Theo thông tin từ các phương tiện truyền thông, nhóm nghiên cứu từ Học viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) của Đức và Học viện Công nghệ Ấn Độ tại Guwahati (IITG) đã phát triển một loại vật liệu bề mặt gần như hoàn toàn đẩy lùi nước. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng quy trình hoàn toàn đổi mới, thay đổi khung kim loại hữu cơ (MOF, loại vật liệu nhân tạo có tính năng mới lạ) bằng cách gắn các chuỗi hydrocarbon để mang lại tính chất siêu kỵ nước (cực kỳ chống nước). Điều này rất hữu ích cho việc tạo ra các bề mặt tự làm sạch cần chống lại tác động của môi trường, chẳng hạn như ứng dụng trong xe hơi hoặc xây dựng.
(Nguồn ảnh: Học viện Công nghệ Karlsruhe)
MOF (khung kim loại hữu cơ) được tạo thành từ các kim loại và các liên kết hữu cơ (linkers), hình thành một mạng lưới lỗ rỗng giống như bọt biển. Mở rộng 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 việc lưu trữ khí, tách carbon dioxide hoặc các công nghệ y tế đổi mới. Bề mặt bên ngoài của các vật liệu tinh thể này cũng có những đặc điểm độc đáo, nhóm nghiên cứu đã tận dụng những đặc điểm này bằng cách gắn các chuỗi hydrocarbon lên màng MOF.
Các nhà nghiên cứu quan sát thấy góc tiếp xúc với nước vượt quá 160 độ (góc giữa bề mặt giọt nước và vật liệu càng lớn thì tính kỵ nước của vật liệu càng tốt). Giáo sư Christof Wöll từ Viện Nghiên cứu Bề mặt Chức năng (Institute of Functional Interfaces) cho biết: “Bằng phương pháp này, chúng tôi có thể đạt được 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 khám phá tính chất ướt (wetting properties) của các hạt bột MOF, nhưng việc sử dụng màng MOF đơn này cho mục đích này là một khái niệm đột phá.”
Vật liệu “siêu kỵ nước” thế hệ tiếp theo
Nhóm nghiên cứu đã ghi nhận những kết quả này do sự sắp xếp giống như chổi (polymer brush) của các chuỗi hydrocarbon trên MOF. Khi được gắn vào vật liệu MOF, chúng thường tạo thành “cuộn” (coils), đây là một trạng thái không trật tự được gọi là “trạng thái cao entropi”, rất quan trọng cho các đặc tính kỵ nước của nó. Các nhà nghiên cứu tin rằng trạng thái gắn chuỗi hydrocarbon này không thể quan sát thấy trên các vật liệu khác.
Đáng chú ý là, khi gắn chuỗi perfluorocarbon, tức là thay thế nguyên tử hydro bằng fluor, góc tiếp xúc với nước không tăng lên. Trong các vật liệu như Teflon, sự perfluor hóa có thể mang lại các đặc tính siêu kỵ nước. Tuy nhiên, theo phát hiện của nhóm nghiên cứu, trong vật liệu mới phát triển, điều này rõ ràng đã làm giảm góc tiếp xúc với nước. Mô phỏng máy tính phân tích thêm khẳng định rằng, ngược lại với các chuỗi hydrocarbon, phân tử perfluor hóa không thể hiện trạng thái cao entropi có lợi về năng lượng.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã thay đổi độ nhám bề mặt của hệ thống SAM@SURMOF ở cấp độ nano, từ đó giảm thêm độ bám dính của nước. Ngay cả khi góc nghiêng rất nhỏ, giọt nước cũng bắt đầu lăn, tính năng kỵ nước và khả năng tự làm sạch của chúng được cải thiện rõ rệt.
Giáo sư Uttam Manna từ Khoa Hóa học IITG cho biết: “Công việc này cũng bao gồm phân tích lý thuyết chi tiết, liên kết hành vi bất ngờ xuất hiện trong thử nghiệm với trạng thái cao entropi của các phân tử gắn vào màng MOF. Nghiên cứu này sẽ thay đổi thiết kế và sản xuất của các vật liệu thế hệ tiếp theo có tính kỵ nước tối ưu.”
