by
Chảo không dính là một dụng cụ nhỏ dùng ở bếp nhưng lợi ích lại rất lớn vì hàng ngày có đến hàng triệu người trên thế giới sử dụng. Điều mà mọi người quan tâm thích thú là tính chất không dính: rán miếng thịt nạc, tráng quả trứng, không cần dầu mỡ, hoặc cần rất ít dầu mỡ, thịt vẫn thơm ngon, trứng vẫn chín vàng nhưng hoàn toàn không dính vào chảo. Thay vì phải cạo sạch cháy, rửa sạch hết dầu mỡ dính vào, ở đây chỉ cần lau nhẹ bề mặt chảo đã sạch bóng, sẵn sàng cho việc rán tiếp theo. (Hình 1)
Đằng sau sự đơn giản, thuận tiện đó là cả một khoa học: khoa học làm mặt không dính (non stick surface). Mặt không dính không phải là chỉ để dùng cho chảo không dính mà còn được dùng trong nhiều lĩnh vưc quan trong khác: hàng không, vận chuyển vật liệu, y tế, xây dựng, V.V..
Chảo không dính teflon.
Teflon là tên riêng của một chất không dính, được tìm ra một cách tình cờ. Năm 1938 nhà khoa học Mỹ là Roy Plunkett tìm cách chế tạo chất khí tetrafluoroethylene dùng để chạy máy lạnh. Ông pha trộn các chất khí cần thiết và vì đã muộn nên khóa kín để lại đấy hôm sau hãy hay. Sáng hôm sau, khi đến phòng thí nghiệm mở ra để xem kết qủa thì không thấy được chất khí mong muốn, trái lại ở đáy bình thấy có một lớp màu trắng vàng như sáp nhưng cứng hơn. Phân tích kỹ thì biết rằng chất cứng thu được là polytetrafluroethylene, viết tắt là PTFE. Đo đạc các tính chất hóa lý thấy FTFE rắn nhưng không dòn, cắt gọt được, ít bị axit, hóa chất tác dụng cách điện tốt và đặc biệt là mặt ngoài rất trơn. Những đặc điểm này đáp ứng cho nhiều yêu cầu kỹ thuật đặc biệt về cơ khí, hóa chất, điện... Hóa chất đó được đăng ký sáng chế năm 1941. Năm 1945 hãng DuPont mua bằng sáng chế này và đặt tên chất PTFE đã tìm được là Teflon. Vậy Teflon là tên thương hiệu của hóa chất PTFE của hãng DuPont.
Vì thấy Teflon có bề mặt rất trơn và chịu được nhiệt người ta nghĩ đến phủ một lớp Teflon lên bề mặt chảo kim loại, chảo rán sẽ không bị dính. Nhưng bản thân Teflon đã là chất không dính thì cũng khó dính bám vào chất khác. Một kỹ sư người Pháp là Marc Grégoire đã có mưu mẹo làm cho Teflon bám chắc lên nhôm bằng cách xử lý bề mặt nhôm. Tuy mới nhìn tưởng phẳng nhưng thật ra là ráp vi mô nghĩa là có dày đặc những cái móc cực nhỏ. Khi phú lỡp Teflon lên đó các phân tử của Teflon bị các móc có kích thước cũng vào cỡ phân tử giữ chặt, nhờ đó Teflon bám dính vào nhôm. Tất nhiên là còn nhiều mẹo mực nhỏ nữa vế hóa chất, cuối cùng thì Marc Grégoire là người đầu tiên chế tạo được chảo chống dính. Người ta gọi đó là chảo không dính Teflon của hãng DuPont, bán rất chạy ỏ Pháp. Năm 1960 Mỹ phê chuẩn chất PTFE là an toàn được phép dùng trong công nghệ thực phẩm. Marc Grégoire mở ở Mỹ một hãng chảo không dính tên lã T-fal (gần giống như Tefal tên hãng sản xuất ở Pháp). Có thể nói từ năm 1960 chảo không dính Teflon được phổ biến ra toàn thế giới. Về sau nhiều hãng sản xuất chảo không dính xuất hiện, mỗi hãng có để cao chất lượng sản phẩm của mình nhưng thực tế trong một thời gian dài, chảo không dính là chảo Teflon của DuPont chế tạo lần đầu tiên.
