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 bộ hướng dẫn khoa học:

TS. Nguyễn Thanh Bình

Thái Nguyên, năm 2022

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn “Nghiên cứu bề mặt chức năng lấy ý tưởng từ
thiên nhiên, định hướng ứng dụng chống đóng băng.” là cơng trình nghiên cứu
độc lập của tơi, với sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Thanh Bình. Cơng
trình được tơi nghiên cứu và hoàn thành tại Trường Đại học Sư Phạm Thái
Nguyên từ năm 2020 đến năm 2022.
Các tài liệu tham khảo, các số liệu thống kê phục vụ mục đích nghiên cứu
cơng trình này được sử dụng đúng quy định, khơng vi phạm quy chế bảo mật của

Nhà nước.
Trong quá trình nghiên cứu, tơi có cơng bố một số kết quả trên các tạp chí
khoa học của ngành và của nước ngoài. Kết quả nghiên cứu của Luận văn này
chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác ngồi các
cơng trình nghiên cứu của tơi.
Tơi xin cam đoan những vấn đề nêu trên là hoàn toàn đúng sự thật. Nếu
sai, cá nhân tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

Thái Nguyên, Tháng 6 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả

Đàm Thị Thanh Mai

TS. Nguyễn Thanh Bình

2


LỜI CẢM ƠN
Bằng tất cả sự kính trọng và tình cảm chân thành của mình, cho phép tơi
gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo sau đại học thuộc Trường Đại
học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy
giáo, cô giáo giảng viên của khoa vật lý, sự hỗ trợ của các bạn học viên lớp: Vật
lý K28B, các bạn lưu học sinh Lào. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy
cô và những người bạn đã giúp đỡ, hỗ trợ tơi hồn thành chương trình.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Bình
đã giảng dạy tơi từ năm đầu tiên học cao học và cũng là người tận tình hướng
dẫn, động viên và giúp đỡ tơi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận

văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, gia đình và những người thân yêu đã luôn
tin tưởng, động viên và ở bên tôi trong suốt những năm tôi học tập, nghiên cứu.
Thái Nguyên, Tháng 6 năm 2022
Tác giả

Đàm Thị Thanh Mai

3


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 2
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... 3
MỤC LỤC ........................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................. 7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... 9
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1. Lí do lựa chọn đề tài................................................................................... 2
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................... 2
3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 3
4. Phương pháp nghiên cứu: .......................................................................... 3
5. Đối tượng nghiên cứu................................................................................. 3
6. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 3
7. Cấu trúc của luận văn. ................................................................................ 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 5
1.1. Hiện tượng băng tuyết........................................................................... 10
1.2. Tạo mầm đồng nhất và không đồng nhất.............................................. 13
1.3. Thực trạng nghiên cứu trong và ngoài nước về 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

4


1.4.2. Trạng thái Wenzel và Cassie-Baxter ................................................. 21
1.4.3. Bề mặt hồn tồn khơng dính ướt .................................................... 22
1.5. Kiểm sốt độ dính ướt của bề mặt cho các ứng dụng chống đóng băng.
........................................................................................................................ 24
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM......................................................................... 25
2.1. Phương pháp chế tạo bề mặt chức năng trên 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 quả chế tạo mẫu ................................................................................ 32
3.2. Khả năng chống bám bẩn ........................................................................ 33
3.3. Hiệu năng chống băng tuyết .................................................................... 34
3.3.1. Độ bền liên kết (adhesion strength) .................................................. 34
3.3.2. Khả năng 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

5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Điều kiện thí nghiệm và kết quả tương ứngError! Bookmark not
defined.
Bảng 3.1. Kết quả đo đạc độ bền liên kết ........ Error! Bookmark not defined.6
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát tính lặp lại (độ bền mẫu)Error!
defined.

6

Bookmark

not


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Băng tuyết gây ra tai nạn liên hồn do trơn trượt.............................. 11
Hình 1.2: Hình dạng tinh thể tuyết có cấu trúc khác nhau được hình thành trong
điều kiện áp suất khí quyển là một hàm nhạy của nhiệt độ và trạng thái siêu bão
hòa của hơi nước[35] ......................................................................................... 12
Hình 1.3: Sơ đồ phân loại quá trình tạo mầm.................................................... 14
Hình 1.4: So sánh năng lượng cần thiết để hình thành tạo nhân trong tạo mầm
đồng nhất và khơng đồng nhất........................................................................... 15
Hình 1.5: Giọt nước lạnh khi tiếp xúc với hai bề mặt: dính ướt và khơng dính ướt
(Mishchenko et al. ACS Nano 2010) [18] ......................................................... 18
Hình 1.6: Kích thước của cấu trúc có thể ngăn trở sự hình thành mầm tinh thể
[40] ..................................................................................................................... 19
Hình 1.7: Độ dính ướt của các bề mặt khác nhau và các 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 lá sen (a), hình thái các giọt nước trên bề mặt lá sen
(b), và hình thái giọt nước trên bề mặt mơ phỏng lá sen (c, d) ......................... 23
Hình 1.11: Băng kết dính ở bề mặt dính ướt (trái) nhưng khơng thể kết dính ở 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 qt (SEM) ....................................................... 27
Hình 2.3: Thiết bị đo góc tiếp xúc ..................................................................... 28

