Nhà khoa học này muốn dùng lửa để nâng những tảng băng bay lên không trung

Thanh Long,  

Trong tương lai, xe chữa cháy có thể được trang bị vòi phun băng thay vì phun nước.

Nếu nhà bạn có chảo rán và thi thoảng đôi lần cũng vào bếp, thì chắc hẳn bạn đã quá quen với hiện tượng được gọi là hiệu ứng Leidenfrost. Cái tên khiến nhiều người thấy lạ lẫm, nhưng tôi sẽ giải thích và cam đoan là bạn sẽ nhận ra ngay.

Hãy tưởng tượng bạn cần phải làm sạch qua một cái chảo để nấu món ăn mới. Theo thói quen thông thường, bạn sẽ làm gì? Nếu là tôi, tôi sẽ tráng qua cái chảo dưới vòi nước và rồi đặt nó lên bếp, bật lửa và đợi hơi nóng làm khô cái chảo. 

Nếu làm đúng theo thứ tự đó, sẽ chẳng có gì kỳ lạ xảy ra cả. Khi một chiếc chảo nguội dính nước và bạn đun nó, nhiệt sẽ truyền từ ngọn lửa sang đáy chảo, rồi từ đáy chảo vào nước khiến chúng dần dần bay hơi hết. Lúc này, bạn có thể đổ dầu ăn vào để nấu món mới cho mình.

Nhưng đôi khi, tôi lại đáng trí lấy chiếc chảo ra, đặt nó lên bếp và bật lửa trước khi chợt nhớ rằng mình cần tráng qua nó. Vậy là tôi lại nhấc chiếc chảo nóng ra khỏi bếp, đặt nó xuống vòi nước. Lúc này, một hiệu ứng kỳ lạ xảy ra: 

19e38keh02oungif.gif

Hiệu ứng Leidenfrost là gì?

Đó là khi những giọt nước chảy vào chảo sẽ nhảy múa, chúng đập vào đáy chảo rồi vỡ tan thành những hình cầu lấp lánh ánh sáng như thủy ngân. Nước lúc này không bám lại một chỗ mà chúng sẽ lăn đi lăn lại như đang ở trên bề mặt không hề có ma sát. 

Điều kỳ lạ hơn nữa là nếu tôi tiếp tục đun chiếc chảo này trên bếp, những giọt nước gần như không bay hơi. Chúng vẫn ở yên vị tại chỗ, lăn qua lăn lại như trêu ngươi và nếu bạn tiếp tục kiên nhẫn đợi những giọt nước này sôi... thì có lẽ chẳng bao giờ chúng biến mất. 

Đó là bởi những giọt nước lỏng này không còn tiếp xúc với đáy chảo nóng nữa. Ngay bên dưới chúng, hơi nước sôi bốc lên đã nhấc bổng những giọt nước này bay lên trông trung, khiến bạn tưởng chúng lăn không có ma sát nhưng thực tế là chúng đang bay cách mặt chảo khoảng 1/10 mm. 

Khoảng cách này nhỏ đến nỗi bạn khó có thể nhìn thấy nó bằng mắt thường, nhưng đối với vật lý mà nói vậy cũng đủ để làm ngắt quãng quá trình trao đổi nhiệt giữa đáy chảo và giọt nước, khiến nó gần như không thể sôi lên được nữa. Tốt nhất bạn nên nghiêng chảo và đổ chúng đi thay vì cứ chờ đợi.

800px-Leidenfrost_droplet.svg.png

Nhà khoa học này muốn dùng lửa để nâng những tảng băng bay lên không trung - Ảnh 3.


Hiện tượng thú vị này lần đầu tiên được Johann Gottlob Leidenfrost, một bác sĩ và nhà thần học người Đức mô tả vào năm 1751 trong cuốn sách "A tract about some qualities of common water". 

Người ta sau đó đã lấy tên ông đặt cho nó, gọi đây là hiệu ứng Leidenfrost, và nhiệt độ kích hoạt hiệu ứng này xảy ra được gọi là điểm Leidenfrost. Dưới nhiệt độ này, nước tiếp tục tiếp xúc với bề mặt và bay hơi, nhưng chỉ cần vượt qua nó, hơi nước sẽ xuất hiện phía dưới giọt nước lỏng, đẩy nó lên không trung mà không bao giờ hạ xuống.

