Vật liệu mới không chỉ có độ trắng cao mà còn có khả năng đẩy nước. Đáng chú ý, quá trình này không cần titanium dioxide (TiO₂) - loại bột màu trắng được sử dụng rộng rãi - cũng không cần PFAS, nhóm hóa chất fluor có khả năng chống nước và dầu nhưng đang ngày càng bị lo ngại vì tính bền vững trong môi trường. Nghiên cứu được công bố trên Nature ngày 10/9.

Màu trắng của nhiều vật liệu quen thuộc thực chất không đến từ một loại “màu trắng” nào.

Tuyết, mây hay bọt biển đều có vẻ trắng sáng vì cấu trúc vật chất bên trong khiến ánh sáng bị tán xạ mạnh theo nhiều hướng. Các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng này là “độ trắng cấu trúc”.

Nhóm nghiên cứu do GS Easan Sivaniah thuộc Viện Khoa học Tế bào và Vật liệu tích hợp (iCeMS), Đại học Kyoto, dẫn đầu đã tìm cách đưa nguyên lý này vào vật liệu nhân tạo.

Họ tạo ra một loại polymer dạng bọt chứa mạng lưới các lỗ nhỏ li ti. Khi ánh sáng đi vào, những lỗ này làm ánh sáng tán xạ mạnh, khiến vật liệu có màu trắng sáng mà không cần bổ sung sắc tố.

Điểm thú vị là cùng một cấu trúc còn tạo ra đặc tính thứ hai đó là chống nước.

Công nghệ mới có tên Deep Foam Photolithography (DFP). Đầu tiên, polymer được chiếu sáng. Ánh sáng làm polymer phân rã một phần thành những phân tử nhỏ hơn. Sau đó, vật liệu được xử lý bằng một dung môi tương đối nhẹ.

Dung môi tương tác với các phân tử này, khiến polymer trương nở và hình thành mạng lưới các lỗ rỗng bên trong. Cấu trúc đó đồng thời tạo ra hai hiệu ứng. Bên trong, các lỗ cực nhỏ làm ánh sáng tán xạ mạnh, tạo ra màu trắng mà không cần TiO₂. Trên bề mặt, quá trình tạo bọt hình thành một cấu trúc cực kỳ gồ ghề ở cấp độ vi mô, khiến các giọt nước khó bám vào vật liệu - tương tự cách lá sen tự làm sạch và đẩy nước.

DFP đã được thử nghiệm với nhiều polymer thương mại có sẵn, mở ra khả năng ứng dụng rộng hơn nếu công nghệ tiếp tục được hoàn thiện.

Titanium dioxide từ lâu được dùng trong sơn, giấy, nhựa, bao bì và nhiều lớp phủ để tạo màu trắng và tăng độ đục. Tuy nhiên, những lo ngại về an toàn đã khiến Liên minh châu Âu cấm sử dụng TiO₂ làm phụ gia thực phẩm.

Trong khi đó, PFAS - thường được gọi là “hóa chất vĩnh cửu” - được sử dụng để tạo khả năng chống nước và dầu cho nhiều sản phẩm. Chúng khó phân hủy trong môi trường và đang chịu sự kiểm soát ngày càng nghiêm ngặt.

Thay vì bổ sung các hóa chất để tạo ra tính năng mong muốn, nhóm nghiên cứu chọn cách “lập trình” chính cấu trúc vật liệu.

Nói cách khác, vật liệu không cần một lớp hóa chất riêng để chống nước, cũng không cần bột màu để trở nên trắng. Các tính chất đó được tạo ra ngay từ kiến trúc vi mô của vật liệu.

Công nghệ không chỉ hoạt động trên các màng polymer. Khi hợp tác với các nhà nghiên cứu về dệt may tại Đại học Donghua của Trung Quốc, nhóm đã chứng minh DFP có thể áp dụng cho vải.

Theo nhóm nghiên cứu, sự kết hợp giữa độ trắng cấu trúc, khả năng kiểm soát nước và độ phân giải cao có thể tạo ra một nền tảng mới cho in ấn, bao bì, lớp phủ và vật liệu dệt.

Tuy nhiên, nghiên cứu hiện vẫn ở giai đoạn phát triển vật liệu.

Điểm quan trọng nhất của công trình nằm ở một ý tưởng khá đơn giản, thay vì dùng hóa chất để tạo ra tính năng cho vật liệu, hãy thiết kế cấu trúc của vật liệu để tự nó tạo ra tính năng đó.