Tơ tằm: Vật liệu mới cho công nghệ 6G và truyền dẫn trên tần số Terahertz

Từ sợi tơ tự nhiên đến vật liệu công nghệ cao

Trong nhiều thập niên, tơ tằm chủ yếu được biết đến như một loại vật liệu dệt cao cấp. Tuy nhiên, cấu trúc đặc biệt của sợi tơ tằm đang khiến vật liệu này trở thành đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học vật liệu.

Một nhóm nghiên cứu từ các trường Đại học (ĐH) như Michigan, Tufts (Mỹ) và Hoàng gia London (Vương quốc Anh) đã phát triển phương pháp biến các sợi tơ tằm thành một dạng vật liệu rắn có tính chất giống nhựa, đồng thời giữ lại nhiều đặc điểm cấu trúc vốn có của tơ tằm.

Điều khiến nghiên cứu được chú ý không chỉ nằm ở việc tạo ra một loại vật liệu mới từ tơ tằm. Quan trọng hơn, quá trình xử lý cho phép các nhà khoa học tận dụng cấu trúc vi mô vốn tạo nên độ bền và tính linh hoạt của tơ tằm, thay vì phá hủy hoàn toàn cấu trúc này rồi tái tạo vật liệu bằng các quy trình hóa học phức tạp. Đây là hướng tiếp cận có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của tơ tằm từ ngành dệt may sang vật liệu quang học, cảm biến, điện tử và những công nghệ hoạt động ở tần số rất cao.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học quốc tế Nature Sustainability, thuộc hệ thống Nature Portfolio do Springer Nature xuất bản.

Vì sao tơ tằm có cấu trúc đặc biệt?

Độ bền đáng kinh ngạc của tơ tằm bắt nguồn từ cấu trúc phân tử của protein tạo nên sợi tơ. Trong cấu trúc này tồn tại đồng thời những vùng có trật tự cao và những vùng có cấu trúc kém trật tự.

Các chuỗi amino acid trong một số vùng tạo thành những cấu trúc tinh thể dạng tấm gấp nếp, trong khi những vùng khác có cấu trúc linh động và ít trật tự hơn. Sự kết hợp giữa hai trạng thái này giúp tơ đạt được một sự cân bằng khá đặc biệt: bền nhưng không quá cứng, nhẹ nhưng có khả năng chịu lực và có thể uốn cong.

Thay vì nghiền hoặc hòa tan hoàn toàn vật liệu, nhóm nghiên cứu tìm cách giữ lại càng nhiều cấu trúc tự nhiên càng tốt.

Theo nghiên cứu, các sợi tơ tằm được xử lý dưới nhiệt độ và áp suất cao để loại bỏ nước và làm các vùng vật liệu liên kết với nhau. Quá trình này tạo thành một vật liệu dạng tấm nhưng vẫn bảo tồn đáng kể cấu trúc bên trong của sợi tơ tằm. Nhiệt độ xử lý nằm trong khoảng khoảng 125 - 215^oC, trong khi áp suất được sử dụng ở mức rất cao.

Điểm đáng chú ý là phương pháp này khác với những cách tiếp cận trước đây vốn thường phải hòa tan tơ trong dung môi hóa học, sau đó xử lý thành dạng bột trước khi tạo hình. Việc giảm đáng kể nhu cầu sử dụng dung môi, muối và nước có thể tạo lợi thế về cả quy trình sản xuất lẫn khả năng tái chế vật liệu.

Giá trị khoa học nổi bật nhất của vật liệu mới nằm ở đặc tính quang học. Trong vùng tần số THz, vật liệu tơ sau xử lý thể hiện hoạt tính quang học mạnh, đặc biệt là khả năng làm thay đổi trạng thái phân cực của bức xạ. Các phép đo cho thấy vật liệu có thể tạo ra hiệu ứng lưỡng chiết và làm xoay trạng thái phân cực của sóng THz. Đây là đặc tính không dễ đạt được.

Nhiều vật liệu có nguồn gốc sinh học hấp thụ bức xạ sóng THz khá mạnh. Khi đó, phần lớn năng lượng của sóng bị giữ lại trong vật liệu, khiến rất ít tín hiệu có thể truyền qua. Ngược lại, vật liệu tơ tằm được hợp nhất trong nghiên cứu có khả năng tạo ra tương tác quang học mạnh với sóng THz nhưng vẫn duy trì độ truyền qua nhất định.

