Bài học từ thiên nhiên: Hiệu ứng lá sen “Lotus-Effect”

Hoa sen (Lotus flower) là biểu tượng của sự tinh khiết trong nhiều nước Châu Á trong đó có cả Việt Nam. Lý do chính cho sự lựa chọn này có thể do sự tinh khiết và khả năng làm sạch của lá sen. Ngay cả khi được mọc lên trong bùn lầy, nhưng lá sen không bao giờ bị bùn bẩn.

Cũng thật thú vị, khi từ thời xa xưa nhân dân Việt Nam đã từng ấp iu bài ca dao nổi tiếng về loài hoa này:

“Trong đầm gì đẹp bằng sen
Lá xanh bông trắng lại chen nhị vàng
Nhị vàng, bông trắng, lá xanh
Gần bùn mà chẳng hôi tanh mùi bùn.”

Người Việt Nam chúng ta hát ca, còn người Tây thì họ đi tìm hiểu🙂. Dù sao cá nhân tôi cũng rất thích và ngưỡng mộ họ ở điểm này.

Điều làm chúng ta ngạc nhiên là mặc dù có một lịch sử lâu đời của khoa học với rất nhiều nhà khoa học lớn, nhưng chúng ta phải đợi tới năm 1975 mới biết đến “hiệu ứng lá sen” được phát hiện bởi hai nhà thực vật học Barthlott và Neinhuis [1] từ Đại Học Bonn chứ không phải từ các nhà vật lý hay hóa học. Trước phát hiện của họ, quan điểm chung cho rằng một bề mặt nhẵn mịn thì bụi bẩn và nước sẽ ít bám dính hơn trên nó. Bằng các sử dụng kính hiểm vi quét chui hầm SEM (scanning electron microscope), hai nhà khoa học trên đã phát hiện ra bề mặt các lá sen là một thứ gì đó khác biệt nhưng mượt mà. Nó cho thấy một sự kết hợp tinh tế giữa các cấu trúc nano và micro để tạo ra một bề mặt thô ráp. Lời giải thích cho hiệu ứng nằm trong hai tính chất vật lý sau: các tính chất của cấu trúc micro làm nhiệm vụ đẩy nước (nước bị lăn tròn trên lá sen) và các cấu trúc nano tìm thấy trên đầu mỗi cấu trúc micro được làm từ các chất sáp (cấu trúc này “ghét” nước và làm các giọt nước bị vo tròn trên lá sen). Sự kết hợp tính tế này đã tạo ra một cấu trúc có khả năng tự làm sạch bụi bẩn và nước trên bề mặt của mình, đó là những gì Barthlott và Neinhuis gọi là “Hiệu ứng – Lá sen” (Lotus-Effect) [Hình 1.].

Để hiểu được các quy luật vật lý đứng đằng sau hiệu ứng trên, chúng ta sẽ sơ lược hai tính chất thú vị sau.

Đầu tiên đó là mô hình giọt nước trên một bề mặt:

Hình 2. Mô hình giọt nước trên một bề mặt chất rắn

Hình dạng của giọt nước trên một bề mặt là được xác định bởi ba lực kéo tại ba đường tiếp xúc của ba pha khác nhau, đường ở giữa pha rắn (bề mặt) và pha lỏng (giọt nước) kí hiệu là γS,L, giữa pha rắn và pha khí (không khí) là γS,V, và giữa pha lỏng và pha khí là γL,V [Hình 2.]. Tất cả ba lực này sẽ xác định được giá trị của ứng suất bề mặt (còn gọi là sức căng bề mặt). Góc tiếp xúc θ sẽ phụ thuộc vào tenxơ ứng suất này.

Sự gồ ghề (nhám) của bề mặt làm tăng khả năng hút nước của các bề mặt “thích” (hydrophilic) nước (θ<90°). Giọt nước lúc đó dường như sẽ bị loang ra trên bề mặt thích nước. Sự hút nước bị giảm khi θ>90° đối với bề mặt “ghét” (hydrophobic) nước. Sẽ cần một năng lượng lớn để làm ướt được các bề mặt ghét nước như vậy. Năng lượng tốt nhất đạt được đó là khi giọt nước nằm trên đầu giống như “một võ sĩ nằm trên bàn đinh” [Hình 3.].

Hình 3. Bề mặt “thích” nước (trái) và bề mặt “ghét” nước (phải)

Tính chất vật lý tiếp theo chúng ta đề cập ở đây sẽ là khả năng tự làm sạch của lá sen.

Một giọt nước trên một bề mặt cực ghét nước như lá sen sẽ không bị trượt ra ngoài khi lá sen bị nghiêng, mà chúng sẽ bị lăn như một trái bóng tròn vậy. Khi giọt nước lăn đến chỗ bị bẩn trên mặt lá, lực hấp thụ của giọt nước với bụi bẩn là cao hơn lực ma sát tĩnh giữa bụi bẩn và mặt lá. Kết quả là giọt nước sẽ làm sạch lá bằng cách lăn chúng đi [Hình. 4].

Hình 4. Cơ chế tự làm sạch của lá sen

Wow, giờ bạn nghĩ gì, bạn đã thích biểu tượng lá sen của đất nước chúng ta chưa, và nghĩ gì nếu da chúng ta cũng “siêu siêu ghét nước” như lá sen. Oh!, chúng ta sẽ không cần tắm hằng ngày >.<

Note: Các hình trong bài được lấy từ: http://lotusleafeffect.org/
[1] Barthlott, Wilhelm; Ehler, N. (1977). “Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten”. Tropische und subtropische Pflanzenwelt (Akad. Wiss. Lit. Mainz) 19: 110.

2 comments

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s