Vật thể kỳ lạ có hình dáng như tinh trùng đàn ông cứng đến mức đạn bắn không vỡ, là bí ẩn hơn 400 năm khiến giới khoa học đau đầu

Vào thế kỷ thứ 17, Hoàng tử Rupert của nước Đức đã mang một số giọt thủy tinh đặc biệt như một món quà đến tặng cho Vua Charles II của Anh. Bản thân Vua Charles cũng rất thích thú với những đặc tính khác thường của chúng. Về sau này, những giọt thủy tinh ấy được đặt theo tên của Hoàng tử Rupert và người ta thường gọi là "nước mắt Hoàng tử Rupert" hay "nước mắt Hà Lan".

Từ khi được phát hiện ra, những viên thủy tinh này đã trở thành bí ẩn nổi tiếng hàng thế kỷ. Chúng mang những đặc điểm vô cùng kỳ quái mà suốt 400 năm qua, các nhà khoa học vẫn chưa thể có một câu trả lời vẹn tròn, thuyết phục.

Những giọt thủy tinh này được tạo ra bằng cách rất đơn giản là nhỏ những giọt thủy tinh nóng chảy vào nước lạnh. Kết quả sẽ được những hạt thủy tinh có hình như hạt nước, đuôi dài như nòng nọc hay miêu tả một cách khác thì nó giống hệt như tinh trùng đàn ông.

Trong khi phần đầu của giọt thủy tinh này rất chắc đến nỗi búa đập cũng không vỡ, đạn bắn không tan, máy ép thủy lực không nhằm nhò gì. Thế nhưng phần đuôi lại "yếu đuối" dễ vỡ đến mức dùng tay bẻ cũng vỡ, mà khi ấy, không chỉ phần đuôi vỡ, toàn bộ giọt thủy tinh cũng tan thành bột mịn trong chốc lát.

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu nguyên nhân gây ra những đặc tính bất thường của những giọt nước này trong nhiều năm, nhưng phải đến gần đây, công nghệ hiện đại mới cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu kỹ lưỡng về chúng.

Năm 1994, 2 nhà nghiên cứu là S.Chandrasekar, đến từ Đại học Purdue và MM Chaudhri đến từ Đại học Cambridge đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh khung tốc độ cao để quan sát quá trình rơi vỡ của giọt thủy tinh này.

Từ các thí nghiệm của mình, họ kết luận rằng bề mặt của mỗi giọt thủy tinh chịu ứng suất nén cực cao, còn bên trong chịu lực kéo lớn. Lực nén khiến vật liệu bị ép chặt trong khi lực kéo kéo giãn vật liệu. Như vậy, giọt thủy tinh ở vào trạng thái không ổn định, có thể dễ dàng chịu tác động khi bẻ gãy phần đuôi.

Tuy nhiên, một câu hỏi mở là áp lực phân phối xuyên suốt giọt thủy tinh như thế nào. Nếu làm rõ được điều này, các nhà khoa học có thể lý giải đầy đủ tại sao đầu giọt thủy tinh lại cứng đến vậy.

Để tiếp tục đào sâu nghiên cứu, 2 nhà khoa học Chandrasekar và Chaudhri bắt đầu hợp tác với Hillar Aben, một giáo sư tại Đại học Công nghệ Tallinn ở Estonia. Aben chuyên xác định ứng suất dư (ứng suất nén hoặc ứng suất kéo còn lại trong cấu kiện/chi tiết cơ khí khi đã loại bỏ tải trọng bên ngoài) trong các vật thể 3 chiều trong suốt, chẳng hạn như "nước mắt hoàng tử Rupert".

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters hồi năm 2017, Aben, Chandrasekar, Chaudhri và đồng tác giả của họ đã nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong các giọt thủy tinh bằng cách sử dụng kính phân cực truyền qua, một loại kính hiển vi dùng để đo phân bố áp lực trên một chất liệu bằng cách đo góc tia sáng phản chiếu ở mỗi đầu bên trong.

Trong các thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã treo một giọt thủy tinh vào trong một chất lỏng trong suốt, và sau đó chiếu sáng giọt bằng đèn LED màu đỏ. Sử dụng kính phân cực, các nhà nghiên cứu đã đo độ chậm quang học của ánh sáng khi nó truyền qua giọt thủy tinh, sau đó sử dụng dữ liệu để xây dựng sự phân bố ứng suất trong toàn bộ giọt thủy tinh.

Kết quả cho thấy phần đầu của giọt thủy tinh này có ứng suất nén bề mặt cao hơn nhiều so với dự đoán trước đây - nó lên tới 700 megapascal, tức là gần 7.000 lần áp suất khí quyển.

Như các nhà nghiên cứu giải thích, những giá trị này khiến cho phần đầu của các giọt thủy tinh có độ bền rất cao. Để làm vỡ một giọt thủy tinh, cần phải tạo ra một vết nứt đi vào khu vực chịu lực kéo bên trong.

Nhưng vì các vết nứt có xu hướng phát triển song song với bề mặt nên không thể đi vào khu vực này. Thay vào đó, cách dễ nhất để phá vỡ giọt thủy tinh là bẻ gãy phần đuôi.

Nguồn: Phys