Khám phá công nghệ nano từ thế giới tự nhiên

Khi nhắc đến công nghệ nano, nhiều người sẽ nghĩ đến những công nghệ hiện đại như chip M1 trong các sản phẩm của Apple với công nghệ 5 nano mét, hoặc những vật liệu cực nhỏ được con người chế tạo như ống nano các bon hoặc graphene với độ dày chỉ bằng 100,000 lần so với đường kích sợi tóc. Nhiều người trong số chúng ta không biết rằng, thực tế thiên nhiên đã áp dụng công nghệ nano từ hơn 100 triệu năm trước.

Có lẽ một ví dụ điển hình nhất là loài tắc kè, đã khi nào chúng ta tự hỏi tại sao tắc kè có thể dễ dàng bò trên tường như “người nhện” mà chúng ta lại không? Bí mật nằm ở lòng bàn chân của tắc kè. Nếu chúng ta phóng to lòng bàn chân của chúng, chúng ta sẽ thấy chúng bao gồm những sợi lông đàn hồi có đường kính khoảng 5 micromet, và đầu của mỗi sợi lông này lại được chia thành các sợi nhỏ hơn với đường kính cỡ nanomet, như được biểu thị dưới Hình 1. Khi tắc kè đặt bàn chân lên tường, lực bám dính lúc này là thông qua lực hút tĩnh điện van der Waals giữa các sợi lông nano này và bề mặt tường. Mặc dù đây là một lực hút yếu, nhưng với số lượng hàng triệu sợi lông như vậy, tổng cộng của lực này rất lớn, và lớn hơn trọng lượng của cơ thể chúng rất nhiều. Điều đó giúp tắc kè có thể bò trên tường một cách thoải mái. Mặc dù tắc kè đã sử dụng công nghệ nano này từ hơn 100 triệu năm trước, gần đây với công nghệ hiện đại chúng ta mới có thể mô phỏng nguyên lý này cho một loại keo dính mới, được gọi là keo nano hoặc keo tắc kè. Loại keo này được chế tạo dựa trên các ống nano các bon với đường kính nano được cắm trên một chất nền polyme dẻo. Loại keo này có thể được tái sử dụng nhiều lần, nhưng tuổi thọ và độ bám dính đều thấp hơn nhiều so với chân tắc kè.

Hình 1: Cấu trúc vi mô và nano của bàn chân tắc kè. Ảnh từ Wikipedia.

Ngoài động vật thì thực vật cũng chứa những bí ẩn về công nghệ nano. Một trong những ví dụ điển hình đó chính là lá sen. Chúng sơ hữu một công nghệ được gọi là “hiệu ứng lá sen” với khả năng tự làm sạch bụi bẩn. Khi một giọt nước rơi trên bề mặt của lá sen chúng sẽ trôi đi kéo theo bụi bẩn mà không bị dính lại trên lá sen. Do đó lá sen luôn sạch sẽ đúng như câu ca dao :
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.

Nguồn gốc của hiện tượng siêu kỵ nước này là do độ nhám bề mặt của lá sen. Trên bề mặt của lá sen có những ụ siêu nhỏ có kích thước vài micromet. Trên các ụ này lại bao gồm các sợi có đường kính vài chục nanomet, như thể hiện trong Hình 2. Sự phân bố các sợi này trên bề mặt lá sen là cho các giọt nước chỉ có thể nằm trên đỉnh của những sợi này. Kết hợp với sức căng bề mặt của giọt nước và độ nghiêng của lá sen, các giọt nước sẽ bị trượt về phía cuống lá hoặc ra ngoài mép lá. Vì nguyên nhân của sự kỵ nước này là do các sợi trên bề mặt, nếu các bạn đốt nóng lá sen ở nhiệt độ khoảng 150°C để đốt cháy các sợi nano này, bề mặt lá sen sẽ không còn khả năng kỵ nước nữa. Công nghệ siêu kỵ nước này của lá sen là cảm hứng trong việc chế tạo những chiếc áo thông minh, kính chắn gió ô tô, hoặc cửa kính của các tòa nhà cao tầng có khả năng tự làm sạch. Tuy nhiên việc chế tạo các cấu trúc nano như vậy là không đơn giản. Và một lần nữa, chúng ta lại thua mẹ của tự nhiên.

