Đề tài Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc na nô

NHÓM 2: Chủ đề Với các thành viên : Phạm Văn Thanh Phạm văn Cường Nguyễn văn Cường Nguyễn xuân Thái Nguyễn văn Thực Nguyễn hữu Kiên Lương đình Bang Bùi văn Phong Trương văn Dũng Hoàng hoa Thám Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc nano Bám dính(con thạch thùng) Không dính ướt (hiệu ứng lá sen) Dính ướt (hiệu ứng lá hoa hồng) Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc nano Do đóng góp của hiệu ứng bề mặt: các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Tỉ phần bề mặt/thể tích: S/V ~ 1/r lớn Năng lượng bề mặt chiếm ưu thế do liên kết bên trong lõi nhỏ VD: 1g CNT có tổng diện tích bề mặt 1.000 m2 1 g TiO2 có các lỗ nanô tổng diện tích bề mặt 200-500 m2 (sân tennis) Tại sao thạch thùng lại làm được như thế ??? Lật bàn chân của con thằn lằn ta thấy những lá mỏng vắt ngang (Hình 1B). Dưới kính hiển vi điện tử, khi phóng đại vài trăm nghìn lần, người ta không tìm thấy chất keo gì đặc biệt cả. Nhưng người ta thấy những lá mỏng của bàn chân thạch thùng có một cấu trúc rất đặc biệt giống như bàn chải đánh răng với những cụm lông được sắp xếp với một thứ tự ngang dọc rất chính xác. Ở một độ phóng đại to hơn, người ta thấy ở đầu mỗi sợi lông tua ra những sợi lông con có hình dạng như cây chổi quét nhà (Hình 1D). Bốn bàn chân có tất cả 6,5 triệu lông con. Chiều dài của sợi lông con này là 200 nm và đường kính là 10 - 15 nm (nhỏ hơn sợi tóc 7000 lần). Đây là một cấu trúc nano thật hoàn hảo của thiên nhiên được tạo thành từ một loại protein gọi là keratin. Keratin cũng là thành phần chính trong vảy rắn, mu rùa, mỏ chim. Hình 1: (A) Con thạch thùng Tokay; (B) những lá mỏng vắt ngang bàn chân nhìn từ dưới lên; (C) lá mỏng là những cụm lông có thứ tự hình bàn chải đánh răng; (D) sợi lông chính tua ra những sợi lông con có hình dạng như cây chổi quét nhà; (E) những sợi lông con và (F) cấu trúc sợi nano nhân tạo [1].  Mặc dù cấu tạo bàn chân của các loại thạch thùng được biết rất rõ trong sinh học và động vật học, nhưng cơ chế bám dính vẫn còn khó nắm bắt. 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) ? Lực tĩnh điện ? Lực mao quản ? Lực hút van der Waals ? Lực van der waals là gì?? Lực hút van der Waals là một lực liên phân tử (intermolecular force). Trong các phân tử, điện tử thường không phân tán đồng đều gây ra sự phân cực điện. Trong tập hợp nhiều phân tử, đầu dương của phân tử này sẽ hút đầu âm của phân tử kế cận. Đó là lực van der Waals. Nó chi phối cấu trúc tinh thể, độ nóng chảy, độ bay hơi và sự ngưng tụ của nhiều hợp chất hoá học. Trong cuộc sống hằng ngày, ta ít thấy những thí dụ thể hiện lực hút van der Waals vì lực rất yếu. Tuy nhiên, nếu ta ép hai mảnh thủy tinh có mặt rất phẳng vào nhau, ta cần một sức để cạy rời hai mảnh thủy tinh. Sự hút vào nhau của hai mảnh thủy tinh là biểu hiện của lực van der Waals. Nếu hai mảnh thủy tinh thật phẳng thì mặt tiếp xúc càng to, lực càng mạnh hơn. Nhưng trên thực tế chúng ta không có một mặt phẳng nào "cực phẳng" ở một mức độ lý tưởng. Theo lý thuyết, lực van der Waals tỷ lệ nghịch với khoảng cách theo lũy thừa 7. Đây là lực có tầm cực ngắn (short range). Nói một cách dễ hiểu hơn, sự gia giảm của lực hút cực kỳ nhạy với khoảng cách, nếu ta đặt hai mặt phẳng xa gấp đôi thì lực giảm đi 128 lần (= 2^7). 