Thách thức hấp dẫn với hiệu ứng quả hạch Brazil
Các nhà vật lý từ ĐH Utrecht và Khoa Vật lý ĐH Warsaw đã quan sát – lần đầu tiên về mặt thực nghiệm – hiệu ứng quả hạch Brazil trong một hỗn hợp các hạt keo tích điện.
Cho đến hiện tại, nó vẫn được nghĩ là một dòng năng lượng bên ngoài đã tạo nên chính hiệu ứng này – nhưng các nhà nghiên cứu ở ĐH Utrecht và Khoa Vật lý ĐH Warsaw đã có thể xác nhận là quá trình này có thể xuất hiện tự động. Phát hiện của họ, xuất bản trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), có thể đem đến những ứng dụng trong một phạm vi rộng lớn, từ địa chất đến vật lý các vật chất mềm1.
Chắc chắn là đã từng xảy ra hiện tượng tương tự khi bạn xóc xóc một cái túi miệng mở đựng nhiều loại hạt hoặc lắc một lọ muối vừng. Bạn có nhận thấy là sau khi thực hiện điều này, các hạt lớn trong hỗn hợp này – các hạch quả Brazil – sẽ xuất hiện ở phía trên túi, hoặc các mảnh lạc lớn dồn lên trên lọ muối vừng? Hiện tượng các vật thể lớn có trên bề mặt một hỗn hợp các hạt nhỏ được các nhà nghiên cứu đặt cho cái tên là đối lưu hình hột, hay phổ biến dưới tên gọi hiệu ứng quả hạch Brazil. Hiện tượng này xuất hiện phổ biến trong tự nhiên, ví dụ có thể quan sát được hiện tượng này khi lắc một cái ống đựng cát và cuội sỏi.
Hiệu ứng thông thường này có thể mâu thuẫn với trực giác là các vật thể nặng hơn có thể chìm xuống đáy do hấp dẫn và lực quán tính. Đây là trường hợp với hiện tượng trầm tích có trong tự nhiên, một quá trình bao gồm sự lắng đọng của các hạt rắn phân tán trong một chất lỏng, dưới ảnh hưởng của hấp dẫn hoặc lực quán tính. Sự lắng đọng trầm tích có vai trò trong các quá trình như sự hình thành đá trầm tích và cũng được sử dụng để làm tinh khiết nước và xử lý nước thải hoặc phân lập các tế bào từ máu.
Hiệu ứng quả hạch Brazil trong các keo chất tích điện
Cho đến hiện tại, người ta vẫn nghĩ là một dòng năng lượng bên ngoài như việc lắc túi, đóng vai trò cần thiết để tạo ra Hiệu ứng quả hạch Brazil. Tuy nhiên, các mô hình lý thuyết đề xuất là hiện tượng này có thể xuất hiện một cách tự động mà không cần một năng lượng tác động vào. Các tính toán lý thuyết đã xác nhận về mặt thực nghiệm ở lần đầu tiên, do một nhóm nghiên cứu gồm các nhà lý thuyết và thực nghiệm ở ĐH Utrecht và Khoa Vật lý ĐH Warsaw.
“Chúng tôi đã chứng tỏ là có thể đặt hiệu ứng quả hạch Brazil vào hỗn hợp của các hạt keo tích điện được điều hướng bởi các chuyển động Brown và lực đẩy của sự tích điện”, Jeffrey Everts nói. Anh là người của Khoa Vật lý ĐH Warsaw và đang nghiên cứu dưới sự hướng dẫn trực tiếp của René van Roij ở Viện Vật lý lý thuyết ĐH Utrecht, đã thực hiện những tính toán lý thuyết cho thực nghiệm này. Marjolein van der Linden, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Alfons van Blaaderen của Viện nghiên cứu Khoa học Vật liệu nano Debye ĐH Utrecht, thực hiện phần thực nghiệm của nghiên cứu này.
Hỗn hợp keo
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các hạt polymethylmethacrylate tích điện với những tham số khác nhau (lớn và nhỏ) cho thực nghiệm này. Một dung dịch có mức độ phân cực thấp là cyclohexyl bromide đã được dùng làm chất khử keo tụ.
Như các nhà nghiên cứu chỉ ra, dẫu hỗn hợp gồm vật chất dạng hạt và hỗn hợp keo tạo hiệu ứng quả hạch Brazil, các cơ chế cho sự hình thành của nó vẫn hoàn toàn khác biệt. Trong trường hợp mọt hỗn hợp hạt, khi bị kawcs, các hạt nhỏ hơn sẽ lấp đầy khoảng trống được tạo ra phía đáy, đẩy cac hạt lớn lên phía trên.
Trong khi đó, các hạt tích điện trong keo tạo thành chuyển động Brown như kết quả của các va chamh với các phân tử chất lỏng xung quanh. “Mỗi hạt đều mang điện tích dương. Nặng hơn nhưng các hạt lớn hơn đều có điện tích lớn hơn, vì vậy chúng đẩy nhau mạnh hơn, điều này khiến chúng chuyển động đi lên dễ dàng hơn những hạt nhỏ hơn, nhẹ hơn”, Jeffrey Everts giải thích.
Khám phá hiệu ứng quả hạch Brazil trong các hỗn hợp của các hạt keo có thể hữu dụng trong nhiều lĩnh vực từ địa chất đến vật lý các vật chất mềm. Nó cũng có thể ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như độ bền của màu vẽ và mực in.
Thanh Nhàn tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-04-defying-gravity-brazil-nut-effect.html
https://arstechnica.com/science/2021/04/cracking-the-case-new-study-sheds-more-light-on-the-brazil-nut-effect/
—————————————————
1. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213044120
