Bài giảng Cấu trúc NANO

Cấu trúc NANO Giọt nước – Cành sen – Hoa hồng Bề mặt chi phối đặc tính của vật thể ở tất cả mọi kích cỡ. Ở cấp độ vĩ mô (kích thước m, cm), hình dạng bề mặt của xe hơi, máy bay, tàu thủy điều chỉnh khí lưu và thủy lưu làm giảm sức cản của không khí hay nước; phân tán sóng radar gia tăng hiệu quả "tàng hình". Ở cấp độ trung mô (kích thước mm, micromét), mô dạng của bề mặt ảnh hưởng đến sự phản chiếu ánh sáng, âm thanh, truyền nhiệt, ma xát, mài mòn (wear), ăn mòn (corrosion). Ở cấp độ vi mô nanomét, sự tương tác giữa phân tử của hai môi trường khác nhau dẫn đến sức căng bề mặt, sự thấm ướt, sự bám dính (adhesion), tính ghét nước (hydrophobicity) và thích nước (hydrophilicity).                                              Hình 1: (a) Giọt nước trên bề mặt ghét nước (hydrophobic) và (b) giọt nước trên bề mặt thích nước (hydrophilic). Khi góc tiếp xúc nhỏ hơn 90°, ta có bề mặt thích nước, lớn hơn 90° là bề mặt ghét nước Khi góc tiếp xúc lớn hơn 150°, bề mặt trở nên "cực ghét" nước(superhydrophobic) γSV = γLV cos Ө + γSL Hình 3: Giọt nước trên bề mặt lồi lõm: (a) dạng Wenzel và (b) dạng Cassie. Công kết dính Tính công kết dính giữa dietyl eter và nước. Biết rằng : eter = 17,1 . 10-3 N.m-1 H2O= 72,75 . 10-3 N.m-1  eter-H2O = 10,70 . 10-3 N.m-1 Công thức Wenzel cos Ө' = R cos Ө (1) R là độ lồi lõm R : tỷ số giữa "diện tích bề mặt lồi lõm" và "diện tích bề mặt phẳng" R ≥ 1 Khi R vô cùng lớn (như các bề mặt có cấu trúc nano), nó trở nên vô nghĩa vì -1 ≤ cos Ө' ≤ 1 Công thức Kossen Cho bề mặt lồi lõm thích nước : cos Ө' = fs . cos Ө + fa (2) Cho bề mặt lồi lõm ghét nước : cos Ө' = fs . cos Ө - fa (3) fa + fs = 1 Ө là góc tiếp xúc của nước (chất lỏng) trên mặt phẳng Ө' là góc tiếp xúc của nước (chất lỏng) trên mặt lồi lõm. fa là tỷ suất rỗng (không khí), fs là tỷ suất chất rắn Thí dụ cho bề mặt thích nước:  Ө = 60°, fa = 0,5 , công thức (2) cho  Ө'= 41° Thí dụ cho bề mặt ghét nước:  Ө = 120°, fa = 0,5 , công thức (3) cho  Ө' = 139° Công thức Cassie Nếu bề mặt là một composite có 2 thành phần 1 và 2, ta có: cos  Ө' = f1 cos Ө1 + f2 cos Ө2 (4) f1 + f2 = 1 f1 và f2 là tỷ suất của thành phần 1 và 2 trong composite Ө' là góc tiếp xúc trên bề mặt composite.  Ө1 là góc tiếp xúc khi bề mặt chỉ là thành phần 1. Ө2 là góc tiếp xúc khi bề mặt chỉ là thành phần 2 Khi f2 là không khí, Ө2 = 180°,  cos 180° = -1   Công thức (4) trở thành: cos Ө' = f1 cos Ө1 - f2 (5) lotus effect Hiệu ứng lá sen, (Nguồn: Cấu trúc hai thứ bậc của lá sen: Khối u lớn trên mặt lá (hình trái), và hình phóng đại của khối u lớn (hình mặt) cho thấy các khối u nhỏ nanomét xuất hiện liti trên mặt khối u lớn Cấu trúc micro/nano của khối u làm gia tăng góc tiếp xúc: (a) bề mặt trơn với chất sáp, Ө = 104°, (b) bề mặt với khối u lớn, Ө = 150° và (c) bề mặt với khối u lớn và khối u nanomét, Ө = 160 – 180° Cơ chế "tự làm sạch" trên lá sen: giọt nước tròn cuốn trôi bụi (Nguồn: ). Con muỗi nước Θ = 105°  Θ =168° Sương mai trên cỏ Giọt mưa trên cánh hoa hồng Những "ngọn đồi” micromét trên cánh hoa hồng (hình trái) và các khe nano trên đỉnh đồi "hiệu ứng cánh hoa" (petal effect)  và cơ chế vừa ghét nước vừa thích nước Sự khác biệt giữa giọt nước trên cánh hoa hồng và lá sen