Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng sự thoát nước của bọt không phải do chất lỏng ép qua các bong bóng tĩnh mà là do các bong bóng di chuyển và định hình lại dưới áp lực. Ảnh: Shutterstock

Giải đáp bí ẩn về bọt

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Thủ đô Tokyo đã khám phá ra lý do thực sự khiến chất lỏng chảy ra khỏi bọt, giải quyết một câu đố khoa học tồn tại lâu nay. Các mô hình vật lý truyền thống luôn đánh giá quá cao chiều cao tối thiểu của bọt trước khi chất lỏng bắt đầu rò rỉ. Bằng cách quan sát kỹ hành vi của bọt, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng yếu tố then chốt không chỉ đơn giản là chất lỏng di chuyển qua một cấu trúc cố định, mà là áp suất cần thiết để sắp xếp lại các bong bóng. Phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của các quá trình động khi nghiên cứu các vật liệu mềm.

Bất cứ ai từng phun bọt lên bề mặt đều có thể nhận thấy các giọt nước hình thành và nhỏ giọt từ phía dưới. Điều này xảy ra vì bọt được tạo thành từ các bong bóng khí xếp khít nhau, được ngăn cách bởi các lớp màng chất lỏng mỏng, tạo nên một mạng lưới đường dẫn phức tạp. Chất lỏng có thể di chuyển qua các đường dẫn này, hoặc thoát ra ngoài hoặc được hấp thụ vào bọt khi tiếp xúc với nó. Các nhà khoa học từ lâu đã tin rằng quá trình này được kiểm soát bởi "giới hạn hấp thụ", phụ thuộc vào "áp suất thẩm thấu", một thước đo sự thay đổi năng lượng khi các bong bóng bị nén và diện tích tiếp xúc giữa chất lỏng và khí thay đổi.

Vì sao các mô hình cũ không phù hợp với thực tế?

Tuy nhiên, lời giải thích này không phù hợp với những gì các nhà nghiên cứu quan sát được trong thực tế. Các tính toán dựa trên áp suất thẩm thấu cho thấy bọt cần phải cao khoảng một mét thì chất lỏng mới bắt đầu chảy xuống. Trên thực tế, ngay cả bọt chỉ cao vài chục centimet cũng có thể dễ dàng bị rò rỉ. Khoảng cách giữa lý thuyết và thực tế này đã làm các nhà khoa học bối rối trong nhiều năm. Vì bọt được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm từ dung dịch tẩy rửa đến dược phẩm, nên việc hiểu cách chúng hoạt động là rất cần thiết để cải thiện hiệu suất của chúng, chẳng hạn như tạo ra các loại bọt có khả năng chống chảy.

Các thí nghiệm hé lộ một mô hình phổ quát

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Rei Kurita dẫn đầu, đã nghiên cứu các hệ thống bọt đơn giản được tạo ra bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt khác nhau để tạo ra nhiều loại bọt. Họ đặt những bọt này giữa các tấm trong suốt và dựng thẳng đứng, cho phép họ quan sát trực tiếp cách chất lỏng di chuyển bên trong. Các thí nghiệm của họ đã tiết lộ một quy luật nhất quán: chiều cao mà tại đó quá trình thoát nước bắt đầu tỷ lệ nghịch với hàm lượng chất lỏng trong bọt, bất kể loại chất hoạt động bề mặt hay kích thước của bọt khí. Họ cũng tính toán "áp suất thẩm thấu hiệu dụng" cho quá trình này, và kết quả cho thấy áp suất này thấp hơn nhiều so với dự đoán chỉ dựa trên kích thước bọt khí và sức căng bề mặt.

Sự chuyển động của bọt khí gây ra hiện tượng rò rỉ bọt.

Để hiểu rõ hơn những gì đang xảy ra, các nhà nghiên cứu đã quay video bên trong lớp bọt. Tại điểm bắt đầu thoát nước, họ nhận thấy chất lỏng không chỉ chảy qua các kênh tĩnh. Thay vào đó, nó khiến chính các bọt khí dịch chuyển và sắp xếp lại. Điều này dẫn họ đến việc xác định "ứng suất chảy dẻo" là yếu tố kiểm soát, đó là lượng áp suất cần thiết để di chuyển và sắp xếp lại các bọt khí. Mô hình của họ, dựa trên ý tưởng này, dự đoán chính xác chiều cao của lớp bọt tại thời điểm xảy ra hiện tượng thoát nước.

Một cách tiếp cận mới để hiểu về vật liệu mềm

Những phát hiện này thay đổi cách các nhà khoa học suy nghĩ về khả năng thoát nước của bọt. Thay vì xem bọt như một cấu trúc cố định với chất lỏng chảy qua, nó nên được xem như một hệ thống động, nơi bản thân cấu trúc có thể thay đổi. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng quan điểm mới này sẽ dẫn đến những hiểu biết sâu sắc hơn về vật liệu mềm và giúp định hướng thiết kế các sản phẩm làm từ bọt được cải tiến.