Biểu đồ thể hiện trạng thái mao dẫn nhờ đó mà chất lỏng thứ hai, không hòa tan (màu xanh) làm cho các hạt bám dính vào nhau. (Ảnh: Science)
Các nhà khoa học ở Đức vừa chứng tỏ được rằng một thể vẩn có thể biến đổi từ một chất lỏng nhớt thành một chất gel đàn hồi bằng cách thêm vào một lượng nhỏ của một chất lỏng thứ hai – miễn là chất lỏng thứ hai đó không hòa lẫn với khối chất lỏng. Họ cho biết chất lỏng thứ hai liên kết các hạt với nhau chặt hơn, và nhận thấy sự liên kết tăng cường này xảy ra ngay cả khi bản thân chất lỏng bám dính không tốt với các hạt. Theo các nhà nghiên cứu, ứng dụng của nghiên cứu này những loại bọt nhẹ hơn và rẻ tiền hơn, đồng thời cải tiến việc sản xuất các loại nước sơn và những thể vẩn khác.
Việc có thể điều khiển dòng thể vẩn – những hạt rắn, nhỏ, phân tán trong một chất lỏng – là quan trọng trong việc sản xuất nhiều sản phẩm thương mại, thí dụ như chất tráng phủ và thức ăn. Thí dụ, sẽ thật tốt hơn nếu nước sơn kém nhớt hơn khi nó được hòa trộn lúc sản xuất, nhưng lại nhớt hơn khi nó ở trạng thái hoàn thiện khi nó bám dính lên tường và không nhỏ giọt nữa.
Trong nghiên cứu mới, Erin Koos và Norbert Willenbacher thuộc Viện Công nghệ Karlsruhe trình bày một phương pháp mới và thực tiễn dùng để điều chỉnh độ nhớt của một thể vẩn. Trong thí nghiệm của họ, trước tiên họ rải các hạt bột thủy tinh hút nước, mỗi hạt đường kính chừng 25 µm, vào một dung môi hữu cơ. Sau đó, họ thêm nước vào thể vẩn này sao cho nước chỉ chiếm 1% trọng lượng của thể vẩn. Khi họ khuấy trộn, chất lỏng nhớt ban đầu biến thành một chất liệu kiểu gel.
Sự biến đổi này đã được người ta biết tới trong nhiều năm, và xảy ra là vì nước làm ẩm các hạt – nói cách khác, nó có xu hướng bám lấy bề mặt của các hạt hút nước dễ dàng hơn so với chất lỏng hữu cơ và vì thế tạo ra một màng mỏng xung quanh chúng. Khi hai hạt tiến đến đủ gần nhau, sức căng bề mặt của nước khi đó tạo điều kiện thuận lợi cho lớp bao ngoài của nước nối lại và tạo thành một cầu nối, vì thế liên kết các hạt với nhau và tạo thành một mạng lưới làm cho thể vẩn rắn chắc hơn.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy điều ngược lại có thể xảy ra. Khi rải các hạt bột thủy tinh kị nước vào dung môi và sau đó pha thêm 1% nước, họ phát hiện thấy thể vẩn nhớt ban đầu trở nên bám dính kiểu chất gel. Nói cách khác, thêm một lượng nhỏ của một chất hút ẩm kém hơn dung môi, thay vì tốt hơn, cũng liên kết các hạt bột với nhau để tạo thành một lượng ít nhiều rắn chắc hơn.
Quá trình này cũng đã được quan sát thấy trước đây. Thí dụ, thêm nước vào chocolate tan chảy làm cho chocolate đông đặc, mặc dù dung môi trong chocolate – bơ cocoa – làm các hạt cocoa hút ẩm dễ dàng hơn. Cái mà Koos và Willenbacher đã làm là chứng minh rằng đây là một hiện tượng phổ quát, rồi sau đó nhận thấy quá trình xảy ra ở nhiều kết hợp chất lỏng và hạt đa dạng. Họ còn có thể xác định cơ chế của hiện tượng, và cho biết về cơ bản nó giống như quá trình xảy ra khi đưa vào một chất hút ẩm tốt hơn, nhưng ngược lại.
Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã đo lực cần thiết để làm cho hai tấm kim loại song song quay tương đối với nhau khi đặt một thể vẩn ở chính giữa chúng. Họ nhận thấy lực cần thiết đó tăng lên rõ rệt khi chất lỏng thứ hai, không hòa lẫn, được thêm vào thể vẩn, và họ nhận thấy sự tăng lên này đúng là cái trông đợi khi sự liên kết hạt được xác định bởi hiệu ứng căng bề mặt, hoặc “mao dẫn”. Tuy nhiên, trong trường hợp này, nước không bao ngoài các hạt, mà tìm cách giảm tối thiểu tổng diện tích tiếp xúc của nó với các hạt và khối chất lỏng, khiến nước bị các hạt bao xung quanh.
Koos cho biết hiệu ứng này còn có thể nhìn thấy khi xây dựng lâu đài cát. Thêm một ít nước làm cho cát rắn chắc hơn vì nước tạo ra cầu nối giữa những hạt cát. Liên kết nội hạt tăng lên khi có nhiều nước thêm vào, nhưng cuối cùng khi cát trở nên bão hòa nước, và không còn không khí bên trong nữa, thì các hạt cát dễ dàng văng tóe trong nước. Nhưng việc thêm trở lại một lượng nhỏ không khí – chất lưu hút ẩm kém hơn – mang lại các nhân mà xung quanh đó các hạt cát có thể tích tụ.
Theo Koos, khả năng tăng cường sự rắn chắc bằng cách thêm những lượng nhỏ của một chất hút nước mạnh hơn hoặc kém hơn như thế này có thể cải thiện quy trình sản xuất công nghiệp của các thể vẩn. Thí dụ, bà cho biết, họ nhận thấy có thể tạo ra bọt bằng cách rải các hạt PVC trong nước và sau đó thêm vào một lượng nhỏ chất dầu. Cách này sử dụng ít PVC hơn so với phương pháp truyền thống rải PVC trực tiếp vào dầu, nghĩa là quy trình có thể rẻ hơn và bọt thu được nhẹ hơn, có thể ứng dụng trong quy trình sản xuất các vật liệu xây dựng nhẹ và bọt cách âm, cách điện.
Nguồn: Edwin Cartlidge (physicsworld.com)