2. Tại sao chảo Teflon lại không dính?
Nói cho đúng ra thì Teflon là tên thương hiệu của hóa chất PTFE. Đó là một loại polyme gồm nhiều phân tử lớn gắn kết lại với nhau (hình 2)
Phân tử lớn của PTFE là một chuỗi dài các phân tử con CF2, mỗi phân tử con CF2, gồm hai nguyên tử F (fluo) gắn kết với nguyên tử C (cácbon) bằng liên kết cộng hóa trị. C ở phân tử con CF2, là có bốn mối liên kết, hai mối liên kết dùng để liên kết với hai nguyên tử F còn hai mối liên kết nữa dùng để liên kết với hai phân tử con CF2 ở hai bên, cứ như thế lặp lại tạo thành phân tử lớn. Kết quả là phân tử lớn ở giữa có xương sống là các nguyền tử C, quanh xương sống là các nguyên tử F xếp theo hình xoắn. Các phân tử lớn nằm gần như song song vời nhau, các nguyên tử F liên kết với nhau từng đôi một bằng lực Van der Wall cũng khá mạnh vì chúng gần nhau. Với cấu trúc tức là cách sắp xếp các phân tử, nguyên tử như thế, các mối liên kết đều được dùng để kéo lại, giữ chặt các nguyên tử lại với nhau. Trên bề mặt là các nguyên tử F sát lại với nhau và bị các nguyên tử C ở bên trong kéo vào rất mạnh. Do đó không còn liên kết nào đáng kể để kéo giữ các nguyên tử, phần tử lạ đến trên bề mặt cả: đó là các bề mặt không dính. Liên kết chặt các nguyên tử phần tử với nhau cũng là nguyên nhân làm cho PTFE (teflon) là chất polyme chịu được nhiệt độ cao (trên 340°C mới mềm ra đáng kể), Như vậy phủ teflon để làm chảo rán không dính rất tốt vì rán thức ăn chỉ cần nhiệt độ trên 200°C một ít là được.
3. An toàn của chảo không dính teflon.
Cho đến đầu năm 2000 ít ai đặt vấn đề dùng chảo không dính teflon có hại gì cho sức khỏe không. Nhưng đến năm 2003 nhóm hoạt động môi trường của Mỹ đã gửi thư thỉnh cầu lên ủy ban an toàn thực phẩm Mỹ đề nghị dán giấy cảnh báo lên tất cả các chảo không dính PTFE là dùng chảo này có thể làm chết chim nuôi và hại cho sức khỏe người. Căn cứ để đưa ra thỉnh cầu này là khi để chảo chống dính quá nóng, khói từ chất chống dính bị cháy bôc lên có thể làm cho chim nuôi trong nhà bị chết, người bị cúm. Nhưng uỷ ban an toàn thực phẩm chỉ nói là để xem xét chứ chưa nhất trí là dán giấy cảnh báo vào chảo chống dính.
Năm 2005, cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA (Environmental Protection Agency) đưa ra dự thảo báo cáo về tác dụng của chất PFOA lên sức khỏe. PFOA là acid pefluorotanic, chất dùng để sản xuất ra nhiêu loại fluoropolymer trong đó có PTFE. Như vậy bản thân PTFE không phải là chất độc hại nhưng trong quá hình sản xuất cũng như sử dụng PTFE nếu có những sai sót thì có thể dẫn đến tạo ra chất PFOA độc hại. Vì vậy không có cơ sở pháp lý để loại bỏ chảo chống dính PTFE (teflon) mà chỉ khuyến cáo lưu ý nhà sản xuất không được để PFOA thoát ra ngoài hoặc còn sót lại ở chảo chống dính và khi dùng chảo chống dính không nên dùng nóng quá 260°C cũng như khi lớp chống dính teflon bắt đầu hư hỏng, long tróc thì không nên dùng nữa.
Việc sản xuất chảo không dính teflon vẫn tiếp tục phát triển, nhưng để khách hàng yên tâm, ta thây ở quảng cáo hay đề là: chảo không dính PTFE nhưng không có PFOA.
