Khám phá khả năng tự làm sạch đáng kinh ngạc của lá sen

Hoa sen từ lâu không chỉ là biểu tượng của sự tinh khiết trong nhiều quốc gia châu Á, trong đó có Việt Nam, mà còn gắn liền với hình ảnh thiêng liêng của nhà Phật. Trong Phật giáo, hoa sen tượng trưng cho sự giác ngộ, thanh cao—vươn lên từ bùn lầy nhưng vẫn giữ trọn vẻ đẹp trong sạch, không nhiễm bụi trần.

Cũng thật thú vị, khi từ thời xa xưa nhân dân Việt Nam đã từng ấp iu bài ca dao nổi tiếng về loài hoa này:

“Trong đầm gì đẹp bằng sen
Lá xanh bông trắng lại chen nhị vàng
Nhị vàng, bông trắng, lá xanh
Gần bùn mà chẳng hôi tanh mùi bùn.”

Đi đồng sen chơi, chúng ta thấy lá sen nổi bật với một đặc tính đặc biệt: nước không thể bám vào và bụi bẩn dễ dàng bị cuốn trôi. Khi nước rơi lên lá, thay vì loang ra và thấm vào như trên giấy hay vải, giọt nước lại tụ tròn và lăn đi. Trong lúc lăn, nó mang theo cả bụi bẩn, để lại bề mặt lá sạch sẽ và sáng bóng. Nhờ vậy mà người ta thường nói lá sen có khả năng “tự làm sạch”.

Gần đây, các nhà khoa học đã khám phá ra cách mà loài cây này tự giữ cho nó sạch sẽ và khô ráo, từ đó mở ra một phương pháp chế tạo những vật liệu tự làm sạch và ma sát thấp hơn.

Hoa Sen có khả năng tự làm sạch

Theo một nghiên cứu trên tạp chí Physical Review Letters của ông Trần Xuân Hoa – trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Đại học Duke – và nghiên cứu sinh Jonathan B. Boreyko, bí mật nằm ở những rung động tinh tế từ thiên nhiên và kết cấu bề mặt độc đáo của hoa Sen.

Boreyko nói trong một thông cáo báo chí: “Chúng tôi đối mặt với một vấn đề khó khăn – những giọt nước rơi trên lá dễ dàng lăn đi, trong khi nước ngưng tụ hình thành từ các kẽ lá sẽ vẫn dính chặt vào lá và bị đọng lại.”

Các nhà nghiên cứu đã quay cảnh một chiếc lá Sen nằm yên trên một chiếc loa RadioShack bình dân ở tần số thấp. Họ làm lạnh lá để các giọt nước hình thành trên bề mặt. Ngay khi loa rung ở tần số khoảng 100 Hz trong một phần giây, những giọt nước dính trên chiếc lá bật ra.

Các nhà nghiên cứu giải thích rằng kết cấu bề mặt của lá Sen có khả năng chống thấm nước. Nó được bao phủ bởi những cái “bướu” nhỏ phân bổ không không đều cùng những sợi lông mịn vô cùng nhỏ bé. Khi giọt nước rơi xuống bề mặt này, nó sẽ chỉ đọng lại trên những sợi lông nhỏ. Các túi khí nằm bên dưới sẽ giữ lại các giọt nước và cuối cùng là chúng bị đẩy ra khỏi lá.

Tiến sĩ Trần nói: “Điều này giải quyết được một bài toán lâu năm trong lĩnh vực này. Mọi người đã quan sát thấy nước ngưng tụ hàng đêm trên lá Sen. Khi họ quay lại vào buổi sáng, nước đã biến mất và lá khô ráo. Diễn giả tái tạo những gì diễn ra hàng ngày trong tự nhiên tại phòng thí nghiệm. Đó là một quá trình chứa đầy những rung động tinh tế, đặc biệt là đối với hoa Sen – loài có lá lớn trên đỉnh thân dài và mảnh.”

Tiến sĩ Trần gợi ý rằng phát hiện này có một ứng dụng thực tiễn là phủ bên trong các loại ống dẫn lỏng ngưng được sử dụng để truyền nhiệt trong các nhà máy điện. Bằng cách duy trì khả năng chống thấm nước, lực cản của ống sẽ thấp hơn và lưu lượng truyền qua đường ống sẽ lớn hơn với hiệu quả cao hơn.

