Bề mặt chống thấm lỏng mới - Chẳng còn cần đến giặt là?!

Với nghiên cứu mới này, liệu có còn cần đến giặt là ? Và cảm hứng của nhóm nghiên cứu, thật bất ngờ, lại đến từ chính thiên nhiên tươi đẹp của chúng ta.

 

GS Wang Liqui (trái) và TS Zhu Pingan, Khoa Kỹ thuật Cơ học, Đại học Hồng Kông

với vật liệu chống thấm lỏng mà họ nghiên cứu ra.

Trên những bề mặt không thấm nước, chất lỏng sẽ nổi lên trên thay vì bị thấm hút vào bên trong như các bề mặt khác. Những bề mặt này rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như quần áo chống thấm nước và đồ dùng nhà bếp chống bẩn. Được sử dụng như lớp phủ cho các phương tiện thủy, bề mặt này thậm chí có thể giúp gia tốc các tàu chở hàng và thiết bị quân sự để tiết kiệm năng lượng. Giấc mơ nghiên cứu và phát triển chất chống thấm lỏng chính là một cấu trúc có khả năng chống lại việc hấp thụ chất lỏng đáng kể, có sự ổn định cơ học và rẻ tiền để sản xuất trên quy mô thương mại. Tuy nhiên, các kết quả về mặt chức năng của các bề mặt chống thẩm lỏng hiện tại vẫn chưa đạt yêu cầu, vì những bất cập trong cách tiếp cận chế tạo và thiết kế cấu trúc thông thường trong kỹ thuật cấu trúc vi mô và tính chất của những bề mặt như vậy. 

Gần đây, những thách thức ấy đã được khắc phục bằng một nghiên cứu đột phá của GS Wang Liqiu, Bộ môn Cơ khí, Khoa Kỹ thuật, Đại học Hồng Kông (HKU). Ông đã phát triển một cấu trúc chống thấm lỏng và chế tạo các bề mặt xốp dựa trên kỹ thuật vi lượng nhỏ giọt. Các vật liệu như vải dệt, kim loại và kính được phủ bởi vật liệu này có thể chống thấm lỏng rất hiệu quả. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communication 8, 15823. Với công nghệ mới do nhóm nghiên cứu phát triển, trong tương lai, quần áo của chúng ta sẽ không bao giờ sợ bị ướt vào những ngày mưa.

Nhóm nghiên cứu giải quyết được mâu thuẫn giữa tính chống thấm lỏng và sự ổn định cơ học, được thiết kế dựa trên cảm hứng từ lớp biểu bì của bọ đuôi bật trong các cấu trúc chống thấm nước. Bọ đuôi bật là động vật chân đốt sống ở đất, thường xuyên đối mặt với mưa và lũ lụt. Kết quả là, bọ đuôi bật phát triển lớp biểu bì có độ bền cơ học và khả năng chống thấm lỏng cực tốt để chống lại ma sát từ mặt đất và tồn tại trong môi trường nước. Lấy cảm hứng từ lớp biểu bì bọ đuôi bật, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các bề mặt xốp với các lỗ hổng nhỏ kết nối với nhau như tổ ong: tính liên kết đảm bảo sự ổn định cơ học và cấu trúc tái kết nối tạo ra khả năng chống thấm nước mạnh mẽ.

 

Bọ đuôi bật (chiều dài cơ thể khoảng 2,5mm) - nguồn cảm hứng cho nhóm nghiên cứu.

Ảnh: Flickr.com - Brian Valentine.  

Thiết kế của các cấu trúc chống thấm lỏng với khả năng chống thấm cực tốt. a) Sơ đồ cấu trúc; b) Bề mặt xốp được thiết kế; c) Hình ảnh giọt nước nổi lên trên bề mặt xốp; d) Khả năng chống thấm của bề mặt xốp với 10 loại chất lỏng khác nhau.