7


Hình 2.4: Bố trí thí nghiệm đo độ bền liên kết .................................................. 29
Hình 2.5: Buồng tạo mơi trường để khảo sát khả năng kháng băng tuyết ........ 30
Hình 2.6: Hình ảnh mô tả việc loại bỏ khối băng trên bề mặt sử dụng load cell.
Các thông số của va chạm được thu thập và xử lý bằng phần mềm máy tính. . 30
Hình 2.7: Ảnh chụp từ camera tốc độ cao ghi lại q trình hóa băng của giọt nước
........................................................................................................................... 31
Hình 3.1:Ảnh SEM bề mặt mẫu (a,b) và các góc tiếp xúc tương ứng với trạng
thái superhydrophilic (c) và superhydrophobic (d) ........................................... 32
Hình 3.2: Ảnh chụp từ clip kiểm tra định tính bề mặt (a) và giọt nước trên bề mặt
(b) ....................................................................................................................... 32
Hình 3.3: Ảnh chụp ghi lại quá trình nhỏ giọt nước từ khi bắt đầu tới khi trôi khỏi
mẫu..................................................................................................................... 33
Hình 3.4: Mơ tả liên kết ..................................................................................... 35
Hình 3.5: Kết quả khảo sát độ bền liên kết........................................................ 36
Hình 3.6: Mơ phỏng hình thái nước trên hai bề mặt S.Hydrophilic (trái) và
S.Hydrophobic (phải) ........................................................................................ 38

Hình 3.7: Ảnh chụp khả năng kháng băng tuyết trên bề mặt. .......................... 39
Hình 3.8: Kết quả khảo sát độ bền liên kết sau 40 lần thí nghiệm .................... 42

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Viết tắt

1

CA

2

SEM

Viết đầy đủ

Nghĩa tiếng Việt

Contact Angle

Góc tiếp xúc

Scanning Electron

Kính hiển vi điện tử qt

Microscopy
3

4

5

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

6

WCA

Water contact Angle

9

Góc tiếp xúc của nước


MỞ ĐẦU
Băng tuyết trên các bề mặt vật dụng gây ra nhiều trở ngại và nguy hiểm
cho con người trong cuộc sống sinh hoạt, an tồn giao thơng và sản xuất. Các
báo cáo của Steve D.Green (Viện nghiên cứu hoạt động bay, Vermont, Hoa Kỳ)
từ 1975 đến 2005 đã quan sát thấy 645 tai nạn và sự cố hàng không lớn nhỏ liên
quan đến băng tuyết. Tiếp nối các nghiên cứu của Steve D.Green, Philip Appiah
– Kubi đã thống kê được thêm 228 tai nạn/ sự cố bay trong giai đoạn 2006 đến
2010, với 40% trong số đó liên quan đến việc băng tích tụ trên cánh, thân máy
bay và bề mặt điều khiển. Ở Việt Nam thời gian gần đây hiện tượng băng tuyết
đã trở nên phổ biến, gây nhiều ảnh hưởng đến cuộc sống của con người, thiệt hại
về nhà cửa, cây trồng, vật ni. Băng tuyết có thể xuất hiện ở mọi nơi, từ đường
sá, hệ thống truyền tải điện, cho đến các vật dụng trong nhà.
Các nghiên cứu về phòng, chống băng tuyết đã thu hút nhiều nhà nghiên
cứu vì sự cấp thiết của nó. Các kết quả gần đây đã cho thấy những tiềm năng

đáng chờ đợi trong việc phòng chống băng tuyết một cách chủ động, nghĩa là
ngăn trở sự chuyển pha từ lỏng sang rắn của nước trên các bề mặt. Trong các
phương pháp đã được đề xuất thì bề mặt hồn tồn khơng dính ướt
(superhydrophobic) được coi là giải pháp khả thi nhất vì thúc đẩy một hình thái
linh động của chất lỏng trên bề mặt. Các bề mặt như vậy được lấy ý tưởng từ cấu
trúc của lá sen, vốn là sự kết hợp giữa các vi cấu trúc với hợp chất hóa học khơng
ưa nước.
Từ việc tiếp cận các phương pháp chống băng tuyết chủ động và tìm hiểu
cơ chế của các bề mặt khơng dính ướt trong tự nhiên, trong luận văn này tôi sẽ
tiến hành chế tạo các bề mặt mô phỏng trên đế nhôm và khảo sát khả năng chống
đóng băng với các tiêu chí phổ biến để đánh giá hiệu năng trong lĩnh vực như
khả năng kháng băng tuyết (ice reppellency), độ bền liên kết (adhesion strength).
Các kết quả đưa ra sẽ đề xuất một phương án đơn giản, nhanh chóng để chức

