Công nghệ Nano và vật liệu phỏng sinh học pptx

Công nghệ Nano
và vật liệu phỏng
sinh học




Thiên nhiên có nhi
ều
điều rất kỳ thú. Con
tắc kè rất dễ d
àng bò
hay đứng yên ở bức
vách thẳng đứng,
thậm chí còn bò ngửa trên trần,
coi thường sức hút của quả đất.


Lá sen luôn sạch sẽ, mưa to hay
mưa nhỏ chỉ thấy những giọt
nước tròn lăn xuống, lá hoàn
toàn không ướt. Có những loại
bướm có đôi cánh rực rỡ sắc
màu, thay đổi được dư
ới ánh mặt
trời Vậy bề mặt chân tắc kè, lá
sen, cánh bướm làm bằng chất
liệu gì, có cấu trúc như thế nào

mà có được tính năng đặc biệt
đến như thế?

Mắt thường, kính hiển vi quang h
ọc
như đã dùng phổ biến lâu nay còn
quá thô sơ để tìm hiểu những cấu
trúc tinh vi mà thiên nhiên đã sáng
tạo ra. Gần đây, những loại kính
hiển vi hiện đại như hiển vi điện tử
quét, hiển vi lực nguyên tử, những
loại máy vi phân tích mới cho biết
cấu tạo chất ở từng micromét,
nanomét đã được sử dụng và cho
phép giải thích được tại sao một số
loài vật, cây cỏ có những khả năng
kỳ diệu đó. Giải mã được những
câu hỏi này, người ta tìm cách bắt
chước làm ra nh
ững vật liệu có tính
năng đặc biệt phục vụ cho lợi ích
của con người. Dần dần ngành
khoa h
ọc mới: phỏng sinh học nano
để làm vật liệu chức năng đã ra đ
ời.
Chúng ta hãy xem xét một vài
thành tựu của ngành khoa học mới
này.

Bắt chước tắc kè chế tạo vật liệu
có chức năng bám dính khô

Mỗi bàn chân tắc kè có 5 ngón, đ
ầu
mỗi ngón chân nhìn kỹ thấy có các
lát mỏng chen dày. Phải dùng đến
hiển vi điện tử quét mới nhìn thấy
rõ đầu của mỗi lát mỏng này có rất
nhiều sợi lông, tỉ mỉ đếm thì có đ
ến
5.000 sợi lông trên một milimét
vuông, cả bàn chân tắc kè có đến
nửa triệu sợi lông như vậy, mỗi sợi
dài khoảng hai lần đường kính sợi
tóc, cấu tạo bằng chất kêratin.
Phóng đại to hơn lại thấy cuối mỗi
sợi lông là một chùm có đến hàng
nghìn sợi nhỏ hơn n
ữa, mỗi sợi nhỏ
này có dạng cong hình mũi hài.
Vậy là cả 4 bàn chân tắc kè có đến
500.000 x 4 x 1.000 = 2.109 (hai t
ỉ)
sợi lông cực nhỏ, đường kính mỗi
sợi vào c
ỡ 200 nanomet. Những sợi
lông cực nhỏ này lại có cơ chế tự
làm sạch, không bao giờ dính bết

lại với nhau. Nhờ vậy, tắc kè để
bàn chân vào bất cứ bề mặt nào là
có hằng hà sa số đầu sợi lông dạng
mũi hài tiếp xúc với bề mặt tác
dụng lên bề mặt lực van der
Waals(*). Đ
ối với mỗi sợi lông, lực
bám dính này rất nhỏ nhưng vì có
quá nhiều sợi lông tích tiểu thành
đại nên lực bám dính của bàn chân
tắc kè với bề mặt rất lớn, lớn hơn
trọng lượng của nó. Đây là l
ực bám
dính lên bề mặt khô, không có chất
keo dính nào.

Điều lý thú nữa là một khi đã bám
dính chặt vào bề mặt như vậy,
muốn gỡ dính, tắc kè thực hiện rất
tài tình. Nó không nhấc ngay cả
bàn chân ra mà lần lượt nhấc từng
nhóm lông nhỏ ra theo cách "chia
để trị", không "bẻ đũa cả bó" mà b
ẻ
từng chiếc một. Vật liệu có chức
năng bám dính khô như chân tắc k
è
thật là quý, rất cần cho con người.
Làm được vật liệu đó dán vào đế
giày, găng tay rồi trang bị cho lính

cứu hoả chắc chắn việc leo tr
èo vào
nơi nguy hiểm để cứu chữa sẽ rất
nhanh chóng. Tương tự, bộ đội đặc
công, cảnh sát hình sự sẽ có khả
năng "xuất quỷ nhập thần".

