Nghiên cứu bề mặt chức năng lấy ý tưởng từ thiên nhiên định hướng ứng dụng chống đóng băng

gtvt07 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐÀM THỊ THANH MAI NGHIÊN CỨU BỀ MẶT CHỨC NĂNG LẤY Ý TƯỞNG TỪ THIÊN NHIÊN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHỐNG ĐÓNG BĂNG Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ CHẤT RẮN Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Bình Thái Nguyên, năm 2022 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn “Nghiên cứu bề mặt chức lấy ý tưởng từ thiên nhiên, định hướng ứng dụng chống đóng băng.” cơng trình nghiên cứu độc lập tơi, với hướng dẫn tận tình TS Nguyễn Thanh Bình Cơng trình tơi nghiên cứu hồn thành Trường Đại học Sư Phạm Thái Nguyên từ năm 2020 đến năm 2022 Các tài liệu tham khảo, số liệu thống kê phục vụ mục đích nghiên cứu cơng trình sử dụng quy định, khơng vi phạm quy chế bảo mật Nhà nước Trong q trình nghiên cứu, tơi có cơng bố số kết tạp chí khoa học ngành nước Kết nghiên cứu Luận văn chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác ngồi cơng trình nghiên cứu Tôi xin cam đoan vấn đề nêu hoàn toàn thật Nếu sai, cá nhân tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật Thái Nguyên, Tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả Đàm Thị Thanh Mai TS Nguyễn Thanh Bình LỜI CẢM ƠN Bằng tất kính trọng tình cảm chân thành mình, cho phép gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo sau đại học thuộc Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, nhận giúp đỡ thầy giáo, cô giáo giảng viên khoa vật lý, hỗ trợ bạn học viên lớp: Vật lý K28B, bạn lưu học sinh Lào Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô người bạn giúp đỡ, hỗ trợ tơi hồn thành chương trình Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Thanh Bình giảng dạy tơi từ năm học cao học người tận tình hướng dẫn, động viên giúp đỡ tơi suốt thời gian nghiên cứu hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, gia đình người thân u ln tin tưởng, động viên bên suốt năm học tập, nghiên cứu Thái Nguyên, Tháng năm 2022 Tác giả Đàm Thị Thanh Mai MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 1 Lí lựa chọn đề tài 2 Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện tượng băng tuyết 10 1.2 Tạo mầm đồng không đồng 13 1.3 Thực trạng nghiên cứu nước chống băng tuyết 15 1.3.1 Chống băng tuyết trực tiếp 15 1.3.2 Chống băng tuyết gián tiếp 17 1.4 Hiện tượng dính ướt 19 1.4.1 Năng lượng bề mặt 20 1.4.2 Trạng thái Wenzel Cassie-Baxter 21 1.4.3 Bề mặt hồn tồn khơng dính ướt 22 1.5 Kiểm sốt độ dính ướt bề mặt cho ứng dụng chống đóng băng 24 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 25 2.1 Phương pháp chế tạo bề mặt chức vật liệu Nhôm 25 2.2 Các phương pháp nghiên cứu đặc tính bề mặt 27 2.2.1 Kính hiển vi điện tử quét 27 2.2.2 Phương pháp đo góc tiếp xúc 28 2.3 Bố trí thí nghiệm 29 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ 32 3.1 Kết chế tạo mẫu 32 3.2 Khả chống bám bẩn 33 3.3 Hiệu chống băng tuyết 34 3.3.1 Độ bền liên kết (adhesion strength) 34 3.3.2 Khả chống chịu băng tuyết 38 3.3.3 Độ bền (tính lặp lại) 41 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ: 48 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Điều kiện thí nghiệm kết tương ứngError! Bookmark not defined Bảng 3.1 Kết đo đạc độ bền liên kết Error! Bookmark