Đã có lời lý giải tại sao một hạt nước lại có thể lăn trên mặt nước mà không hòa vào nhau

Bạn đã bao giờ thấy cảnh những giọt nước li ti lăn nhẹ nhàng trên mặt nước chưa? Khi trời mưa hay khi bạn đổ chút sữa tươi vào tách cá phê? Các nhà khao học vừa mới tìm ra lời giải thích cho hiện tượng vật lý kì lạ này: nó chỉ diễn ra dưới một số điều kiện nhất định.

Theo các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts, để khiến cho một hạt nước có thể nổi trên bề mặt dung dịch một khoảng thời gian ngắn trước khi hòa vào dung dịch bên dưới, nhiệt độ giữa chúng phải khác nhau. Trong nghiên cứu mới nhất này, họ còn tìm ra được cách điều khiển hiện tượng này.

Trong đại đa số trường hợp, nếu hai loại dung dịch – của giọt nước và của dung dịch bên dưới – cùng một loại, chúng sẽ hòa vào nhau ngay lập tức. Nhưng khi có một giọt nước vẫn nổi và lăn trên bề mặt của dung dịch, nó sẽ biến thành hiện tượng "không hợp nhất – noncoalescence". Chưa hết, nó còn có công dụng lớn trong khoa học nữa cơ.

Tìm ra được lý do tại sao hiện tượng "không hợp nhất" này xảy ra, ta sẽ phát triển được những dung dịch có thể sữa hiệu quả hơn, ví dụ như thuốc men, đồ trang điểm hay chất sơn. Hiện tượng kì lạ này cũng có thể được nghiên cứu và áp dụng vào những công nghệ như chip kênh dẫn vi lưu (microfluidic: cho phép kiểm soát hoạt động trong một quy mô rất nhỏ thông qua một hoặc nhiều kênh nhỏ với kích cỡ nhỏ hơn 1mm): hạt nước có thể mang theo những chất phản ứng đến những địa điểm cần thiết trên bề mặt một con chip.

Vì lý do ấy, hiện tượng "không hợp nhất" đã được nghiên cứu một thời gian rồi. Họ cũng đã có thể dựng lại hiện tượng này bằng nhiều cách khác nhau – hạt nước có điện tích đối lập với dung dịch cũng sẽ xảy ra hiện tượng trên.

Họ cũng đã biết được những yếu tố nào có ảnh hưởng tới việc "không hợp nhất". Đơn cử như tính nhớt của dung dịch, sức căng bề mặt, độ cao của giọt nước khi rơi xuống, tính điện và kích cỡ hạt nước đều đóng một vai trò nhất định trong việc hình thành hạt nước trên bề mặt dung dịch và thời gian tồn tại của nó.

Sau tất cả những nghiên cứu trước đây ấy, câu hỏi TẠI SAO vẫn còn đó và chính xác cách thức điều khiển nó vẫn chưa rõ.

Tuy nhiên, một nghiên cứu hồi năm 1996 đã nêu nên tầm ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự không hợp nhất của dung dịch. Dựa vào tiền đề đó, Michela Geri, sinh viên tốt nghiệp MIT dẫn đầu một đội ngũ nghiên cứu đã tiến hành một thử nghiệm toán học, xác định những điểm khác biệt của nhiệt độ trong hiện tượng kì lạ này.

"Dựa trên giả thuyết mới của chúng tôi, các kĩ sư đã có thể xác định được điểm khác biệt nhiệt độ cốt yếu cần có để phân tách được hạt nước và bề mặt dung dịch, và xác định được cả trọng lượng tối đa của hạt nước để nó có thể nổi được", Geri nói.

"Nếu như bạn đã hiểu được những yếu tố cơ bản, bạn có thể bắt đầu thiết kế mọi thứ theo cách mà bạn muốn".

Và để làm được thử nghiệm này, Geri đã tạo ra một cái hộp với đáy kim loại, cô đổ đầy dầu silicon vào đó, đặt toàn bộ lên một thiết bị tạo nhiệt – có thể làm nóng, làm lạnh hay giữ nhiệt. Cô Geri sử dụng một ống tiêm, đổ lên bề mặt dung dịch một hạt nước cũng là dầu silicon.

Ví dụ về thiết bị tạo nhiệt (thermal platform/hot-cold plate) được dùng trong thử nghiệm trên.

Thử nghiệm được thực hiện với đủ mức nhiệt độ khác nhau, nhiều mức nhớt của dầu và độ đậm đặc khác nhau. Các nhà nghiên cứu dùng một camera tốc độ cao để quay lại thử nghiệm, với cảnh quay 2.000 khung hình trên giây, nhằm quan sát kĩ càng tương tác của giọt nước với bề mặt dung dịch.

Kết quả cho thấy nhiệt độ cách biệt càng cao, tỉ lệ diễn ra việc không hợp nhất càng lớn. Với cách biệt 30 độ C, cô Geri đã có thể giữ hạt nước trong trạng thái "không hợp nhất" trong khoảng 10 giây. Điều này diễn ra là vì sự cách biệt nhiệt độ sẽ tạo ra sự đối lưu – dòng chảy của lớp không khí bọc lấy hạt nước và phủ lên bề mặt của dung dịch. Nhiệt độ càng cao, dòng chảy đối lưu này càng mạng, nó sẽ ngăn hạt nước không hòa vào dung dịch bên dưới.

Kết quả thí nghiệm này sẽ được nghiên cứu kĩ càng, để biết được cách thức nước mưa, phân tán hóa chất, các chất sinh học như thế nào.

Nghiên cứu của đội ngũ các nhà khoa học đã được đăng tải trên Journal of Fluid Mechanics.