Self-Healing and Self-Cleaning: Kính Tự Làm Sạch và Hiệu Ứng Lá Sen

Vật lý đã tìm nhiều cách để xử lý bề mặt kính, tạo ra loại kính tự làm sạch, đỡ mất nhiều công lau chùi. Thực ra đó là loại kính có bề mặt đặc biệt khi ẩm ướt không bị đọng các giọt nước làm mờ, rất ít bị bám bẩn và khi có ít nhiều chất bẩn bám vào việc làm sạch rất dễ dàng, chỉ cần dội nước lã vào là trôi hết.

1. Kính tự làm sạch

Có rất nhiều vấn đề vật lý lý thú chung quanh các tấm kính che gió che mưa, hàng ngày ta vẫn thấy ở xe ôtô, ở các cửa ra vào, cửa sổ v.v…

Kỳ trước, trên cơ sở phân tích lợi hại của tia nắng mặt trời ta đã thấy giải pháp dán màng chống nhiệt ở mặt bên trong của kính. Đó là màng có nhiều lớp, có lớp là màng mỏng kim loại làm nhiệm vụ phản xạ hầu hết tia tử ngoại, loại tia làm hại mắt, hại da, làm phai nhạt màu sắc, có lớp là màng mỏng có cấu trúc nano, làm nhiệm vụ ngăn chặn không cho tia hồng ngoại lọt qua tấm kính gây ra nóng bức khó chịu. Kết quả là màng chống nhiệt dán vào mặt trong của tấm kính có tác dụng như là màng lọc, chỉ cho ánh sáng cần thiết để nhìn thấy (bước sóng 0,4-0,7 micromet) xuyên qua dễ dàng, còn hồng ngoại, tử ngoại bị chặn lại gần hết.

Nhưng khi dùng kính còn thường gặp những chuyện lôi thôi phiều toán khác. Ngồi trong xe ôtô khi trời có mưa bất cứ là to hay nhỏ, ta thấy người lái xe phải bật ngay cần gạt nước mới nhìn rõ được đằng trước. Trong phòng tắm, hễ có hơi nước nóng thì các tấm gương mờ hẳn đi, phải lau khô mới soi gương được. Gặp hôm trời ẩm, cửa kính ở nhà bị đọng hơi nước làm mờ, nhìn ra không rõ.

Đó là vì lúc gặp ẩm ướt bề mặt tấm kính hình thành rất nhiều giọt nước nhỏ làm tán xạ mạnh ánh sáng ra chung quanh, phần ánh sáng truyền qua còn lại rất yếu nên thấy mờ. Một hậu quả tai hại nữa là trong không khí có nhiều bụi bẩn, hoặc bám sẵn trên kính hoặc hoà lẫn trong nước mưa làm cho sau khi mưa mặt kính khô đi, chất bẩn dính chặt vào kính. Ở xe ôtô, để lau kính cho sạch hết các lớp bẩn, thường phải dùng thêm bình xịt, nước rửa kính mới nhanh sạch được. Nhưng đối với kính ở nhà cửa, đặc biệt nhà cao tầng việc lau này rất phức tạp vì kính ở cao, bên ngoài cheo leo, khó tiếp cận. Ở các nước phương Tây nơi có nhiều nhà kính đồ sộ phải có đội dịch vụ chuyên nghiệp với xe ôtô cần cẩu thật cao để công nhân nai nịt bảo hiểm gọn gàng leo lên cao làm nhiệm vụ định kỳ lau sạch kính.

Vật lý đã tìm nhiều cách để xử lý bề mặt kính, tạo ra loại kính tự làm sạch, đỡ mất nhiều công lau chùi. Thực ra đó là loại kính có bề mặt đặc biệt khi ẩm ướt không bị đọng các giọt nước làm mờ, rất ít bị bám bẩn và khi có ít nhiều chất bẩn bám vào việc làm sạch rất dễ dàng, chỉ cần dội nước lã vào là trôi hết.

Có hai loại kính tự làm sạch: tự làm sạch theo hiệu ứng lá sen (lotus effect) và tự làm sạch theo quang xúc tác (photo catalyse). Để hiểu rõ hai hiệu ứng này trước hết ta xét định nghĩa chất lỏng làm ướt, không làm ướt và góc tiếp xúc.

