Sự hình thành các hoa văn bất đối xứng trong tự nhiên

Mọi thứ trong tự nhiên đều có một dạng hình học - từ những vằn sọc của loài hổ, các xoắn ốc trong những bông hoa cho đến dấu vân tay độc nhất của mỗi con người. Mặc dù đôi khi các dạng hình học này đối xứng, phần lớn chúng lại không có sự đối xứng, và điều này đặt ra một câu hỏi lớn: Làm thế nào mà những dạng hình học bất đối xứng như vậy lại hình thành trong tự nhiên?

Các nghiên cứu cho thấy, môi trường khô hạn làm nước bay hơi và có thể dẫn đến sự hình thành các mô hình bất đối xứng trong quá trình sinh trưởng sinh học thông qua hiện tượng “phá vỡ đối xứng”. Mặc dù đã được mô tả qua các nghiên cứu toán học, song, những nghiên cứu này vẫn thiếu các thí nghiệm vật lý – hóa học có thể tái hiện hiện tượng này.

Một nghiên cứu gần đây tại Viện KH&CN Tiên tiến Nhật Bản (JAIST), do PGS. Kosuke Okeyoshi và nghiên cứu sinh tiến sĩ Nguyễn Thị Kim Lộc thực hiện, đã khám phá ra cơ chế đằng sau hiện tượng phá vỡ đối xứng trong một quá trình gọi là “tách màng meniscus” xảy ra trong các dung dịch polymer đang bay hơi. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trên tạp chí Advanced Science.

“Tách màng meniscus” là hiện tượng phân chia hình học của một mặt phân chia chất lỏng đang bay hơi thành nhiều phần riêng biệt, thường được quan sát thấy khi các chất lỏng có độ nhớt cao như dung dịch polymer bay hơi trong không gian hẹp. Đáng chú ý, sự phân chia này xảy ra theo cách bất đối xứng, làm phá vỡ sự đối xứng không gian của hệ ban đầu.

Bằng cách sử dụng các thí nghiệm có kiểm soát và phân tích xác suất, nhóm nghiên cứu đã cố gắng khám phá cơ chế đằng sau hiện tượng tách màng meniscus bất đối xứng. Họ quan sát thấy rằng sự phân tách của bề mặt chất lỏng không xảy ra một cách đồng đều. Thay vào đó, các điểm khởi phát tách – nơi sự phân tách bắt đầu – hình thành tại những vị trí không đồng đều và khó đoán dọc theo không gian hẹp. Sự phá vỡ đối xứng này, cũng như thời điểm nó xảy ra, thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các yếu tố như chiều rộng của vật chứa và đặc tính của chất lỏng.

Trong các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng chitosan – một polysaccharide tương thích sinh học – làm vật liệu polymer. Khi dung dịch polymer bay hơi dưới các điều kiện được kiểm soát, bề mặt chất lỏng bị tách thành hai hoặc ba phần, với sự lệch rõ rệt so với các vị trí đối xứng. Tập trung vào các điều kiện dẫn đến tách đôi hoặc tách ba, nhóm nghiên cứu đã phân tích chi tiết vị trí khởi phát tách (nucleation).

Phân tích thống kê cho thấy hiện tượng phá vỡ đối xứng và sự hình thành nhân không đồng bộ xảy ra trong mỗi loại phân chia và có mối liên hệ với nhau. Trong phân chia nhị phân, nhân có xu hướng hình thành lệch tâm và sự dịch chuyển này trở nên rõ ràng hơn khi chiều rộng tế bào tăng lên. Trong phân chia tam phân, thời điểm và vị trí của nhân thứ hai ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành nhân không đồng bộ. Hai yếu tố này rất quan trọng để hiểu sự tiến hóa theo thời gian của hiện tượng.

Khám phá đơn giản về quá trình phân tách trong nghiên cứu này đã đóng góp vào hiểu biết cơ bản về hiện tượng phá vỡ đối xứng và sự hình thành đồng bộ trong các hoa văn tự nhiên, đồng thời có ứng dụng thực tiễn trong thiết kế và tối ưu hóa các vật liệu và quy trình dựa trên polymer.

“Công trình này là cầu nối giữa lý thuyết hình thành hoa văn và hành vi vật lý trong thế giới thực, với những hiểu biết cũng có thể áp dụng cho tự nhiên,” TS. Okeyoshi cho biết. “Kết quả của chúng tôi không chỉ làm sâu sắc thêm hiểu biết về các hệ thống ngoài trạng thái cân bằng mà còn mở ra các ứng dụng tiềm năng trong khoa học vật liệu, sinh thái tiến hóa và khí tượng học”.

Phát hiện này không chỉ là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực khoa học polymer mà còn có ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực như khoa học keo, khoa học bề mặt, khoa học vật liệu, động lực học chất lỏng, các hệ bất cân bằng và khoa học sự sống. □

Kim Dung dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2025-06-symmetry-meniscus-boundary-conditions-reveal.html

Bài đăng Tia Sáng số 12/2025