not defined.6 Bảng 3.2 Kết khảo sát tính lặp lại (độ bền mẫu)Error! defined Bookmark not DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Băng tuyết gây tai nạn liên hoàn trơn trượt 11 Hình 1.2: Hình dạng tinh thể tuyết có cấu trúc khác hình thành điều kiện áp suất khí hàm nhạy nhiệt độ trạng thái siêu bão hòa nước[35] 12 Hình 1.3: Sơ đồ phân loại trình tạo mầm 14 Hình 1.4: So sánh lượng cần thiết để hình thành tạo nhân tạo mầm đồng không đồng 15 Hình 1.5: Giọt nước lạnh tiếp xúc với hai bề mặt: dính ướt khơng dính ướt (Mishchenko et al ACS Nano 2010) [18] 18 Hình 1.6: Kích thước cấu trúc ngăn trở hình thành mầm tinh thể [40] 19 Hình 1.7: Độ dính ướt bề mặt khác góc tiếp xúc tương ứng 20 Hình 1.8: Trạng thái tiếp xúc Wenzel 21 Hình 1.9: Trạng thái tiếp xúc Cassie – Baxter 22 Hình 1.10: Cấu trúc bề mặt sen (a), hình thái giọt nước bề mặt sen (b), hình thái giọt nước bề mặt mô sen (c, d) 23 Hình 1.11: Băng kết dính bề mặt dính ướt (trái) khơng thể kết dính bề mặt khơng dính ướt (phải) (ảnh chụp thực tế) 24 Hình 2.1: Mơ tả phương pháp chế tạo 25 Hình 2.2: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 27 Hình 2.3: Thiết bị đo góc tiếp xúc 28 Hình 2.4: Bố trí thí nghiệm đo độ bền liên kết 29 Hình 2.5: Buồng tạo mơi trường để khảo sát khả kháng băng tuyết 30 Hình 2.6: Hình ảnh mơ tả việc loại bỏ khối băng bề mặt sử dụng load cell Các thông số va chạm thu thập xử lý phần mềm máy tính 30 Hình 2.7: Ảnh chụp từ camera tốc độ cao ghi lại q trình hóa băng giọt nước 31 Hình 3.1:Ảnh SEM bề mặt mẫu (a,b) góc tiếp xúc tương ứng với trạng thái superhydrophilic (c) superhydrophobic (d) 32 Hình 3.2: Ảnh chụp từ clip kiểm tra định tính bề mặt (a) giọt nước bề mặt (b) 32 Hình 3.3: Ảnh chụp ghi lại trình nhỏ giọt nước từ bắt đầu tới trôi khỏi mẫu 33 Hình 3.4: Mơ tả liên kết 35 Hình 3.5: Kết khảo sát độ bền liên kết 36 Hình 3.6: Mơ hình thái nước hai bề mặt S.Hydrophilic (trái) S.Hydrophobic (phải) 38 Hình 3.7: Ảnh chụp khả kháng băng tuyết bề mặt 39 Hình 3.8: Kết khảo sát độ bền liên kết sau 40 lần thí nghiệm 42 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Viết tắt CA SEM Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Contact Angle Góc tiếp xúc Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscopy FOTS SLIPs PFPE Fluoro-octyl-Tricloro- Một hợp chất hóa học kị Silane nước Slippery Liquid Infused Bề mặt xốp xen phủ chất Porous surface bơi trơn Perfluoropolyether Một hợp chất hóa học kị nước WCA Water contact Angle Góc tiếp xúc nước MỞ ĐẦU Băng tuyết bề mặt vật dụng gây nhiều trở ngại nguy hiểm cho người sống sinh hoạt, an toàn giao thông sản xuất Các báo cáo Steve D.Green (Viện nghiên cứu hoạt động bay, Vermont, Hoa Kỳ) từ 1975 đến 2005 quan sát thấy 645 tai nạn cố hàng không lớn nhỏ liên quan đến băng tuyết Tiếp nối nghiên cứu Steve D.Green, Philip Appiah – Kubi thống kê thêm 228 tai nạn/ cố bay giai đoạn 2006 đến 2010, với 40% số liên quan đến việc băng tích tụ cánh, thân máy bay bề mặt điều khiển Ở Việt Nam thời gian gần tượng băng tuyết trở nên phổ biến, gây nhiều ảnh hưởng đến sống người, thiệt hại nhà cửa, trồng, vật nuôi Băng tuyết xuất nơi, từ đường sá, hệ thống truyền tải điện, vật dụng nhà Các nghiên cứu phòng, chống băng tuyết thu hút nhiều nhà nghiên cứu cấp thiết Các kết gần cho thấy tiềm đáng chờ đợi việc phòng chống băng