Dòng xoáy trong công thức của Einstein

Làm thế nào để một hạt cực nhỏ hoạt động được trong một chất lỏng? Kết quả mới được công bố trên tạp chí Nature cho thấy rằng để mô tả tình trạng này, công thức của Einstein cần có một chút điều chỉnh nhỏ. Điều này sẽ lần lượt mở ra triển vọng cho các ứng dụng mới, đặc biệt là trong sinh học.

Một hạt phấn hoa lơ lửng trong nước và di chuyển một cách ngẫu nhiên, đây chính là những gì được gọi là “chuyển động Brown”. Các hạt va chạm với nhau trên tất cả các phía bởi các phân tử nước, khiến cho nó chuyển động không ngừng. Trái lại, ở cấp độ con người, một vận động viên bơi lội di chuyển trong nước bằng cách chuyển động theo hướng của lực đẩy do mình tạo ra, chuyển động của người này được hỗ trợ bởi các luồng xoáy đó, thúc đẩy cô di chuyển. Lần đầu tiên, các nhà vật lý đã quan sát và đo lường tác động của những luồng xoáy ở quy mô lớn. Họ đã phát hiện ra rằng: độ nhớt của nước không hoàn toàn ngăn chặn đà di chuyển các phân tử nước tác động tới những hạt phấn hoa. Như Einstein đã nghi ngờ công thức của mình vào năm 1905, và mô tả chuyển động Brown cần phải được điều chỉnh.

Bằng cách quan sát tốc độ di chuyển rất cao của các hạt trong thiết bị dò tìm, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Vật chất phức hợp của EPFL đã có thể cho hiển thị và đo lường được sự tồn tại của các luồng xoáy được hình thành bởi một hạt chuyển động trong một chất lỏng. Những luồng xoáy nhỏ phân tán chỉ sau năm micro giây. “Tốc độ luồng xoáy suy giảm đi phụ thuộc vào kích thước của các hạt tạo ra nó và mật độ và độ nhớt của chất lỏng,” Sylvia Jeney giải thích.

Nguyên lý kẹp quang học

Với thách thức được đặt ra là đo lường những đặc tính của các dòng xoáy trong nước. Để làm điều này, các nhà vật lý đã sử dụng những gì mà họ gọi là "optical tweezers" (tạm dịch là kẹp quang học) Bằng cách sử dụng một tia laser, họ có thể nắm giữ các vật thể rất nhỏ.
Và cũng bằng cách đo các độ rung của các hạt, họ có thể chứng minh rằng luồng xoáy của nước làm tăng các biến động của hạt. Ngược lại, nó có thể xác định một số đặc tính của hạt, chẳng hạn như kích thước hoặc hình dạng của nó từ các đặc điểm của dòng xoáy. Tương tự như việc xác định kích thước, hình dạng của vận động viên bơi lội khi họ rời khỏi bể bơi.

Từ sinh học đến bộ cảm biến

Những sự phát triển này hứa hẹn khả năng cải tiến trong nhiều lĩnh vực. "Trong sinh học, trao đổi giữa các tế bào và khu vực xung quanh của nó sẽ diễn ra trong môi trường chất lỏng, các protein hoặc virus truyền qua màng tế bào là một ví dụ," theo Jeney. Ở những nơi khác, micro-sensor (vi cảm biến) được sử dụng trong các phương tiện truyền thông có độ nhớt hiện thiếu chính xác. Chúng được sử dụng để kiểm tra sự tương tác trong một chất lỏng giữa một loại dược phẩm và các phân tử khác nhau thuộc một micro-scaffolding. Những kết quả này có thể giúp các nhà khoa học cải tiến những tương tác này.

Từ khóa liên quan:

chất lỏng

công thức của Einstein

ứng dụng sinh học

chuyển động Brown

phân tử nước

chuyển động

kẹp quang học

optical tweezers