- Stephen Ornes (Physics World, tháng 11/2012)
(Ảnh: Hermann Eisenbeiss/Science Photo Library)
Các vị thần Hi Lạp có thể làm thế; Đức Phật và Chúa Jesus cũng vậy. Nhưng với phàm nhân ti tiện như chúng ta – ít nhất là với những ai không có tổ tiên thần thánh hay có công năng đặc dị khác người – thì tối đa khả năng đi lại trên nước là phải mang một cặp giày phao và hi vọng cái tốt nhất sẽ xảy đến (một ý tưởng lần đầu tiên được hình dung trong các bức phác họa của Leonardo da Vinci). Nhưng trong thế giới động vật, khả năng đi lại trên nước là chuyện xưa cũ như cổ tích. Con giông túi sử dụng bàn chân hình dạng đặc biệt của nó để bám dính mặt nước ngăn không bị chìm khi nó chạy trên nước. Cá heo sử dụng kĩ thuật giống như vậy với đuôi của chúng, một số loài chim cũng vậy.
Đa số côn trùng có một phương án khác. Phần lớn trong hàng triệu hay ngần ấy loài côn trùng đã được nhận dạng hoặc sống trong không trung hoặc trên đất, nhưng một phần nhỏ - khoảng 0,1% - sinh sống trên nước, ít nhất là trong một khoảng thời gian nào đó. Một trong những cư dân mặt nước đó, con bọ nhảy (còn gọi là con sải nước), đặc biệt giỏi đứng trên mặt nước. Nó có thể đứng yên trên nước, hoặc sải đi ở tốc độ 150 cm/s – khoảng 5,4 km/h.
Con bọ nhảy có thể nổi trên nước là vì sức căng bề mặt của nước có tác dụng như một lớp da. Các phân tử nước có lực bám dính giữa chúng, và trọng lượng của con bọ nhảy quá nhỏ so với những lực đó. Cho nên nó đứng trên nước được, nhưng nếu con côn trùng muốn di chuyển, định luật III Newton của chuyển động đòi hỏi nó phải đẩy cái gì đó – và cái duy nhất có sẵn là mặt nước.
Kiến thức mới của chúng ta về những con vật nhỏ bé này phần lớn là nhờ những nỗ lực của David Hu, một cựu sinh viên toán tốt nghiệp tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã bỏ ra bốn năm nghiên cứu chúng, phân tích kích cỡ và hình dạng của chúng và cố gắng lí giải cơ sở vật lí giữ cho những con bọ này nổi trên nước. Ông nghiên cứu cùng với vị cố vấn của ông, John Bush, họ tập trung vào xử lí những bài toán động lực học chất lưu trong thế giới thực.
“Chúng phải chống chân mà không làm vỡ mặt nước,” Hu nói, hiện nay ông đang điều hành phòng thí nghiệm sinh học cơ kĩ thuật của riêng ông tại Viện Công nghệ Georgia ở Atlanta. “Nếu chúng di chuyển quá nhanh, chúng sẽ làm vỡ mặt nước. Đó là một cái phản trực giác khiến nhiều người khó hiểu, nhưng bạn có thể thấy điều đó nếu bạn dùng một cái kẹp giấy đẩy nhẹ trên mặt nước. Bạn thấy những gợn sóng này lan ra ngoài, và con bọ nhảy về cơ bản phải chống trên chúng rất nhẹ.”
Những xoáy ẩn dưới mặt nước
Trước khi có công trình của Hu, các thí nghiệm và quan sát cho thấy rằng con bọ nhảy tự đẩy chúng về phía trước bằng cách dùng chân của chúng tạo ra những gợn sóng nhỏ trên nước. Điều này có vẻ dễ hình dung bởi vì “những con sóng mao dẫn” này có thể nhìn thấy được trong lằn nước của con bọ nhảy đang chạy trên một mặt ẩm. Nhưng nó đưa đến một vấn đề gọi là “nghịch lí Denny”, cái được nêu ra lần đầu tiên bởi nhà sinh vật học Mark Denny hồi năm 1993. Ông trình bày rằng những con bọ nhảy còn non không thể cử động chân của chúng nhanh hơn tốc độ pha của sóng mao dẫn – một sự khéo léo cần thiết để tạo ra chúng.
