Chiếc đàn violin nhỏ nhất thế giới: Một kỳ tích nano mở đường cho chip tương lai

Cụm từ “chiếc đàn violin nhỏ nhất thế giới” thường mang đầy vẻ mỉa mai, nhưng đối với các nhà nghiên cứu tại Đại học Loughborough (Vương quốc Anh), đó lại là niềm tự hào. Nhờ các công cụ công nghệ nano mới nhất, nhóm nghiên cứu này đã tạo ra một chiếc đàn violin đúng nghĩa là nhỏ nhất thế giới.

Với chiều dài chỉ 35 micromet và rộng 13 micromet, “nhạc cụ” này còn mỏng hơn một sợi tóc người, khiến tardigrades (gấu nước) trông khổng lồ khi so sánh.

Không chỉ là một trò đùa: Đẩy lùi giới hạn công nghệ

Đừng kỳ vọng nghe bất kỳ bản sonata thu nhỏ nào từ chiếc đàn này. Bởi lẽ, các kỹ sư chỉ thiết kế một hình ảnh chiếc đàn violin ở quy mô nano chứ không phải một nhạc cụ có thể chơi được. Tuy nhiên, cột mốc này không phải là một chiêu trò. Nó đang giúp các chuyên gia đẩy lùi giới hạn cho thế hệ điện tử và chip máy tính tương lai.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiết kế và sản xuất điện tử đã không ngừng thu nhỏ các dự án đồng thời tăng cường hiệu suất, theo đúng Định luật Moore. Định luật này dự đoán dung lượng chip máy tính sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 1.5 đến 2 năm và đã đúng trong 65 năm qua. Nhưng trong tương lai không xa, các nhà sản xuất sẽ hết không gian vật lý để nâng cấp dữ liệu. Đây là lúc điện toán lượng tử có thể phát huy tác dụng.

Cho đến lúc đó, các nhà nghiên cứu phải tìm đến những kỹ thuật ngày càng tiên tiến để thiết kế các thiết bị điện tử siêu nhỏ. Một trong những phương pháp đó là khắc nano (nanolithography). Khoa Vật lý của Đại học Loughborough gần đây đã sở hữu một hệ thống mới được thiết kế cho chính những nhiệm vụ như vậy.

Sức mạnh của NanoFrazor: Tạo tác phẩm siêu nhỏ

Giáo sư vật lý thực nghiệm Kelly Morrison cho biết: “Hệ thống khắc nano của chúng tôi cho phép thiết kế các thí nghiệm thăm dò vật liệu theo những cách khác nhau – sử dụng ánh sáng, từ tính hoặc điện – và quan sát phản ứng của chúng. Khi hiểu được cách vật liệu hoạt động, chúng tôi có thể áp dụng kiến thức đó để phát triển các công nghệ mới, dù là cải thiện hiệu suất tính toán hay tìm cách mới để thu hoạch năng lượng”.

Trước khi tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh, Morrison và các đồng nghiệp cần hiểu rõ khoa học nền tảng. Để làm được điều này, họ đã làm việc với một thiết bị mang tên NanoFrazor. Công cụ này, do Heidelberg Instruments thiết kế, dựa vào một kỹ thuật đặc biệt là khắc bằng đầu dò quét nhiệt (thermal scanning probe lithography) để lắp ráp các cấu trúc nano. Về cơ bản, mảng NanoFrazor có một đầu kim siêu nhỏ, có khả năng quan sát và tương tác với các mục tiêu cỡ nguyên tử. Khi được làm nóng đến một nhiệt độ nhất định (từ 75 đến 2012 độ F), đầu kim này sẽ đốt cháy vật liệu hoặc khắc các mẫu cần thiết.

Sau khi phác thảo sơ đồ violin bằng một chương trình dựng hình, nhóm đã phủ một lớp gel polymer lên một chip thủy tinh để tạo ra lớp nền, được gọi là chất cản (resist). Chip sau đó được đặt vào NanoFrazor, tại đó đầu kim nóng đã khắc thiết kế violin vào lớp polymer bề mặt. Từ đó, nhóm đã tạo ra chất cản bằng cách hòa tan lớp dưới bị lộ ra, để lại một khoảng trống hình nhạc cụ. Một lớp bạch kim sau đó được phủ lên chip trước khi rửa bằng axeton để loại bỏ bất kỳ vật liệu còn sót lại nào.

Dù phải mất nhiều tháng để thử nghiệm, tinh chỉnh và cải thiện các kỹ thuật, quá trình cuối cùng chỉ mất NanoFrazor khoảng ba giờ để hoàn thành dự án. Dù cần kính hiển vi để chiêm ngưỡng các chi tiết của chiếc violin, một số người có mắt tinh có thể tự mình phát hiện ra nó, dù nó vẫn sẽ trông giống như một hạt bụi.

Mở ra cánh cửa nghiên cứu mới

Với dự án thử nghiệm hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang các cuộc điều tra nâng cao hơn. Một dự án hiện tại liên quan đến việc phát triển các giải pháp thay thế cho phương pháp lưu trữ dữ liệu từ tính, trong khi một dự án khác đang xem xét cách nhiệt có thể giúp thiết kế các khả năng lưu trữ và xử lý nhanh hơn, hiệu quả hơn.

“Mặc dù việc tạo ra chiếc đàn violin nhỏ nhất thế giới có vẻ chỉ là trò vui, nhưng rất nhiều điều chúng tôi đã học được trong quá trình này thực sự đã đặt nền móng cho nghiên cứu mà chúng tôi đang thực hiện”, Morrison nói. “Nhưng trước tiên, chúng tôi cần hiểu khoa học cơ bản và hệ thống này cho phép chúng tôi làm được điều đó.”