Hình 2: Cấu trúc vi mô của lá sen. Ảnh từ Nanotechnology.

Trái với bề mặt siêu kỵ nước của lá sen, cây nắp ấm lại có một bề mặt siêu ưu nước. Khi một con côn trùng xấu số nào vô tình đậu trên lá cây nắp ấm, chúng sẽ trượt chân và rơi vào bên trong lá, nơi mà cây nắp ấm sẽ tiêu hóa chúng. Tại sao chúng lại luôn bị trượt chân? Bí mật là cấu trúc nano của bề mặt nắp ấp. Bề mặt của chúng bao gồm các cấu trúc nano bị nhăn lại (nanowrinkles), như được biểu diễn trong Hình 3. Cấu trúc này có chức năng giữa lại chất dịch bôi trơn hoặc nước trên bên mặt của lá, giống như rẻ rửa bát, có khả năng giữ lại nước. Điều kỳ diệu của bề mặt lá nắp ấm là chúng còn có khả năng tự phục hồi cấu trúc sau khi bẫy được con mồi. Công nghệ này là hữu ích để chế tạo các bề mặt siêu trơn trượt để chống lại hầu hết sự bán bẩn nào kể cả vi khuẩn. Tuy nhiên các công nghệ như vậy mới đang được thử nghiệm gần đây.

Hình 3: Cấu trúc vi mô của lá nắp ấm. Ảnh từ Đại học Sydney.

Tự nhiên vẫn còn chứa đựng rất nhiều điều bất ngờ. Những gì chúng ta không nhìn thấy được (các cấu trúc nano) và những gì chúng ta nhìn thấy được (khả năng bám dính, tự làm sạch, …) đều có một mối quan hệ nhân quả.

Nếu các bạn hứng thú với chủ đề này có thể đọc thêm về loại bài viết về thế giới nano này tại các bài viết blog trước:

Xin lỗi! tơ nhện, răng ốc đá mới là vật liệu tự nhiên bền nhất trên trái đất: https://nguyentuanhung.wordpress.com/2015/05/29/xin-loi-to-nhen-rang-bien-moi-la-vat-lieu-tu-nhien-cung-nhat-tren-trai-dat/

Ong bắp cày, bậc thầy về nhiệt điện:
https://nguyentuanhung.wordpress.com/2015/01/07/ong-bap-cay-bac-thay-ve-nhiet-dien/

Giọt sương trên cánh hồng:
https://nguyentuanhung.wordpress.com/2012/04/01/suong-tren-canh-hong-raindrops-on-roses/

Bài học từ thiên nhiên: Hiệu ứng lá sen “Lotus-Effect”:
https://nguyentuanhung.wordpress.com/2012/03/29/bai-hoc-tu-thien-nhien-hieu-ung-la-sen-lotus-effect/

Vẻ đẹp lộng lẫy của loài bướm:
https://nguyentuanhung.wordpress.com/2013/01/08/ve-dep-long-lay-cua-loai-buom/

Thế giới nanô dưới chân tắc kè “Gecko”:
https://nguyentuanhung.wordpress.com/2012/03/28/the-gioi-nano-duoi-chan-tac-ke-gecko/

2 comments

  1. Cảm ơn anh về bài viết thật thú vị. Thật sự em cũng đang làm về vật liệu nano mà thấy được nhiều điều mới mẻ từ bài viết của anh lắm luôn. Mặc dù không biết anh, và cũng không biết lần đầu tiên em đọc blog của anh là bằng cách nào và khi nào, vậy mà hôm nay blog có bài viết mới em lại nhận được thông báo qua email. Cảm ơn anh vì bài viết hữu ích, truyền tải thông tin khoa học một cách dễ hiểu tới mọi người.

    • Cám ơn bạn rất nhiều, dù có thể không nhiều người đọc blog này, nhưng chỉ cần một người đọc thấy hữu ích thì cũng là động lực cho mình rồi.

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 )

Connecting to %s