1


năng hóa bề mặt cho mục đích chống đóng băng, định hướng ứng dụng cho các
thiết bị làm việc trong mơi trường lạnh giá.
1. Lí do lựa chọn đề tài.
Tuyết rơi dày nhiều gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới giao thông và cuộc
sống của người dân, nông nghiệp, thể thao. Hàng nghìn phương tiện giao thơng
mắc kẹt trên đường do bão tuyết, động vật và thực vật chết lạnh trong thời tiết
băng giá. Tuyết tan và kết lại thành băng làm cho đường trơn và rất dễ gây tai
nạn giao thơng.
Trước tình hình băng tuyết diễn biến ngày càng phức tạp ở Việt Nam, ảnh
hưởng đến nhiều mặt của đời sống, chúng tơi muốn đóng góp cơng sức của mình
vào việc nghiên cứu các quy trình chế tạo các bề mặt có tác dụng chống lại băng
tuyết, định hướng ứng dụng vào cuộc sống và sản xuất. Các bề mặt chống đóng
băng gián tiếp sẽ được chế tạo trên nền vật liệu Nhôm, vốn là vật liệu thông dụng

của cuộc sống và cơng nghiệp. Các tiêu chí sẽ được kiểm nghiệm sao cho mang
tính thực tế nhất, gồm có: độ bền liên kết, khả năng kháng băng tuyết. Cùng với
đó, mẫu sẽ được kiểm nghiệm sau nhiều lần đánh giá độ lặp lại và khả năng ứng
dụng vào thực tế.
Tiếp nối các nghiên cứu đã có và mong muốn tối ưu hóa hơn nữa khả năng
chống băng tuyết của các bề mặt lấy cảm hứng thiên nhiên, tôi tin tưởng rằng các
kết quả nghiên cứu sẽ xây dựng một quy trình chế tạo bề mặt chống băng tuyết
có tính ứng dụng cao trong tương lai.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Chế tạo thành công các bề mặt chức năng lấy ý tưởng từ thiên nhiên định
hướng ứng dụng chống đóng băng.

2


- Chứng minh được hiệu quả chống dính ướt/ chống băng tuyết của các bề
mặt chức năng so với các bề mặt thông thường.
- Đưa ra được các đánh giá, kiến nghị, và xác định được định hướng nghiên
cứu tiếp theo.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về hiện tượng đóng băng, hiện tượng dính ướt và
khơng dính ướt, đưa ra kết luận về mối tương quan giữa sự tạo mầm với
hiệu năng chống đóng băng.
- Chế tạo bề mặt chức năng lấy ý tưởng từ thiên nhiên, khảo sát đặc tính bề
mặt.
- Thực nghiệm
- Kết luận
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu có liên quan
đến vấn đề, phân tích, tổng hợp tài liệu.

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xử lý bề mặt vật liệu bằng các
phương pháp như mài mòn, ăn mòn ướt, sơn phủ; Phương pháp hiển vi
điện tử quét (SEM) để nghiên cứu hình thái bề mặt của vật liệu; Phương
pháp quan sát dùng camera tốc độ cao kết hợp đồng hồ bấm giây.
5. Đối tượng nghiên cứu
- Hiệu năng chống dính ướt/ chống băng tuyết của các bề mặt cấu trúc chế
tạo trên vật liệu thông dụng: Nhôm
6. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số bề mặt đến hiệu năng chống dính
ướt/ chống đóng băng và khảo sát hiệu năng trên các phương diện khác
nhau: độ bền liên kết, khả năng kháng băng tuyết, thời gian chuyển pha.

3


7. Cấu trúc của luận văn.
Cấu trúc luận văn dự kiến gồm phần mở đầu, phần nội dung (3 chương),
phần kết luận. Cụ thể như sau:
Phần mở đầu:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ
3.1. Về khả năng chống bám bẩn
3.2. Về hiệu năng chống băng tuyết
KẾT LUẬN

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Các thành tựu khoa học công nghệ thế kỉ 21 là kết quả của sự phát triển
của công nghệ nano, kiến tạo nên những “thế giới mới” cho con người – thế giới
vi mô. Tiềm năng và sự phát triển của cơng nghệ nano nhanh chóng thu hút các
nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực từ công nghiệp, kĩ thuật, văn hóa, nơng nghiệp
đến qn sự. Một cách khái quát, công nghệ nano được định nghĩa là sự chế tạo
và kiểm sốt vật chất với ít nhất một chiều có kích thước từ 1 đến 100 nanomet.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của công nghệ nano đó là thay
đổi đặc tính của các bề mặt vật liệu nhằm định hướng cho các ứng dụng khác
nhau trên cùng một vật liệu nền [1,16]. Các bề mặt chức năng (functional
surfaces) ngày càng trở nên phổ biến trong cuộc sống của con người. Những
chiếc điện thoại với màn hình chống bám bẩn, những chiếc kính chắn gió hồn
tồn chống lóa giúp an tồn hơn khi di chuyển, các đường ray tàu hỏa chống lại
băng tuyết giúp di chuyển an toàn hơn…. đã và đang là những ứng dụng mà con
người hướng tới. Tự nhiên, với tư cách như một người truyền cảm hứng, đã luôn
gợi mở cho con người những hình thái đặc biệt và tồn tại bền bỉ trong những mơi
trường khắc nghiệt và khó khăn nhất: chim cánh cụt với cấu trúc lông hai cấp
micro/nano kết hợp với dầu từ tuyến mồ hôi giúp chúng sinh tồn trong môi trường
lạnh giá và dễ dàng di chuyển trong biển cả , mắt ve sầu hấp thụ gần như hoàn
toàn ánh sáng tới để hạn chế thu hút con mồi [39,5,12], các con bọ cánh cứng
trên sa mạc Namib khơ hạn vẫn thu thập được nước trong gió cát để sinh tồn
[10,17,23],…Những hình thái thú vị đó là nguồn cảm hứng vô tận cho các chế
tạo mô phỏng phục vụ cho cuộc sống của con người.
Từ việc tìm kiếm và thấu hiểu được các hình thái đến việc mơ phỏng được
chúng là cả một q trình đầy khó khăn và đòi hỏi nhiều sự đầu tư. Để tạo lập
nên những bề mặt chức năng như vậy, về mặt phương pháp tiếp cận có thể chia
ra thành 03 phương cách chính: xử lý bề mặt (surface treatment) [9,30], thay đổi
5


cấu trúc (surface modification) [9,37], và sơn phủ bề mặt (surface coating)

