Công nghệ Nano và vật liệu phỏng sinh học

Chia sẻ: Nguyen Phuonganh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

213
lượt xem 80
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiên nhiên có nhiều điều rất kỳ thú. Con tắc kè rất dễ dàng 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ Nano và vật liệu phỏng sinh học

Công nghệ Nano và vật liệu phỏng sinh học Thiên nhiên có nhiều điều rất kỳ thú. Con tắc kè rất dễ dàng 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 dưới 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 học 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 những vật liệu có tính năng đặc biệt phục vụ cho lợi ích của con người. Dần dần ngành khoa học mới: phỏng sinh học nano để làm vật liệu chức năng đã ra đời. 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, đầu 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 đến 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 nữa, 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 tỉ) sợi lông cực nhỏ, đường kính mỗi sợi vào cỡ 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(*). Đối 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 lực 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 bẻ từng chiếc một. Vật liệu có chức năng bám dính khô như chân tắc kè 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 trèo 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 kè, còn các tính
chất cơ học thì vượt trội hơn nên đã 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 bề 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, phục 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 sạch 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 thước 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 mặt, 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 sạch 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 trường 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 dẫn 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 cứu ở hiển vi điện tử quét thì thấy ở
cánh có nhiều vảy nhỏ, mỗi vảy dài 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 là 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 tạo 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 bên 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 màng 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 được 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 nghệ 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 phải sử dụng những máy móc, thiết bị quá đắt tiền, điều mà các nước đang phát triển rất chú ý tìm hiểu.