Tuy vậy chảo không dinh an toàn không có PTFE vẫn an toàn hơn, mặt khác chảo không dính PTFE vần còn những nhược điểm như dễ bong tróc, không bền dễ bị sước khi có thìa, muôi bằng kim loại tiếp xúc trên bề mặt. Gần đây đã xuất hiện một kiểu chảo không dính mới.
Hình 1. Chảo không dính
Đằng sau sự đơn giản, thuận tiện đó là cả một khoa học: khoa học làm mặt không dính (non stick surface). Mặt không dính không phải là chỉ để dùng cho chảo không dính mà còn được dùng trong nhiều lĩnh vưc quan trong khác: hàng không, vận chuyển vật liệu, y tế, xây dựng, V.V..
Chảo không dính teflon.
Teflon là tên riêng của một chất không dính, được tìm ra một cách tình cờ. Năm 1938 nhà khoa học Mỹ là Roy Plunkett tìm cách chế tạo chất khí tetrafluoroethylene dùng để chạy máy lạnh. Ông pha trộn các chất khí cần thiết và vì đã muộn nên khóa kín để lại đấy hôm sau hãy hay. Sáng hôm sau, khi đến phòng thí nghiệm mở ra để xem kết qủa thì không thấy được chất khí mong muốn, trái lại ở đáy bình thấy có một lớp màu trắng vàng như sáp nhưng cứng hơn. Phân tích kỹ thì biết rằng chất cứng thu được là polytetrafluroethylene, viết tắt là PTFE. Đo đạc các tính chất hóa lý thấy FTFE rắn nhưng không dòn, cắt gọt được, ít bị axit, hóa chất tác dụng cách điện tốt và đặc biệt là mặt ngoài rất trơn. Những đặc điểm này đáp ứng cho nhiều yêu cầu kỹ thuật đặc biệt về cơ khí, hóa chất, điện... Hóa chất đó được đăng ký sáng chế năm 1941. Năm 1945 hãng DuPont mua bằng sáng chế này và đặt tên chất PTFE đã tìm được là Teflon. Vậy Teflon là tên thương hiệu của hóa chất PTFE của hãng DuPont.
Vì thấy Teflon có bề mặt rất trơn và chịu được nhiệt người ta nghĩ đến phủ một lớp Teflon lên bề mặt chảo kim loại, chảo rán sẽ không bị dính. Nhưng bản thân Teflon đã là chất không dính thì cũng khó dính bám vào chất khác. Một kỹ sư người Pháp là Marc Grégoire đã có mưu mẹo làm cho Teflon bám chắc lên nhôm bằng cách xử lý bề mặt nhôm. Tuy mới nhìn tưởng phẳng nhưng thật ra là ráp vi mô nghĩa là có dày đặc những cái móc cực nhỏ. Khi phú lỡp Teflon lên đó các phân tử của Teflon bị các móc có kích thước cũng vào cỡ phân tử giữ chặt, nhờ đó Teflon bám dính vào nhôm. Tất nhiên là còn nhiều mẹo mực nhỏ nữa vế hóa chất, cuối cùng thì Marc Grégoire là người đầu tiên chế tạo được chảo chống dính. Người ta gọi đó là chảo không dính Teflon của hãng DuPont, bán rất chạy ỏ Pháp. Năm 1960 Mỹ phê chuẩn chất PTFE là an toàn được phép dùng trong công nghệ thực phẩm. Marc Grégoire mở ở Mỹ một hãng chảo không dính tên lã T-fal (gần giống như Tefal tên hãng sản xuất ở Pháp). Có thể nói từ năm 1960 chảo không dính Teflon được phổ biến ra toàn thế giới. Về sau nhiều hãng sản xuất chảo không dính xuất hiện, mỗi hãng có để cao chất lượng sản phẩm của mình nhưng thực tế trong một thời gian dài, chảo không dính là chảo Teflon của DuPont chế tạo lần đầu tiên.