Điểm Leidenfrost tuỳ thuộc vào các đặc tính bề mặt vật liệu truyền nhiệt, tạp chất có trong nước và kích thước giọt của nó. Trong một nghiên cứu mới đăng ngày 21 tháng 1 trên tạp chí Physical Review Fluids, các nhà khoa học cho biết nếu bề mặt chảo là nhôm, kích thước giọt nước tiêu chuẩn và nó không nhiễm tạp chất thì khi được đun tới 100 độ C, nước sẽ bắt đầu từ lỏng hoá hơi. Nhưng tới 150 độ C, quá trình bay hơi sẽ ngừng lại, đây chính là điểm Leidenfrost kích hoạt hiệu ứng này xảy ra.

Mặc dù vậy, phó giáo sư Jonathan Boreyko và nghiên cứu sinh Mojtaba Edalatpour, hai tác giả chính của nghiên cứu không chỉ dừng lại ở việc khảo sát điểm Leidenfrost của nước lỏng, một thí nghiệm đã được nhiều thế hệ các nhà khoa học thực hiện đi thực hiện lại trong gần 300 năm. 

Bây giờ, trong thế kỷ 21, họ đang tự hỏi mình một câu hỏi táo bạo hơn: Liệu hiệu ứng Leidenfrost có hoạt động với băng rắn hay không? Nói cách khác, liệu băng có thể được đun sôi đủ nhanh để hoá hơi ở mặt dưới, rồi hơi nước này sẽ nâng nó lên không trung giống trong nước lỏng? 

Nếu Boreyko và Edalatpour có thể khiến điều đó xảy ra, họ sẽ khám phá được một hiệu ứng vật lý hoàn toàn mới, có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng của loài người, từ các bộ tản nhiệt cho động cơ ô tô, máy tính cá nhân cho tới các lò hơi công nghiệp lớn và thậm chí lò phản ứng hạt nhân.

"Từ trước tới nay đã có rất nhiều bài báo khoa học nói về việc chất lỏng bay lên rồi, vậy nên bây giờ chúng tôi muốn đặt câu hỏi về những khối băng bay", Boreyko nói. "Nghiên cứu của chúng tôi được thúc đẩy bởi một sự tò mò liệu chúng ta có thể tạo ra hiệu ứng Leidenfrost ba pha với chất rắn, chất lỏng và hơi hay không?".

Hiệu ứng Leidenfrost dưới ống kính slowmotion

Nâng những tảng băng bay lên

Để trả lời câu hỏi, Boreyko đã khởi động các thí nghiệm từ 5 năm về trước. Ông giao đề bài này cho một sinh viên đại học Daniel Cusumano, người sau đó cũng bị trí tò mò hút vào dự án và cần mẫn làm các thí nghiệm rất tỉ mỉ. 

Cusumano ban đầu đặt băng rắn lên nhôm vào bắt đầu đun nó ở từng mức nhiệt độ một. Với mức 150 độ C, anh thấy nước đá không bay lên như nước lỏng. Nhiệt độ sau đó được Cusumano tăng dần lên, 200, 250 rồi 300. Chưa có điều gì xảy ra. 

Nhưng tới ngưỡng 550 độ C, anh đã đạt được nó, hiệu ứng Leidenfrost đã nâng được cục nước đá lên, nước tan chảy dưới nó sôi bốc thành hơi, hơi nước bên dưới cuối cùng cũng thắng được trọng lực của cục nước đá.

Đó là lúc mà nghiên cứu sinh Mojtaba Edalatpour và Boreyko tham gia vào công trình. Hai nhà khoa học đang phát triển các phương pháp truyền nhiệt mới và họ muốn biết chính xác điều gì đã xảy ra bên dưới những tảng băng bay. 

Cụ thể hơn, tại sao nước lỏng chỉ yêu cầu mức nhiệt 150 độ C để vượt qua điểm Leidenfrost còn nước đá cần tới 550 độ C? Câu hỏi tưởng chừng đơn giản nhưng có thể nắm giữ nhiều bí mật mở ra cánh cửa cho những công nghệ truyền nhiệt tương lai.

Cùng với nhau, Edalatpour và Boreyko đã khám phá nó. Câu trả lời hóa ra là sự chênh lệch nhiệt độ trong lớp nước nóng chảy bên dưới tảng băng. Lớp nước tan chảy có hai thái cực khác nhau: 

Phần đáy của nó đang sôi, giúp cố định nhiệt độ ở khoảng 100 độ C, nhưng phần trên của nó dính vào lớp băng thì luôn cố định ở khoảng 0 độ C. Mô hình của Edalatpour tiết lộ yêu cầu duy trì nhiệt độ chênh lệch này đã triệt tiêu phần lớn nhiệt trên bề mặt nhôm khi họ đun nó. Nhiệt bị triệt tiêu càng nhiều, nước lỏng càng khó bay hơi và khó nâng tảng băng lên theo hiệu ứng Leidenfrost.

