Các bọt nước vỡ không đơn giản như bạn nghĩ

Hiệp Khách Quậy Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa sử dụng một camera tốc độ cao để quan sát hành vi vỡ tung của các bọt bong bóng nằm trên bề mặt của một bản thủy tinh – và nhận thấy chúng vỡ thành một đợt thác tạo ra các bọt ngày một nhỏ hơn và cuối cùng là các tia chất lỏng. Xin mời đọc tiếp.

alt 

Quá trình thác đổ có thể quan sát thấy trong khi rửa ly tách. Ở đây, hai bọt bong bóng được thổi lên một ly rượu sử dụng một ống nhỏ giọt và nước xà phòng bình thương, một vòng gồm các bọt bóng nhỏ hơn hình thành sau khi cái bọt vừa vỡ ra. (Ảnh: Jacy Bird)

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa sử dụng một camera tốc độ cao để quan sát hành vi vỡ tung của các bọt bong bóng nằm trên bề mặt của một bản thủy tinh – và nhận thấy chúng vỡ thành một đợt thác tạo ra các bọt ngày một nhỏ hơn và cuối cùng là các tia chất lỏng. Nghiên cứu trên, do Jacy Bird và các đồng nghiệp tại Đại học Harvard thực hiện, có thể giúp cải thiện các quá trình dùng để sản xuất các chất liệu dạng bọt xốp. Nó cũng có thể tămg thêm sự hiểu biết của chúng ta về cách thức các bọt sóng đại dương đưa các hạt aerosol vào trong khí quyển.

Bird được truyền cảm hứng để tiến hành nghiên cứu trên sau khi để ý thấy một vòng các bọt bóng nhỏ được tại ra khi một cái bọt lớn vỡ ra trên một bề mặt. Để nghiên cứu quá trình ấy một cách chi tiết hơn, đội nghiên cứu đã tráng lên một bản thủy tinh một màng mỏng gồm nước cộng với một chất hoạt tính bề mặt và rồi sử dụng một cái ống tiêm nhỏ để thổi một cái bọt đường kính chừng trên dưới một centi mét. Cái bọt ấy, vẫn ở trên bản thủy tinh và do đó xem là có dạng cầu, bị chọc thủng tại chóp trên của nó. Rồi các nhà nghiên cứu sử dụng camera tốc độ cao của họ để xem cái gì xảy ra tiếp theo đó.

Sự vỡ bọt được trông thấy xảy ra thành hai giai đoạn rạch ròi. Một khi cái bọt bị chọc thủng, các lực mao dẫn – lực trước đó ép cái bọt và tạo nên áp suất không khí bên trong – làm mở rộng cái lỗ ban đầu tại chóp trên của bọt. Chất khí bị nén bên trong bọt thoát ra cái lỗ này, làm cho màng chất lỏng ở xa cái lỗi chuyển động vào phía trong. Tuy nhiên, chất lỏng ở ngay tại rìa của cái lỗ thì có đủ quán tính để tiếp tục chuyển động ra bên ngoài và do đó làm cản trở lực hút vào trong của các bọt đang co lại.

Những cái bánh rán không ổn định

Theo Bird, sự đôi co thu được làm kéo căng mép vành (của cái lỗ) và tạo ra một nếp gấp sắc. Khi cái vành chạm tới bề mặt thủy tinh, nếp gấp ấy lùa không khí bên dưới nó để tạo ra hai cái bọt hình bánh rán đồng tâm. Toàn bộ điều này xảy ra trong khoảng 3 ms.

alt 

Loạt ảnh chụp theo thời gian thể hiện quá trình đổ thác. Hàng trên cho thấy cái bọt nhìn từ ngang bên sang và thể hiện rõ ràng sự phát triển của cái vành và nếp gấp. Hàng dưới cho thấy cũng cái bọt trên những nhìn từ bên dưới bản thủy tinh. Hai cái bọt đồng tâm có thể nhìn thấy lúc t = 0. Sau đó, hai cái bọt này phát triển thành một cái vòng gồm các bọt con cháu nhỏ hơn. (Ảnh: Nature)

Tuy nhiên, những cái bọt hình bánh rán này không ổn định và, trong bước thứ hai của quá trình trên, chúng bắt đầu vỡ ra trong thời gian khoảng 50 ms thành một cái vòng gồm các bọt bóng “con cháu” hình cầu nhỏ hơn nằm trên bề mặt ấy. Sau đó, đội nghiên cứu có thể làm vỡ những cái bọt con cháu này khi chúng ở trên một bề mặt rắn và nhìn thấy quá trình tương tự xảy ra lần nữa. Tuy nhiên, trên một bề mặt lỏng, thì các bọt con cháu thâm nhập vào chất lỏng nên chúng không còn có dạng cầu. Trong trường hợp này, sự co lại của chúng mang lại những tia chất lỏng hẹp phát ra từ bề mặt đó.

Đội nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm của mình, sử dụng một số chất lỏng với độ nhớt và suất căng bề mặt khác nhau và với các bọt có bán kính khác nhau. Ba loại hành vi rạch ròi này đã được quan sát thấy.

Trong dầu silicon, chúng rất nhớt và có suất căng bề mặt thấp, không có bọt con cháu nào hình thành. Tuy nhiên, trong các dung dịch glycerol-nước xà phòng – với giá trị trung bình của độ nhớt và suất căng bề mặt – thì các bọt con cháu được hình thành bởi hai cái vòng đồng tâm. Cuối cùng, sử dụng các mẫu nước sông địa phương, có độ nhớt thấp và suất căng bề mặt cao, họ nhận thấy các bọt co lại để hình thành nên một cái vòng duy nhất và cũng hình thành nên các bọt con cháu.

 alt

Cái bọt lớn vỡ thành một cái vòng gồm những cái bọt nhỏ hơn.

Điều chỉnh tinh vi sự sản sinh bọt

Được hỗ trợ với những quan sát này, Bird và các đồng sự sau đó đã có thể tạo ra một mô hình toán học tái tạo lại hiệu ứng gấp nếp trên. Bird tin rằng một sự hiểu biết tốt hơn về quá trình đổ thác này có thể giúp các nhà nghiên cứu điều chỉnh tinh vi các quá trình sản xuất bọt. “Hiện nay chúng tôi đang thử tìm hiểu các ứng dụng cho công nghiệp”, Bird nói.

Bird còn thích khảo sát các bọt ở những chất liệu kì lạ hơn, kể cả dung nham – kết quả của chúng có thể dẫn đến sự phát triển những phương pháp mới nghiên cứu các tính chất của đá nóng chảy. “Hình ảnh các bọt dung nham có thể cho chúng ta biết cái gì đó về dung nham không thể đo đạc trực tiếp vì chất liệu ấy quá nóng”, ông nói.

Bird còn tin rằng nghiên cứu trên có thể mở rộng kiến thức của chúng ta về khí quyển vì các tia phát ra từ các bọt bóng trên mặt đại dương được biết là nguồn gốc chính của các hạt aerosol. Đặc biệt, nghiên cứu trên có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách thức những bọt bóng kích cỡ khác nhau ảnh hưởng đến quá trình này.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

  • Trọng Khương (theo physicsworld.com)

Mời đọc thêm