Thứ vật lý của sự hình thành nút trong chất lỏng

Các nút thắt có mặt ở mọi nơi – từ những dây điện thoại xoắn lại đến những chuỗi DNA được đóng gói bên trong các con virus – nhưng cách một sợi cô lập có thể tự thắt nút mà không cần va chạm hay ngoại lực như thế nào vẫn còn là một câu hỏi tồn tại từ lâu của vật lý chất mềm.

Giờ thì một nhóm các nhà nghiên cứu của ĐH Rice, ĐH Georgetown và ĐH Trento ở Italy đã khám phá ra một cơ chế vật lý đáng ngạc nhiên giúp giải thích cách một sợi, ngay cả khi quá ngắn hoặc quá cứng có thể dễ dàng tự cuộn lại, qua đó hình thành một nút trong lòng một chất lỏng dưới sự tác động của lực hấp dẫn.

Khám phá này, được xuất bản trên Physical Review Letters, đem lại cái nhìn mới vào vật lý của động lực học polymer, với những gợi ý trên một phạm vi rộng từ việc hiểu được hành xử của DNA trong một giới hạn nhất định để  thiết kế ra những vật liệu mềm thế hệ mới đến các cấu trúc nano.

Cách các sợi thắt nút dưới tác động của hấp dẫn

“Thật vô cùng khó cho một sợi đơn độc và cô lập tự thắt nút chính mình”, theo Sibani Lisa Biswal, tác giả chính của nghiên cứu và là chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử ĐH Rice và giáo sư kỹ thuật hóa học William M. McCardell. “Cái đáng nói về nghiên cứu này là việc nó cho thấy một cơ chế đơn giản và thanh tao cho phép một sợi có thểhinhf thành một nút một cách thuần túy tự nhiên nhờ các lực ngẫu nhiên khi nó lắng xuống qua một chất lỏng dưới sự tác động của lực hấp dẫn mạnh”.

Sử dụng các mô phỏng động lực học Brown, các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ, khi một sợi bán linh hoạt chìm xuống một chất lỏng nhớt – tương tự như các điều kiện trong siêu ly tâm – các dòng thủy lực tầm xa có thể gập và cuộn chính sợi dây đó lại. Các dòng chảy đó quấn một đầu sợi vào thành một khối kết đặc trong khi kéo dãn đầu còn lại thành một vệt đuôi, tạo ra một hình dạng cho phép cuộn thành nhiều vòng để vắt chéo và khóa thành những cái nút bền chắc.

“Chúng tôi đã phát hiện ra những cái nút đó không chỉ xuất hiện mà còn tiến hóa thông qua sự phân tầng, thắt chặt và tái sắp xếp có động lực thành những dạng hình học topo bền bỉ hơn, tựa như một quá trình tôi luyện vậy”, theo Fred MacKintosh, đồng tác giả liên hệ và là giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, giáo sư hóa học và vật lý, thiên văn học tại ĐH Rice. “Cơ chế này đề xuất một tầm nhìn mới về cách các cấu trúc phức hợp có thể tự lắp ráp dưới ảnh hưởng của chất lỏng và lực”.

Những gợi ý cho sinh học và khoa học vật liệu

Các mô phỏng cho thấy trường hấp dẫn mạnh hơn gia tăng giữa tính hợp lý và tính bền của sự hình thành nút và những sợi linh hoạt hơn thì càng dễ hình thành nút hơn trong một phạm vi rộng của các dạng nút. Ở các cường độ trường cao, các nút tồn tại bền bỉ trong thời gian dài, vững chắc bởi sức căng bên trong sợi do thủy lực và ma sát giữa các mảnh- cho phép cả hệ chạm đến các hình dạng phức tạp và tồn tại trong thời gian dài.

“Tôi ngạc nhiên khi lần đầu quan sát những hình dạng thắt nút bền chắc trong các mô phỏng của chúng tôi”, Lucas H.P. Cunha, tác giả đầu và cựu nghiên cứu sinh ĐH Rice, hiện là postdoct tại ĐH Georgetown. “Việc giải đoán những cơ chế đằng sau hiện tượng này là một hành trình đầy thú vị, cho thấy bằng chứng thuyết phục về vai trò chính của thủy lực ở những quy mô nhỏ”.

Sự thắt nút của các polymer đóng vai trò quan trọng trong các hệ sinh học. Các protein và các phân tử lớn có thể hình thành các nút ảnh hưởng đến hành vi và chức năng của chúng bên trong các tế bào. Trong một số trường hợp, chúng đem lại lợi ích, một số trường hợp thì chúng ‘vô thưởng vô phạt”, nhưng trong trường hợp, giống như DNA hệ gene, chúng có thể gây hại. Việc hiểu cách các nút hình thành và bền bỉ có thể đem lại một nền tảng mới cho diễn dịch những quá trình như đóng gói hệ gene, điện chuyển và vận chuyển qua lỗ nano.

“Nghiên cứu này làm sâu sắc thêm hiểu biết của chúng ta về cách các lực và chất lỏng định hình hành xử polymer”, Biswal nói. “Nó mở ra cánh cửa cho thiết kế những vật liệu mới có những đặc tính cơ học được lập trình bằng hình học topo của chúng chứ không chỉ thành phần của chúng”.

Vượt qua lĩnh vực sinh học, những phát hiện này có thể đem lại những cách tiếp cận mới cho pha tạp vật liệu nano, nơi việc kiểm soát sự hình thành nút có thể dẫn đến những cấu trúc được tăng cường về mặt cơ học, và có thể đưa ra những cái nhìn mới giúp cải thiện sự phân tách quy mô lớn và đặc tính của những công cụ trong phòng thí nghiệm hoặc ngành công nghiệp.

“Nút thắt do trường định hướng có thể một ngày nào đó đem lại giải pháp có thể mở rộng quy mô cho cái mà ngày nay các nhà nghiên cứu gọi là ‘các công xưởng nút’”, MacKintosh nói. “Bằng việc học cách khau thác quá trình tự nhiên này, chúng ta có thể hình dung ra những công nghệ mới lấy đòn bẩy là thủy lực và tự lắp ráp thay vì thao tác thông thường hoặc hóa học”.

Và không chỉ có vậy: “Nhìn chung, các nút xuất hiện trong những polymer dài và thậm chí polymer dài hơn sẽ trở nên bền chặt hơn,” theo Luca Tubiana, đồng tác giả và là phó giáo sư ĐH Trento. “Nghiên cứu của chúng tôi đề xuất một cách thành công về mặt thực nghiệm để có được những nút phức tạp, chặt chẽ, tồn tại bền bỉ trên những polymer rất ngắn, từ đó mở ra những khả thể để kết nối tốt hơn với những dự đoán lý thuyết và polymer với những quan sát thực nghiệm.”

Thanh Phương dịch từ ĐH Rice

Nguồn: https://news.rice.edu/news/2025/rice-researchers-uncover-hidden-physics-knot-formation-fluids