Phát triển lớp phủ chống thấm công nghệ cao dành cho tàu thuyền

Các kỹ sư tại Đại học bang Ohio, Hoa Kỳ, đã phát triển một lớp phủ chống thấm công nghệ cao dành cho tàu thuyền và tàu ngầm, lấy cảm hứng từ một loài dương xỉ nổi trên mặt nước. Loài thực vật đặc biệt ấy là Salvinia molesta của Brazil, từng phát triển mạnh tại nhiều vùng thuộc Châu Mỹ và Châu Úc, thậm chí gây tắc nghẽn các kênh rạch ở nhiều nơi trên thế giới. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí The Journal of Colloid and Interface Science, mở ra hướng tiếp cận mới cho việc giảm lực cản trong môi trường nước. Khả năng sinh tồn và lan rộng của Salvinia molesta một phần đến từ cấu trúc kỳ lạ trên bề mặt lá, nơi tập trung những sợi lông nhỏ có hình dạng giống chiếc đánh trứng. Những sợi lông này tạo thành các bẫy khí li ti, giữ không khí bên dưới bề mặt lá, giúp cây giảm ma sát và duy trì trạng thái nổi trên nước. Thay vì chỉ quan sát hiện tượng tự nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm cách tái tạo kết cấu ấy bằng vật liệu nhân tạo, hướng đến những ứng dụng kỹ thuật cụ thể. Lớp phủ mới được thiết kế giống một tấm thảm dày, hình thành từ vô số sợi nhỏ mang hình dạng eggbeater, tức kiểu cấu trúc tương tự chiếc đánh trứng. Trong tự nhiên, các túi khí mắc lại giữa những sợi lông trên lá Salvinia molesta, tạo lớp đệm giúp cây nổi và hạn chế sự tiếp xúc trực tiếp với nước. Trong thiết kế nhân tạo, phần đầu dính của các sợi nhỏ giữ vai trò quan trọng, giúp tàu thuyền hoặc tàu ngầm duy trì trạng thái nổi ổn định hơn trên mặt nước. Giáo sư Bharat Bhushan, chuyên gia kỹ thuật cơ khí tại Đại học bang Ohio, cho rằng hiệu quả của lớp phủ đến từ sự phối hợp giữa hai đặc tính tưởng như đối lập là trơn và dính. Bề mặt trơn giúp hạn chế nước tiếp xúc, đồng thời làm giảm ma sát khi vật thể di chuyển qua môi trường nước. Những vùng dính rất nhỏ ở đầu sợi lại tạo điểm tiếp xúc ổn định, giúp cấu trúc không dễ mất cân bằng khi chịu tác động của mặt nước. Lá Salvinia molesta được xem là một cấu trúc hỗn hợp đặc biệt, bởi nó kết hợp nhiều cơ chế bảo vệ và duy trì sức nổi trong cùng một bề mặt. Các sợi lông trên lá có đặc tính chống thấm tự nhiên, phần lớn nhờ lớp sáp bao phủ, ngăn nước chạm trực tiếp vào mô lá. Bên dưới những sợi lông ấy, các bẫy khí có hình dạng eggbeater tiếp tục giữ không khí, tạo điều kiện để cây nổi lâu dài trên mặt nước. Tuy nhiên, phần đỉnh của những sợi lông lại có khả năng thấm nước, trái ngược với phần còn lại của bề mặt lá. Các đỉnh này chỉ tiếp xúc với nước trên một diện tích cực kỳ nhỏ, nhờ đó tạo lực giữ vừa đủ mà không khiến toàn bộ cấu trúc bị ngập. Sự phối hợp giữa vùng chống thấm, bẫy khí và điểm tiếp xúc nhỏ giúp Salvinia molesta nổi ổn định, thay vì chỉ nổi tạm thời nhờ không khí bị mắc kẹt. Để kiểm tra mức độ tương đồng, giáo sư Bharat Bhushan và nghiên cứu sinh Hunt đã so sánh độ dính của lớp phủ nhân tạo với độ dính trên lá Salvinia molesta trong tự nhiên. Nhóm nghiên cứu sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử, thiết bị có thể đo những tương tác cực nhỏ giữa các bề mặt vật chất. Kết quả cho thấy lớp phủ nhân tạo tạo lực kết dính 201 nanonewtons, còn lá dương xỉ tự nhiên đạt 207 nanonewtons, hai giá trị rất gần nhau. Mức lực này nhỏ hơn nhiều so với lực dính của những vật liệu quen thuộc như băng keo trong suốt hoặc băng keo mặt nạ, nhưng vẫn đủ tạo khác biệt trong thiết kế bề mặt tàu. Khi được phát triển cho mục đích thương mại, lớp phủ có thể giúp tàu thuyền và tàu ngầm giảm lực cản, tăng cường sức nổi, đồng thời cải thiện độ ổn định khi hoạt động trên nước. Công trình cho thấy những đặc điểm tinh vi của một loài cỏ dại từng gây phiền toái có thể trở thành nền tảng cho giải pháp công nghệ cao trong ngành hàng hải.