Đề tài : Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc na nô pot

NHÓM 2: Chủ đề


Với các thành viên :
Với các thành viên :
•
Phạm Văn Thanh < Team leader>
•
Phạm văn Cường
•
Nguyễn văn Cường
•
Nguyễn xuân Thái
•
Nguyễn văn Thực
•
Nguyễn hữu Kiên
•
Lương đình Bang
•
Bùi văn Phong
•
Trương văn Dũng
•
Hoàng hoa Thám

Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc nano
Bám dính(con thạch thùng)
Không dính ướt (hiệu ứng lá sen)
Dính ướt (hiệu ứng lá hoa hồng)


Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc nano
Do đóng góp của hiệu ứng bề mặt: các số nguyên
tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với
tổng số nguyên tử
Tỉ phần bề mặt/thể tích: S/V ~ 1/r lớn
Năng lượng bề mặt chiếm ưu thế do liên kết bên
trong lõi nhỏ
VD: 1g CNT có tổng diện tích bề mặt 1.000 m2
1 g TiO2 có các lỗ nanô tổng diện tích bề
mặt 200-500 m2 (sân tennis)




Tại sao thạch thùng lại làm được như thế ???

Lật bàn chân của con thằn lằn ta thấy những lá mỏng vắt ngang (Hình 1B). Dưới
kính hiển vi điện tử, khi phóng đại vài trăm nghìn lần, người ta không tìm thấy
chất keo gì đặc biệt cả. Nhưng người ta thấy những lá mỏng của bàn chân thạch
thùng có một cấu trúc rất đặc biệt giống như bàn chải đánh răng với những cụm
lông được sắp xếp với một thứ tự ngang dọc rất chính xác. Ở một độ phóng đại
to hơn, người ta thấy ở đầu mỗi sợi lông tua ra những sợi lông con có hình dạng
như cây chổi quét nhà (Hình 1D). Bốn bàn chân có tất cả 6,5 triệu lông con.
Chiều dài của sợi lông con này là 200 nm và đường kính là 10 - 15 nm (nhỏ hơn

sợi tóc 7000 lần). Đây là một cấu trúc nano thật hoàn hảo của thiên nhiên được
tạo thành từ một loại protein gọi là keratin. Keratin cũng là thành phần chính
trong vảy rắn, mu rùa, mỏ chim.
Hình 1: (A) Con
thạch
thạch
thùng
thùng
Tokay; (B) những lá mỏng
vắt ngang bàn chân nhìn từ
dưới lên; (C) lá mỏng là
những cụm lông có thứ tự
hình bàn chải đánh răng;
(D) sợi lông chính tua ra
những sợi lông con có hình
dạng như cây chổi quét
nhà; (E) những sợi lông con
và (F) cấu trúc sợi nano
nhân tạo [1].

Mặc dù cấu tạo bàn chân của các loại thạch thùng được biết rất rõ trong sinh
học và động vật học, nhưng cơ chế bám dính vẫn còn khó nắm bắt. Gần 200
năm qua, đã có 7 cơ chế được đề nghị:
•
Bám dính do keo ?
•
Sức hút (suction) ?
•
Ma xát ?
•

Cài vào nhau (interlocking) ?
•
Lực tĩnh điện ?
•
Lực mao quản ?
•
Lực hút van der Waals ?

Lực van der waals là gì??


•
Lực hút van der Waals là một lực liên phân tử (intermolecular force).
Trong các phân tử, điện tử thường không phân tán đồng đều gây ra sự
phân cực điện. Trong tập hợp nhiều phân tử, đầu dương của phân tử
này sẽ hút đầu âm của phân tử kế cận. Đó là lực van der Waals. Nó
chi phối cấu trúc tinh thể, độ nóng chảy, độ bay hơi và sự ngưng tụ
của nhiều hợp chất hoá học. Trong cuộc sống hằng ngày, ta ít thấy
những thí dụ thể hiện lực hút van der Waals vì lực rất yếu. Tuy nhiên,
nếu ta ép hai mảnh thủy tinh có mặt rất phẳng vào nhau, ta cần một
sức để cạy rời hai mảnh thủy tinh. Sự hút vào nhau của hai mảnh thủy
tinh là biểu hiện của lực van der Waals. Nếu hai mảnh thủy tinh thật
phẳng thì mặt tiếp xúc càng to, lực càng mạnh hơn. Nhưng trên thực
tế chúng ta không có một mặt phẳng nào "cực phẳng" ở một mức độ
lý tưởng. Theo lý thuyết, lực van der Waals tỷ lệ nghịch với khoảng
cách theo lũy thừa 7. Đây là lực có tầm cực ngắn (short range). Nói
một cách dễ hiểu hơn, sự gia giảm của lực hút cực kỳ nhạy với
khoảng cách, nếu ta đặt hai mặt phẳng xa gấp đôi thì lực giảm đi 128
lần (= 2^7). Sự lồi lõm ở một vài micromét (100 lần nhỏ hơn sợi tóc)
tạo ra kẽ hở giữa hai mặt phẳng cũng đủ làm triệt tiêu lực van der

