Nội dung chính
Một ngày bình thường tại phòng thí nghiệm của Đại học Massachusetts Amherst, Anthony Raykh là một sinh viên cao học ngành Khoa học và Kỹ thuật Polyme đang mày mò với các thí nghiệm sử dụng chất lỏng và hạt từ tính.
Cậu trộn nước, một dung môi hữu cơ hơi phân cực, thêm vào đó vài hạt nickel từ hóa nhỏ xíu, rồi lắc mạnh hỗn hợp. Raykh mong đợi rằng mình sẽ nhận được một hỗn hợp đồng nhất, giống như sữa được khuấy vào cùng với cà phê.
Nhưng điều bất ngờ đã xảy ra: Thay vì trộn hoàn toàn lại với nhau, chất lỏng trong ống nghiệm đã tạo thành một hình dạng kỳ lạ giống chiếc bình Hy Lạp cổ (Grecian urn). Bất kể Raykh lắc mạnh đến đâu, nó vẫn quay về hình dạng đó.
Hoang mang, Raykh tự hỏi: “Đây là cái gì vậy?”. Rồi cậu vội vã chạy dọc hành lang của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Polymer tại Đại học Massachusetts Amherst. Raykh gõ cửa từng phòng, của từng giáo sư để hỏi chuyện gì đang xảy ra: “Có phải em vừa phá vỡ 200 năm của định luật nhiệt động lực học?”
Tại sao hiện tượng này lại kỳ dị?
Để hiểu về sự kỳ dị trong thí nghiệm này của Anthony Raykh, chúng ta phải quay trở lại một trong những hiện tượng cơ bản của nhiệt động lực học trong chất lỏng. Đó là thí nghiệm trộn dầu với nước.
Ở điều kiện bình thường, dầu và nước là hai chất lỏng nổi tiếng kị nhau. Khi bạn đổ dầu vào nước hoặc ngược lại, chúng sẽ tách lớp chứ không trộn đều vào nhau như một chất lỏng thống nhất, điều xảy ra khi bạn khuấy sữa đặc với cà phê.
Điều này xảy do sự khác biệt về liên kết phân tử trong dầu và trong nước.
Chúng ta biết một phân tử nước được tạo thành từ 2 nguyên tử oxy (O) và 1 nguyên tử hydro (H). Chúng tạo thành 2 đầu, hay hai cực, rõ ràng trong phân tử nước (H2O), với đầu oxy mang điện tích âm, còn đầu hydro mang điện tích dương.
Vì tính chất này, chúng ta gọi nước là chất lỏng phân cực, và trong nước tồn tại một lực hút nhẹ giữa các phân tử nước, giữ chúng thành chất lỏng.
Nước ưa các phân tử phân cực giống như nó, còn sẽ kỵ các phân tử không phân cực giống như dầu.
Thế nhưng, dầu thì khác. Hãy nói về dầu ăn, chúng chứa triglyceride, là este của glycerol và axit béo, với chuỗi hydrocarbon (H-C) dài. Liên kết C-H có độ âm điện gần giống nhau, nên không tạo ra hiện tượng phân cực như trong nước.
Trong triglyceride của dầu ăn, mặc dù có nhóm este (hơi phân cực), nhưng phần chuỗi hydrocarbon dài chiếm ưu thế, khiến toàn bộ phân tử mang tính không phân cực. Hệ quả là gì?
Khi bạn trộn dầu vào với nước, các phân tử này trở nên trơ trơ, nước không thể hút một phân tử dầu ăn. Do đó, dù bạn có khoắng một cốc dầu vào một cốc nước nhanh và mạnh đến thế nào, rồi các phân tử nước cũng đẩy các phân tử dầu ăn ra, không dung nạp chúng, tạo ra hiện tượng tách lớp, dầu nổi hết lên trên, nước chìm xuống dưới.
Thế nhưng trong đời sống, chúng ta cần trộn được dầu vào với nước, các nhà khoa học đã làm gì để thực hiện điều đó?
Váng mỡ nổi lên trên mặt nước của một bát hủ tiếu hoặc phở bò sốt vang, nó không thành vấn đề. Dầu nổi lên trên một bát canh mọc, hớt đi là được. Nhưng hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra nếu dầu mỡ không tan được vào trong nước, ít nhất là tạm thời.
Bạn sẽ không thể nào rửa sạch được những chiếc chảo hoặc bát đĩa có đầy dầu sau khi ăn. Bạn cũng không thể trộn sốt mayonnaise để ăn salad. Vì loại sốt này được làm từ dầu, nước và gia vị.
