by
1. MẶT KHÔNG DÍNH
Đã có một bài viết về chảo không dính là một ứng dụng của mặt không dính bạn có thể xem thêm tại đây. Trên bề mặt chảo kim loại thông thường như là chảo nhôm người ta phủ một lớp mỏng chất không dính thí dụ teflon, gốm sứ - ti tan, chuẩn tinh thể ... mặt chảo nhôm trở thành mặt không dính. Với chảo này có thể rán trứng mà không cần dầu mỡ, trứng vẫn chín ngon và đặc biệt là không dính vào chảo. Đây là một ứng dụng có vẻ tầm thường của mặt không dính, nhưng thực sự là có nhiều yêu cầu cao. Phủ lớp chống dính ở đây phải đồng thời đạt nhiều yêu cầu:
- Lớp chống dính phải bám chặt vào bề mặt được phủ lên.
- Lớp chống dính phải chịu được nhiệt độ cao. Trường hợp chống dính ở chảo rán phải chịu được nhiệt độ cỡ 250°C trở lên.
- Lớp chống dính phải cứng, chống được cào xước.
- Lớp chống dính phải không độc hại
Nhiều trường hợp cần đến mặt không dính nhưng không nhất thiết phải đảm bảo đầy đủ 4 yêu cầu cao như trên. Thí dụ lá sen là mặt không dính đối với nước, ở nhiệt độ bình thường, trong môi trường không khí. Bắt chước mặt lá sen có thể tạo ra mặt không dính nước ứng dụng để làm kính không ướt, tự làm sạch v.v... ở đây không yêu cầu phải chịu được nhiệt độ cao, chống được cào xước mạnh v.v... Do có nhiều yêu cầu về không dính rất khác nhau nên vật liệu cũng như cách phủ lớp chống dính cũng rât đa dạng. Có thể kể ra một số kỹ thuật phổ biến. Chú ý rằng không dính (nonstick) và trơn (slip) có nghĩa gần như nhau. Một cái chai thông thường đựng tương ớt, tương cà chua hơi sền sệt nên tương ớt, tương cà chua dính vào mặt trong của chai khá nhiều, không thể rót ra hết. Nếu phủ bên trong chai một lớp chống dính đối với tương ớt, tương cà chua không dính vào chai, nói cách khác tương ớt, tương cà chua trơn tuột chảy ra hết. Chữ trơn thiên về chuyển động hơn nhưng thực chất cũng là không dính.
2. CÁC LOẠI MẶT KHÔNG DÍNH
Không dính chỉ liên quan đến trên bề mặt, nói đến măt không dính thực ra là nói đến một lớp mỏng có tính chất không dính phủ lên trên mặt một vật liệu thông thường. Lớp mỏng có tính chất không dính có thể là lớp mỏng vật liệu không dính, có thể là lớp mỏng có cấu trúc đặc biệt nên không dính, thường là câu trúc tinh vi từ micromet đến nanomet.
Vật liệu không dính điển hình ngày nay là:
- Teflon, thưc tế là chất PTFE, đã nói kỹ ở phần chảo rán. Như đã thấy nếu không khéo sử dụng, từ PTFE có thể sinh ra PFOE độc hại. Nhưng trong trường hợp không liên quan đến nhiệt độ cao, chất này rất an toàn.
- Silicon. Đây chính là nguyên tố Si có nhiều trong tự nhiên nhưng không ở dạng tinh khiết. Trường hợp tinh khiết 100% chất này có mặt ngoài không dính, phủ kín lên bề mặt một chất khác có được mặt không dính. Tuy nhiên khó tạo thành một lớp phủ là silic hoàn toàn tinh khiết, không có khuyết tật. Vi vậy chất lượng của mặt không dính do phủ silicon phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật phủ và tất nhiên là càng tốt càng không dính thì giá thành càng cao.