Các nhà khoa học ở Đại học
California (Berkeley, Mỹ) đã thử
làm người máy với bàn chân có rất
nhiều sợi lông tinh vi bằng polyme
để chân có thể bám dính theo kiểu
tắc kè nhằm sử dụng cho việc thám
hiểm trên sao Hoả. Đại học Akron
ở Ohio và Đại học Bách khoa ở
Reusslaer (Mỹ) đầu năm 2005, đã
công bố làm được ống nano bằng
vật liệu tổng hợp để làm kết dính
khô theo kiểu chân tắc kè.

Người ta thấy rằng ống nano
cacbon có đường kính vào cỡ sợi
lông con ở chân tắc k
è, còn các tính
chất cơ học thì vượt trội hơn nên đ
ã
dùng sợi nano cacbon nhiều vách
MWNT (multiwalled nanotube)
mọc lên bề mặt thạch anh (hay
silic), cho một lớp polyme hình

thành sát bề mặt, khi bóc ra có
được một lớp polyme với rất nhiều
ống nano cacbon nhô lên. Dùng
keo dán lớp polyme này lên b
ề mặt,
thí dụ đế giày thì nó sẽ có tính bám
dính khô như bàn chân tắc kè.

Đã có các vườn ươm công nghệ
(start-up) triển khai nghiên cứu và
đưa vào sản xuất thử vật liệu bám
dính khô kiểu tắc kè, ph
ục vụ nhiều
nhu cầu cụ thể của đời sống.


Bắt chước lá sen làm vật liệu
không ướt, tự làm sạch

Lá sen gần bùn nhưng luôn s
ạch sẽ,
mưa to hay nhỏ chỉ thấy trên lá
những giọt nước tròn to lăn xuống,
lá không bao giờ ướt, hơn nữa sau
mưa, lá lại xanh, sạch hơn. Dùng
hiển vi điện tử quét quan sát kỹ thì
thấy bề mặt lá sen không phải
phẳng phiu mà trái lại có rất nhiều
cột nhỏ nhô lên, kích thư
ớc mỗi cột

cỡ nanomet, đầu cột lại xù xì. Các
cột cách nhau cỡ micromet, giữa
các cột bề mặt lá sen lại rất bằng
phẳng. Vậy là
ở đây có cấu trúc hai
lần gồ ghề, gồ ghề ở từng đầu cột
và gồ ghề do có nhiều cột. Chưa
chắc chất liệu của lá sen là quan
trọng cho tính không thấm ướt, tự
làm sạch. Thật vậy, người ta thử
làm một bề mặt bằng đồng rất trơn
tru, trên bề mặt đó cho nổi lên các
cột cũng bằng đồng nhưng đầu cột
lại ráp (hình 3).

Kết quả bề mặt không thấm ướt
thật, góc ướt đến trên 1500, nếu có
các hạt nước li ti trên bề m
ặt, chúng
dễ dàng co cụm lại thành những
giọt nước to và lăn xuống, khi lăn
kéo theo cả bụi bặm (nếu có). Vậy
cơ chế không thấm ướt, tự làm s
ạch
là do cấu trúc của bề mặt. Thay đổi
cấu trúc một chút là có thể chuyển
từ không thấm ướt sang thấm ướt
hoàn toàn.

Bắt chước cấu trúc không bị thấm

ướt của lá sen, người ta đã làm và
bán ra thị trư
ờng loại polyme có gia
công bề mặt để nổi lên nhiều cột
nhỏ cỡ nano. Đem loại polyme này
dán lên bề mặt, ta sẽ có bề mặt
không thấm ướt, tự làm sạch như
mong muốn.

Nắm vững nguyên lý từ cấu trúc
d
ẫn đến chức năng, cũng từ vật liệu
polyme người ta có thế tạo ra bề
mặt thấm ướt hoặc không thấm ướt
rất cần thiết cho đời sống sinh hoạt
cũng như sản xuất hiện nay.


