Các nhà khoa học ở Mĩ và Trung Quốc vừa chế tạo và nghiên cứu những nam châm vĩnh cửu đầu tiên được làm bằng những giọt nhỏ chất lỏng. Các nhà nghiên cứu tin rằng đây là những nam châm vĩnh cửu chất lỏng đầu tiên từng được tạo ra. Hình dạng của các giọt lỏng từ hóa có thể thay đổi được, và điều này có thể dẫn tới những ứng dụng thực tế ví dụ như bộ truyền động dùng cho các robot mềm tí hon.
Nhiều vật liệu có các moment từ sắp thẳng hàng khi chịu một từ trường ngoài. Ở vật liệu sắt từ (nam châm vĩnh cửu), sự kết hợp giữa các moment đảm bảo cho vật liệu vẫn còn từ tính sau khi từ trường ngoài không còn. Ở những vật liệu khác gọi là chất thuận từ, các thăng giáng nhiệt nhanh chóng chiến thắng sự kết hợp giữa các moment từ một khi từ trường ngoài không còn và do đó vật liệu mất từ tính.
Chất lỏng từ là chất thuận từ gồm những hạt nano từ tính phân tán trong một chất lỏng. Khi chịu một từ trường ngoài, hiệu ứng kết hợp của lực hấp dẫn, lực căng bề mặt và lực hút từ giữa các hạt nano có thể tạo ra những cấu trúc bông hoa khác lạ trên bề mặt chất lỏng từ. Tuy nhiên, khi tắt từ trường ngoài thì chất lỏng từ trở lại trạng thái lỏng bình thường.
Các chất lỏng từ đầu tiên được tạo ra hồi thập niên 1960 bởi một nhà khoa học NASA để có thể sử dụng một từ trường truyền tải nhiên liệu lỏng trong môi trường trọng lực yếu. Mặc dù công dụng này chưa từng thành hiện thực, nhưng người ta đã tìm thấy một vài ứng dụng thích hợp cho chất lỏng từ trong những năm gần đây – ví dụ như hàn ép chân không hay bộ giảm rung cho loa. Song nghiên cứu mới nhất cho thấy vật liệu này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi hơn nhiều.
Ba giọt chất lỏng sắt từ, mỗi giọt dài chừng 2 mm, và đang được quay trên một đĩa từ điều khiển. Thuốc nhuộm màu cam cho thấy chuyển động quay của chúng. Ảnh: Xibo Liu
Thomas Russell thuộc Đại học Massachusetts Amherst và Xubo Liu thuộc Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh thực hiện khám phá của họ trong khi đang làm việc với các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở California. Các nhà nghiên cứu đang phát triển các cách tạo ra những cấu trúc bền của một chất lỏng bên trong một chất lỏng khác bằng cách sử dụng một chất hoạt tính bề mặt để tạo ra một lớp hạt bao xung quanh cấu trúc bên trong và ngăn không cho nó vỡ. Kĩ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu, chẳng hạn, tạo ra các ống nước bên trong dầu silicone.
Liu quyết định thử kĩ thuật này với các chất lỏng từ để có thể điều khiển các cấu trúc bằng từ trường. Sử dụng một máy in 3D với một cái vòi thích hợp, Liu bơm những giọt nước cỡ mili-mét chứa hàng tỉ hạt nano sắt oxide vào dầu toluene trộn với một chất hoạt tính bề mặt.
Thông thường, các hạt nano sẽ dễ dàng khuếch tán bên trong các giọt chất lỏng, nhưng chất hoạt tính bề mặt ghim một số hạt nano với mặt phía trong của các giọt chất lỏng. Khi các hạt nano tích tụ, chúng ép lên nhau và ngừng chuyển động, tạo ra một kiểu lớp vỏ rắn xung quanh rìa của các giọt chất lỏng.