tuyết cách chủ động, nghĩa ngăn trở chuyển pha từ lỏng sang rắn nước bề mặt Trong phương pháp đề xuất bề mặt hồn tồn khơng dính ướt (superhydrophobic) coi giải pháp khả thi thúc đẩy hình thái linh động chất lỏng bề mặt Các bề mặt lấy ý tưởng từ cấu trúc sen, vốn kết hợp vi cấu trúc với hợp chất hóa học khơng ưa nước Từ việc tiếp cận phương pháp chống băng tuyết chủ động tìm hiểu chế bề mặt khơng dính ướt tự nhiên, luận văn tiến hành chế tạo bề mặt mô đế nhơm khảo sát khả chống đóng băng với tiêu chí phổ biến để đánh giá hiệu lĩnh vực khả kháng băng tuyết (ice reppellency), độ bền liên kết (adhesion strength) Các kết đưa đề xuất phương án đơn giản, nhanh chóng để chức Khả chống dính ướt bề mặt chức hóa mở nhiều ứng dụng thực tiễn như: kính chắn gió, kính chiếu hậu, bề mặt pin mặt trời,… Bụi bẩn dễ dàng loại bỏ khỏi bề mặt ứng dụng thực tế cần có thể tích nước nhỏ xuất bề mặt Tuy vậy, việc chế tạo bề mặt khơng dính ướt khơng đơn giản cần kết hợp hồn hảo cấu trúc nano với chất hóa học kị nước Trong phần kết này, chúng tơi trình bày kết đánh giá khả chống bám bẩn bề mặt Thí nghiệm tiến hành cách rắc lượng bụi bẩn với kích thước tùy ý lên bề mặt nhôm cho mật độ dày tốt Mẫu đặt nghiêng góc nhỏ (2o) để cung cấp cho nước động ban đầu Giọt nước với thể tích (10ul) thả nhẹ Pipette từ đỉnh mẫu từ từ trơi khỏi mẫu (hình 3.3) Trên đường mình, theo tất bụi bẩn để lại lộ trình “sạch” khơng có bụi bẩn cịn lại Điều giải thích khả chống dính ướt hồn hảo bề mặt chế tạo nhôm Một bề mặt mô sen chế tạo dễ dàng làm nước lăn khỏi bề mặt với góc nghiêng nhỏ, mở ứng dụng đáng chờ đợi sản xuất công nghiệp thương mại 3.3 Hiệu chống băng tuyết Hiệu chống băng tuyết bề mặt khơng dính ướt kiểm nghiệm thơng qua tiêu chí: độ bền liên kết, khả kháng băng đối sánh với mẫu có lượng bề mặt khác hồn tồn dính ướt (superhydrophilic), dính ướt (hydrophilic), mẫu ngun (bare), khơng dính ướt (hydrophobic) để đưa kết luận khoa học, tiêu chí độ bền 3.3.1 Độ bền liên kết (adhesion strength) Lực liên kết hai bề mặt chất lực hút tĩnh điện nguyên tử, phân tử mặt tiếp xúc hai bề mặt vật liệu Độ bền liên kết công cần thiết để tách rời hai bề mặt tiếp xúc với Độ bền liên kết 34 phụ thuộc vào chất hai vật liệu, diện tích tiếp xúc Với cặp vật liệu cụ thể, mặt tiếp xúc gồ ghề dẫn đến độ bền liên kết lớn nhiều so với bề mặt tiếp xúc phẳng Cũng vậy, với diện tích tiếp xúc độ bền liên kết nhôm khác với băng – thủy tinh, băng – đồng Hình 3.4 mơ tả trực quan liên kết liên kết trường hợp tiếp xúc chất lỏng chất rắn Trong nghiên cứu này, với bề mặt tiếp xúc có chất giống lực hút tĩnh điện nguyên từ nhôm nước mặt tiếp xúc, tối ưu hóa diện tích tiếp xúc đối sánh độ bền liên kết với trường hợp khác Hình 3.4: Mơ tả liên kết Hình 3.5 trình bày kết khảo sát độ bền liên kết bề mặt có độ dính ướt khác đối sánh với mẫu nguyên (bare) lấy từ số liệu bảng 3.1 Các cột màu xanh tương ứng với độ bền liên kết mẫu, chấm đỏ đại diện cho góc tiếp xúc (độ dính ướt) tương ứng mẫu Kết cho thấy mối tương quan tỉ lệ nghịch độ bền liên kết với góc tiếp xúc Các bề mặt có góc tiếp xúc lớn độ bền liên kết nhỏ ngược lại Điều hoàn toàn trùng khớp với lí thuyết góc tiếp xúc lớn đồng nghĩa với diện tích tiếp xúc nhỏ hình dạng giọt nước gần với hình cầu 35 Bảng 3.1 Kết đo đạc độ bền liên kết Độ bền liên kết Góc tiếp xúc (kPa) (o) S.Hydrophobic 