Chất lỏng phi Newton là gì? Cách tạo chất lỏng phi Newton và ứng dụng

Hướng dẫn Cách tạo chất lỏng phi Newton, khái niệm và ứng dụng của chất lỏng phi Newton trong đời sống. Từ đó giúp các em tự khám phá điều thú vị về chất lỏng hóa rắn này.

1. Chất lỏng phi Newton là gì?

Chất lỏng phi Newton là tên gọi chung của các loại chất lỏng có độ nhớt biến thiên, thay vì là hằng số theo định luật Newton.

Chất lỏng phi Newton là chất có thể vừa rắn vừa lỏng, tùy thuộc vào tốc độ chúng ta tác động vào. Một cách dễ hiểu, nếu chúng ta đẩy, nhào, ném hoặc dùng nắm đấm đánh vào chúng một cách nhanh chóng, chúng sẽ hoạt động như một vật rắn, nhưng nếu chúng ta dừng tác động, chúng sẽ biến thành một vũng chất lỏng trong tay chúng ta.

Các ví dụ điển hình cho các chất lỏng phi Newton như tương cà chua, oobleck (hỗn hợp bột ngô và nước), slime, kem đánh răng, máu, cát lún.

2. Phân loại chất lỏng phi Newton

* Phương pháp phân loại về độ nhớt tỷ lệ với cường độ áp lực

- Độ nhớt tỉ lệ nghịch với áp lực (Shear thinning fluid): chịu lực càng mạnh, độ nhớt càng giảm, hỗn hợp càng lỏng hơn. Khi không còn lực có thể hồi phục lại trạng thái ban đầu gần như ngay lập tức.

VD: sốt cà chua, kem đánh răng, sơn, polymer…

Một cú đạp nhanh và cực mạnh có thể khiến sốt cà chua đột ngột bị loãng đi khoảng 1000 lần so với trước đó

- Độ nhớt tỉ lệ thuận với áp lực  (Shear thickening fluid/Dilatant): chịu lực càng mạnh, độ nhớt càng tăng, hỗn hợp càng rắn lại.

VD: Oobleck, caramel, protein tơ nhện.

* Phương pháp phân loại độ nhớt tỷ lệ theo thời gian

- Độ nhớt tỉ lệ nghịch với thời gian (Thixotropic fluid): thời gian chịu lực càng lâu, độ nhớt càng giảm, càng lỏng hơn, và cần một khoảng thời gian tương tự để trở lại trạng thái ban đầu. VD: đất sét, bùn khoan, dầu nhớt, mật ong…

- Độ nhớt tỉ lệ thuận với thời gian (Rhepetic fluid): thời gian chịu lực càng lâu, độ nhớt càng tăng, trở nên dầy hơn hoặc rắn lại. VD: kem trở nên bông, xốp và dầy hơn khi được đánh liên tục.

Một số chất lỏng phi Newton khác như lòng trắng trứng thay đổi độ nhớt khi thay đổi nhiệt độ (trở nên rắn hơn khi bị đun nóng). Cát lún (hỗn hợp nước và cát) cũng là chất lỏng phi Newton, nên khi bị lún trong cát, nếu bạn vùng vẫy (tạo áp lực) sẽ khiến cát rắn lại và khó thoát ra hơn, cách tốt nhất là thư giãn, nằm ngang ra, trườn đi như một em bé. Và bạn có biết, bên trong chúng ta có một chất lỏng phi Newton đang chạy khắp cơ thể: đó là máu.

3. Cách tạo chất lỏng phi Newton

Cách tạo chất lỏng phi Newton phổ biến nhất là pha bột ngô với nước tạo thành Oobleck. Hỗn hợp trông giống chất lỏng nhưng khi chạm vào lại cho cảm giác như là chất rắn. Đặc tính này xuất phát từ các hạt chất lỏng có kích thước rất lớn. Khi bị tác dụng lực đột ngột như đấm lên bề mặt, chúng không có đủ thời gian để di chuyển như chất lỏng thông thường và hóa rắn. Nếu ngừng tác dụng lực, chúng lại trở thành chất lỏng như cũ.

Cách tạo chất lỏng phi Newton như sau:

- Cho 1 cốc bột ngô vào bát to, dùng tay trộn bột trong một phút để quen với kết cấu. Ngoài ra, dùng nĩa trộn sơ để bột mịn và dễ dàng khuấy ở bước sau.

