Bàn chân thạch sùng - Vật liệu Nano

Bàn chân thạch sùng - Vật liệu Nano

Bàn chân th ch sùng ạ

Nano technology ?

* Molecular scale : nguyên t + phân t ử ử

giúp con ng ườ i hi u nh ng thu c tính c ể ữ ộ ơ

b n c a v t ch t ả ủ ậ ấ  hóa h c t ng quát ọ ổ (h u c , vô c …), Hóa h c l ữ ơ ơ ọ ượ ng t , c ử ơ

• Khi v t li u thu nh đ n kích th ậ ệ ỏ ế ướ c NANO:

các tính ch t : hóa h c, v t lý, c , quang, đi n, ấ ọ ậ ơ ệ

t , đ u thay đ i so v i ừ ề ổ ớ tr ng thái vĩ mô ạ

• ARISTOS’s question !

Hình 1: (A) Con th n l n Tokayằ ằ (gekko gecko); (B) nh ng lá m ng v t ữ ỏ ắ ngang bàn chân nhìn t d ừ ướ i lên; (C) lá m ng là nh ng c m lông có ỏ ữ ụ

th t hình bàn ch i đánh răng; (D) s i lông chính tua ra nh ng s i ứ ự ả ợ ữ ợ lông con có hình d ng nh cây ch i quét nhà; (E) nh ng s i lông con ạ ư ổ ữ ợ

và (F) c u trúc s i nano nhân t o [1] ấ ợ ạ

Hình 2: C u trúc v i nhi u ấ ớ ề th b c c a s i lông bàn chân th n l n ứ ậ ủ ợ ằ ằ (xem thêm Hình 1D, E)

S i lông con r t m m nên có th bám sát vào m t n n ợ ấ ề ể ặ ề

l i lõm r t hi u qu [4] ồ ấ ệ ả

G n 200 năm qua, đã có ầ 7 c ch ơ ế đ ượ c đ ngh : ề ị

• l c hút van der Waals ự

Năm đ ngh đ u tiên không có s c thuy t ph c, vì: ề ị ầ ứ ế ụ

•bàn chân không ti t ra ế ch t keo ấ

•c u t o vi mô không cho th y d u hi u nào t o ra ấ ạ ấ ấ ệ ạ s c hút ứ hay l c ự

ma xát

• ngón chân không có móc nên không th cài vào m t n n ể ặ ề

•có th đi trên các lo i m t b ng có hay ể ạ ặ ằ không có tĩnh đi n ệ

=> hai kh năng còn l i là ả ạ l c mao qu n ự ả và l c hút van der Waals ự

"Adhesive force of a single gecko

foot-hair“

K Autumn, Y A Liang, S T Hsieh, W Zesch, W P Chan,

T W Kenny, R Fearing and R J Full, Nature, 405 (2000)

681.

(Lewis & Clark College, M ) ỹ

xác nh n : s bám dính c a bàn chân th n l n là do l c ậ ự ủ ằ ằ ự hút van der Waals

Theo lý thuy t, l c van der Waals t l ngh ch ế ự ỷ ệ ị theo lũy th a 7 ừ v i ớ

n u b m t đ ế ề ặ ượ c c i bi n thành m t b m t có c u trúc ả ế ộ ề ặ ấ

s i nano, di n tích ti p xúc s gia tăng hàng tri u hàng ợ ệ ế ẽ ệ

t l n L c hút van der Waals cũng tăng theo di n tích ỷ ầ ự ệ

ti p xúc đ a ra khái ni m m i v s bám dính: ế ư ệ ớ ề ự s bám ự dính khô (dry adhesion)

l c hút van der Waals ch xu t hi n gi a hai v t th khi đ ự ỉ ấ ệ ữ ậ ể ượ c đ t "sát" ặ ở

kho ng cách nanomét Trong tr ả ườ ng h p bàn chân th n l n, đ t o m t l c ợ ằ ằ ể ạ ộ ự bám h u hi u kho ng cách gi a các s i lông con và m t n n nhi u nh t là 2 ữ ệ ả ữ ợ ặ ề ề ấ

nm

Trên 2 nm, l c van der Waals bi n m t ự ế ấ

l c van der Waals y u h n các l c khác trong liên k t hóa h c ự ế ơ ự ế ọ

(chemical bonding) nh n i c ng hóa tr , n i ion, nh ng vì b m t ư ố ộ ị ố ư ề ặ

ti p xúc c a c u trúc nano tr nên r t l n nên l c hút van ế ủ ấ ở ấ ớ ự

der Waals t o m t s c ch u đáng k ạ ộ ứ ị ể

di n tích bàn chân là 1 cm2 nên l c dính do l c van der Waals là ệ ự ự 1 kg/cm2

(K Autumn )

- S bám dính khô do l c hút van der Waals khác bám ự ự dính ướ t (wet adhesion) dùng ch t keo thông th ấ ườ ng

