Chất lỏng hóa rắn

Khoa học đã chứng minh, nếu bạn đổ đầy bột bắp vào một hồ nước, bạn có thể chạy trên bề mặt chất lỏng đó. Nhưng… đừng dừng lại, bởi bạn sẽ bị chìm ngay. Điều bí ẩn ở đây là gì? Chính là “Oobleck” – hỗn hợp bột bắp và nước.   Đi trên mặt nước với Oobleck!   Oobleck là một hỗn hợp nước và bột bắp khuấy đều. Bình thường, Oobleck ở trạng thái như thạch, nhưng khi chịu lực ép mạnh, hỗn hợp này sẽ quánh lại như chất rắn. Tên gọi “Oobleck” ra đời từ tác phẩm “Bartholomew và Oobleck” (1949) của Dr. Seuss, kể về một chất dính màu xanh lá có tính chất tương tự.   Thử dùng ngón tay ấn mạnh lên trên Oobleck, bề mặt tại đó sẽ rắn lại. Nhưng từ từ nhúng cả bàn tay vào Oobleck, bàn tay sẽ lún xuống dễ dàng. Nếu đột ngột rút tay ra khỏi Oobleck một lần nữa, nó lại hóa rắn và thậm chí bạn có thể rút ra cả khối Oobleck lên cùng lúc. Có thể dùng tay để bốc Oobleck lên, nhưng khi lỏng tay, nó sẽ tan chảy ngay.   Rắn lại khi chịu lực tác động và hóa lỏng khi lực không còn, đó cách khiến ta có thể chạy thật nhanh trên bề mặt Oobleck mà không bị chìm xuống. Với hỗn hợp Oobleck, “đi trên mặt nước” không còn là chuyện thần kỳ.   Bí mật của Oobleck   Vậy, điều gì khiến Oobleck có thể biến đổi từ rắn sang lỏng và ngược lại? Đó là do sự tương tác giữa các hạt thành phần và kích thước hạt.   Sự tương tác giữa các hạt: khi chịu tác động của lực, khoảng cách giữa các hạt bột bắp trong hỗn hợp thay đổi. Tại vị trí chịu lực, các hạt chụm lại, tạo thành cụm có hình dạng như tinh thể. Đây là nguyên nhân khiến Oobleck rắn lại.   Tác động một lực lên Oobleck, cũng tương tự như cách ta băng qua một đám đông. Các hạt trong chất lỏng giống như người đi đường. Nếu cứ cắm cúi đi thẳng một mạch, ta sẽ đâm sầm ngay vào ai đó và buộc phải dừng lại mà không đi được xa. Nhưng nếu bước từ từ, sẽ dễ tìm ra cách để len lỏi qua dòng người.   Kích thước hạt: không phải loại hạt nào cũng tạo được Oobleck. Kích thước hạt thích hợp để tạo hỗn hợp Oobleck từ 10-7 đến 10-4 cm. Như vậy Oobleck là chất rắn? Hay chất lỏng?   Người ta định nghĩa, chất lỏng là những chất chảy được và có hình dạng của vật chứa nó. Còn chất rắn là chất có hình dạng xác định và có thể đàn hồi.   Hãy quan sát Oobleck: nếu bạn cuộn Oobleck trên tay, rõ ràng nó là một quả bóng rắn, nhưng chỉ cần đặt lên mặt phẳng, ngay lập tức Oobleck tan lỏng ra. Liệu có loại vật chất nào vừa rắn lại vừa lỏng?   Đáp án ở đây là hỗn hợp: bột bắp + nước = Oobleck.   Oobleck còn được biết chính là một “chất lỏng phi Newton”, nghĩa là chất lỏng có độ nhớt không tuân theo định luật Newton.   Chất lỏng phi Newton   Chất lỏng phi Newton không phải vật chất gì xa lạ, trái lại, rất gần gũi với chúng ta và dễ bắt gặp hàng ngày. Kem đánh răng, sơn, gel tạo kiểu tóc, cao su, một số loại plastic dẻo, silicone… chính là những chất lỏng phi Newton!   Hầu hết chất lỏng mà ta biết là chất lỏng Newton (nước, rượu,...) vì tuân theo định luật ma sát trong của Newton. Theo Newton, “độ nhớt” là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy. Ví dụ: quan sát hiện tượng gió thổi trên mặt nước. Gió tác động lên mặt nước một lực nhất định và làm bề mặt nước chuyển động với vật tốc v. Dưới tác động của độ nhớt (lực ma sát giữa các lớp của chất lỏng), lớp nước liền kề bên dưới sẽ bị kéo theo chuyển động của lớp nước phía trên. Trong chất lỏng Newton, độ nhớt là một hằng số đối với lực tác động, chỉ thay đổi nếu có thay đổi nhiệt độ. Ví dụ, nước đông đá khi lạnh và tan chảy khi nóng, nhưng nếu lắc chai đựng nước (dùng lực) thì độ nhớt của nước không đổi hay dòng nước vẫn tiếp tục chảy bình thường bất kể lực tác động lên nó.  Trong khi đó, độ nhớt của chất lỏng phi Newton không phải là hằng số, có thể thay đổi theo nhiều cách khác nhau dưới tác động của một hay nhiều yếu tố: lực, thời gian, nhiệt độ... Khi độ nhớt thay đổi, loại chất lỏng này phản ứng hoàn toàn khác chất lỏng thông thường: lỏng hóa rắn, rắn hóa lỏng, dầy và xốp lên... VD: Oobleck rắn lại khi chịu lực. Có nhiều loại chất lỏng phi Newton khác nhau, nhưng đều có đặc điểm chung là hỗn hợp các hạt lơ lửng trong môi trường lỏng. Chất lỏng phi Newton thường gặp ở dạng nhũ tương (hỗp hợp hai chất lỏng không hòa tan được với nhau) như sốt mayonnaise là hỗn hợp trứng và dầu; hoặc dạng huyền phù (các hạt rắn trong một chất lỏng) như Oobleck.   Có 2 nhóm chất lỏng phi Newton nổi bật:   Nhóm có độ nhớt tỷ lệ với cường độ áp lực Độ nhớt tỉ lệ nghịch với áp lực (Shear thinning fluid): chịu áp lực càng mạnh, độ nhớt càng giảm, hỗn hợp càng lỏng hơn. Khi không còn lực có thể hồi phục lại trạng thái ban đầu gần như ngay lập tức. VD: sốt cà chua, kem đánh răng, sơn, polymer… Độ nhớt tỉ lệ thuận với áp lực (Shear thickening fluid): chịu áp lực càng mạnh, độ nhớt càng tăng, chất lỏng càng rắn lại. Đó là trường hợp của Oobleck, caramel, protein tơ nhện. Nhóm có độ nhớt tỷ lệ theo thời gian  Độ nhớt tỉ lệ nghịch với thời gian (Thixotropic fluid): thời gian chịu lực càng lâu, độ nhớt càng giảm, càng lỏng hơn, và cần một khoảng thời gian tương tự để trở lại trạng thái ban đầu. VD: đất sét, bùn khoan, dầu nhớt, mật ong… Độ nhớt tỉ lệ thuận với thời gian (Rhepetic fluid): thời gian chịu lực càng lâu, độ nhớt càng tăng, trở nên dầy hơn hoặc rắn lại. VD: kem trở nên bông, xốp và dầy hơn khi được đánh liên tục. Một số chất lỏng phi Newton khác như lòng trắng trứng thay đổi độ nhớt khi thay đổi nhiệt độ (trở nên rắn hơn khi bị đun nóng). Cát lún (hỗn hợp nước và cát) cũng là chất lỏng phi Newton, nên khi bị lún trong cát, nếu bạn vùng vẫy (tạo áp lực) sẽ khiến cát rắn lại và khó thoát ra hơn, cách tốt nhất là thư giãn, nằm ngang ra, trườn đi như một em bé. Và bạn có biết, bên trong chúng ta có một chất lỏng phi Newton đang chạy khắp cơ thể: đó là máu.   Trong số các chất lỏng phi Newton, Oobleck đặc biệt nhất vì có thể hóa rắn trong thời gian ngắn và khả năng chịu tải cao.  Oobleck có thể lỏng...hoặc rắn, cầm được trên tay Công thức Oobleck   Muốn trải nghiệm những tính năng đặc biệt của chất lỏng phi Newton? Hãy bắt tay vào chế biến hỗn hợp Oobleck tại nhà, rất đơn giản, chỉ cần bột bắp (hoặc bột năng) và nước.   Trộn một phần nước với 1,5 - 2 phần bột bắp. Dùng muỗng khuấy (khoảng 10 phút) để đạt độ sánh mong muốn. Có thể gia giảm vài giọt màu thực phẩm để Oobleck thêm sinh động. Mục tiêu là tạo ra một hỗn hợp có dạng lỏng khi được khuấy từ từ, nhưng lại rắn khi bạn gõ lên nó bằng ngón tay hoặc muỗng. Nếu Oobleck quá lỏng và không thể rắn lại, hãy thêm vào một chút bột bắp nữa, ngược lại, thêm vào chút xíu nước.   Múc một ít hỗn hợp Oobleck lên tay, ép và lăn nó lại thành hình quả bóng. Nếu được lăn liên tục, áp lực từ tay bạn sẽ giữ cho quả bóng ở trạng thái rắn. Nới lỏng tay và quả bóng Oobleck sẽ tan chảy thành hỗn hợp sền sệt.   Hoặc vào bếp thử trộn bột năng với nước để làm hạt lựu ăn với chè, quá trình khuấy bột sẽ cho bạn cảm nhận đầy đủ trạng thái: lỏng - rắn hoặc rắn-lỏng của Oobleck.   Đổ đầy Oobleck vào thau nhựa lớn hoặc bồn tắm và bạn có thể thử cảm giác “đi trên nước”. Nên nhớ, bước chân quá nhẹ nhàng không phải là cách để đi trên “tấm thảm” Oobleck này! Bạn rất dễ bị chìm đấy. Hoặc, thử cho hỗn hợp Oobleck vào một cái loa. Kết nối loa với nguồn âm thanh để xem Oobleck trở nên sống động như thế nào. Âm thanh tần số thấp sẽ làm hỗn hợp Oobleck lỏng và dễ chảy hơn so với âm thanh tần số cao.   Chất lỏng phi Newton và những ứng dụng thú vị   Đã từ lâu, nghiên cứu chất lỏng phi Newton là lĩnh vực quan trọng của bộ môn cơ lưu chất: nghiên cứu về sự chảy của vật chất, khảo sát dung dịch khoan, nghiên cứu biển và môi trường biển... với nhiều ứng dụng kỹ thuật hữu ích cho các ngành công nghiệp.   Mềm mại và vững chắc, cương - nhu linh hoạt nên chất lỏng phi Newton được xem là loại vật liệu “thông minh”, mới mẻ, có nhiều triển vọng ứng dụng thực tiễn: Lấp đầy các ổ gà trên đường. Đổ đầy Oobleck vào một túi chống thấm tốt, đặt vào vết nứt hoặc ổ gà trên đường là cách tuyệt vời để làm phẳng đường tạm thời. Cách lấp ổ gà này ít thấy tại Việt Nam, nhưng ở nước ngoài rất phổ biến. Oobleck là sản phẩm sinh học nên nếu rò rỉ hoàn toàn không độc hại.   Áo giáp chống đạn lỏng. các nhà khoa học đã tạo ra áo giáp lỏng chống đạn bằng hỗn hợp các hạt silica lơ lửng trong dung dịch polyethylene glycol. Áo giáp chống đạn thông thường (cứng gấp 5 lần thép), tuy bảo vệ được tính mạng người mặc, nhưng không ngăn được chấn thương do lực ép cực mạnh của viên đạn gây ra. Áo giáp lỏng sử dụng chất lỏng phi Newton sẽ phân tán lực va đập này. Đạn càng mạnh, áo càng rắn lại và không thể xuyên thủng. Siêu nhẹ và siêu bền, các nhà nghiên cứu đang hướng đến sử dụng vật liệu chế tạo áo giáp này cho cả trang phục hàng ngày. Chế tạo vật liệu nhân tạo. Dung dịch tơ nhện là loại chất lỏng phi Newton đặc biệt có rất nhiều ứng dụng. Giáo sư McKinley thuộc khoa chế tạo cơ khí Viện Kỹ thuật Massachusets (Mỹ) – MIT với những nghiên cứu về “Động lực học các chất lỏng phi Newton” đã dùng tơ nhện Nephila clavipe để chế tạo vật liệu nhân tạo. Dung dịch protein tơ được phun ra bằng một cơ quan thon, nhọn, hình chữ S. Nhờ đó, các cấu trúc tinh thể vừa hình thành trong dung dịch bị xoắn lại thành chuỗi dài, thẳng hàng, trở nên bền chắc và không bị hóa lỏng trở lại.   Oobleck sẽ hiện diện trong đời sống trong một ngày không xa lắm. Nguồn http://www.cesti.gov.vn/su-i-ngu-n-tri-th-c/ch-t-l-ng-hoa-r-n.html