Nghiên cứu bề mặt chức năng lấy ý tưởng từ thiên nhiên định hướng ứng dụng chống đóng băng

Luận văn nghiên cứu bề mặt chức năng lấy ý tưởng từ thiên nhiên chống đóng băng - ĐH Sư phạm Thái Nguyên

• Tác giả: Đàm Thị Thanh Mai
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Bình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu bề mặt chức năng lấy ý tưởng từ thiên nhiên định hướng ứng dụng chống đóng băng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan bề mặt chức năng chống đóng băng tại ĐHSP Thái Nguyên

Băng tuyết bám dính gây tổn hại lớn cho kinh tế và an toàn kỹ thuật. Hiện tượng này làm tê liệt đường dây truyền tải điện. Cánh máy bay và tàu thủy cũng giảm hiệu suất vận hành nghiêm trọng. Tại Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn đã triển khai đề tài bề mặt chức năng chống đóng băng. Hướng tiếp cận này lấy cảm hứng trực tiếp từ các cấu trúc kỵ nước trong sinh thái tự nhiên. Cấu trúc lá sen và cánh bướm là ví dụ tiêu biểu. Chúng sở hữu các gờ nhấp nhô siêu nhỏ kết hợp lớp sáp hữu cơ. Khi giọt nước rơi xuống, các túi khí bên dưới giữ cho giọt nước có hình cầu. Nước lăn đi nhanh chóng mà không thể bám đọng. Việc mô phỏng cơ chế Cassie-Baxter trên nền kim loại mở ra tiềm năng lớn. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán chống đóng băng thụ động. Phương pháp này giảm thiểu năng lượng tiêu hao so với các hệ thống sấy nhiệt. Đây là bước tiến khoa học quan trọng trong nghiên cứu vật liệu tiên tiến tại Việt Nam.

1.1. Khái niệm và nguyên lý bắt chước sinh học

Bắt chước sinh học là quá trình mô phỏng các thiết kế từ tự nhiên vào khoa học vật liệu. Trong tự nhiên, nhiều loài thực vật có khả năng tự làm sạch rất đặc biệt. Lá sen duy trì trạng thái khô ráo nhờ cấu trúc vi mô kết hợp nano. Nước tiếp xúc với bề mặt lá sen tạo góc tiếp xúc lớn hơn 150 độ. Trạng thái này được gọi là siêu kỵ nước. Các bẫy không khí ngăn cản giọt chất lỏng lọt vào các khe rãnh rỗng. Nhờ đó, giọt nước dễ dàng trượt đi dưới tác dụng của trọng lực nhẹ. Khi nhiệt độ môi trường hạ thấp, giọt nước không kịp truyền nhiệt để đóng băng. Nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã áp dụng chính xác nguyên lý này để xử lý bề mặt kim loại.

1.2. Mục tiêu và phạm vi đề tài luận văn

Đề tài luận văn thạc sĩ do học viên Đàm Thị Thanh Mai thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Bình. Nghiên cứu thuộc chuyên ngành Vật lý chất rắn tại Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên. Mục tiêu trọng tâm là chế tạo thành công lớp phủ siêu kỵ nước trên nền hợp kim nhôm. Nhôm là vật liệu phổ biến trong ngành hàng không và truyền tải điện lực. Nhóm tác giả hướng đến việc kiểm soát cấu trúc hình thái bề mặt và năng lượng tự do bề mặt. Đề tài khảo sát kỹ lưỡng khả năng làm chậm quá trình đóng băng của nước. Đồng thời, nghiên cứu đánh giá độ bền cơ học của bề mặt sau nhiều chu kỳ đo lường khắt khe. Kết quả mang tính định hướng ứng dụng thực tiễn cao.

II. Vấn đề bám băng và giải pháp bề mặt chức năng chống đóng băng

Sự tích tụ băng giá trên các bề mặt kết cấu gây ra nhiều tổn thất kỹ thuật nghiêm trọng. Trong ngành hàng không, băng hình thành trên cánh máy bay làm biến dạng biên dạng khí động học. Lực nâng của máy bay sụt giảm trong khi lực cản tăng đột biến. Tình trạng này đe dọa trực tiếp đến tính mạng hành khách và an toàn bay. Trong mạng lưới điện, băng tuyết đọng dày làm đứt cáp và gãy đổ cột tải điện. Các phương pháp khử băng chủ động hiện nay bộc lộ nhiều điểm hạn chế lớn. Phương pháp cơ học như gõ, đập gây hư hại vật liệu bề mặt. Phương pháp hóa học dùng muối hay glycol làm tăng nguy cơ ô nhiễm nguồn nước và ăn mòn kim loại. Hệ thống khử băng nhiệt tiêu thụ nguồn điện năng khổng lồ trên máy bay. Vì vậy, việc tìm kiếm giải pháp chống đóng băng thụ động là nhu cầu cấp thiết. Công nghệ bề mặt chức năng giúp ngăn cản sự hình thành băng ngay từ giai đoạn đầu. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào hóa chất độc hại và năng lượng bên ngoài.

2.1. Hạn chế của các biện pháp khử băng truyền thống

Các biện pháp khử băng truyền thống chia làm hai nhóm chính gồm chủ động và gián tiếp. Hệ thống túi khí nén thường gắn ở mép trước cánh máy bay để làm nứt băng khi phồng lên. Tuy nhiên, thiết bị này chỉ phù hợp với máy bay bay ở tốc độ thấp. Hệ thống sấy điện đòi hỏi dòng điện lớn để sinh nhiệt liên tục. Điều này tạo gánh nặng tải điện lên máy phát của động cơ. Trong khi đó, việc phun hóa chất làm tan băng chỉ duy trì tác dụng ngắn hạn. Chất chống đông như ethylene glycol bị rửa trôi gây ô nhiễm môi trường đất và nước ngầm xung quanh sân bay. Chi phí duy tu và vận hành các hệ thống này hàng năm rất đắt đỏ.

