Bàn chân thạch sùng - vật liệu Nano

Đặc tính của bám dính khô vượt ra ngoài những chi phối của định luật về "khoa hoc bề mặt" (surface science). Chỉ tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và thiết kế của cấu trúc bề mặt nano - mà trong trường hợp của bàn chân thằn lằn là hàng triệu những sợi lông con keratin - để đạt đến diện tích tiếp xúc cực đại = sợi nano của mặt kết dính nhân tạo có thể chế tạo từ bất cứ vật liệu nào miễn sao cho bề mặt tiếp xúc đạt đến một trị số lớn nhất....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bàn chân thạch sùng - vật liệu Nano Bàn chân thạch sùng - Vật liệu Nano Nano technology ? • Molecular scale : 0,1 – 1 nm • Nano scale : 1 – 100 nm • Micro scale : μm • Meso scale : mm, cm • Macro scale : > cm * Molecular scale : nguyên tử + phân tử giúp con người hiểu những thuộc tính cơ bản của vật chất  hóa học tổng quát (hữu cơ, vô cơ…), Hóa học lượng tử, cơ học lượng tử… * Micro, Meso, Macro scale : trạng thái cụm, mảng, khối…  Vật lý chất rắn, cơ học Newton * Nano scale : ??? • Khi vật liệu thu nhỏ đến kích thước NANO: các tính chất : hóa học, vật lý, cơ, quang, điện, từ, đều thay đổi so với trạng thái vĩ mô • Ex : * nano Al : xúc tác cho nhiên liệu tên lữa * nano Ag * nano Au * nanocomposite ……. • ARISTOS’s question ! Hình 1: (A) Con thằn lằn Tokay (gekko gecko); (B) những lá mỏng vắt ngang bàn chân nhìn từ dưới lên; (C) lá mỏng là những c ụm lông có thứ tự hình bàn chải đánh răng; (D) sợi lông chính tua ra nh ững s ợi lông con có hình dạng như cây chổi quét nhà; (E) những sợi lông con và (F) cấu trúc sợi nano nhân tạo [1]. Hình 2: Cấu trúc với nhiều thứ bậc của sợi lông bàn chân thằn lằn (xem thêm Hình 1D, E). Sợi lông con rất mềm nên có thể bám sát vào mặt nền lồi lõm rất hiệu quả [4]. Cơ chế bám dính Gần 200 năm qua, đã có 7 cơ chế được đề nghị: * bám dính do keo * sức hút (suction) * ma xát * cài vào nhau (interlocking) * tĩnh điện * lực mao quản • lực hút van der Waals Năm đề nghị đầu tiên không có sức thuyết phục, vì: •bàn chân không tiết ra chất keo •cấu tạo vi mô không cho thấy dấu hiệu nào tạo ra sức hút hay lực ma xát • ngón chân không có móc nên không thể cài vào mặt nền •có thể đi trên các loại mặt bằng có hay không có tĩnh điện => hai khả năng còn lại là lực mao quản và lực hút van der Waals Adhesive force of a single gecko foot-hair“ K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing and R. J. Full, Nature, 405 (2000) 681. (Lewis & Clark College, Mỹ) xác nhận : sự bám dính của bàn chân thằn lằn là do l ực hút van der Waals Theo lý thuyết, lực van der Waals tỷ lệ nghịch theo lũy thừa 7 với khoảng cách. sự gia giảm của lực hút rất nhạy với khoảng cách, nếu ta đặt hai mặt phẳng xa gấp đôi thì lực giảm đi 128 lần (= 2x2x2x2x2x2x2). Sự lồi lõm ở một vài micromét (100 lần nhỏ hơn sợi tóc) tạo ra kẽ hở giữa hai mặt phẳng cũng đủ làm triệt tiêu lực van der Waals. => không nhìn thấy lực van der Waals trong sinh hoạt hằng ngày. nếu bề mặt được cải biến thành một bề mặt có cấu trúc sợi nano, diện tích tiếp xúc sẽ gia tăng hàng triệu hàng tỷ lần. Lực hút van der Waals cũng tăng theo diện tích tiếp xúc đưa ra khái niệm mới về sự bám dính: sự bám dính khô (dry adhesion). lực hút van der Waals chỉ xuất hiện giữa hai vật thể khi được đặt sát ở khoảng cách nanomét. Trong trường hợp bàn chân thằn lằn, để tạo một lực bám hữu hiệu khoảng cách giữa các sợi lông con và mặt nền nhiều nhất là 2 nm Trên 2 nm, lực van der Waals biến mất. lực van der Waals yếu hơn các lực khác trong liên kết hóa học (chemical bonding) như nối cộng hóa trị, nối ion, nhưng vì bề mặt tiếp xúc của cấu trúc nano trở nên rất lớn nên lực hút van der Waals tạo một sức chịu đáng kể diện tích bàn chân là 1 cm2 nên lực dính do lực van der Waals là 1 kg/cm2 (K. Autumn ) Sự bám dính khô - Đặc tính của bám dính khô vượt ra ngoài những chi phối của định luật về khoa hoc bề mặt (surface science). Chỉ tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và thiết kế của cấu trúc bề mặt nano - mà trong trường hợp của bàn chân thằn lằn là hàng triệu những sợi lông con keratin - để đạt đến diện tích tiếp xúc cực đại => sợi nano của mặt kết dính nhân tạo có thể chế tạo từ bất cứ vật liệu nào miễn sao cho bề mặt tiếp xúc đạt đến một trị số lớn nhất. - Sự bám dính khô do lực hút van der Waals khác bám dính ướt (wet adhesion) dùng chất keo thông thường. - Bám dính ướt có liên quan đến sự thấm ướt (wettability), sức căng bề mặt (surface tension) và năng lượng bề mặt của vật chất Autumn cùng các đồng nghiệp _ Ron Fearing và Robert Full (University of California, Berkeley, Mỹ) tạo ra một bề mặt với các loại sợi polyester hay silicon. Trên một diện tích 1 cm2, các tác giả tạo một b ề m ặt v ới 200 triệu sợi nano polyester có đường kính 700 nm (nhỏ h ơn s ợi tóc 100 lần) (Hình 1F). Mặc dù to hơn sợi lông con của bàn chân th ằn lằn (10 -15 nm), cấu trúc nầy vẫn tạo ra một lực bám dính là 6 kg/cm2 nếu tất cả 200 triệu sợi đồng thời tác động lên mặt nền. Năm 2003, Geim và các cộng sự viên chế tạo mặt dính với sợi polyimide (tên thương mại : Kapton) (Hình 3) [4]. Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm). * 100 triệu sợi / 1 cm2. Mặt dính nầy có thể chịu một sức nặng là 1 kg. Sau đó, dùng 0,5 cm2 mặt dính này để treo lơ lửng đ ồ ch ơi Spiderman nặng 40 g vào bề mặt thủy ...