Theo các phương tiện truyền thông, nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) của Đức và Viện Công nghệ Ấn Độ Guwahati (IITG) đã phát triển vật liệu bề mặt gần như hoàn toàn đẩy lùi giọt nước. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quy trình sáng tạo hoàn toàn mới để thay đổi khung hữu cơ kim loại (MOF, một loại vật liệu nhân tạo có đặc tính mới) thông qua việc nối các chuỗi hydrocarbon, tạo ra tính siêu kỵ nước. Điều này rất hữu ích cho các bề mặt tự làm sạch cần chống lại tác động từ môi trường, như trong ứng dụng ô tô hoặc xây dựng.
(Nguồn ảnh: Viện Công nghệ Karlsruhe)
MOF (khung hữu cơ kim loại) được cấu tạo từ các kim loại và các liên kết hữu cơ, tạo thành một mạng lưới lỗ rỗng giống như bọt biển. Hai gram MOF có thể tạo ra diện tích bằng một sân bóng đá, đặc tính thể tích này khiến nó trở thành vật liệu thú vị trong các ứng dụng như lưu trữ khí, tách carbon dioxide hoặc công nghệ y tế mới. Bề mặt ngoài của những vật liệu tinh thể này cũng mang những đặc điểm độc đáo, và nhóm nghiên cứu đã tận dụng những đặc điểm này bằng cách kết nối các liên kết hydrocarbon vào màng MOF.
Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng góc tiếp xúc của nước vượt quá 160 độ (góc giữa bề mặt giọt nước và chất nền càng lớn, tính kỵ nước của vật liệu càng tốt). Giáo sư Christof Wöll từ Viện Các Giao diện Chức năng (KIT) cho biết: “Thông qua phương pháp này, chúng tôi đã có thể tạo ra bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc rõ rệt cao hơn so với các bề mặt và lớp phủ nhẵn khác. Mặc dù trước đây đã nghiên cứu tính chất ướt của các hạt bột MOF, nhưng việc sử dụng màng MOF đơn tấm cho mục đích này là một khái niệm tiên phong.”
Vật liệu “siêu kỵ nước” thế hệ tiếp theo
Nhóm nghiên cứu cho rằng kết quả này nhờ vào sự sắp xếp chải chuỗi hydrocarbon trên MOF (chải polymer). Khi được gắn vào vật liệu MOF, chúng thường hình thành “cuộn” (coils), một trạng thái không có trật tự được gọi là “trạng thái entropy cao” rất quan trọng đối với đặc tính kỵ nước của nó. Các nhà nghiên cứu tin rằng trạng thái chuỗi hydrocarbon này không thể được quan sát trên các vật liệu khác.
Đáng chú ý, khi liên kết bằng chuỗi perfluoro, tức là thay thế nguyên tử hydro bằng fluor, góc tiếp xúc với nước không tăng lên. Trong các vật liệu như Teflon, việc perfluor hóa có thể mang lại tính siêu kỵ nước. Tuy nhiên, như phát hiện của nhóm nghiên cứu, trong vật liệu mới phát triển này, nó làm giảm rõ rệt góc tiếp xúc với nước. Mô phỏng máy tính cho thấy rằng các phân tử perfluoro không thể trình bày trạng thái entropy cao có lợi về năng lượng, trái ngược với chuỗi hydrocarbon.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã thay đổi độ thô bề mặt của hệ thống SAM@SURMOF ở quy mô nano, từ đó giảm đáng kể lực bám dính nước. Ngay cả khi góc nghiêng rất nhỏ, giọt nước cũng bắt đầu lăn, làm tăng rõ rệt khả năng kỵ nước và tính tự làm sạch của chúng.
Giáo sư Uttam Manna từ Khoa Hóa học của IITG cho biết: “Công việc này cũng bao gồm phân tích lý thuyết chi tiết, liên kết những hành vi bất ngờ xuất hiện trong thí nghiệm với trạng thái entropy cao của các phân tử được gắn vào màng MOF. Nghiên cứu này sẽ thay đổi thiết kế và sản xuất vật liệu thế hệ tiếp theo có tính kỵ nước tối ưu.”