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. Đó là lý do tại sao ta không nhìn thấy lực van der Waals trong sinh hoạt hằng ngày. Tạo ra một mặt siêu phẳng là một việc bất khả thi. Nhưng 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). Ta hãy nhìn lại bàn chân thạch thùng. cho thấy những sợi lông con với đường kính ở thứ nguyên nano (10 - 15 nm) bám sát vào bề mặt cực kỳ hiệu quả. Kích thước 10 - 15 nm là chiều dày của 10 đến 15 phân tử. Cái "bám sát cực kỳ hiệu quả" hàm ý một hiện tượng chỉ xảy ra ở thế giới phân tử. Nhưng "sát" đến bao nhiêu thì mới thấy sự hiệu quả? Người ta biết 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 thạch thùng, để tạo một lực bám hữu hiệu khoảng cách giữa các sợi lông con và mặt nền nhiều nhất là 2 nm, tương đương với kích thước của 2 phân tử. Trên 2 nm, lực van der Waals biến mất. 1. Lực định hướng là lực tương tác lưỡng cực với lưỡng cực .khi các phân tử đến gần nhau, do lực tương tác tĩnh điện giữa các lưỡng cực vĩnh cửa của các phân tử gây nên. Lực này tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và tỉ lệ thuận với moomen lưỡng cực. Khi nhiệt độ tăng thì hoạt đọng của các phân tư tăng lên -> cản trở lưỡng cực, còn lực định hướng càng lớn thì momem lưỡng cực càng lớn.2. Lực cảm ứng (tương tác lưỡng cực cảm ứng)lực cảm ứng xuất hiện một phân tử không phân cực ở bên cạnh một phân tử phân cực. Do tác dụng của điên trường tạo ra bởi phân tử phân cực, làm cho phân tư không phân cực bị phân cực, sự phân cực này gọi là phân cực do cảm ứng, các phân tư hút nhau do cảm ứng.3. Lực khuếch tántrong phân tử các e luôn chuyển động liên tục còn hạy nhân thì dao đọng quanh vi trí cân bằng . Có thời điểm sự chuyển động và dao đọng này làm cho sư phân bố âm dương bị lẹch khỏi vị trí vân bằng, dẫn đến lưỡng cực tạm thời. -sự định hướng tạm thời của các phân tử thận lợi về mặt năng lượng. Lực var der waals :bao gồm 3 loại lực Hình 2: Cấu trúc với nhiều thứ bậc của sợi lông bàn chân thạch thùng .Sợi lông con rất mềm nên có thể bám sát vào mặt nền lồi lõm rất hiệu quả . Theo sự tính toán của Autumn, nếu toàn thể 6,5 triệu sợi lông con trên bốn bàn chân bám vào mặt nền cùng một lúc thì thạch thùng có thể phình ra to bằng một chú lợn nặng 120 kg nhưng vẫn còn dính trêntrần nhà! Bốn bàn chân tí hon chịu một sức nặng 120 kg phải gọi là "siêu dính". Nếu một bàn chân có diện tích 1 cm2 thì lực dính trung bình là 30 kg/cm2. Mặc dù lực van der Waals yếu hơn các lực khác trong liên kết hóa học, nhưng vì bề mặt tiếp xúc của cấu trúc nano trở nên cực lớn nên lực hút van der Waals tạo một sức chịu đáng kể. Trên thực tế toàn thể các sợi lông con không thể bám vào mặt nền cùng một lúc. Theo kết quả đo lường của Autumn, hai bàn chân trước của thạch thùng có thể chịu một sức nặng gần 2 kg .Một cách chính xác hơn, diện tích bàn chân là 1 cm2 nên lực dính do lực van der Waals là 1 kg/cm2. Kinh nghiệm thường ngày cho biết nếu ta cắt 1 cm2 băng keo văn phòng hay thậm chí dùng keo "super glue" gia dụng, các loại keo này không thể đạt được sức chịu 1 kg. Mặc dù con số này nhỏ hơn kết quả tính toán 30 lần (30 kg/cm2), lực dính một ngón chân cũng đủ sức treo thạch thùng lơ lửng giữa trần nhà. Ngoài ra, động tác giở chân lên đặt chân xuống của thạch thùng hay chu kỳ từ bám dính đến tách rời (không dính) xảy ra rất nhanh, 20 lần trong một giây. Nếu toàn thể các sợi lông con bàn chân bám vào mặt nền cùng lúc, e rằng bàn chân thạch thùng sẽ như đôi ủng dính bùn, làm sao có thể xoay sở để săn mồi, rượt đuổi? Phải nói cấu trúc của bàn chân thạch thùng là một sản phẩm tuyệt tác của tạo hóa được thiết kế để điều hòa sự bám dính và những động tác cơ học đến mức tối ưu. Năm 2003, Geim và các cộng sự viên chế tạo mặt dính với sợi polyimide (thương hiệu: Kapton) . Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm). Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào mặt thủy tinh với mặt dính nhân tạo polyimide của Geim Ông dồn 100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2. Mặt dính nầy có thể chịu một sức là 1 kg. Sau đó, ông dùng 0,5 cm2 mặt dính này để treo lơ lửng đồ chơi "Spiderman" nặng 40 g vào mặt thủy tinh . Gần đây, ống than nano cũng là một vật liệu thông dụng để tạo nên mặt dính không keo. Trong quá trình chế tạo ống than nano trong lò nung cao nhiệt ( 1000 C), các ống than có thể "mọc" thẳng đứng như một thân cây dài (đường kính ống khoảng 50 - 100 nm) dày đặt nhưng một khu rừng nhiệt đới .Nhóm của giáo sư Liming Dai (University of Dalton, Mỹ) đã tạo được bề mặt ống than nano và 1 cm2 của bề mặt nầy có thể chịu một sức kéo gần 3 kg (3 kg/cm2) vượt hơn khả năng của bàn chân thạch thùng là 1 kg/cm2 . Hiệu ứng không đính ướt(hiệu ứng lá sen)và bề mặt không thích nước Cấu trúc bề mặt lá sen Vào đầu những năm 1990, nhà thực vật học Wilhelm Barthlott của Đại học Bonn (Đức) đã chỉ ra được cấu trúc khiến cho lá sen luôn khô ráo. Trên mặt lá sen có vô số các "bướu" nhỏ, được bao phủ bởi một lớp sáp mỏng. Khi nước mưa rơi xuống, những giọt nước chỉ tiếp xúc với bề mặt lá ở vài điểm rất nhỏ, do đó, khi bề mặt lá đủ nghiêng, giọt nước sẽ bị lăn đi dưới sức nặng của chính nó, cuốn theo các hạt đất cát bẩn. Chính vì vậy, lá sen luôn trơn tuột và rất sạch sẽ. Bề mặt ghét nước Bề mặt thích nước *bề mặt ghét nước:góc ghét nước >90° tiếp xúc bề mặt nhỏ lại ,do chứa một loại chất hidrophobic *bề mặt thích nước nước:góc ghét nước < 90° Do sự tương thích giữa bề mặt chất với bề mặt chất lỏng (hidrophylic) Sự khảo sát hình dạng của giọt nước trên bề mặt có lịch sử hơn 200 năm. Năm 1805, Young đã đưa ra một công thức nổi tiếng nhưng đơn giản dựa vào sự cân bằng lực tại mặt tiếp giáp, gSV = gLV cos q + gSLỞ đây, góc tiếp xúc q là góc ở trạng thái cân bằng trên một mặt phẳng; gSV là năng lượng bề mặt của chất nền; gLV là năng lượng bề mặt của chất lỏng (còn gọi là sức căng bề mặt) và gSL là năng lượng giữa mặt tiếp giáp giữa chất nền và giọt chất lỏng.  Giản lược những chứng minh toán học, năng lượng bề mặt được dùng để phỏng đoán bề mặt đó thích hay ghét nước. Theo định nghĩa, năng lượng bề mặt là năng lượng dùng để "bẻ đôi" một vật liệu. Như vậy, vật liệu cứng như kim cương sẽ đứng đầu bảng, kế đến là gốm sứ, kim loại và sau cùng là các loại polymer (Bảng 1). Một vật liệu có năng lượng bề mặt càng cao thì bề mặt của nó lại càng thích nước. Ngược lại, các vật liệu polymer như polyethylene (bọc nhựa gia dụng) và Teflon có trị số ở cuối bảng nên là các vật liệu ghét nước.  Bảng 1: Năng lượng bề mặt của các vật liệu thông dụng Một số quan sát cho thấy góc tiếp xúc không những tùy thuộc vào năng lượng bề mặt của chất nền mà còn bị ảnh hưởng bởi mô dạng của bề mặt . Nói một cách dễ hiểu, sự lồi lõm làm bề mặt thích nước càng thích nước (góc tiếp xúc nhỏ hơn) và bề mặt ghét nước càng ghét nước (góc tiếp xúc to hơn). Bề mặt thích nước Bề mặt ghét nước Theo lý thuyết của Wenzel (hay Kossen), cấu trúc lồi lõm, xù xì gia tăng tính ghét nước của bề mặt ghét nước. Điều này được thấy rõ trên bề mặt lá sen. Bề mặt lá sen là một bề mặt cực ghét nước có góc tiếp xúc là 161°.  Ngoài lá sen, biểu bì của các loài côn trùng cũng có hiệu ứng ghét nước. con muỗi nước làm một ví dụ Hiệu ứng hoa hồng Cấu trúc bề mặt của hoa hồng làm cho những giọt nước bị giữ lại -van der waals Tiếp xúc giữa bề mặt nước và bề mặt lá hoa hồng Những "ngọn đồi" micromét trên cánh hoa hồng và các khe nano trên đỉnh đồi  cho thấy cách tiếp xúc của nước với bề mặt lá sen và hoa hồng hoàn toàn khác nhau. Trong khi những khối u của lá sen "đội" giọt nước tạo ra một lớp không khí bị kẹt lại bên dưới, nước thấm vào chỗ trũng giữa các "ngọn đồi" trên mặt hoa hồng nhưng không thấm vào những khe nano ở đỉnh và sườn đồi. Lớp không khí này làm cho bề mặt hoa hồng thích nước theo đúng như công thức Cassie. Góc tiếp xúc của giọt nước là 152° chứng tỏ bề mặt cánh hoa là cực ghét nước, nhưng sự tiếp xúc giữa nước và bề mặt ở các chỗ trũng tạo ra lực van der Waals làm nước bám dính vào bề mặt cánh hoa. Sự bám dính do lực van der Waals giống như bàn chân thạch thùng bám vào trần nhà Hình a Hình b CÔNG NGHỆ NANO SƠN  ứng dụng trong tự nhiên NHóm 2 :hiệu ứng bề mặt ởcấu trúc nano Cám ơn các ban đã chú ý lắng nghe googluck !!! Sildes produced by Thanh pham van