Nhóm nghiên cứu còn có thể điều chỉnh mức độ tác động lên phân cực bằng cách thay đổi điều kiện nhiệt độ và áp suất trong quá trình tạo vật liệu. Điều này mở ra khả năng thiết kế vật liệu theo yêu cầu thay vì chỉ sử dụng tơ tằm như một chất nền thụ động.

Về mặt công nghệ, đây là đặc điểm đáng quan tâm đối với các linh kiện có chức năng điều khiển, biến đổi hoặc xử lý sóng THz.

Tần số THz và bài toán cho 6G

Tần số THz đang được xem là một trong những vùng tần số tiềm năng cho các hệ thống thông tin thế hệ sau. So với những băng tần thấp hơn đang được sử dụng rộng rãi trong mạng di động, vùng tần số này cung cấp những băng thông rất lớn, qua đó tạo điều kiện cho tốc độ truyền dữ liệu cực cao.

Ở tần số rất cao, suy hao truyền dẫn, độ nhạy với vật cản, yêu cầu về công nghệ bán dẫn, anten, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi và vật liệu dẫn sóng đều trở nên khắt khe hơn. Vì vậy, 6G sẽ cần một hệ sinh thái linh kiện hoàn toàn mới, trong đó vật liệu quang học và điện từ đóng vai trò không nhỏ.

Trong bối cảnh đó, khả năng điều khiển phân cực THz của vật liệu tơ tằm là điểm đáng chú ý. Phân cực là một thuộc tính của sóng điện từ và có thể được khai thác để mã hóa hoặc xử lý thông tin. Nếu các cấu trúc vật liệu có thể điều khiển chính xác trạng thái phân cực, chúng có thể được sử dụng trong các linh kiện xử lý tín hiệu, cảm biến hoặc hệ thống quang học THz.

Không chỉ dành cho công nghệ 6G

Một điểm thú vị của nghiên cứu là những đặc tính cơ học của vật liệu mới cũng mở ra các hướng ứng dụng ngoài viễn thông.

Vật liệu có khối lượng thấp nhưng độ bền cao, đồng thời có khả năng chịu biến dạng và chống xuyên thủng trong các thử nghiệm được báo cáo. Những đặc điểm này khiến các nhà nghiên cứu quan tâm tới khả năng sử dụng vật liệu trong một số lĩnh vực như thiết bị thể thao, bao bì chuyên dụng hoặc vật liệu kết cấu nhẹ.

Nguồn gốc sinh học của tơ tằm cũng tạo ra một hướng nghiên cứu khác: vật liệu có khả năng phân hủy và tương thích sinh học.

Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu có nguồn gốc từ tơ tằm có thể phân hủy dần trong cơ thể động vật thí nghiệm, qua đó gợi mở khả năng sử dụng cho một số thiết bị y sinh tạm thời. Đây là một hướng ứng dụng hoàn toàn khác với truyền thông 6G nhưng cho thấy tiềm năng của cùng một nền vật liệu.

Nói cách khác, giá trị của công nghệ không nhất thiết nằm ở một ứng dụng duy nhất. Cùng một cấu trúc vật liệu có thể được khai thác cho nhiều lĩnh vực nếu các đặc tính cơ học, quang học và sinh học của nó được kiểm soát đủ tốt.

Tái chế tơ tằm: Một hướng đi đáng chú ý

Nghiên cứu cũng xuất phát từ một vấn đề rất thực tế của ngành dệt may: xử lý lượng lớn chất thải từ sợi tơ tằm.

Những sợi tơ tằm còn đủ dài có thể tiếp tục được dệt hoặc sử dụng lại. Nhưng khi sợi bị cắt thành những đoạn rất ngắn, khả năng tái sử dụng trực tiếp giảm mạnh. Một phương án trước đây là hòa tan vật liệu rồi tái chế dưới dạng vật liệu mới, nhưng quy trình này có thể đòi hỏi dung môi, nước và các bước xử lý hóa học.

Phương pháp ép và hợp nhất tơ tằm mở ra một lựa chọn khác. Ngay cả những đoạn sợi ngắn cũng có thể được tập hợp và tạo thành vật liệu dạng tấm. Theo nhóm nghiên cứu, quy trình mới có thể giảm đáng kể nhu cầu sử dụng hóa chất và nước so với các phương pháp tái chế dựa trên hòa tan.

