Phát triển vật liệu kết cấu chống đóng băng bề mặt

Ngày 12/10, các kỹ sư thuộc Đại học Harvard công bố một hướng phát triển mới trong lĩnh vực vật liệu chống đóng băng bề mặt, dựa trên những cấu trúc nano đặc biệt. Vật liệu này được thiết kế để ngăn các giọt nước bám dính ngay từ đầu, trước khi chúng có đủ thời gian chuyển thành băng trong điều kiện nhiệt độ thấp. Khác với cách xử lý băng sau khi băng đã hình thành, công nghệ mới tập trung phòng ngừa ngay tại thời điểm giọt nước siêu lạnh chạm vào bề mặt. Ý tưởng trên có thể tạo ra thay đổi lớn trong nhiều ngành công nghiệp, từ hàng không, xây dựng đến giao thông và năng lượng. Những ứng dụng được nhắc tới gồm cánh máy bay, các tòa cao ốc, đường ống dẫn nhiên liệu, thậm chí cả những xa lộ có khả năng hạn chế băng đá bao phủ. Nếu được phát triển phù hợp, vật liệu này có thể giúp nhiều công trình và thiết bị hoạt động ổn định hơn trong những vùng thường xuyên đối mặt với thời tiết lạnh giá. Hiện nay, con người thường sử dụng hóa chất, muối hoặc hệ thống hâm nóng để làm tan băng trên bề mặt thiết bị, phương tiện và công trình. Những biện pháp đó có thể đòi hỏi nhiều năng lượng, gây tác động môi trường hoặc cần tiến hành liên tục khi băng vẫn hình thành. Công nghệ cấu trúc nano được kỳ vọng cung cấp một lựa chọn hiệu quả, bền vững và ít độc hại hơn so với các giải pháp chống đông truyền thống. Cơ chế mà nhóm nghiên cứu tại Harvard theo đuổi mang tinh thần ngăn chặn từ sớm, thay vì chờ băng xuất hiện rồi mới tìm cách đối phó. Giáo sư Joanna Aizenberg thuộc Khoa Vật liệu học giải thích rằng quá trình đóng băng bắt đầu khi những hạt nước tự do trong không khí tiếp xúc với một bề mặt. Tuy nhiên, diễn biến của các giọt nước trong khoảnh khắc tiếp xúc với bề mặt có nhiệt độ thấp vẫn là phần chưa được nhiều người hiểu rõ. Để quan sát hiện tượng này, các nhà khoa học sử dụng những video tốc độ cao ghi lại chuyển động của các giọt nước siêu lạnh khi chúng chạm vào nhiều loại bề mặt. Hình ảnh thu được cho phép so sánh trực tiếp cách một giọt nước phản ứng trên vật liệu có cấu trúc nano với phản ứng của nó trên bề mặt thông thường. Nhờ đó, nhóm nghiên cứu nhận ra khác biệt quan trọng không nằm ở giai đoạn băng đã hình thành, mà xuất hiện ngay trong những khoảnh khắc đầu tiên. Khi chạm vào bề mặt được thiết kế bằng cấu trúc nano, giọt nước ban đầu vẫn lan rộng giống như phản ứng quen thuộc của chất lỏng khi tiếp xúc vật rắn. Ngay sau đó, quá trình lan rộng bị đảo ngược rất nhanh, khiến giọt nước co lại, trở về dạng gần hình cầu rồi rời khỏi bề mặt trước khi kịp đông cứng. Bề mặt nano vì vậy không cần trực tiếp làm tan băng, mà hạn chế cơ hội để nước bám lại và bắt đầu quá trình đóng băng. Trên một bề mặt thông thường, giọt nước siêu lạnh không thu lại mà tiếp tục bung ra, lan thành lớp mỏng rồi đông cứng ngay tại chỗ. Lớp băng hình thành theo cách này có thể bám chặt, làm tăng trọng lượng, cản trở chuyển động hoặc ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị và công trình. Sự tương phản trong các video tốc độ cao cho thấy việc điều khiển phản ứng ban đầu của giọt nước có thể trở thành chìa khóa cho công nghệ chống đông mới. Giáo sư Joanna Aizenberg cho rằng cách tiếp cận này là mấu chốt để nhanh chóng tạo ra một thay đổi cơ bản trong công nghệ chống đóng băng. So với phủ muối hoặc làm nóng thiết bị, vật liệu cấu trúc nano có ưu điểm sử dụng cơ chế vật lý để ngăn nước bám dính, thay vì liên tục bổ sung hóa chất hoặc tiêu hao năng lượng. Phát minh của các kỹ sư Harvard vì thế mở ra triển vọng về những bề mặt hiệu quả, không độc hại và thân thiện hơn với môi trường trong các điều kiện lạnh khắc nghiệt.