Từ trước đến nay, các nhà khoa học cho rằng chất lỏng chỉ có thể bị “gãy” khi chúng có tính đàn hồi. Nhưng một thí nghiệm bất ngờ cho thấy ngay cả chất lỏng đơn giản, gần như không đàn hồi, cũng có thể nứt vỡ như thủy tinh.
Nguồn bài: Quanta Magazine. Biên tập và giới thiệu bởi An’s Lesson – Thư viện Slide bài giảng trực tuyến.
Âm thanh lạ phát ra từ một chất lỏng
Thamires Lima, một nhà nghiên cứu kỹ thuật hóa học tại Đại học Drexel, chuyên nghiên cứu các chất lỏng đặc và nhớt.
Có thể hình dung những chất này giống như mật ong hoặc mật đường. Tuy nhiên, trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu thường làm việc với những vật liệu như polypropylene nóng chảy, dầu thô hoặc các hỗn hợp hydrocarbon.
Để đo cách chất lỏng phản ứng khi bị kéo giãn, Lima sử dụng một phương pháp gọi là lưu biến học kéo giãn. Trong thí nghiệm, một lượng chất lỏng được đặt giữa hai tấm kim loại, sau đó hai tấm được kéo ra xa nhau.
Thiết bị sẽ đo lực cần thiết để làm chất lỏng kéo dài, biến dạng và chảy.
Vài năm trước, trong một dự án hợp tác với công ty dầu khí Exxon Mobil, Lima đang thử nghiệm một hỗn hợp màu đen, đặc quánh gồm hydro và carbon thì bất ngờ nghe thấy một tiếng “tách” ngắn nhưng rất rõ.
Ban đầu, cô nghĩ âm thanh phát ra từ máy móc.
Nhưng thực tế, chính chất lỏng đang bị kéo đã phát ra tiếng động ấy.
Thay vì tiếp tục giãn dài rồi chảy, nó đột ngột nứt và tách thành hai phần.
Một hiện tượng tưởng như không thể xảy ra
Việc chất lỏng bị đứt không hoàn toàn xa lạ.
Một số chất lỏng phức tạp có tính đàn hồi có thể cư xử giống chất rắn trong những điều kiện nhất định. Khi bị kéo quá mạnh hoặc quá nhanh, chúng có thể bị rách hoặc gãy.
Tuy nhiên, hỗn hợp hydrocarbon mà Lima đang nghiên cứu là một chất lỏng đơn giản gần như không có tính đàn hồi.
Theo hiểu biết thông thường, một chất lỏng như vậy không nên bị nứt.
Khi chịu lực, các phân tử trong chất lỏng đơn giản thường chỉ trượt qua nhau và sắp xếp lại. Vật liệu sẽ biến dạng, chảy hoặc kéo thành sợi, chứ không tích trữ đủ năng lượng đàn hồi để vỡ đột ngột.
Nhà vật lý chất lỏng Arnold Mathijssen tại Đại học Pennsylvania nhận xét rằng không ai ngờ hiện tượng này có thể xảy ra.
Độ nhớt thường chỉ khiến các phân tử chuyển động và tái sắp xếp chậm hơn. Nó không được xem là yếu tố có thể làm chất lỏng nứt như thủy tinh.
Thế nhưng trong thí nghiệm của Lima, chất lỏng thực sự đã vỡ.
Thử nghiệm được lặp lại nhiều lần
Để chắc chắn đây không phải sự cố ngẫu nhiên, Lima thực hiện lại thí nghiệm nhiều lần.
Kết quả luôn giống nhau.
Mỗi khi chất lỏng bị kéo với điều kiện phù hợp, nó lại đứt đột ngột và tạo ra một tiếng nổ nhỏ nhưng rõ ràng.
Nicolas J. Alvarez, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Drexel và là người phụ trách phòng thí nghiệm, mô tả âm thanh ấy giống như tiếng một sợi dây cao su bị kéo căng rồi đứt.
Sau khi xác nhận hiện tượng có thể lặp lại, nhóm nghiên cứu sử dụng camera tốc độ cao để quan sát chính xác điều gì đang xảy ra.
Những hình ảnh thu được cho thấy chất lỏng không chỉ bị tách ra như một sợi siro bị kéo đứt từ từ.
