Trong thế giới vật liệu, bề mặt siêu kị dầu đang nổi lên như một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn. Bài viết này sẽ đưa bạn đi sâu vào khám phá những bí mật đằng sau khả năng đẩy lùi dầu tuyệt vời của chúng, từ cơ sở lý thuyết đến quy trình chế tạo và ứng dụng thực tế. Hãy cùng tìm hiểu về tiềm năng to lớn của công nghệ này trong tương lai!
Chất rắn, chất lỏng và chất khí là ba trạng thái cơ bản của vật chất. **Khả năng thấm ướt** của bề mặt rắn, phụ thuộc vào tương tác giữa pha rắn/lỏng/khí, có ý nghĩa to lớn đối với sự sinh tồn của động vật/thực vật và đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Các vật liệu thể hiện khả năng thấm ướt cực độ đặc biệt hấp dẫn.
Bề mặt siêu kị nước và bề mặt siêu kị dầu, trên đó giọt nước và giọt dầu có góc tiếp xúc (CAs) trên 150°, là các giao diện được nghiên cứu rộng rãi nhất về khả năng thấm ướt, do khả năng đẩy lùi nước hoặc dầu tuyệt vời của chúng. Lấy cảm hứng từ các tính năng hấp dẫn tự nhiên của bề mặt siêu thấm ướt, người ta đã cố gắng thay đổi khả năng thấm ướt của các vật liệu khác nhau bằng cách tạo ra một cấu trúc vi mô nhám phân cấp hoặc bằng cách sửa đổi chất nền bằng một lớp phủ hóa học vì lý do là khả năng thấm ướt của bề mặt vật liệu chủ yếu được điều chỉnh bởi cả cấu trúc vi mô hình học bề mặt và thành phần hóa học bề mặt.
Để tồn tại và thích nghi với môi trường khắc nghiệt, các loài tự nhiên đã phát triển tất cả các loại bề mặt đa chức năng hoàn hảo sau hàng triệu năm tiến hóa và chọn lọc tự nhiên, thể hiện sự thống nhất và phối hợp giữa cấu trúc và hiệu suất. Do đó, có rất nhiều động vật và thực vật có bề mặt với khả năng thấm ướt đa dạng, chẳng hạn như đặc tính tự làm sạch của lá sen, lực dính cao của cánh hoa hồng, khả năng thấm ướt dị hướng của lá lúa, độ bám dính có hướng của cánh bướm, khả năng chống sương mù của mắt muỗi, khả năng thu nước của bọ cánh cứng sa mạc, khả năng giữ không khí lâu dài dưới nước của thực vật Salvinia và khả năng của nhện nước để đi bộ và nhảy trên mặt nước. Người ta thấy rằng cả vi cấu trúc phân cấp và thành phần hóa học trên đỉnh chúng đều dẫn đến đặc thù của các sinh vật trên, điều này truyền cảm hứng cho con người thiết kế và chuẩn bị các bề mặt bionic với khả năng thấm ướt đặc biệt.
Khi một giọt chất lỏng nhỏ được đặt lên bề mặt rắn, một hiện tượng sẽ xảy ra: giọt này trước tiên chạm vào chất nền và tạo thành một đường tiếp xúc ba pha (TPCL); sau đó, TPCL tiếp tục tiến và cuối cùng dừng lại khi nó đạt đến một bán kính nhất định, tạo thành một đoạn gần như hình cầu của giọt này. Năm 1805, nhà vật lý người Anh Thomas Young lần đầu tiên mô tả các lực tác dụng lên một giọt được đặt trên một bề mặt phẳng lý tưởng. Ông cho rằng góc tiếp xúc (θ) của giọt chất lỏng chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng/sức căng bề mặt giữa các giao diện rắn–hơi (γSV), rắn–lỏng (γSL) và lỏng–hơi (γLV) theo công thức sau: cosθ = (γSV − γSL)/γLV. Phương trình này chỉ phù hợp với một bề mặt nhẵn lý tưởng. Ngay từ năm 1936, Wenzel đã nhận ra tác động của độ nhám lên khả năng thấm ướt của bề mặt vật liệu.
