Phát hiện những chảy rối ẩn dấu trong chất lưu polymer

Chảy rối, chuyển động không đều hỗn độn là nguyên nhân tạo ra sự gập nghềnh mà thi thoảng chúng ta nếm trải khi ngồi trên máy bay, đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trong hàng thế kỷ. Tại Viện nghiên cứu KH&CN Okinawa (OIST), các nhà nghiên cứu đã khám phá hiện tượng này trong một lớp vật liệu cụ thể là các chất lưu phức hợp.

Không giống như những chất lưu đơn giản như nước, các chất lưu phức hợp hành xử theo nhiều cách pha trộn giữa dạng lỏng và rắn. Ví dụ, khi chuỗi dài các phân tử polymer được cho thêm vào một chất lưu, chúng có thể thay đổi một cách khấc thường hành vi chảy rối của chúng và định hình động lực học chất lưu của mình. Các chất lưu polymer đó, là một dạng chất lưu phức hợp, có ở xung quanh chúng ta, trong xà phòng, nước rửa bát, nước rửa tay khô và thậm chí là nước xốt cà chua.

Cho đến nay, vật lý cơ bản định hình dòng chảy chất lưu polymer vẫn còn chưa được hiểu rõ và là một chủ đề được nghiên cứu rộng rãi. Việc hiểu nó là tối quan trọng cho những ứng dụng như phân phối thuốc nhắm đích, nơi hành vi chảy ảnh hưởng đến tỉ lệ và thuốc được giải phóng. Nhưng sự giao thoa phức tạp của các nhân tố như quán tính và đàn hồi trong chất lưu polymer khiến cho một phạm vi lớn bao gồm các hành xử chảy rối trở nên khó nắm bắt, dẫn đến thách thức trong việc tháo gỡ được động lực học nằm ở bên trong.

Cho đến gần đây, các nhà khoa học vẫn tin rằng có hai dạng khác biệt của chảy rối xuất hiện trong những điều kiện khác nhau. Chảy rối quán tính là dạng cổ điển, có ở trong chuyển động hỗn loạn của không khí trong chảy rối quanh máy bay. Nó xuất hiện khi các lực quán tính của một chất lưu nổi trội, tạo ra những dòng chảy không đều cao.

Một dạng khác, gọi là chảy rối đàn hồi, có nhiều sự bất thường hơn. Hãy hình dung ra hình ảnh bị xé toạc của nước. Ngay cả khi sự phá vỡ này diễn ra một cách chậm chạp và êm đềm thì chất lỏng này vẫn có thể đột nhiên xoáy theo những cách không thể dự đoán được. Điều này xảy ra là do các polymer trong chất lưu bị kéo dãn và vẫn còn năng lượng đàn hồi mà dòng chảy làm cho mất ổn định. Trong trường hợp này, các lực đàn hồi đã chiếm quyền kiểm soát. Các nhà nghiên cứu tin rằng chảy rối quán tính chỉ xuất hiện ở những dòng chảy nhanh, quy mô lớn trong khi chảy rối đàn hồi được định hình bởi những dòng chảy rất chậm rãi và êm ả.

Giờ đây, trong một nghiên cứu mới được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà nghiên cứu ở Bộ phận Chất lưu và dòng chảy OIST đã chứng tỏ hai hình thức đó của chảy rối, trên thực tế đồng tồn tại. Bằng những mô phỏng trên máy tính tiên tiến, nhóm nghiên cứu đã khám phá chuyển động của chất lưu quy mô lớn hành xử như những chảy rối quán tính song dòng chảy đó lại chuyển sang chảy rối đàn hồi ở quy mô nhỏ nhất.

“Từ trước đến giờ chưa từng có các mô phỏng như vậy”, TS. Piyush Garg, tác giả thứ nhất của nghiên cứu, nói. “Nắm bắt thông tin tại cấp độ nhỏ nhất đòi hỏi một hệ máy tính có năng lực vận hành được những mô hình có độ phân giải cực cao một cách hiệu quả. Có được chi tiết ở cấp độ này là điều thiết yếu để khám phá ra hiện tượng này để có thể giải thích tại sao trước đây chúng ta lại chưa từng quan sát được nó. Trên thực tế, đây là mô phỏng lớn nhất cho các dạng chất lưu đó”.

Các phát hiện cho thấy chảy rối đàn hồi còn chứa đựng những thông tin mà trướcđây chưa từng biết. “Cho đến hiện nay, chúng ta vẫn nghĩ là chảy rối đàn hồi xuất hiện ở các dòng chảy chậm và êm đềm, nơi quán tính gần như bằng không. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy điều đó không đúng. Chúng tôi khám phá ra chảy rối đàn hồi xuất hiện ở quy mô nhỏ nhất bên cạnh chảy rối quán tính trong chất lưu polymer. Nói cách khác, cả hai dạng chảy  rối tồn tại trong cùng dòng chảy nhưng ở các quy mô khác nhau”, TS. Garg giải thích.

“Khám phá này bắc cầu cho hai nhánh nghiên cứu về chảy rối và chất lưu phức hợp mà trước đây chúng ta nghĩ là khác nhau. Đó là kết quả của môi trường nghiên cứu liên ngành ở OIST, nơi các nhà nghiên cứu có thể chia sẻ góc nhìn và trao đổi về những vấn đề mở từ những lĩnh vực khác biệt”, giáo sư Marco Rosti, người phụ trách Bộ phận Chất lưu phức hợp và dòng chảy và đồng tác giả của bài báo, nói.

Bằng việc khám phá ra chảy rối đàn hồi có thể đột sinh bên trong dòng chảy polymer quán tính, nghiên cứu này có thể cung cấp một mối liên hệ thiết yếu chưa được phát hiện trong hiểu biết của chúng ta về chảy rối. Nó có những gợi ý tiềm năng cho các ngành công nghiệp phụ thuộc vào polymer để kiểm soát hành xử của chất lưu như giảm thiểu lực cản trong đường ống, trộn hóa chất và các ứng dụng y sinh.

Tô Vân dịch từ Viện nghiên cứu KH&CN Okinawa (OIST)

Nguồn: https://www.oist.jp/news-center/news/2025/8/22/hidden-turbulence-discovered-polymer-fluids