Nó trải qua một hiện tượng rất giống gãy giòn, kiểu đứt vỡ thường thấy khi một chiếc đĩa thủy tinh hoặc sứ rơi xuống nền nhà.
Gãy giòn là gì?
Gãy giòn thường xảy ra ở những chất rắn cứng nhưng ít có khả năng biến dạng.
Khi chịu lực, thủy tinh hoặc sứ có thể biến dạng một lượng rất nhỏ. Nếu lực chưa vượt quá giới hạn, vật liệu sẽ trở về hình dạng ban đầu khi lực được loại bỏ.
Đó là biểu hiện của tính đàn hồi.
Tuy nhiên, không có chất rắn nào hoàn toàn hoàn hảo. Bên trong vật liệu thường tồn tại những khuyết tật cực nhỏ, chẳng hạn các vết nứt chỉ rộng vài chục nanomet.
Khi chất rắn bị tác động vượt quá một mức ứng suất nhất định, việc tiếp tục tích trữ năng lượng đàn hồi trở nên kém thuận lợi hơn so với việc mở rộng vết nứt.
Tại thời điểm đó, vết nứt bắt đầu phát triển.
Nó lan đi rất nhanh, giải phóng năng lượng và khiến toàn bộ vật liệu vỡ ra gần như tức thời.
Đó là lý do một chiếc ly thủy tinh có thể chịu được nhiều va chạm nhỏ nhưng lại bất ngờ vỡ vụn khi một vết nứt vượt qua ngưỡng nguy hiểm.
Chất lỏng phức tạp có thể hành xử như chất rắn
Một số chất lỏng được gọi là chất lỏng nhớt đàn hồi vì chúng vừa có tính nhớt của chất lỏng, vừa có một phần tính đàn hồi của chất rắn.
Ví dụ điển hình là polymer nóng chảy.
Polymer là những phân tử dạng chuỗi rất dài. Khi bị nóng chảy, các chuỗi phân tử vẫn có thể quấn và mắc vào nhau.
Sự vướng mắc đó cho phép vật liệu tích trữ năng lượng khi bị kéo, gần giống như một mạng lưới dây cao su cực nhỏ.
Năm 2016, Alvarez và các đồng nghiệp đã chứng minh rằng những chất lỏng phức tạp như polystyrene nóng chảy có thể nứt vỡ theo cách tương tự chất rắn.
Kết quả ấy củng cố một quan điểm khá hợp lý:
Muốn chất lỏng gãy như chất rắn, nó phải có tính đàn hồi.
Các nhà nghiên cứu cho rằng chính khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi giúp vết nứt bắt đầu và phát triển.
Tuy nhiên, hỗn hợp hydrocarbon trong thí nghiệm mới gần như không có đặc tính ấy.
Nó là chất lỏng đơn giản, không tích trữ nhiều năng lượng đàn hồi. Khi bị kéo, nó đáng lẽ chỉ phải chảy.
Việc nó vẫn nứt khiến giả thuyết cũ trở nên đáng nghi ngờ.
Nếu không có tính đàn hồi, vết nứt bắt đầu bằng cách nào?
Nhà vật lý Brato Chakrabarti tại Trung tâm Khoa học Lý thuyết Quốc tế ở Bengaluru, Ấn Độ, đặt ra câu hỏi cốt lõi:
Nếu một vật liệu không có tính đàn hồi đáng kể, chúng ta phải giải thích sự hình thành và phát triển của vết nứt như thế nào?
Nhóm nghiên cứu tại Drexel quay lại xem xét những công trình cũ của Daniel D. Joseph, một kỹ sư cơ khí tại Đại học Minnesota.
Trong các bài báo công bố năm 1995 và 1998, Joseph đã đề xuất rằng bất kỳ chất lỏng nào, dù đàn hồi nhiều hay ít, đều có thể bị nứt nếu chịu một lực kéo xé đủ lớn.
Ý tưởng này không nhận được nhiều sự chú ý trong thời gian dài, có lẽ vì nó đi ngược trực giác phổ biến về chất lỏng.
Nhưng kết quả mới khiến giả thuyết của Joseph trở nên đáng xem xét lại.