Waals. Đó là lý do tại sao ta không nhìn thấy lực van der Waals trong
sinh hoạt hằng ngày.


•
Tạo ra một mặt siêu phẳng là một việc bất khả thi. Nhưng nếu bề mặt được cải
biến thành một bề mặt có cấu trúc sợi nano, diện tích tiếp xúc sẽ gia tăng hàng
triệu hàng tỷ lần. Lực hút van der Waals cũng tăng theo diện tích tiếp xúc đưa
ra khái niệm mới về sự bám dính: sự bám dính khô (dry adhesion). Ta hãy
nhìn lại bàn chân thạch thùng. cho thấy những sợi lông con với đường kính ở
thứ nguyên nano (10 - 15 nm) bám sát vào bề mặt cực kỳ hiệu quả. Kích
thước 10 - 15 nm là chiều dày của 10 đến 15 phân tử. Cái "bám sát cực kỳ
hiệu quả" hàm ý một hiện tượng chỉ xảy ra ở thế giới phân tử. Nhưng "sát"
đến bao nhiêu thì mới thấy sự hiệu quả? Người ta biết lực hút van der Waals
chỉ xuất hiện giữa hai vật thể khi được đặt "sát" ở khoảng cách nanomét.
Trong trường hợp bàn chân thạch thùng, để tạo một lực bám hữu hiệu khoảng
cách giữa các sợi lông con và mặt nền nhiều nhất là 2 nm, tương đương với
kích thước của 2 phân tử. Trên 2 nm, lực van der Waals biến mất.

•
1. Lực định hướng
là lực tương tác lưỡng cực với lưỡng cực .khi các phân tử đến gần nhau, do lực
tương tác tĩnh điện giữa các lưỡng cực vĩnh cửa của các phân tử gây nên. Lực
này tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và tỉ lệ thuận với moomen lưỡng cực. Khi nhiệt độ
tăng thì hoạt đọng của các phân tư tăng lên -> cản trở lưỡng cực, còn lực định
hướng càng lớn thì momem lưỡng cực càng lớn.
2. Lực cảm ứng (tương tác lưỡng cực cảm ứng)
lực cảm ứng xuất hiện một phân tử không phân cực ở bên cạnh một phân tử phân
cực. Do tác dụng của điên trường tạo ra bởi phân tử phân cực, làm cho phân tư
không phân cực bị phân cực, sự phân cực này gọi là phân cực do cảm ứng, các

phân tư hút nhau do cảm ứng.
3. Lực khuếch tán
trong phân tử các e luôn chuyển động liên tục còn hạy nhân thì dao đọng quanh
vi trí cân bằng . Có thời điểm sự chuyển động và dao đọng này làm cho sư phân
bố âm dương bị lẹch khỏi vị trí vân bằng, dẫn đến lưỡng cực tạm thời. -sự
định hướng tạm thời của các phân tử thận lợi về mặt năng lượng.
Lực var der waals :bao gồm 3 loại lực


•
Hình 2: Cấu trúc với nhiều thứ bậc của sợi lông bàn
chân thạch thùng .Sợi lông con rất mềm nên có thể
bám sát vào mặt nền lồi lõm rất hiệu quả .
Theo sự tính toán của Autumn, nếu toàn thể 6,5
Theo sự tính toán của Autumn, nếu toàn thể 6,5
triệu sợi lông con trên bốn bàn chân bám vào mặt
triệu sợi lông con trên bốn bàn chân bám vào mặt


nền cùng một lúc thì
nền cùng một lúc thì
thạch thùng
thạch thùng
có thể phình ra to
có thể phình ra to
bằng một chú lợn nặng 120 kg nhưng vẫn còn dính
bằng một chú lợn nặng 120 kg nhưng vẫn còn dính