Các nhà khoa học đạt được hiệu ứng Leidenfrost với băng rắn

Nhưng đó chính xác là những gì mà Boreyko và Edalatpour mong đợi. Giống như tôi không muốn có những giọt nước cứng đầu không chịu bay hơi trong chiếc chảo của mình, các nhà khoa học phát triển công nghệ tản nhiệt không muốn nước rơi vào trạng thái Leidenfrost.

"Đó là bởi ngay khi nước bắt đầu bay lên, quá trình truyền nhiệt của nó sẽ giảm mạnh", Boreyko giải thích. "Đối với quá trình tản nhiệt, nước bay lên là một điều tồi tệ. Nước sôi mới là một điều tốt". Tất cả là vì nước sôi truyền nhiệt, hay nói cách khác là tản nhiệt khỏi bề mặt nhanh hơn. Đó là lý do tại sao khi bạn mở vung nồi cơm khi hơi nước phả ra, nó có cảm giác nóng hơn rất nhiều so với khi nồi cơm đó còn chứa nước lỏng.

Bây giờ, với việc mở rộng cửa sổ hiệu ứng Leidenfrost lên thêm 400 độ C, các nhà khoa học như Boreyko tin rằng họ có thể ứng dụng nó vào rất nhiều lĩnh vực. Một trong những tác dụng chính của nghiên cứu truyền nhiệt là sử dụng nó cho các bộ phận làm mát, từ xe hơi, máy tính cho đến nhà máy điện hạt nhân.

Trong các nhà máy điện hạt nhân, thay vì sử dụng nước lỏng để làm mát như hiện nay, các nhà khoa học có thể tính toán đến một hệ thống làm mát bằng băng, ở đó, việc dập tắt nhiệt sẽ diễn ra nhanh hơn, ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Leidenfrost và cho phép cơ chế tắt lò khẩn cấp diễn ra an toàn hơn. Nếu vậy, chúng ta sẽ có thể tránh được các thảm hoạ hạt nhân đã từng xảy ra như ở Chernobyl hay Fukushima khi nước làm mát nhanh chóng bị bay hơi hết.

Một ứng dụng nữa của băng làm mát là trong lĩnh vực luyện kim. Chúng ta biết để sản xuất hợp kim, các nhà máy cần phải dập tắt nhiệt từ kim loại đã được định hình trong một khoảng thời gian rất ngắn. Mục đích điều này là để làm cho kim loại cứng hơn và ít giòn hơn. Nếu thay nước lỏng bằng nước đá cho quá tình này, quá trình tản nhiệt qua ba pha nước sẽ xảy ra nhanh chóng hơn để làm nguội kim loại.

iceA-640x427.jpg

Mojtaba Edalatpour đang điều chỉnh thiết bị thí nghiệm.

icegraph-640x374.jpg

Boreyko cũng nhìn thấy tiềm năng ứng dụng của những tảng băng trong chữa cháy. Ông nói: "Bạn có thể tưởng tượng có một chiếc vòi được chế tạo đặc biệt để phun ra đá vụn thay vì nước. Đây không phải là khoa học viễn tưởng. Tôi đã đến thăm một công ty hàng không vũ trụ có đường hầm đóng băng và họ đã có công nghệ này, nơi một vòi phun phun ra các hạt băng chứ không phải các giọt nước".

Nói tóm lại, chỉ bằng một thí nghiệm dùng lửa để đun những tảng băng cho tới khi chúng bay lên, Boreyko và Edalatpour đang mở ra cả một miền đất mới cho hiệu ứng Leidenfrost, một tính chất vật lý tưởng chừng chẳng còn gì mới mẻ sau gần 300 năm. Bộ đôi cho biết họ rất vui mừng về những khám phá mới của mình và hi vọng kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp được vào quá trình phát triển của khoa học công nghệ nói chung và lĩnh vực truyền nhiệt nói riêng. 

Có thể thấy tất cả những thành quả mà Boreyko và Edalatpour đạt được cho tới ngày hôm nay đều xuất phát từ sự tò mò và kiên trì của họ, cả hai đều là những đức tính thúc đẩy sự sáng tạo và ươm mầm cho những khám phá khoa học đột phá. Nếu là một người bình thường liệu có ai đã từng hỏi: "Chúng ta có thể thể dùng lửa để nâng một tảng băng lên hay không?". Đối với người bình thường, đó hẳn là một câu hỏi ngớ ngẩn, nhưng dưới con mắt của các nhà khoa học rõ ràng không gì là không thể.

Tham khảo Scitechdaily

https://genk.vn/nha-khoa-hoc-nay-muon-dung-lua-de-nang-nhung-tang-bang-bay-len-khong-trung-20220127140109777.chn
Tin cùng chuyên mục
Xem theo ngày