[7,28,34,40]. Trong đó, các phương pháp với mục đích sửa đổi bề mặt trực tiếp
trên vật liệu nền như ăn mòn và in thạch bản là khá hạn chế do phạm vi hoạt
động của chất nền bị hạn chế và sự phức tạp của chúng khi yêu cầu các nguyên
tắc nhất định mới có thể chế tạo được như: loại chất phản quang, bước sóng ánh
sáng, thời gian phơi sáng. Các nghiên cứu gần đây của TS. Nguyễn Thanh Bình
và cộng sự đã trình bày các kết quả ăn mịn ngay trên bề mặt Nhơm bằng acid và
khảo sát các yếu tố có liên quan, cho thấy kết quả khá tốt khi tạo ra một bề mặt
cấu trúc đa lớp micro-nano. Bằng cách kiểm soát nồng độ acid và thời gian ăn
mịn, họ có thể tạo ra được các cấu trúc như mong muốn cho các mục đích khác
nhau [19,22]. Ngồi ra, nhóm nghiên cứu của giáo sư Hyuneui Lim tại Viện Máy
và Vật liệu Hàn quốc (Daejeon – Hàn quốc) đã trình bày phương pháp ăn mịn
khơ ngay trên bề mặt thủy tinh và cho thấy những cấu trúc rất đều đặn [20,25].
Bằng cách sử dụng một đơn lớp hạt Polystyrene phủ trên bề mặt và ăn mòn bằng
plasma theo chiều từ trên xuống, một cấu trúc đều đặn hình nón cụt được tạo lập
ngay trên bề mặt thủy tinh. Một cấu trúc như vậy vừa cho thấy hiệu quả quang
học vừa cho thấy khả năng chống bám bẩn, chống dính ướt, chống ăn mịn và
chống băng tuyết rất tốt.
Ngồi việc thay đổi đặc tính bằng cách tạo lập các cấu trúc ngay trên mặt
vật liệu nền, phủ bề mặt là một trong những cách tiếp cận hiệu quả nhất để thay
đổi các đặc tính bề mặt rắn. Khác với “sửa đổi bề mặt trực tiếp”, lớp phủ được
coi là một phương pháp biến đổi gián tiếp thông qua các q trình Hóa học hoặc
Vật lý để tạo nên một lớp các chất mới với các đặc tính hoàn toàn khác trên bề
mặt nền như một lớp bảo vệ hoặc lớp đa chức năng. Nhờ điều đó, phạm vi ứng
dụng của cả vật liệu nền và các phương pháp chế tạo đã được mở rộng ra rất
nhiều chứ khơng cịn bị giới hạn vì đặc tính của vật liệu nền và lớp phủ nữa. Các
phương pháp cụ thể để phủ bề mặt có thể kể đến như bay hơi hóa học (Chemical
Vapor Deposition – CVD), bay hơi vật lý (Physical Vapor Deposition – PVD),

6

sơn phủ (Spray Coating),… với đa dạng các loại hợp chất hóa học để thay đổi
năng lượng bề mặt vật rắn ban đầu như: FOTS (Fluoroorthortetrasilane), PFPE
(PerFluoroPolyEther), hay các hợp chất họ FC (FluoroCarbon) như FC40,
FC70…
Các nghiên cứu hiện đại gần đây đã được tiến hành theo hướng kết hợp cả
hai phương thức này: tái cấu trúc và phủ bề mặt. Bằng cách đó, bề mặt ban đầu
sẽ đạt được các hiệu quả trên mong đợi so với khi chỉ sử dụng một trong hai
phương pháp. Các nghiên cứu gần đây của PGS.TS. Nguyễn Bá Đức trên bề mặt
thủy tinh đã trình bày một cách kết hợp giữa việc ăn mịn sâu Ion bằng plasma
với phủ bề mặt hóa học bằng hợp chất FOTS. Nhờ đó, thủy tinh vừa cho thấy độ
truyền qua vượt trội (trên 95% so với 89% của thủy tinh nguyên bản) vừa chứng
tỏ khả năng chống dính ướt mơ phỏng hồn hảo hình thái của lá sen [20].
Các ứng dụng cụ thể mà việc chức năng hóa bề mặt hướng tới là các bề
mặt chống dính ướt (water repellency)[7,11,21], chống bám bẩn (self-cleaning)
[13,26], chống ăn mòn (anti-corrosion) [34], chống phản xạ (anti-reflective)
[3,35,38], chống băng tuyết (anti-icing), hay thu thập nước trong khơng khí
(water collection) [23]…Trong số đó, bề mặt chức năng chống dính ướt là một
trong những kĩ thuật được tập trung nghiên cứu nhiều nhất vì sự đang dạng trong
phương pháp chế tạo, tiềm năng tối ưu hóa, và quan trọng nhất bề mặt khơng
dính ướt là một bước đệm cho các ứng dụng xa hơi sau đó nhu chống bám bẩn,
chống vi khuẩn, chống ăn mòn, hay chống băng tuyết.
Trong thực tế, các bề mặt khơng dính ướt có thể giải quyết rất nhiều vấn
đề của cuộc sống. Các tính năng của bề mặt khơng dính ướt lấy cảm hứng từ tự
nhiên đã thu hút sự quan tâm trên toàn thế giới trong vài năm qua do các tính
chất đặc biệt và các ứng dụng tiềm năng của chúng. Khi nhìn lại, thiên nhiên, với
tư cách như là một người cố vấn thông thái của con người, đã trình bày vơ số bề
mặt sinh học biểu hiện hình thái khơng dính ướt như lá sen, chân tắc kè, con bọ