Alvarez cho rằng khả năng nứt của chất lỏng có thể không phụ thuộc chủ yếu vào tính đàn hồi. Thay vào đó, nó có thể liên quan đến một yếu tố cơ bản hơn: năng lượng liên kết giữ các phân tử chất lỏng lại với nhau.
Điều gì giữ một chất lỏng không tách rời?
Các phân tử trong chất lỏng không đứng yên, nhưng chúng vẫn hút nhau bằng các lực tương tác phân tử.
Những lực này giúp chất lỏng duy trì trạng thái liên tục thay vì tự tách thành vô số phần nhỏ.
Khi chất lỏng bị kéo, khoảng cách giữa các phân tử tăng lên. Nếu lực kéo đủ mạnh và diễn ra đủ nhanh, sự liên kết giữa các phân tử có thể không kịp tái tổ chức.
Một khoảng trống nhỏ có thể hình thành bên trong chất lỏng.
Thông thường, chất lỏng sẽ biến dạng và chảy quanh khoảng trống đó. Nhưng trong một số điều kiện, khoảng trống có thể trở thành điểm khởi đầu của một vết nứt.
Điều này dẫn đến một cơ chế quan trọng khác: xâm thực.
Xâm thực và sự hình thành bọt khí
Chất lỏng đơn giản vốn có một cách quen thuộc để giải phóng ứng suất mà không cần nứt vỡ.
Chúng tạo ra các khoảng rỗng hoặc bọt khí giữa các phân tử. Quá trình này được gọi là xâm thực.
Một ví dụ thường gặp xuất hiện quanh cánh quạt tàu thủy hoặc máy bơm.
Khi cánh quạt quay rất nhanh, chất lỏng ở một phía của cánh có thể chuyển động nhanh hơn nhiều so với phía còn lại. Điều đó làm áp suất tại một khu vực giảm mạnh.
Nếu áp suất xuống đủ thấp, các bọt khí hoặc khoang hơi sẽ hình thành trong chất lỏng.
Khi các bọt này di chuyển đến vùng áp suất cao hơn, chúng có thể sụp đổ rất nhanh và tạo ra sóng xung kích.
Những sóng này có khả năng làm mòn hoặc phá hỏng cánh quạt, máy bơm và các thiết bị công nghiệp.
Vì vậy, các kỹ sư thường cố gắng ngăn hiện tượng xâm thực.
Tuy nhiên, Daniel Joseph từng đề xuất rằng chính sự hình thành khoang rỗng này có thể cho phép một chất lỏng đơn giản nứt vỡ.
Từ bọt khí đến vết nứt
Có thể hình dung chất lỏng như một mạng lưới các phân tử được giữ lại bởi lực hút lẫn nhau.
Khi bị kéo, các phân tử tách xa nhau và một bọt khí nhỏ có thể xuất hiện.
Thông thường, chất lỏng nhớt sẽ thay đổi hình dạng quanh bọt. Các phân tử tiếp tục trượt và tái sắp xếp, giúp vật liệu không bị đứt.
Nhưng nếu nhiều bọt nhỏ hình thành liên tiếp trong một khoảng thời gian cực ngắn, chúng có thể nối lại với nhau.
Thay vì chỉ tạo ra một khoang tròn, chúng hình thành một đường rỗng kéo dài xuyên qua chất lỏng.
Đường rỗng đó có thể hoạt động giống như một vết nứt trong thủy tinh.
Khi một vết nứt đã hình thành, nó có thể lan ra và tách chất lỏng thành nhiều phần.
Nhóm Drexel nhận thấy rằng trong chất lỏng đơn giản, một khi vết nứt bắt đầu, nó phát triển với tốc độ cực lớn.
Và nghịch lý thay, nguyên nhân có thể chính là vì chất lỏng ấy không có tính đàn hồi.
Không có tính đàn hồi, vết nứt càng khó bị chặn lại
Trong vật liệu đàn hồi, một phần năng lượng của lực kéo được lưu trữ trong cấu trúc vật liệu.
Các chuỗi polymer có thể kéo giãn, rung động hoặc đứt dần. Những quá trình này hấp thụ năng lượng và làm chậm sự lan truyền của vết nứt.
Trong chất lỏng đơn giản, không có những chuỗi phân tử dài để hấp thụ năng lượng.
