Mỹ học trong cấu trúc nano:
bề mặt lá sen và hoa hồng

Trương Văn Tân

"God made solids, but surfaces were made by devils"

Wolfgang Pauli (Nobel Laureate in Physics, 1945)

1. Bức tranh đồng quê

Ao sen trong một ngôi đình làng bình dị hay một ngôi chùa tôn nghiêm là một hình ảnh vô cùng thân thiết của làng xóm Việt Nam. Thấp thoáng trong đó cái tĩnh lặng của ao sen, cái lung linh của những giọt sương mai đọng trên thảm cỏ xanh, vo ve tiếng của những loài côn trùng bay qua lại, thỉnh thoảng nhẹ nhàng đáp xuống mặt nước làm dao động mặt hồ yên tĩnh. Đằng kia bờ ao, con vịt mẹ dẫn một đàn con mới nở luồn lạch vào những khóm sen tìm mồi. Tất cả là những nét chấm phá thiên nhiên tạo thành một bức tranh mộc mạc đồng quê.

Vài năm trước, người viết có dịp ghé thăm Tây Hồ thuộc thành phố Hàng Châu (tỉnh Chiết Giang, Trung Quốc). Một góc của Tây Hồ là hồ sen đẹp nổi tiếng từ xưa. Một nhà thơ đời Tống khi dừng chân ở chốn này tức cảnh sinh tình viết lên một bài Đường thi tuyệt cú:

Tất cánh Tây hồ lục nguyệt trung
Phong quang bất dữ tứ thời đồng
Tiếp thiên liên diệp vô cùng bích
Ánh nhật hà hoa biệt dạng hồng

(Dương Vạn Lý)

Tạm dịch:

Cuối cùng Tây hồ đi vào tháng sáu
Cảnh vật không như bốn mùa trong năm
Lá sen xanh biếc tiếp nối đến chân trời
Hoa sen phản ánh mặt trời khoe dáng hồng đặc biệt

Đại văn hào Nguyễn Du cũng có lúc thả hồn nhớ thương cho một bóng hồng của một chân trời cũ, gởi gấm lòng mình vào bài thơ "Mộng đắc thái liên" (Nằm mộng thấy hái sen). "Liên diệp hà thanh thanh. Liên hoa kiều doanh doanh" (Lá sen, ôi, xanh xanh. Hoa mơn mởn xinh xinh). Nhà thơ cũng khuyên có hái thì hái nhẹ nhàng, chớ có xô bồ bẻ hoa ngắt lá; "Thái chi vật thương ngẫu. Minh niên bất phục sinh" (Hái hoa đừng hại ngó. Sang năm hoa chẳng sinh).

Câu ca dao "Trong đầm gì đẹp bằng sen. Lá xanh bông trắng lại chen nhụy vàng…" nói lên loài sen khiêm tốn không những góp phần vào việc mỹ hóa cảnh vật trong thi ca, nhưng cũng là một biểu tượng của Phật giáo tượng trưng cho sự tinh khiết. Đức Phật ngồi trên tòa sen, hoa sen nở theo từng bước chân đi của Đức Phật, những đóa hoa sen "gần bùn mà chẳng hôi tanh mùi bùn", là hình ảnh của sự tinh khiết trong Phật tánh, căn bản gọt dũa được những nỗi đau trần thế, gắn liền với niềm tin trong đạo Phật. Thật ra, "gần bùn mà không hôi bùn" của hoa sen chỉ là cách nói dân gian hơi cường điệu vì từ sự quan sát khách quan sự tinh khiết trong tinh thần Phật giáo không những nhìn thấy ở hoa sen mà còn ở lá sen.

Sen biểu hiện sự trong sạch trong phạm trù tôn giáo và điều này cũng đúng theo các định luật khoa học chi phối bề mặt lá sen. Những giọt nước lăn tròn trên lá sen đồng thời cũng cuốn trôi đi những chất bẩn, bụi bặm trên lá. Trong hai thập niên gần đây, đã có nhiều quyển sách và các bài tham luận nói về sự tương hợp giữa khoa học và Phật học trên phương pháp luận và lề lối tư duy. Loài sen khiêm tốn và trong sạch ngẫu nhiên trở thành một giao điểm khác của Phật học và khoa học trong đó lá sen là một đối tượng nghiên cứu quan trọng về "bề mặt tự làm sạch" trong công nghệ nano. Ngoài lá sen, những gì kề cận với nước trong bức tranh đồng quê như lông vịt và chân các loài côn trùng như con muỗi nước (water strider) đều có bề mặt ghét nước (hydrophobic), đẩy nước (water repellent) để tránh sự thấm ướt. Câu nói "Nước đổ lá sen" (hay là: lá môn, lá khoai) hay "Nước đổ đầu vịt" là một tục ngữ dân gian quen thuộc biểu hiện sự quan sát mang tính khoa học và đem chúng ta đến rất gần cái "mỹ học thực dụng". Nhưng người ta phải đợi đến năm 1997 mới hiểu rõ được hiệu ứng "nước đổ lá sen" từ bề mặt cấu trúc nano của lá sen [1].

Đối nghịch với hoa sen chơn chất, hoa hồng thuộc về trường phái yểu điệu "quyến rũ". Có tiếng oanh ca bên bờ tường vi... [2]. Như Nguyễn Du nằm mộng thấy hoa sen trong niềm nhớ nhung của ngày tháng cũ, Song Ngọc mênh mang tìm về ký ức của chốn xưa một thời, có dáng em tôi áo trắng nghiêng nghiêng đường chiều. Tường vi là tên tiếng Hán của hoa hồng. "Giọt mưa trên cánh hoa hồng" (raindrops on roses) là một cụm từ lãng mạn vượt thời gian trong thi ca phương Tây và cũng là một đề tài ưa chuộng của nghệ thuật nhiếp ảnh. Một điều đặc biệt khác tương phản với lá sen là giọt nước đọng trên hoa hồng tròn trĩnh, lung linh trong ánh nắng nhưng không di động. Lấm tấm những giọt mưa như làm hoa đẫm lệ. Giọt nước bám chặt, dù lật ngược đóa hoa giọt nước cũng không màng rơi xuống đất. Có phải cái "quyến rũ" là đây? Đem một cánh hoa hồng đến tặng người yêu cũng đừng quên rắc nước lên hoa làm tăng cái vẻ đài các và nói lên cái tình "gắn bó" như nước với hoa!

Trở lại thực tế khoa học, tuy cùng là thực vật nhưng nguyên nhân nào làm giọt nước di động trên lá sen nhưng lại bất động trên hoa hồng? Chúng ta hãy tìm sự khác biệt giữa cấu trúc vi mô của hai loài thực vật này và khám phá một loại bề mặt với cái tên khoa học lạ tai: bề mặt "cực ghét" nước (superhydrophobic surface).

2. Bề mặt và khoa học bề mặt

Trước khi nói đến bề mặt lá sen ta hãy bàn sơ lược về các khái niệm tổng quát về bề mặt. Trong tiếng Nhật thuật ngữ "bề mặt" được gọi là hyomen (biểu diện), diễn Nôm là "mặt bên ngoài". Người ta bảo "xem mặt mà bắt hình dong", nhưng ít khi ta có thể "xem mặt để đoán lòng người". Một anh chàng điển trai ăn mặc bảnh bao, nói năng lưu loát, cũng có thể là chàng sở khanh gạt tình lẫn tiền. Một ông lái chiếc xe hơi cà tàng, ăn mặc xuề xòa trông hơi ngu, nhưng có thể là một bậc trí giả lại có bạc triệu đô la trong tay! Đó là những bất ngờ không thể tiên liệu nhưng lại thường gặp trong giao tế hàng ngày. Sự tương quan giữa tính chất bề mặt và tính chất khối (bulk properties) của vật liệu cũng có một sự tương tự. Đặc tính muôn vẻ của bề mặt không những tùy thuộc vào tính chất khối cố hữu mà còn tùy vào mô dạng của mặt. Cái kỳ lạ và bất thường của bề mặt làm giáo sư Wolfgang Pauli (giải Nobel Vật lý, 1945) có lần phải thốt lên: "God made solids, but surfaces were made by devils" (Chúa tạo ra chất rắn, nhưng bề mặt được ma quỷ làm nên). Dù có thể là do ma quỷ nhưng con người chế ngự được ma quỷ một cách tài tình và tận dụng những đặc tính bề mặt tạo ra nhiều ứng dụng trong sinh hoạt thường nhật.

Bề mặt chi phối đặc tính của vật thể ở tất cả mọi kích cỡ. Ở cấp độ vĩ mô (kích thước m, cm), hình dạng bề mặt của xe hơi, máy bay, tàu thủy điều chỉnh khí lưu và thủy lưu làm giảm sức cản của không khí hay nước; phân tán sóng radar. Ở cấp độ trung mô (kích thước mm, micromét), mô dạng của bề mặt ảnh hưởng đến sự phản chiếu ánh sáng, âm thanh, truyền nhiệt, ma xát, mài mòn (wear), ăn mòn (corrosion). Ở cấp độ vi mô nanomét, sự tương tác giữa phân tử của hai môi trường khác nhau dẫn đến sức căng bề mặt, sự thấm ướt, sự bám dính (adhesion), tính ghét nước (hydrophobicity) và thích nước (hydrophilicity).

Khoa học bề mặt (surface science) là một bộ môn quan trọng mà cơ sở của nó dựa trên năng lượng bề mặt (surface energy), sức căng bề mặt, lực mao quản, độ thấm ướt (wettability), sự bám dính và phức tạp hơn nữa là nhiệt động học bề mặt và sự tương tác giữa các phân tử ở bề mặt. Tất cả những yếu tố này gần như quán xuyến tất cả mọi sinh hoạt thường nhật của chúng ta. Hãy lấy sự thấm ướt làm thí dụ. Mỗi buổi sáng sau khi thức dậy, ta phải rửa mặt, đánh răng, cạo râu (cho phe mày râu), trang điểm, đánh son (cho phe tóc dài). Chiều về vo gạo, nấu cơm, sau đó rửa chén bát, giặt quần áo, tắm rửa, gội đầu v.v... Tất cả những hoạt động này đều liên hệ đến sự thấm ướt. Nhớ lại những ngày ở thập niên 50, 60 của thế kỷ trước khi những thỏi xà bông "72 phần dầu" là một phương tiện duy nhất làm sạch các vết nhơ, việc giặt giũ cần sức mạnh cơ bắp đã đè nặng trên đôi vai của những người vợ hiền... Sự ra đời của bột giặt làm giảm sức căng bề mặt của nước, gia tăng sự thấm ướt trên mặt đồ giặt và chỉ cần tác động nhẹ của máy giặt đủ tẩy các vết nhơ, đã làm nhẹ gánh nội trợ của người phụ nữ trong sinh hoạt gia đình.

Tuy nhiên, không phải lúc nào ta cũng cần sự thấm ướt. Sự thấm ướt liên quan đến sự dính (adhesion) và bề mặt "thích" nước (hydrophylic). Có những ứng dụng cần sự không thấm ướt và ta phải nhờ đến những bề mặt "ghét" nước (hydrophobic). Bề mặt thích nước như kim loại, thủy tinh sẽ làm nước chảy loang ra làm thành một vũng nhỏ dính vào bề mặt. Bề mặt ghét nước làm cho nước co lại thành hạt tròn giống như viên bi có thể di động qua lại. Chảo rán phủ lớp Teflon [3] không dính là bề mặt ghét nước thông dụng trong nhà bếp. Hình dạng một giọt nước trên bề mặt thích nước và ghét nước được phác họa trong Hình 1.

Góc tiếp xúc (contact angle) Ө mà ta có thể quan sát dễ dàng từ các giọt nước trên các loại bề mặt là một lượng dễ đo đạc nhưng cũng là một biến số vĩ mô cực kỳ quan trọng biểu hiện những tương tác giữa các phân tử nước và phân tử của bề mặt chất rắn. Góc tiếp xúc là một biến số cho biết độ ghét/thích nước của bề mặt. Khi góc tiếp xúc nhỏ hơn 90°, ta có bề mặt thích nước, lớn hơn 90° là bề mặt ghét nước (Hình 1). Nếu có sự tương thích giữa phân tử nước và phân tử chất rắn ta có bề mặt thích nước, càng tương thích góc tiếp xúc càng nhỏ tiến đến trị số zero. Ngược lại, nếu chúng "ghét" nhau ta sẽ có hiện tượng "đèn nhà ai nấy sáng", các phân tử nước không giao thiệp với anh láng giềng chất rắn; giọt nước sẽ co tròn và góc tiếp xúc trở thành góc tù. Khi góc tiếp xúc lớn hơn 150°, bề mặt trở nên "cực ghét" nước (superhydrophobic). Giọt nước co lại thành hình cầu như ta thường thấy trên chảo rán phủ Teflon, góc tiếp xúc tiến đến 180°. Do diện tích tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt gần rất nhỏ, sự bám dính không xảy ra, giọt nước di động khi bề mặt bị nghiêng. 

Sự khảo sát hình dạng của giọt nước trên bề mặt có lịch sử hơn 200 năm. Năm 1805, Young đã đưa ra một công thức nổi tiếng nhưng đơn giản dựa vào sự cân bằng lực tại mặt tiếp giáp,

γ_SV = γ_LV cos Ө + γ_SL

Ở đây, góc tiếp xúc Ө là góc ở trạng thái cân bằng trên một mặt phẳng; γ_SV là năng lượng bề mặt của chất nền; γ_LV là năng lượng bề mặt của chất lỏng (còn gọi là sức căng bề mặt) và γ_SL là năng lượng giữa mặt tiếp giáp giữa chất nền và giọt chất lỏng.

Giản lược những chứng minh toán học rườm rà, năng lượng bề mặt được dùng để phỏng đoán bề mặt đó thích hay ghét nước. Theo định nghĩa, năng lượng bề mặt là năng lượng dùng để "bẻ đôi" một vật liệu. Như vậy, vật liệu cứng như kim cương sẽ đứng đầu bảng, kế đến là gốm sứ, kim loại và sau cùng là các loại polymer (Bảng 1). Một vật liệu có năng lượng bề mặt càng cao thì bề mặt của nó lại càng thích nước. Ngược lại, các vật liệu polymer như polyethylene (bọc nhựa gia dụng) và Teflon có trị số ở cuối bảng nên là các vật liệu ghét nước. 

Bảng 1: Năng lượng bề mặt của các vật liệu thông dụng [4-5]

Một quan sát quan trọng khác là khi giọt nước (hay giọt chất lỏng) nhỏ lên bề mặt lồi lõm hay bề mặt rỗ của một thể xốp (porous) có nhiều lỗ thủng, góc tiếp xúc sẽ biến đổi. Như vậy, góc tiếp xúc không những tùy thuộc vào năng lượng bề mặt của chất nền mà còn bị ảnh hưởng bởi mô dạng của bề mặt (Hình 3). Nói một cách dễ hiểu, sự lồi lõm làm bề mặt thích nước càng thích nước (góc tiếp xúc nhỏ hơn) và bề mặt ghét nước càng ghét nước (góc tiếp xúc to hơn). Lý thuyết của Wenzel, Kossen và Cassie (xem Phụ lục) đã dự đoán được điều này và thí nghiệm đã thực chứng được lý thuyết. Những lý thuyết này xuất hiện khoảng 70 năm trước dựa trên những lý luận khá đơn giản, thậm chí công thức của Wenzel chỉ là một đề nghị mang tính trực giác nhưng được bổ sung một cách hợp lý qua lý luận của Kossen (Phụ lục). Công thức Cassie được dùng cho trường hợp bọt không khí bị kẹt dưới đáy giọt nước (Hình 3b). Theo công thức này bọt không khí càng nhiều thì góc tiếp xúc càng to, tức là làm bề mặt càng ghét nước hơn. Ta sẽ thấy công thức Cassie giải thích một cách tài tình những thí dụ thực tế được đề cập bên dưới. 

3. Bề mặt lá sen

Có một điều làm ta ngạc nhiên là mặc dù những công thức cơ bản về khoa học bề mặt có một lịch sử lâu dài và rất nhiều công trình thực nghiệm cũng như lý thuyết đã được công bố trong nhiều năm qua, nhưng cộng đồng khoa học phải đợi đến năm 1997 mới biết đến "hiệu ứng lá sen" (lotus effect) (Hình 4) được phát hiện không phải bởi các nhà vật lý học hay hóa học mà bởi hai nhà thực vật học người Đức, Barthlott và Neinhuis (University of Bonn, Đức) [1]. Có lẽ đây cũng do ảnh hưởng của nền công nghệ nano đã làm thay đổi tư duy và lề lối nghiên cứu ở mức độ nano tinh tế hơn.

Dưới kính hiển vi điện tử người ta quan sát được những khối u ở kích thước micromét (một phần ngàn mm), trên những khối u này dày đặc những khối u nhỏ hơn được phủ bởi một loại sáp [6] (Hình 5). Cũng như bàn chân thạch sùng trong một bài viết trước [7], đây là một cấu trúc có thứ bậc (hierarchical structure). Thứ nhất là mặt nền, sau đó là các khối u micromét, kế đến là cấu trúc nanomét và sau cùng là lớp sáp phủ cực mỏng. Lớp sáp thực vật này là một bề mặt ghét nước có năng lượng bề mặt thấp như sáp paraffin (Bảng 1). Theo lý thuyết của Wenzel (hay Kossen), cấu trúc lồi lõm, xù xì gia tăng tính ghét nước của bề mặt ghét nước. Điều này được thấy rõ trên bề mặt lá sen. Bề mặt lá sen là một bề mặt cực ghét nước có góc tiếp xúc là 161°.

Hình 5: Cấu trúc hai thứ bậc của lá sen: Khối u lớn trên mặt lá (hình trái), và hình phóng đại của khối u lớn (hình mặt) cho thấy các khối u nhỏ nanomét xuất hiện liti trên mặt khối u lớn [6].

Dựa trên thành quả của Barthlott và Neinhuis, nhóm của giáo sư Lei Jang (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) tìm hiểu bề mặt lá sen qua góc nhìn vật lý và vật liệu học [8]. Theo giáo sư Jang và các cộng sự viên, cấu trúc thứ bậc của bề mặt lá sen trong đó các khối u nanomét mọc trên các khối u micromét không phải là một việc ngẫu nhiên. Bề mặt xù xì ở cấp độ micromét như cái chảo rán Teflon cũng đủ làm gia tăng sự ghét nước của bề mặt. Tạo hóa tạo ra vạn vật với những chức năng không thừa không thiếu. Như vậy, các khối u nanomét có tác dụng gì? Khi lá sen là bề mặt phẳng chỉ có chất sáp không thôi, trị số của góc tiếp xúc là 104°. Chất sáp cho bề mặt tính ghét nước nhưng chưa phải "cực ghét". Jang và cộng sự viên dùng hình học fractal để xem ảnh hưởng của khối u. Khi có sự hiện diện của những khối u nanomét, góc tiếp xúc Ө gia tăng đột biến vượt qua trị số 150° trở thành bề mặt cực ghét nước (Hình 6). Cũng vì những khối u nanomét, giọt nước chỉ có 3 % diện tích tiếp xúc với bề mặt lá sen. Điều này đưa đến một kết quả hiển nhiên là giọt nước có thể di động tự do khi bề mặt nghiêng và cuốn theo bụi bậm cho lá sen đặc tính tự làm sạch (self-cleaning) (Hình 7).

Hình 6: Cấu trúc micro/nano của khối u làm gia tăng góc tiếp xúc: (a) bề mặt trơn với chất sáp, Ө = 104°, (b) bề mặt với khối u lớn, Ө = 150° và (c) bề mặt với khối u lớn và khối u nanomét, Ө = 160 – 180° [8].	Hình 7: Cơ chế "tự làm sạch" trên lá sen: giọt nước tròn cuốn trôi bụi rác (Nguồn: http://lotus-shower.isunet.edu ).

Ngoài lá sen, biểu bì của các loài côn trùng cũng có hiệu ứng ghét nước. Hãy lấy con muỗi nước làm một thí dụ (Hình 8). Con muỗi nước không những có thể đứng mà còn có thể di chuyển rất nhanh nhờ những cái chân không thấm nước giống như cao thủ võ lâm phi thân trên nước trong truyện chưởng Kim Dung! Ngoài ra, nếu ta chú ý một chút hai con có thể đậu chồng lên nhau làm cái việc di truyền nòi giống nhưng vẫn không bị nhấn chìm ngộp nước! Về phương diện này, tạo hóa quả thật là chu đáo. Có lẽ quan sát này gợi lên sự tò mò của giáo sư Lei Jang [9]. Kết quả đo lường của ông và cộng sự viên cho biết một cái chân có thể chịu được 15 lần trọng lượng con muỗi nước. Thông thường, một con muỗi nước có 6 cái chân, như vậy trên lý thuyết 90 con có thể đậu chồng lên nhau cùng làm xiếc đi trên mặt nước.

Jang và cộng sự viên đi sâu vào vấn đề bằng cách định tính biểu bì của chân muỗi nước. Biểu bì tiết ra một loại sáp có góc tiếp xúc của nước trên biểu bì là 105°. Giống như sáp của lá sen, con số này cho biết biểu bì có đặc tính ghét nước nhưng vẫn chưa phải là cực ghét nước (Ө> 150°); điều kiện cần để muỗi nước có khả năng đi lại trên mặt nước. Kính hiển vi điện tử cho thấy chân của muỗi nước có những sợi lông con đầu nhọn có hình dạng cây kim dài với đường kính vài micromét đến vài trăm nanomét. Khi giọt nước nhỏ lên biểu bì với những sợi lông con thì góc tiếp xúc tăng đến 168° biểu hiện tính cực ghét nước. Dùng công thức Cassie (Phụ lục) để tính toán, ta biết được tỷ suất bọt không khí dưới chân con muỗi nước là 97 %. Vì chân không thích nước nên bọt không khí xuất hiện; vì là bọt không khí nên chúng như cái phao làm cái chân nổi phình. Tuy cấu trúc chân của con muỗi nước không có nhiều thứ bậc và phức tạp như bàn chân thạch sùng [7], cấu trúc tương đối đơn giản này cũng đủ làm gia tăng đặc tính ghét nước của chân muỗi. Cũng nên nhắc lại là nhờ hằng triệu sợi lông con nanomét, bàn chân thạch sùng là bề mặt cực ghét nước và không bám bụi.

4. Giọt mưa trên cánh hoa hồng

Giọt nước co tròn lại trên bề mặt cực ghét nước như cái chảo rán phủ Teflon hay lá sen và di động như một viên bi khi bề mặt bị nghiêng. Có phải đây là một liên hệ nhân quả và liệu ta có thể kết luận rằng là "cực ghét nước" đồng nghĩa với sự "không bám dính"? Trước khi đi đến một kết luận, ta hãy thử khoác chiếc áo len đi trong một chiều mưa phùn gió lạnh... Phải là mưa phùn vì ta không muốn ướt như con gà mắc nước; phải có gió để ta có thể quan sát sự di động của giọt mưa. Những giọt mưa nhỏ li ti đọng trên chiếc áo len tạo thành những giọt nước tròn dính trên mặt áo nhưng không lăn xuống. Lý do là giữa những sợi lông con của chiếc áo len là một lớp không khí tạo ra bề mặt ghét nước gia tăng góc tiếp xúc làm cho giọt nước co tròn lại (Phụ lục). Quan sát chiếc áo len kỹ một chút, ta sẽ thấy nhiều sợi lông con đâm xuyên qua giọt nước, tác dụng như cái phanh kiềm chế sự di động. Sương mai trên lá cỏ cũng là một hiện tượng tương tự (Hình 9). Có lẽ những bọt không khí dưới chân con muỗi nước cũng bị các sợi lông đầu kim nanomét xuyên qua và ghìm chặt để con muỗi có thể dễ dàng trượt trên mặt nước mà không sợ bọt không khí vuột ra ngoài.

Hình 9: Sương mai trên cỏ (Nguồn: Wikipedia).

Bây giờ ta hãy xem "giọt mưa trên cánh hoa hồng". Cánh hoa lả lơi trong gió, giọt nước tròn lung linh trong ánh nắng như hạt kim cương. Giọt nước tròn chứng tỏ cánh hoa có bề mặt cực ghét nước. Nhưng sự bám dính lại cho dấu hiệu sự thích nước. Quả là một điều cực kỳ mâu thuẫn. Tuy nhiên, khi ta nhớ lại những giọt mưa phùn trên áo len hay sương mai trên lá cỏ thì sự mâu thuẫn dần dần được giải tỏa. Chỉ khác là trên hoa hồng không có những sợi lông con như chiếc áo len hay lá cỏ kiềm chế sự di động. Như vậy, cấu trúc vi mô của hoa hồng phải có một mô dạng đặc biệt. Dưới kính hiển vi điện tử, bề mặt hoa hồng xuất hiện một cấu trúc vi mô có hai thứ bậc: (1) những "ngọn đồi" kích cỡ micromét nằm ngang dọc theo một thứ tự nhất định và (2) trên đầu những ngọn đồi tí hon này xuất hiện nhiều khe nano (Hình 10).

Hình 10: Những "ngọn đồi" micromét trên cánh hoa hồng (hình trái) và các khe nano trên đỉnh đồi [10].

Việc hợp tác nghiên cứu giữa nhóm của giáo sư Lin Feng (Đại học Thanh hoa, Bắc kinh) và giáo sư Lei Jang (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) đã giải mã một phần nào sự mâu thuẫn. Đây là một hiện tượng bình thường nhưng khi đặt trong góc nhìn phân tích khoa học nó trở thành một đề tài nghiên cứu mới lạ. Khi những giòng chữ này được viết thì bài báo cáo của Feng, Jang và các cộng sự viên vừa mới được công bố trên tạp chí nổi tiếng chuyên về bề mặt, Langmuir [10]. Lần đầu tiên cơ cấu bám dính của trên cánh hoa hồng hay là "hiệu ứng cánh hoa" (petal effect) được khảo sát và cơ chế vừa ghét nước vừa thích nước được giải thích.

Hình 11 cho thấy cách tiếp xúc của nước với bề mặt lá sen và hoa hồng hoàn toàn khác nhau. Trong khi những khối u của lá sen "đội" giọt nước tạo ra một lớp không khí bị kẹt lại bên dưới, nước thấm vào chỗ trũng giữa các "ngọn đồi" trên mặt hoa hồng nhưng không thấm vào những khe nano ở đỉnh và sườn đồi. Lớp không khí này làm cho bề mặt hoa hồng ghét nước theo đúng như công thức Cassie. Góc tiếp xúc của giọt nước là 152° chứng tỏ bề mặt cánh hoa là cực ghét nước, nhưng sự tiếp xúc giữa nước và bề mặt ở các chỗ trũng tạo ra lực van der Waals làm nước bám dính vào bề mặt cánh hoa. Sự bám dính do lực van der Waals giống như bàn chân thạch sùng bám vào trần nhà [7].

Hoa hồng không phải là loại hoa độc nhất có hiệu ứng đặc biệt này. Nếu ta quan sát xung quanh và lướt trang nhiếp ảnh Flickr với chủ đề "giọt nước trên hoa", ta sẽ thấy một số hoa khác cũng có đặc tính tương tự nhưng cấu trúc vi mô của cánh hoa sẽ khác theo từng loại hoa. Điều này cho nhà khoa học nhiều lựa chọn và mô phỏng cấu trúc cánh hoa trong việc tạo bề mặt nhân tạo có "hiệu ứng cánh hoa" tối ưu với cấu trúc vi mô giản tiện nhất. 

5. Những tiềm năng ứng dụng và triển khai tương lai

Năm 1994, bằng sáng chế (patent) liên quan đến "hiệu ứng lá sen" của Barthlott được đăng ký và chấp thuận. Sau đó, ông làm việc với một công ty sơn để chế tạo sơn Lotusan với "hiệu ứng lá sen". Giống như lá sen, bề mặt được phủ loại sơn này là bề mặt ghét nước. Nước chảy dễ dàng cuốn theo bụi bám trên mặt, tức là có khả năng tự làm sạch [11].  

Đương nhiên, sản phẩm đại trà này không có một cấu trúc thứ bậc trật tự như lá sen. Theo sự suy luận của người viết bản chất của loại sơn này có tính ghét nước, sau khi phun hoặc phủ lên, một lớp phim được thành hình có bề mặt lồi lõm với những mô dạng ngẫu nhiên (random) ở kích cỡ micromét. Như đã đề cập bên trên, sự lồi lõm xù xì gia tăng tính ghét nước của bề mặt ghét nước. Vì vậy, hai yếu tố ghét nước và bề mặt lồi lõm của sơn Lotusan - dù được thành hình với cấu trúc ngẫu nhiên, vô thứ tự - đủ để tạo một bề mặt tự làm sạch. Sơn này có thể phủ lên mái nhà để tránh sự đóng tuyết vào mùa đông ở những xứ lạnh hoặc dùng để sơn các bức tường công cộng để tránh vẽ bậy, loạn bút.

Lotusan có thể phát triển thành sơn xe hơi cho những kẻ lười biếng rửa xe (trong đó có cả người viết!). Khả năng áp dụng sơn cực ghét nước vào ngành hàng hải sẽ giải quyết được nhiều vấn đề bảo trì thân tàu và làm giảm chi phí vận hành. Thứ nhất, sơn có cơ năng chống sự đóng bám (anti-fouling) của rong rêu, vi sinh vật ở đáy tàu. Thứ hai, sơn làm giảm sức cản (drag) của nước khiến tàu chạy nhanh hơn và tiết kiệm nhiên liệu. Nếu được phủ lên tàu ngầm, sức cản của nước sẽ giảm và nhờ vậy âm thanh do sự trượt của nước dọc theo mặt tàu bớt đi tiếng ồn - đây là một yếu tố tối quan trọng cho sự thao tác và sống còn của chiếc tàu ngầm. Tuy nhiên, từ Lotusan sơn tường đến việc áp dụng cho công nghệ ô tô, tàu thủy và tàu ngầm, người ta cần phát triển nhiều khía cạnh kỹ thuật khác để sơn có độ bóng cho xe hơi và duy trì chức năng chống lão hoá và "tự làm sạch" trong nước biển.

Lớp phủ có "hiệu ứng lá sen" còn được áp dụng vào tơ sợi cho các loại vải chống nước và rất quan trọng trong các dụng cụ y khoa chống sự kết tập của tế bào trong lúc phẫu thuật. Linh kiện của hệ thống điện cơ vi mô (micro-electromechanical systems, MEMS) cũng cần đến "hiệu ứng lá sen". Linh kiện cấu trúc của các hệ thống này ở thứ nguyên micromét. Ở kích cỡ này, trọng lượng không còn là vấn đề nhưng sự bám dính giữa các linh kiện sẽ xảy ra làm sự thao tác trong việc lắp ráp trở nên khó khăn. Lớp phủ cực ghét nước chống bám dính làm quá trình lắp ráp trở nên dễ dàng. Ngoài ra, bề mặt ghét nước còn có đặc tính gia tăng tính chống ma xát. Các linh kiện di động, quay tí hon như bánh răng cưa, piston của MEMS không thể bôi dầu nhờn như các linh kiện trong động cơ to. Chúng cần một bề mặt cực ghét nước để gia tăng đặc tính chống mài mòn.

Hiện nay, các nhà khoa học có khả năng tạo ra các bề mặt lồi lõm từ mực micromét đến nanomét trên nhiều loại bề mặt (kim loại, polymer, các hợp chất hữu cơ và vô cơ) với kỹ thuật như khắc mòn (etching), in litô (lithography), kết tủa (deposition), bốc hơi (vaporization), màng phân tử tự ráp (molecular self-assembled film), sol - gel v.v... Kỹ thuật tạo hình bề mặt từ ống than nano, ống oxide vô cơ nano, ống polymer nano với những chức năng khác nhau cũng đóng góp vào việc tạo ra nhiều loại bề mặt nano. Tất cả những kỹ năng này giúp nhà khoa học điều chỉnh độ thích/ghét nước của bề mặt, từ cực ghét nước đến cực thích nước. Ngoài ra, đã có những báo cáo về bề mặt "thông minh" cảm ứng với sóng điện từ (thí dụ: tia tử ngoại) tự biến đổi qua lại độ thích/ghét nước. 

Bề mặt cánh hoa hồng trở thành một đề tài rất mới. Bài báo của Feng, Jang và các cộng sự viên [10] chỉ là phát súng đầu tiên của "hiệu ứng cánh hoa" nhưng cách giải thích của các tác giả này vẫn chưa phải là một kết luận cuối cùng. Thật là mâu thuẫn khi một loại bề mặt cực ghét nước lại có tính bám dính của bề mặt thích nước, vẫn biết rằng trong mâu thuẫn có sự hợp lý hợp tình cũng như trong hỗn độn có cái trật tự hài hòa. Đúng! cái gì đẹp thì tràn đầy sự mâu thuẫn. "Tôi ghét anh lắm!" cũng có thể hàm ý "Tôi yêu anh lắm lắm"... Đời mất vui khi vắng bóng những kinh nghiệm đau thương. Đời cũng mất vui khi khoa học chỉ là tập hợp của những điều có thể hoàn toàn tiên liệu. 

6. Bề mặt liêu trai

Độ lồi lõm của bề mặt được khảo sát gần 70 năm trước và đã được đúc kết bằng những công thức cổ điển của Winzel, Kossen và Cassie. Các công trình nghiên cứu bề mặt trôi nổi theo dòng thời gian, tuy không có những đột phá lớn về lý thuyết trong một khoảng thời gian dài nhưng đã có những ứng dụng đầy ấn tượng trong vật lý như thiết kế bề mặt xe hơi, tàu thủy, máy bay, hay trong hóa học như hoạt chất bề mặt (surfactant), dầu nhờn chống mài mòn, chất keo bám dính. Khi bề mặt cực ghét nước được phát hiện 10 năm trước đây hoạt động nghiên cứu của lĩnh vực này bùng phát. Trong những năm gần đây bề mặt nano, bề mặt cực ghét nước trở thành một đề tài nghiên cứu "nóng" tại các đại học, viện nghiên cứu cũng như trong giới doanh thương công nghệ. Số lượng các báo cáo công trình tăng vọt theo cấp lũy thừa. Sự kiện này trùng hợp với những phát minh các loại thiết bị trong công nghệ micro và nano giúp các nhà khoa học nhiều phương tiện mới trong việc xử lý và thiết kế bề mặt chất rắn từ micromét đến nanomét. Ngược lại, những triển khai kỹ thuật vừa làm phong phú vốn kiến thức của con người về khoa học bề mặt ở thứ nguyên micro/nano vừa sáng tạo ra những dụng cụ vi mô và cũng đồng thời thúc đẩy sự phát triển lý thuyết bề mặt, vốn dĩ đã mờ mịt trong việc lý giải các bề mặt vĩ mô cổ điển và lỗi thời trước bề mặt vô cùng đa dạng của các vật liệu nano hiện đại. 

Quả thật cái lạ lùng, thiên biến vạn hóa của bề mặt làm ta chợt nghiệm ra "cái ma quỷ" trong câu nói của Wolfgang Pauli. Trong hai thế kỷ qua các nhà khoa học đã không ngừng ngụp lặn trong cái thực ảo của bề mặt liêu trai, say đắm với những nàng kiều nữ hồ ly bỡn cợt trêu ngươi, lúc ẩn lúc hiện trong thế giới nửa ma quái, nửa thần tiên. Một trăm năm sau, cái huyễn hoặc của bề mặt nano sẽ tiếp tục làm mê mệt các nhà khoa học. Và trong cuộc truy hoan trí tuệ này thời gian dường như bất tận.

Trương Văn Tân

11 May 2008

(Ngày của Mẹ)

Phụ lục: Công thức của Wenzel, Kossen và Cassie

a. Công thức Wenzel

cos Ө' = R cos Ө (1)

Ө là góc tiếp xúc của nước (chất lỏng) trên mặt phẳng. Ө' là góc tiếp xúc của nước (chất lỏng) trên mặt lồi lõm (xem Hình 3a trong bài). R là độ lồi lõm được định nghĩa là tỷ số giữa "diện tích bề mặt lồi lõm" và "diện tích bề mặt phẳng", vì vậy R ≥ 1. Đây là một công thức dựa trên kinh nghiệm. Công thức này cho thấy độ lồi lõm làm bề mặt thích nước càng thích nước và bề mặt ghét nước càng ghét nước. Tuy nhiên, công thức này có vấn đề. Khi R vô cùng lớn (như các bề mặt có cấu trúc nano), nó trở nên vô nghĩa vì -1 ≤ cos Ө' ≤ 1.

b. Công thức Kossen

Kossen không dùng tỷ số R nên giải quyết được vấn nạn của công thức Wenzel. Lý thuyết Kossen cho ra những công thức như sau (trích dẫn từ sách tiếng Nhật "Kaimen to hyomen no fushigi" (Những điều kỳ lạ của mặt tiếp giáp và bề mặt), tác giả T. Marui, T. Murata, M. Inoue, T. Sakurada, nxb Kogyo Chosakai, 1995):

Cho bề mặt lồi lõm thích nước (Hình 3a trong bài):

cos Ө' = f_s cos Ө + f_a (2)

Cho bề mặt lồi lõm ghét nước (Hình 3b trong bài):

cos Ө' = f_s cos Ө - f_a (3)

f_a + f_s = 1

f_a là tỷ suất rỗng (không khí), f_s là tỷ suất chất rắn. Ө là góc tiếp xúc của nước (chất lỏng) trên mặt phẳng. Ө' là góc tiếp xúc của nước (chất lỏng) trên mặt lồi lõm.

Thí dụ cho bề mặt thích nước: Ө = 60°, f_a = 0,5 (độ rỗng 50%), công thức (2) cho Ө'= 41°.

Thí dụ cho bề mặt ghét nước: Ө = 120°, f_a = 0,5 (độ rỗng 50%), công thức (2) cho Ө' = 139°.

Kết luận là độ lồi lõm làm bề mặt thích nước càng thích nước và bề mặt ghét nước càng ghét nước.

c. Công thức Cassie

Nếu bề mặt là một composite có 2 thành phần 1 và 2, ta có:

cos  Ө' = f₁ cos Ө₁ + f₂ cos Ө₂ (4)

f₁ + f₂ = 1

f₁ và f₂ là tỷ suất của thành phần 1 và 2 trong composite.  Ө' là góc tiếp xúc trên bề mặt composite. Ө₁ là góc tiếp xúc khi bề mặt chỉ là thành phần 1. Ө₂ là góc tiếp xúc khi bề mặt chỉ là thành phần 2. Khi f₂ là không khí, Ө₂ = 180°, cos 180° = -1 (Hình 3b trong bài). Công thức (4) trở thành:

cos Ө' = f₁ cos Ө₁ - f₂ (5)

Công thức (5) cũng là công thức (3) của Kossen. Trong trường hợp giọt nước trên chiếc áo len hay trên lá cỏ, bề mặt là composite của những sợi lông và không khí. Ta giả dụ một trường hợp cực đoan trong đó những sợi lông là vật liệu cực thích nước, Ө₁ = 0° và cos Ө₁ = 1, và không khí chiếm 90 % (f₂ = 0,9) công thức (5) trở thành:

cos Ө' = -0,8 hay là Ө' = 143°

Vì vậy, dù các sợi lông có đặc tính cực thích nước, vì có nhiều không khí nên bề mặt chiếc áo len hay lá cỏ là bề mặt ghét nước. 

Tài liệu tham khảo và ghi chú

1. W. Barthlott and C. Neinhuis, Planta 202 (1997) 1.

2. "Hà Nội ngày tháng cũ" (nhạc Song Ngọc).

3. Teflon là thương hiệu của công ty DuPont. Một loại polymer có tên hóa học là polytetrafluoroethylene. 

4. Shu Ono, "Hyomen choryoku" (tiếng Nhật) "Sức căng bề mặt", nxb Kyoritsu Shuppan, 2000.

5. Heinemann Chemistry Two (Year 12 textbook), 2000.

6. M. Nosonovsky and B. Bhushan, Adv. Funct. Mater. 18 (2008) 843.

7. http://www.diendan.org/khoa-hoc-ky-thuat/ban-chan-thach-sung/

8. L. Feng, S. Li, H. Li, L. Zhang, J. Zhai, Y. Song, B. Liu, L. Jang and D. Zhu, Adv. Mater. 14 (2002) 1857.

9. X. Gao and L. Jang, Nature 432 (2004) 36.

10. L. Feng, Y. Zhang, J. Xi, Y. Zhu, N. Wang, F. Xia and L. Jang, Langmuir 24 (2008) 4114.

11. http://www.stocorp.com