Tương tự, bạn cũng không thể có cái gọi là tương ớt, tương cà, đủ mọi loại tương khác. Hãy đọc thành phần của chúng mà xem, luôn có nước và dầu thực vật. Còn điều gì tồi tệ hơn nữa? Bạn cũng không thể gội đầu, tắm rửa, thậm chí rửa mặt.
Than ôi, mặt và đầu của chúng ta luôn tiết dầu. Nếu không thể rửa sạch chúng, tóc chúng ta sẽ bết lại, lỗ chân lông của chúng ta sẽ tắc kín và mặt chúng ta sẽ nổi mụn.
Vậy để hòa tan dầu vào được với nước, các nhà khoa học đã làm gì? May thay, họ đã quan sát thấy một hiện tượng kỳ lạ gọi là “hoạt động bề mặt”.
Chất hoạt động bề mặt là một chất đặc biệt có hai cực, một cực của nó ưa nước kỵ dầu, còn một cực lại ưa dầu, kỵ nước. Cực ưa nước có thể liên kết được với phân tử nước, vì cực này của chất hoạt động bề mặt có điện tích để liên kết với phân tử H2O.
Ngược lại, cực ưa dầu không mang điện tích, vì vậy, nó có thể dễ dàng bám vào phân tử dầu hoặc chất béo. Kết quả là khi chúng ta pha thêm chất hoạt động bề mặt vào hỗn hợp có dầu và nước, chúng sẽ tạm thời “tan” được vào nhau.
Xà phòng là một chất hoạt động bề mặt như vậy, cho nên, nó có thể kéo mỡ thừa ra khỏi chảo, kéo dầu ra khỏi mặt, khỏi da đầu và cơ thể bạn.
Trong sốt mayonnaise, chất hoạt động bề mặt là lecithin, một chất tự nhiên có trong lòng đỏ trứng gà. Thì ra là vậy – nhà sản xuất đã cho lòng đỏ trứng vào không phải là để mayonnaise ngon hơn, mà là để nó dễ hòa tan hơn.
Lấy một chai tương ớt bất kỳ, bạn cũng sẽ tìm được một chất hoạt động bề mặt trong thành phần của nó.
Để những chai mayonnaise này trong một tuần, và chúng sẽ tách lớp, với nước chìm xuống dưới.
Nhưng các quá trình “hòa tan” của chất hoạt động bề mặt chỉ là tạm thời. Các chất này chỉ kéo dầu và nước trượt lên nhau trong một hiện tượng gọi là nhũ hóa. Chứ chúng không hề tan hoàn toàn vào nhau như các dung dịch hóa học.
Đó là lý do tại sao bạn để chai mayonnaise một thời gian, phần dầu và phần nước của nó lại tách ra làm đôi, và khi ăn, bạn lại phải súc cái chai lên một lần nữa. Hoạt động súc hoặc khuấy này cùng cấp năng lượng để phá vỡ sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng.
Chất hoạt động bề mặt giảm năng lượng cần thiết bằng cách hạ sức căng đó, nhưng tổng năng lượng của hệ vẫn được bảo toàn – năng lượng vào để tạo nhũ tương bằng năng lượng lưu trong cấu trúc mới.
Do đó, quá trình nhũ hóa tạm thời này hoàn toàn tuân theo các định luật nhiệt động lực học.
Nhưng có vẻ định luật này đã bị phá vỡ trong thí nghiệm của Raykh?
Trong thí nghiệm của mình, Raykh đã áp dụng một nguyên tắc tương tự để trộn nước với dầu. Nhưng thay vì sử dụng xà phòng hay lòng đỏ trứng gà, cậu đã sử dụng một hạt nickel từ hóa đóng vai trò chất hoạt động bề mặt.
Nickel từ hóa vốn nổi tiếng trong việc tạo ra các vật liệu thú vị nhờ tính chất từ tính của nó. Ý định ban đầu của Raykh là tạo ra một nhũ tương Pickering – dạng nhũ tương sử dụng các hạt rắn để ổn định giao diện giữa hai chất lỏng không hòa tan.
Khi lắc, các hạt nickel (kích thước từ 5-15 micromet và 20 nanomet) nổi lên bề mặt nước, tạo thành một lớp màng mỏng ngăn cách với dung môi hữu cơ phía trên. Theo lý thuyết, hỗn hợp sẽ phân tán đều như một loại nước sốt mayonnaise hoàn hảo. Nhưng thực tế lại khác xa.
