by
Ngày Tết ai cũng thích chơi hoa. Trong các loài hoa, hoa hồng vào loại đẹp đẽ quý phái. Có lẽ vì hoa hồng quá đẹp người ta lưu ý một mâu thuẫn: hoa hồng nào chẳng có gai!
Nhưng những nhà vật lý ngắm nghía kỹ hoa hồng trong sương sớm thấy ở cánh hoa có những giọt nước nhỏ li ti co tròn lại như giọt nước trên lá sen nhưng lay nhẹ bông hoa hồng các giọt nưóc li ti đâu vẫn ở đấy, không thấy hiện tượng nhỏ giọt lăn tròn dồn lại thành hạt lớn và lăn đi khỏi như ở lá sen (hình 1).
Hình 1. Giọt nước trên lá sen và trên cánh hoa hồng
Vậy thì ở cánh hoa hồng có mâu thuẫn: giọt nước co tròn lại chứng tỏ bề mặt của cánh hoa hồng không thích nước làm ướt, nói cách khác là ghét nước (hydrophobic). Nhưng cánh hoa hồng lại giữ những giọt nước co tròn ấy lại, không cho chúng tụ thành giọt lớn và lăn khỏi để cho cánh hoa không ướt, nói cách khác là cánh hoa hồng thích nước (hydrophylic). Mâu thuẫn vừa ghét nước vừa thích nưóc ở cánh hoa hồng đã được nghiên cứu rất kỹ bằng các phương tiện khoa học hiện đại và được tổng kết lại dưới tên gọi “hiệu ứng cánh hoa” (petal effect).
Việc nghiên cứu này thuộc lĩnh vực phỏng sinh học (biomimetics) chuyên tìm hiểu những kỳ diệu trong tự nhiên động, thực vật để bắt chước phục vụ con người.
1. Bề mặt ghét nước, thích nước.
Có bề mặt khi nhỏ giọt nước lên, giọt nước co cụm lại thiên về hình cầu. Có vẻ như bề mặt ghét bỏ đẩy nước vào trong giọt nước để diện tích tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt co cụm lại.
Có bề mặt khi nhỏ giọt nước lên, giọt nước lan rộng ra, bề mặt có xu hướng kéo cho diện tích tiếp xúc lớn lên. Đó là bề mặt thích nước.
Để định lượng, người ta tưởng tượng cắt đôi giọt nước vẽ bên trong giọt nước góc với một cạnh là mặt phẳng, cạnh kia là tiếp tuyến với mặt ngoài giọt nước đỉnh trên đường tròn tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt. Thường ký hiệu đó là góc θ (theta) và gọi đó là góc tiếp xúc (hình 2).
Hình 2. Góc tiếp xúc θ và quan hệ giữa góc tiếp xúc - sức căng mặt ngoài
Nếu góc tiếp xúc là nhỏ hơn 90°, bề mặt là thích nước, nếu lớn hơn 90° là ghét nước. Khi góc tiếp xúc lớn hơn 150° bề mặt trở nên siêu ghét nước (superhydrophobic). Khi góc tiếp xúc gần bằng 0°, bề mặt là siêu thích nước (superhydrophylic).
Nói chung không nhất thiết là nước mà là chất lỏng (L: liquid), môi trường không nhất thiết là không khí mà là ở thể hơi (V: vapor), còn bề mặt xem là rắn (S; solid).
Từ 1805 Young đã đưa ra công thức:
γsv =γLVcosθ+γSL
Công thức được tính dựa trên cân bằng về năng lượng mặt ngoài còn gọi là sức căng bề mặt γ về giá trị bằng lực tác dụng lên một đơn vị dài ở đường tiếp xúc. Công thức trên chỉ ứng dụng cho trường hợp bề mặt tuyệt đối phẳng. Bề mặt gồ ghề, dưới giọt nước còn có các hố nhỏ có không khí v.v... phải có các công thức khác bổ sung.