Liu thiết đặt một từ trường và tìm thấy, đúng như trông đợi, các giọt chất lỏng trở nên bị từ hóa. Thế nhưng bất ngờ lớn xảy ra khi ngắt từ trường đi. Tiến hành các phép đo với một từ kế, Liu phát hiện các giọt chất lỏng vẫn giữ được một lượng từ hóa nào đó khi không còn từ trường ngoài nữa.
Russell cho rằng moment của các hạt nano bên trong lớp vỏ có thể vẫn giữ được chút ít kết hợp một khi từ trường ngoài không còn, biết rằng chúng ở rất sít nhau. Thế nhưng khi tiến hành thí nghiệm giống vậy với các giọt chất lỏng to dần, ông và Liu quan sát thấy hiện tượng từ dư đại khái tăng theo thể tích chất lỏng. Theo ông, điều này ngụ ý rằng ngay cả những hạt nano khuếch tán bên trong khối chất lỏng cũng góp phần cho sự từ hóa của các giọt.
Russell cho biết đây là lần đầu tiên người ta quan sát thấy hiện tượng sắt từ trong một chất lỏng, thay vì một chất rắn. Ông thừa nhận rằng ông không thể giải thích làm thế nào từ trường tiếp tục duy trì được, biết rằng khoảng cách giữa các hạt nano bên trong khối giọt chất lỏng là lớn hơn nhiều so với khoảng cách tiêu biểu của các moment kết hợp trong một chất rắn. Song ông cho biết ông chẳng nghi ngờ tính thực tế của hiện tượng sắt từ ở chất lỏng. “Có rất nhiều lời ra tiếng vào về sự siêu dẫn nhiệt độ cao đó thôi, mà người ta cũng có hiểu gì đâu,” ông nói.
Ngoài ra, hình dạng và trạng thái từ của các giọt chất lỏng cũng có thể làm cho thay đổi. Đội nghiên cứu đã làm biến đổi một giọt sắt từ bên trong một bình trụ bằng cách hút nó vào một ống mao dẫn hẹp, và chỉ ra rằng giọt chất vẫn giữ từ tính bằng cách đặt nó trong một từ trường quay. Sau đó họ biến giọt chất trở lại hình cầu bằng cách tăng độ pH của hỗn hợp dầu để chất hoạt tính bề mặt và các hạt nano không còn dính nhau nữa. Điều này cũng làm khử từ giọt chất, nhưng họ có thể làm nó bị từ hóa trở lại với một thanh nam châm đơn giản.
Đội nghiên cứu mô tả công trình của họ trên tạp chí Science và viết trong một bài bình luận đăng kèm, Rémi Dreyfus thuộc CNRS ở Pháp và Đại học Pennsylvania cho biết nghiên cứu mới trên “thách thức nền vật lí xưa nay rằng các nam châm sắt từ chỉ có thể được làm bằng những vật liệu cứng”. Ông cũng cho biết công trình trên có thể có một vài ứng dụng, ví dụ như lĩnh vực công nghệ robot mềm đang lớn mạnh – có khả năng cho phép thay thế trang thiết bị khí hơi cồng kềnh bằng những bộ truyền động nhỏ hơn hoạt động nhờ từ tính.
Dreyfus phát biểu với tờ Physics World rằng hiện tượng từ dư quan sát thấy là “khó hiểu”, nhưng ông cũng nói rằng việc chưa có lời giải thích rõ ràng không có nghĩa là các kết quả đó kém quan trọng. “Dữ liệu mà các tác giả công bố có sức thuyết phục đối với tôi,” ông nói.
Tuy nhiên, Russell cho biết ông đã có kế hoạch giải quyết triệt để vấn đề. Có một vài công cụ có thể dùng để nghiên cứu hành trạng từ bên trong các giọt chất, ông nói, bao gồm kĩ thuật tán xạ neutron và kính hiển vi điện tử. “Có sự quan tâm khá nhiệt tình với những vật liệu này,” ông nói, “cho nên tôi khá chắc chắn rằng chúng tôi có thể đi tới giải mã được toàn bộ quá trình này.”
Nguồn: physicsworld.com