125 155 Hydrophobic 350 122 Bare (mẫu nguyên bản) 980 92 S.Hydrophilic 1212 37 Mẫu Hình 3.5: Kết khảo sát độ bền liên kết Đúng dự đoán chúng tơi, độ bền liên kết có giá trị nhỏ mẫu hồn tồn khơng dính ướt (S.Hydrophobic) Điều giải thích lượng bề mặt thấp mẫu, khiến cho trạng thái nước bề mặt có dạng gần hình cầu linh động Nước tiếp xúc với đỉnh cấu trúc 36 nano bề mặt mẫu thay đâm sâu vào cấu trúc Với diện tích tiếp xúc nhỏ nên mức độ liên kết băng với bề mặt lỏng lẻo, dễ dàng bị loại bỏ với lực nhỏ Có hình thái cấu trúc mẫu hồn tồn khơng dính ướt mẫu hồn tồn dính ướt Cần phải khẳng định hai mẫu có cấu trúc hoàn toàn giống khác điểm xuất hợp chất hóa học kị nước FOTS Sự kết hợp hồn hảo thay đổi trạng thái nước bề mặt từ Wenzel (mẫu hoàn toàn dính ướt) thành CassieBaxter (mẫu hồn tồn khơng dính ướt) Sự thay đổi góc tiếp xúc đáng kể tăng từ 30o lên 155o Một cấu trúc thúc đẩy đâm sâu nước vào thể tích khơng khí cấu trúc hóa rắn, trở thành “mỏ neo” bám chắn vào cấu trúc, dẫn đến việc gia tăng đáng kể độ bền liên kết với bề mặt Trên thực tế, việc loại bỏ khối băng bề mặt S.Hydrophilic khó khăn thường dẫn đến việc làm vỡ khối băng làm hỏng cấu trúc bề mặt Từ việc so sánh hai bề mặt S.Hydrophobic S.Hydrophilic cho thấy tầm quan trọng kết hợp vi cấu trúc với chất hóa học kị nước Nếu thiếu hai yếu tố này, mẫu cho kết bề mặt nguyên Thật vậy, thấy rõ điều so sánh mẫu ngun (bare) với mẫu hồn tồn dính ướt Kết đo đạc cho thấy độ bền liên kết mẫu vi cấu trúc cao gấp 1,2 lần so với bề mặt phẳng nguyên Điều dễ dàng giải thích yếu tố diện tích tiếp xúc Giả sử với tiết diện, diện tích tiếp xúc bề mặt vi cấu trúc rõ ràng cao nhiều so với bề mặt phẳng thâm nhập nước vào bề mặt, trái ngược với việc nằm bề mặt phẳng Bề mặt Hydrophobic có xử lý Ultra Violet Ozone (UVO) bề mặt S.Hydrophobic Nhờ can thiệp UVO mà liên kết C-F 37 bề mặt bị bẻ gãy thay vào liên kết C-O, vốn gốc ưa nước dễ dàng kết hợp với nguyên từ Hydro Sau xử lý với UVO, mật độ liên kết C-F bề mặt giảm xuống, nước dễ dàng việc thâm nhập vào cấu trúc dàn trải bề mặt để gia tăng diện tích tiếp xúc, với việc suy giảm góc tiếp xúc (từ 155o xuống cịn 122o) Việc xử lí UVO phụ thuộc vào cường độ thời gian phơi chiếu Nếu sử dụng lâu, bề mặt trở nên dính ướt cuối đạt trạng thái hoàn toàn khơng dính ướt Độ bền liên kết bề mặt Hydrophobic cho kết 350 kPa, cao gấp gần lần so với mẫu S.Hydrophobic Điều cho thấy quan trọng lớp chất hóa học FOTS việc ngăn trở “băng neo” bề mặt Hình 3.6 mơ tả hình thái băng bề mặt S.Hydrophobic S.Hydrophilic để có nhìn trực quan đối sánh với kết đo đạc Hình 3.6: Mơ hình thái nước hai bề mặt S.Hydrophilic (trái) S.Hydrophobic (phải) 3.3.2 Khả chống chịu băng tuyết Để đánh giá khả áp dụng cho bề mặt chức hoạt động ngồi mơi trường lạnh giá, mẫu chế tạo khảo sát môi trường mô điều kiện khắc nghiệt 04 mẫu S.Hydrophobic, Hydrophobic, nguyên (bare) S.Hydrophilic gắn vào đế làm lạnh trì nhiệt độ -10oC đặt buồng môi trường (environmental chamber) trì -10oC Một 38 camera tốc độ cao sử dụng để ghi lại tồn q trình hình thành băng tuyết bề mặt từ lúc bắt đầu đến xuất tinh thể băng đầu tiên, phát triển lan rộng diện tích bị bao phủ Tuyết phát sau 200s bề mặt hồn tồn dính ướt nhanh chóng lan rộng sau 400s Đến 600s từ quan sát gần tư tồn mẫu bị bao phủ băng tuyết (phần màu trắng) Điều giải thích