Bên trái: chảy rối thông thường là một hỗn hợp ngẫu nhiên của các xoáy. Bên phải: các mẫu hình với một hạt với đặc điểm kích thước được hình thành khi các hạt spin như các đỉnh. Nguồn: de Wit and Fruchart et al.

Nhưng theo một nghiên cứu mới, các mẫu hình đều đặn có thể đột sinh từ chuyển động chảy rối của chất lỏng. Trong trường hợp này, những gì bạn cần là một đặc tính đầy thú vị mà người ta vẫn gọi là “độ nhớt lẻ” xuất hiện trong những điều kiện nhất định như khi các hạt trong dòng chảy có tất cả các spin đều theo cùng hướng. Dẫu đó là một trường hợp đặc biệt nhưng có nhiều bối cảnh trong tự nhiên nơi một phiên bản của hiệu ứng này có thể tồn tại, như trong quầng nhật hoa của mặt trời và gió mặt trời.

“Hiệu ứng đầy ngạc nhiên này có thể được thêm vào hộp công cụ đang không ngừng được mở rộng để góp phần kiểm soát và định hình sự chảy rối”, Michel Fruchart, một cựu postdoct tại UChicago, giờ làm việc tại Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp (CNRS) và là đồng tác giả của công trình miêu tả những phát hiện này.

Nghiên cứu, một kết quả hợp tác giữa ĐH Chicago, ĐH Kỹ thuật Eindhoven Hà Lan, và CNRS, được xuất bản trên Nature.

Một bản chất hỗn loạn

Bất chấp việc chúng ta đã nghiên cứu về vật lý cổ điển trong vài thế kỷ, có một bài toán vẫn còn tồn tại mà chưa có lời giải thích đầy đủ: hiện tượng chảy rối. Dù chảy rối xuất hiện hằng ngày quanh chúng ta – từ sự khuấy đảo những đám mây trong bầu khí quyển đến máu chảy trong huyết quản của chúng ta – song vẫn đều chưa được hiểu thấu đáo như nhiều hiện tượng vật lý phổ biến khác.

“Cuộn xoáy có thể là chuyện thường của tự nhiên nhưng vẫn còn chưa được hiểu hết”, theo Xander de Wit, tác giả thứ nhất và là nghiên cứu sinh ở ĐH Kỹ thuật Eindhoven.

Bất chấp sự thật là nếu chúng ta hiểu và kiểm soát được chảy rối thì chúng ta có thể có được nhiều đột phá; có lẽ chúng ta có thể thiết kế những cánh máy bay, động cơ và turbin gió hiệu quả hơn.

Các dòng xoáy và dòng hải lưu nhỏ là nguyên nhân tạo ra những mẫu hình như những bông hoa của các loài thực vật phù du (màu xanh lá cây và xanh lam nhạt) ở Nam Đại Tây Dương vào ngày 5/1/2021. Ảnh: NASA

Tuy vậy có nhiều điều mà các nhà khoa học vẫn còn chưa biết về cuộn xoáy. Nếu lắc một chai nước, bạn sẽ thấy sự hình thành của các xoáy nước. Khởi đầu, chúng sẽ có kích thước tương đương với chiều cao của chai; sau đó các xoáy nước phân chia thành những xoáy nhỏ hơn, rồi lại nhỏ hơn nữa và cứ như vậy cho đến khi các xoáy nước bị tiêu tán. Đây là một tầng. Nhưng nếu như bạn làm điều tương tự nhưng hạn chế nước thành lớp mỏng thì thay vào đó, các xoáy nước sẽ sáp nhập để hình thành một xoáy nước lớn – điểm đỏ vĩ đại trên bề mặt sao Mộc là một ví dụ cho hiện tượng này, Fruchart nói.

Nhóm nghiên cứu tự hỏi liệu có thể tạo ra và duy trì các xoáy nước ở kích thước trung bình không – không phải một xoáy nước lớn cũng không phải những xoáy nước nhỏ.

Câu trả lời là có – nếu như dòng chảy của bạn có hiển thị một đặc trưng mà người ta gọi là “độ nhớt lẻ”.

Độ nhớt thông thường là một đo đạc về độ khó khuấy – ví dụ, khó đê khuấy một bình mật ong hơn so với khuấy một bình nước. Trong độ nhớt thông thường, chuyển động phân tán năng lượng mà bạn dùng để khuấy bằng chiếc thìa của mình. Nhưng “độ nhớt lẻ” thay đổi cách các vật thể chuyển động nhưng không làm phân tán năng lượng. Nó được xem như những điều kiện hiếm nhất định trong phòng thí nghiệm.

Các nhà nghiên cứu xây dựng một mô phỏng hiển thị các hạt có độ nhớt lẻ – trong trường hợp này, bằng việc đặt mọi hạt trong dòng chảy có spin giống như các đỉnh. Sau đó bằng việc điều chỉnh các tham số đó, ví dụ như các hạt có thể spin nhanh hơn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra một điều ngạc nhiên. Tại một điểm cụ thể, thay vì các xoáy ngẫu nhiên, họ bắt đầu thấy các mẫu hình.

“Điều chúng tôi tìm ra là tạo ra một tầng hỗn hợp với các cuộn xoáy lớn hơn có xu hướng tách ra và các xoáy nhỏ hơn có xu hướng sáp nhập”, Fruchart nói. “Nếu bạn có được sự cân bằng tức thì, bạn sẽ thấy sự hình thành các mẫu hình”.

“Khi lần đầu thấy hiện tượng này, chúng tôi vẫn chưa hiểu hết những gì chúng tôi đang thấy nhưng bạn có thể thấy nó là cái gì đó khác biệt bằng chính mắt mình”, nghiên cứu sinh UChicago Tali Khain nói. “Chúng tôi đã phát triển một lý thuyết để giải thích nó và nó thực sự rất thú vị”.

Dẫu không phải mọi hạt trong chất lỏng đều có spin như các đỉnh, có nhiều ví dụ như thế trong tự nhiên, ví dụ các electron hay các khí đa nguyên tử trong một từ trường đều có thể hành xử theo cách này.

“Thêm vào đó là mặt trời và gió mặt trời, có những bối cảnh đa dạng mà một phiên bản của hiệu ứng này có thể tồn tại, bao gồm các dòng chảy trong khí quyển, plasma và các vật chất chuyển động”, giáo sư UChicago Vincenzo Vitelli, nói.

Khi nghiên cứu để có được một hiểu biết đầy đủ hơn về những phát hiện của mình, các nhà khoa học hy vọng sẽ dẫn đến một hiểu biết sâu sắc hơn về sự tác động qua lại giữa các xoáy và sóng trong các dòng chảy có chảy rối.

“Chúng tôi mới chỉ ở điểm bắt đầu”, Vitelli nói, “nhưng tôi vẫn bị cuốn hút bởi ý tưởng là bạn có thể nắm bắt được trạng thái của một chảy rối là một bản thu nhỏ của sự hỗn loạn, và dùng nó để tạo ra các mẫu hình – đó là một thay đổi sâu sắc bằng một cú chuyển trên quy mô nhỏ nhất”.