Vật lý Vật chất Mềm: Từ Kem Đánh Răng đến Thí nghiệm Giọt Nhựa Đường Kéo dài Gần Một Thế kỷ

Hành động đơn giản là bóp tuýp kem đánh răng mỗi sáng là một minh chứng sống động cho các nguyên lý vật lý phức tạp, đặc biệt là cách vật liệu phản ứng với lực tác động. Kem đánh răng, khi chịu lực ép, sẽ chảy ra, nhưng khi không chịu tác động, nó lại giữ nguyên hình dạng, điều này thách thức sự phân chia cứng nhắc giữa chất rắn và chất lỏng được dạy trong chương trình giáo dục phổ thông. Những chất liệu như kem và gel này được xếp vào nhóm vật chất mềm, thể hiện đồng thời cả đặc tính giống chất rắn và giống chất lỏng.

Sự khác biệt cơ bản nằm ở cấu trúc bên trong của chúng, được tạo thành từ các thành phần lớn hơn như các phân tử macromolecule dài hoặc các giọt nhỏ lơ lửng trong môi trường chất lỏng. Những cấu trúc này được duy trì bởi các lực liên kết yếu, dễ bị phá vỡ, khiến chúng vừa dễ bị tổn thương lại vừa có khả năng thích ứng cao với ứng suất bên ngoài. Phản ứng của vật liệu phụ thuộc một cách then chốt vào cả cường độ của lực tác dụng và khoảng thời gian mà lực đó được áp dụng. Một cú bóp đột ngột khiến kem đánh răng dễ dàng chảy do mạng lưới cấu trúc bên trong nhanh chóng tái sắp xếp và phục hồi.

Các nhà vật lý nghiên cứu hành vi phụ thuộc vào lực và thời gian này trong lĩnh vực lưu biến học, một nhánh khoa học chuyên nghiên cứu sự biến dạng và dòng chảy dưới tác dụng của ứng suất. Thuật ngữ lưu biến học được Eugene C. Bingham, giáo sư tại trường Cao đẳng Lafayette, đặt ra vào năm 1920 theo gợi ý của Markus Reiner. Lưu biến học áp dụng cho các chất có cấu trúc phức tạp, bao gồm polymer, một số loại thực phẩm, và các vật liệu sinh học khác, không chỉ giới hạn ở chất lỏng. Các ứng dụng của lưu biến học là thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp liên quan đến kim loại, nhựa, và thực phẩm.

Khái niệm về dòng chảy này gợi nhớ đến câu ngạn ngữ cổ xưa của Hy Lạp từ Heraclitus: "panta rhei," nghĩa là "mọi thứ đều trôi chảy." Sự thể hiện nổi tiếng nhất của nguyên lý này là Thí nghiệm Giọt Nhựa Đen (Pitch Drop Experiment) tại Đại học Queensland (UQ), được khởi xướng vào năm 1927 bởi Giáo sư Thomas Parnell, người từng là Giáo sư Vật lý đầu tiên của UQ. Thí nghiệm này nhằm kiểm tra độ nhớt của nhựa đường, một chất có vẻ ngoài rắn nhưng được phân loại là chất lỏng với độ nhớt cao gấp khoảng 100 tỷ lần so với nước. Kể từ khi phần niêm phong được cắt bỏ vào năm 1930, cho phép chất lỏng đặc bắt đầu chảy chậm rãi, chỉ có tổng cộng chín giọt đã rơi xuống, với giọt thứ chín được ghi nhận vào tháng 4 năm 2014.

Thí nghiệm này hiện đang được Giáo sư Andrew White giám sát, là người giám hộ thứ ba, và giọt thứ mười được dự đoán sẽ rơi vào khoảng những năm 2020. Thí nghiệm UQ giữ Kỷ lục Guinness Thế giới cho buổi trình diễn trong phòng thí nghiệm diễn ra liên tục lâu nhất. Trong khi các sản phẩm tiêu dùng hàng ngày như kem đánh răng minh họa cho vật chất mềm, các nghiên cứu chuyên sâu về lưu biến học vẫn đang được đẩy mạnh, được minh chứng qua các sự kiện như hội thảo 'Future of Rheology' dự kiến vào tháng 1 năm 2026. Các nghiên cứu về vật liệu phi Newton, nơi độ nhớt thay đổi theo lực tác động, rất quan trọng, khác biệt với chất lỏng Newton như nước hay dầu. Các nhà nghiên cứu như Tiến sĩ Indresh Yadav, người đang theo đuổi công việc về vật chất mềm với tư cách là Trợ lý Giáo sư tại IIT-Bhubaneswar và là Nghiên cứu viên Liên kết tại MIT, tiếp tục đóng góp vào lĩnh vực này. Việc xử lý các sản phẩm thông thường hé lộ một chương phong phú, ẩn giấu của vật lý hiện đại, tập trung vào sự cân bằng tinh tế giữa cấu trúc và dòng chảy, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với việc thiết kế máy móc chính xác và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất công nghiệp.