Khi vết nứt đã được khởi tạo, hầu như không có cấu trúc nào làm nó chậm lại.
Alvarez giải thích rằng nếu sự kiện tạo mầm cho vết nứt xảy ra thành công, vết nứt có thể lan nhanh gần như mức mà các định luật vật lý cho phép.
Điều này tạo ra sự khác biệt rất lớn về tốc độ nứt giữa chất lỏng phức tạp và chất lỏng đơn giản.
Vết nứt có thể lan nhanh hơn âm thanh trong không khí
Trong các nghiên cứu trước đây về polystyrene nóng chảy, nhóm Drexel đo được tốc độ lan truyền của vết nứt khoảng 0,07 mét mỗi giây.
Đó là tốc độ khá chậm, chỉ khoảng vài centimet mỗi giây.
Nhưng trong các chất lỏng đơn giản được thử nghiệm lần này, tốc độ vết nứt đạt khoảng 500 đến 1.500 mét mỗi giây.
Như vậy, vết nứt trong chất lỏng đơn giản có thể lan nhanh hơn hàng nghìn lần so với vết nứt trong polymer nóng chảy.
Ở giới hạn cao, tốc độ này còn lớn hơn nhiều so với tốc độ âm thanh trong không khí.
Sự chênh lệch được cho là liên quan đến cách mỗi vật liệu hấp thụ và phân tán năng lượng.
Trong chất lỏng phức tạp, các chuỗi phân tử dài bị kéo căng, tháo rối hoặc đứt, khiến năng lượng bị tiêu hao dần.
Trong chất lỏng đơn giản, gần như không có cơ chế tương tự. Vì vậy, khi liên kết giữa các phân tử bị phá vỡ, vết nứt có thể lao đi mà không gặp nhiều cản trở.
Hình dạng vết nứt cũng khác nhau
Sự khác biệt về cơ chế làm vết nứt trong hai loại chất lỏng có hình dạng khác nhau.
Trong chất lỏng phức tạp, vết nứt thường mở rộng dần và có hình dáng giống chiếc kèn trumpet.
Điều này phản ánh việc các chuỗi polymer bị kéo giãn và biến dạng quanh vùng đứt.
Trong chất lỏng đơn giản, vết nứt sắc và hẹp hơn, giống một đường nứt lao qua tấm kính.
Hình dạng này phù hợp với một quá trình gãy rất nhanh và ít có biến dạng xung quanh.
Ngưỡng nứt đáng ngạc nhiên
Mặc dù chất lỏng phức tạp và chất lỏng đơn giản nứt theo những cách rất khác nhau, các thí nghiệm cho thấy chúng có thể bắt đầu gãy tại một mức ứng suất tới hạn tương tự.
Con số đo được vào khoảng 2 megapascal.
Một megapascal tương đương một triệu pascal, là đơn vị đo áp suất hoặc ứng suất.
Điều đáng chú ý là các loại chất lỏng có cấu trúc phân tử rất khác nhau vẫn có thể đạt điểm gãy ở cùng một mức ứng suất tương đối.
Điều đó gợi ý rằng có thể tồn tại một nguyên lý chung chi phối sự nứt vỡ của chất lỏng.
Tuy nhiên, ứng suất không phải yếu tố duy nhất.
Các nhà nghiên cứu còn phát hiện độ nhớt và tốc độ kéo có vai trò quan trọng.
Độ nhớt và tốc độ biến dạng
Nhóm nghiên cứu thay đổi nhiệt độ của hỗn hợp hydrocarbon để điều chỉnh độ nhớt.
Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng thường loãng hơn và dễ chảy hơn. Khi nhiệt độ giảm, nó đặc và nhớt hơn.
Trong tất cả các mẫu thử, chỉ chất lỏng có độ nhớt thấp nhất không bị nứt.
Kết quả cho thấy mức ứng suất tới hạn cần thiết để làm chất lỏng gãy có liên quan đến tích của hai đại lượng:
- Độ nhớt của chất lỏng.
- Tốc độ biến dạng, tức tốc độ chất lỏng bị kéo giãn và đường kính của nó thay đổi.
Nói đơn giản, một chất lỏng càng nhớt và bị kéo càng nhanh thì khả năng nó nứt càng cao.