Sự hình thành của trạng thái thấm ướt Cassie là rất quan trọng để đạt được siêu kị dầu. Tuy nhiên, không phải tất cả các vi cấu trúc nhám đều có thể tạo ra trạng thái thấm ướt Cassie mạnh mẽ với các giọt chất lỏng có sức căng bề mặt cực thấp (chẳng hạn như dầu, rượu và các dung môi hữu cơ khác). Các CA Young của các chất lỏng này nhỏ hơn nhiều so với 90° trên bất kỳ bề mặt rắn phẳng nào. Ngoài vi cấu trúc bề mặt nhám và thành phần hóa học năng lượng bề mặt thấp, độ cong bề mặt tái nhập đóng vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế các bề mặt siêu kị dầu. Hình 5a và b cho thấy hai sơ đồ về các tình huống rắn–khí–lỏng giả thuyết nếu một chất lỏng tiếp xúc với hai loại chất nền nhám. ψ là góc hình học cục bộ của kết cấu. Chúng tôi cho rằng hai chất nền này được tạo thành từ cùng một vật liệu và do đó có cùng năng lượng bề mặt tự do, vì vậy chất lỏng đã cho trên hai chất nền cho thấy góc tiếp xúc nội tại hoặc Young bằng nhau, θ. Đối với tình huống θ < ψ, như trong Hình 5a, có một lực kéo xuống ròng tác dụng lên giao diện lỏng–khí. Lực kéo này có thể thúc đẩy chất lỏng xâm nhập vào thung lũng của các vi cấu trúc nhám và làm ướt kết cấu rắn, tạo thành trạng thái tiếp xúc Wenzel được làm ướt hoàn toàn. Tuy nhiên, trong trường hợp θ > ψ trong Hình 5b, lực kéo ròng theo hướng lên trên. Lực kéo ròng có xu hướng đẩy giao diện lỏng–khí lùi về mép trên của các vi cấu trúc, dẫn đến giao diện ba pha (rắn/khí/lỏng). Do đó, để tạo thành một trạng thái Cassie mạnh mẽ, điều kiện θ ≥ ψ phải được đáp ứng.
Kể từ khi Tuteja và cộng sự tiết lộ tầm quan trọng của độ cong bề mặt tái nhập để đạt được siêu kị dầu vào năm 2007, người ta đã công nhận rằng sự kết hợp giữa thành phần hóa học với năng lượng bề mặt siêu thấp (chủ yếu là các hợp chất –CF3) và độ nhám bề mặt thích hợp (bao gồm cả vi cấu trúc tái nhập) là con đường hứa hẹn nhất để chế tạo bề mặt siêu kị dầu trong không khí. Xét đến việc hầu hết các loại dầu đều có sức căng bề mặt nhỏ hơn nước, các bề mặt siêu kị dầu trong không khí thường cũng đẩy lùi nước. Cho đến nay, nhiều loại bề mặt thể hiện cả tính siêu kị dầu và siêu kị nước đã được báo cáo. Bản chất của các bề mặt như vậy được xác định bằng thuật ngữ "siêu kị nước lưỡng tính". Tất cả các bề mặt siêu kị dầu có vi cấu trúc tái nhập, trong Phần 3.1, đồng thời thể hiện tính siêu kị nước trong không khí. Do đó, các bề mặt siêu kị dầu có cấu trúc kết cấu tái nhập này thực sự là siêu kị nước lưỡng tính. Phần sau đây sẽ hiển thị một số ví dụ khác về bề mặt siêu kị nước lưỡng tính.
Khi nhu cầu về vật liệu đa chức năng với khả năng thấm ướt đặc biệt ngày càng tăng, hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm đến việc thiết kế và chế tạo các bề mặt siêu kị dầu có một loạt các ứng dụng thực tế. Phần này chủ yếu tập trung vào các chức năng mới và điển hình của bề mặt siêu kị dầu, cả trong không khí và dưới nước, bao gồm khả năng chống dầu, tự làm sạch, tách dầu/nước, thao tác giọt dầu, chắn hóa chất, chống tắc nghẽn, thiết kế vi thấu kính lỏng, thu giữ dầu, bám dính sinh học, hướng dẫn chuyển động của dầu giọt và nổi trên dầu.
Pan và cộng sự đã điều chế một lớp phủ phức hợp được tạo thành từ PDMS liên kết ngang và POSS fluorodecyl 50% khối lượng. Sau khi phủ hợp chất này lên lưới thép không gỉ bằng phương pháp quay tĩnh điện, lưới kim loại thể hiện một cấu trúc bề mặt phân cấp thô ráp có độ cong tái nhập ở cả quy mô vĩ mô và vi mô. Sự tương tác giữa độ cong tái nhập, vi cấu trúc thô ráp phân cấp và năng lượng bề mặt rắn thấp đã mang lại cho lưới phủ một khả năng siêu kị nước tuyệt vời. Bề mặt phủ hầu như đẩy lùi tất cả các chất lỏng hữu cơ và vô cơ, bao gồm dung môi và các loại axit/bazơ khác nhau. Ngoài ra, bề mặt thu được thể hiện độ trễ CA thấp và độ bám dính siêu thấp đối với về cơ bản tất cả các chất lỏng Newton. Một loạt các tia của các chất lỏng khác nhau (ví dụ: dimethylformamide, toluene, axit axetic, hexadecan, hexylamin, PDMS) có thể dễ dàng bật trên bề mặt mẫu, chứng minh các đặc tính chống dầu tuyệt vời, như trong Hình 23d.
Mặc dù đã có nhiều tiến bộ đáng kể, nhưng bề mặt siêu kị dầu vẫn đang trong giai đoạn "chập chững" phát triển. Việc thiết kế và hiện thực hóa các bề mặt siêu kị dầu phức tạp và tinh tế hơn vẫn là những thách thức lớn. Tuy nhiên, với sự tham gia của ngày càng nhiều nhà khoa học và kỹ sư, tương lai của bề mặt siêu kị dầu là tươi sáng và thú vị, do giá trị thương mại và tiềm năng to lớn của chúng.
Bài viết liên quan