Vật chất dạng hạt không hành xử như chất rắn, chất lỏng hay chất khí thông thường. Khi bạn cầm một hũ hạt thập cẩm và lắc mạnh vài lần, những hạt to và nặng nhất như hạt dẻ Brazil luôn ngoạn mục trồi lên trên bề mặt, còn những mảnh vỡ vụn lại lọt xuống tận đáy.
Hiện tượng này được giới vật lý gọi là hiệu ứng hạt dẻ Brazil (Brazil nut effect) hay sự phân tách kích thước trong môi trường hạt. Nó hoàn toàn đi ngược lại trực giác của định luật Archimedes trong thủy tĩnh học thông thường. Trong một bể nước, vật càng đặc và nặng sẽ chìm xuống đáy, còn vật nhẹ hơn sẽ nổi lên trên. Thế nhưng trong thế giới của các khối hạt khô chịu rung động, những vật thể to lớn và cồng kềnh nhất lại leo ngược lên đỉnh. Bí mật đằng sau nghịch lý thú vị này nằm ở cơ chế bánh cóc hình học và những dòng đối lưu vô hình chảy bên trong khối hạt.
Chiếc Bánh Cóc Cơ Học Từ Khe Rỗng
Cơ chế đầu tiên thúc đẩy sự phân tầng kích thước này là sự lọc lọt hình học (geometric percolation, hay cơ chế lấp đầy khoảng trống). Khi hũ hạt bị hất lên theo phương thẳng đứng, toàn bộ khối hạt sẽ rời nhau trong tích tắc, tạo ra sự giãn nở không gian giữa các phần tử.
Khi trọng lực kéo khối hạt rơi trở lại, các khe hở ngẫu nhiên xuất hiện khắp nơi trong khối chất. Những mảnh vụn nhỏ, hạt đậu phộng hay hạt mè li ti có thể dễ dàng trượt qua các khe hở hẹp này để rơi xuống tầng dưới. Ngược lại, một hạt dẻ Brazil to lớn không thể chui lọt qua những khe hở bé xíu; nó chỉ có thể rơi xuống nếu bên dưới nó xuất hiện một khoảng trống khổng lồ tương đương kích thước của nó—một biến cố có xác suất cực kỳ thấp.
Mỗi lần một hạt nhỏ chui xuống bên dưới, nó đóng vai trò như một chiếc nêm chèn cứng không gian đáy. Hạt dẻ lớn không thể lùi về vị trí cũ vì khoảng trống bên dưới đã bị các hạt nhỏ chiếm chỗ hoàn toàn. Qua hàng trăm chu kỳ rung lắc, cơ chế bất đối xứng này hoạt động như một chiếc bánh cóc cơ học một chiều (one-way ratchet), đẩy hạt lớn nhất nhích dần lên trên sau mỗi nhịp nảy.
Dòng Đối Lưu Dạng Hạt: Chiếc Thang Cuốn Vô Hình
Cơ chế lọt khe chưa giải thích được toàn bộ bức tranh. Vào thập niên 1990, các nhà vật lý học sử dụng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (MRI) và máy quay tốc độ cao đã phát hiện ra rằng rung động tạo ra các vòng tuần hoàn liên tục bên trong lòng khối hạt, gọi là dòng đối lưu dạng hạt (granular convection).
Khi hộp chứa chuyển động đi lên trong một chu kỳ dao động, lực ma sát giữa lớp hạt ngoài cùng và thành hộp làm chậm chuyển động của các hạt ở rìa mép so với các hạt nằm ở trung tâm. Khi hộp đổi chiều chuyển động hoặc giảm tốc, phần lõi ở giữa tiếp tục vọt lên cao hơn nhờ quán tính lớn. Lặp đi lặp lại nhiều lần, hiện tượng này tạo ra một vòi phun đối lưu đẩy vật chất đi lên ở chính giữa hộp và kéo vật chất trượt xuống dọc theo hai bên thành hộp.
Hạt dẻ Brazil nằm ở vùng lõi sẽ bị dòng đối lưu trung tâm cuốn thẳng lên mặt trên cùng. Khi đã trồi lên đỉnh, dòng đối lưu hạt sẽ bẻ hướng sang hai bên mép để chảy ngược xuống đáy. Tuy nhiên, luồng chảy hướng xuống dọc theo thành hộp lại rất hẹp, thường chỉ rộng bằng vài đường kính của hạt nhỏ. Hạt dẻ Brazil quá to để có thể chen chân vào khe hẹp này. Kết quả là trong khi các hạt nhỏ tiếp tục trôi xuống đáy để duy trì vòng tuần hoàn, hạt dẻ khổng lồ bị mắc kẹt lại vĩnh viễn trên bề mặt.
Tàu Ngầm Trong Cát: Vai Trò Của Góc Xoay Hình Học
Trong tự nhiên, các hạt hiếm khi có dạng hình cầu hoàn hảo. Năm 2021, nhóm nghiên cứu tại Đại học Manchester đã ứng dụng công nghệ chụp cắt lớp vi tính 3D tia X theo thời gian thực (time-resolved 3D X-ray CT) để theo dõi đường đi của từng hạt dẻ Brazil thực tế bên trong hỗn hợp đậu phộng.
Kết quả quét 3D cho thấy các hạt có hình dáng thuôn dài không chỉ nổi lên một cách thụ động. Một hạt dẻ ban đầu nằm ngang dưới đáy trước hết phải tự xoay mình thành tư thế gần như thẳng đứng. Bằng cách chĩa đầu nhọn lên trên giống như một chiếc tàu ngầm nổi lên từ đáy biển, hạt dẻ giảm thiểu đáng kể lực cản ma sát và dễ dàng luồn lách giữa các khe đậu phộng xung quanh. Chỉ khi đã hoàn toàn nhô khỏi mặt thoáng, nó mới ngả nghiêng trở lại tư thế nằm ngang vững chãi, khóa chặt vị trí vương giả của mình trên đỉnh hỗn hợp.
Từ Bát Ngũ Cốc Đến Các Tiểu Hành Tinh Xa Xôi
Vật lý chất hạt không chỉ giải thích chuyện ăn vặt hay bữa sáng với ngũ cốc. Hiện tượng phân tách hạt đóng vai trò cốt lõi trong khoa học hành tinh, kỹ thuật xây dựng và ngành sản xuất dược phẩm.
Khi các tàu thăm dò không gian chụp ảnh những tiểu hành tinh dạng đống mảnh vụn (rubble-pile asteroids) như Bennu, Ryugu hay Itokawa, các nhà thiên văn học ngạc nhiên khi thấy những tảng đá tảng khổng lồ nằm trơ trọi trên bề mặt dù trường trọng lực ở đó cực kỳ yếu ớt. Trải qua hàng triệu năm, chu kỳ giãn nở nhiệt do ánh sáng Mặt Trời và các vụ va chạm thiên thạch vi mô liên tục làm rung lắc cấu trúc rời rạc bên trong tiểu hành tinh. Quá trình đối lưu và lọt khe dạng hạt đã đẩy những tảng đá tảng lớn nhất trồi ra ngoài lớp vỏ.
Trong công nghiệp dược phẩm, hiệu ứng này lại là một bài toán hóc búa cần kiểm soát gắt gao. Bột hoạt chất chính và các hạt tá dược độn phải được phân tán đồng nhất tuyệt đối trước khi đưa vào máy dập viên nén. Nếu quá trình vận chuyển rung lắc gây ra hiện tượng phân tầng kích thước hạt, một viên thuốc có thể chứa liều lượng quá cao gây ngộ độc, trong khi viên thuốc khác lại không đủ nồng độ để điều trị bệnh.
Từ một hũ hạt đơn sơ trên bàn ăn, thế giới vật lý mở ra cho chúng ta thấy những quy luật chuyển động phức tạp và tinh tế được kiến tạo từ chính những va chạm hình học và lực ma sát cơ bản nhất.
Đang tải bình luận…