Nghệ thuật Kirigami và khoa học Graphene

Một sensei từng nói với tôi rằng “ở mức độ cao nhất của vật lý cũng chính là nghệ thuật”. Sự khác nhau duy nhất là: người nghệ sĩ vẽ một bông hoa, còn nhà khoa học tìm cách tạo ra một bông hoa. Nếu không có người nghệ sĩ cả thế giới sẽ không biết đến vẻ đẹp của bông hoa, còn nếu không có nhà khoa học thì cũng không sao cả. Nên tôi nghĩ rằng người nghệ sĩ có vai trò trong xã hội lớn hơn. Nhưng ở một khía cạnh nào đó cho bản thân thì người làm khoa học may mắn hơn, vì họ đang tìm kiếm cả hai thứ đó là khoa học và nghệ thuật. Tôi đảm bảo với bạn rằng thành quả của khoa học là rất đẹp và thơ mộng, chỉ có việc thực hiện chúng là nhàm chán mà thôi. Và giờ tôi sẽ trở lại với chủ đề của bài viết “Nghệ thuật Kirigami và khoa học Graphene” để xem các nhà khoa học đã kết nối hai vấn đề này như thế nào.

Nghệ thuật Karigami (nguồn: deviantart.com).
Hình 1: Nghệ thuật Karigami (nguồn: deviantart.com).

Đầu tiên, câu hỏi đặt ra là bạn có thể gấp một quả bóng từ một tờ giấy? Câu hỏi này sẽ khiến chúng ta bối rối bởi sự khác nhau giữa hai chiều (2D) của tờ giấy và (3D) của quả bóng. Nếu các bạn đã từng biết đến nghệ thuật gấp giấy của Nhật bản Kirigami thì sẽ cảm giác câu hỏi này đơn giản hơn một chút. Nếu ai đó không nhớ, thì tôi sẽ nhắc qua lại là hầu như các bạn đã thấy nghệ thuật gấp giấy này rồi. Nó phổ biến nhất trong các tấm thiệp mà bạn mở ra sẽ thấy cả một toà nhà hay một cây thông xuất hiện (Hình 1). Nó cũng là anh em với loại hình nghệ thuật nổi tiếng hơn là Origami. Dựa trên ý tưởng từ Kirigami, các nhà khoa học từ Đại học Pennsylvania đã đưa ra một số nguyên tắc có thể áp dụng trên một mặt phẳng 2D với mạng tinh thể lục giác có thể xây dựng thành các cấu trúc phức tạp trong không gian 3D. Các nguyên tắc được xây dựng sao cho cấu trúc 3D sau khi được xây dựng vẫn phải đảm bảo tính toàn vẹn của các ô lục giác. Đây chính là chìa khoá quan trọng của nguyên cứu, bởi khi tính bảo toàn mạng tinh thể là điều kiện tối thiểu để đảm bảo cấu trúc 3D có thể tồn tại.

Hình 2: Nguyên tắc cắt và gấp từ mạng tinh thể lục giác 2D thành một cấu trúc 3D với mạng tinh thể được bảo toàn [1].
Hình 2: Nguyên tắc cắt và gấp từ mạng tinh thể lục giác 2D thành một cấu trúc 3D với mạng tinh thể được bảo toàn [1].
Hình 2 mô tả các cắt đơn giản để có thể xây dựng từ mạng tinh thể lục giác 2D thành 3D mà vẫn bảo toàn mạng tinh thể. Giả thiết ban đầu ở đây là tấm 2D chỉ có thể cắt và thể gấp dọc theo các đường nét đứt và liền. Nghiên cứu cũng được công bố trên tập san uy tín Physical Review Letters [1]. Các mạng tinh thể lục giác giống như hình ảnh tổ ong chúng ta thường thấy là cấu trúc mạng tinh thể hấp dẫn nhất trong khoa học vật liệu. Hình 3 cho chúng ta thấy hình dạng của một quả bóng (hay còn được gọi là hình cầu các bon) được xây dựng từ một tấm graphene. Cả hai vật liệu này đã được giải Nobel 1996 và 2004 bởi các tính chất thần kỳ của chúng. Graphene là vật liệu mỏng nhất, dẫn điện tốt nhất, bền nhất trên trái đất được biết tới, còn cầu nano các bon được ứng dụng phổ biến trong y học. Điều gì sẽ chờ đợi chúng ta trong tương lai nếu có nhiều cấu trúc hơn nữa được tạo ra với các tính chất chưa được biết tới?. Có thể thấy nghệ thuật Kirigami đã cho một cái nhìn mới trong khoa học, đặc biệt là khoa học nano, nơi mà không gian trở lên chật hẹp và các ứng dụng từ việc xây dựng từ các vật liệu cơ bản như mạng tinh thể lục giác trở lên rất hấp dẫn.

Hình 3: Họ cấu trúc của các bon bao gồm kim cương (3D), than chì (3D), graphene (2D), ống nano các bon (1D) và cầu nano các bon (3D) (Bryan Christie Design).
Hình 3: Họ cấu trúc của các bon bao gồm kim cương (3D), than chì (3D), graphene (2D), ống nano các bon (1D) và cầu nano các bon (3D) (Bryan Christie Design).

[1] Making the Cut: Lattice Kirigami Rules, T. Castle, Y. Cho, X. Gong, E. Jung, D.M. Sussman, S. Yang, and R.D. Kamien, Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 245502.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s