- Bám dính ướ t có liên quan đ n s th m ế ự ấ ướ t

(wettability), s c căng b m t (surface tension) và năng ứ ề ặ

l ượ ng b m t c a v t ch t ề ặ ủ ậ ấ

- Đ c tính c a bám dính khô v ặ ủ ượ t ra ngoài nh ng chi ph i ữ ố

c a đ nh lu t v "khoa hoc b m t" (surface science) Ch tùy ủ ị ậ ề ề ặ ỉ

thu c vào hình d ng, kích th ộ ạ ướ c và thi t k c a c u trúc ế ế ủ ấ

b m t nano - mà trong tr ề ặ ườ ng h p c a bàn chân th n l n là ợ ủ ằ ằ

hàng tri u nh ng s i lông con keratin - đ đ t đ n di n tích ệ ữ ợ ể ạ ế ệ

ti p xúc c c đ i ế ự ạ

=> s i nano c a m t k t dính nhân t o có th ch t o t b t ợ ủ ặ ế ạ ể ế ạ ừ ấ

c v t li u nào mi n sao cho b m t ti p xúc đ t đ n m t tr ứ ậ ệ ễ ề ặ ế ạ ế ộ ị

s l n nh t ố ớ ấ

Autumn cùng các đ ng nghi p _ Ron Fearing và Robert Full ồ ệ

(University of California, Berkeley, M ) ỹ

t o ra m t b m t v i các lo i s i ạ ộ ề ặ ớ ạ ợ polyester hay silicon

Trên m t di n tích 1 cm2, các tác gi t o m t b m t v i ộ ệ ả ạ ộ ề ặ ớ

200 tri u s i ệ ợ

nano polyester có đường kính 700 nm (nh h n s i tóc 100 ỏ ơ ợ

l n) (Hình 1F) M c dù to h n s i lông con c a bàn chân th n ầ ặ ơ ợ ủ ằ

l n (10 -15 nm), c u trúc n y v n t o ra m t l c bám dính là 6 ằ ấ ầ ẫ ạ ộ ựkg/cm2 n u t t c 200 tri u s i đ ng th i tác đ ng lên m t ế ấ ả ệ ợ ồ ờ ộ ặ

n n ề

Năm 2003, Geim và các c ng s viên ch t o m t dính v i ộ ự ế ạ ặ ớ

s i ợ polyimide (tên thươ ng m i ạ : Kapton) (Hình 3) [4]

S i có chi u dài 200 µm và đợ ề ường kính 0,2 µm (= 200 nm)

* 100 tri u s i / 1 cm2 ệ ợ

M t dính n y có th ch u m t s c n ng là 1 kg ặ ầ ể ị ộ ứ ặ

Sau đó, dùng 0,5 cm2 m t dính này đ treo l l ng đ ch i ặ ể ơ ử ồ ơ

"Spiderman" n ng 40 g vào bặ ề m t th y tinh (Hình 4) ặ ủ

Hình 3: M t dính nhân t o polyimide c a Geim S i có chi u ặ ạ ủ ợ ề

Hình 4 : Spiderman (ng ườ i nh n) n ng 40 g bám vào ệ ặ

m t th y tinh v i m t dính nhân t o polyimide c a ặ ủ ớ ặ ạ ủ Geim [5]

G n đây, ng than nano cũng là m t v t li u thông d ng ầ ố ộ ậ ệ ụ

đ t o nên m t dính không keo ể ạ ặ

Trong quá trình ch t o ng than nano trong lò nung ế ạ ốnhi t đ cao (~1000 oC), các ng than có th "m c" ệ ộ ố ể ọ

th ng đ ng nh m t thân cây dài (đẳ ứ ư ộ ường kính ng ốkho ng 50 - 100 nm) dày đ t nh m t khu r ng nhi t đ i ả ặ ư ộ ừ ệ ớ(tương t nh Hình 1F) Nhóm c a giáo s Liming Dai ự ư ủ ư(University of Dalton, M ) đã t o đỹ ạ ược b m t ng than ề ặ ốnano và 1 cm2 c a b m t n y có th ch u m t s c kéo ủ ề ặ ầ ể ị ộ ứ

g n 3 kg (3 kg/cm2) vầ ượt h n kh năng c a bàn chân ơ ả ủ

th n l n là 1 kg/cm2 [6] ằ ằ

Allotropic forms of CarbonCurl, Kroto, Smalley 1985

Iijima 1991 graphene

- Single-wall nanotubes (SWNTs)

- Multi-wall nanotubes (MWNTs)

Carbon Nanotubes

~ 1-2 nm Few microns

TEM images of various MWNTs

~ 2 - 50 nm

1/ K Autumn, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 473

2/ K Autumn, Y A Liang, S T Hsieh, W Zesch, W P

Chan, T W Kenny, R Fearing and R J Full, Nature,

405 (2000) 681.

3/ B N J Persson, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 486.

4/ A K Geim, S V Dubonos, I V Grigorieva, K S

Novoselov, A A Zhukov and S Y Shapoval, Nature

Materials, 2 (2003) 461.

5/ L Qu and L Dai, Adv Mater., 19 (2007) 3844.

6/ K A Daltorio, S Gorb, A Peressadko, A D

Horchler, T E Wei, R E Ritzman and R D Quinn,

MRS Bulletin, 32 (June 2007) 504.