2.2. Cơ chế tạo mầm tinh thể và năng lượng tự do bề mặt

Quá trình đóng băng bắt đầu từ sự tạo mầm tinh thể đồng nhất hoặc không đồng nhất. Trên các bề mặt rắn thông thường, hiện tượng tạo mầm không đồng nhất diễn ra ưu tiên. Bề mặt có năng lượng tự do cao tạo điều kiện thuận lợi cho mầm băng phát triển. Khi nước dính ướt, diện tích tiếp xúc nhiệt tăng lên đáng kể. Nhiệt lượng truyền nhanh vào giá thể rắn, thúc đẩy hóa rắn tức thì. Ngược lại, bề mặt siêu kỵ nước sở hữu năng lượng tự do rất thấp. Rào cản năng lượng cần thiết để tạo mầm tinh thể tăng vọt. Giọt nước duy trì dạng cầu và giảm diện tích tiếp xúc thực tế. Yếu tố này kìm hãm truyền nhiệt và kéo dài thời gian đông đặc.

III. Phương pháp chế tạo bề mặt chức năng chống đóng băng trên nhôm

Để tạo bề mặt chức năng chống đóng băng, nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã sử dụng tấm nhôm công nghiệp. Quy trình thực nghiệm bao gồm hai giai đoạn cốt lõi gồm tạo nhám vi cấu trúc và hạ thấp năng lượng bề mặt. Trước tiên, mẫu nhôm được mài phẳng và làm sạch dầu mỡ bằng dung dịch cồn trong bể siêu âm. Sau đó, kỹ thuật ăn mòn hóa học được tiến hành để tạo ra các cấu trúc nhấp nhô đa cấp dạng micro-nano. Vi cấu trúc này hoạt động như các túi giữ khí theo mô hình Cassie-Baxter. Ở bước kế tiếp, mẫu nhôm được ngâm phủ trong dung dịch biến tính hóa học chứa hợp chất hữu cơ kỵ nước. Lớp phân tử tự sắp xếp bám chặt vào khung kim loại, làm giảm mạnh sức căng bề mặt. Hình thái vi cấu trúc được kiểm chứng chi tiết qua kính hiển vi điện tử quét SEM. Kết quả chụp góc tiếp xúc giọt nước đạt trên 150 độ với góc trượt dưới 5 độ. Phương pháp chế tạo này có ưu điểm đơn giản, chi phí thấp và dễ mở rộng quy mô.

3.1. Kỹ thuật ăn mòn hóa học và biến tính bề mặt nhôm

Kỹ thuật ăn mòn hóa học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành vi cấu trúc thô ráp. Tấm nhôm được ngâm trong dung dịch axit hoặc bazo với nồng độ và thời gian kiểm soát nghiêm ngặt. Quá trình ăn mòn chọn lọc tạo ra vô số hốc rỗng và gờ nhọn kích thước micromet. Tiếp theo, các cụm cấu trúc nano tiếp tục phát triển xen kẽ trên bề mặt. Sau khi sấy khô, mẫu kim loại được nhúng vào dung dịch chứa fluoroalkylsilane hoặc axit béo. Quá trình biến tính này tạo ra một lớp đơn phân tử kỵ nước liên kết cộng hóa trị với nhôm. Năng lượng tự do của bề mặt giảm xuống mức cực tiểu. Nhờ đó, nước không thể bám dính mà bị đẩy lùi hoàn toàn khỏi bề mặt kim loại.

3.2. Phương pháp phân tích đặc tính cấu trúc và góc tiếp xúc

Đặc tính bề mặt được phân tích toàn diện bằng các thiết bị hiện đại. Kính hiển vi điện tử quét SEM cung cấp hình ảnh chân thực về độ gồ ghề của mẫu nhôm. Phổ tán sắc năng lượng tia X EDX xác định thành phần hóa học của lớp phủ. Góc tiếp xúc giọt nước được đo bằng hệ thống camera quang học chuyên dụng. Nhóm nghiên cứu tiến hành nhỏ giọt nước khử ion thể tích 4 microlit lên bề mặt mẫu. Góc tiếp xúc tĩnh thu được đạt xấp xỉ 156 độ. Góc lăn của giọt nước nhỏ hơn 4 độ chứng minh trạng thái Cassie-Baxter vững chắc. Giọt nước duy trì hình cầu tròn trịa và lăn tự do khi bề mặt chỉ hơi nghiêng nhẹ.

IV. Hiệu quả ứng dụng bề mặt chức năng chống đóng băng trong thực tế

Kết quả thử nghiệm đóng băng thực tế khẳng định tính ưu việt vượt trội của bề mặt siêu kỵ nước chế tạo tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên. Khi đặt mẫu trên đế làm lạnh nhiệt độ âm, giọt nước trên bề mặt siêu kỵ nước duy trì trạng thái lỏng tới hơn 600 giây. Ngược lại, mẫu nhôm thông thường bị đóng băng chỉ sau chưa đầy 60 giây. Góc tiếp xúc cực đại làm giảm diện tích truyền nhiệt giữa đế lạnh và giọt nước. Lượng nhiệt khuếch tán nhanh ra không khí xung quanh, kìm hãm mạnh mẽ quá trình kết tinh mầm băng. Bên cạnh khả năng làm chậm đông đặc, bề mặt còn giúp giảm đáng kể lực bám dính của băng tuyết. Khi băng hình thành, một lực cơ học rất nhỏ hoặc luồng gió tự nhiên cũng đủ làm bong tróc lớp băng. Thử nghiệm độ bền cơ học qua 40 chu kỳ đo liên tục cho thấy các thông số kỵ nước vẫn duy trì ổn định. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong ngành hàng không, điện cao thế và thiết bị năng lượng tái tạo ngoài trời.

4.1. Khả năng kéo dài thời gian đóng băng và độ bền mẫu

Thời gian làm chậm quá trình đóng băng là chỉ số cốt lõi đánh giá hiệu quả của bề mặt chức năng. Bề mặt siêu kỵ nước kéo dài thời gian tạo mầm tinh thể lên mốc 600 giây. Con số này vượt trội hoàn toàn so với các bề mặt ưa nước và nhôm nguyên bản. Cấu trúc bẫy khí Cassie-Baxter đóng vai trò như lớp cách nhiệt tự nhiên hữu hiệu. Bên cạnh đó, độ bền làm việc là tiêu chí tiên quyết cho ứng dụng công nghiệp. Thử nghiệm lặp lại 40 lần đo liên tục cho thấy sự sai khác về góc tiếp xúc là không đáng kể. Lớp phủ biến tính giữ vững liên kết cơ lý hóa và duy trì độ bền vững sau nhiều lần va chạm giọt nước.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong hàng không và công nghiệp điện

Đề tài mở ra tiềm năng to lớn trong việc bảo vệ các cấu trúc kỹ thuật ngoài trời. Ngành hàng không có thể ứng dụng lớp phủ này trên cánh máy bay và ống dẫn khí động học. Giải pháp giúp giảm nguy cơ đóng băng trong điều kiện sương giá mà không tiêu hao nhiên liệu. Trong ngành năng lượng, lớp phủ ngăn ngừa băng tuyết tích tụ trên đường dây tải điện cao thế và tuabin gió. Việc hạn chế đứt cáp và gãy cánh quạt giúp tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí bảo trì. Ngoài ra, tàu biển hoạt động tại các vùng cực cũng hưởng lợi từ công nghệ chống bám băng thụ động. Đây là hướng nghiên cứu có giá trị thực tiễn rất cao của Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng đóng băng trên các kết cấu kỹ thuật và phương tiện giao thông từ lâu đã là thách thức nghiêm trọng đối với an toàn vận hành và hiệu quả kinh tế toàn cầu. Theo số liệu thống kê của Viện nghiên cứu hoạt động bay tại Hoa Kỳ, trong giai đoạn từ năm 1975 đến năm 2005 đã ghi nhận 645 vụ tai nạn hàng không bắt nguồn từ sự tích tụ băng tuyết. Tiếp nối giai đoạn này, các báo cáo chuyên ngành từ năm 2006 đến năm 2010 đã ghi nhận thêm 228 sự cố bay nghiêm trọng, trong đó có tới 40% trường hợp liên quan trực tiếp đến việc băng đóng trên bề mặt cánh nâng, thân vỏ và các cơ cấu điều khiển. Tại Việt Nam, biến đổi khí hậu cực đoan trong những năm gần đây đã làm gia tăng tần suất xuất hiện băng giá tại các vùng núi cao như Sa Pa, Đồng Văn hay Mẫu Sơn, gây đứt gãy hệ thống lưới điện cao thế, làm hư hại hoa màu và đe dọa an toàn giao thông đường bộ.

Trước yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các giải pháp chống đóng băng thụ động bền vững, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý chất rắn của tác giả Đàm Thị Thanh Mai, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Thanh Bình tại Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên, đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: chế tạo bề mặt chức năng mô phỏng sinh học lấy ý tưởng từ lá sen nhằm kiểm soát độ dính ướt và ngăn ngừa đóng băng trên nền hợp kim nhôm. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện trong giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2022 trên các mẫu nhôm kích thước tiêu chuẩn 3 cm x 3 cm. Bằng việc kết hợp kỹ thuật ăn mòn ướt tạo vi cấu trúc micro-nano đa tầng với kỹ thuật phủ màng mỏng hóa học kỵ nước, công trình đã hạ thấp lực bám dính của khối băng từ mức 980 kPa ở nhôm nguyên bản xuống chỉ còn 125 kPa, đồng thời kéo dài thời gian duy trì bề mặt không bị kết tinh băng tuyết vượt quá 600 giây trong môi trường nhiệt độ âm sâu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ chế chống đóng băng thụ động của vật liệu được xây dựng trên sự kết hợp giữa nhiệt động học quá trình chuyển pha và lý thuyết dính ướt bề mặt. Trọng tâm của nghiên cứu dựa trên lý thuyết tạo mầm cổ điển, phân định rõ giữa tạo mầm đồng nhất và tạo mầm không đồng nhất. Quá trình tạo mầm không đồng nhất tại ranh giới tiếp xúc rắn - lỏng có hàng rào năng lượng tự do Gibbs thấp hơn rất nhiều so với tạo mầm đồng nhất trong lòng chất lỏng, giải thích vì sao nước tinh khiết có thể tồn tại ở trạng thái siêu lạnh tới âm 40 độ C nhưng lại đông đặc ngay ở 0 độ C khi tiếp xúc với bề mặt chất rắn thông thường.

Để kiểm soát sự hình thành mầm tinh thể và lực bám dính của băng, luận văn áp dụng hai mô hình dính ướt kinh điển: mô hình Wenzel và mô hình Cassie-Baxter. Mô hình Wenzel mô tả trạng thái chất lỏng thâm nhập hoàn toàn vào các rãnh cấu trúc nhám, làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế và gia tăng năng lượng bề mặt khả kiến. Ngược lại, mô hình Cassie-Baxter mô tả trạng thái giọt lỏng nằm lơ lửng trên đỉnh của các cột vi cấu trúc nano, bẫy các túi không khí bên dưới rãnh nhám. Trạng thái Cassie-Baxter mô phỏng hoàn hảo hiệu ứng lá sen, thiết lập góc tiếp xúc giọt nước vượt ngưỡng 150 độ và độ trễ góc tiếp xúc cực thấp dưới 5 độ. Năng lượng bề mặt giảm mạnh cùng diện tích tiếp xúc rắn - lỏng thu hẹp tối đa chính là chìa khóa vật lý làm suy giảm xác suất xuất hiện mầm tinh thể và triệt tiêu lực hút tĩnh điện liên pha.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ thống mẫu thực nghiệm gồm 6 nhóm thông số công nghệ khác nhau được thiết lập có chủ đích trên các tấm nhôm kích thước 3 cm x 3 cm. Phương pháp chọn mẫu có kiểm soát được áp dụng nhằm khảo sát toàn diện ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt từ 300 độ C đến 500 độ C, nồng độ dung dịch acid chlohydric từ 3% đến 15% thể tích và thời gian phản ứng từ 15 phút đến 30 phút, qua đó xác định chính xác điểm tới hạn hình thành cấu trúc đa tầng micro-nano tối ưu mà không làm hòa tan phá hủy tấm nền.

Các phương pháp phân tích đặc tính bề mặt được lựa chọn nghiêm ngặt dựa trên cơ sở khoa học chính xác:

• Kính hiển vi điện tử quét sử dụng chùm điện tử gia tốc từ 10 kV đến 50 kV được lựa chọn để phân tích hình thái bề mặt ở độ phân giải nanomet, cho phép quan sát trực tiếp các hốc xốp micro và cấu trúc gai nhọn nano phân cấp.
• Thiết bị đo góc tiếp xúc tự động Kyowa DM-50 sử dụng thuật toán tiếp tuyến 3 điểm với các giọt nước khử ion thể tích chuẩn 5 microlit. Việc đo đạc được thực hiện tại ít nhất 5 vị trí ngẫu nhiên trên mỗi mẫu để lấy giá trị trung bình, triệt tiêu sai số cục bộ và đánh giá chính xác năng lượng bề mặt.
• Thí nghiệm cơ học đo lực bám dính của băng sử dụng cảm biến lực load cell với tốc độ tịnh tiến không đổi 50 micromet trên giây ở môi trường làm lạnh âm 10 độ C. Phương pháp này cung cấp giá trị lực đỉnh tách rời khối băng một cách khách quan thay vì các thử nghiệm định tính thủ công.
• Camera tốc độ cao Photron tích hợp bộ nhớ đệm 128 GB đặt trong buồng môi trường giả lập nhiệt độ âm 10 độ C kết hợp cảm biến nhiệt ngẫu nhằm ghi nhận liên tục động học chuyển pha và sự lan truyền tinh thể băng theo thời gian thực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện thực nghiệm mang tính đột phá về cấu trúc và cơ tính bề mặt:

• Tối ưu hóa thành công quy trình chế tạo: Điều kiện thực nghiệm tối ưu được xác lập ở chế độ ăn mòn bằng dung dịch acid chlohydric 10% tại 500 độ C trong thời gian 30 phút, tiếp nối bởi quá trình phủ bay hơi hóa học phân tử kỵ nước Fluoro-octyl-Trichloro-Silane ở 100 độ C trong 5 phút và ủ nhiệt 60 phút. Bề mặt sau xử lý chuyển hóa ngoạn mục từ trạng thái siêu ưa nước với góc tiếp xúc 30 độ sang trạng thái siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lên tới 155 độ và góc trượt lăn dưới 2 độ.
• Suy giảm lực bám dính băng vượt bậc: Độ bền liên kết của khối băng trên bề mặt siêu kỵ nước chỉ đạt 125 kPa, thấp hơn 87,2% so với bề mặt nhôm nguyên bản có độ bền bám dính 980 kPa, và giảm 64,3% so với mẫu kỵ nước thông thường ở mức 350 kPa. Đáng chú ý, mẫu có cấu trúc nhưng thiếu lớp phủ hóa học thể hiện trạng thái siêu ưa nước với lực bám dính vượt trên 1176 kPa, cao gấp 1,2 lần bề mặt nhôm phẳng.
• Trì hoãn đóng băng ấn tượng trong môi trường âm sâu: Tại nhiệt độ âm 10 độ C, các mầm tinh thể băng xuất hiện trên bề mặt siêu ưa nước chỉ sau 200 giây và bao phủ hoàn toàn 100% diện tích sau 400 giây. Trên bề mặt kỵ nước thông thường, băng bao phủ 50% diện tích sau 600 giây. Trong khi đó, bề mặt siêu kỵ nước giữ được trạng thái sạch băng gần như tuyệt đối sau 600 giây thử nghiệm liên tục.
• Hiệu ứng tự làm sạch và độ bền chu kỳ: Giọt nước thể tích 10 microlit lăn trôi hoàn toàn trên mặt phẳng nghiêng 2 độ, cuốn sạch toàn bộ các hạt bụi bám bẩn. Khảo sát độ bền liên kết qua 40 chu kỳ đóng băng và bóc tách liên tiếp cho thấy các thông số lực dính biến thiên không đáng kể, chứng minh tính ổn định cơ học vững chắc của lớp phủ chức năng.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt vượt bậc về khả năng kháng băng giữa các mẫu bắt nguồn trực tiếp từ diện tích tiếp xúc thực tế tại ranh giới pha. Trên bề mặt siêu kỵ nước, trạng thái Cassie-Baxter ngăn không cho nước xâm nhập vào các kẽ hở nano. Khi nhiệt độ hạ thấp, các túi không khí bị giam hãm đóng vai trò như lớp đệm cách nhiệt vi mô, hạn chế truyền nhiệt từ đế lạnh lên giọt nước và giảm mạnh xác suất tạo mầm dị thể. Khối băng hình thành chỉ tiếp xúc với các đỉnh gai nano với diện tích tiếp xúc thực tế cực nhỏ, khiến lực liên kết tĩnh điện suy giảm về mức tối thiểu, cho phép lực cơ học nhẹ nhàng tách rời khối băng mà không làm tổn hại cấu trúc nền.

Ngược lại, trên bề mặt siêu ưa nước, trạng thái Wenzel khiến giọt lỏng tràn ngập vào mọi ngóc ngách của mạng lưới xốp. Khi chuyển pha, nước đông đặc ngay bên trong các khe rãnh, tạo thành hàng triệu chốt băng cơ học liên kết chặt chẽ vào vật liệu nền. Việc bóc tách khối băng ở trạng thái này đòi hỏi ứng suất cắt rất lớn, thường dẫn tới hiện tượng nứt gãy khối băng thay vì tách rời khỏi bề mặt.

Để nâng cao tính trực quan trong báo cáo học thuật, các dữ liệu thực nghiệm này có thể được biểu diễn thông qua biểu đồ kết hợp hai trục tọa độ: trục hoành thể hiện 4 nhóm trạng thái bề mặt, trục tung bên trái biểu diễn độ bền liên kết dạng biểu đồ cột, và trục tung bên phải biểu diễn góc tiếp xúc dạng đường đồ thị chấm tròn. Đồ thị sẽ phản ánh rõ nét mối quan hệ tỷ lệ nghịch tuyệt đối giữa góc tiếp xúc và ứng suất bám dính. Đồng thời, động học đóng băng theo thời gian nên được số hóa thành biểu đồ đường diện tích tích lũy phần trăm che phủ của băng tuyết từ 0 đến 600 giây nhằm làm nổi bật khả năng trì hoãn tạo mầm của lớp phủ siêu kỵ nước so với các mẫu đối chứng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm vững chắc, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp công nghệ mang tính ứng dụng cao cho giai đoạn tiếp theo:

• Hoàn thiện và chuẩn hóa quy trình ăn mòn hóa học ở quy mô bán công nghiệp: Thiết lập hệ thống bể nhúng hồi lưu nhiệt tự động nhằm xử lý các tấm nhôm khổ lớn với diện tích từ 1 mét vuông trở lên, duy trì dung sai góc tiếp xúc đồng đều trên toàn bề mặt không lệch quá 3 độ. Thời gian hoàn thiện giải pháp dự kiến trong 12 tháng, do các viện nghiên cứu khoa học vật liệu chủ trì phối hợp cùng các nhà máy gia công kim loại tấm.
• Nâng cao độ bền chống mài mòn cơ học của lớp màng mỏng hóa học: Tăng cường mật độ liên kết cộng hóa trị giữa hợp chất silane kỵ nước và nền kim loại thông qua các lớp lót trung gian nano silica hoặc xử lý kích hoạt chùm tia ion, đặt mục tiêu duy trì góc tiếp xúc trên 140 độ sau 500 chu kỳ mài mòn ma sát tiêu chuẩn. Lộ trình thực hiện trong vòng 18 tháng dưới sự phụ trách của các nhóm chuyên gia vật lý bề mặt và công nghệ màng mỏng.
• Triển khai thử nghiệm thực địa trên hệ thống truyền tải điện và trạm viễn thông vùng cao: Phủ thực nghiệm lớp bề mặt chức năng lên dây dẫn nhôm lõi thép và khung vỏ thiết bị trạm phát sóng tại khu vực Hoàng Liên Sơn, đặt chỉ tiêu kỹ thuật làm giảm trên 70% tải trọng băng tuyết tích tụ trong các đợt rét đậm có nhiệt độ dưới âm 5 độ C. Dự án cần được thực hiện trong 24 tháng bởi Tập đoàn Điện lực kết hợp cùng các đơn vị quản lý hạ tầng viễn thông.
• Nghiên cứu chuyển giao sang công nghệ phủ phun không sử dụng dung môi độc hại: Thay thế kỹ thuật bay hơi hóa học FOTS bằng phương pháp sơn phủ hạt nano phân tán trong gốc dung môi cồn thân thiện với môi trường, hướng đến cắt giảm 40% chi phí sản xuất và cho phép thao tác trực tiếp tại hiện trường công trình. Giai đoạn thử nghiệm kéo dài 15 tháng, do các phòng thí nghiệm vật liệu nano xanh phối hợp với doanh nghiệp sơn công nghiệp đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư hàng không và chuyên gia thiết kế cơ khí giao thông: Cung cấp giải pháp công nghệ chống đóng băng thụ động cho bề mặt cánh máy bay, vỏ động cơ và kính chắn gió tàu cao tốc; giúp giảm thiểu tải trọng tiêu thụ năng lượng của các hệ thống sưởi điện và loại bỏ sự phụ thuộc vào hóa chất khử băng glycol độc hại.
• Kỹ sư vận hành lưới điện cao thế và năng lượng tái tạo: Giúp các chuyên gia ngành điện nắm bắt quy trình bảo vệ bề mặt dây dẫn và cánh quạt turbine gió đặt tại vùng khí hậu băng giá; ứng dụng thực tế giúp triệt tiêu nguy cơ quá tải gây đứt cáp điện và giữ vững 95% hiệu suất phát điện của turbine trong mùa đông.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Khoa học vật liệu: Tài liệu là nguồn tham khảo mẫu mực về kỹ thuật xử lý bề mặt kim loại, phương pháp phân tích tiếp xúc pha lỏng - rắn - khí và cách thức ứng dụng kính hiển vi điện tử quét cùng hệ thống load cell chuyên dụng trong nghiên cứu vật lý thực nghiệm.
• Nhà sản xuất thiết bị gia dụng và chuỗi logistics điện lạnh: Hỗ trợ các kỹ sư phát triển lớp phủ chống đóng tuyết cho dàn trao đổi nhiệt của điều hòa hai chiều, tủ đông công nghiệp và kho lạnh bảo quản thực phẩm; giúp tiết kiệm từ 15% đến 20% điện năng tiêu thụ nhờ kéo dài chu kỳ xả đá tự động.

Câu hỏi thường gặp

Bề mặt siêu kỵ nước chế tạo trong luận văn có góc tiếp xúc và lực bám dính băng đạt thông số bao nhiêu? Theo kết quả đo đạc thực nghiệm, mẫu nhôm sau khi được tạo cấu trúc vi mô và phủ hóa chất kỵ nước đạt góc tiếp xúc với nước là 155 độ, góc trượt dưới 2 độ, thuộc trạng thái siêu kỵ nước hoàn hảo. Lực bám dính của khối băng trên bề mặt này giảm xuống chỉ còn 125 kPa, thấp hơn 87,2% so với mức 980 kPa trên bề mặt nhôm phẳng nguyên bản.

Tại sao bề mặt có cấu trúc nhám nhưng không phủ hóa chất lại bám băng mạnh hơn nhôm nguyên bản? Bề mặt nhôm sau khi ăn mòn có cấu trúc vi xốp nhưng mang năng lượng bề mặt cao, đẩy giọt nước vào trạng thái dính ướt Wenzel với góc tiếp xúc chỉ 30 độ. Khi đóng băng, nước len lỏi sâu vào các rãnh nano tạo thành hàng vạn chốt băng cơ học bám chặt vào kim loại, làm tăng lực liên kết lên mức 1176 kPa, cao gấp 1,2 lần bề mặt nhôm phẳng chưa xử lý.

Luận văn đã sử dụng phương pháp nào để đo lường chính xác lực bám dính của băng tuyết? Nghiên cứu sử dụng cảm biến lực load cell chuyên dụng điều khiển cơ học với tốc độ tịnh tiến ổn định 50 micromet trên giây ở nhiệt độ âm 10 độ C để đẩy tách giọt băng 5 microlit đã hóa rắn. Tín hiệu lực va chạm được máy tính thu nhận liên tục và giá trị lực đỉnh tại thời điểm khối băng bị bóc tách hoàn toàn được ghi nhận để tính toán ứng suất bám dính.

Khả năng làm chậm quá trình đóng băng của bề mặt chức năng diễn ra như thế nào trong môi trường âm sâu? Trong buồng mô phỏng ở nhiệt độ âm 10 độ C, các túi khí nano bị bẫy trong trạng thái Cassie-Baxter hoạt động như lớp cản nhiệt, đồng thời năng lượng tạo mầm dị thể tăng cao khiến giọt nước rất khó kết tinh. Kết quả ghi nhận bề mặt siêu kỵ nước giữ được trạng thái không đóng băng suốt 600 giây, trong khi bề mặt siêu ưa nước đã bị băng bao phủ kín hoàn toàn chỉ sau 400 giây.

Độ bền cơ học và tính ổn định của bề mặt chức năng được kiểm chứng qua bao nhiêu chu kỳ? Độ bền của lớp phủ được đánh giá thông qua 40 chu kỳ đóng băng và bóc tách lực cơ học liên tiếp tại cùng một vị trí. Kết quả phân tích cho thấy độ biến thiên về lực dính giữa các lần đo là không đáng kể, chứng minh liên kết giữa lớp màng mỏng kỵ nước với nền nhôm có độ ổn định cơ lý cao, đáp ứng tốt yêu cầu làm việc ngoài trời.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công quy trình chế tạo bề mặt chức năng chống đóng băng trên hợp kim nhôm thông qua phương pháp kết hợp ăn mòn hóa học bằng acid chlohydric 10% ở 500 độ C trong 30 phút và phủ màng kỵ nước FOTS.
• Bề mặt thu được đạt trạng thái siêu kỵ nước hoàn hảo với góc tiếp xúc 155 độ và góc trượt dưới 2 độ, hiện thực hóa xuất sắc hiệu ứng lá sen theo mô hình Cassie-Baxter.
• Cơ tính bề mặt ghi nhận bước tiến vượt bậc khi hạ thấp độ bền bám dính của băng xuống mức 125 kPa, giảm tới 87,2% tải trọng bám dính so với nền nhôm nguyên bản.
• Khả năng kiểm soát nhiệt động học chuyển pha được khẳng định qua việc ngăn chặn hoàn toàn sự tích tụ tinh thể băng tuyết trong suốt 600 giây ở điều kiện khắc nghiệt âm 10 độ C.
• Độ ổn định thực nghiệm của lớp phủ được xác thực qua 40 chu kỳ đo lặp lại liên tục và tính năng tự làm sạch bụi bẩn hiệu quả với giọt nước thể tích chỉ 10 microlit.

Công trình đã cung cấp luận cứ khoa học vững chắc và giải pháp công nghệ đơn giản, chi phí thấp cho bài toán chống đóng băng thụ động trên vật liệu kim loại phổ biến. Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung gia cường độ bền chống mài mòn cơ học và triển khai thử nghiệm diện rộng ngoài trời trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp hàng không, điện lực và công nghiệp chế tạo được khuyến khích kết nối chuyển giao công nghệ để đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Các thành tựu khoa học công nghệ thế kỉ 21 là kết quả của sự phát triển của công nghệ nano, kiến tạo nên những “thế giới mới” cho con người – thế giới vi mô. Tiềm năng và sự phát triển của công nghệ nano nhanh chóng thu hút các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực từ công nghiệp, kĩ thuật, văn hóa, nông nghiệp đến quân sự. Một cách khái quát, công nghệ nano được định nghĩa là sự chế tạo và kiểm soát vật chất với ít nhất một chiều có kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của công nghệ nano đó là thay đổi đặc tính của các bề mặt vật liệu nhằm định hướng cho các ứng dụng khác nhau trên cùng một vật liệu nền [1,16].

Các bề mặt chức năng (functional surfaces) ngày càng trở nên phổ biến trong cuộc sống của con người. Những chiếc điện thoại với màn hình chống bám bẩn, những chiếc kính chắn gió hoàn toàn chống lóa giúp an toàn hơn khi di chuyển, các đường ray tàu hỏa chống lại băng tuyết giúp di chuyển an toàn hơn…. đã và đang là những ứng dụng mà con người hướng tới. Tự nhiên, với tư cách như một người truyền cảm hứng, đã luôn gợi mở cho con người những hình thái đặc biệt và tồn tại bền bỉ trong những môi trường khắc nghiệt và khó khăn nhất: chim cánh cụt với cấu trúc lông hai cấp micro/nano kết hợp với dầu từ tuyến mồ hôi giúp chúng sinh tồn trong môi trường lạnh giá và dễ dàng di chuyển trong biển cả , mắt ve sầu hấp thụ gần như hoàn toàn ánh sáng tới để hạn chế thu hút con mồi [39,5,12], các con bọ cánh cứng trên sa mạc Namib khô hạn vẫn thu thập được nước trong gió cát để sinh tồn [10,17,23],…Những hình thái thú vị đó là nguồn cảm hứng vô tận cho các chế tạo mô phỏng phục vụ cho cuộc sống của con người.

Từ việc tìm kiếm và thấu hiểu được các hình thái đến việc mô phỏng được chúng là cả một quá trình đầy khó khăn và đòi hỏi nhiều sự đầu tư. Để tạo lập nên những bề mặt chức năng như vậy, về mặt phương pháp tiếp cận có thể chia ra thành 03 phương cách chính: xử lý bề mặt (surface treatment) [9,30], thay đổi 5 cấu trúc (surface modification) [9,37], và sơn phủ bề mặt (surface coating) [7,28,34,40]. Trong đó, các phương pháp với mục đích sửa đổi bề mặt trực tiếp trên vật liệu nền như ăn mòn và in thạch bản là khá hạn chế do phạm vi hoạt động của chất nền bị hạn chế và sự phức tạp của chúng khi yêu cầu các nguyên tắc nhất định mới có thể chế tạo được như: loại chất phản quang, bước sóng ánh sáng, thời gian phơi sáng. Các nghiên cứu gần đây của TS.

Nguyễn Thanh Bình và cộng sự đã trình bày các kết quả ăn mòn ngay trên bề mặt Nhôm bằng acid và khảo sát các yếu tố có liên quan, cho thấy kết quả khá tốt khi tạo ra một bề mặt cấu trúc đa lớp micro-nano. Bằng cách kiểm soát nồng độ acid và thời gian ăn mòn, họ có thể tạo ra được các cấu trúc như mong muốn cho các mục đích khác nhau [19,22]. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu của giáo sư Hyuneui Lim tại Viện Máy và Vật liệu Hàn quốc (Daejeon – Hàn quốc) đã trình bày phương pháp ăn mòn khô ngay trên bề mặt thủy tinh và cho thấy những cấu trúc rất đều đặn [20,25]. Bằng cách sử dụng một đơn lớp hạt Polystyrene phủ trên bề mặt và ăn mòn bằng plasma theo chiều từ trên xuống, một cấu trúc đều đặn hình nón cụt được tạo lập ngay trên bề mặt thủy tinh.

Một cấu trúc như vậy vừa cho thấy hiệu quả quang học vừa cho thấy khả năng chống bám bẩn, chống dính ướt, chống ăn mòn và chống băng tuyết rất tốt. Ngoài việc thay đổi đặc tính bằng cách tạo lập các cấu trúc ngay trên mặt vật liệu nền, phủ bề mặt là một trong những cách tiếp cận hiệu quả nhất để thay đổi các đặc tính bề mặt rắn. Khác với “sửa đổi bề mặt trực tiếp”, lớp phủ được coi là một phương pháp biến đổi gián tiếp thông qua các quá trình Hóa học hoặc Vật lý để tạo nên một lớp các chất mới với các đặc tính hoàn toàn khác trên bề mặt nền như một lớp bảo vệ hoặc lớp đa chức năng. Nhờ điều đó, phạm vi ứng dụng của cả vật liệu nền và các phương pháp chế tạo đã được mở rộng ra rất nhiều chứ không còn bị giới hạn vì đặc tính của vật liệu nền và lớp phủ nữa.

Các phương pháp cụ thể để phủ bề mặt có thể kể đến như bay hơi hóa học (Chemical Vapor Deposition – CVD), bay hơi vật lý (Physical Vapor Deposition – PVD), 6 sơn phủ (Spray Coating),… với đa dạng các loại hợp chất hóa học để thay đổi năng lượng bề mặt vật rắn ban đầu như: FOTS (Fluoroorthortetrasilane), PFPE (PerFluoroPolyEther), hay các hợp chất họ FC (FluoroCarbon) như FC40, FC70… Các nghiên cứu hiện đại gần đây đã được tiến hành theo hướng kết hợp cả hai phương thức này: tái cấu trúc và phủ bề mặt. Bằng cách đó, bề mặt ban đầu sẽ đạt được các hiệu quả trên mong đợi so với khi chỉ sử dụng một trong hai phương pháp. Các nghiên cứu gần đây của PGS. Nguyễn Bá Đức trên bề mặt thủy tinh đã trình bày một cách kết hợp giữa việc ăn mòn sâu Ion bằng plasma với phủ bề mặt hóa học bằng hợp chất FOTS.

Nhờ đó, thủy tinh vừa cho thấy độ truyền qua vượt trội (trên 95% so với 89% của thủy tinh nguyên bản) vừa chứng tỏ khả năng chống dính ướt mô phỏng hoàn hảo hình thái của lá sen [20]. Các ứng dụng cụ thể mà việc chức năng hóa bề mặt hướng tới là các bề mặt chống dính ướt (water repellency)[7,11,21], chống bám bẩn (self-cleaning) [13,26], chống ăn mòn (anti-corrosion) [34], chống phản xạ (anti-reflective) [3,35,38], chống băng tuyết (anti-icing), hay thu thập nước trong không khí (water collection) [23]…Trong số đó, bề mặt chức năng chống dính ướt là một trong những kĩ thuật được tập trung nghiên cứu nhiều nhất vì sự đang dạng trong phương pháp chế tạo, tiềm năng tối ưu hóa, và quan trọng nhất bề mặt không dính ướt là một bước đệm cho các ứng dụng xa hơi sau đó nhu chống bám bẩn, chống vi khuẩn, chống ăn mòn, hay chống băng tuyết. Trong thực tế, các bề mặt không dính ướt có thể giải quyết rất nhiều vấn đề của cuộc sống. Các tính năng của bề mặt không dính ướt lấy cảm hứng từ tự nhiên đã thu hút sự quan tâm trên toàn thế giới trong vài năm qua do các tính chất đặc biệt và các ứng dụng tiềm năng của chúng.

Khi nhìn lại, thiên nhiên, với tư cách như là một người cố vấn thông thái của con người, đã trình bày vô số bề mặt sinh học biểu hiện hình thái không dính ướt như lá sen, chân tắc kè, con bọ 7 sa mạc Namib, nhện nước. Nhờ sự nỗ lực của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực, cơ chế của sự kết hợp thông minh tạo nên hình thái không dính ướt đó được làm rõ, cũng như đã đề xuất được nhiều phương thức khác nhau để đạt được hình thái đó. Về bản chất vật lí, để có được một bề mặt không dính ướt hoàn hảo, đòi hỏi sự kết hợp chính xác và ổn định của lớp phủ nano và cấu trúc nano (độ nhám). Trong đó, lớp phủ nano không dính ướt có thể được định nghĩa là một loại lớp phủ bao gồm ít nhất một nguyên liệu thô có quy mô nano đóng vai trò quan trọng trong đặc tính của lớp phủ hoặc hình thái của lớp phủ siêu kỵ nước ở kích thước nano trong một kích thước nhất định.

Lớp phủ nano không dính ướt là một loại vật liệu nano mới mẻ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hydro hóa bề mặt để tạo nên những đặc tính đáng chú ý. Các vật liệu phủ nano đã thúc đẩy sự thay đổi mạnh mẽ trong lĩnh vực nghiên cứu bề mặt. Đáng chú ý, định nghĩa về lớp phủ nano không hoàn toàn liên quan với định nghĩa của vật liệu nano truyền thống và cho đến nay khái niệm về lớp phủ nano không dính ướt vẫn chưa được trình bày một cách rộng rãi. Cũng vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã không tường minh khái niệm này trực tiếp trong các công trình của họ.

Tuy nhiên, với sự thừa nhận qua thời gian trong cộng đồng của lĩnh vực khoa học bề mặt, hình thái dính ướt bề mặt nói chung có thể được chia thành 4 trạng thái khác nhau tùy theo góc tiếp xúc (Water Contact Angle – WCA) của bề mặt với nước tại mặt phân cách 3 pha. Trạng thái dính ướt và không dính ướt được định nghĩa là WCA trong phạm vi tương ứng là 10° θ <90° và 90° <θ <150°, là các chế độ thông thường nhất. Trạng thái hoàn toàn dính ướt và hoàn toàn không dính ướt thú vị hơn đối với các khoảng WCA rất đặc biệt, tương ứng là 0° < θ < 10° và 150° < θ < 180°. Trong đó, trạng thái đáng chú ý nhất tất nhiên là hoàn toàn không dính ướt, mô tả một trạng thái không thấm ướt gần như hoàn hảo của bề mặt.

Ngoài WCA rất cao, các bề mặt không dính ướt có độ trễ góc tiếp xúc với nước cực thấp (Contact Angle Hysteresis - CAH) (< 5°) dẫn đến việc các giọt nước dễ dàng lăn tròn khỏi bề mặt. 8 Tất nhiên, khi xem xét tính đặc biệt của lớp phủ nano không thể phủ nhận sự quan trọng của yếu tố cấu trúc (độ nhám), nghĩa là các vi cấu trúc kích thước dưới micromet. Các thành tố có liên quan cần được cân nhắc khi chế tạo một bề mặt mô phỏng như vậy bao gồm duy trì độ nhám cỡ nano, đảm bảo độ dày của lớp phủ, độ ổn định cơ học và độ bền liên kết giữa lớp phủ và chất nền. Sự kết hợp độc đáo trong đó các độ nhám cỡ nano xen kẽ với chất lỏng khiến chúng trở thành một nền tảng đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực phủ nano không dính ướt như đã đề cập trong một số nghiên cứu điển hình với các đặc tính đã được đề cập ở trên.

Lá sen là hình mẫu điển hình nhất giúp con người người ta nhận ra tính không dính ướt trong tự nhiên. Tuy nhiên, tại sao nó lại như vậy thì chưa ai biết. Phải mất thêm vài thập kỷ nữa, cho đến khi kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM) ra đời thì bản chất của nó mới được làm sáng tỏ.