Các nhà khoa học ở Mĩ vừa phát triển một phương pháp mới bơm chất lỏng sắt từ mà không cần sử dụng bất kì bộ phận cơ giới nào. Họ khẳng định kĩ thuật của họ, đặt tên là “bơm thủy động sắt từ”, có thể dễ dàng tăng hoặc giảm cỡ để dùng trong các dụng cụ vi lỏng hoặc các dụng cụ bơm quy mô công nghiệp, hay bất kì dụng cụ nào lưng chừng ở giữa cả hai.
Chất lỏng sắt từ được NASA phát triển hồi thập niên 1960 làm một phương pháp bơm nhiên liệu phi cơ giới trong không gian vũ trụ. Chúng mệnh danh là “chất lỏng thông minh” – chất lỏng có các tính chất có thể thay đổi bằng cách tác dụng một từ trường hoặc điện trường. Ngày nay, chất lỏng sắt từ có nhiều ứng dụng đa dạng, dùng trong loa audio đầu cuối, vi mạch máy tính cũng như trong các dụng cụ y sinh.
Chất lỏng sắt từ biểu hiện một bề mặt sắc nhọn, do tác dụng của từ trường. (Ảnh: Wikimedia Commons/ Gregory F. Maxwell)
Công thức pha chế lạ
Chất lỏng sắt từ là chất lỏng dạng keo cấu tạo từ những hạt sắt từ cỡ nano lơ lửng trong một chất lỏng mang. Chúng phản ứng với từ trường trong khi vẫn giữ các tính chất lỏng và có thể thao tác bởi từ trường ngoài. Sự khác biệt cơ bản giữa chất lỏng sắt từ và chất lỏng magnetorheological (chất lỏng MR), một loại chất lỏng thông minh khác, là ở kích cỡ hạt – các hạt nano trong chất lỏng sắt từ lơ lửng do chuyển động Brown và vì thế không định cư dưới những điều kiện thường; còn các hạt trong chất lỏng MR có kích cỡ micromet và quá nặng để lơ lửng nhờ chuyển động Brown.
Khi chất lỏng sắt từ chịu tác dụng trước từ trường, khối chất lỏng trở nên bị từ hóa và bề mặt của nó có hình dạng sao cho giảm thiểu năng lượng của hệ. Thỉnh thoảng, những nhánh kì lạ hình thành trên bề mặt của chất lỏng trong sự có mặt của gradient từ trường mạnh – tính chất đã được khai thác trogn một số hiệu ứng đặc biệt hấp dẫn và các đề án nghệ thuật. “Nếu bạn từng xem một cảnh phim trong đó có một chất lỏng màu đen, lạ lùng đang trườn đến vai nữ chính, thì bạn đừng nên nghĩ là viễn tưởng, có khả năng chất lỏng đó là một chất lỏng sắt từ”, phát biểu của Hur Koser, một trong các tác giả của nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Physical Review B.
Những vòng chất lỏng
Koser và các đồng sự thuộc trường Đại học Georgia và Viện Công nghệ Massachusetts ở Mĩ đã đi tới mẫu máy bơm của họ sau khi Koser trở nên hứng thú với việc thiết kế những máy phát từ trường nhỏ xíu trong luận án tiến sĩ của ông. Ông kể lại rằng một truy vấn thường thách đố đội của ông là, “Những cỗ máy này có thể dùng để bơm chất lỏng trong những dụng cụ vi lỏng hay không?” Chế tạo một động cơ nhỏ xíu để bơm chất lỏng là phức tạp, nhưng Koser nhận ra rằng nếu bản thân chất lỏng có từ tính, thì nó có thể bị kích thích và bị bơm mà không cần bất kì động cơ nào. Koser và người đồng nghiệp Leidong Mao đã sử dụng các mô phỏng máy tính triển khai một thí nghiệm để chứng minh sự bơm kích thích như vậy, và đã chế tạo ra dụng cụ của họ. “Nhớ lại, thí nghiệm trên là phần việc dễ dàng. Cái khó là xét đến mọi tính chất phi tuyến xuất hiện cùng với cơ chế từ thủy động lực học trong các mô phỏng máy tính của chúng tôi, công việc đòi hỏi thời gian lâu hơn – gần như hàng năm – để kết luận”, Koser giải thích.