2. Chất lỏng làm ướt, không làm ướt

Những tác dụng lên giọt chất lỏng trên bề mặt vật rắn

Cho một giọt chất lỏng trên bề mặt vật rắn. Tuỳ thuộc vào bản chất của chất lỏng và của vật rắn (cả môi trường xung quanh nữa) giọt nước có một hình dạng nào đó. Người ta gọi góc giữa vật rắn và giọt chất lỏng như vẽ ở hình 1 là góc tiếp xúc θ (đo ở bên trong chất lỏng). Nếu góc tiếp xúc trong khoảng từ 0 đến 90° (0< θ < 90°) người ta gọi chất lỏng làm ướt vật rắn. Nếu góc tiếp xúc 180° (90° < θ < 180°) người ta gọi chất lỏng không làm ướt vật rắn (khi θ - 0° là làm ướt hoàn toàn, θ = 180° là không làm ướt hoàn toàn).

Góc θ lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào tương quan của các lực căng ở mặt phân biên (thường hay nói là lực căng mặt ngoài) ở chỗ tiếp xúc, có thể tính theo công thức Newton. Trường hợp giọt nước (chất lỏng – liquid-L) trên mặt tấm kính (chất rắn – solid – S) trong môi trường không khí (hơi – Vapor-V) chỗ tiếp xúc mà ta vẽ góc θ, công thức Newton cụ thể như sau:

E_SV = E_SL – E_LV cosθ

E_SV, E_SL, và E_LV lần lượt là năng lượng mặt phân biên của kính và không khí, của kính và nước, của nước và không khí. Bản thân các giá trị năng lượng mặt phân biên lại phụ thuộc vào tương tác giữa các phân tử của các chất tiếp xúc.

Trường hợp giọt nước trên tấm kính góc θ luôn lớn hơn 90° nhưng không thể bằng 180°, giọt nước nếu hình thành sẽ có dạng hình cầu (không kể đến ảnh hưởng trọng trường), như vậy giọt nước chỉ tiếp xúc mặt kính gần như tại một điểm, dễ lăn trên bề mặt, không bị dính vào tấm kính. Vật lý đã giải quyết tốt theo hướng này nhờ học tập lá sen trong thiên nhiên, từ đó có tên gọi hiệu ứng lá sen.

Cách thứ hai là làm sao cho bề mặt kính hoàn toàn bị nước làm ướt, góc θ bằng 0°; lúc đó không có giọt nước hình thành bám trên mặt kính nữa mà có cả một lớp nước hoàn toàn trong suốt, chỉ làm cho mặt kính sạch, trong thêm, không làm tán xạ ánh sáng. Vật lý cũng đã giải quyết tốt, làm thay đổi bề mặt kính theo cách thứ hai này, không những làm cho mặt kính không mờ còn có nhiều tác dụng khử trùng, tự làm sạch tốt hơn nữa.

Ta sẽ lần lượt xét hai cách nói trên.

3. Hiệu ứng lá sen

Quan sát bằng SEM thấy mặt lá sen có những chỗ lồi kích cỡ micromet, trên những chỗ lồi còn có các sợi nhỏ nhô lên kích cỡ nanomet, làm bằng chất như sừng

Đã từ lâu người ta chú ý đến sen mọc trong đầm lầy nhưng lá luôn sạch sẽ, mưa không bao giờ làm ướt, mưa  xong lá sen vừa khô vừa sạch. Nhìn vào lá sen sau cơn mưa, nếu có khác thì chỉ ở chỗ có ít hạt nước to lăn xuống đọng lại ở chỗ thấp. Khảo sát kỹ thì chất liệu ở bề mặt lá sen không có gì thật đặc biệt nhưng cấu trúc  bề mặt lá sen mới là rất đặc biệt. Người ta trước đây vẫn nghĩ là bề mặt càng phẳng, càng láng bóng thì bụi bẩn và nước khó bám vào. Nhưng năm 1975 hai nhà thực vật là Barthlott và Neinhuis ở Đại học Bonn (Đức) dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM – scanning electron microscope) để quan sát, phát hiện rằng bề mặt lá sen xét về vi mô là hơi gồ ghề nhưng đặc biệt là trên bề mặt đó có các hạt kích cỡ nanomet làm bằng chất như sừng (hình 2). Chính là sự kết hợp của cấu trúc hạt cực nhỏ (kích cỡ nanomet) nhô lên và chất liệu như sừng nên nước không làm ướt (góc θ gần bằng 180°) tạo nên tinh chất của lá sen là không ướt, tự làm sạch mà Barthlott và Neinhuis gọi là hiệu ứng lá sen.