Nếu kéo chậm, các phân tử có đủ thời gian để trượt, sắp xếp lại và làm vật liệu chảy.
Nếu kéo rất nhanh, cấu trúc phân tử không kịp thích nghi. Ứng suất tăng nhanh và có thể làm xuất hiện khoảng rỗng hoặc vết nứt.
Trong một thí nghiệm, khi hỗn hợp hydrocarbon được kéo với tốc độ khoảng 100 milimet mỗi giây, nó tiếp tục giãn dài.
Nhưng khi tốc độ tăng lên khoảng 300 milimet mỗi giây, chất lỏng bị nứt và đứt đột ngột.
Liệu mật ong và nước cũng có thể nứt?
Thiết bị của nhóm Drexel có thể kéo các tấm kim loại với tốc độ tối đa khoảng 500 milimet mỗi giây.
Đây đã là một tốc độ rất cao đối với thiết bị lưu biến kéo giãn. Theo Lima, rất ít máy móc hiện nay có khả năng tương đương.
Tuy nhiên, giới hạn của thiết bị cũng có nghĩa nhóm chưa thể kiểm tra các chất lỏng loãng hơn ở tốc độ đủ lớn.
Lima cho rằng nếu có một máy kéo nhanh hơn, nhóm có thể khiến những chất lỏng ít nhớt như mật ong bị nứt.
Thậm chí, về nguyên tắc, nước cũng có thể gãy nếu bị kéo nhanh và mạnh trong đúng điều kiện.
Điều này nghe rất lạ vì trong đời sống hằng ngày, nước luôn chảy và thay đổi hình dạng. Chúng ta không bao giờ nhìn thấy một cốc nước nứt thành hai phần như một miếng kính.
Nhưng ở tốc độ biến dạng cực cao, hành vi của vật liệu có thể rất khác với trực giác hằng ngày.
Không phải bản chất của nước thay đổi. Thay vào đó, các phân tử không còn đủ thời gian để tái sắp xếp và duy trì dòng chảy liên tục.
Những thí nghiệm tiếp theo
Trong các nghiên cứu tương lai, Lima muốn sử dụng một chất lỏng trong suốt hơn.
Hỗn hợp hydrocarbon màu đen khiến việc quan sát cấu trúc bên trong rất khó khăn. Với chất lỏng trong suốt, camera tốc độ cao có thể ghi lại chính xác khoảnh khắc vết nứt bắt đầu.
Điều này có thể giúp giải đáp một số câu hỏi:
- Vết nứt khởi nguồn từ một bọt khí duy nhất hay nhiều bọt khí?
- Các khoảng rỗng hợp nhất với nhau như thế nào?
- Vết nứt bắt đầu ở bề mặt hay sâu bên trong chất lỏng?
- Hình dạng ban đầu của nó ra sao?
- Tốc độ lan truyền thay đổi theo thời gian như thế nào?
Lima cũng muốn làm đông cứng bề mặt chất lỏng ngay sau khi nó nứt.
Nếu giữ được hình dạng của bề mặt gãy, nhóm có thể nghiên cứu nó bằng kính hiển vi có độ phân giải rất cao.
Một thiết bị quét bề mặt ở thang nanomet có thể cho thấy các đặc điểm cực nhỏ còn lại sau khi vết nứt đi qua.
Những dữ liệu đó sẽ giúp xác định liệu cơ chế nứt của chất lỏng có thật sự giống gãy giòn trong chất rắn hay chỉ có vẻ ngoài tương tự.
Ứng dụng trong sản xuất sợi
Alvarez đặc biệt quan tâm đến việc nghiên cứu sự nứt của chất lỏng trong quá trình kéo sợi.
Nhiều vật liệu công nghiệp được tạo ra bằng cách kéo chất lỏng hoặc polymer nóng chảy thành những sợi rất mảnh.
Các sợi này được sử dụng trong:
- Dệt may.
- Vật liệu composite.
- Màng lọc.
- Dây dẫn.
- Cảm biến.
- Thiết bị y tế.
- Giá đỡ cho mô sinh học.
- Vật liệu dùng trong kỹ thuật mô.
Nếu chất lỏng bị nứt trong quá trình kéo sợi, nó có thể làm sợi đứt, tạo khuyết tật hoặc giới hạn tốc độ sản xuất.