- Chuẩn tinh thể(quasicrystal). Thường được chế tạo từ hợp kim như nhôm (Al), cờ rôm (Cr), lantanit (Họ lantan là một họ gồm 15 nguyên tố La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, và Lu) hay là hợp kim của nhôm, mangan (Mn), lantanit. Các chất này nếu nung cho nóng chảy rồi để nguội sẽ tạo ra hợp kim bình thường, có cấu trúc tinh thể. Nhưng nếu làm nguội nhanh tức là từ trạng thái nóng chảy làm lạnh đột ngột để hợp kim nóng chảy chưa kịp nguội để trở thành tinh thể mà ở trạng thái gần như là tinh thể tức là chuẩn tinh thể. Hợp kim ở trạng thái chuẩn tinh thể này có nhiều tính chất lý hóa rất đặc biệt trong đó có tính không dính (trơn như thủy tinh) nhưng lại rất cứng.
Còn một số mặt không dính khác không phải là do chất liệu mà là do cấu trúc tinh vi. Điển hình là hai kiểu cấu trúc sau đây.
- Kiểu cấu trúc lá sen. Lá sen luôn luôn không ướt tức là nước không dính được trên bề mặt lá sen. Đó không phải do chất liệu ở bề mặt lá sen mà là do trên bề mặt có các chỗ u kích cỡ nhỏ hơn micromet. Chi tiết hơn là bề mặt lá sen có cấu trúc thứ bậc: bậc thứ nhất là trên mặt phẳng có chi chít các chỗ u kích cỡ trên micromet, bậc thứ hai là trên các u kích cỡ micromet lại có có u nhỏ hơn, kích cỡ hàng chục nanomet. Phối hợp hai kiểu u đó là chính, mặt lá sen luôn luôn ghét nước (hydro-phobic), nói cách khác là không dính nước.
Người ra bắt chước một phần cấu trúc bề mặt lá sen, thí dụ trộn những hạt nhỏ vào chất keo rồi phu lên bề mặt, lúc khô các hạt nhỏ nhô lên như những cái u làm cho bề mặt ghét nước.
Có thể chọn lựa kích thước các u cũng như chất liệu thích hợp sẽ có được mặt không dính dầu (oleophobic).
- Cấu trúc kiểu hoa ăn thịt. Hoa ăn thịt là hoa của một loại cây phổ biến ở châu á, châu Mỹ và châu Phi. Hoa của loại cây này hình như cái phễu, trên có nắp chủ yếu là để che cho nước mưa không rơi nhiều vào hoa. Đặc biệt nhất là ở phần dưới gần miệng phễu của hoa rất trơn làm cho côn trùng như ong, ruồi thâm chí chim, chuột mon men lại gần thì vì quá trơn nên tụt xuống đáy hoa, không bò lên được. Hoa tiết ra một loại dịch để tiêu hóa con vật sa bẫy để cây hấp thụ, vì thế gọi là hoa ăn thịt, Về hình dáng, hoa này tương tự như cái bình sữa hoặc cái ấm có nắp nên còn gọi là hoa của cây nắp ấm.
Các nhà phỏng sinh học đã phỏng theo cấu tạo của hoa này để chế tạo ra bề mặt gọi là siêu trơn (super slippery). Siêu trơn có nghĩa là siêu không dính. Trên đây chỉ điểm qua một số mặt không dính. Tùy trường hợp người ta có thể phủ chất không dính theo các phương pháp hóa lý như quét, phun chất lỏng, phún xạ...
3. ỨNG DỤNG CỦA MẶT KHÔNG DÍNH
Ứng dụng của mặt không dính rất đa dạng. Chúng ta đã thấy ở trường hợp chảo không dính, mới nhìn thì không có gì là cao xa hiện đại nhưng đi sâu vào đây không phải là dễ giải quyết về mặt khoa học, đồng thời là mối quan tâm sử dụng hàng ngày của hàng triệu triệu người, không phải là việc tầm thường. Cũng vậy ta xét một số thí dụ ứng dụng mặt không dính dưới dây từ rât đơn giản đến khá phức tạp nhưng đều rất có ý nghĩa với đời sống.
1. Chai đựng tương cà chua, tương ớt.
Các loại tương này đều sền sệt, mở nút nghiêng chai để rót ra tương chảy rất chậm. Không những thế, không thể nào dùng cho hết chai được, phần dính chai rất nhiều bỏ đi rất lãng phí. Hàng ngày hàng trăm triệu người dùng đến các loại chai đựng tương này. Nhóm nghiên cứu ở Đại học MIT (Mỹ) đã tìm được chất siêu trơn tráng vào bên trong các bình, chai đựng tương. Nhờ đó đổ tương ra dễ dàng như rót nước và dốc chai thì tương ra hết sạch (Hình 1)
Tương tự nếu phủ lớp chống dính ở trục xoắn đùn thực phẩm, thực phẩm được đùn lên nhưng không dính vào trục xoắn
2. Chống đóng băng ở cánh máy bay
Ở các nước châu Âu, bắc Mỹ trời lạnh về mùa đông máy bay đỗ lâu ở sân bay gặp tuyết rơi, phía trên của hai cánh máy bay có thế bị đóng băng. Phải bố trí phương tiện và người để trực tiếp phun khí nóng, hóa chất rửa sạch lớp băng này, có thế máy bay mời cất cánh được (hinh 2). Đây là việc vất vả, tốn kém có thể ảnh hưởng đến môi trường sân bay. Nếu cánh máy bay được phủ lớp chống dính, thiếu mầm kết tinh nên dẫu lạnh, nước không thể kết tinh thành băng trên cánh máy bay được. Lớp chống dính phủ lên cánh máy bay còn được gọi là lớp phủ chống đóng băng "Ice - Phobic” Airplane Wings.
3. Tàu ngâm “không dính” (non stick submarine)
Toàn bộ vỏ ngoài của tàu ngầm là tiếp xúc với nước, khi tàu ngầm chạy ma sát của vỏ ngoài tầu ngầm với nước là khá lớn. Các nhà nghiên cứu ở Đại học California ở Los Angeles (Mỹ) đã tạo ra vỏ ngoài của tàu ngầm có một lớp không dính theo câu trúc kim nhọn nano tương tự như ở lá sen (Hình 4). Vỏ tàu với lớp không dính này làm cho tàu chạy rất ít ma sát, nhờ đó tàu ngầm chạy vừa nhanh vừa rất ít tốn nhiên liệu.
4. Bề mặt sạch không ướt, không sước
Kính đeo mắt, gương soi (đặc biệt là ở nhà tắm), mặt điện thoại di động,... hay bị mờ lúc ướt ẩm có nhiều hơi nước, dễ bám bụi khó lau sạch, nhất là các mạch vi điện tử, màng nước mỏng có thể dẫn điện làm ngắn mạch v.v... Người ta phủ lên đó một lớp chống dính vừa làm nhiệm vụ chống hơi nước bám vào vừa cho bề mặt ít bị sước, mặt kính luôn sạch sẽ dễ lau chùi. Kính mắt có phủ chất chống dính đi mưa không phải lau, mạch vi điện tử như được bảo vệ, mặt điện thoại di động luôn sạch sẽ dễ nhìn. (hình 5,6). Cũng theo nguyên tắc này người ta phủ lên tường chất chống dính này, tường luôn khô sạch và chống được vẽ bậy.
5. Chống dính ở bên trong ống nước, ống dẫn dầu.
Đã có một bài viết về chảo không dính là một ứng dụng của mặt không dính bạn có thể xem thêm tại đây. Trên bề mặt chảo kim loại thông thường như là chảo nhôm người ta phủ một lớp mỏng chất không dính thí dụ teflon, gốm sứ - ti tan, chuẩn tinh thể ... mặt chảo nhôm trở thành mặt không dính. Với chảo này có thể rán trứng mà không cần dầu mỡ, trứng vẫn chín ngon và đặc biệt là không dính vào chảo. Đây là một ứng dụng có vẻ tầm thường của mặt không dính, nhưng thực sự là có nhiều yêu cầu cao. Phủ lớp chống dính ở đây phải đồng thời đạt nhiều yêu cầu:
- Lớp chống dính phải bám chặt vào bề mặt được phủ lên.
- Lớp chống dính phải chịu được nhiệt độ cao. Trường hợp chống dính ở chảo rán phải chịu được nhiệt độ cỡ 250°C trở lên.
- Lớp chống dính phải cứng, chống được cào xước.
- Lớp chống dính phải không độc hại
Nhiều trường hợp cần đến mặt không dính nhưng không nhất thiết phải đảm bảo đầy đủ 4 yêu cầu cao như trên. Thí dụ lá sen là mặt không dính đối với nước, ở nhiệt độ bình thường, trong môi trường không khí. Bắt chước mặt lá sen có thể tạo ra mặt không dính nước ứng dụng để làm kính không ướt, tự làm sạch v.v... ở đây không yêu cầu phải chịu được nhiệt độ cao, chống được cào xước mạnh v.v... Do có nhiều yêu cầu về không dính rất khác nhau nên vật liệu cũng như cách phủ lớp chống dính cũng rât đa dạng. Có thể kể ra một số kỹ thuật phổ biến. Chú ý rằng không dính (nonstick) và trơn (slip) có nghĩa gần như nhau. Một cái chai thông thường đựng tương ớt, tương cà chua hơi sền sệt nên tương ớt, tương cà chua dính vào mặt trong của chai khá nhiều, không thể rót ra hết. Nếu phủ bên trong chai một lớp chống dính đối với tương ớt, tương cà chua không dính vào chai, nói cách khác tương ớt, tương cà chua trơn tuột chảy ra hết. Chữ trơn thiên về chuyển động hơn nhưng thực chất cũng là không dính.
2. CÁC LOẠI MẶT KHÔNG DÍNH
Không dính chỉ liên quan đến trên bề mặt, nói đến măt không dính thực ra là nói đến một lớp mỏng có tính chất không dính phủ lên trên mặt một vật liệu thông thường. Lớp mỏng có tính chất không dính có thể là lớp mỏng vật liệu không dính, có thể là lớp mỏng có cấu trúc đặc biệt nên không dính, thường là câu trúc tinh vi từ micromet đến nanomet.
Vật liệu không dính điển hình ngày nay là:
- Teflon, thưc tế là chất PTFE, đã nói kỹ ở phần chảo rán. Như đã thấy nếu không khéo sử dụng, từ PTFE có thể sinh ra PFOE độc hại. Nhưng trong trường hợp không liên quan đến nhiệt độ cao, chất này rất an toàn.
- Silicon. Đây chính là nguyên tố Si có nhiều trong tự nhiên nhưng không ở dạng tinh khiết. Trường hợp tinh khiết 100% chất này có mặt ngoài không dính, phủ kín lên bề mặt một chất khác có được mặt không dính. Tuy nhiên khó tạo thành một lớp phủ là silic hoàn toàn tinh khiết, không có khuyết tật. Vi vậy chất lượng của mặt không dính do phủ silicon phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật phủ và tất nhiên là càng tốt càng không dính thì giá thành càng cao.
- Chuẩn tinh thể(quasicrystal). Thường được chế tạo từ hợp kim như nhôm (Al), cờ rôm (Cr), lantanit (Họ lantan là một họ gồm 15 nguyên tố La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, và Lu) hay là hợp kim của nhôm, mangan (Mn), lantanit. Các chất này nếu nung cho nóng chảy rồi để nguội sẽ tạo ra hợp kim bình thường, có cấu trúc tinh thể. Nhưng nếu làm nguội nhanh tức là từ trạng thái nóng chảy làm lạnh đột ngột để hợp kim nóng chảy chưa kịp nguội để trở thành tinh thể mà ở trạng thái gần như là tinh thể tức là chuẩn tinh thể. Hợp kim ở trạng thái chuẩn tinh thể này có nhiều tính chất lý hóa rất đặc biệt trong đó có tính không dính (trơn như thủy tinh) nhưng lại rất cứng.
Còn một số mặt không dính khác không phải là do chất liệu mà là do cấu trúc tinh vi. Điển hình là hai kiểu cấu trúc sau đây.
- Kiểu cấu trúc lá sen. Lá sen luôn luôn không ướt tức là nước không dính được trên bề mặt lá sen. Đó không phải do chất liệu ở bề mặt lá sen mà là do trên bề mặt có các chỗ u kích cỡ nhỏ hơn micromet. Chi tiết hơn là bề mặt lá sen có cấu trúc thứ bậc: bậc thứ nhất là trên mặt phẳng có chi chít các chỗ u kích cỡ trên micromet, bậc thứ hai là trên các u kích cỡ micromet lại có có u nhỏ hơn, kích cỡ hàng chục nanomet. Phối hợp hai kiểu u đó là chính, mặt lá sen luôn luôn ghét nước (hydro-phobic), nói cách khác là không dính nước.
Người ra bắt chước một phần cấu trúc bề mặt lá sen, thí dụ trộn những hạt nhỏ vào chất keo rồi phu lên bề mặt, lúc khô các hạt nhỏ nhô lên như những cái u làm cho bề mặt ghét nước.
Có thể chọn lựa kích thước các u cũng như chất liệu thích hợp sẽ có được mặt không dính dầu (oleophobic).
- Cấu trúc kiểu hoa ăn thịt. Hoa ăn thịt là hoa của một loại cây phổ biến ở châu á, châu Mỹ và châu Phi. Hoa của loại cây này hình như cái phễu, trên có nắp chủ yếu là để che cho nước mưa không rơi nhiều vào hoa. Đặc biệt nhất là ở phần dưới gần miệng phễu của hoa rất trơn làm cho côn trùng như ong, ruồi thâm chí chim, chuột mon men lại gần thì vì quá trơn nên tụt xuống đáy hoa, không bò lên được. Hoa tiết ra một loại dịch để tiêu hóa con vật sa bẫy để cây hấp thụ, vì thế gọi là hoa ăn thịt, Về hình dáng, hoa này tương tự như cái bình sữa hoặc cái ấm có nắp nên còn gọi là hoa của cây nắp ấm.
Các nhà phỏng sinh học đã phỏng theo cấu tạo của hoa này để chế tạo ra bề mặt gọi là siêu trơn (super slippery). Siêu trơn có nghĩa là siêu không dính. Trên đây chỉ điểm qua một số mặt không dính. Tùy trường hợp người ta có thể phủ chất không dính theo các phương pháp hóa lý như quét, phun chất lỏng, phún xạ...
3. ỨNG DỤNG CỦA MẶT KHÔNG DÍNH
Ứng dụng của mặt không dính rất đa dạng. Chúng ta đã thấy ở trường hợp chảo không dính, mới nhìn thì không có gì là cao xa hiện đại nhưng đi sâu vào đây không phải là dễ giải quyết về mặt khoa học, đồng thời là mối quan tâm sử dụng hàng ngày của hàng triệu triệu người, không phải là việc tầm thường. Cũng vậy ta xét một số thí dụ ứng dụng mặt không dính dưới dây từ rât đơn giản đến khá phức tạp nhưng đều rất có ý nghĩa với đời sống.
1. Chai đựng tương cà chua, tương ớt.
Các loại tương này đều sền sệt, mở nút nghiêng chai để rót ra tương chảy rất chậm. Không những thế, không thể nào dùng cho hết chai được, phần dính chai rất nhiều bỏ đi rất lãng phí. Hàng ngày hàng trăm triệu người dùng đến các loại chai đựng tương này. Nhóm nghiên cứu ở Đại học MIT (Mỹ) đã tìm được chất siêu trơn tráng vào bên trong các bình, chai đựng tương. Nhờ đó đổ tương ra dễ dàng như rót nước và dốc chai thì tương ra hết sạch (Hình 1)
Hình 1. Chai đựng tương có phủ lớp chống dính (siêu trơn). Tương rót ra rất dễ như là rót nước
Tương tự nếu phủ lớp chống dính ở trục xoắn đùn thực phẩm, thực phẩm được đùn lên nhưng không dính vào trục xoắn
2. Chống đóng băng ở cánh máy bay
Ở các nước châu Âu, bắc Mỹ trời lạnh về mùa đông máy bay đỗ lâu ở sân bay gặp tuyết rơi, phía trên của hai cánh máy bay có thế bị đóng băng. Phải bố trí phương tiện và người để trực tiếp phun khí nóng, hóa chất rửa sạch lớp băng này, có thế máy bay mời cất cánh được (hinh 2). Đây là việc vất vả, tốn kém có thể ảnh hưởng đến môi trường sân bay. Nếu cánh máy bay được phủ lớp chống dính, thiếu mầm kết tinh nên dẫu lạnh, nước không thể kết tinh thành băng trên cánh máy bay được. Lớp chống dính phủ lên cánh máy bay còn được gọi là lớp phủ chống đóng băng "Ice - Phobic” Airplane Wings.
Hình 3. Thực hiện việc tẩy bỏ lớp băng trên cánh máy bay (dùng cần cầu để leo cao)
3. Tàu ngâm “không dính” (non stick submarine)
Toàn bộ vỏ ngoài của tàu ngầm là tiếp xúc với nước, khi tàu ngầm chạy ma sát của vỏ ngoài tầu ngầm với nước là khá lớn. Các nhà nghiên cứu ở Đại học California ở Los Angeles (Mỹ) đã tạo ra vỏ ngoài của tàu ngầm có một lớp không dính theo câu trúc kim nhọn nano tương tự như ở lá sen (Hình 4). Vỏ tàu với lớp không dính này làm cho tàu chạy rất ít ma sát, nhờ đó tàu ngầm chạy vừa nhanh vừa rất ít tốn nhiên liệu.
Hình 4. Cấu tạo lớp phủ các kim nhọn nano ở vỏ ngoài tàu ngầm
4. Bề mặt sạch không ướt, không sước
Kính đeo mắt, gương soi (đặc biệt là ở nhà tắm), mặt điện thoại di động,... hay bị mờ lúc ướt ẩm có nhiều hơi nước, dễ bám bụi khó lau sạch, nhất là các mạch vi điện tử, màng nước mỏng có thể dẫn điện làm ngắn mạch v.v... Người ta phủ lên đó một lớp chống dính vừa làm nhiệm vụ chống hơi nước bám vào vừa cho bề mặt ít bị sước, mặt kính luôn sạch sẽ dễ lau chùi. Kính mắt có phủ chất chống dính đi mưa không phải lau, mạch vi điện tử như được bảo vệ, mặt điện thoại di động luôn sạch sẽ dễ nhìn. (hình 5,6). Cũng theo nguyên tắc này người ta phủ lên tường chất chống dính này, tường luôn khô sạch và chống được vẽ bậy.
5. Chống dính ở bên trong ống nước, ống dẫn dầu.
Ống dẫn nước phần đi ra ngoài trời ở xứ lạnh, lúc trời nhiều băng tuyết hay bị nứt vỡ vì nước ở trong đường ống bị đóng băng nở ra. Sở dĩ nước đóng băng là vì ở thành ống có bám một số chất lạ tuy rất nhỏ nhưng là các mầm kết tinh phát triển thành nước đá. Nếu bên trong thành ống có phủ lớp chống dính, mầm kết tinh sẽ không còn và tuy nhiệt độ gần thành ống dưới không độ nhưng không có mầm kết tinh nước nên không đóng băng.
Các ống dẫn dầu thường dùng để bơm dầu chảy qua. Khi phủ bên trong ống chất chống dính dầu, ma sát với thành ống giảm đi, dầu được bơm nhanh hơn. Ngoài ra thường một đường ống dầu dùng để bơm nhiều loại dầu, lúc chuyển đổi phải tốn thời gian cùng dầu bị pha trộn phải bỏ đi. Nếu có chất chống dính dầu ở trong ống, thời gian quá độ sẽ rút ngắn và lượng dầu bị pha trộn bỏ đi sẽ ít hơn rất nhiều.
Không thể kể hết công dụng của mặt không dính. Việc chế tạo mặt chống dính liên quan đến nhiều ngành chuyên môn như lý, hóa, cơ học, chế tạo máy...
Các ống dẫn dầu thường dùng để bơm dầu chảy qua. Khi phủ bên trong ống chất chống dính dầu, ma sát với thành ống giảm đi, dầu được bơm nhanh hơn. Ngoài ra thường một đường ống dầu dùng để bơm nhiều loại dầu, lúc chuyển đổi phải tốn thời gian cùng dầu bị pha trộn phải bỏ đi. Nếu có chất chống dính dầu ở trong ống, thời gian quá độ sẽ rút ngắn và lượng dầu bị pha trộn bỏ đi sẽ ít hơn rất nhiều.
Không thể kể hết công dụng của mặt không dính. Việc chế tạo mặt chống dính liên quan đến nhiều ngành chuyên môn như lý, hóa, cơ học, chế tạo máy...
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: