Bề mặt chống dính hoạt động vì phân tử của nó gần như không "muốn" bám vào bất cứ thứ gì: thức ăn, nước, dầu đều khó bám lên, và hệ số ma sát rất thấp. Loại phổ biến nhất là PTFE (thường gọi là Teflon), được phát hiện tình cờ năm 1938. Ngoài ra còn có lớp phủ gốm, bề mặt siêu kỵ nước bắt chước lá sen, và bề mặt trơn tẩm dầu bắt chước cây nắp ấm. Mỗi loại có điểm mạnh và giới hạn riêng, nhất là về nhiệt độ sử dụng.
PTFE: phát hiện tình cờ trong một bình khí
Ngày 6 tháng 4 năm 1938, nhà hoá học Roy Plunkett làm việc cho công ty DuPont ở New Jersey (Mỹ) đang nghiên cứu khí làm lạnh. Ông mở van một bình khí tetrafluoroethylene thì không có khí thoát ra, dù cân cho thấy bình vẫn nặng. Cưa bình ra, ông thấy bên trong là một lớp bột trắng, trơn như sáp. Khí đã tự trùng hợp thành polytetrafluoroethylene — PTFE.
Chất mới này trơ với gần như mọi hoá chất, chịu nhiệt tốt và trơn đến lạ. Nó được dùng trong công nghiệp và quân sự trước, rồi từ thập niên 1950, kỹ sư Pháp Marc Grégoire tìm cách phủ PTFE lên nhôm, dẫn tới những chiếc chảo chống dính đầu tiên bán ra thị trường (thương hiệu Tefal, ghép từ TEFlon và ALuminium, ra đời năm 1956).
Vì sao PTFE trơn và không dính
Phân tử PTFE là một chuỗi carbon dài, mỗi nguyên tử carbon được bao kín bởi các nguyên tử flo. Liên kết carbon–flo là một trong những liên kết bền nhất trong hoá hữu cơ, và lớp vỏ flo dày đặc khiến bề mặt gần như không có "chỗ" cho phân tử khác bám vào.
- Năng lượng bề mặt rất thấp: nước, dầu đọng thành giọt thay vì loang ra.
- Hệ số ma sát rất thấp: khoảng 0,04–0,1 tuỳ điều kiện, thuộc loại thấp nhất trong các chất rắn. Giáo trình OpenStax ghi PTFE trên thép khoảng 0,04 cho cả ma sát nghỉ lẫn trượt.
- Trơ hoá học: không phản ứng với axit, bazơ thông thường.
Câu đố vui: nếu không gì dính được vào PTFE, thì làm sao dính PTFE lên chảo? Câu trả lời: mặt chảo được làm nhám (phun cát hoặc khắc), phủ lớp lót có chất kết dính, rồi PTFE được nung chảy bám cơ học vào các gồ ghề đó.
Dùng chảo chống dính an toàn
PTFE ổn định ở nhiệt độ nấu ăn thông thường. Vấn đề chỉ xuất hiện khi chảo bị đun rỗng ở nhiệt độ rất cao. Theo các tài liệu an toàn, PTFE bắt đầu phân huỷ đáng kể khi vượt quá khoảng 260 °C, và trên khoảng 350 °C có thể sinh khói gây triệu chứng giống cúm ở người (gọi là "sốt khói polymer") và đặc biệt nguy hiểm với chim cảnh, vốn có hệ hô hấp rất nhạy.
- Không đun chảo rỗng trên lửa lớn. Chảo rỗng có thể vượt 260 °C chỉ trong vài phút.
- Dùng lửa vừa; chiên rán thông thường không cần nhiệt độ cao tới mức đó.
- Dùng xẻng gỗ, silicon, tránh dụng cụ kim loại cào xước lớp phủ.
- Bật hút mùi, mở cửa khi nấu; không nuôi chim cảnh gần bếp.
- Thay chảo khi lớp phủ bong tróc nhiều, thức ăn bắt đầu dính.
Về chuyện PFOA: đây là một hoá chất từng được dùng trong quá trình sản xuất PTFE, bị đánh giá là đáng lo ngại cho sức khoẻ và môi trường. Các hãng lớn ở Mỹ đã cam kết loại bỏ PFOA trước năm 2015 theo chương trình của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, và nhiều nước đã cấm. Chảo bán ra ngày nay thường ghi "PFOA-free". PFOA và PTFE là hai chất khác nhau; mối lo rộng hơn về nhóm hoá chất PFAS trong môi trường vẫn đang được các cơ quan quản lý nhiều nước xem xét.
Lớp phủ gốm: chống dính bằng cách khác
Chảo "chống dính gốm" thường phủ một lớp gốc silica tạo bằng phương pháp sol–gel. Bề mặt rất nhẵn, cứng và chịu nhiệt cao hơn PTFE. Nhược điểm: độ chống dính thường giảm nhanh hơn sau một thời gian sử dụng, nhất là khi rửa bằng máy rửa bát hoặc dùng bình xịt dầu (để lại lớp cặn). Mỗi loại chảo có điểm mạnh riêng; nên đọc hướng dẫn sử dụng của từng sản phẩm.
Lá sen và hiệu ứng siêu kỵ nước
Giọt nước trên lá sen lăn tròn như hạt thuỷ ngân, cuốn theo bụi bẩn. Nhà thực vật học Wilhelm Barthlott (Đại học Bonn, Đức) nghiên cứu hiện tượng này từ thập niên 1970 và gọi là "hiệu ứng lá sen". Bề mặt lá có các gai siêu nhỏ cỡ micromét phủ sáp kỵ nước. Giọt nước chỉ chạm vào đỉnh các gai, đọng trên lớp không khí giữa chúng, nên góc tiếp xúc rất lớn và giọt nước lăn đi dễ dàng.
Người Việt quen câu ca "gần bùn mà chẳng hôi tanh mùi bùn" nói về hoa sen; khoa học hiện đại chỉ ra lá sen tự làm sạch nhờ cấu trúc bề mặt. Ứng dụng: sơn tường tự làm sạch, vải chống thấm, kính chống bám nước. Hạn chế: cấu trúc siêu nhỏ dễ bị trầy xước, mất tác dụng.
Cây nắp ấm và bề mặt trơn tẩm chất lỏng
Miệng cây nắp ấm (Nepenthes) luôn phủ một màng nước mỏng, trơn tới mức kiến, côn trùng đậu lên là trượt thẳng xuống bình chứa dịch tiêu hoá. Năm 2011, nhóm của Joanna Aizenberg ở Đại học Harvard công bố một loại bề mặt lấy cảm hứng từ đó, gọi là SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces): một lớp vật liệu xốp được tẩm đầy chất lỏng bôi trơn. Chất lỏng lấp kín mọi gồ ghề, tạo mặt phẳng tuyệt đối.
Trên SLIPS, cả nước, dầu, máu, mật ong, thậm chí băng đều trượt đi dễ dàng. Ứng dụng đang được thử nghiệm: chống bám băng trên cánh máy bay và dây điện, chống bám sinh vật trên vỏ tàu, chai lọ để tương cà, mật ong không còn dính lại thành.
Siêu trơn ở quy mô nguyên tử
Các nhà vật lý còn nghiên cứu hiện tượng "siêu trơn" (superlubricity): ở một số cấu trúc như các lớp graphene hay than chì xếp lệch góc nhau, hệ số ma sát có thể xuống dưới 0,001. Ý tưởng là khi hai mạng nguyên tử không "khớp" nhau, chúng không ngàm vào nhau được và trượt gần như tự do. Hiện tượng này mới đạt được ở quy mô rất nhỏ trong phòng thí nghiệm; đưa ra ứng dụng lớn vẫn là thách thức.
Góc nhìn hôm nay: chọn và giữ đồ chống dính
| Loại | Mạnh | Yếu | Mẹo dùng |
|---|---|---|---|
| Chảo PTFE | Chống dính tốt, dễ lau | Không chịu nhiệt quá cao, dễ xước | Lửa vừa, xẻng gỗ, không đun rỗng |
| Chảo gốm | Chịu nhiệt cao hơn, cứng | Chống dính giảm dần | Rửa tay, tránh bình xịt dầu |
| Chảo gang, thép đã "tôi dầu" | Bền rất lâu, chịu nhiệt cao | Nặng, cần bảo dưỡng | Lau khô, bôi dầu mỏng sau khi rửa |
| Vải chống thấm | Nước lăn khỏi mặt vải | Giảm sau nhiều lần giặt | Giặt nhẹ, có thể phủ lại lớp chống thấm |
Muốn đọc thêm, Viện Lịch sử Khoa học (Science History Institute, Mỹ) có bài về lịch sử phát hiện PTFE của Roy Plunkett; trang của Viện Wyss (Đại học Harvard) giới thiệu bề mặt SLIPS.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chảo chống dính không dính?
Vì lớp PTFE có năng lượng bề mặt rất thấp: các nguyên tử flo bao kín chuỗi carbon khiến phân tử khác gần như không bám được. Hệ số ma sát của PTFE cũng thuộc loại thấp nhất trong các chất rắn.
Teflon được phát hiện như thế nào?
Năm 1938, Roy Plunkett ở công ty DuPont mở một bình khí tetrafluoroethylene thì không thấy khí ra. Cưa bình, ông thấy khí đã tự trùng hợp thành bột trắng trơn, đó là PTFE, về sau mang tên thương mại Teflon.
Chảo chống dính có độc không?
Ở nhiệt độ nấu ăn thông thường PTFE ổn định. Nguy cơ xuất hiện khi đun chảo rỗng quá nóng, trên khoảng 260 đến 350 °C lớp phủ phân huỷ sinh khói có hại, nhất là với chim cảnh. Nên dùng lửa vừa, không đun rỗng và thay chảo khi lớp phủ bong tróc.
Hiệu ứng lá sen là gì?
Là hiện tượng giọt nước lăn tròn trên lá sen và cuốn bụi bẩn đi, nhờ bề mặt lá có gai siêu nhỏ phủ sáp kỵ nước. Giọt nước chỉ chạm đỉnh gai và nằm trên lớp không khí, nên không bám được.
Chảo gốm và chảo Teflon khác nhau thế nào?
Chảo gốm phủ lớp gốc silica, cứng và chịu nhiệt cao hơn nhưng độ chống dính thường giảm nhanh hơn theo thời gian. Chảo PTFE chống dính tốt và bền tính năng hơn nhưng không chịu được nhiệt quá cao và dễ xước.