7

sa mạc Namib, nhện nước. Nhờ sự nỗ lực của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực,
cơ chế của sự kết hợp thơng minh tạo nên hình thái khơng dính ướt đó được làm
rõ, cũng như đã đề xuất được nhiều phương thức khác nhau để đạt được hình thái
đó. Về bản chất vật lí, để có được một bề mặt khơng dính ướt hồn hảo, địi hỏi
sự kết hợp chính xác và ổn định của lớp phủ nano và cấu trúc nano (độ nhám).
Trong đó, lớp phủ nano khơng dính ướt có thể được định nghĩa là một loại lớp
phủ bao gồm ít nhất một ngun liệu thơ có quy mơ nano đóng vai trị quan trọng
trong đặc tính của lớp phủ hoặc hình thái của lớp phủ siêu kỵ nước ở kích thước
nano trong một kích thước nhất định. Lớp phủ nano khơng dính ướt là một loại
vật liệu nano mới mẻ, đóng vai trị quan trọng trong q trình hydro hóa bề mặt
để tạo nên những đặc tính đáng chú ý. Các vật liệu phủ nano đã thúc đẩy sự thay
đổi mạnh mẽ trong lĩnh vực nghiên cứu bề mặt.
Đáng chú ý, định nghĩa về lớp phủ nano khơng hồn tồn liên quan với
định nghĩa của vật liệu nano truyền thống và cho đến nay khái niệm về lớp phủ
nano khơng dính ướt vẫn chưa được trình bày một cách rộng rãi. Cũng vì thế,
nhiều nhà nghiên cứu đã không tường minh khái niệm này trực tiếp trong các
cơng trình của họ. Tuy nhiên, với sự thừa nhận qua thời gian trong cộng đồng
của lĩnh vực khoa học bề mặt, hình thái dính ướt bề mặt nói chung có thể được
chia thành 4 trạng thái khác nhau tùy theo góc tiếp xúc (Water Contact Angle –
WCA) của bề mặt với nước tại mặt phân cách 3 pha. Trạng thái dính ướt và
khơng dính ướt được định nghĩa là WCA trong phạm vi tương ứng là 10° θ <90°
và 90° <θ <150°, là các chế độ thông thường nhất. Trạng thái hồn tồn dính ướt
và hồn tồn khơng dính ướt thú vị hơn đối với các khoảng WCA rất đặc biệt,
tương ứng là 0° < θ < 10° và 150° < θ < 180°. Trong đó, trạng thái đáng chú ý
nhất tất nhiên là hồn tồn khơng dính ướt, mô tả một trạng thái không thấm ướt
gần như hoàn hảo của bề mặt. Ngoài WCA rất cao, các bề mặt khơng dính ướt
có độ trễ góc tiếp xúc với nước cực thấp (Contact Angle Hysteresis - CAH) (<
5°) dẫn đến việc các giọt nước dễ dàng lăn tròn khỏi bề mặt.

8


Tất nhiên, khi xem xét tính đặc biệt của lớp phủ nano không thể phủ nhận
sự quan trọng của yếu tố cấu trúc (độ nhám), nghĩa là các vi cấu trúc kích thước
dưới micromet. Các thành tố có liên quan cần được cân nhắc khi chế tạo một bề
mặt mô phỏng như vậy bao gồm duy trì độ nhám cỡ nano, đảm bảo độ dày của
lớp phủ, độ ổn định cơ học và độ bền liên kết giữa lớp phủ và chất nền. Sự kết
hợp độc đáo trong đó các độ nhám cỡ nano xen kẽ với chất lỏng khiến chúng trở
thành một nền tảng đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực phủ nano
khơng dính ướt như đã đề cập trong một số nghiên cứu điển hình với các đặc tính
đã được đề cập ở trên.
Lá sen là hình mẫu điển hình nhất giúp con người người ta nhận ra tính
khơng dính ướt trong tự nhiên. Tuy nhiên, tại sao nó lại như vậy thì chưa ai biết.
Phải mất thêm vài thập kỷ nữa, cho đến khi kính hiển vi điện tử quét (Scanning
Electron Microscopy - SEM) ra đời thì bản chất của nó mới được làm sáng tỏ.
Nhờ SEM, người ta nhận thấy rằng bề mặt của lá sen có các “cột” với hình dạng
gần giống hình chop cụt, cách nhau 20–40 μm, mỗi cột được bao phủ bởi các cấu
trúc nhỏ hơn của các tinh thể sáp dạng thấu kính. Jiang và cộng sự là nhóm nghiên
cứu đầu tiên đã cho rằng độ nhám có kích thước nano đã tạo ra bề mặt khơng
dính ướt với một phần lớn khơng khí bị cơ lập [6,11,36]. Đây cũng là bề mặt đầu
tiên được chế tạo mô phỏng về tính khơng dính ướt dựa trên cấu trúc nano. Theo
sau đó là một loạt các nghiên cứu và nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu. Họ đã
phát hiện ra rằng các cấu trúc phân cấp kích thước nano chứ không phải là cấu
trúc micromet riêng lẻ, mới thực sự là thuộc tính tạo nên các bề mặt khơng dính
ướt ổn định. Trên thực tế, đối với các bề mặt có cấu trúc, nhằm tìm hiểu mối
quan hệ giữa độ nhám và độ dính ướt, các mơ hình đã được Wenzel và Cassie –
Baxter đề xuất và ứng dụng từ rất lâu. Hai mơ hình này mơ tả các trạng thái thấm
ướt khác nhau và cung cấp nền tảng lý thuyết cho các nghiên cứu sau này. Để có