thơng qua đặc tính dính ướt bề mặt Một bề mặt hồn tồn dính ướt tạo điều kiện dễ dàng cho việc ngưng tụ nước bề mặt trình làm lạnh Nước nhanh chóng hình thành, gia tăng kích thước liên kết với giọt nước kế bên Vì độ dính ướt cao, nước dễ dàng lan rộng trở thành dạng lớp mỏng bao phủ bề mặt Một lớp phủ vơ tình trở thành rào ngăn nhiệt độ phân tán khỏi đế làm lạnh thúc đẩy q trình tinh thể hóa nước bề mặt Thực tế, sau gần 200s quan sát thấy tinh thể xuất rõ ràng bề mặt Hình 3.7: Ảnh chụp khả kháng băng tuyết bề mặt 39 Với bề mặt S.Hydrophilic tạo mầm băng tìm thấy sớm bắt đầu làm lạnh 200 s bề mặt mẫu xuất băng tuyết nhiều sau sang 400s băng tuyết bao phủ tồn diện tích bề mặt Điều giải thích lượng tạo mầm tạo mầm khơng đồng bề mặt độ dính ướt cao Trong cần lớp hóa chất phủ kị nước bề mặt lại trì hỗn q trình tạo mầm băng bề mặt Diện tích tiếp xúc với môi trường lạnh lớn bề mặt ưa nước thúc đẩy khả xuất mầm tinh thể Có thể thấy điều so sánh bề mặt S.Hydrophobic với bề mặt mẫu nguyên phẳng Cho dù khơng cần chức hóa bề mặt, bề mặt phẳng ngun kìm hãm hình thành băng tuyết tốt nhiều so với bề mặt ăn mòn Rõ ràng đặc tính bề mặt đóng vai trị quan trọng việc suy giảm mầm tinh thể đối sánh hai mẫu với Khi độ dính ướt mẫu giảm đi, nghĩa mẫu bớt ưa nước tiến phía Hydrophobic, thấy rõ suy giảm băng tuyết bề mặt so với mẫu nguyên S.Hydrophilic Có thể nhận thấy hydrophobic mẫu có cấu trúc bao phủ lớp hợp chất hóa học kị nước FOTS Mặc dù có cấu trúc mẫu S.Hydrophilic mẫu Hydrophobic chức hóa với FOTS có lượng bề mặt thấp, ngăn trở trình ngưng tụ nước bề mặt (vì độ dính ướt thấp) Nước trượt khỏi bề mặt đạt tới kích thước tới hạn để lại bề mặt “sạch”, thúc đẩy khuếch tán nhiệt độ giảm thiểu khả tạo mầm tinh thể Tất nhiên, độ dính ướt mẫu chưa đạt tới trạng thái hoàn hảo nên sau 600s khoảng 50% diện tích mẫu bị bao phủ lớp băng tuyết Ngược lại với bề mặt kể trên, mẫu hoàn tồn khơng dính ướt cho thấy bề mặt gần khơng có băng tuyết sau 600s phơi mơi trường lạnh giá Điều vượt mong đợi nhóm nghiên cứu giải 40 thích hai lí Lí tính khơng ưa nước bề mặt Nhờ tính chất mà nước xuất bề mặt có dạng gần cầu diện tích tiếp xúc với bề mặt nhỏ Những hạt nước sau lớn lên nhanh chóng rơi khỏi bề mặt (vì góc nghiêng nhỏ) thay lan tỏa xung quanh để dẫn đến trạng thái màng mỏng nước bề mặt Điều dẫn đến việc nhiệt lượng thu từ đế làm lạnh nhanh chóng mẫu khuếch tán mơi trường xung quanh để kìm hãm trình hình thành tinh thể Lí thứ hai giải thích lượng bề mặt trạng thái S.Hydrophobic, lượng cần thiết để tạo mầm chuyển pha từ lỏng sang rắn cao so với bề mặt khác Năng lượng cần thiết cho tạo mầm hàm nhạy tuyến tính với góc tiếp xúc Năng lượng cần thiết lớn bề mặt có góc tiếp xúc lớn, khó tìm mầm tinh thể bề mặt S.Hydrophobic Kết cho thấy tiềm lớn bề mặt hồn tồn khơng dính ướt cho ứng dụng ngồi trời mơi trường băng giá Thời gian 600s chắn khoảng thời gian dài ứng dụng làm việc trời, cho thấy vượt trội với bề mặt khác, tập trung nghiên cứu tối ưu hóa 3.3.3 Độ bền Đo kết mẫu nhiều lần ( Độ bền) tiêu chí quan trọng để kiểm chứng tính đắn kết nghiên cứu Độ bền tiêu chí quan trọng liên quan đến việc trả lời câu hỏi ứng dụng vào thực tế hay khơng? Bảng 3.2 mô tả kết khảo sát độ bền liên kết bề mặt S.Hydrophobic, Hydrophobic, nguyên S.Hydrophilic sau 40 lần đo Kết khảo sát cho thấy ổn định mẫu