Hiểu rõ ngưỡng nứt có thể giúp các kỹ sư kiểm soát quá trình tốt hơn.
Ngược lại, trong một số trường hợp, sự nứt có kiểm soát có thể được sử dụng để tạo ra những cấu trúc hoặc hình dạng mới.
Ảnh hưởng đến công nghệ in phun
Hiện tượng này cũng có thể liên quan đến máy in phun.
Trong in phun, chất lỏng bị đẩy qua các vòi rất nhỏ với tốc độ cao để tạo thành những giọt mực chính xác.
Các tia mực phải trải qua tốc độ biến dạng lớn trong khoảng thời gian rất ngắn.
Thông thường, kỹ sư nghiên cứu cách tia chất lỏng co lại, tạo giọt và tách khỏi vòi phun.
Nhưng nếu một chất lỏng có thể nứt thay vì chỉ co và chảy, điều đó có thể ảnh hưởng đến:
- Kích thước giọt mực.
- Độ ổn định của tia phun.
- Hình dạng giọt.
- Tốc độ in.
- Khả năng tắc vòi.
- Chất lượng hình ảnh.
Những hiểu biết mới về gãy chất lỏng có thể giúp cải thiện thiết kế mực và hệ thống phun.
Bảo vệ não khỏi chấn thương
Một ứng dụng tiềm năng khác liên quan đến bảo vệ não.
Não được bao quanh bởi dịch não tủy và chứa các mô rất mềm, có đặc tính vừa rắn vừa lỏng.
Trong một va chạm mạnh, chẳng hạn tai nạn xe hoặc chấn thương thể thao, các mô và chất lỏng trong đầu có thể bị kéo giãn với tốc độ rất cao.
Nếu chất lỏng hoặc mô mềm có thể hình thành những vết nứt hoặc khoang rỗng trong các điều kiện đó, cơ chế tổn thương có thể phức tạp hơn những gì các mô hình hiện nay mô tả.
Nghiên cứu về chất lỏng nứt vỡ có thể góp phần cải thiện:
- Mô hình chấn thương sọ não.
- Thiết kế mũ bảo hiểm.
- Vật liệu hấp thụ va đập.
- Thiết bị bảo vệ trong thể thao và quân sự.
Tuy nhiên, đây vẫn là hướng ứng dụng cần được nghiên cứu thêm. Hỗn hợp hydrocarbon trong thí nghiệm rất khác với môi trường sinh học trong cơ thể người.
Robot mềm và vật liệu biến dạng
Robot mềm được chế tạo từ các vật liệu có khả năng uốn cong, co giãn và thay đổi hình dạng.
Nhiều hệ thống sử dụng chất lỏng để truyền lực hoặc điều khiển chuyển động.
Nếu một chất lỏng bên trong robot bị kéo hoặc ép với tốc độ cao, hiện tượng nứt có thể ảnh hưởng đến độ bền và độ tin cậy của thiết bị.
Ngược lại, sự nứt có kiểm soát cũng có thể trở thành một cơ chế phản ứng.
Một hệ thống có thể được thiết kế để tách, mở hoặc thay đổi cấu trúc khi ứng suất vượt qua một mức nhất định.
Những ý tưởng này có thể dẫn đến:
- Van tự kích hoạt.
- Thiết bị giải phóng thuốc.
- Cơ cấu an toàn.
- Vật liệu tự thay đổi hình dạng.
- Robot mềm có khả năng phản ứng với va chạm.
Chất lỏng thực sự có nghĩa là gì?
Phát hiện mới đặt ra một câu hỏi sâu hơn về cách chúng ta phân loại vật chất.
Thông thường, chất rắn được định nghĩa là vật liệu giữ được hình dạng, còn chất lỏng có thể chảy và nhận hình dạng của vật chứa.
Chất rắn có thể gãy. Chất lỏng thì chảy.
Nhưng ranh giới ấy không phải lúc nào cũng rõ ràng.
Vật liệu có thể hành xử rất khác tùy thuộc vào:
- Khoảng thời gian quan sát.
- Nhiệt độ.
- Áp suất.
- Tốc độ tác dụng lực.
- Cấu trúc phân tử.
