Các vật liệu trở thành “nàng thơ” âm nhạc

Marco Buongiorno Nardellichơi sáo ở nhiều câu lạc bộ âm nhạc. Nguồn:Society of Composers, Inc.

Trong nhiều năm, Marco Buongiorno Nardelli sống một cuộc đời “hai mặt”. Cả ngày, anh là một nhà vật lý, tính toán những đặc tính của các phân tử và vật liệu hoặc tối ưu các thiết kế những thiết bị nano cho chuyển đổi năng lượng. Về đêm, anh trở về với âm nhạc, thường cùng ngồi các nhạc sỹ khác trong những câu lạc bộ nhạc jazz mù mịt khói thuốc lá hoặc “trộn” các âm thanh điện tử với tiếng động đường phố của các thành phố Ấn Độ. Ngày nay, cả hai khuôn mặt cuộc đời này của anh đã nhập thành “MaterialsSoundMusic” – một dự án dùng âm nhạc để khám phá dữ liệu vật liệu và lần lượt dữ liệu truyền cảm hứng sáng tác các tác phẩm âm nhạc.

Dự án “MaterialsSoundMusic” đã tạo ra âm nhạc từ dữ liệu thông qua một thuật toán trí tuệ nhân tạo có khả năng lập bản đồ năng lượng của vật liệu để tập hợp chúng vào 88 phím của cây đàn piano. Nguồn:physics.aps.org

Buongiorno Nardelli, giáo sư vật lý trường đại học North Texas (UNT), nhận dự án vào thời điểm Sáng kiến hệ gene vật liệu – dự án được Nhà Trắng mở năm 2011 để thúc đẩy khám phá về các vật liệu mới. Là một phần của sáng kiến này, anhđã tham gia vào việc phát triển AFLOWLIB – một cơ sở dữ liệu online để lập danh mục các đặc tính của hàng triệu vật liệu tồn tại trên lý thuyết. Các nhà nghiên cứu trên thế giới có thể truy cập tự do vào cơ sở dữ liệu này để tìm một loại vật liệu siêu dẫn, kim loại, hay gốm phù hợp nhất với những ứng dụng họ cần.

Trong quá trình phát triển cơ sở dữ liệu này, Buongiorno Nardelli đã cân nhắc hai câu hỏi: Thứ nhất có thể chọn lọc thông qua lượng dữ liệu lớn của AFLOWLIB. Vậy các đặc tính của một vật liệu có thể được tái hiện để các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng đón nhận và đánh giá chúng? Vấn đề thứ hai là thách thức vượt xa hơn pham vi đó. Các vật liệu không quá quyến rũ như các vụ sáp nhập lỗ đen hay “hạt của Chúa”. Vậy có thể làm gì để các đặc tính eletron hay mạng tinh thể hấp dẫn được sự tưởng tượng của công chúng? Với Buongiorno Nardelli, người đã chơi nhạc và sáng tác âm nhạc từ khi lên 6, câu trả lời rõ ràng là cả hai vấn đề đều là “đụng chạm” đến âm thanh.

Đầu tiên, anh phải trao cho các vật liệu một “giọng nói”. Vì vậy ông đã làm điều đó bằng dữ liệu “sonification” – một cách sử dụng âm thanh không lời để truyền tải thông tin hoặc nhận biết dữ liệu. Thay vì chấm thành các điểm trên biểu đồ, sonification truyền dữ liệu đến tai chúng ta. Ý tưởng này không phải là mới – nó được gợi ý từ bộ đếm Geiger-Müller, một thiết bị giúp phát hiện tia gamma, hạt alpha, hạt beta và các dạng khác của bức xạ ion hóa - gần đây được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ vật lý thiên văn đến khoa học khí hậu. Tuy nhiên các nghiên cứu về vật liệu thì chưa từng “đụng” đến nó.

Để truyền âm thanh vật liệu, Buongiorno Nardelli viết các thuật toán có khả năng lựa chọn các tín hiệu từ các bộ dữ liệu của cấu trúc vùng năng lượng và mật độ của các trạng thái điện tử - hai tính chất xác định cách các eletron chuyển động trong một vật liệu như thế nào. Một trong những thuật toán đó đã vẽ ra bản đồ năng lượng giữa mức −15 và +5 eV vào 88 phím đàn piano rồi ấn định một biên độ cho từng nốt nhạc trên cơ sở mật độ của các trạng thái tại mức năng lượng tương ứng.