trêntrần nhà! Bốn bàn chân tí hon chịu một sức nặng 120 kg phải gọi là "siêu dính". Nếu một

trêntrần nhà! Bốn bàn chân tí hon chịu một sức nặng 120 kg phải gọi là "siêu dính". Nếu một
bàn chân có diện tích 1 cm2 thì lực dính trung bình là 30 kg/cm2. Mặc dù lực van der Waals
bàn chân có diện tích 1 cm2 thì lực dính trung bình là 30 kg/cm2. Mặc dù lực van der Waals
yếu hơn các lực khác trong liên kết hóa học, nhưng vì bề mặt tiếp xúc của cấu trúc nano trở nên
yếu hơn các lực khác trong liên kết hóa học, nhưng vì bề mặt tiếp xúc của cấu trúc nano trở nên
cực lớn nên lực hút van der Waals tạo một sức chịu đáng kể. Trên thực tế toàn thể các sợi lông
cực lớn nên lực hút van der Waals tạo một sức chịu đáng kể. Trên thực tế toàn thể các sợi lông
con không thể bám vào mặt nền cùng một lúc. Theo kết quả đo lường của Autumn, hai bàn
con không thể bám vào mặt nền cùng một lúc. Theo kết quả đo lường của Autumn, hai bàn
chân trước của
chân trước của
thạch thùng
thạch thùng
có thể chịu một sức nặng gần 2 kg
có thể chịu một sức nặng gần 2 kg
.
.
Một cách chính xác hơn, diện
Một cách chính xác hơn, diện
tích bàn chân là 1 cm2 nên lực dính do lực van der Waals là 1 kg/cm2. Kinh nghiệm thường
tích bàn chân là 1 cm2 nên lực dính do lực van der Waals là 1 kg/cm2. Kinh nghiệm thường
ngày cho biết nếu ta cắt 1 cm2 băng keo văn phòng hay thậm chí dùng keo "super glue" gia
ngày cho biết nếu ta cắt 1 cm2 băng keo văn phòng hay thậm chí dùng keo "super glue" gia
dụng, các loại keo này không thể đạt được sức chịu 1 kg. Mặc dù con số này nhỏ hơn kết quả
dụng, các loại keo này không thể đạt được sức chịu 1 kg. Mặc dù con số này nhỏ hơn kết quả
tính toán 30 lần (30 kg/cm2), lực dính một ngón chân cũng đủ sức treo
tính toán 30 lần (30 kg/cm2), lực dính một ngón chân cũng đủ sức treo
thạch thùng
thạch thùng
lơ lửng giữa

lơ lửng giữa
trần nhà. Ngoài ra, động tác giở chân lên đặt chân xuống của
trần nhà. Ngoài ra, động tác giở chân lên đặt chân xuống của
thạch thùng
thạch thùng
hay chu kỳ từ bám
hay chu kỳ từ bám
dính đến tách rời (không dính) xảy ra rất nhanh, 20 lần trong một giây. Nếu toàn thể các sợi
dính đến tách rời (không dính) xảy ra rất nhanh, 20 lần trong một giây. Nếu toàn thể các sợi
lông con bàn chân bám vào mặt nền cùng lúc, e rằng bàn chân thạch
lông con bàn chân bám vào mặt nền cùng lúc, e rằng bàn chân thạch
th
th
ùng sẽ như đôi ủng dính
ùng sẽ như đôi ủng dính
bùn, làm sao có thể xoay sở để săn mồi, rượt đuổi? Phải nói cấu trúc của bàn chân thạch
bùn, làm sao có thể xoay sở để săn mồi, rượt đuổi? Phải nói cấu trúc của bàn chân thạch
th
th
ùng
ùng
là một sản phẩm tuyệt tác của tạo hóa được thiết kế để điều hòa sự bám dính và những động tác
là một sản phẩm tuyệt tác của tạo hóa được thiết kế để điều hòa sự bám dính và những động tác
cơ học đến mức tối ưu.
cơ học đến mức tối ưu.


Năm 2003, Geim và các cộng sự
viên chế tạo mặt dính với sợi
polyimide (thương hiệu: Kapton) .

Sợi có chiều dài 200 µm và đường
kính 0,2 µm (= 200 nm).


Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào
Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào
mặt thủy tinh với mặt dính nhân tạo
mặt thủy tinh với mặt dính nhân tạo
polyimide của Geim
polyimide của Geim



Ông dồn 100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2.
Ông dồn 100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2.
Mặt dính nầy có thể chịu một sức là 1 kg.
Mặt dính nầy có thể chịu một sức là 1 kg.
Sau đó, ông dùng 0,5 cm2 mặt dính này để treo
Sau đó, ông dùng 0,5 cm2 mặt dính này để treo


lơ lửng đồ chơi "Spiderman" nặng 40 g vào mặt thủy tinh
lơ lửng đồ chơi "Spiderman" nặng 40 g vào mặt thủy tinh
.
.


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 .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
thạch thùng là 1 kg/cm2 .
Hiệu ứng không đính ướt
(hiệu ứng lá sen)
và bề mặt không thích nước


Cấu trúc bề mặt lá sen
•
Vào đầu những năm 1990,
nhà thực vật học Wilhelm
Barthlott của Đại học Bonn
(Đức) đã chỉ ra được cấu trúc
khiến cho lá sen luôn khô ráo.
Trên mặt lá sen có vô số các
"bướu" nhỏ, được bao phủ bởi
một lớp sáp mỏng. Khi nước
mưa rơi xuống, những giọt
nước chỉ tiếp xúc với bề mặt lá
ở vài điểm rất nhỏ, do đó, khi
bề mặt lá đủ nghiêng, giọt
nước sẽ bị lăn đi dưới sức
nặng của chính nó, cuốn theo
các hạt đất cát bẩn. Chính vì
vậy, lá sen luôn trơn tuột và rất

sạch sẽ.

Bề mặt ghét nước Bề mặt thích nước
*bề mặt ghét nước:góc ghét nước >90° tiếp xúc bề
mặt nhỏ lại ,do chứa một loại chất hidrophobic
•
*bề mặt thích nước nước:góc ghét nước < 90° Do sự
tương thích giữa bề mặt chất với bề mặt chất lỏng
(hidrophylic)

Sự khảo sát hình dạng của giọt nước trên bề mặt có lịch
sử hơn 200 năm. Năm 1805, Young đã đưa ra một công
thức nổi tiếng nhưng đơn giản dựa vào sự cân bằng lực tại
mặt tiếp giáp,
gSV = gLV cos q + gSL
Ở đây, góc tiếp xúc q là góc ở trạng thái cân bằng trên một
mặt phẳng; gSV là năng lượng bề mặt của chất nền; gLV là
năng lượng bề mặt của chất lỏng (còn gọi là sức căng bề
mặt) và gSL là năng lượng giữa mặt tiếp giáp giữa chất
nền và giọt chất lỏng.

Giản lược những chứng minh toán học, năng lượng bề mặt được dùng để phỏng
đoán bề mặt đó thích hay ghét nước. Theo định nghĩa, năng lượng bề mặt là năng
lượng dùng để "bẻ đôi" một vật liệu. Như vậy, vật liệu cứng như kim cương sẽ
đứng đầu bảng, kế đến là gốm sứ, kim loại và sau cùng là các loại polymer (Bảng
1). Một vật liệu có năng lượng bề mặt càng cao thì bề mặt của nó lại càng thích
nước. Ngược lại, các vật liệu polymer như polyethylene (bọc nhựa gia dụng) và
Teflon có trị số ở cuối bảng nên là các vật liệu ghét nước.
Bảng 1: Năng lượng bề mặt của các vật liệu thông dụng
Bảng 1: Năng lượng bề mặt của các vật liệu thông dụng

•
Một số quan sát cho thấy góc tiếp xúc không những tùy thuộc vào năng lượng bề mặt của chất
nền mà còn bị ảnh hưởng bởi mô dạng của bề mặt . Nói một cách dễ hiểu, sự lồi lõm làm bề
mặt thích nước càng thích nước (góc tiếp xúc nhỏ hơn) và bề mặt ghét nước càng ghét nước
(góc tiếp xúc to hơn).
Bề mặt thích nước Bề mặt ghét nước


Theo lý thuyết của Wenzel (hay Kossen), cấu
trúc lồi lõm, xù xì gia tăng tính ghét nước của
bề mặt ghét nước. Điều này được thấy rõ
trên bề mặt lá sen. Bề mặt lá sen là một bề
mặt cực ghét nước có góc tiếp xúc là 161°.