2. Bề mặt ghét nước của lá sen.
Mãi đến năm 1977 mới xuất hiện cụm từ “hiệu ứng lá sen” (lotus effect) do hai nhà thực vật học người Đức là Barlott và Neinhuis ở Đại học Bonn tìm ra. Dưới kính hiển vi điện tử quét, thấy rõ trên bề mặt lá sen có cấu trúc thứ bậc (hierirchical structure). Thứ nhất là mặt nền lá sen bên trên đó là chi chít các u nhỏ hơn cỡ micromet, trên các u này có các u cỡ nanomet. Ngoài cùng là một lớp sáp thực vật.
Hình 3. Cấu trúc có thứ bậc ở lá sen.
a) u cỡ micromet.
b,c) u cỡ nanomet trên u cỡ micromet
Lớp sáp thực vật là một bề mặt ghét nước, nhưng các khối u cỡ micromet và nanomet tăng cường tính ghét nước như thế nào, các tác giả của hiệu ứng lá sen không nói kỹ.
Mãi đến năm 2002, giáo sư Lai Yang ở Viện Hàn lâm Trung Quốc mới đưa ra được các giải thích hiệu ứng lá sen với những quan sát đo đạc rất tỉ mỉ.
Khi bề mặt lá sen phẳng, chỉ phủ lớp sáp thôi, góc tiếp xúc θ là 104°, tức là mới bắt đầu ghét nước. Khi bề mặt lá sen có những u lớn cỡ micromet, trên có phủ lớp sáp, góc tiếp xúc θ tăng đến 150°, tức là đã rất ghét nước. Nhưng khi trên bề mặt lá sen có các u cỡ micromet, trên các u đó lại có các u nhỏ cỡ nanomet, và trên cùng lại có một lớp sáp, thì góc tiếp xúc θ trong khoảng từ 160° đến 180°, nghĩa là cực ghét nước (superhydro phobic). Với cấu trúc có u nhỏ trên u lớn và ngoài cùng có phủ một lớp sáp, đo đạc ra thì thấy những giọt nước gần như hình cầu, chỉ có 3% diện tích giọt nước là tiếp xúc với lá sen, nhờ đó giọt nước di động khá tự do, chỉ mặt lá sen hơi nghiêng hoặc làn gió nhẹ rung rinh là tất cả các giọt nước lăn đi, nhập cục lại thành giọt lớn lăn nhanh hơn và cuối cùng lăn khỏi lá sen (hình 4).
Hình 4. Cơ chế tự làm sạch của lá sen. Giọt nước co tròn dễ lăn. Khi lăn lôi cuốn theo bụi bặm.
(a) Các giọt nước lăn trên lá sen, (b) giọt nước lăn trên bề mặt bẩn, (c và d) mô tả chuyển động của một giọt chất lỏng trên đế nền nghiêng được phủ "bụi bẩn". Khi di chuyển trên đế phẳng, nơi có độ bám dính giữa các hạt "bụi bẩn" và lớp nền cao
3. Bề mặt vừa ghét nước vừa thích nước của cánh hoa hồng.
Ở bề mặt cánh hoa hồng, cấu trúc vi mô có hai thứ bậc (hình 5).
- Những u kích cỡ micromet nằm ngang dọc theo một trật tự nhất định.
- Phía trên và bên sườn của những u kích cỡ micromet đó có nhiều khe kích cỡ nano.
Giải thích tính chất vừa ghét nước, vừa thích nước của cấu trúc này như thế nào?
So sánh với bề mặt của lá sen thì những u của lá sen luôn đội giọt nước, tạo ra một lớp không khí luôn bị kẹt lại dưới giọt nước (hình 5).
Hình 5. Bên phải là Cấu trúc có thứ bậc ở bề mặt cánh hoa hồng. Các u cỡ micromet xếp theo hàng lối (trái). Trên các u và ở các sườn cỡ micromet và ở các sườn có các rãnh cỡ nanomet.
Ở cánh hoa hồng, nước thấm vào chỗ trũng ở giữa các u lớn, nhưng không thấm được vào các khe nano trên đỉnh và trên sườn các u.
Góc tiếp xúc của giọt nước là 152°, chứng tỏ bề mặt cánh hoa cực ghét nước, trong lúc đó ở các chỗ trũng của các u cỡ micromet, nước bị lực Van der Waals giữ lại, không lăn được.
Đó là cơ chế vừa ghét nước, vừa thích nước ở cánh hoa hồng. Cơ chế này còn đang tranh luận. Không chỉ riêng cánh hoa hồng mới có hiệu ứng đó mà còn có cánh của nhiều loại hoa khác. Do đó người ta đặt tên là “hiệu ứng cánh hoa” (petal effect).
Ảnh SEM cho thấy cấu trúc micro/nano đặc biệt của các bề mặt siêu thấm nước: a) lá sen, b) cánh hoa hồng, và c) lá lúa
4. Ứng dụng của hiệu ứng cánh hoa
Ta biết rằng các tác giả của hiệu ứng lá sen đã đăng kí bản quyền chế tạo loại sơn Lotusan làm cho bề mặt được sơn quét trở nên không ướt, tự làm sạch. Sơn được bán rất chạy, cơ bản là có trộn các hạt nhỏ cỡ micromet làm cho bề mặt sơn có nhiều chỗ u cỡ micromet còn chất sơn không thấm ướt như sáp. Ở đây chỉ bắt chước lá sen một phần.
Với hiệu ứng cánh hoa, thấy rõ có thế làm được bề mặt hoặc là ghét nước, hoặc là thích nước, hoặc là vừa ghét nước vừa thích nước một cách tinh vi hơn.
Công nghệ ngày nay có thể theo cách khắc hình ở vi điện tử là cho bề mặt có các u cỡ micromet hoặc nanomet. Cũng có thế dùng cách in vết, dùng chất nhựa đặc biệt ép nhẹ lên cánh hoa những chi tiết lồi lõm cực nhỏ trên cánh hoa được lưu lại dấu vết đầy đủ trên bề mặt tấm nhựa. Dùng tấm nhựa này làm khuôn ép chất nhựa khác vào đấy rồi bóc ra, sẽ có được bề mặt y như bề mặt cánh hoa. Theo cách làm khuôn này, việc sản suất ra bề mặt tinh vi có hiệu ứng cánh hoa có thể thực hiện được ở quy mô lớn, giá rẻ.
Hiệu ứng cánh hoa có thể ứng dụng rất tinh vi trong phạm vi nhỏ cỡ cm2 hoặc trong phạm vi lớn cỡ nhiều m2. Ví dụ trong kĩ thuật phân tích ngày nay, đặc biệt phân tích thử máu, thử ADN... yêu cầu lấy mẫu rất ít, phân tích nhiều chỉ tiêu. Chất cần phân tích phải có thể tích rất nhỏ, phải di chuyển đi nhiều nơi, chỗ thì phải đọng lại để phân tích, chỗ thì là kênh rãnh rất nhỏ để dẫn chất lỏng đi qua. Người ta có thể khắc hình trên silic để tạo ra những đường dẫn, những chỗ lồi, chỗ lõm li ti, nơi thì là mặt thích nước, nơi thì là mặt ghét nước. Để làm các bộ phận của vi cơ điện tử (MEMS) ở đây trên một diện tích cỡ chục milimet vuông, có thể phải đính dán hàng chục bộ phận làm những chức năng khác nhau. Cách dán ở đây là làm chỗ dán thích nước.
Ở quy mô lớn người ta đang thử nghiệm làm bộ phận thu gom nước dùng cho nơi sa mạc khô cằn. Lấy ý tưởng từ một loại bọ cánh cứng ở sa mạc châu Phi, xung quanh chỉ là gió cát, rất ít khi có mưa, nhưng bọ cánh cứng vẫn sống đàng hoàng. Bí quyết là bọ cánh cứng ở cánh đặc biệt, từ sáng sớm có gió mát, bọ chổng đôi cánh lên trời, hứng lấy gió, đầu chúc xuống. Hơi nước trong gió sớm sẽ đọng vào đôi cánh và có các rãnh để nước đọng lại chảy xuống miệng bọ cánh cứng. Uống no nước buổi sáng thế là bọ cánh cứng ung dung sống không khát cả ngày.
Theo ý tưởng đó, có thế dùng hiệu ứng cánh hoa làm một tấm lớn hứng gió, chỗ thì thích nước cho hơi nước được giữ lại, chỗ thì ghét nước cho những giọt nước lăn đi về chỗ thu gom.
Cánh hoa không những tạo ra màu sắc đẹp đẽ mà còn thiết thực với công nghệ đời sống
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: