Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự xuất hiện ngày càng nhiều các hiện tượng thời tiết lạnh giá, việc nghiên cứu các bề mặt chức năng có khả năng chống dính ướt và chống băng tuyết trở nên cấp thiết. Theo ước tính, băng tuyết gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng trong các lĩnh vực giao thông, hàng không, và thiết bị ngoài trời. Luận văn thạc sĩ này tập trung khảo sát các bề mặt được chức năng hóa với độ dính ướt khác nhau chế tạo trên vật liệu nhôm, nhằm mục tiêu chế tạo thành công các bề mặt có khả năng chống dính ướt và chống băng tuyết hiệu quả.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc chế tạo và đánh giá các mẫu nhôm kích thước 3 cm x 3 cm, xử lý bằng phương pháp ăn mòn ướt kết hợp phủ hợp chất hóa học kị nước FOTS, với các điều kiện nhiệt độ và nồng độ axit khác nhau. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2020 đến 2022 tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các vật liệu chức năng ứng dụng trong môi trường lạnh giá, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động và độ bền của các thiết bị ngoài trời như kính chắn gió, cửa sổ nhà cao tầng, và các thiết bị công nghiệp. Các chỉ số đánh giá hiệu năng bao gồm góc tiếp xúc, độ bền liên kết, khả năng kháng băng tuyết và độ bền mẫu, giúp định hướng phát triển các bề mặt siêu kỵ nước (superhydrophobic) với góc tiếp xúc lớn hơn 150° và góc nghiêng nhỏ hơn 2°.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về bề mặt chức năng, hiện tượng dính ướt và không dính ướt, cũng như cơ sở lý thuyết tạo mầm trong quá trình kết tinh băng tuyết. Hai trạng thái tiếp xúc chính được áp dụng là trạng thái Wenzel và Cassie-Baxter, mô tả sự tương tác giữa chất lỏng và bề mặt rắn với các công thức:

$$ \cos \theta_W = r \cos \theta $$

$$ \cos \theta_{CB} = -1 + f (1 + \cos \theta) $$

trong đó $\theta_W$ và $\theta_{CB}$ là góc tiếp xúc tương ứng, $r$ là tỉ lệ độ nhám, và $f$ là tỉ số diện tích bề mặt chất rắn tiếp xúc với chất lỏng.

Khái niệm bề mặt không dính ướt (superhydrophobic) được định nghĩa với góc tiếp xúc lớn hơn 150°, dựa trên cấu trúc nano đa lớp kết hợp với hợp chất hóa học kị nước như FOTS. Lý thuyết tạo mầm cổ điển được sử dụng để giải thích quá trình hình thành tinh thể băng, bao gồm tạo mầm sơ cấp và thứ cấp, với sự nhấn mạnh vào năng lượng tự do Gibbs cần thiết để hình thành hạt nhân tinh thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu nhôm được chế tạo tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên. Cỡ mẫu gồm các tấm nhôm kích thước 3 cm x 3 cm, được xử lý bằng phương pháp ăn mòn ướt với dung dịch axit Clohidric (HCl) pha loãng, duy trì nhiệt độ từ 300°C đến 500°C trong khoảng 15-30 phút, sau đó phủ lớp FOTS để tạo tính kỵ nước.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát cấu trúc bề mặt với độ phóng đại từ 1200 đến 5000 lần.
  • Thiết bị đo góc tiếp xúc (Model DM-50, Kyowa Interface Science Co.) với giọt nước 5 μL để xác định độ dính ướt.
  • Bố trí thí nghiệm làm lạnh mẫu đến -10°C, sử dụng cảm biến lực để đo độ bền liên kết giữa băng và bề mặt, cùng camera tốc độ cao để ghi lại quá trình đóng băng và thời gian chuyển pha.
  • Phân tích dữ liệu dựa trên mối quan hệ giữa góc tiếp xúc, độ bền liên kết, khả năng chống băng tuyết và độ bền mẫu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng 2 năm, từ khâu chế tạo mẫu, thực nghiệm đến phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công bề mặt không dính ướt trên nhôm: Mẫu M1 được xử lý ăn mòn ướt ở 500°C, 10% HCl trong 30 phút và phủ FOTS đạt góc tiếp xúc 155° với góc nghiêng 2°, thể hiện đặc tính siêu kỵ nước. Các mẫu khác có góc tiếp xúc giảm dần theo thời gian chiếu tia UVO, từ 155° xuống 25°, tương ứng với độ dính ướt tăng lên.

