Ngày xuân nói chuyện hoa lá

Nhân ngày xuân xin giới thiệu hai kết quả nghiên cứu của phỏng sinh học về lá sen và hoa hồng.Lá sen màu xanh đẹp, không bao giờ ướt. Giọt nước mưa rơi trên lá sen luôn co tròn lại và lăn xuống. Tương tự như lá môn, lá khoai:Mưa biếc tha hồ rơi giọt ngọc/ Lá xanh không ướt đến da ngoài.(trích thơ Xuân Diệu)Còn nhìn kỹ cánh hoa hồng trong sương sớm thấy có chỗ giống lá sen: những giọt sương nhỏ li ti co tròn lại trên cánh hoa. Nhưng khác với ở lá sen, những giọt nước nhỏ li ti ấy cứ bám lên cánh hoa, không lăn và rơi xuống, mặt cánh hoa ướt nhẹ chứ không khô. Nếu như có đôi chút mâu thuẫn ở sắc đẹp của hoa hồng:Hoa hồng nào mà chẳng có gai thì ở cánh hoa hồng cũng chứa đầy mâu thuẫn: vừa khô lại vừa ướt.Các nhà phỏng sinh học đã lý giải như thế nào chung quanh chuyện khô và ướt ở lá sen và hoa hồng và đã học tập được những gì ở đấy?

Ghét nước và thích nướcTrước hết hãy nói chuyện khô và ướt một cách định lượngNhỏ một giọt nước lên bề mặt có sáp, mỡ… Giọt nước không lan rộng ra mà co cụm lại. Lấy một tấm kính rửa xà phòng thật sạch, nhỏ một giọt nước lên đó, giọt nước trải rộng ra. Để dễ so sánh tính chất dễ làm ướt, khó làm ướt của các bề mặt này người ta quy ước tưởng tượng vẽ mặt cắt ngang giọt nước, lấy điểm bề mặt giọt nước cắt mặt phẳng vẽ tiếp tuyến với bề mặt giọt nước và gọi theta là góc vẽ bên trong giọt nước giữa tiếp tuyến vừa vẽ và mặt phẳng (hình 1).

Hình 1

- Nếu góc theta lớn hơn 90 độ bề mặt có xu hướng đẩy cho giọt nước co lại để diện tích tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt nhỏ đi: đó là bề mặt ghét nước (hydrophobic).Góc theta càng lớn, bề mặt càng ghét nước. Khi góc theta lớn hơn 150 độ người ta gọi là siêu ghét nước (superhydrophobic). Tất nhiên khi theta bằng 180 độ giọt nước trở nên hình cầu, xem như chỉ tiếp xúc với bề mặt ở một điểm.

- Nếu góc theta nhỏ hơn 90 độ, xu hướng của bề mặt là kéo cho giọt nước có diện tiếp xúc với bề mặt rộng ra, người ta gọi đó là bề mặt thích nước (hydrophylic).

Khi góc này càng gần 0 độ, bề mặt càng thích nước và khi theta xấp xỉ 0 độ thì giọt nước lan rộng ra hết mặt phẳng.

Bài toán này đặt ra chung, không nhất thiết phải là giọt nước trong không khí trên bề mặt một chất cụ thể nào. Đây là bài toán của một giọt chất lỏng L (liquid) trên bề mặt chất rắn S (solid) trong môi trường hơi V (vapor).Về nguyên tắc hình dạng giọt chất lỏng rất liên quan đến sức căng mặt ngoài và đã có công thức từ sức căng mặt ngoài tính ra góc tiếp xúc theta.Gammasv=gammalvcostheta+gammasl

Tất cả những điều nói trên là tính cho trường hợp bề mặt thật phẳng. Nếu bề mặt gồ ghề đến một mức nào đó phải có những cách xem xét tính toán bổ sung.