được trạng thái Cassie – Baxter, các vật liệu năng lượng bề mặt thấp, như nhóm
–CF3, hợp chất silyl hoặc fluorocarbon, là những nhóm chức phổ biến của các

9


hóa chất phủ nano để tạo lập một bề mặt khơng dính ướt lấy, cảm hứng từ các
tinh thể sáp dạng thấu kính của lá sen.
Một trong những đích đến cuối cùng của bề mặt chống dính ướt đó là mục
tiêu chống băng tuyết. Những năm gần đây nhiều nghiên cứu đã được đề xuất
nhằm ngăn chặn hoặc giảm thiểu vấn đề đóng băng trên nền các bề mặt khơng
dính ướt với nhiều loại vật liệu đa dạng. Nói chung, các giải pháp chống băng
tuyết có thể được chia thành 2 cách tiếp cận chính: trực tiếp và gián tiếp. Chống
đóng băng trực tiếp (de-icing) là sử dụng các phương pháp như cơ học, nhiệt học,
chất lỏng,… để loại bỏ băng đóng trên các bề mặt, trong khi chống đóng băng
gián tiếp (anti-icing) là sử dụng các phương pháp lý hóa can thiệp vào bề mặt để
khiến cho băng khơng thể hình thành được trên bề mặt, hoặc trong trường hợp
xấu nhất khi băng đã hình thành thì chúng sẽ được loại bỏ một cách dễ dàng.
Luận văn này sẽ trình bày việc chế tạo bề mặt chức năng lấy cảm hứng từ
thiên nhiên và đánh giá khả năng chống băng tuyết của nó. Các kết quả thu được
sẽ làm rõ sự ảnh hưởng của các thông số bề mặt đến hiệu năng chống đóng băng,
đưa các kết luận khoa học và làm cơ sở cho việc đề xuất các phương hướng
nghiên cứu trong tương lại. Các kết quả sẽ được tham chiếu với các nghiên cứu
có liên quan trong lĩnh vực nghiên cứu cũng như đối sánh các kết quả nghiên cứu
để nêu bật được phương pháp chế tạo mới và các ứng dụng tiềm năng. Ngoài ra,
luận văn sẽ đưa ra những câu hỏi mở, những thách thức còn lại và xu hướng phát
triển của lĩnh vực này.
1.1.

Hiện tượng băng tuyết.

Sự đóng băng, hay hóa rắn, là sự chuyển pha trong đó chất lỏng chuyển

thể sang dạng rắn khi nhiệt độ của nó hạ xuống dưới điểm đóng băng. Đối với
hầu hết các chất, điểm nóng chảy và đóng băng là cùng nhiệt độ. Đơn giản và
gần gũi nhất là băng, tuyết trong tủ đá, trong giàn lạnh của điều hòa hay tủ
lạnh. Những năm gần đây ở Việt Nam băng tuyết xuất hiện thường xuyên, đặc

10


biệt ở khu vực miền núi phía Bắc, gây nhiều trở ngại cho cuộc sống
[2,15,31,32,36]. Về bản chất băng và tuyết đều là dạng rắn của nước nhưng
khác nhau về cơ chế hình thành.

Hình 1.1: Băng tuyết gây ra tai nạn liên hoàn do trơn trượt
Tuyết là một mạng tinh thể phức tạp, được hình thành từ trong hơi nước
lạnh ở nhiệt độ dưới -10°C, khi môi trường thúc đẩy các phân tử nước tụ hợp
thành các mầm tinh thể. Các mầm tinh thể này nhanh chóng lớn lên, tụ hợp với
các khối tinh thể khác để tạo thành các bơng tuyết và rơi xuống dưới. Có rất
nhiều kiểu tinh thể tuyết, hình dáng phụ thuộc vào điều kiện mơi trường khi hình
thành mầm tinh thể như nhiệt độ, độ ẩm, độ linh động của phân tử khí… Ngồi
ra, cấu trúc phân tử của nước, cụ thể là góc hợp bởi nguyên tử Oxy với hai nguyên
tử Hydro cũng là một yếu tố quyết định đến việc định hình cấu trúc tinh thể. Để
hình thành tuyết từ những khối khí tinh khiết là điều rất khó khăn vì u cầu về
năng lượng cần thiết cho tạo mầm. Thực nghiệm đã ghi nhận tinh thể khơng hình
thành ngay cả khi hạ nhiệt độ khối khí xuống tới -40oC!. Ngược lại, những tinh
thể này dễ dàng hình thành và phát triển xung quanh các hạt ngoại lai (hạt bụi)
xuất hiện trong khối khí. Điều này được giải thích bởi năng lượng cần thiết cho
việc tạo mầm không đồng nhất là rất nhỏ so với trường hợp khối khí tinh khiết
(tạo mầm đồng nhất). Tuyết có màu trắng vì đặc trưng cấu trúc của nó. Ánh sáng