Ảnh phác thảo trên máy tính của dụng cụ mà Koser và các đồng nghiệp đã sử dụng. (Ảnh: Koser, Mao.)
Thiết bị gồm một vòng chất lỏng khép kín do họ chế tạo bằng ống nhựa PVC mua tại một cửa hàng tạp hóa ở địa phương. Họ gắn thêm các van thủ công vào vòng để chặn dòng chất lỏng chảy tuần hoàn khi cần thiết, và hai cổng áp suất để đo áp suất tạo ra bởi những cuộn dây điện. “Chúng tôi cho dòng điện đi qua các cuộn dây để tạo ra một kích thích từ chạy dọc theo chiều dài của ống đến một cánh của vòng chất lỏng. Dòng điện điều khiển bởi một ampli stereo mua ở một cửa hàng địa phương. Chất lỏng sắt từ sử dụng là một loại rẻ tiền, có bán trên thị trường, xây dựng trên dầu khoáng và các hạt nao magnetite”, Koser cho biết.
Phản ứng dây chuyền
Các cuộn dây điện từ tạo ra từ trường, cái các nhà nghiên cứu xem là một “sóng đang lan truyền”. Mao giải thích rằng những trường này làm quay các hạt nano bên trong chất lỏng. “Chúng tôi có thể điều khiển cường độ, tần số và hướng của những sóng đang lan truyền, thành ra mang lại từ trường quay cục bộ bên trong chất lỏng sắt từ. Từ trường đó là cơ cấu tạo ra một gradient của chuyển động quay hạt nano – những hạt ở sâu bên trong ống quay chậm hơn những hạt ở gần bề mặt. Gradient quay này tạo ra một gradient kéo bên trong chất lỏng sắt từ, đẩy nó đi thẳng”, ông nói. Một gradient quay lớn có nghĩa là chuyển động quay của từng hạt có tính kết hợp cao với chuyển động quay của những hạt láng giềng của nó, trong khi một gradient quay bằng không có nghĩa là chuyển động quay của các hạt không ảnh hưởng gì đến nhau.
Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý sự khác biệt giữa những mô phỏng của họ và những đặc trưng bơm quan sát thấy. Họ nhận thấy rằng từng hạt nano đơn lẻ không thể gây ra sự bơm đã đo vì dòng chảy mà họ quan sát thấy đòi hỏi sự kết hợp giữa chuyển động quay vật lí của các hạt nano từ và môi trường chất lỏng xung quanh. Cho nên, họ suy luận rằng một tỉ lệ phần trăm nhỏ trong số các hạt nano magnetite phải tạo nên những chuỗi thẳng, ngắn, có thể đảo lộn, gây ra bởi sóng đang lan truyền, và chính chuyển động quay của những chuỗi này đã dẫn tới những khác biệt đã thấy.
Phương pháp bơm mà các nhà nghiên cứu trên phát triển có thể dùng cho hầu hết mọi loại chất lỏng sắt từ, cho dù là chất dầu hay nước. Vì không cần chất lỏng thứ cấp để bơm, nên chất lỏng sắt từ có thể được tối ưu hóa độc lập để cho thời gian sử dụng tối đa và sự bơm tối ưu. Họ tin rằng kĩ thuật của họ có thể dẫn tới những mẫu máy làm nguội chất lỏng nhỏ gọn, tích hợp và hiệu quả xây dựng trên những chất lỏng sắt từ có thể dùng trong các hệ làm nguội thu nhỏ cho máy vi tính. “Laptop của bạn có thể mỏng đi hai lần, nhẹ đi ba lần và chạy nhanh hơn với sự làm mát tốt hơn”, Koser nói.
Nguồn: physicsworld.com
