Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùng (tt) pps

Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùng (tt) Mặt dính nano nhân tạo Sự khám phá và kết quả nghiên cứu của Autumn không chỉ thỏa mãn sự tò mò sinh học nhưng còn đặt ra một vấn đề thú vị cho công nghệ tự động điều khiển học. Bài báo trên tờ Nature của Autumn và các cộng sự viên đã được trích dẫn rất nhiều lần trong giới nghiên cứu về khoa học bám dính (adhesion science) vì đây là một khái niệm dính khô hoàn toàn mới lạ, mang tính đột phá và đưa đến khả năng chế tạo các công cụ dính không keo, các dụng cụ "thông minh" lúc dính lúc không tùy vào tác động. Sự bám dính khô do lực hút van der Waals khác bám dính ướt (wet adhesion) dùng chất keo thông thường. Bám dính ướt có liên quan đến sự tẩm ướt (wettability), sức căng bề mặt (surface tension) và năng lượng bề mặt của vật chất. Những vấn đề này ngoài phạm vi của bài viết nhưng đã được đề cập tỉ mỉ trong các sách giáo khoa. Đặc tính của bám dính khô vượt ra ngoài những chi phối của định luật về "khoa hoc bề mặt" (surface science). Nó chỉ tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và thiết kế của cấu trúc bề mặt nano mà trong trường hợp của bàn chân thằn lằn là hàng triệu những sợi lông con keratin để đạt đến diện tích tiếp xúc cực đại. Điều này có nghĩa là sợi nano của mặt dính nhân tạo có thể chế tạo từ bất cứ vật liệu nào miễn sao cho bề mặt tiếp xúc đạt đến một trị số lớn nhất. Năm 2002, Autumn cùng các đồng nghiệp là giáo sư Ron Fearing và Robert Full (University of California, Berkeley, Mỹ) tạo ra một bề mặt với các loại sợi polyester hay silicon. Polyester là vật liệu polymer dùng làm vải vóc hoặc các loại chai nhựa. Trên một diện tích 1 cm2, Autumn, Fearing và Full tạo một bề mặt với 200 triệu sợi nano polyester có đường kính 700 nm (nhỏ hơn sợi tóc 100 lần) (Hình 1F). Mặc dù to hơn sợi lông con của bàn chân thằn lằn (10 -15 nm), cấu trúc nầy vẫn tạo ra một lực bám dính là 6 kg/cm2 nếu tất cả 200 triệu sợi đồng thời tác động lên mặt nền. Năm 2003, Geim và các cộng sự viên chế tạo mặt dính với sợi polyimide (thương hiệu: Kapton) (Hình 3) [5]. Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm). Ông dồn 100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2. Mặt dính này có thể chịu một sức là 1 kg. Sau đó, ông dùng 0,5 cm2 mặt dính để treo lơ lửng đồ chơi "Spiderman" nặng 40 g vào mặt thủy tinh (Hình 4). Tiếc rằng sau năm lần bám dính/ tách rời, mặt dính mất hiệu năng. Geim cho rằng nguyên nhân chính là do tính thích nước của polyimide. Polyimide hút nước trên mặt thủy tính làm giảm tính "bám sát" trên bề mặt và sau đó các sợi polyimide lại quyện vào nhau như mái tóc bị thấm nước làm mất đi bản chất nano của mặt dính. Sự thất bại của tính bền khiến Geim phải kiểm điểm lại lý tính của keratin làm nên các sợi lông bàn chân thằn lằn và ông nhận ra rằng keratin là một vật liệu sinh học ghét nước. Ông cũng nhìn nhận mặt dính của Autumn, Full và Fearing bền hơn vì polyester và silicon là các vật liệu ghét nước giống như keratin. Vì vậy, mặc dù trong việc thiết kế mặt dính không tùy vào bản chất vật liệu, nhưng để mặt dính có tính bền lâu dài hóa tính và lý tính của vật liệu phải tương tự với keratin. Hình 3: Mặt dính nhân tạo polyimide của Geim. Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm) [5]. Hình 4: Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào mặt thủy tinh với mặt dính nhân tạo polyimide của Geim [5] 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 (tương tự như Hình 1F). 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 thằn lằn là 1 kg/cm2 [6]. Khác với các loại băng keo văn phòng, vì cấu trúc sợi nano của bàn chân thằn lằn khi hai mặt bàn chân chập vào nhau, hiện tượng bám dính không xảy ra. Lý do là vì không có bề mặt tiếp xúc nên các sợi nano không bám được vào nhau. Điều này xem chừng như là một nghịch lý vì bàn chân thằn lằn vừa có thể bám, vừa không thể bám. Theo thường thức nếu không bảo quản kỷ lưỡng, băng keo có thể bám bụi làm giảm hiệu năng. Nhưng bàn chân thằn lằn thì không. Điều này có thể giải thích bằng hai lý do. Một mặt, chất keratin làm ra sợi lông bàn chân thằn lằn là một vật liệu sinh học ghét nước. Mặt khác, các sợi nano làm nên cấu trúc nano biến toàn thể bàn chân thành mặt ghét nước giống như lá sen. Đây là hiệu ứng lá sen (lotus effect). "Nước đổ lá sen (môn)" hay "Nước đổ đầu vịt" là những thành ngữ quen thuộc nói tới sự không biết nghe lời, phục thiện của những cái đầu bướng bĩnh hay những chế độ có các ông quan mặt dày. Nhưng "lá sen" hay "đầu vịt" lại là những cấu trúc nano đặc biệt cho việc "tự làm sạch" (self-cleaning) cho các loại bề mặt trong đó có bàn chân thạch sùng. Hiệu ứng này giúp thằn lằn bám dính/tách rời (attachment/ detachment) hằng triệu lần trong suốt cuộc đời của mình mà bàn chân không mảy may bám chút bụi trần lúc nào cũng nguyên vẹn như vừa được "bóc tem"! Hiệu ứng lá sen sẽ được đề cập trong một bài viết khác. [...]... của bàn chân thằn lằn một cách tỉ mỉ Với các loại keo gia dụng (pressuresensitive adhesive), ta cần một áp lực để ép sát hai bề mặt để gia tăng lực dính Thằn lằn không dùng sức để làm việc này Chúng chỉ đặt nhẹ bàn chân lên rồi khẽ kéo các ngón chân song song với mặt nền để cho các sợi lông con dễ tiếp giáp lên bề mặt Lực hút van der Waals sẽ tác động vào bàn chân Khi muốn giơ chân lên, các ngón chân. .. bàn chân thạch sùng không ngừng tiến hóa hàng triệu năm từ khi sinh vật có mặt trên quả địa cầu Nhưng hai cái "cũ" này khơi dậy không ít niềm đam mê của các nhà khoa học, nhanh chóng đẩy mạnh sự tiến bộ của bộ môn nghiên cứu về "mặt dính nano không keo" Tuy nhiên, họ sẽ phải cần một thời gian rất dài để tạo ra một con robot có khả năng như "tay leo trèo siêu hạng" thạch sùng Nhìn lại cấu trúc của bàn. .. điều khiển từ xa để quay bốn cái "chân" [7] Mỗi chân là do bốn cái nan tạo thành "Mặt dính thạch sùng" được gắn vào trên mỗi cái nan và con robot sẽ leo tường và đi trên trần nhà bằng những bước đi "lạch bạch" Từ bài báo cáo của nhóm Autumn trong tạp chí Nature cho đến mặt dính di động của Turner và con robot của Quinn chỉ cần vài năm Lực van der Waals trên bàn chân thạch sùng là một ẩn tàng của thiên... chính tại sao thằn lằn có thể bám/rời bề mặt 20 lần/giây Trong khi đó "mặt