Hình 3. a) Khi các sợi nhỏ nhô lên bị chất lỏng làm ướt, giọt nước dính trên bề mặt

Có thể thấy rõ hiệu ứng lá sen qua các hình vẽ như sau (hình 3). Nếu bề mặt có các chỗ gồ ghề và các hạt kích cỡ nanomet nhưng lại làm bằng chất mà nước dễ làm ướt (hình 3a) thì giọt nước trên bề mặt đó như là bị hút dính vào chỗ lõm giữa cách hạt lồi nhô lên, giọt

Hình 3: b) Khi các sợi nhỏ nhô lên không bị chất lỏng làm ướt, giọt nước dễ lăn trên bề mặt

nước khó lăn được trên bề mặt. Ngược lại khi các hạt kích cỡ nanomet làm bằng chất mà nước không làm ướt, giọt nước như là nằm trên đỉnh các hạt, do đó giọt nước rất dễ lăn trên bề mặt (hình 3b). Đây chính là trường hợp của bề mặt lá sen. Không những giọt nước không bám dính, dễ lăn và khi lăn giọt nước lôi kéo theo các hạt bẩn rơi bám trên bề mặt, làm cho bề mặt sạch sẽ. Đây là trường hợp lá sen sau cơn mưa.

4. Kính tự làm sạch theo hiệu ứng lá sen

Như vậy muốn có một bề mặt không ướt, tự làm sạch theo hiệu ứng lá sen người ta phải tạo ra bề mặt sao cho trên đó có nhô lên các hạt li ti kích cỡ nanomet làm bằng chất không bị nước làm ướt. Đối với kính, trực tiếp làm được bề mặt như vậy lúc chế tạo ra kính rất khó khăn tốn kém. Người ta thường làm theo cách tạo ra một màng polyme mà bề mặt có đầy đủ các tính chất trên rồi dán màng đó lên bề mặt tấm kính thường. Phổ biến hơn là phun lên tấm kính thông thường một dung dịch chất keo có các hạt nano và xử lý sao cho sau lúc sấy khô có các hạt nano nổi cậm nhô lên nhưng bám dính rất chặt vào kính nhờ chất keo.

Đây thuộc về bí mật công nghệ của những nhà sản xuất. Tất nhiên là phải đảm bảo được tính chất không bị mờ khi ẩm ướt, tự làm sạch và trong suốt. Khác với trường hợp màng chống nhiệt dán vào mặt trong của kính, ở đây phải phủ ở mặt ngoài của kính nên yêu cầu sản phẩm bền chắc ít bị sước, là rất quan trọng.

Hiệu ứng lá sen được ứng dụng nhiều để làm cho kính trước xe ôtô luôn được trong suốt, không cần gạt nước lúc trời mưa. Trong phòng tắm, gương soi nếu được phủ lớp tạo hiệu ứng lá sen thì lúc tắm nhiều hơn nước xông ra, gương vẫn trong, soi được. Những nhà kính quan trọng cần luôn giữ cho kính trong suốt, ít phải lau chùi, thường có phủ lớp tự làm sạch theo hiệu ứng lá sen. Lúc cần thì xịt nước kính sẽ trong suốt ngay. Cũng theo nguyên tắc này người ta làm ra sợi vải có phủ lớp mỏng chất không bị làm ướt để dệt thành vải không ướt, không bẩn. Một số ăngten ngoài trời để tránh bị ướt lúc trời mưa, lúc có sương mù cũng được phủ lớp chống ướt theo hiệu ứng lá sen.