Hiệu ứng bề mặt ở cấu trúc nano

Hiệu ứng bề mặt ở

cấu trúc nanô

Bám dính (con th(cid:1)ch thùng) Không dính (cid:2)(cid:3)t (hi(cid:4)u (cid:5)ng lá sen) Dính (cid:2)(cid:3)t (hi(cid:4)u (cid:5)ng lá hoa h(cid:6)ng)

Hiệu ứng bề mặt

Do đóng góp của hiệu ứng bề mặt: các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ

- Tỉ phần bề mặt/thể tích: S/V ~ 1/r lớn

- Năng lượng bề mặt chiếm ưu thế do liên kết bên trong lõi nhỏ

chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử

VD:

1g CNT có tổng diện tích bề mặt 1.000 m2

1 g TiO2 có các lỗ nanô tổng diện tích bề mặt 200-500 m2 (sân tennis)

Bám dính (con thạch thùng)

Tại sao thạch thùng có thể bám chặt tốt?

Hiệu ứng bề mặt - Sợi “lông” nanô

Sợi lông sắp xếp như bàn chải đánh răng

4 bàn chân có tất cả 6,5 triệu sợi lông (dài 200 nm, đường kính 10-15 nm)

Mỗi sợi lông chính tua ra các sợi lông con

Hiệu ứng bề mặt - Sợi “lông” nanô

• Bám dính do keo ?

• Ma xát ?

• Móc vào nhau ?

• Lực tĩnh điện ?

• Lực mao quản ?

• Lực hút van der Waals ?

• Lực phân tử sinh ra bởi sự phân cực của các phân tử thành các lưỡng cực điện

• Giảm mạnh theo khoảng cách

• Chỉ tồn tại ở khoảng cách nanômét

• Diện tích tiếp xúc càng nhiều => Lực càng lớn: diện tích 1cm2 thì lực dính trung bình là 30 kg/cm2

• 6,5 triệu sợi lông có tổng diện tích tiếp xúc có khả năng chịu được 120 kg

Bài học ứng dụng từ tự nhiên

Mặt dính không keo

Chế tạo rôbốt biết leo tường

Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào mặt thủy tinh nhờ mặt dính polyimide 0,5 cm2

Mặt dính nhân tạo polyimide 100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2 Sợi dài 200 µm và đường kính 0,2 µm

Bài học ứng dụng từ tự nhiên

Chống trơn, trượt lốp xe

Bài học ứng dụng từ tự nhiên

Máy hút bụi siêu nhỏ làm sạch hạt bụi miromét trên các chip vi tính

An ninh: Điều tra tội phạm

Không dính ướt (hiệu ứng lá sen) và

bề mặt không thích nước

Tại sao bề mặt dính ướt/không dính ướt ?

Không dính ướt và bề mặt “ghét” nước

khối u ở kích thước micromét

Bề mặt xốp có cấu trúc nanô ?

Bao xung quanh là các khối u nhỏ hơn kính thước nanômét được phủ bởi một loại sáp (v(cid:7)t li(cid:4)u “ghét” n(cid:2)(cid:3)c)

Hiệu ứng bề mặt

Bề mặt ghét nước Bề mặt thích nước Bề mặt thích nước Bề mặt ghét nước

- Năng lượng bề mặt (năng lượng bề mặt là năng lượng dùng để "bẻ đôi" một vật liệu )

- Thích nước => Năng lượng bề mặt lớn (Kim loại, đá quí…)

- Ghét nước => Năng lượng bề mặt nhỏ (sáp, tefnol…)

- Hình thái học bề mặt

- Với bề mặt “ghét” nước: càng lồi lõm => bọt không khí càng nhiều

=> càng tăng tính ghét nước (tăng θ)

θθθθ - góc tiếp xúc : θθθθ < 90° bề mặt thích nước, θθθθ > 90° bề mặt “ghét” nước

=> càng tăng tính thích nước

- Với bề mặt thích nước: càng lồi lõm => tăng lực Val der Waal

Không dính ướt

bề mặt trơn phủ sáp θθθθ = 104°

bề mặt với khối u lớn θθθθ = 150°

u nhỏ nanomét bao quanh θθθθ= 160 – 180°

Các khối u lớn và nhỏ có tác dụng là giảm diện tích tiếp xúc

(giọt nước chỉ có 3 % diện tích tiếp xúc với bề mặt lá sen )

⇒ làm giảm năng lượng liên kết bề mặt

Không dính ướt

⇒ tăng tính không dính ướt trên các bề mặt ghét nước

Tại sao muỗi đứng được trên nước Cấu tạo của chân muỗi

• Lớp biểu bì tiết ra một loại sáp có góc tiếp xúc của nước trên biểu bì là 105° • Nhờ những sợi lông con với đường kính vài micromét có các rãnh nhỏ vài trăm nanomét => góc tiếp xúc tăng đến 168°

Bài học ứng dụng từ tự nhiên

Kính không dính ướt

Giọt nước trượt

Giọt nước lăn cuốn theo bụi bẩn

Kính thường Kính tự làm sạch TiO2