dính thạch sùng" nhân tạo chỉ có hai thứ bậc: các sợi nano được hình thành trên mặt đệm dẻo Hiển nhiên, cái cấu trúc nhân tạo này vẫn còn quá thô thiển so với cấu trúc hài hòa của thiên nhiên Tiềm năng ứng dụng Những kết quả thực nghiệm của bàn chân thằn lằn không chỉ ngừng ở việc nghiên cứu hàn lâm Trong báo cáo phát minh năm... bàn chân thằn lằn, ta thấy có thứ bậc cấu tạo (structural hierachy) rõ rệt, từ những lá mỏng vắt ngang ngón chân đến các cụm lông, đến sợi lông chính rồi tủa ra những sợi lông con (Hình 1) Trong quá trình bám dính/tách rời, mặt nền tác động lên những sợi lông con, rồi đến sợi lông chính, đến các cụm lông, đến mặt ngón chân, đến ngón chân Những tác động dây chuyền này của những thành viên trong cấu. .. xuất từ một cấu trúc nano được thành hình qua sự mô phỏng thiên nhiên cần thời gian để thay đổi tư duy của khách hàng, để tìm thị trường và tiếp thị "Mặt dính" có thể thay thế băng keo và các loại keo nước Thị trường này rất lớn nhưng doanh thu có thể rất nhỏ vì với đặc tính dùng lại nhiều lần của "mặt dính", có ai muốn trở lại mua cho những lần kế tiếp? Lời kết Câu chuyện về bàn chân thạch sùng chỉ là... kế tiếp? Lời kết Câu chuyện về bàn chân thạch sùng chỉ là một trong nhiều thí dụ về cấu trúc nano có những hiệu ứng cực kỳ thú vị và không lường trước được Vì không thể lường trước nên con người phải đợi hơn 2000 năm để giải toả cái băn khoăn Aristotle và 200 năm để làm sáng tỏ cơ chế bám dính không keo Bàn chân thạch sùng cũng cho ta thấy khi vật chất bị thu nhỏ đến vài triệu, vài tỷ lần thì một đặc... các sợi lông bàn chân dày đặc ở những động vật to như thằn lằn, kỳ nhông nhưng thưa hơn ở côn trùng Chẳng qua, thiết kế của thiên nhiên lúc nào cũng tối ưu và hợp lý, không thừa không thiếu Mật độ các sợi lông gia tăng theo trọng lượng vật để tạo một sức chịu tương đương Nhằm tạo ra sản phẩm có những ứng dụng thực tiễn cho chân robot hay các dụng cụ dính không keo, ngoài việc mô phỏng cấu trúc nano phức... Fearing đưa ra những khả năng ứng dụng của "chất dính không keo" hay là "mặt dính thạch sùng" mà các ông cho là gần như vô hạn, bao gồm nhiều lĩnh vực từ y khoa, điện tử, chân robot, đến dụng cụ thể thao và đồ chơi trẻ con Trong một tương lai gần, người ta có thể chế tạo những cây hút bụi tí hon trang bị với "mặt dính thạch sùng" để nhặt những hạt bụi miromét trên các chip vi tính; hoặc những dụng cụ để.. .Bàn chân "lông lá" không phải chỉ có ở thằn lằn Sau bài báo cáo khoa học đăng trên Nature của Autumn và cộng sự viên [3], bàn chân của các loại côn trùng có khả năng leo tường, bám trần như bọ hung, ruồi, nhện và người "anh em" với thằn lằn là kỳ nhông được khám . Cấu trúc nano: Bàn chân thạch sùng (tt) Mặt dính nano nhân tạo Sự khám phá và kết quả nghiên cứu của Autumn. kg/cm2) vượt hơn khả năng của bàn chân thằn lằn là 1 kg/cm2 [6]. Khác với các loại băng keo văn phòng, vì cấu trúc sợi nano của bàn chân thằn lằn khi hai mặt bàn chân chập vào nhau, hiện tượng. trèo siêu hạng" thạch sùng. Nhìn lại cấu trúc của bàn chân thằn lằn, ta thấy có thứ bậc cấu tạo (structural hierachy) rõ rệt, từ những lá mỏng vắt ngang ngón chân đến các cụm lông,