Hiệu ứng lá senLá sen là điển hình cho loài lá mà bề mặt không bao giờ ướt. Giọt mưa rơi xuống lá bao giờ cũng co tròn lại rồi lăn khỏi lá. Mưa phùn, sương đẫm thì những giọt nước nhỏ li ti đều co tròn lăn nhanh, các giọt nhỏ gặp nhau tụ lại thành giọt lớn và càng lăn nhanh rồi rơi xuống. Không chờ có ánh nắng mặt lá sen luôn khô và đẹp một màu xanh không bao giờ óng ánh phản xạ.Ai cũng nhận thấy điều đó không những ở lá sen mà còn ở một số loại lá khác như lá môn, lá khoai.Nhưng đến năm 1997 mới có được một công trình nghiêm túc nghiên cứu tỉ mỉ về lá sen của hai nhà thực vật học người Đức là Bartlott và Neinhuis ở Đại học Bonn. Dưới kính hiển vi điện tử quét, các nhà khoa học này cho biết lá sen có cấu trúc thứ bậc (hierirchical structure) (hình 2): trên nền phẳng của lá sen nổi lên nhiều u nhỏ kích cỡ micromet, trên các u nhỏ này lại có các u nhỏ hơn kích cỡ nanomet và ngoài cùng là một lớp rất mỏng bằng chất sáp thực vật.Hai nhà khoa học đó cho biết bản thân chất sáp chỉ làm cho lá sen ghét nước một phần, chủ yếu là cấu trúc thứ bậc các chỗ u lớn nhỏ mới là quan trọng làm cho lá sen siêu ghét nước. Giọt nước vừa co tròn, do có các u nổi lên cực nhỏ nên có không khí giữa các u đội giọt nước lên, giọt nước tiếp xúc rất ít với lá sen nên rất dễ lăn. Cơ chết siêu ghét nước này được gọi là “hiệu ứng lá sen” (lotus effect). Nhờ giọt nước dễ lăn nên bụi bặm trên lá sen bị lôi cuốn đi hết, bề mặt lá sen luôn sạch, nói đúng hơn rất sạch sau cơn mưa. Vậy hiệu ứng lá sen đi đôi với việc tự làm sạch (self cleaning) (hình 4). Chính nhờ phát hiện ra hiệu ứng lá sen mà ở Đại học Bonn đã có sáng chế làm ra sơn Lotusan, sơn bằng sơn này bề mặt không ướt và tự làm sạch.Năm 2002 giáo sư Lei Jang ở Viện Hàn lâm Trung Quốc đã đưa ra cách giải thích tỉ mỉ, định lượng hơn về hiệu ứng lá sen.

Hình 2

Ông cho biết khi bề mặt lá sen phẳng chỉ có phủ lớp sáp thực vật thôi, góc tiếp xúc theta là 104 độ, bắt đầu là ghét nước. Khi bề mặt lá sen có những u lớn cỡ micromet và trên đó có phủ lớp sáp, góc tiếp xúc theta tăng đến 150 độ, bề mặt đã là rất ghét nước. Còn khi trên các u cỡ micromet còn có các u cỡ nanomet và ngoài cùng là chất sáp, góc tiếp xúc theta lên đến 160-180 độ là siêu ghét nước thực sự.

Hình 4

Dùng hình học fractal để xem xét thấy được lúc là siêu ghét nước này chỉ cỡ 3% diện tích mặt cầu của giọt nước là tiếp xúc với bề mặt lá sen nên việc lăn quá dễ dàng.

Cánh hoa hồng vừa ghét nước vừa thích nướcSáng sớm sương nặng hạt. Sương tan ánh nắng ban mai chiếu xiên vào các cánh hoa hồng. Những giọt nước nhỏ co tròn trên cánh hoa chứng tỏ bề mặt cánh hoa hồng ghét nước. Nhưng khác với ở lá sen, dầu cánh hoa nghiêng, dù có gió làm lay động, các giọt nước nhỏ trên cánh hoa vẫn bám chặt, không lăn khỏi cánh hoa (hình 5). Cánh hoa giữ các giọt nước lại chứng tỏ cánh hoa thích nước. Mâu thuẫn là như vậy đó.

Hai nhà khoa học Trung Quốc là Feng và Yang đã quan sát thật kỹ về cánh hoa hồng bằng kính hiển vi điện tử quét. Ở đây cũng có cấu trúc thứ bậc nhưng khác với ở lá sen (hình 6): trên bề mặt cánh hoa có những u nhỏ kích cỡ micromet nằm tương đối có hàng lối, phía trên và ở sườn của các u này là những khe nano.Công trình của Feng và Yang đăng ở tạp chí Langmuir năm 2008 gọi hiệu ứng vừa ghét nước vừa thích nước ở cánh hoa hồng là “hiệu ứng cánh hoa” (petal effect) và giải thích như sau (hình 7).

Ở lá sen những u đội giọt nước lên, tạo ra không khí bị kẹt ở dưới, nước không tiếp xúc được với những chỗ trũng giữa các u. Ở cánh hoa hồng nước không thấm được vào các khe nano ở đỉnh u và sườn của các u nhưng thấm vào được chỗ trũng giữa các u.Góc tiếp xúc của giọt nước ở trên bề mặt phía trên các chỗ u là 152 độ chứng tỏ bề mặt rất ghét nước. Nhưng sự tiếp xúc giữa giọt nước và các chỗ trũng giữa các u làm cho giọt nước bị giữ lại và lực giữ này chính lực Vander Walls. Đây chính là lực tạo ra mâu thuẫn ở cánh hoa hồng.Thật ra các thí nghiệm, quan sát bắt đầu từ hoa hồng đỏ nhưng cánh hoa của một số loại hoa khác cũng có tính chất tương tự. Vì thế người ta gọi là hiệu ứng cánh hoa.Hiệu ứng cánh hoa là rõ rệt song cách giải thích của Feng và Yang chưa phải là được mọi người công nhận. Nhưng cách giải thích đó được trích dẫn nhiều nhất hiện nay.