2. Tại sao chảo Teflon lại không dính?
Hình 2. Cấu trúc của PTFE
Nói cho đúng ra thì Teflon là tên thương hiệu của hóa chất PTFE. Đó là một loại polyme gồm nhiều phân tử lớn gắn kết lại với nhau (hình 2)
Phân tử lớn của PTFE là một chuỗi dài các phân tử con CF2, mỗi phân tử con CF2, gồm hai nguyên tử F (fluo) gắn kết với nguyên tử C (cácbon) bằng liên kết cộng hóa trị. C ở phân tử con CF2, là có bốn mối liên kết, hai mối liên kết dùng để liên kết với hai nguyên tử F còn hai mối liên kết nữa dùng để liên kết với hai phân tử con CF2 ở hai bên, cứ như thế lặp lại tạo thành phân tử lớn. Kết quả là phân tử lớn ở giữa có xương sống là các nguyền tử C, quanh xương sống là các nguyên tử F xếp theo hình xoắn. Các phân tử lớn nằm gần như song song vời nhau, các nguyên tử F liên kết với nhau từng đôi một bằng lực Van der Wall cũng khá mạnh vì chúng gần nhau. Với cấu trúc tức là cách sắp xếp các phân tử, nguyên tử như thế, các mối liên kết đều được dùng để kéo lại, giữ chặt các nguyên tử lại với nhau. Trên bề mặt là các nguyên tử F sát lại với nhau và bị các nguyên tử C ở bên trong kéo vào rất mạnh. Do đó không còn liên kết nào đáng kể để kéo giữ các nguyên tử, phần tử lạ đến trên bề mặt cả: đó là các bề mặt không dính. Liên kết chặt các nguyên tử phần tử với nhau cũng là nguyên nhân làm cho PTFE (teflon) là chất polyme chịu được nhiệt độ cao (trên 340°C mới mềm ra đáng kể), Như vậy phủ teflon để làm chảo rán không dính rất tốt vì rán thức ăn chỉ cần nhiệt độ trên 200°C một ít là được.
3. An toàn của chảo không dính teflon.
Cho đến đầu năm 2000 ít ai đặt vấn đề dùng chảo không dính teflon có hại gì cho sức khỏe không. Nhưng đến năm 2003 nhóm hoạt động môi trường của Mỹ đã gửi thư thỉnh cầu lên ủy ban an toàn thực phẩm Mỹ đề nghị dán giấy cảnh báo lên tất cả các chảo không dính PTFE là dùng chảo này có thể làm chết chim nuôi và hại cho sức khỏe người. Căn cứ để đưa ra thỉnh cầu này là khi để chảo chống dính quá nóng, khói từ chất chống dính bị cháy bôc lên có thể làm cho chim nuôi trong nhà bị chết, người bị cúm. Nhưng uỷ ban an toàn thực phẩm chỉ nói là để xem xét chứ chưa nhất trí là dán giấy cảnh báo vào chảo chống dính.
Năm 2005, cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA (Environmental Protection Agency) đưa ra dự thảo báo cáo về tác dụng của chất PFOA lên sức khỏe. PFOA là acid pefluorotanic, chất dùng để sản xuất ra nhiêu loại fluoropolymer trong đó có PTFE. Như vậy bản thân PTFE không phải là chất độc hại nhưng trong quá hình sản xuất cũng như sử dụng PTFE nếu có những sai sót thì có thể dẫn đến tạo ra chất PFOA độc hại. Vì vậy không có cơ sở pháp lý để loại bỏ chảo chống dính PTFE (teflon) mà chỉ khuyến cáo lưu ý nhà sản xuất không được để PFOA thoát ra ngoài hoặc còn sót lại ở chảo chống dính và khi dùng chảo chống dính không nên dùng nóng quá 260°C cũng như khi lớp chống dính teflon bắt đầu hư hỏng, long tróc thì không nên dùng nữa.
Việc sản xuất chảo không dính teflon vẫn tiếp tục phát triển, nhưng để khách hàng yên tâm, ta thây ở quảng cáo hay đề là: chảo không dính PTFE nhưng không có PFOA.
Tuy vậy chảo không dinh an toàn không có PTFE vẫn an toàn hơn, mặt khác chảo không dính PTFE vần còn những nhược điểm như dễ bong tróc, không bền dễ bị sước khi có thìa, muôi bằng kim loại tiếp xúc trên bề mặt. Gần đây đã xuất hiện một kiểu chảo không dính mới.
4. Các loại chảo không dính mới.
- Chảo không dính kim cương của Swiss Diamond,
Một nhược điểm của chảo không dính teflon là bề mặt teflon không bám dính, không thật cứng, các dụng cụ kim loại như thìa, muôi, V.V., khi tiệp xúc với bề mặt dễ làm cào sước, làm chóng hư hỏng lớp chống dính.
