Chế tạo bề mặt co giãn siêu kị nước

Một phương pháp quan trọng để có được các bề mặt co giãn siêu kị nước là phủ lên trên chất nền đàn hồi các cấu trúc ba chiều (3D) có độ gồ ghề khác nhau để có thể duy trì được bề mặt Cassie-Baxter khi bị kéo giãn.Với bề mặt này, ngoài chất lỏng tiếp xúc với chất rắn thì bên dưới chất lỏng còn có khí kẹt dưới đáy và bọt không khí càng nhiều thì góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt càng lớn, tức là làm bề mặt càng kị nước hơn.

Tuy nhiên, các bề mặt thu được gặp phải hai trở ngại lớn. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Northwestern cho biết. “Đầu tiên là thiếu sự linh hoạt trong việc thay đổi độ bám dính giữa các cấu trúc phân tầng và chất nền bên dưới do những khác biệt giữa 2 loại vật liệu; và thứ hai là không có khả năng để kiểm tra chi tiết vai trò của hệ thống phân tầng theo cấu trúc đối với tính siêu kị nước động (nghĩa là vật liệu vẫn có thể duy trì được khả năng kị nước ngay cả khi bị kéo giãn, khác với tính siêu kị nước tĩnh) do không thể kiểm soát chính xác các cấu trúc bề mặt cuối cùng”.

Trong bài báo mới được công bố trên Tạp chí Nano Letters, Odom và nhóm nghiên cứu báo cáo về mẫu chất nền 3D có các nếp gấp phân tầng có thể duy trì khả năng siêu kị nước ngay cả sau khi bị kéo giãn liên tục.

Nhóm của Odom đã phát hiện ra rằng phương pháp tạo ra bề mặt có các nếp gấp là phương pháp hiệu quả để tạo ra các mẫu ở cấp nano có trật tự và không có trật tự trên những diện tích lớn. Trong công trình nghiên cứu mới này, nhóm nghiên cứu sử dụng các nếp gấp nano phân tầng làm bằng vật liệu polydimethylsiloxane (PDMS) nguyên khối có khả năng siêu kị nước và co giãn nhờ các mẫu có độ chính xác cao.

Odom cho biết khả năng siêu kị nước động cho thấy việc giọt nước bị bật trở lại phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống phân tầng theo cấu trúc của bề mặt. Điều đáng ngạc nhiên là trên các nếp gấp 3D phân tầng, các nhà khoa học quan sát thấy tốc độ lan ra và bật trở lại của giọt nước là như nhau trước và sau khi bị kéo giãn 100% và họ cho rằng kết quả này là do chất nền có thể duy trì một phần hệ thống phân tầng theo cấu trúc 3D khi bị kéo giãn.

Ngoài ra, những nếp gấp phân tầng nguyên khối cho thấy độ bền cơ học tuyệt vời do chúng không có các vết rạn nứt hay khiếm khuyết cấu trúc thậm chí sau 100o chu kỳ co giãn. Vật liệu có các nếp gấp nano cho thấy các tính chất đặc trưng của tính siêu kị nước tĩnh với góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt >160o và góc tiếp xúc trễ rất thấp (<5°).

Một bề mặt được xem là kị nước hay ưa nước là dựa vào góc tiếp xúc giữa giọt nước với bề mặt rắn. Khi góc tiếp xúc nhỏ hơn 90o, ta có bề mặt ưa nước, lớn hơn 90o là bề mặt kị nước. Khi góc tiếp xúc lớn hơn 150o, bề mặt trở nên siêu kị nước. Góc tiếp xúc trễ cũng là một tiêu chí để phân loại bề mặt ưa nước hay kị nước. Nó là sự khác biệt giữa góc tiếp xúc tối đa và góc tiếp xúc tối thiểu của giọt nước trên bề mặt rắn. Nếu góc trễ càng nhỏ thì khả năng kị nước càng lớn điều này là do độ bám dính của bề mặt kém.

Để kiểm tra khả năng siêu kị nước được duy trì như thế nào khi chất nền bị kéo giãn, nhóm của Odom nghiên cứu hành vi kị nước động khi các giọt nước tiếp xúc với bề mặt.Trên các nếp gấp phân tầng bao gồm ba cấp độ độ dài khác nhau, nhóm nghiên cứu quan sát thấy các giọt nước nảy bật lại trên bề mặt. Các chất nền vẫn duy trì khả năng siêu kị nước khi vật liệu bị kéo giãn đến 100%. Khả năng siêu kị nước khi kéo giãn là do bản chất nguyên khối của các nếp gấp phân tầng cũng như khả năng duy trì một phần cấu trúc nano khi bị kéo giãn.

Các chất nền mềm dẻo có thể kéo giãn mà vẫn duy trì được khả năng siêu kị nước cũng rất quan trọng trong các ứng dụng chống đóng băng, kiểm soát sự ngưng tụ và kị nước động.Tuy nhiên, các bề mặt có tính siêu kị nước tĩnh (khả năng kị nước khi vật liệu giữ nguyên trạng thái ban đầu, không có sự biến dạng cơ học) khi bị kéo giãn không thể đảm bảo được khả năng kị nước hoàn toàn.

Các nhà khoa học lưu ý rằng, mặc dù khả năng kị nước hoàn toàn có thể xảy ra trên các bề mặt co giãn, việc mất khả năng này có thể là do tốc độ giọt nước rơi xuống bề mặt cao hơn.Đặc biệt, việc khẳng định rằng các giọt nước bị bật trở lại theo cách tương tự trước và sau khi kéo giãn là rất quan trọng để kiểm tra tính siêu kị nước động.

Do đó, sử dụng đặc tính động của tác động để sàng lọc các cấu trúc bề mặt có thể cung cấp sự hiểu biết mới để thiết kế chất nền tiên tiến mà vẫn duy trì khả năng siêu kị nước dưới các điều kiện động và biến dạng cơ học.

N.L.H (Theo nanowerk)