sai khác lần đo không đáng kể 41 Bảng 3.2 Kết khảo sát độ bền mẫu Lần Mẫu thứ Lần Lần Lần Lần Lần Lần thứ thứ 10 thứ 15 thứ 20 thứ 30 thứ 40 S Hydrophobic 125 120 132 128 127 122 129 Hydrophobic 350 352 335 345 340 342 356 Bare 980 978 983 990 995 982 985 S Hydrophilic 1212 1200 1225 1220 1218 1210 1210 Sự ổn định mẫu S.Hydrophilic hay mẫu phẳng dễ dàng giải thích tính nguyên chúng Đối với mẫu S.Hydrophobic Hydrophobic, kết khảo sát cho thấy độ bền liên kết không thay đổi nhiều sau 40 lần đo, chứng tỏ kết hợp tốt cấu trúc với FOTS độ bền lớp hợp chất hóa học tốt, khơng bị bào mịn theo thời gian Kết khảo sát gợi mở khả ứng dụng vào bề mặt chức hoạt động thực tế Hình 3.8: Kết khảo sát độ bền liên kết sau 40 lần thí nghiệm 42 KẾT LUẬN Luận văn “Nghiên cứu bề mặt chức lấy ý tưởng từ thiên nhiên định hướng ứng dụng chống đóng băng” trình bày nghiên cứu chế tạo bề mặt chống đóng băng theo hướng gián tiếp bề mặt Nhôm thông qua phương pháp tiếp cận bề mặt khơng dính ướt Trong nghiên cứu này, chế tạo thành cơng bề mặt hồn tồn khơng dính ướt đế nhơm với góc tiếp xúc cao (155°) Trên sở đó, chúng tơi khảo sát đặc tính bề mặt gồm có khả chống dính ướt, độ bền liên kết, khả chống chịu băng tuyết Kết khảo sát khả chống dính ướt bề mặt có độ dính ướt khác cho thấy khả tự làm hoàn hảo bề mặt hồn tồn khơng dính ướt so sánh với bề mặt khác Nhằm định hướng cho ứng dụng chống băng tuyết, độ bền liên kết khảo sát với độ dính ướt khác cho thấy tương quan chặt chẽ độ bền liên kết với độ dính ướt góc tiếp xúc lớn độ bền liên kết nhỏ ngược lại Bề mặt hồn tồn khơng dính ướt cho thấy tiềm cao việc phòng chống băng tuyết hình thành bề mặt giữ bề mặt “sạch” sau gần 15 phút phơi môi trường lạnh giá Điều giải thích lượng cần thiết cho tạo mầm cao so với bề mặt khác Nhằm định hướng cho ứng dụng gần với thực tế, mẫu chế tạo khảo sát 40 lần cho thấy độ lặp lại cao, đặc biệt mẫu hồn tồn khơng dính ướt, cho thấy kết hợp tốt cấu trúc micro/nano với hợp chất hóa học kị nước Các kết đạt đến hạn chế, cho thấy tiềm đáng chờ đợi cho thiết bị hoạt động môi trường lạnh giá Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa đặc tính để ứng dụng vào thực tế thời gian ngắn 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Tài liệu tiếng Anh [1] Bruzzone AAG, Costa HL, Lonardo PM, et al Advances in engineered surfaces for functional performance CIRP Annals [Internet] 2008;57:750–769 Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000785060800190X [2] Cao Y, Tan W, Wu Z Aircraft icing: An ongoing threat to aviation safety Aerospace Science and Technology 2018;75:353–385 [3] De Nicola F, Hines P, de Crescenzi M, et al Moth-eye effect in hierarchical carbon nanotube anti-reflective coatings Carbon N Y [Internet] 2016;108:262–267 Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622316305747 [4] Duc NB, Binh NT Investigate on structure for transparent anti-icing surfaces AIP Advances 2020;10:85101 [5] Ducros C, Brodu A, Lorin G, et al Optical performances of antireflective moth-eye structures Comparison with standard vacuum antireflection coatings for application to outdoor lighting LEDs Surface and Coatings Technology 2019;379:125044 [6] Ensikat HJ, Ditsche-Kuru P, Neinhuis C, et al Superhydrophobicity in perfection: the outstanding properties of the lotus leaf Beilstein Journal of