Cấu trúc chống thấm nước có sự ổn định cơ học cao hơn 21 lần 

Các bề mặt chống thấm lỏng có thể chống thấm ít nhất 10 loại chất lỏng như nước, các chất bề mặt, dầu, các dung môi hữu cơ và cho thấy độ ổn định cơ học tăng gấp 21 lần so với các cấu trúc rời rạc. Các bề mặt xốp có khả năng phục hồi trạng thái khô ngay cả khi các lỗ hổng cực nhỏ bị ướt một phần. Các bề mặt linh hoạt cũng rất dễ dàng phủ lên các vật khác nhau để chống thấm lỏng.

 

Thiết kế của cấu trúc chống thấm lỏng với độ ổn định cơ học cao. a) Cấu trúc ban đầu của bề mặt xốp kết nối với nhau; b) Cấu trúc rời rạc ban đầu; c) Phá hủy cấu trúc kết nối với nhau ở 8,6 kPa và d) 11,5 kPa; e - f) Phá hủy cấu trúc rời rạc ở e) 0,4 kPa và f) 2,9 kPa.

Vật liệu bề mặt xốp chỉ tốn khoảng 1HKD/m2 

Nhóm nghiên cứu cũng phát triển một kỹ thuật dựa trên chất lỏng nhỏ giọt hiệu quả cho việc chế tạo các bề mặt xốp, rất giống với bách quy được làm bằng khuôn nướng. Ở đây, khuôn bánh là những giọt rất nhỏ giống nhau được sản xuất bằng công nghệ vi lỏng với khả năng kiểm soát chính xác kích thước, cấu trúc và thành phần. Được đúc bằng các giọt nhỏ vi lượng, các cấu trúc vi mô quy mô thương mại được sản xuất với chi phí rất thấp. Chi phí nguyên liệu dao động từ 0,7 đến 1,3HKD/m2, chỉ bằng 1/1000 chi phí mua các sản phẩm thương mại hóa khác như màng PTFE không thấm nước. Kỹ thuật này có độ chính xác và hiệu quả cao trong các cấu trúc bề mặt kỹ thuật, được đảm bảo bởi độ chính xác và khả năng kiểm soát của thế hệ nhỏ giọt vi lượng có chi phí thấp và dễ dàng nhân rộng.

 

Chế tạo bề mặt chống thấm lỏng bằng phương pháp chất lỏng vi lượng. a) Các quá trình chế tạo chất lỏng vi lượng bao gồm lắng đọng nhũ tương, bốc hơi dung môi và loại bỏ mẫu; b) Các cụm giọt sau khi lắng đọng nhũ tương; c) Màng khô sau khi bốc hơi dung môi; d) Bề mặt xốp sau khi loại bỏ mẫu; e - f) Hình ảnh bề mặt xốp với kích thước lỗ khác nhau; g) Độ trong suốt của bề mặt xốp; h) Chế tạo mẫu nhỏ bề mặt xốp. 

Bước đột phá này sẽ thay đổi cách chế tạo các bề mặt chống thấm lỏng với độ ổn định cơ học cao và sản xuất với chi phí thấp ở quy mô thương mại. Nó cũng mở đường cho sự tiến bộ hơn nữa trong việc tạo ra các cấu trúc bề mặt bằng cách thiết kế, chỉnh sửa hình thái, độ dãn và ổn định cơ học phù hợp với ứng dụng mong muốn trong nhiều lĩnh vực, từ năng lượng, xây dựng, ô tô, hóa học, điện tử, đến môi trường, công nghiệp y sinh học, sản xuất tiên tiến, thiết bị thủy và trang thiết bị quân sự.

 

Một miếng vải thông thường (bên trái) có thể trở thành vật liệu chống thấm lỏng (bên phải) chỉ với một lớp vật liệu bề mặt xốp (ở giữa).

Nguyễn Minh Hiếu

Trung tâm Khởi nghiệp Xây dựng

Lược dịch

Nguồn: Đại học Hồng Kông