11


với tất cả các bước sóng bị tán sắc và phản xạ, vì thế sau khi cộng gộp lại chúng
sẽ trơng có màu trắng. Tuyết vẫn có thể rơi khi ở ngoài trời trên 30oC và xảy ra
khá thường xuyên ở các nước ôn đới. Nguyên nhân là nhiệt độ nơi bơng tuyết
hình thành vẫn đảm bảo điều kiện tạo thành tinh thể, và vì lí do nào đó nó có thể
rơi hơn vài km mà khơng tan chảy nên chúng có thể chạm tới mặt đất.

Hình 1.2: Hình dạng tinh thể tuyết có cấu trúc khác nhau được hình thành trong
điều kiện áp suất khí quyển là một hàm nhạy của nhiệt độ và trạng thái siêu bão
hòa của hơi nước (Libbrecht, 2005) [14]
Băng là tên gọi một khối rắn của nước, hình thành từ các giọt có kích thước
lớn. Băng dễ dàng tìm thấy ở tất cả các các vật dụng gần bề mặt trái đất trong
điều kiện lạnh giá. Về mặt bản chất Vật lí, băng lạnh hơn tuyết mặc dù cả hai đều
được tạo thành từ nước, nhưng băng là một khối rắn, trong khi tuyết là một mạng
tinh thể phức tạp. Để hình thành băng, cần sự tích tụ dày đặc của tuyết. Các sơng
băng là một ví dụ điển hình của sự chuyển đổi này. Hàng năm, các lớp tuyết mới
sẽ rơi xuống và nén các lớp trước đó. Lực nén này làm tuyết kết tinh lại tạo thành
các khối lớn có kích thước và hình dạng tương tự như hạt đường. Nước đá là
hình thái băng phổ biến nhất, dạng tinh thể lập phương. Nó có thể được hình
thành từ nước lỏng ở áp suất trên 30.000 atm bằng cách hạ nhiệt độ của nó xuống
nhiệt độ phịng, hoặc bằng cách giải nén nước nặng (Deteri D2O) xuống dưới
95K.

12


Băng tuyết gây ra nhiều trở ngại và nguy hiểm cho cuộc sống, an tồn giao

thơng và sản xuất của con người. Băng hình thành trên cánh và thân máy bay
làm thay đổi cấu trúc khí động học, mất lực nâng của cánh máy bay và dẫn đến
các tai nạn thảm khốc. Băng hình thành trên đường gây trơn trượt, tai nạn giao
thông nghiệm trọng; băng kết trên hệ thống truyền tải điện có thể làm hư hỏng,
đứt gãy, gây tai nạn cho người và xe cộ; băng trên cánh máy phát điện, trên hệ
thống làm lạnh của điều hòa, tủ lạnh làm giảm hiệu năng và tuổi thọ thiết bị …Tại
Việt Nam gần đây tuyết thường rơi nhiều vào mùa lạnh tại Sapa, Lào Cai, Hà
Giang làm nuôi trồng bị ảnh hưởng, gia súc ốm bệnh chết khá nhiều.
Về bản chất, đóng băng là q trình kết tinh, nghĩa là sự chuyển pha từ
lỏng sang rắn của nước trong đó các nguyên tử hoặc phân tử được tổ chức thành
một cấu trúc được gọi là tinh thể. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố như:
nhiệt độ, áp suất, thời gian bay hơi của chất lỏng. Mức độ mà các phân tử sẽ kết
tinh phụ thuộc vào cường độ của lực nguyên tử, lực liên phân tử hoặc lực nội
phân tử. Qúa trình kết tinh xảy ra theo hai bước chính: tạo mầm và tăng trường
tinh thể, được thúc đẩy bởi các đặc tính nhiệt động lực học cũng như các tính
chất hóa học. Tạo mầm có 2 loại là: Tạo mầm đồng nhất và Tạo mầm không
đồng nhất.
1.2.

Tạo mầm đồng nhất và không đồng nhất
Tạo mầm là quá trình các phân tử hoặc nguyên tử chất tan phân tán trong

môi trường bắt đầu tập hợp một cách ngẫu nhiên lại thành từng khối bền vững
trong các điều kiện cụ thể để tạo thành các hạt nhân (mầm tinh thể). Quá trình
này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt đô, nồng độ, thời gian. Đây là một q
trình hồn tồn ngẫu nhiên và được chia ra hai trường hợp: tạo mầm đồng nhất
(hạt nhân hình thành ngay bên trong chất lỏng), và tạo mầm không đồng nhất
(hạt nhân hình thành trên mặt tiếp xúc với hạt ngoại lai). Sự khác nhau quan trọng
giữa hai loại tạo mầm đồng nhất và tạo mầm không đồng nhất là năng lượng liên

13


kết - năng lượng cần thiết cho tạo mầm đồng nhất lớn gấp nhiều lần so với tạo
mầm không đồng nhất [29]. Trong thực tế, sự tạo mầm đồng nhất rất hiếm khi
xảy ra do năng lượng cần thiết để tạo mầm là rất cao so với tạo mầm không đồng
nhất. Các nhà thực nghiệm đã làm lạnh nước tinh khiết xuống đến nhiệt độ -40°C
nhưng vẫn chưa thể quan sát được sự hóa rắn của nó, trong khi nếu cho nước tiếp
xúc với một bề mặt chất rắn nào đó thì q trình hóa rắn diễn ra ở nhiệt độ ∼0°C.

