Sinh viên giải quyết bí ẩn vật lý 100 năm tuổi

Theo kết quả nghiên cứu của anh và các cuộc quan sát, một màng chất lỏng siêu mỏng hình thành quanh bong bóng này, ngăn cản nó thoát lên một cách tự do. Và anh tìm ra là trên thực tế, các bong bóng này không hề bị “kẹt’ – chúng chỉ chuyển động vô cùng chậm chạp.

Các bong bóng không khí trong một cốc nước trôi nổi một cách tự do trên bề mặt, và cơ chế bên trong được giải thích một cách dễ dàng bằng các quy luật cơ bản của khoa học. Dẫu sao, những quy luật tương tự không giải thích được tại sao các bong bóng khí trong một cái ống có độ dày vài milimet lại không hề thoát lên theo cách tương tự.

Các nhà vật lý quan sát hiện tượng này lần đầu vào khoảng một thế kỷ trước đây nhưng không thể đưa ra được một giải thích nào – trên lý thuyết, các bong bóng không thể gặp phải bất kỳ trở lực nào trừ phi chất lỏng đó đang chuyển động; như vậy một bong bóng bị kẹt lại không gặp phải trở lực.

Trở lại những năm 1960, một nhà khoa học tên là Bretherton đã phát triển một công thức được hình thành trên hình dạng của các bong bóng để giải thích hiện tượng này. Các nhà nghiên cứu khác từ đó đã mặc nhiên công nhận việc bong bóng không thoát lên phụ thuộc vào một màng mỏng của chất lỏng hình thành giữa các bong bóng và thành ống. Nhưng các lý thuyết không thể giải thích một cách tường tận tại sao các bong bóng lại hành xử như vậy.

Trong khi đó một sinh viên đại học tại Phòng thí nghiệm Cơ chế kỹ thuật và các giao diện mềm (EMSI) thuộc trường Kỹ thuật (EPFL) là Wassim Dhaouadi đã có thể không chỉ giải thích được lớp màng mỏng của chất lỏng mà còn đo đạc được nó và miêu tả các đặc tính của nó – những gì chưa từng được làm trước đây. Phát hiện của anh đã cho thấy các bong bóng không bị “kẹt” như các nhà khoa học từng nghĩ trước đây mà trên thực tế chuyển động hướng lên một cách vô cùng chậm chạp. Nghiên cứu của Dhaouadi mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Fluids đã đánh dấu bằng chứng thực nghiệm đầu tiên để kiểm tra các lý thuyết đã có.

Dhaouadi và John Kolinski, người phụ trách phòng thí nghiệm EMSI đã dùng một phương pháp giao thoa quang học để đo đạc màng mỏng này và thấy nó dày chỉ vài chục nano mét (1 x 10^-9 mét). Phương pháp này bao gồm ánh sáng chiếu thẳng vào một bong bóng khí bên trong một ống nhỏ và phân tích cường độ ánh sáng phản xạ. Việc sử dụng giao thoa ánh sáng phản chiếu từ bên trong thành ống và từ bề mặt của bong bóng, họ đã đo được độ dày của màng này một cách chính xác.

Dhaouadi cũng khám phá ra lớp màng thay đổi hình dạng nếu nhiệt độ truyền vào bong bóng tăng lên và bong bóng trở lại hình dạng ban đầu nếu nhiệt độ giảm đi. “Khám phá này bác bỏ các lý thuyết hiện nay là màng có thể bị tiêu hao đến mức có độ dày bằng không," John Kolinski nói.

Các đo đạc này đã chứng tỏ rằng các bong bóng trên thực tế đã chuyển động, These measurements also show that the bubbles are actually moving, mặc dù quá đỗi chậm chạp đến mức không thể nhìn thấy bằng mắt thường. “Bởi vì màng giữa bong bóng và ống quá mỏng, nó tạo ra một trở lực mạnh khiến bong bóng chỉ có thể đi lên một cách chậm chạp”, Kolinski giải thích.

Các phát hiện này liên quan đến nghiên cứu cơ bản nhưng cũng có thể sử dụng để nghiên cứu về cơ học dòng chảy ở cấp độ nano, đặc biệt cho các hệ sinh học.

Dhaouadi tham gia phòng thí nghiệm này với tư cách là một nhân viên hỗ trợ nghiên cứu vào mùa hè trong thời kỳ học đại học. Anh đã hòa nhập một cách nhanh chóng và tiếp tục mong muốn công việc tại phòng thí nghiệm ngay cả khi đã tốt nghiệp đại học. “Cậu ấy quan tâm đặc biệt đến nghiên cứu này, và có được một bài báo về bài toán tồn tại cả thế kỷ từ công việc đó”, Kolinski cho biết.

“Tôi rất vui khi đưa dự án nghiên cứu này vào hồ sơ của mình. Đây là một cách suy nghĩ và học hỏi mới, hoàn toàn khác biệt từ một bài tập về nhà, dẫu cho nó có thể rất khó để có được lời giải. Thoạt tiên, chúng ta không biết liệu đó có phải là giải pháp cho chính vấn đề này không”, Dhaouadi, hiện đang theo học cao học tại ETH Zurich, nói. Kolinski cho biết thêm: "Wassim đã tạo ra một khám phá nằm ngoài mong đợi trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Chúng tôi rất vui khi có cậu ta làm việc cùng mình”.

Thanh Phương dịch