Hu và Bush quyết định nghiên cứu những con bọ nhảy bắt về từ những hồ nước ở địa phương. Những sinh vật này sinh sôi trong phòng thí nghiệm và vì thế mang lại cho các nhà nghiên cứu rất nhiều con bọ non để nghiên cứu nghịch lí Denny. Và để thấy cái gì đang thật sự diễn ra ở trong nước, Hu và Bush đã quay phim những con côn trùng này bằng một camera tốc độ cao.
Họ tìm thấy rằng những con bọ nhảy sử dụng cặp giữa trong số ba cặp chân của chúng giống như người chèo thuyền sử dụng mái chèo để đẩy con thuyền, truyền động lượng hướng ra phía trước cho con thuyền. Tương tự, chân của con bọ nhảy để lại những cái xoáy giống như vậy bên dưới mặt nước. Trong phòng thí nghiệm của Bush tại MIT, các xoáy đó trở nên nhìn thấy được khi các nhà khoa học cho những con bọ nhảy chạy vụt đi trên nước chứa những hạt nổi có màu.
Bush và Hu để ý thấy tác dụng đó cũng tạo ra các sóng mao dẫn – những gợn sóng nhỏ xíu mà Denny và những nhà sinh học khác đã quan sát thấy – nhưng họ tính được rằng đóng góp của những con sóng đó cho chuyển động về phía trước của con bọ nhỏ hơn nhiều so với sự tiên liệu của họ, và không đủ mạnh để làm con bọ di chuyển.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nước nhuộm màu để nhìn thấy các xoáy nhỏ tạo ra khi con bọ nhảy di chuyển trên nước. (Ảnh: David Hu, Georgia Tech/John Bush, MIT)
Tiềm năng ứng dụng
Cái cũng hấp dẫn không kém ở những bọ nhảy là lớp lông chuyên dụng có phủ một chất dạng sáp trên chân của chúng, và những cái bọt trên những sợi lông này đã ngăn nước ở bên ngoài. Theo Hu, có hàng nghìn sợi lông trên mỗi millimet vuông và chất sáp trên lông chúng có sức hấp dẫn lớn đối với các nhà khoa học vật liệu bởi vì các chất liệu tổng hợp thường phải dùng những hóa chất không thấm nước để chống thấm. “Không ai biết cách làm thế nào chế tạo ra một vật liệu chống thấm nước vĩnh viễn,” ông nói.
Chính những sợi lông này giúp con bọ nhảy chống chân được. Chỉ những cái đầu lông rất nhỏ mới xuyên qua mặt nước, tạo ra các xoáy nước và, thành ra, truyền động lượng qua rào chắn không khí-nước. Sự sắp xếp đặc biệt của những sợi lông đó tương tự như sự bố trí ở cánh bướm tống khứ những giọt nước về phía đầu cánh. Ở con bọ nhảy, những sợi lông đó hướng theo chiều nhất định, đem đến cho con côn trùng một hướng ưu tiên và tất nhiên đảm bảo cho con bọ không bị xoay đảo – cho dù là còn sống hay đã chết.
“Nếu bạn bắt một con sải nước đã chết và thổi vào nó, nó sẽ vẫn sải về phía trước,” Hu nói.
Hu đã chuyển sang khảo sát những con côn trùng khác, kể cả cư dân trên cạn, sinh sống như thế nào quanh vùng hồ nước. Hồi năm 2011, ông và một đội nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm của ông đã mô tả làm thế nào những đàn kiến lửa Brazil tự đan dệt với nhau để tạo ra một cái bè nổi trên nước. Xét riêng mỗi con kiến thì nó không kị nước cho lắm, nhưng khi cả bầy liên kết lại chân bám chân, chúng có thể tạo ra những cái bè nổi không thấm nước. Ý tưởng cơ bản là giống như vậy: tạo ra một kết cấu có cấu trúc cao và sử dụng những túi khí nhỏ xíu để ngăn nước lọt vào. Nhưng những con kiến, giống như những con sải nước – và các vị thần trong thần thoại – làm chuyện đó tốt hơn những nhà phát minh con người như chúng ta nhiều lắm.
“Chúng ta hiểu hết những cái vĩ đại như thế này trong tự nhiên,” Hu nói, “nhưng chúng ta vẫn không thể chế tạo ra một cái tương đương trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.”
Trần Nghiêm dịch
Theo Physics World, tháng 11/2012