Điều gì đã xảy ra trong thí nghiệm của Raykh?
Thay vì nhũ hóa, hỗn hợp của Raykh tự sắp xếp thành hình chiếc bình Hy Lạp, với phần giữa thắt lại như đồng hồ cát. Dù lắc mạnh đến đâu, nó vẫn trở lại hình dạng đó – một trạng thái cân bằng ở năng lượng thấp đầy bất ngờ.
“Tôi nghĩ ‘chuyện gì đang xảy ra vậy?’”, Raykh kể lại. Và thế là cậu đã mang ống nghiệm của mình chạy khắp dọc hành lang tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Polymer tại Đại học Massachusetts Amherst. Thấy phòng của giáo sư nào, Raykh cũng gõ cửa và thuyết trình về thí nghiệm mới của mình. Cậu muốn hỏi điều gì đã xảy ra với thí nghiệm này, liệu Raykh có vừa phá vỡ định luật nhiệt động lực học hay không?
Thành thật mà nói, không giáo sư nào cậu hỏi có câu trả lời ngay lập tức. Nhưng hai người trong số đó là giáo sư Thomas Russell và David Hoagland, những chuyên gia hàng đầu tại Đại học UMass Amherst đã bị cuốn hút bởi hiện tượng này. Họ đã liên hệ với đồng nghiệp tại Đại học Tufts và Syracuse để chạy một số mô phỏng, quyết tâm làm sáng tỏ bí ẩn.
“Khi bạn thấy một điều gì đó không xảy ra theo lý thuyết, bạn phải tìm hiểu nó”, Russell, giáo sư xuất sắc tại UMass Amherst cho biết. Thông thường, chất hoạt động bề mặt giảm sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng, thúc đẩy nhũ hóa.
Nhưng ở đây, hạt nickel từ hóa lại làm điều ngược lại: chúng tăng sức căng bề mặt. Khi quan sát dưới kính hiển vi, nhóm nghiên cứu phát hiện các hạt nickel tạo thành một mạng lưới giống như chuỗi, với lực tương tác từ tính mạnh mẽ, định hướng rõ ràng.
Lực này đủ lớn để ngăn cản quá trình nhũ hóa, đẩy hỗn hợp vào một cấu trúc bất thường thay vì hòa lẫn.
Sinh viên Anthony Raykh, giáo sư Thomas Russell và giáo sư David Hoagland, những người phát hiện và giải thích hiện tượng mới.
“Khi nhìn kỹ vào các hạt nano nickel từ hóa ở ranh giới giữa nước và dầu, bạn sẽ thấy chi tiết cách chúng tự lắp ráp”, giáo sư Hoagland giải thích. “Trong trường hợp này, các hạt từ hóa đủ mạnh để can thiệp vào quá trình nhũ hóa mà định luật nhiệt động lực học mô tả”.
Hình dạng chiếc bình, theo nhóm nghiên cứu, được định hình bởi chính ống nghiệm. Điều kiện tiếp xúc giữa bề mặt chất lỏng và thành bình sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc cuối cùng. Thậm chí, khi dùng nam châm bên ngoài, họ có thể làm biến dạng ranh giới và điều chỉnh hình dạng chiếc bình, mở ra một khía cạnh vật lý chất lỏng hoàn toàn mới.
Sau khi giải thích được toàn bộ hiện tượng, Raykh, Thomas Russell và David Hoagland đã cùng công bố nó trên Nature Physics , một tạp chí uy tín hàng đầu thế giới trong lĩnh vực vật lý.
Họ gọi hiện tượng này là một “ngoại lệ” của định luật nhiệt động lực học. Đó là bởi nó chưa phá vỡ hoàn toàn các định luật nhiệt động lực học mà các nhà khoa học như Hermann von Helmholtz, Rudolf Clausius và Walther Nernst đã phát biểu từ gần 200 năm trước.
Nhưng nó đã tạo ra một hiện tượng thú vị, chưa từng được ghi nhận trước đây. Hiện tượng này đã đủ để khiến các cuốn sách giáo khoa vật lý và hóa học phải được viết bổ sung. Có lẽ thí nghiệm của Raykh cần được nhắc tới trong chương Nhiệt động lực học.
Mặc dù vậy, các nhà khoa học cho biết vì tính chất phục hồi hình dạng của chất hoạt động bề mặt này còn quá mới, họ cũng chưa nghĩ ra sẽ ứng dụng được gì vào thực tế. Chế tạo một chai mayonnaise hình đồng hồ cát chăng?
Đọc bài gốc tại đây.
