một đầu và thu ánh sáng được dẫn tới ở đầu kia, trước khi làm nứt và sau khi lành. So sánh hai kết quả cho ra một “hiệu suất lành” khoảng 80%. Trên sáu tinh thể như vậy, nó dao động từ 32% đến 99%. Phần hao hụt đến từ ánh sáng bị tán xạ tại vết nứt đã được sửa, đặc biệt ở những chỗ bị thiếu mảnh.

Một bộ cộng hưởng được phục hồi

Các tinh thể mỏng cũng hoạt động như bộ cộng hưởng: mặt trên và mặt dưới của chúng đóng vai trò gương, nên chỉ một số màu ánh sáng nhất định được tích tụ giữa hai mặt. Tinh thể càng mỏng, khoảng cách giữa các cộng hưởng này càng rộng. Một tinh thể 31 × 28 micromet và dày 1,8 micromet cho các cộng hưởng cách nhau 17,8 nanomet.

Nhóm nghiên cứu làm nứt nó theo chiều dọc ở chính giữa, nhưng không tách rời. Tại vết nứt, các cộng hưởng bị triệt tiêu mạnh. Sau khi lành, chúng quay trở lại, với một phổ khớp với phổ của tinh thể nguyên vẹn. Các ảnh huỳnh quang chụp theo từng lát cắt, cứ 257 nanomet một lát, chỉ cho thấy một vệt mờ của vết nứt ở các lớp trên cùng; bên dưới khoảng 770 nanomet, phần bên trong trông như đã lành.

Mềm hơn ở đường nối

Một mũi kim cương ấn vào tinh thể với cùng một lực đã lún sâu 95 nanomet vào các vùng nguyên vẹn và 115 nanomet vào vùng đã lành. Độ cứng vững của vùng đã lành, tức mô đun Young của nó, giảm từ 2,15 xuống 1,49 gigapascal, khoảng hai phần ba giá trị ban đầu, và độ cứng của nó giảm còn khoảng một nửa. Nó vẫn đàn hồi trở lại một phần khi tải được gỡ bỏ.

Điều gì giữ các mảnh lại với nhau? Các tính toán về lực giữa các phân tử chỉ ra những chuỗi lực hút liên tục dọc theo hai mặt phẳng lành: liên kết hydro giữa các phân tử và lực hút lưỡng cực giữa các lớp kề nhau, mà các tác giả coi là một trong những động lực thúc đẩy quá trình này.

Các tác giả nhấn mạnh rằng không một con số đơn lẻ nào phản ánh được hiệu suất lành: kích thước tinh thể, loại vết nứt và mức độ căn chỉnh lại các mảnh đều làm thay đổi kết quả. Mục tiêu của họ là những linh kiện quang học chịu được hư hại — những tinh thể phát sáng mà, một khi bị vỡ, có thể được đưa trở lại hoạt động.