Hãng Swiss Diamond đưa ra mẹo mới là trộn những hạt kim cương rất nhỏ vào PTFE rồi làm cho PTFE được pha trộn này bám dính lên bề mặt chảo làm bàng nhôm. Kim cương làm đồ trang sức có trong tự nhiên thực tế gồm những nguyên tử C (các bon) liên kết lại theo kiểu cấu trúc kim cương. Từ bột than có thể chế tạo ra bột kim cương được, chỉ cần ép, nén với nhiệt độ cao, áp suất lớn, Bột này gồm những hạt rất nhỏ, kích cỡ nanomet nhưng mỗi hạt vẫn cứng như kim cương.
Khi trộn bột kim cương vào PTFE để phủ lên chảo làm bằng nhôm, điều khác chủ yếu so với chảo teflon là trên bề mặt của PTFE có nhô lên các hạt kim cương, nằm thưa phân bố đều (hình 3). Bản thân các hạt kim cương không phải là không dính nhưng chỉ chiếm diện tích rất nhỏ và nằm thưa nhau. Vai trò không dính vẫn là bề mặt PTFE, nhưng khi có vật cứng cọ sát vào, vật cứng to nên chi tiêp xúc vào các hạt kim cương. Nhờ đó chảo Swiss Diamond vừa không dính vừa chịu được cọ sát tốt. Tuy nhiên ở loại chảo này vẫn có chất PTFE là chất tuy được xem là an toàn nhưng nhiều người vẫn e ngại.
Hình 3: Chảo không dính của hãng Swiss Diamond
- Chảo không dính gốm sứ ti tan (ceramic titanium)
Chảo không dính này rất an toàn, không có PTFE. Từ các chất hữu cơ người ta chế tạo ra một loại gốm sứ bề mặt cứng, không dính và chịu được nhiệt độ cao (gần 300 độ C). Titan nói ở đây là nitri titan, một loại hạt tinh thể rất cứng, chỉ kém kim cương một ít. Ở chảo ceramic titan, gốm sứ đóng vai trò chất không dính, các hạt nitrit titan đóng vai trò là các hạt cứng nhỏ nổi lên đảm bảo cho bề mặt chảo không bị cào sước. Chảo không dính gốm sứ titan hiện nay rất được ưa chuộng, tuy giá thành còn cao.
- Chảo không dính chuẩn tinh thể (quasicrystal).
Chuẩn tinh thể là chất gần như tinh thể, có những tính chất rất đặc biệt. Nhà vât lý Danny Schectman là người đã tìm ra chuẩn tinh thể và được giải Nobel Hóa năm 2011. Khác với tinh thể, cũng không phải là vô định hình, các nguyên tử trong chuẩn tinh thể sắp xếp tuần hoàn theo một cách riêng nên có thể có các trục đối xứng bậc 5, 7... là những trục đối xứng bị cấm đối với tinh thể bình thường (Hình 4). Bề mặt chuẩn tinh thể vừa rất cứng vừa trơn như mặt kính phủ lên chảo nhôm để làm chảo không dính là rất tốt.
Hình 4. Ảnh nhiễu xạ điện tử của chuẩn tinh thể có đối xứng bậc 5
Chảo không dính chuẩn tinh thể hoàn toàn không có PTFE, chịu được nhiệt cao hơn, bề măt thường sáng bóng sạch sẽ (hình 5). Hiện nay người ta đang tìm cách hạ giá thành để được phổ biến rộng rãi.
Ta thấy đằng sau vấn đề vấn đề về khoa học vật liệu rất phong phú và không hề đơn giản. Đó là vấn đề chế tạo mặt không dính. Vật lý đã tìm hiểu rất nhiều cơ chế không dính của bề măt và có nhiều ứng dụng to lơn chứ không phải chỉ giới hạn ở chảo không dính.
Hình 5. Chảo không dính chuẩn tinh thể (phải) thường sáng bóng so với chảo không dính Teflon (trái) luôn có màu sẫm.
Bạn có thể tìm hiểu tiếp về mặt không dính và ứng dụng ở bài viết tiếp theo theo link này..
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: