Bàn chân thạch sùng - Vật liệu Nano

Bàn chân th ch sùng ạ - V t li u Nanoậ ệ Nano technology ? • Molecular scale : 0,1 – 1 nm • Nano scale : 1 – 100 nm • Micro scale : μm • Meso scale : mm, cm • Macro scale : > cm * Molecular scale : nguyên t + phân tử ử giúp con ng i hi u nh ng thu c tính c ườ ể ữ ộ ơ b n c a v t ch t ả ủ ậ ấ  hóa h c t ng quát ọ ổ (h u c , vô c …), Hóa h c l ng t , c ữ ơ ơ ọ ượ ử ơ h c l ng t …ọ ượ ử * Micro, Meso, Macro scale : tr ng thái ạ c m, m ng, kh i… ụ ả ố  V t lý ch t r n, c ậ ấ ắ ơ h c Newtonọ * Nano scale : ??? • Khi v t li u thu nh đ n kích th c ậ ệ ỏ ế ướ NANO: các tính ch t : hóa h c, v t lý, c , quang, đi n, ấ ọ ậ ơ ệ t , đ u thay đ i so v i ừ ề ổ ớ tr ng thái vĩ môạ • Ex : * nano Al : xúc tác cho nhiên li u tên l aệ ữ * nano Ag * nano Au * nanocomposite ……. • ARISTOS’s question ! Hình 1: (A) Con th n l n Tokayằ ằ (gekko gecko); (B) nh ng lá m ng v t ữ ỏ ắ ngang bàn chân nhìn t d i lên; (C) lá m ng là nh ng c m lông có ừ ướ ỏ ữ ụ th t hình bàn ch i đánh răng; (D) s i lông chính tua ra nh ng s i ứ ự ả ợ ữ ợ lông con có hình d ng nh cây ch i quét nhà; (E) nh ng s i lông con ạ ư ổ ữ ợ và (F) c u trúc s i nano nhân t o [1].ấ ợ ạ Hình 2: C u trúc v i nhi uấ ớ ề th b c c a s i lông bàn chân th n l nứ ậ ủ ợ ằ ằ (xem thêm Hình 1D, E). S i lông con r t m m nên có th bám sát vào m t n nợ ấ ề ể ặ ề l i lõm r t hi u qu [4].ồ ấ ệ ả G n 200 năm qua, đã có ầ 7 c chơ ế đ c đ ngh :ượ ề ị * bám dính do keo * s c hút (suction) ứ * ma xát * cài vào nhau (interlocking) * tĩnh đi n ệ * l c mao qu n ự ả • l c hút van der Waalsự Năm đ ngh đ u tiên không có s c thuy t ph c, vì:ề ị ầ ứ ế ụ •bàn chân không ti t ra ế ch t keoấ •c u t o vi mô không cho th y d u hi u nào t o ra ấ ạ ấ ấ ệ ạ s c hútứ hay l c ự ma xát • ngón chân không có móc nên không th cài vào m t n nể ặ ề •có th đi trên các lo i m t b ng có hay ể ạ ặ ằ không có tĩnh đi nệ => hai kh năng còn l i là ả ạ l c mao qu nự ả và l c hút van der Waalsự C ch bám dínhơ ế "Adhesive force of a single gecko foot-hair“ K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing and R. J. Full, Nature, 405 (2000) 681. (Lewis & Clark College, M ) ỹ xác nh n : s bám dính c a bàn chân th n l n là do l c ậ ự ủ ằ ằ ự hút van der Waals Theo lý thuy t, l c van der Waals t l ngh ch ế ự ỷ ệ ị theo lũy th a 7ừ v i ớ kho ng cách. ả s gia gi m c a l c hút r t nh y v i kho ng cách, n u ta đ t ự ả ủ ự ấ ạ ớ ả ế ặ hai m t ph ng xa g p đôi thì l c gi m đi 128 l n ặ ẳ ấ ự ả ầ (= 2x2x2x2x2x2x2). S l i lõm m t vài micromét (100 l n nh h n s i tóc) t o ra ự ồ ở ộ ầ ỏ ơ ợ ạ k h gi a hai m t ph ng cũng đ làm tri t tiêu l c van der ẽ ở ữ ặ ẳ ủ ệ ự Waals. => không nhìn th y l c van der Waals trong sinh ho t h ng ngày. ấ ự ạ ằ n u b m t đ c c i bi n thành m t b m t có c u trúc ế ề ặ ượ ả ế ộ ề ặ ấ s i nano, di n tích ti p xúc s gia tăng hàng tri u hàng ợ ệ ế ẽ ệ t l n. L c hút van der Waals cũng tăng theo di n tích ỷ ầ ự ệ ti p xúc đ a ra khái ni m m i v s bám dính: ế ư ệ ớ ề ự s bám ự dính khô (dry adhesion). l c hút van der Waals ch xu t hi n gi a hai v t th khi đ c đ t "sát" ự ỉ ấ ệ ữ ậ ể ượ ặ ở kho ng cách nanomét. Trong tr ng h p bàn chân th n l n, đ t o m t l c ả ườ ợ ằ ằ ể ạ ộ ự bám h u hi u kho ng cách gi a các s i lông con và m t n n nhi u nh t là 2 ữ ệ ả ữ ợ ặ ề ề ấ nm Trên 2 nm, l c van der Waals bi n m t. ự ế ấ l c van der Waals y u h n các l c khác trong liên k t hóa h c ự ế ơ ự ế ọ (chemical bonding) nh n i c ng hóa tr , n i ion, nh ng vì b m t ư ố ộ ị ố ư ề ặ ti p xúc c a c u trúc nano tr nên r t l n nên l c hút van ế ủ ấ ở ấ ớ ự der Waals t o m t s c ch u đáng k ạ ộ ứ ị ể di n tích bàn chân là 1 cm2 nên l c dính do l c van der Waals là ệ ự ự 1 kg/cm2 (K. Autumn ) - S bám dính khô do l c hút van der Waals khác bám ự ự dính t (wet adhesion) dùng ch t keo thông th ng. ướ ấ ườ - Bám dính t có liên quan đ n s th m t ướ ế ự ấ ướ (wettability), s c căng b m t (surface tension) và năng ứ ề ặ l ng b m t c a v t ch t ượ ề ặ ủ ậ ấ S bám dính khôự - Đ c tính c a bám dính khô v t ra ngoài nh ng chi ph i ặ ủ ượ ữ ố c a đ nh lu t v "khoa hoc b m t" (surface science). Ch tùy ủ ị ậ ề ề ặ ỉ thu c vào hình d ng, kích th c và thi t k c a c u trúc ộ ạ ướ ế ế ủ ấ b m t nano - mà trong tr ng h p c a bàn chân th n l n là ề ặ ườ ợ ủ ằ ằ hàng tri u nh ng s i lông con keratin - đ đ t đ n di n tích ệ ữ ợ ể ạ ế ệ ti p xúc c c đ i ế ự ạ => s i nano c a m t k t dính nhân t o có th ch t o t b t ợ ủ ặ ế ạ ể ế ạ ừ ấ c v t li u nào mi n sao cho b m t ti p xúc đ t đ n m t tr ứ ậ ệ ễ ề ặ ế ạ ế ộ ị s l n nh t.ố ớ ấ Autumn cùng các đ ng nghi p _ Ron Fearing và Robert Full ồ ệ (University of California, Berkeley, M ) ỹ t o ra m t b m t v i các lo i s i ạ ộ ề ặ ớ ạ ợ polyester hay silicon. Trên m t di n tích 1 cm2, các tác gi t o m t b m t v i ộ ệ ả ạ ộ ề ặ ớ 200 tri u s i ệ ợ nano polyester có đ ng kính 700 nm (nh h n s i tóc 100 ườ ỏ ơ ợ l n) (Hình 1F). M c dù to h n s i lông con c a bàn chân th n ầ ặ ơ ợ ủ ằ l n (10 -15 nm), c u trúc n y v n t o ra m t l c bám dính là 6 ằ ấ ầ ẫ ạ ộ ự kg/cm2 n u t t c 200 tri u s i đ ng th i tác đ ng lên m t ế ấ ả ệ ợ ồ ờ ộ ặ n n. ề Năm 2003, Geim và các c ng s viên ch t o m t dính v i ộ ự ế ạ ặ ớ s i ợ polyimide (tên th ng m iươ ạ : Kapton) (Hình 3) [4]. S i có chi u dài 200 µm và đ ng kính 0,2 µm (= 200 nm).ợ ề ườ * 100 tri u s i / 1 cm2. ệ ợ M t dính n y có th ch u m t s c n ng là 1 kg. ặ ầ ể ị ộ ứ ặ Sau đó, dùng 0,5 cm2 m t dính này đ treo l l ng đ ch i ặ ể ơ ử ồ ơ "Spiderman" n ng 40 g vào bặ ề m t th y tinh (Hình 4) ặ ủ Hình 3: M t dính nhân t o polyimide c a Geim. S i có chi u ặ ạ ủ ợ ề dài 200 µm và đ ng kính 0,2 µm (= 200 nm) [4].ườ Hình 4: Spiderman (ng i nh n) n ng 40 g bám vào ườ ệ ặ m t th y tinh v i m t dính nhân t o polyimide c a ặ ủ ớ ặ ạ ủ Geim [5] G n đây, ng than nano cũng là m t v t li u thông d ng ầ ố ộ ậ ệ ụ đ t o nên m t dính không keo. ể ạ ặ Trong quá trình ch t o ng than nano trong lò nung ế ạ ố nhi t đ cao (~1000 oC), các ng than có th "m c" ệ ộ ố ể ọ th ng đ ng nh m t thân cây dài (đ ng kính ng ẳ ứ ư ộ ườ ố kho ng 50 - 100 nm) dày đ t nh m t khu r ng nhi t đ i ả ặ ư ộ ừ ệ ớ (t ng t nh Hình 1F). Nhóm c a giáo s Liming Dai ươ ự ư ủ ư (University of Dalton, M ) đã t o đ c b m t ng than ỹ ạ ượ ề ặ ố nano và 1 cm2 c a b m t n y có th ch u m t s c kéo ủ ề ặ ầ ể ị ộ ứ g n 3 kg (3 kg/cm2) v t h n kh năng c a bàn chân ầ ượ ơ ả ủ th n l n là 1 kg/cm2 [6]. ằ ằ Allotropic forms of Carbon Curl, Kroto, Smalley 1985 Iijima 1991graphene (From R. Smalley´s web image gallery) - Single-wall nanotubes (SWNTs) - Multi-wall nanotubes (MWNTs) Carbon Nanotubes ~ 1-2 nm Few microns TEM images of various MWNTs ~ 2 - 50 nm 1/ K. Autumn, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 473. 2/ K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing and R. J. Full, Nature, 405 (2000) 681. 3/ B. N. J. Persson, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 486. 4/ A. K. Geim, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, K. S. Novoselov, A. A. Zhukov and S. Y. Shapoval, Nature Materials, 2 (2003) 461. 5/ L. Qu and L. Dai, Adv. Mater., 19 (2007) 3844. 6/ K. A. Daltorio, S. Gorb, A. Peressadko, A. D. Horchler, T. E. Wei, R. E. Ritzman and R. D. Quinn, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 504.