Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kobe (Nhật Bản) phát triển một loại lớp phủ từ các hạt nano silicon, có thể tạo màu sắc rực rỡ và bề mặt bóng như sơn ôtô mà không cần sử dụng chất tạo màu. Công nghệ này hứa hẹn giảm đáng kể trọng lượng lớp sơn, đồng thời hạn chế tình trạng phai màu theo thời gian.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Small Structures. Lớp phủ mới có thể tạo màu ổn định ở nhiều góc nhìn, điều chỉnh được độ bóng và tương thích với lớp bảo vệ bên ngoài. Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh vật liệu có thể phủ lên những bề mặt ba chiều phức tạp, mở ra khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp ôtô đến hàng không.
Tạo màu bằng cấu trúc siêu nhỏ
Sơn thông thường sử dụng các chất tạo màu, còn gọi là sắc tố, để hấp thụ một số bước sóng ánh sáng và phản xạ những bước sóng khác. Đây là cách tạo ra màu sắc cho phần lớn các vật thể được sơn phủ hiện nay. Tuy nhiên, lớp sơn thường phải có độ dày nhất định, làm tăng trọng lượng vật thể. Một số sắc tố cũng có thể xuống cấp khi tiếp xúc lâu với ánh nắng, khiến màu sơn phai dần.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Kobe chọn một cách khác: tạo màu từ cấu trúc vật liệu thay vì dùng sắc tố. Hiện tượng này được gọi là màu cấu trúc, hình thành khi ánh sáng tương tác với những cấu trúc siêu nhỏ trên bề mặt vật liệu. Màu sắc rực rỡ trên lông công là một ví dụ tự nhiên. Những cấu trúc li ti trên lông làm ánh sáng phản xạ và giao thoa theo cách tạo ra màu sắc mà không cần sắc tố.
Trong công nghiệp, việc tái tạo hiệu ứng này không đơn giản. Các cấu trúc siêu nhỏ thường phải được sắp xếp rất chính xác. Nếu cách sắp xếp khiến ánh sáng phản xạ khác nhau theo từng góc quan sát, vật thể có thể đổi màu khi người nhìn di chuyển.
“Người ta kỳ vọng lớp phủ màu phải có màu sắc rực rỡ, độ sáng, độ bóng và độ bền lâu dài, nhưng chưa có công nghệ nào đáp ứng đồng thời tất cả những yêu cầu này,” Hiroshi Sugimoto, nhà nghiên cứu vật liệu tại Đại học Kobe, cho biết.
Trong các nghiên cứu trước, nhóm của Sugimoto chứng minh những hạt cầu nano silicon có thể tạo ra màu cấu trúc ổn định, không thay đổi đáng kể theo góc nhìn. Nhóm sau đó phát triển phương pháp in phun loại vật liệu này. Tuy nhiên, bề mặt thu được làm ánh sáng tán xạ theo nhiều hướng, khiến lớp phủ trông mờ thay vì có độ bóng như sơn ôtô.
Lớp vỏ silica giúp bề mặt bóng hơn
Để khắc phục hạn chế, các nhà nghiên cứu bao bọc từng hạt cầu nano silicon bằng một lớp vỏ silica mỏng. Silica là hợp chất silicon dioxide, có trong nhiều loại khoáng vật và cát tự nhiên.
Lớp vỏ này có hai tác dụng: bảo vệ các hạt nano và kiểm soát khoảng cách giữa chúng. Nhờ đó, các hạt có thể tự sắp xếp thành những cấu trúc đều đặn hơn, giảm hiện tượng ánh sáng tán xạ theo nhiều hướng. Bề mặt vì thế trở nên bóng hơn, đồng thời nhóm nghiên cứu có thể điều chỉnh mức độ bóng.
“Việc bao bọc các hạt cầu nano bằng lớp vỏ silica không chỉ bảo vệ chúng mà còn kiểm soát khoảng cách giữa các hạt, qua đó giúp chúng tự sắp xếp thành những cấu trúc đều đặn,” Sugimoto giải thích.
