Sản xuất các sợi nano từ tơ sợi thiên nhiên

Các vật liệu từ thiên nhiên như tơ nhện, collagen, cotton có thể sẽ là nguồn nguyên liệu rẻ tiền và phong phú cho các sợi nano theo lời của các nhà khoa học Trung Hoa và Mỹ.

Xi-Qiao Feng (Đại học Thanh Hoa, Bắc Kinh) và các đồng nghiệp ở Đại học Brown (Providence, Mỹ) đã chỉ ra rằng các sợi nano với đường kính từ 25 đến 100 nm có thể chiết suất từ các nguồn nguyên liệu thiên nhiên này bằng kỹ thuật siêu âm. Kỹ thuật đơn giản này thậm chí có thể triển khai ở quy mô công nghiệp.

Các vật liệu sợi nano có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như công nghệ sinh học, nanocomposite (vật liệu tổ hợp nano), các linh kiện nano, đang được sản xuất bằng nhiều kỹ thuật khác nhau như quay điện hóa (electrospinning), quang khắc, kỹ thuật tự lắp ghép các phân tử (molecular self-assembly). Tuy nhiên, một số vật liệu nhất định cũng đã hàm chứa các sợi nano rồi. Ví dụ như các tơ nhện, tơ của các sâu chứa tới hàng chục ngàn các sợi nano với đường kính khoảng 30 nm và Feng cùng các cộng sự đã thành công trong việc chiết suất chúng bằng kỹ thuật siêu âm (tần số 20 kHz).

Ban đầu, các nhà nghiên cứu nhúng khoảng 0,05 g (50 mg) tơ nhện vào 100 ml nước. Tiếp đó, họ đặt hỗn hợp này vào một thiết bị phát siêu âm thông thường chứa một đầu phát siêu âm và giữ trong 45 phút ở công suất từ 900 đến 1000 W. Sau quá trình hòa trộn bằng siêu âm, hỗn hợp được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và thu hồi các sợi bị tụ lại dưới đáy bể chứa. Phương pháp này được tiến hành đồng thời trên cả các dạng sợi khác như kén sâu, collagen ở vảy cá, sợi chitin của tôm, cá, hay cellulose từ tre, gỗ, gai dầu...

Hình 1. Sự tách rời của các sợi thiên nhiên khác nhau khi bắt đầu đánh siêu âm.

Sử dụng kính hiển vi điện tử quét, Feng và các cộng sự đã quan sát được các vật liệu thiên nhiên này đã tự tách rời nhau ra thành các sợi với đường kính từ 25 đến 60 nm (xem hình). Hơn nữa, các nhà nghiên cứu còn phát hiện thấy rằng có thể điều khiển kích thước của các sợi từ 20 nm đến 100 nm bằng cách thay đổi thời gian và công suất phát siêu âm.

Nhóm tin rằng các sợi nano này được tạo ra là do hiệu ứngsủi bọt do sóng âm. Các sóng âm có tần số cao khi truyền qua dung dịch sẽ tạo nên các vi bọt, các bọt này phát triển dần và "sụp đổ" một cách mãnh liệt. Sự sụp đổ này tạo ra các sóng xung kích tại bề mặt các sợi thiên nhiên và chia cắt chúng dọc theo chiều dài. Sóng âm thanh cũng bẻ vỡ một cách hữu hiệu các lớp chuyển tiếp tương đối yếu trong các sợi nano, vốn thường liên kết với nhau bằng lực tương tác Van der Waals. Tốc độ tách rời nhau của các sợi phụ thuộc vào tần số sóng siêu âm, cường độ phát siêu âm.

Hình 2. Các sợi nano được tạo thành.

Các nhà nghiên cứu cho biết kỹ thuật với này có giá thành khá rẻ và lại đơn giản cho việc tạo ra các sợi nano sinh học từ thiên nhiên và có thể dễ dàng sản xuất hàng loạt ở quy mô lớn bằng cách tăng các đầu phát siêu âm. Các sợi nano thiên nhiên này có nhiều ưu điểm hơn so vớicác sợi nhân tạo ở điểm khỏe hơn, dẻo dai hơn và có độ tương tích sinh học và chống lai hóa sinh học tốt hơn. Nhóm vừa công bố các kết quả trên tạp chí Applied Physics Letter()

Vạn lý Độc hành