  2. Mối quan hệ nghịch đảo giữa độ dính ướt và độ bền liên kết: Độ bền liên kết đo được trên mẫu M1 là 125 kPa, thấp nhất trong các mẫu, trong khi mẫu M6 (góc tiếp xúc 25°) có độ bền liên kết cao nhất 1380 kPa. Mối tương quan này cho thấy diện tích tiếp xúc lớn hơn làm tăng lực hút tĩnh điện giữa băng và bề mặt.

  3. Khả năng chống băng tuyết vượt trội của bề mặt không dính ướt: Mẫu M1 chỉ xuất hiện băng sau 600 giây và băng phủ khoảng 25% diện tích sau 800 giây, trong khi mẫu M6 bị băng phủ toàn bộ sau 800 giây. Mẫu M2 và M3 có góc tiếp xúc lần lượt 120° và 92° cho thấy khả năng chống băng tuyết trung gian, với diện tích băng phủ tương ứng 70% và 90%.

  4. Độ bền và tính lặp lại của các mẫu: Sau 30 lần thí nghiệm, mẫu M1 vẫn giữ được độ bền liên kết ổn định, chứng tỏ lớp phủ FOTS bền vững. Mẫu M5 có độ bền liên kết tăng nhẹ do lớp phủ bị bào mòn, trong khi mẫu M6 không có lớp phủ hóa học nên độ bền liên kết không thay đổi đáng kể.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa cấu trúc nano đa lớp và lớp phủ hóa học kị nước là yếu tố quyết định tính siêu kỵ nước và khả năng chống băng tuyết của bề mặt nhôm. Cấu trúc nano tạo ra trạng thái tiếp xúc Cassie-Baxter, giảm diện tích tiếp xúc giữa nước và bề mặt, từ đó giảm lực liên kết và trì hoãn quá trình tạo mầm băng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với lý thuyết và thực nghiệm về mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và độ bền liên kết. Việc sử dụng FOTS làm lớp phủ hóa học giúp giảm năng lượng bề mặt, tăng hiệu quả chống dính ướt và chống băng tuyết. Các biểu đồ góc tiếp xúc so với độ bền liên kết và thời gian xuất hiện băng minh họa rõ ràng mối quan hệ nghịch đảo giữa các chỉ số này.

Ngoài ra, tính lặp lại và độ bền của lớp phủ cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế trong các thiết bị ngoài trời, nơi yêu cầu độ bền cao và khả năng chống chịu môi trường lạnh giá.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình ăn mòn ướt và phủ FOTS: Đề nghị tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh nhiệt độ, nồng độ axit và thời gian ăn mòn để tạo ra cấu trúc nano đồng đều hơn, nâng cao hiệu quả siêu kỵ nước. Thời gian thực hiện trong 6-12 tháng, do phòng thí nghiệm vật lý chất rắn chủ trì.

  2. Phát triển lớp phủ hóa học bền vững hơn: Khuyến nghị nghiên cứu các hợp chất kị nước mới có khả năng chống mài mòn và bền vững trong môi trường khắc nghiệt, nhằm tăng tuổi thọ bề mặt chức năng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 12 tháng, phối hợp với các viện hóa học vật liệu.

  3. Mở rộng khảo sát hiệu năng trong điều kiện thực tế: Đề xuất thử nghiệm các mẫu trên các thiết bị ngoài trời như kính chắn gió ô tô, cửa sổ nhà cao tầng để đánh giá khả năng chống băng tuyết và độ bền lâu dài. Thời gian thực hiện 12-18 tháng, phối hợp với các đơn vị sản xuất và ứng dụng.

  4. Nghiên cứu kết hợp công nghệ SLIPs: Khuyến nghị kết hợp bề mặt siêu kỵ nước với công nghệ bề mặt trơn trượt (SLIPs) để nâng cao khả năng loại bỏ băng tuyết và chống bám bẩn. Thời gian nghiên cứu 18 tháng, do nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn và hóa học vật liệu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu và bề mặt chức năng: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích sâu về mối quan hệ giữa cấu trúc bề mặt, hóa học bề mặt và hiệu năng chống băng tuyết, hỗ trợ phát triển các vật liệu mới.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành hàng không và giao thông: Thông tin về khả năng chống bám băng tuyết trên bề mặt nhôm giúp thiết kế các bộ phận máy bay, phương tiện giao thông chịu lạnh hiệu quả hơn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị ngoài trời và xây dựng: Các giải pháp chế tạo bề mặt siêu kỵ nước có thể ứng dụng trong sản xuất kính chắn gió, cửa sổ, tấm phủ chống bám bẩn và băng tuyết, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý chất rắn, vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp chế tạo, phân tích và đánh giá bề mặt chức năng, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bề mặt siêu kỵ nước được chế tạo như thế nào trên nhôm?
    Bề mặt được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn ướt với dung dịch axit Clohidric ở nhiệt độ 500°C trong 30 phút, tạo cấu trúc nano đa lớp, sau đó phủ hợp chất hóa học kị nước FOTS để giảm năng lượng bề mặt, đạt góc tiếp xúc 155°.

  2. Góc tiếp xúc ảnh hưởng thế nào đến khả năng chống băng tuyết?
    Góc tiếp xúc càng lớn (trên 150°) thì diện tích tiếp xúc giữa nước và bề mặt càng nhỏ, làm giảm lực liên kết và trì hoãn quá trình tạo mầm băng, từ đó tăng khả năng chống băng tuyết.

  3. Độ bền liên kết được đo như thế nào?
    Sử dụng cảm biến lực để đo lực tối đa cần thiết để tách giọt băng khỏi bề mặt nhôm sau khi đóng băng ở -10°C, cho biết mức độ bám dính của băng trên bề mặt.

  4. Lớp phủ FOTS có bền không khi sử dụng lâu dài?
    Kết quả thí nghiệm cho thấy sau 30 lần thử nghiệm, lớp phủ FOTS vẫn giữ được độ bền liên kết ổn định, chứng tỏ tính bền vững cao trong điều kiện thử nghiệm.

  5. Có thể ứng dụng công nghệ này trong sản xuất công nghiệp không?
    Có, công nghệ chế tạo bề mặt siêu kỵ nước trên nhôm có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị ngoài trời, kính chắn gió, cửa sổ nhà cao tầng và các thiết bị cần chống bám băng tuyết.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công các bề mặt chức năng trên nhôm với độ dính ướt khác nhau, trong đó bề mặt siêu kỵ nước đạt góc tiếp xúc 155° và góc nghiêng 2°.
  • Mối quan hệ nghịch đảo rõ ràng giữa độ dính ướt và độ bền liên kết, với mẫu siêu kỵ nước có độ bền liên kết thấp nhất (125 kPa).
  • Bề mặt siêu kỵ nước thể hiện khả năng chống băng tuyết vượt trội, trì hoãn sự hình thành băng và giảm diện tích băng phủ trên bề mặt.
  • Lớp phủ FOTS có độ bền cao, giữ ổn định sau nhiều lần thử nghiệm, phù hợp cho ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, phát triển lớp phủ bền hơn và mở rộng khảo sát ứng dụng trong điều kiện thực tế.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các bề mặt chức năng chống bám băng tuyết trên vật liệu nhôm, góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của các thiết bị làm việc trong môi trường lạnh giá. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp dựa trên kết quả này để phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp và đời sống.