Hiện Tượng Vũ Điệu Liên Tục: Giọt Dầu Silicone Vượt Qua Rào Cản Sức Căng Bề Mặt

Các nhà nghiên cứu tại Trường Bách khoa Liên bang Lausanne (EPFL), làm việc trong Phòng thí nghiệm Cơ học Kỹ thuật Giao diện Mềm, vừa đạt được một bước đột phá đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu động lực học chất lỏng. Họ đã thực hiện một thí nghiệm chứng minh khả năng duy trì sự nảy liên tục của một giọt dầu silicone, có kích thước 1,6 milimét, trên một bề mặt rắn rung động trong khoảng thời gian ít nhất là năm phút, và thậm chí có thể lâu hơn nữa. Thử nghiệm này, được tiến hành ở nhiệt độ phòng, đã mở rộng đáng kể những hiểu biết hiện có của chúng ta về sự tương tác phức tạp giữa chất lỏng và vật thể rắn.

Điểm khác biệt mấu chốt của thành tựu này so với các quan sát trước đây – vốn yêu cầu một bồn chất lỏng rung động để duy trì sự nảy kéo dài – nằm ở việc sử dụng một tấm mica rắn, cực kỳ nhẵn ở cấp độ nguyên tử, làm bệ đỡ. Các nhà khoa học đã xác định rằng hành vi của giọt chất lỏng, cho dù là sự nảy nhịp nhàng gợi nhớ đến quả bóng rổ hay sự trượt nhanh trên một lớp đệm không khí, đều được điều chỉnh hoàn toàn bởi các thiết lập về tần số và biên độ rung. Để củng cố cơ sở khoa học cho khám phá này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình lò xo tuyến tính khớp nối, có khả năng dự đoán quỹ đạo nảy dựa trên sự biến dạng của chính giọt chất lỏng. Kết quả chi tiết của công trình nghiên cứu quan trọng này đã được công bố trên tạp chí uy tín «Physical Review Letters».

Hiện tượng này được xem là một dạng tương tự động học của hiệu ứng Leidenfrost, nơi hơi nước tạo ra một lớp đệm bên dưới giọt chất lỏng trên bề mặt nóng. Tuy nhiên, trong trường hợp này, chính các lực động học phát sinh từ sự rung động của đế rắn đã ổn định hiện tượng vĩ mô này trong một khoảng thời gian dài đáng kinh ngạc. Trong một kịch bản được ghi nhận, khi kích thích chế độ sóng hài cầu thứ hai, giọt chất lỏng chuyển sang “trạng thái liên kết”, nơi chuyển động của nó được cố định phía trên một lớp không khí mỏng. Điều này nhấn mạnh rằng cấu trúc bên trong và khả năng tự biến dạng của chất lỏng là những yếu tố then chốt giúp duy trì “vũ điệu” được kiểm soát này.

Giá trị thực tiễn của phát hiện này là không thể phủ nhận, đặc biệt đối với các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cực cao, chẳng hạn như ngành dược phẩm. Khả năng thao túng các thể tích chất lỏng cực nhỏ trong môi trường không khí mà không lo ngại về ô nhiễm hoặc bay hơi mở ra những con đường mới cho việc phát triển các công nghệ vi liều lượng (microdosing). Để chứng minh tính ứng dụng, các nhà nghiên cứu EPFL đã thành công trong việc điều khiển chuyển động ngang của giọt bằng cách sử dụng “nhíp” được tạo ra từ các luồng khí nén cực nhỏ. Điều này minh chứng cho tiềm năng định hướng chủ động các quá trình vi mô này trong tương lai, hứa hẹn những ứng dụng quan trọng trong khoa học vật liệu và kỹ thuật.