Ứng dụng của hiệu ứng lá sen và hiệu ứng cánh hoaHiệu ứng lá sen được phát hiện sớm đến nay đã xấp xỉ 50 năm. Chính các tác giả của hiệu ứng đã đăng ký bản quyền chế tạo sơn Lotusan, trong tên sơn có chữ Lotus (sen). Bắt chước được đúng như lá sen cũng khó nên với ý tưởng chính là bề mặt sơn phải có những chỗ u kích cỡ micromet mới tạo ra được tính ghét nước cao, nhà sản xuất đã trộn trong sơn các hạt rất nhỏ cỡ micromet như hạt SiO2. Phun sơn này lên cánh cửa, lên các bề mặt cần thiết, mưa rơi không làm ướt, trái lại các giọt nước co tròn và lăn xuống. Ở các tòa nhà có nhiều cửa kính, phủ một lớp mỏng loại sơn gần như trong suốt này, lúc mưa mù cửa kính vẫn trong vắt, giọt nước rơi vào không bám lại mà lăn đi hết, còn lôi cuốn bụi bặm làm sạch. Thông thường ở các tòa nhà cửa kính cao tầng việc làm sạch cửa kính phải bắc thang ngoài trời phức tạp và nguy hiểm, nay với việc phủ sơn này, nếu trời không mưa thì chỉ cần phun nước để làm sạch.

Cửa kính ở xe ô tô, đặc biệt phía trước người lái, kính đeo mắt, gương soi trong phòng tắm… khi có phủ lớp mỏng sơn này sẽ không cần gạt nước lúc trời mưa, không cần phải thường xuyên lau kính cho khỏi mờ, v.v.

Đối với hiệu ứng cánh hoa có nhiều ứng dụng tinh vi hơn. Đặc biệt ở cánh hoa có phần cấu trúc để làm cho bề mặt thật ghét nước, có phần làm bề mặt thích nước. Người ta có thể bắt chước để trên một phiến silic chỗ thì tạo các u kiểu này cho bề mặt ghét nước, chỗ thì tạo các u kiểu kia cho bề mặt thích nước, phối hợp làm các kênh rãnh để dẫn giọt nước đi đến nơi này nơi kia trên phiến silic nhỏ chưa đầy centimet vuông. Dùng cách này để điều khiển giọt chất lỏng qua các nơi có bố trí cảm biến để đo. Như vậy là bắn một mũi tên đạt được nhiều mục đích, đó là cách làm trong phân tích hiện đại. Thí dụ chỉ cần một giọt máu nhỏ, phân tích nhanh chóng biết được nhiều chỉ tiêu không cần phải lấy hàng centimet khối gửi đi nhiều nơi. Việc thích nước, ghét nước cũng liên quan đến nhiều kỹ thuật tinh vi như dán chặt hay để tự do nhiều chi tiết nhỏ cỡ micromet trên bề mặt, thí dụ ở linh kiện vi cơ điện tử MEMS (Mechanical Electro Micro System).

Người ta đang có ý định bắt chước cách làm bề mặt chỗ thích nước, chỗ ghét nước để thu thập nước ở những nơi khô cằn như sa mạc. Ngắm nhìn một loại bọ cánh cứng ở sa mạc Nam Phi, người ta thấy loại bọ này sáng sớm cứ giương cánh lên hứng gió có ít hơi nước, đầu chúc xuống. Thế là những giọt nước nhỏ li ti bám dính vào những chỗ đặc biệt ở cánh, đến một lúc phải chảy theo các kênh rãnh tí hon trên đó để đi thẳng vào miệng bọ cánh cứng. Mỗi ngày chỉ cần sáng sớm giương cánh lên hứng gió để uống nước thế là bọ cánh cứng đủ lượng nước trong cơ thể để sống cả ngày trong nắng nóng sa mạc.

Nếu dùng hiệu ứng cánh hoa làm được một bề mặt rộng cỡ vài mét vuông theo kiểu cánh bọ cánh cứng có thể lượng nước thu được cũng kha khá, sống tàm tạm nơi khô cằn.

Cần chú ý rằng bề mặt của lá sen hay cánh hoa có cấu trúc thứ bậc khá tinh vi cỡ micromet/nanomet.

Có những cách vật lý, hóa học để bắt chước làm được một phần như quang khắc, ăn mòn chọn lọc, v.v.

Nhưng cũng có cách lấy ngay mẫu tự nhiên như lá sen, cánh hoa làm mẫu, thực hiện kỹ thuật “in vết” để bắt chước. Đó là cách dùng một loại chất dẻo đặc biệt cho ở dạng lỏng rồi đổ lên thí dụ lá sen hay cánh hoa hồng. Sau đó bóc ra, dùng làm khuôn để chế tạo bề mặt giống hệt lá sen hay cánh hoa.

Như vậy là có nhiều mẹo để bắt chước những kỹ xảo của thiên nhiên.