Kĩ thuật đo độ mềm mà không cần chạm vào

Hai đội nghiên cứu ở Pháp vừa đo độ cứng của một chất liệu mà không chạm vào nó. Phương pháp là cho những lượng nhỏ chất lỏng chảy trên bề mặt của chất liệu và không xâm lấn và không phá hủy. Như vậy, kĩ thuật trên có thể dùng để thu được sự phân tích cấp độ nanomet của những tính chất đàn hồi của màng mỏng hay những vật dễ vỡ như bong bóng hoặc tế bào sống.

Một cách đơn giản đo độ cứng của một vật là dùng một vật cứng hơn nó chạm vào nó. Vấn đề với kĩ thuật này là vật “thăm dò” cứng hơn đó có thể phá hỏng vật đang xét, đặc biệt khi vật đang xét cực kì mong manh, ví dụ như một tế bào sống. Cho nên các nhà nghiên cứu muốn phát triển một phương pháp ít gây hại hơn. Nghiên cứu mới này do hai nhóm thực hiện – một nhóm gồm Samuel Leroy và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm Vật chất Ngưng tụ và Cấu trúc nano ở Lyon, và nhóm kia gồm Frédéric Restagno và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm Vật lí Chất rắn ở Paris. Ban đầu các nhà vật lí này muốn đi độ mềm bằng cách thổi lên vật một dòng không khí và đo bất kì sự biến dạng nào. Tuy nhiên, họ đã từ bỏ ý tưởng đó vì họ nhận thấy việc điều khiển một dòng không khí thật khó do các xoáy có thể tạo nên.

Ảnh cận cảnh quả cầu Pyrex và mặt phẳng Pyrex trên đó lắng màng mỏng đàn hồ cỡ nanomet. Có thể nhìn thấy giọt chất lỏng nhỏ đóng vai trò vật thăm dò. (Ảnh: Richard Villey và Frédéric Restagno)

Những dòng nano

Từ chỗ bỏ rơi quan điểm đó đã xuất hiện ý tưởng sử dụng một “dòng nano” chất lỏng nhỏ xíu, cái các nhà nghiên cứu nhận thấy dễ điều khiển hơn là không khí. Để thực hiện các phép đo, các nhà nghiên cứu tạo ra một dòng chất lỏng rất yếu và cực kì mỏng giữa chất liệu thăm dò và chất liệu đang xét – trong một nghiên cứu đây là một màng mỏng đàn hồi (cao su) chỉ dày vài trăm nanomet – màng mỏng được đặt trên một bệ thủy tinh rắn và dìm trong một hỗn hợp nước và glycerol. Dòng chảy nhỏ xíu được tạo ra bằng một kĩ thuật đặc biệt do Leroy phát triển hồi năm 2000. Vật thăm dò là một quả cầu thủy tinh Perex kích cỡ millimet gắn với một cái thanh, thanh này có thể dao động với độ chính xác cao. Chuyển động tinh vi này được tạo ra qua một hệ “ceramic áp điện”, nó có thể điều khiển sự dịch chuyển của quả cầu ở những khoảng cách nhỏ cỡ 0,01 nm. Theo các nhà nghiên cứu, chính hạt bột thủy tinh nhỏ xíu này tạo ra dòng chảy nano.

Các màng mỏng bị biến dạng

Khi quả cầu nằm rất gần chất liệu đang khảo sát – ví dụ cách khoảng 1 µm – nó đẩy chất lỏng về phía vật đó và vì thế tạo ra một áp suất rất nhỏ lên bề mặt của chất liệu. Nếu chất liệu có tính dẻo, thì nó bị áp suất đó làm cho biến dạng. Nếu nó hoàn toàn rắn chắc, thì không có sự biến dạng nào xảy ra. Mọi biến dạng làm ảnh hưởng đến chuyển động của quả cầu và cách nó dao động, nên sự biến thiên này có thể dùng để tính ra độ đàn hồi của màng mỏng đó.

Các nhà nghiên cứu cũng đã sử dụng bố trí trên để đo độ cứng của một ma trận bong bóng – cái mong manh đến mức nó sẽ bị vỡ ra khi bị chạm. Bằng cách kết hợp phương pháp mới này với những kĩ thuật đã có, ví dụ như sử dụng “kính hiển vi lực nguyên tử đầu dò colloid”, các nhà nghiên cứu hi vọng đo được độ mềm của một ngưỡng rộng chất liệu khác nhau.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com