Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùng (tt)

Mặt dính nano nhân tạo Sự khám phá và kết quả nghiên cứu của Autumn không chỉ thỏa mãn sự tò mò sinh học nhưng còn đặt ra một vấn đề thú vị cho công nghệ tự động điều khiển học. Bài báo trên tờ Nature của Autumn và các cộng sự viên đã được trích dẫn rất nhiều lần trong giới nghiên cứu về khoa học bám dính (adhesion science) vì đây là một khái niệm dính khô hoàn toàn mới lạ, mang tính đột phá và đưa đến khả năng chế tạo các công cụ dính không keo,...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùng (tt) Cấu trúc nano:Bàn chân thạch sùng (tt)Mặt dính nano nhân tạoSự khám phá và kết quả nghiên cứucủa Autumn không chỉ thỏa mãn sựtò mò sinh học nhưng còn đặt ramột vấn đề thú vị cho công nghệ tựđộng điều khiển học. Bài báo trêntờ Nature của Autumn và các cộngsự viên đã được trích dẫn rất nhiềulần trong giới nghiên cứu về khoahọc bám dính (adhesion science) vìđây là một khái niệm dính khôhoàn toàn mới lạ, mang tính độtphá và đưa đến khả năng chế tạocác công cụ dính không keo, cácdụng cụ thông minh lúc dính lúckhông tùy vào tác động. Sự bámdính khô do lực hút van der Waalskhác bám dính ướt (wet adhesion)dùng chất keo thông thường. Bámdính ướt có liên quan đến sự tẩmướt (wettability), sức căng bề mặt(surface tension) và năng lượng bềmặt của vật chất. Những vấn đề nàyngoài phạm vi của bài viết nhưngđã được đề cập tỉ mỉ trong các sáchgiáo khoa.Đặc tính của bám dính khô vượt rangoài những chi phối của định luậtvề khoa hoc bề mặt (surfacescience). Nó chỉ tùy thuộc vào hìnhdạng, kích thước và thiết kế của cấutrúc bề mặt nano mà trong trườnghợp của bàn chân thằn lằn là hàngtriệu những sợi lông con keratin đểđạt đến diện tích tiếp xúc cực đại.Điều này có nghĩa là sợi nano củamặt dính nhân tạo có thể chế tạo từbất cứ vật liệu nào miễn sao cho bềmặt tiếp xúc đạt đến một trị số lớnnhất. Năm 2002, Autumn cùng cácđồng nghiệp là giáo sư Ron Fearingvà Robert Full (University ofCalifornia, Berkeley, Mỹ) tạo ramột bề mặt với các loại sợipolyester hay silicon. Polyester làvật liệu polymer dùng làm vải vóchoặc các loại chai nhựa. Trên mộtdiện tích 1 cm2, Autumn, Fearingvà Full tạo một bề mặt với 200triệu sợi nano polyester có đườngkính 700 nm (nhỏ hơn sợi tóc 100lần) (Hình 1F). Mặc dù to hơn sợilông con của bàn chân thằn lằn (10-15 nm), cấu trúc nầy vẫn tạo ramột lực bám dính là 6 kg/cm2 nếutất cả 200 triệu sợi đồng thời tácđộng lên mặt nền.Năm 2003, Geim và các cộng sựviên chế tạo mặt dính với sợipolyimide (thương hiệu: Kapton)(Hình 3) [5]. Sợi có chiều dài 200µm và đường kính 0,2 µm (= 200nm). Ông dồn 100 triệu sợi trênmột diện tích 1 cm2. Mặt dính nàycó thể chịu một sức là 1 kg. Sau đó,ông dùng 0,5 cm2 mặt dính để treolơ lửng đồ chơi Spiderman nặng40 g vào mặt thủy tinh (Hình 4).Tiếc rằng sau năm lần bám dính/tách rời, mặt dính mất hiệu năng.Geim cho rằng nguyên nhân chínhlà do tính thích nước củapolyimide. Polyimide hút nước trênmặt thủy tính làm giảm tính bámsát trên bề mặt và sau đó các sợipolyimide lại quyện vào nhau nhưmái tóc bị thấm nước làm mất đibản chất nano của mặt dính. Sự thấtbại của tính bền khiến Geim phảikiểm điểm lại lý tính của keratinlàm nên các sợi lông bàn chân thằnlằn và ông nhận ra rằng keratin làmột vật liệu sinh học ghét nước.Ông cũng nhìn nhận mặt dính củaAutumn, Full và Fearing bền hơn vìpolyester và silicon là các vật liệughét nước giống như keratin. Vìvậy, mặc dù trong việc thiết kế mặtdính không tùy vào bản chất vậtliệu, nhưng để mặt dính có tính bềnlâu dài hóa tính và lý tính của vậtliệu phải tương tự với keratin. Hình 3: Mặt dính nhân tạopolyimide của Geim. Sợi có chiềudài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm) [5]. Hình 4: Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào mặt thủy tinh với mặt dính nhân tạo polyimide của Geim [5]Gần đây, ống than nano cũng làmột vật liệu thông dụng để tạo nênmặt dính không keo. Trong quátrình chế tạo ống than nano trong lònung cao nhiệt (~1000 °C), các ốngthan có thể mọc thẳng đứng nhưmột thân cây dài (đường kính ốngkhoảng 50 - 100 nm) dày đặt nhưngmột khu rừng nhiệt đới (tương tựnhư Hình 1F). Nhóm của giáo sưLiming Dai (University of Dalton,Mỹ) đã tạo được bề mặt ống thannano và 1 cm2 của bề mặt nầy cóthể chịu một sức kéo gần 3 kg (3kg/cm2) vượt hơn khả năng củabàn chân thằn lằn là 1 kg/cm2 [6].Khác với các loại băng keo vănphòng, vì cấu trúc sợi nano của bànchân thằn lằn khi hai mặt bàn chânchập vào nhau, hiện tượng bámdính không xảy ra. Lý do là vìkhông có bề mặt tiếp xúc nên cácsợi nano không bám được vàonhau. Điều này xem chừng như làmột nghịch lý vì bàn chân thằn lằnvừa có thể bám, vừa không thểbám. Theo thường thức nếu khôngbảo quản kỷ lưỡng, băng keo có thểbám bụi làm giảm hiệu năng.Nhưng bàn chân thằn lằn thì không.Điều này có thể giải thích bằng hailý do. Một mặt, chất keratin làm rasợi lông bàn chân thằn lằn là mộtvật liệu sinh học ghét nước. Mặtkhác, các sợi nano làm nên cấu trúcnano biến toàn thể bàn chân thànhmặt ghét nước giống như lá sen.Đây là hiệu ứng lá sen (lotuseffect). Nước đổ lá sen (môn) hayNước đổ đầu vịt là những thànhngữ quen thuộc nói tới sự khôngbiết nghe lời, phục thiện của nhữngcái đầu bướng bĩnh hay những chếđộ có các ông quan mặt dày.Nhưng lá sen hay đầu vịt lại lànhững cấu trúc nano đặc biệt choviệc tự làm sạch (self-cleaning)cho các loại bề mặt trong đó có bànchân thạch sùng. ...