Các ví dụ truyền dẫn âm thanh của các vật liệu từ cơ sở dữ liệu AFLOWLIB, như silicon, carbon, germanium, hay thiếc đều có trên trang web của anh. Khi nghe, người ta có thể thấy các vật liệu này không tạo ra âm thanh đẹp như những tổ khúc cello hay hấp dẫn như các khúc nhạc pop mà chỉ là những kết hợp của âm thanh nghịch tai, như cú nhún của mèo lên phím đàn. Dẫu vậy, mỗi vật liệu đều “hát” lên một hợp âm độc nhất vô nhị và có thể nhận biết được chúng. Mỗi vật liệu như silicon và germanium – những loại có mật độ trạng thái điện tử có vẻ tương tự nhau khi được vẽ ra trên một biểu đồ nhưng lại tạo ra những hợp âm có thể dễ dàng phân biệt, ngay cả với những người không am hiểu về âm nhạc.

Vật điều này có thể giúp các nhà khoa học dễ dàng tìm ra loại họ muốn trong các cơ sở dữ liệu về vật liệu? Còn quá sớm để nói ra điều này, Buongiorno Nardelli nói. Những ngày này anh đang thực hiện các thử nghiệm, trong đó anh hỏi những người tham gia chọn các vật liệu tương tự nhau trong một nhóm lựa chọn, hoặc dựa vào mật độ trạng thái trên các sơ đồ hoặc âm thanh được tạo ra từ các thuật toán của anh. Kết quả ban đầu thật đáng khích lệ: các thử nghiệm âm thanh và thị giác đều chính xác. “Nhưng cách truyền dẫn âm thanh vẫn mới chỉ ở giai đoạn đầu và cần rất nhiều công sức để trau dồi người tham gia và tinh lọc các công cụ của chúng tôi”, anh nhận xét. Công việc mang tính nền tảng này có thể dẫn đến những cơ sở dữ liệu để các nhà khoa học có thể tìm thấy những vật liệu cần thiết với những tính chất tương tự nhau theo cùng một cách mà những người dùng các nền tảng âm nhạc trực tuyến như Spotify hay Pandora vẫn dùng để tìm ra các bài hát với chất lượng tương tự.

Ý tưởng thiết kế của một công trình 3 D, trong đó các khán giả có thể đi quanh các hạt nhân của một tinh thể khổng lồ trong khi nghe âm nhạc được sinh ra từ các đặc tính âm thanh của cùng một loại vật liệu. Nguồn:physics.aps.org

Sự tiện ích về khoa học không phải là mục tiêu duy nhất của Buongiorno Nardelli: anh còn có mục tiêu truyền cảm hứng sáng tác âm nhạc từ việc khai thác dữ liệu vật liệu. Trong một số sáng tác gần đây của mình, anh đã vẽ ra các âm thanh vật liệu vào các thang độ âm thanh khác nhau, ngẫu nhiên hóa chúng hoặc hòa trộn chúng với âm thanh từ các nhạc cụ thông thường. Các tác phẩm của anh gồm “Âm nhạc cho 88 phím” – một tổ khúc mô phỏng tính năng của kim cương. “Tác phẩm của anh ấy chứng tỏ dữ liệu thi thoảng cũng có thể tạo ra những ý tưởng âm nhạc bất ngờ và đẹp đẽ mà những người làm sáng tác như chúng tôi không thể có được”, Jon Nelson – nhà soạn nhạc và giảng viên của trường âm nhạc thuộc trường đại học UNT, cho biết.

Buongiorno Nardelli hi vọng, sự kết nối về mặt cảm xúc với âm nhạc có thể giúp người nghe nhận ra những điều phong phú và giàu có của các loại vật liệu. Anh hiện đang thiết kế một dàn dựng mới trên hình thức của một cấu trúc tinh thể khổng lồ với dữ liệu được chuyển thành âm thanh từ chính vật liệu đó. Những người tới dự có thể đi dạo xung quanh tinh thể đó và lắng nghe tiếng đập của các âm tử hay điệu nhảy liên tục từ chuyển động ở các điện tử của chúng.

Gặp gỡ với công chúng nhiều hơn, anh cũng hình dung ra một cuộc "chạy đua âm nhạc" giữa các nhà nghiên cứu và nhạc sỹ trên toàn cầu. Nếu cho rằng ngay cả cái cách điện cũng có "tài năng âm nhạc thiên phú”\" thì hãy bật chúng lên và lắng nghe.