- Độ nhớt.
- Mức ứng suất.
Nhựa đường có thể trông như chất rắn trong vài phút nhưng chảy chậm trong nhiều năm.
Polymer nóng chảy có thể chảy như chất lỏng nhưng đàn hồi như cao su khi bị kéo nhanh.
Và giờ đây, một chất lỏng đơn giản có thể nứt như thủy tinh nếu bị kéo đủ nhanh.
Điều đó cho thấy câu hỏi “vật liệu này là rắn hay lỏng?” đôi khi chưa đủ.
Một câu hỏi chính xác hơn có thể là:
Vật liệu này phản ứng như thế nào trong điều kiện cụ thể mà chúng ta đang tạo ra?
Phát hiện làm thay đổi một giả định lâu đời
Trong nhiều năm, tính đàn hồi được xem là điều kiện cần để chất lỏng có thể gãy theo kiểu của chất rắn.
Quan điểm này rất hợp lý vì gãy giòn thường được giải thích bằng quá trình tích trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi.
Khi một chất lỏng gần như không đàn hồi vẫn nứt, các nhà khoa học buộc phải xem xét lại nền tảng của lý thuyết.
Có thể tính đàn hồi không phải nguyên nhân chính.
Có thể yếu tố quyết định là sự cạnh tranh giữa:
- Lực liên kết giữa các phân tử.
- Tốc độ vật liệu bị kéo.
- Khả năng các phân tử tái sắp xếp.
- Sự hình thành các khoang rỗng.
- Khả năng tiêu tán năng lượng.
Nếu lực kéo tách các phân tử nhanh hơn tốc độ chúng có thể trượt và lấp đầy khoảng trống, chất lỏng có thể mất tính liên tục và hình thành một vết nứt.
Theo cách nhìn này, nứt vỡ không còn là đặc quyền của những vật liệu đàn hồi.
Nó có thể là một khả năng chung của vật chất khi bị đặt trong điều kiện đủ cực đoan.
Một câu hỏi mới cho vật lý chất lỏng
Hiện tượng được nhóm Drexel quan sát mới chỉ là bước đầu.
Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác:
- Vết nứt bắt đầu ở cấp độ phân tử như thế nào.
- Vai trò của xâm thực lớn đến đâu.
- Có phải mọi chất lỏng đều có thể nứt hay không.
- Nước cần tốc độ kéo lớn đến mức nào để gãy.
- Ngưỡng ứng suất có luôn gần 2 megapascal hay không.
- Hình dạng phân tử ảnh hưởng đến tốc độ nứt ra sao.
- Áp suất và nhiệt độ thay đổi hiện tượng thế nào.
- Các tạp chất có thúc đẩy hay ngăn cản vết nứt.
- Hiện tượng có xảy ra trong chất lỏng sinh học hay không.
Việc trả lời những câu hỏi này sẽ đòi hỏi thiết bị nhanh hơn, camera tốt hơn, chất lỏng trong suốt hơn và các mô hình lý thuyết mới.
Nhưng ngay cả kết quả ban đầu cũng đã làm lung lay một quan niệm lâu đời.
Chúng ta từng cho rằng chất lỏng đối phó với lực bằng cách chảy.
Giờ đây, các thí nghiệm cho thấy đôi khi chúng không có đủ thời gian để chảy.
Khi bị kéo quá nhanh, những phân tử vốn linh hoạt có thể không kịp sắp xếp lại. Các khoảng rỗng xuất hiện, vết nứt hình thành và chất lỏng tách ra với tốc độ khủng khiếp.
Một vật liệu trông mềm, nhớt và dễ biến dạng có thể trong khoảnh khắc hành xử như một tấm kính giòn.
Đối với Alvarez, điều thú vị nhất không chỉ nằm ở những ứng dụng có thể có trong kỹ thuật, y học hay robot.
Câu hỏi hấp dẫn nhất vẫn là:
Thực sự có nghĩa gì khi nói một chất lỏng “bị gãy”?
Phát hiện này khác với cách các nhà khoa học đã suy nghĩ về chất lỏng trong một thời gian rất dài.
Và chính sự khác biệt đó có thể mở ra một chương mới trong nghiên cứu về cách vật chất chảy, biến dạng và phá vỡ.
