Vật liệu siêu trơn và cây ăn thịt

Còn báo chí trong nước thì đưa tin cây ăn thịt Thorel sau 100 năm biệt tích nay đã tìm thấy ở vườn quốc gia Lò Gò – Xamát tỉnh Tây Ninh.Việc chế tạo được vật liệu siêu trơn rất liên quan đến cây ăn thịt nên nhân dịp này ta tìm hiểu kỹ hơn hai tin tức mới nói trên.

1. Cây ăn thịt

Cây ăn thịt là tên dịch từ nước ngoài của một loài cây mà hoa (thực ra là lá đặc biệt) của nó hình như cái ống đáy thon miệng loe có nắp, côn trùng như ruồi, ong, kiến… thậm chí có khi cả chim, chuột nhỏ đến miệng ống dễ bị tuột sâu vào ống, không ngược ra được rồi chết ở trong đó.

Cây sẽ tiết ra ở đáy ống một chất dịch làm tiêu hóa con vật chết để nuôi cây. Vì vậy có tên là cây ăn thịt.

Cây ăn thịt có ở nhiều nước, nhất là các nước ở Đông Nam Á. Theo cách phân loại và đặt tên ở thực vật học thì có khoảng trên 50 loại khác nhau, mỗi loại chỉ có một tên la tinh riêng. Còn tên gọi chung thì tùy theo địa phương, tùy theo nước. Tiếng Anh cũng có nhiều tên: carnivorous plant (cây ăn thịt), flesh eating plant (cây ăn thịt), pitcher plant (cây bình rót)… Tiếng Việt Nam thường gọi là cây nắp ấm, cây bắt ruồi.Đặc biệt nhà thực vật học người Pháp Clovis Thorel phát hiện cây nắp ấm lần đầu tiên ở xã Thị Tĩnh, huyện Lò Thiêu, tỉnh Bình Dương khoảng 1861-1869, ông đặt tên là Thorel 1032. Đến năm 1909 các nhà thực vật học Pháp thống nhất mô tả chính thức loài cây này đặt tên La tinh là Nepenthes thorelii có nghĩa là cây nắp ấm Thorel.

Ở miền trung và miền nam Việt Nam có nhiều loại cây nắp ấm khác nhau, thường dùng để làm thuốc và làm cây cảnh. Có thể là gần đây người ta mới tìm thấy đúng cây nắp ấm Thorel ở Tây Ninh nên mới có tin là “sau 100 năm biệt tích nay mới tìm thấy”. Còn cây nắp ấm nói chung không quá khó để tìm thấy ở các vùng từ Quảng Bình trở vào.

2. Hoa của cây ăn thịt gợi ý chế tạo vật liệu siêu trơn

Các nhà phỏng sinh học (biomimetics) rất chú ý đến hoa của cây ăn thịt, nơi diễn ra quá trình bắt mồi để ăn thịt của cây. Thật ra đó không phải là hoa mà là lá có hình đặc biệt cuốn tròn lại như cái phễu hình ống, miệng hơi loe, màu sắc đẹp đẽ, có cái nắp hở lên trên. Chỗ ống loe ra, có chất dịch thơm hấp dẫn côn trùng. Nhưng đáng chú ý nhất là ở cổ gần miệng loe. Bất cứ côn trùng gì vì màu sắc và mùi thơm hấp dẫn mon men đến gần đó đều bị tuột chân rơi xuống đáy không cản được. Thí dụ như con kiến nhỏ sống theo bầy đàn, nổi danh là côn trùng leo lên cây, leo lên tường thẳng rất nhanh, không bao giờ rơi. Quan sát kỹ thì ở các chân nhỏ xíu của kiến có các móc nhỏ (chỉ thấy được nhờ kính hiển vi) cạnh các móc nhỏ đó lại có các lông tơ cực nhỏ. Bức tường nhìn rất phẳng phiu nhưng thực chất là đầy rẫy những lồi lõm vi mô, kiến dùng các móc nhỏ móc vào đấy để đi lại. Trường hợp tường quá nhẵn, móc nhỏ không móc vào được, kiến lại dùng các lông tơ nhỏ ở gần các móc, áp vào để tạo ra lực hút tuy nhỏ nhưng vì nhiều lông nên vẫn đảm bảo giữ cho kiến không rơi.