Hình 1.3: Sơ đồ phân loại quá trình tạo mầm
Quá trình tạo mầm rất nhạy cảm với các tạp chất trong mơi trường. Q
trình tạo mầm là một q trình hồn tồn ngẫu nhiên, vì thế trong hai hệ thống
giống hệt nhau sự tạo mầm vẫn sẽ xảy ra ở những thời điểm khác nhau và vị trí
khác nhau. Trong môi trường pha hiện tại, các dao động vi mô xuất hiện và phân
rã liên tục cho đến khi có một sự biến động lớn bất thường khiến các phân tử tụ
họp lại thành cụm và đạt tới một kích thước nhất định gọi là hạt nhân cho pha
mới.

14


Hình 1.4: So sánh năng lượng cần thiết để hình thành tạo nhân trong tạo mầm
đồng nhất và không đồng nhất.
Từ hình 1.4 cho thấy năng lượng tạo mầm ∆G cho quá trình tạo mầm
đồng nhất lớn hơn rất nhiều cho qua trình tạo mầm khơng đồng nhất. r* và r0 là
bán kính của hạt nhân, với r* là giá trị cực đại của r0.
1.3. Thực trạng nghiên cứu trong và ngoài nước về chống băng tuyết.
Các nghiên cứu về chống băng tuyết trong và ngoài nước được đẩy mạnh
nghiên cứu và đã thu được nhiều kết quả đáng chú ý. Về mặt phương pháp tiếp

cận, chống băng tuyết được chia ra thành 2 hướng chính được thừa nhận trong
cộng đồng nghiên cứu đó là tiếp cận trực tiếp và gián tiếp.
1.3.1. Chống băng tuyết trực tiếp
Là xử lý băng tuyết sau khi nó đã được hình thành, làm tan băng có thể
được thực hiện bằng phương pháp cơ học (cào, cậy, đập), thông qua việc áp dụng
nhiệt (sấy, thổi nóng) bằng cách sử dụng các hóa chất khơ hoặc lỏng được thiết
kế để hạ thấp điểm đông đặc của nước (các loại muối khác nhau, rượu, glycol),
hoặc bằng sự kết hợp của những kỹ thuật khác nhau. Các kĩ thuật có thể được
trình bày như sử dụng hệ thống khí nén, hệ thống điện, hệ thống khí nén, hay sử
dụng chất lỏng làm tan băng [8,24,32].

15


Hệ thống khí nén
Băng tuyết thường được bắt gặp ở cánh, đuôi và động cơ của máy bay.
Máy bay tốc độ thấp thường tiến hành khử băng bằng khí nén trên các mép trước
của cánh và đi để khử đóng băng trong chuyến bay. Các lớp phủ cao su được
bơm căng theo định kỳ, khiến băng bị nứt và bong ra. Khi hệ thống được kích
hoạt bởi phi cơng, chu kỳ co giãn sẽ tự động được kiểm soát để “bẻ gẫy” các
khối băng bám trên cánh và thân máy bay.
Hệ thống điện
Một số máy bay cũng có thể sử dụng các điện trở được nung nóng bằng
điện được tích hợp trong một tấm cao su gắn với các cạnh trước của cánh và bề
mặt đuôi, cánh quạt. Hệ thống điện như vậy được hoạt động liên tục. Trước tiên,
chúng hoạt động như hệ thống khử băng đã hình thành, và sau đó sẽ là hệ thống
phịng băng tuyết để máy bay có thể hoạt động bình thường trong điều kiện băng
tuyết. Một hệ thống do NASA phát triển phát hiện băng trên bề mặt bằng cách
cảm nhận sự thay đổi tần số cộng hưởng. Khi một cảm biến điện tử xác định
băng đã hình thành thì sẽ có một dòng điện lớn sẽ được đưa qua đầu dò để tạo ra

một cú shock cơ học mạnh, làm nứt lớp băng và khiến nó bị bong ra.
Hệ thống khí nén
Hiện này nhiều máy bay có cánh cố định hiện đại sử dụng hệ thống chống
đóng băng ở rìa đầu của cánh, cửa hút động cơ bằng khí nén. Khơng khí được
thổi ra từ các máy nén của động cơ phản lực hoặc phản lực cánh quạt và dẫn vào
một khoang bên dưới bề mặt cánh để chống đóng băng. Khơng khí nóng sẽ làm
tăng nhiệt độ bề mặt lên vài độ, ngăn khơng cho băng hình thành.
Hệ thống khí nén có thể tự động bật và tắt khi máy bay đi vào và rời khỏi
khu vực có điều kiện băng tuyết. Hệ thống này phổ biến ở máy bay lớn do ảnh
hưởng tiêu cực đến hiệu suất của động cơ.
Hệ thống chất lỏng
16