Nếu có thể mở rộng quy trình này lên quy mô công nghiệp, chất thải từ ngành dệt may có thể trở thành nguồn nguyên liệu cho một dòng vật liệu mới.

Đây cũng là lý do nghiên cứu không chỉ mang ý nghĩa về vật liệu 6G mà còn gắn với xu hướng phát triển vật liệu bền vững và kinh tế tuần hoàn.

Từ phòng thí nghiệm đến vật liệu phục vụ cho 6G còn một khoảng cách dài

Dù kết quả rất đáng chú ý, vẫn còn quá sớm để nói rằng tơ tằm sẽ thay thế các vật liệu truyền thống trong hệ thống viễn thông.

Thách thức đầu tiên là quy mô sản xuất. Một vật liệu có tính chất tốt trong phòng thí nghiệm chưa chắc đã có thể được chế tạo ổn định với hàng tấn hoặc hàng triệu đơn vị mỗi năm.

Tiếp đó là độ đồng nhất của vật liệu. Các hệ thống thông tin tốc độ cao đòi hỏi đặc tính điện từ và quang học được kiểm soát rất chặt chẽ. Chỉ những biến động nhỏ về cấu trúc hoặc thành phần cũng có thể ảnh hưởng tới hiệu suất của linh kiện.

Ngoài ra còn có các vấn đề về độ bền môi trường, khả năng chịu nhiệt, độ ẩm, tuổi thọ, khả năng tích hợp với quy trình sản xuất hiện có và chi phí.

Bản thân công nghệ 6G cũng chưa được thương mại hóa rộng rãi. Các tiêu chuẩn, kiến trúc mạng và yêu cầu kỹ thuật cuối cùng vẫn đang tiếp tục được hoàn thiện. Vì vậy, việc xác định chính xác vị trí của vật liệu tơ tằm trong hệ sinh thái 6G sẽ cần thêm nhiều nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu hiện tiếp tục tìm cách mở rộng quy trình tạo vật liệu thành những cấu trúc phức tạp hơn, đánh giá vòng đời và nghiên cứu khả năng tích hợp vật liệu tơ tằm hợp nhất vào cảm biến cùng các ứng dụng khác.

6G có thể bắt đầu từ những vật liệu rất quen thuộc

Điều đáng chú ý nhất của nghiên cứu không phải là việc một loại vật liệu truyền thống của ngành dệt may bất ngờ được gắn với 6G. Điều quan trọng hơn là nó cho thấy cuộc cách mạng 6G sẽ không chỉ diễn ra trong lĩnh vực viễn thông.

Để đạt tốc độ dữ liệu cao hơn, các nhà nghiên cứu phải giải quyết đồng thời nhiều bài toán: từ nguồn phát, anten, bán dẫn, bộ xử lý tín hiệu đến vật liệu và cấu trúc dẫn sóng.

Trong quá trình đó, những vật liệu vốn quen thuộc trong đời sống có thể trở thành nền tảng cho các công nghệ hoàn toàn mới. Tơ tằm là một ví dụ tiêu biểu. Cấu trúc protein tự nhiên vốn được tiến hóa để tạo ra một sợi nhẹ và bền lại có thể được khai thác nhằm tạo ra vật liệu có những đặc tính quang học đặc biệt ở vùng tần số THz.

Nếu các nghiên cứu tiếp theo chứng minh được khả năng sản xuất quy mô lớn, kiểm soát tốt chất lượng và tích hợp với các linh kiện điện tử - quang tử hiện có, vật liệu từ tơ có thể trở thành một thành phần đáng chú ý trong các hệ thống truyền thông sử dụng tần số THz tương lai.

Với 6G, câu chuyện vì thế không chỉ là sử dụng các tần số cao hơn, tốc độ nhanh hơn. Đó còn là cuộc tìm kiếm những vật liệu mới có thể biến các đặc tính vật lý đặc biệt thành chức năng công nghệ. Và trong cuộc tìm kiếm đó, một loại vật liệu đã tồn tại hàng nghìn năm như tơ tằm lại đang đứng trước cơ hội bước vào một lĩnh vực hoàn toàn mới./.

Phan Văn Hòa, Cục Tần số Vô tuyến điện