Tuy có nhiều mẹo mực để bám dính nhưng hễ bò đến miệng của hoa cây ăn thịt thế nào kiến cũng bị rơi tuột xuống đáy, không bò lên được. Miệng của hoa cây ăn thịt đúng là siêu trơn.

Nhờ vào các loại kính hiển vi và máy phân tích hiện đại, các nhà khoa học thấy rằng có hai yếu tố tạo ra bề mặt siêu trơn ở hoa của cây ăn thịt. Trước hết là cấu tạo của chỗ miệng hoa là gồm các sợi rất nhỏ đan xen với nhau tạo thành bọt xốp có nhiều khe trống cỡ nanomet. Ở các khe trống này có một chất dịch do cây ăn thịt tiết ra luôn lấp đầy tạo ra một lớp bôi trơn cực kỳ mỏng trên bề mặt. Chất dịch mà cây ăn thịt tiết ra này thực sự là một loại dầu hữu cơ, luôn thấm sâu vào các khe trống, lỗ trống, không dễ dàng thất thoát, đảm bảo thường trực có lớp mỏng bôi trơn.Chính cấu tạo nói trên đã gợi ý cho các nhà nghiên cứu ở Đại học Harvard chế tạo vật liệu siêu trơn đầu tiên có tên là SLIPS, ghép các chữ cái đầu của cụm từ slippery liquid-infused porous surface nghĩa là bề mặt trơn do chất lỏng ngấm vào lỗ xốp.

3. Vật liệu siêu trơn SLIPS và ứng dụng

Vật liệu siêu trơn SLIPS được chế tạo từ các sợi hoặc các thanh nhỏ đường kính chỉ bằng cỡ phần nghìn đường kính sợi tóc, xếp lại thành lớp xốp rắn gắn chặt với nhau. Người ta cho chất bôi trơn thấm vào các khe xốp, lỗ xốp. Đây là chất đặc biệt không trộn lẫn được với nước hoặc với dầu và rất khó bay hơi. Đem phủ vật liệu siêu trơn này lên bất cứ bề mặt nào, bề mặt đó trở thành siêu trơn, không có chất gì vật gì bám dính vào được. Nhỏ lên đấy giọt nước, giọt dầu, giọt máu, v.v. giọt chất lỏng sẽ co lại thành hình cầu, góc giữa giọt chất lỏng và bề mặt nhỏ hơn 2 độ (nếu giọt đúng là hình cầu, góc đó là 0 độ).

Khi xét trường hợp nước, người ta thường nói thí dụ như bề mặt lá sen là bề mặt siêu ghét nước vì giọt nước nhỏ lên lá sen co tròn lại thành hình cầu và lăn khỏi lá sen. Cũng có thể nói lá sen không dính nước, nước bị đẩy khỏi lá sen. Giải thích cơ chế siêu ghét nước của lá sen, người ta thấy đó là cấu trúc của bề mặt lá sen: trên bề mặt có nhiều u nhỏ kích cỡ micromet trên các u nhỏ đó lại có các u nhỏ hơn, kích cỡ nanomet. Cấu trúc có thứ bậc này là chủ yếu làm cho giọt nước co tròn đứng trên các u nhỏ, dưới giọt nước là các lỗ cực nhỏ đầy không khí.Ở vật liệu siêu trơn, không những nước mà bất cứ chất lỏng nào đều không dính trên bề mặt, đó không chỉ là bề mặt ghét nước – hydrophobic mà là bề mặt ghét đủ mọi thứ – omniphobic. Ở phía dưới của giọt chất lỏng co tròn lại thành hình cầu không phải là các lỗ cực nhỏ đầy không khí mà là các lỗ, các khe cực nhỏ đầy chất bôi trơn.Bước đầu vật liệu siêu trơn đã có nhiều ứng dụng trong thực tế kỹ thuật và đời sống.

Sau đây là một số thí dụ.

1. Chai không dính.

Các loại thực phẩm đựng vào chai, khi đổ ra dùng dính lại trong chai khá nhiều nhất là loại sền sệt như sốt cà chua, tương ớt… Người ta tráng một lớp vật liệu siêu trơn vào thành trong của chai khi dốc chai thực phẩm ra hết không dính lại giọt nào. Chú ý là chất xốp và chất bôi trơn đều là vật liệu không hòa tan, không bám dính vào thức ăn nên đảm bảo an toàn thực phẩm.

