Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc nanô ppt

Hiệu ứng bề mặt ở
cấu trúc nanô
Bám dính (con thạch thùng)
Không dính ướt (hiệu ứng lá sen)
Dính ướt (hiệu ứng lá hoa hồng)
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)
Hiệu ứng bề mặt
Bám dính (con thạch thùng)
Tại sao thạch thùng có thể bám chặt tốt?
Hiệu ứng bề mặt - Sợi “lông” nanô
Sợi lông sắp xếp như
bàn chải đánh răng
Mỗi sợi lông chính tua ra các sợi lông con
4 bàn chân có tất cả
6,5 triệu sợi lông
(dài 200 nm, đường
kính 10-15 nm)
•
Bám dính do keo ?
•
Ma xát ?
•
Móc vào nhau ?
•

Lực tĩnh điện ?
•
Lực mao quản ?
•
Lực hút van der Waals ?
Hiệu ứng bề mặt - Sợi “lông” nanô
•
Lực phân tử sinh ra bởi sự phân cực của các
phân tử thành các lưỡng cực điện
•
Giảm mạnh theo khoảng cách
•
Chỉ tồn tại ở khoảng cách nanômét
•
Diện tích tiếp xúc càng nhiều => Lực càng lớn:
diện tích 1cm2 thì lực dính trung bình là 30 kg/cm2
•
6,5 triệu sợi lông có tổng diện tích tiếp xúc có
khả năng chịu được 120 kg
Bài học ứng dụng từ tự nhiên
Bài học ứng dụng từ tự nhiên
Mặt dính nhân tạo polyimide
100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2
Sợi dài 200 µm và đường kính 0,2 µm
Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào
mặt thủy tinh nhờ mặt dính polyimide 0,5
cm
2
Mặt dính không keo
Chế tạo rôbốt biết leo tường

Bài học ứng dụng từ tự nhiên
Chống trơn, trượt lốp xe
Bài học ứng dụng từ tự nhiên
Máy hút bụi siêu nhỏ
làm sạch hạt bụi miromét trên các chip vi tính
An ninh: Điều tra tội phạm
Không dính ướt (hiệu ứng lá sen) và
bề mặt không thích nước
Tại sao bề mặt dính ướt/không dính ướt ?
khối u ở kích thước micromét
Bao xung quanh là các khối u
nhỏ hơn kính thước nanômét
được phủ bởi một loại sáp (vật
liệu “ghét” nước)
Bề mặt xốp
có cấu trúc nanô ?
Không dính ướt và bề mặt “ghét” nước
Hiệu ứng bề mặt
Bề mặt ghét nước Bề mặt thích nước
θ - góc tiếp xúc : θ < 90° bề mặt thích nước, θ > 90° bề mặt “ghét” nước
-
Năng lượng bề mặt (năng lượng bề mặt là năng lượng dùng để "bẻ đôi" một vật liệu )
-
Thích nước => Năng lượng bề mặt lớn (Kim loại, đá quí…)
-
Ghét nước => Năng lượng bề mặt nhỏ (sáp, tefnol…)
-
Hình thái học bề mặt
-
Với bề mặt “ghét” nước: càng lồi lõm => bọt không khí càng nhiều

=> càng tăng tính ghét nước (tăng θ)
- Với bề mặt thích nước: càng lồi lõm => tăng lực Val der Waal
=> càng tăng tính thích nước
Bề mặt thích nước Bề mặt ghét nước
Không dính ướt
bề mặt trơn phủ sáp
θ = 104°
bề mặt với khối u lớn
θ = 150°
u nhỏ nanomét bao quanh
θ= 160 – 180°
Các khối u lớn và nhỏ có tác dụng là giảm diện tích tiếp xúc
(giọt nước chỉ có 3 % diện tích tiếp xúc với bề mặt lá sen )
⇒
làm giảm năng lượng liên kết bề mặt
⇒
tăng tính không dính ướt trên các bề mặt ghét nước
Không dính ướt
•
Lớp biểu bì tiết ra một loại sáp có góc tiếp xúc của nước trên biểu bì là 105°
•
Nhờ những sợi lông con với đường kính vài micromét có các rãnh nhỏ vài trăm
nanomét => góc tiếp xúc tăng đến 168°
Tại sao muỗi đứng được trên nước Cấu tạo của chân muỗi
Bài học ứng dụng từ tự nhiên
Kính không dính ướt
Bài học ứng dụng từ tự nhiên
Kính thường Kính tự làm sạch
TiO
2

Giọt nước trượt Giọt nước lăn cuốn
theo bụi bẩn
Phủ lớp mỏng nanô
TiO
2
(~15 nm) lên kính
có tác dụng:
-
Hấp thụ bức xạ tử
ngoại của mặt trời tạo
ra hiệu ứng xúc tác
quang hóa, phân hủy
chất bẩn trên kính
-
Lớp xốp nanô chống
ướt và khi nước rơi
xuống bề mặt kinh,
các giọt nước hút
nhau, hình thành nên
một màn nước sẽ rửa
trôi chất bẩn
Sơn tự làm sạch
(sơn nanô), vải tự
làm sạch…
Kính sinh thái tự làm sạch
Bài học ứng dụng từ tự nhiên
Các sản phẩm tự làm sạch khác:
- Sơn tường tự làm sạch, sơn mái chống đông tuyết
- Sơn thân tầu chống bám rêu , giảm sức cản của nước
-

Vải chống thấm nước dùng trong y học
-
Chống kết dính trong các linh kiện micro
-

Vải tự sạchBình xịt phủ lớp tự làm sạchSàn nhà, gỗ,…
Hiệu ứng lá hoa hồng – Bề mặt thích nước
Tại sao ?
Hiệu ứng lá hoa hồng – Bề mặt thích nước
Các "ngọn đồi" micromét có chứa khe nano
dọc theo đồi
•
Các "ngọn đồi" micromét tạo
các khe không khí làm giảm
diện tích tiếp xúc nước với
bề mặt => giọt nước cuộn
tròn
•
Các khe nanô tạo ra vùng
tiếp xúc có lực van der
Waals làm nước bám dính
vào bề mặt cánh hoa (giống
thạch thùng)
Dính ướt – không dính ướt