Nhóm đã thử nghiệm lớp phủ trên những bề mặt ba chiều phức tạp, có kích thước lớn. Kết quả cho thấy việc phủ thêm một lớp bảo vệ bên ngoài không làm thay đổi đáng kể màu sắc. Đây là điểm quan trọng bởi các lớp bảo vệ có thể làm biến đổi đặc tính quang học của những vật liệu tạo màu cấu trúc trước đây.
“Điểm đáng chú ý nhất của nghiên cứu là chúng tôi đã chứng minh có thể tạo ra lớp phủ màu cấu trúc vừa bóng, không đổi màu theo góc nhìn, vừa có lớp bảo vệ và áp dụng trên các vật thể ba chiều trong cùng một hệ thống. Điều này mở ra khả năng ứng dụng công nghệ vào thực tế,” Sugimoto nói.
Lớp phủ nhẹ hơn sơn thông thường hàng trăm lần
Một ưu điểm đáng chú ý của vật liệu mới là khả năng tạo màu sáng và che phủ bề mặt chỉ bằng một lớp hạt cầu nano silicon. Cấu trúc rất mỏng này có thể giúp giảm đáng kể trọng lượng so với sơn thông thường.
Theo nhóm nghiên cứu, lớp sơn trên một máy bay chở khách thân rộng có thể làm tăng trọng lượng máy bay thêm khoảng 300 kg. Trong khi đó, nếu sử dụng lớp phủ màu cấu trúc mới với hiệu quả tương đương, trọng lượng về lý thuyết có thể chỉ vào khoảng 300 gram.
Đây là ước tính của các nhà nghiên cứu, chưa phải kết quả thử nghiệm trên máy bay thực tế. Tuy nhiên, nếu đạt được hiệu quả như dự tính, công nghệ có thể giúp giảm tải trọng cho máy bay, qua đó mở ra khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Vật liệu mới cũng có tiềm năng giảm tác động đến môi trường. Silicon có thể được cung cấp từ ngành công nghiệp bán dẫn, còn silica là một trong những hợp chất phổ biến trong vỏ Trái Đất. Do không phụ thuộc vào các sắc tố hữu cơ có thể phân hủy dưới tác động của ánh sáng, lớp phủ màu cấu trúc có khả năng giữ màu lâu hơn và giảm nhu cầu sơn lại.
Dù vậy, lợi ích môi trường thực tế còn phụ thuộc vào quy trình sản xuất, tuổi thọ và khả năng tái chế vật liệu khi được triển khai ở quy mô công nghiệp.
Hướng tới sản xuất công nghiệp và ứng dụng mới
Sugimoto đang hỗ trợ thành lập một công ty nhằm đưa công nghệ này tiến tới sản xuất công nghiệp. Theo ông, quy trình chế tạo có thể kết hợp với nhiều phương pháp phủ vật liệu đang được sử dụng, giúp mở rộng quy mô và ứng dụng trên những bề mặt lớn.
Tham vọng của nhóm nghiên cứu không chỉ dừng ở việc tạo ra lớp phủ trang trí và bảo vệ. Bằng cách điều chỉnh đặc tính quang học của các hạt nano silicon, họ muốn phát triển vật liệu có thể đảm nhiệm thêm những chức năng khác, như phát hiện thay đổi của môi trường, thúc đẩy phản ứng hóa học nhờ ánh sáng và hỗ trợ quản lý năng lượng.
“Chúng tôi muốn mở rộng khả năng ứng dụng của nền tảng khoa học của công nghệ này, vượt ra ngoài việc tạo màu. Trong tương lai, chúng tôi hướng tới phát triển các lớp phủ đa chức năng từ hạt nano silicon, kết hợp màu cấu trúc với những chức năng quang học khác như cảm biến, xúc tác quang và quản lý năng lượng,” Sugimoto nói.
Hiroshi Sugimoto, nhà nghiên cứu vật liệu tại Đại học Kobe, phát triển lớp phủ màu cấu trúc có độ bóng và có thể ứng dụng trên các bề mặt ba chiều kích thước lớn. Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh việc bổ sung lớp bảo vệ không làm thay đổi đáng kể sắc độ, mở ra khả năng ứng dụng công nghệ trong thực tế. Ảnh: Đại học Kobe