2. Ống dẫn ít ma sát:

Chất lỏng dẫn trong ống luôn bị ma sát với thành ống, lưu lượng chất lỏng dẫn trong ống bị hạn chế nhiều nhất là ống nhỏ, chất lỏng có độ nhớt cao. Người ta tráng bên trong thành ống vật liệu siêu trơn, lưu lượng dẫn trong ống tăng lên rõ rệt. Người ta đã áp dụng có kết quả ống dẫn máu có phủ vật liệu siêu trơn dùng cho y tế, ống dẫn đầu, dẫn các chất lỏng dùng trong công nghiệp.Đặc biệt là khi một ống dẫn dùng để dẫn hai ba chất lỏng khác nhau, lúc chuyển đổi để thay chất lỏng này bằng chất lỏng kia, lượng hai chất lỏng bị pha trộn cầu bỏ đi ít hơn nhiều so với ống dẫn thường và thời gian quá độ để chuyển đổi cũng ngắn đi.

3. Chống đóng băng, vỡ ống nước

Ở các nước có mùa đông rét lạnh, tuyết rơi nhiều, một trở ngại lớn là các ống dẫn nước không chôn sâu dễ bị đóng băng bên trong làm tắt, vỡ ống nước. Thường là bên ngoài lạnh dưới 0 độ C nhưng nước trong ống chưa đóng băng ngay mà muốn đóng băng thì ở thành bên trong của ống phải có một số mầm kết tinh, nước đá phát triển từ các mầm kết tinh đó, lan rộng ra dần dần lấp đầy ống nước. Nếu bên trong ống nước có phủ lớp vật liệu siêu trơn, không thể có mầm kết tinh, thành ống có lạnh dưới không độ, nước trong ống cũng không thể nào trở thành nước đá.

Đối với các máy bay đỗ ở sân bay có nhiều tuyết rơi giá lạnh có thể có một lớp băng dày phía trên cánh và thân máy bay. Những lúc có hiện tượng như vậy phải dùng các chất lỏng làm tan đá trước khi bay. Việc này không những tốn kém mà còn ảnh hưởng đến môi trường của sân bay. Người ta đang tìm cách phủ lên máy bay vật liệu siêu trơn để chống hiện tượng đóng băng, tuy nhiên còn phải nghiên cứu phối hợp với nhiều yêu cầu khác thí dụ yêu cầu chống ma sát tích điện khi bay cọ xát với không khí.

4. Tạo ra bề mặt tự làm sạch

Trước đây người ta thường nói về cách dùng hiệu ứng lá sen (lotus effect) để tạo ra bề mặt không dính nước, tự làm sạch. Đó là cách phủ lên bề mặt một lớp sơn hoặc polyme có các chỗ u vi mô như ở lá sen làm cho bề mặt trở thành ghét nước. Mưa rơi xuống hoặc có nước phun vào, bề mặt không bị ướt bẩn, trái lại nước co lại thành các giọt tròn lăn đi lôi cuốn theo bụi bặm làm cho bề mặt được sạch sẽ.

Nhưng hiệu ứng lá sen chỉ cho được bề mặt ghét nước, tự làm sạch ở điều kiện trong không khí, áp suất thường và chất lỏng là nước.Dùng vật liệu siêu trơn để phủ lên bề mặt, ta có được bề mặt “ghét” bất cứ chất lỏng gì, trong không khí áp suất bình thường hay dưới biển sâu, áp suất lớn vẫn được tính chất không cho bám dính vẫn không đổi nếu phủ lên bề mặt bức tường không những là có được bức tường tự làm sạch nhờ nước mưa hoặc nước phun mà là tường không dùng sơn, dầu vẽ lên được (non graffiti). Giường bệnh, phòng giải phẫu phủ bằng lớp vật liệu siêu trơn sẽ không bị dính máu, dính mủ, v.v. rất dễ làm sạch không cần hóa chất tẩy rửa…Người ta còn đang nghiên cứu vật liệu siêu trơn dùng ở nhiệt độ cao phục vụ cho nhiều công nghệ đặc biệt và cho cả đời sống bình thường, thí dụ chảo rán không dính, cạnh tranh với chảo rán không dính teflon phổ biến lâu nay và chảo rán không dính chuẩn tinh thể mới có gần đây.