- Thêm 4-5 giọt màu thực phẩm vào ½ cốc nước nếu muốn tạo màu cho Oobleck.

-  Thêm 4-5 giọt màu thực phẩm vào ½ cốc nước nếu muốn tạo màu cho Oobleck. Nếu muốn thêm màu thực phẩm vào Oobleck thì nhỏ màu vào nước và khuấy trước khi đổ nước vào bột ngô. Như vậy, màu sẽ được hòa đều. Nhỏ nhiều giọt màu nếu muốn Oobleck có màu đậm.

- Khuấy ½ cốc nước vào bột ngô. Nên thêm một nửa lượng nước so với bột ngô, với tỉ lệ 2 cốc bột ngô với 1 cốc nước. Dùng tay hoặc thìa để trộn thật đều nước và bột ngô.

- Kiểm tra Oobleck bằng cách lấy đầy một nắm tay và cố gắng tạo thành hình tròn.

+ Nếu không thể tạo hình tròn (vì quá loãng) thì thêm bột ngô, mỗi lần chỉ thêm 1 thìa súp. Trộn đều và tiếp tục kiểm tra.

+ Nếu hỗn hợp không chảy như chất lỏng khi dùng tay xúc lên thì nó quá đặc. Lúc này hãy thêm nước, mỗi lần thêm 1 thìa súp nước.

Ứng dụng của chất lỏng phi Newton

Hầu hết các loại chất lỏng phi Newton được ứng dụng phổ biến hiện nay đều có tính chất chung là: Ở dạng lỏng khi tác động nó một lực yếu nhưng lại hóa rắn tức thời bởi lực tác động mạnh. Cũng nhờ vào tính chất đặc biệt này, người ta có thể ứng dụng chất lỏng phi Newton trong nhiều lĩnh vực:

- Tạo ra loại gờ giảm tốc thông minh cho phép các xe chạy chậm lướt qua như mặt phẳng, nhưng lại khiến xe phóng nhanh chịu những cú xóc tương tự loại gờ truyền thống.

- Lấp đầy các ổ gà trên đường. Đổ đầy Oobleck vào một túi chống thấm tốt, đặt vào vết nứt hoặc ổ gà trên đường là cách tuyệt vời để làm phẳng đường tạm thời. Cách lấp ổ gà này ít thấy tại Việt Nam, nhưng ở nước ngoài rất phổ biến. Oobleck là sản phẩm sinh học nên nếu rò rỉ hoàn toàn không độc hại.

- Sử dụng trong giáo dục và giải trí, ví dụ như chất lỏng phi newton được sử dụng để tạo ra các trò chơi trẻ em. Ví dụ: slime

- Chế tạo áo giáp chống đạn lỏng. Các nhà khoa học đã tạo ra áo giáp lỏng chống đạn bằng hỗn hợp các hạt silica lơ lửng trong dung dịch polyethylene glycol. Áo giáp chống đạn thông thường (cứng gấp 5 lần thép), tuy bảo vệ được tính mạng người mặc, nhưng không ngăn được chấn thương do lực ép cực mạnh của viên đạn gây ra. Áo giáp lỏng sử dụng chất lỏng phi Newton sẽ phân tán lực va đập này. Đạn càng mạnh, áo càng rắn lại và không thể xuyên thủng. Tuy nhiên, chất lỏng phi Newton loại này sẽ không cung cấp bất kỳ sự bảo vệ nào chống lại các đòn tấn công chậm, chẳng hạn như một cú đâm chậm nhưng mạnh, cho phép chất hóa lỏng trở lại và người mặc áo sẽ bị tấn công mà không được bảo vệ.

- Chế tạo vật liệu nhân tạo. Dung dịch tơ nhện là loại chất lỏng phi Newton đặc biệt có rất nhiều ứng dụng. Giáo sư McKinley thuộc khoa chế tạo cơ khí Viện Kỹ thuật Massachusets (Mỹ) – MIT với những nghiên cứu về “Động lực học các chất lỏng phi Newton” đã dùng tơ nhện Nephila clavipe để chế tạo vật liệu nhân tạo. Dung dịch protein tơ được phun ra bằng một cơ quan thon, nhọn, hình chữ S. Nhờ đó, các cấu trúc tinh thể vừa hình thành trong dung dịch bị xoắn lại thành chuỗi dài, thẳng hàng, trở nên bền chắc và không bị hóa lỏng trở lại.