Nanotechnology 2011;2:152–161 [7] Esmeryan KD From Extremely Water-Repellent Coatings to Passive Icing Protection—Principles, Limitations and Innovative Application Aspects Coatings 2020 [8] Farzaneh M, Volat C, Leblond A Anti-icing and De-icing Techniques for Overhead Lines BT - Atmospheric Icing of Power Networks In: Farzaneh M, editor Dordrecht: Springer Netherlands; 2008 p 229–268 Available from: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8531-4_6 [9] He S, Wang Z, Hu J, et al Formation of superhydrophobic micronanostructured iron oxide for corrosion protection of N80 steel Materials & Design 2018;160:84–94 44 [10] Henschel JR, Lancaster N Gobabeb – 50 years of Namib Desert research Journal of Arid Environments 2013;93:1–6 [11] Jiang R, Hao L, Song L, et al Lotus-leaf-inspired hierarchical structured surface with non-fouling and mechanical bactericidal performances Chemical Engineering Journal 2020;398:125609 [12] Lan W, Cui Y, Yang Q, et al Broadband light absorption enhancement in moth’s eye nanostructured organic solar cells AIP Advances 2015;5:057164 [13] Li X, Wang G, Moita AS, et al Fabrication of bio-inspired non-fluorinated superhydrophobic surfaces with anti-icing property and its wettability transformation analysis Applied Surface Science 2020;505:144386 [14] Libbrecht K Crystal Growth in the Presence of Surface Melting and Impurities: An Explanation of Snow Crystal Growth Morphologies 2008; [15] Maloney TC, Diez FJ, Rossmann T Ice accretion measurements of Jet A1 in aircraft fuel lines Fuel 2019;254:115616 [16] Malshe A, Rajurkar K, Samant A, et al Bio-inspired functional surfaces for advanced applications CIRP Annals [Internet] 2013;62:607–628 Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0007850613001984 [17] Marsh AC Activity patterns of some Namib Desert ants Journal of Arid Environments 1988;14:61–73 [18] Mishchenko L, Hatton B, Bahadur V, et al Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets ACS Nano [Internet] 2010;4:7699–7707 Available from: https://doi.org/10.1021/nn102557 [19] Nguyen T-B, Park S, Jung Y, et al Effects of hydrophobicity and lubricant characteristics on anti-icing performance of slippery lubricant-infused porous surfaces Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2019;69 [20] Nguyen T-B, Park S, Lim H Effects of morphology parameters on antiicing performance in superhydrophobic surfaces Applied Surface Science 2018;435:585–591 [21] Nguyen T-B, Park S, Lim H Effects of morphology parameters on antiicing performance in superhydrophobic surfaces Applied Surface Science 2018;435 45 [22] Nguyen V-H, Nguyen BD, Pham HT, et al Anti-icing performance on aluminum surfaces and proposed model for freezing time calculation Scientific Reports 2021;11 [23] Nørgaard T, Dacke M Fog-basking behaviour and water collection efficiency in Namib Desert Darkling beetles Frontiers in Zoology [Internet] 2010;7:23 Available from: https://doi.org/10.1186/1742-99947-23 [24] Okulov V, Kabardin I, Mukhin D, et al Physical De-Icing Techniques for Wind Turbine Blades Energies 2021 [25] Park S-C, Kim N, Ji S, et al Fabrication and characterization of moth-eye mimicking nanostructured convex lens Microelectronic Engineering [Internet] 2016;158:35–40 Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167931716301174 [26] Raiyan A, Mohammadian B, Sojoudi H Droplet Dynamics and Freezing Delay on Nanoporous Microstructured Surfaces at Condensing Environment Coatings 2021 [27] Samaha MA, Tafreshi HV, Gad-el-Hak M Superhydrophobic surfaces: From the lotus leaf to the submarine Comptes Rendus Mécanique 2012;340:18–34 [28] Sarkar DK, Farzaneh M Superhydrophobic Coatings with Reduced Ice Adhesion Journal of Adhesion Science and Technology 2009;23:1215– 1237 [29] Sear RP Nucleation: theory and applications to protein solutions and colloidal suspensions Journal of Physics: Condensed Matter [Internet] 2007;19:033101 Available from: http://dx.doi.org/10.1088/09538984/19/3/033101 [30] Shen Y, Tao H, Chen S, et al Icephobic/anti-icing potential of superhydrophobic Ti6Al4V surfaces with hierarchical textures RSC Advances 2015;5:1666–1672 [31] Sujata M, Madan M, Raghavendra K, et al Unraveling the cause of an aircraft accident Engineering Failure Analysis 2019;97:740–758 [32] Thomas SK, Cassoni RP, MacArthur CD Aircraft anti-icing and de-icing techniques and modeling Journal of Aircraft [Internet] 1996;33:841–854 Available from: https://doi.org/10.2514/3.47027 46 [33] Varanasi, K K.; Hsu, M.; et al Appl Phys Lett (2009) Available from: https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest [34] Wang N, Xiong D, Pan S, et al Robust superhydrophobic coating and the anti-icing properties of its lubricants-infused-composite surface under condensing condition New Journal of Chemistry 2017;41:1846–1853 [35] Wang S-D, Wang J-Y Anti-reflective and superhydrophobic films prepared from a sol at different withdrawal speeds Applied Surface Science 2019;476:1035–1048 [36] Wu Z, Wang Q Effect of and Protection from Ice Accretion on Aircraft Ice Adhesion 2020 p 577–606 [37] Xing W, Li Z, Yang H, et al Anti-icing aluminum alloy surface with multilevel micro-nano textures constructed by picosecond laser Materials & Design 2019;183:108156 [38] Xu H, Gong L, Zhang S, et al Biomimetic Moth-eye Anti-reflective Poly(methyl methacrylate) Nanostructural Coating Journal of Bionic Engineering [Internet] 2019;16:1030–1038 Available from: https://doi.org/10.1007/s42235-019-0115-3 [39] Yoo YJ, Kim YJ, Kim S-Y, et al Mechanically robust antireflective motheye structures with a tailored coating of dielectric materials Optical Materials Express 2019;9:4178–4186 [40] Yun H-W, Choi G-M, Woo HK, et al Superhydrophobic, antireflective, flexible hard coatings with mechanically ultra-resilient moth-eye structure for foldable displays Current Applied Physics 2020;20:1163–1170 47 CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ: Nguyen Thi Minh Thuy, Sung Thi Mai, Dam Thi Thanh Mai, Souphaphone Sonemany, Bui Thi Trang, Nguyen Thanh Binh*, Tạp chí khoa học Đại Học Tân Trào Anti-icing surface using SLIPs concept (Slippery Liquid – Infused Porous Surfaces), Vol No 21 (2021), https://tckh.daihoctantrao.edu.vn/index.php/sjttu/article/view/505 Tạp chí quốc tế: Vu Thi Hong Hanh, Do Thuy Chi, Chu Viet Ha, Pham Mai An, Nguyen Thi Minh Thuy, Bui Thi Trang, Dam Thi Thanh Mai, Souphaphone Sonemany and Thanh-Binh Nguyen “Icephobic approach on hierarchical structure polymer thin-film”, Adv Nat Sci: Nanosci Nanotechnol 13 015004, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2043- 6262/ac5400 48