Bắt chước cánh bướm tạo màu
cho sợi dệt

Serge Berthier, giáo sư Đại học
Paris 7, chuyên về quang học vật
rắn, đã nhúng cánh bướm vào các
chất lỏng trong suốt có chiết suất n
khác nhau: aceton, n = 1,362;
tricloetylen, n= 1,478 (không khí
có chiết suất n = 1). ông nhận thấy
có 2 loại cánh bướm, một loại
nhúng vào thì màu sắc thay đổi,

một loại không thay đổi gì. Loài
bướm cánh có màu sắc thay đổi tên
là Morpho Codarti, đem nghiên c
ứu
ở hiển vi điện tử quét thì thấy ở
cánh có nhiều vảy nhỏ, mỗi vảy d
ài
cỡ 100 micromet, nằm úp sát nhau
đều đặn như mái ngói. Phóng đại
hơn thì thấy vảy có nhiều lớp, mỗi
lớp dày chừng 100 nanomet. Vậy l
à
đã rõ: nguyên nhân làm cho cánh
bướm loại này có màu sắc và màu
sắc thay đổi là do ở đây không
dùng hạt sắc tố màu mà là tạo màu
bằng nhiễu xạ và giao thoa. Những
lớp ở vảy tạo màu theo giao thoa
tương tự như màu sắc ở bong bóng
xà phòng. Những vảy nằm từng
hàng, từng dãy cách đều nhau là t
ạo
màu theo nhiễu xạ, tương tự như
khi ta nhìn ánh sáng phản xạ nhiều
màu sắc ở đĩa CD. Các chất có
chiết suất khác nhau làm thay đổi
quang lộ khác nhau nên tạo ra màu
sắc khác nhau.

Nếu bắt chước cánh bướm tạo màu

theo kiểu này thì màu sắc ít phai, ít
phải dùng nhiều hoá chất có hại
cho môi trường, lại có thể làm cho
màu sắc đổi thay, lung linh rất đẹp.

Các nhà công nghệ đã thử tạo mầu
cho sợi nhân tạo bằng cách kéo sợi
sao cho tạo thành các lớp mỏng b
ên
ngoài, mỗi lớp dày cỡ 100
nanomet. Càng tạo được nhiều lớp
thì màu sắc càng lung linh, càng
đẹp vì hiện tượng giao thoa ở m
àng
nhiều lớp bao giờ cũng cho cực đại
rõ, sắc nét hơn.

Khó khăn cần vượt qua là quy mô
sản xuất và giá thành. Tốc độ kéo
sợi nhân tạo hiện nay vào cỡ 100
km sợi trong một giờ. Nếu kéo sợi
có nhiều lớp mà lại khống chế đư
ợc
bề dày từng lớp thì chắc chắn tốc
độ kéo chậm hơn rất nhiều.

Tuy việc chế tạo sợi nhiều lớp hiện
nay còn khá đắt nhưng sợi nhiều
lớp để tạo màu theo kiểu giao thoa
đã bắt đầu phổ biến: dùng làm dấu

hiệu cho sản phẩm để chống làm
giả vì kéo sợi có nhiều lớp với
những màu giao thoa nhất định là
khó bắt chước, loại sợi này dệt
thành vải để mặc trong dạ hội, áo
quần sẽ có màu sắc lung linh theo
góc nhìn, một khi các bà, các cô đã
ưa thích thì vấn đề giá thành cao
không phải là điều hạn chế.

Phỏng sinh học không phải là bắt
chước thiên nhiên một cách máy
móc mà là tìm hiểu để bắt chước,
theo những nguyên lý mà thiên
nhiên đã sử dụng. Một điều quan
trọng nữa là thiên nhiên bao giờ
cũng dùng cách chế tạo vật liệu
theo kiểu từ dưới lên (bottom up).
Đã có những cách phỏng sinh học
làm vật liệu theo kiểu đó, thí dụ
làm hạt từ nano theo kiểu của vi
khuẩn từ, làm vật liệu xốp chứa
hyđro theo kiểu rong tảo tạo ra
điatômit Các nhà công ngh
ệ nano
đang có sẵn rất nhiều gương sáng
của thiên nhiên để học tập. Theo
cách này có thể làm được những
vật liệu rất cao cấp nhưng không
ph

ải sử dụng những máy móc, thiết
bị quá đắt tiền, điều mà các nước
đang phát triển rất chú ý tìm hiểu.