Tiến sĩ Trần nói: “Chúng tôi đã tiết lộ cơ chế vật lý đằng sau tính siêu kỵ nước và chống đọng sương, một đặc tính quan trọng để khai thác các vật liệu chống thấm nước trong đời sống. Những vật liệu này sẽ được sử dụng ở môi trường ẩm ướt hoặc lạnh, nơi sẽ xảy ra hiện tượng ngưng tụ tự nhiên. Nghiên cứu của chúng tôi tạo nên một hướng đi mới để phát triển các vật liệu không thấm nước có thể tồn tại trong môi trường khắt khe. Nó cũng có ý nghĩa thực tiễn đối với nhiều vật dụng bao gồm vải chống dính, quang học tự làm sạch và vỏ (phi cơ, tàu) có khả năng tự giảm lực cản.”

Các nhà nghiên cứu phát triển loại nhựa tự làm sạch lấy cảm hứng từ lá sen.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại bao bì nhựa mới dành cho thực phẩm tươi sống và đồ ăn mang đi bằng cách mô phỏng cấu trúc đàn hồi và tự làm sạch của lá sen.

Lá sen nổi tiếng là một trong những loại lá có khả năng chống thấm nước tốt nhất trên trái đất và hầu như không thể bị bẩn.

Tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne (RMIT), Mehran Ghasemlou cho biết bí mật nằm ở cấu trúc bề mặt của lá, được cấu tạo từ các cột nhỏ với lớp phủ sáp.

Bất kỳ giọt nước nào rơi xuống bề mặt lá đều giữ nguyên dạng giọt và lăn đi dưới tác động của trọng lực. Trong quá trình trượt xuống, các giọt nước cuốn theo bụi bẩn, giúp bề mặt luôn sạch sẽ.

“Chúng tôi đã tái tạo cấu trúc siêu kỵ nước đặc trưng của lá sen để phát triển một loại nhựa sinh học độc đáo, kết hợp chính xác giữa độ bền và khả năng phân hủy,” Ghasemlou cho biết trong một thông cáo.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện rằng các tác động như trầy xước do vật liệu mài mòn, cũng như việc tiếp xúc với nhiệt, axit và ethanol, không gây hư hại cho vật liệu này.

Nhựa sinh học (bioplastic) được sản xuất từ các vật liệu hữu cơ thay vì dầu mỏ. Tương tự, loại nhựa mới này được tạo thành từ tinh bột và cellulose—những nguyên liệu thô giá rẻ và sẵn có rộng rãi.

Không giống như phần lớn các loại nhựa phân hủy sinh học hoặc có thể ủ phân, vốn cần đến quy trình công nghiệp và nhiệt độ cao để phân rã, các nhà nghiên cứu cho biết loại nhựa sinh học của họ có thể phân hủy nhanh chóng.

“Điều này được thể hiện rõ qua các thử nghiệm trong đất, nơi chúng tôi quan sát thấy vật liệu phân hủy nhanh chỉ nhờ tiếp xúc với vi khuẩn và sinh vật trong đất,” Ghasemlou nói. “Quy trình chế tạo cũng không yêu cầu gia nhiệt hay thiết bị phức tạp.”

Đồng tác giả, giáo sư Benu Adhikari, cho biết thiết kế này đã giải quyết những hạn chế cốt lõi của vật liệu dựa trên tinh bột.

“Tinh bột là một trong những polymer tự nhiên tiềm năng và linh hoạt nhất, nhưng lại khá dễ vỡ và rất nhạy cảm với độ ẩm,” ông Adhikari nhận định.

“Thông qua kỹ thuật mô phỏng sinh học lấy cảm hứng từ ‘hiệu ứng lá sen’, chúng tôi đã tạo ra một loại nhựa phân hủy sinh học từ tinh bột có hiệu suất cao.”

Hiện Ghasemlou đang tìm kiếm các đối tác tiềm năng và đã bắt đầu làm việc với một công ty nhựa sinh học. Sau khi hoàn tất giai đoạn đánh giá, việc sản xuất phục vụ ứng dụng thương mại được kỳ vọng sẽ sớm triển khai.

“Chúng tôi thiết kế loại nhựa sinh học này với định hướng sản xuất quy mô lớn, đảm bảo quy trình đơn giản và có thể dễ dàng tích hợp vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp,” ông cho biết.