Một sinh viên đại học vừa giải được một câu hỏi đã thách đố các nhà vật lí trong hơn nửa thế kỉ: Tại sao các bọt khí xuất hiện cứ bám dính bên trong thành ống nghiệm thẳng đứng? Câu trả lời có thể giúp giải thích hành trạng của các khí thiên nhiên bị bắt giữ trong đá xốp.
Nhiều năm trước, các nhà vật lí để ý thấy các bọt khí trong các ống đủ hẹp chứa đầy chất lỏng sẽ không nhúc nhích. Nhưng đó là “một kiểu nghịch lí”, theo lời John Kolinski, trợ lí giáo sư trong khoa cơ kĩ thuật tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne (EPFL).
Do bọt khí nhẹ hơn chất lỏng xung quanh nên nó phải nổi lên đầu trên của ống (y hệt như các bọt khí trong một cốc nước sủi bọt sẽ nổi lên trên cùng). Ngoài ra, cái duy nhất cản trở dòng chảy trong một chất lỏng là khi chất lỏng đó đang chuyển động, nhưng trong trường hợp này chất lỏng vẫn đứng yên.
Một sinh viên vừa giải được bí ẩn vì sao các bọt khí bám dính bên trong thành ống nghiệm thẳng đứng. Ảnh: EPFL
Để giải thích trường hợp bọt khí ương bướng đó, Kolinski và Wassim Dhaouadi, một sinh viên kĩ thuật làm việc trong phòng lab của Kolinski lúc ấy chưa tốt nghiệp và nay vừa lấy bằng thạc sĩ tại ETH Zurich, quyết định khảo sát nó bằng một phương pháp gọi là “hiển vi giao thoa”. Phương pháp này giống với cách detector LIGO dùng để tìm kiếm sóng hấp dẫn, Kolinski cho biết.
Nhưng trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu sử dụng một kính hiển vi tự chế chiếu ánh sáng lên trên mẫu và đo cường độ ánh sáng phản xạ lại. Do ánh sáng phản xạ lại khác biệt tùy thuộc vào nó rọi trúng thứ gì, nên các phép đo ánh sáng phản xạ có thể giúp các nhà nghiên cứu xác định được một vật liệu “dày” bao nhiêu. Bằng cách này, họ đã khảo sát một bọt khí nổi bị kẹt bên trong một ống mảnh chứa đầy một loại rượu gọi là isopropanol. Rượu cho phép họ có được một “thí nghiệm tự làm sạch”, điều đó là cần thiết bởi vì các kết quả sẽ bị nhiễu bởi bất kì loại nhiễm bẩn hay bụi bám nào, Kolinski nói.
Bắt đầu với một nhà khoa học tên là Bretherton hồi thập niên 1960, các nhà nghiên cứu đã khảo sát hiện tượng này trên lí thuyết, nhưng nó chưa từng được đo lường thực nghiệm trước đây. Một số tính toán đề xuất rằng bọt khí bị bao quanh bởi một lớp chất lỏng cực mỏng tiếp xúc với thành ống, nó từ từ giảm về kích cỡ và cuối cùng thì biến mất, Kolinski nói. Lớp chất lỏng mỏng này gây cản trở đối với chuyển động của bọt khí khi nó cố trồi lên trên.
Quả vậy, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy lớp chất lỏng rất mỏng này xung quanh bọt khí và đo được bề dày của nó khoảng chừng 1 nano mét. Đó chính là thứ cản trở chuyển động của bọt khí như công trình lí thuyết đã dự đoán. Nhưng họ còn tìm thấy rằng lớp chất lỏng ấy (hình thành do áp suất trong bọt khí tác dụng lực đẩy lên thành ống) không hề biến mất, mà luôn giữ một bề dày không đổi trong suốt thời gian kiểm tra.
Dựa trên những phép đo của họ về lớp chất lỏng mỏng, họ đã có tính được vận tốc của nó. Họ tìm thấy rằng bọt khí không bị kẹt gì hết mà nó đang chuyển động “vô cùng chậm”, ở một tốc độ mắt thường không nhìn thấy, do lớp chất lỏng mỏng cản trở tầm nhìn, Kolinski nói. Tuy nhiên, họ còn tìm thấy rằng bằng cách làm nóng chất lỏng và bọt khí, họ có thể làm cho lớp chất lỏng mỏng biến mất – một ý tưởng mới lạ có thể gây “hứng thú” để tiếp tục nghiên cứu trong tương lai.
Các kết quả của họ có thể hỗ trợ cho lĩnh vực khoa học Trái Đất. “Hễ khi nào bạn có một chất khí bị giam cầm trong một môi trường xốp,” ví dụ như khí thiên nhiên trong đá xốp, hoặc nếu bạn đang cố làm ngược lại và bắt giữ carbon dioxde bên trong đá, thì bạn có rất nhiều bọt khí trong các không gian giam cầm đó, Kolinski nói. “Các quan sát của chúng tôi có liên quan đến vật lí học về cách các bọt khí này bị giam cầm.”
Thế nhưng một điều gây hào hứng nữa là nghiên cứu này cho thấy rằng mọi người ở mọi giai đoạn phát triển sự nghiệp của mình đều có thể đem lại những đóng góp có giá trị, Kolinski nói. Dhaouadi đã dẫn dắt dự án đến một kết cục thành công khi còn là sinh viên chưa tốt nghiệp.
Nghiên cứu được công bố trên số ra ngày 2 tháng Mười Hai của tạp chí Physical Review Fluids.
Nguồn: LiveScience
