Những bài học từ thiên nhiên - Trương Văn Tân

"Trong tất cả mọi vật của thiên nhiên,
có một cái gì đó rất kỳ diệu"

Aristotle (BC 384-322)

 

Tóm tắt

Trong 4 tỷ năm tiến hóa, dù không có nhiều lựa chọn và phương tiện trong tay, thiên nhiên đã có nhiều đáp án để tạo và duy trì sự sống của vạn vật có khả năng sinh tồn và thích ứng trong những điều kiện khó khăn và hoàn cảnh khắc nghiệt nhất. Cấu trúc có tôn ti kéo dài từ mức vi mô đến mức vĩ mô trong xương động vật hay vỏ của các loài giáp xác là một đáp án tối ưu trong việc hình thành một giàn giáo bền chắc cho việc đi đứng và một áo giáp cứng để che thân trong khi nguyên liệu chính chỉ là hợp chất của vôi. Thiên nhiên còn thiết kế da và vảy của các loài cá lớn nhỏ làm giảm lực cản của nước theo những nguyên lý thủy động lực học để chúng có thể bơi thoải mái. Các tác động của hiệu ứng lượng tử đối với sinh học phản ánh sự kỳ bí tột cùng của thiên nhiên. Nhiều khám phá gần đây cho thấy hiệu ứng lượng tử có ảnh hưởng sâu sắc đến hiện tượng quang hợp biến năng lượng mặt trời thành hóa năng cho sự sống còn của vi khuẩn và thực vật. Loài chim di trú có thể bay xuyên lục địa nhờ vào khả năng định hướng bằng cơ chế "vướng víu lượng tử". Những hiệu ứng này cũng là những công cụ cơ bản mà các nhà vật lý lượng tử đang sử dụng cho việc chế tạo máy tính lượng tử tương lai. Như vậy, phải chăng vi khuẩn, lá cây và loài chim đã biết dùng thuật toán lượng tử từ thuở khai thiên lập địa và làm toán giỏi hơn các nhà vật lý lượng tử tài ba? Câu trả lời là khẳng định. Những thí dụ trên cho thấy Mẹ Thiên nhiên là một nhà khoa học siêu phàm biết ứng dụng một cách tài tình những nguyên lý cơ học, thủy động lực học và thậm chí thuyết lượng tử. Con người biết rất ít và còn phải học hỏi rất nhiều từ Mẹ Thiên nhiên, vị vạn thế sư biểu của muôn đời và muôn loài.

1. Thiên nhiên và tiến hóa

Sự sống xuất hiện trên trái đất đã gần 4 tỷ năm. Thiên nhiên tiến hóa nhằm đáp ứng theo nhu cầu và tìm một lời giải để thích ứng với môi trường sinh sống. Sau hàng tỷ năm làm thực nghiệm và thử nghiệm, thiên nhiên đã có vô số đáp án cho vô số vấn đề nhằm bảo đảm và duy trì sự sống. Đã có những loài bị tuyệt chủng, nhưng chúng không hẳn là sự sai lầm của một đáp án mà là do luật đào thải của sự chọn lọc tự nhiên hay do chính sự tàn phá của con người ngoài sự kiểm soát của thiên nhiên.

Trải nghiệm 4 tỷ năm của thiên nhiên là một nguồn dồi dào cho sự mô phỏng, bắt chước, học hỏi và cũng là nguồn cảm hứng cho các ngành công nghệ mới. Từ ngàn xưa, chim muông và kình ngư đã là mô hình mà loài người đã từng ngưỡng mộ. Máy bay, tàu thủy, tàu ngầm là kết quả của nỗ lực mô phỏng xuất phát từ sự nguỡng mộ này. Nhưng trên thực tế, sự mô phỏng này không phải hoàn toàn là một bản in "giống như đúc" từ thiên nhiên vì con người vẫn còn thua kém Mẹ Thiên nhiên trên nhiều lĩnh vực. Sản phẩm thiên nhiên được hình thành từ phương pháp "từ dưới lên", từ tế bào đến mô đến cơ quan có chức năng khác nhau rồi tạo nên con người, sinh vật, cây cỏ, hoa lá cành. Vì vậy, cấu trúc sinh vật là một tập hợp có tôn ti (hierachy) nhiều thứ bậc xuất phát từ cái nhỏ nhất (tế bào) và cuối cùng kết tụ thành một sản phẩm vĩ mô (con người, cây cỏ). Trái lại, phương thức chế tạo bởi con người thường là "từ trên xuống" không tôn ti trật tự, từ một vật to như một khối kim loại được nung chảy, gia công làm thành vật nhỏ, nhỏ hơn hay biến màng dày thành mỏng, mỏng hơn.

Khi ta nhìn một con ruồi, ấn tượng đầu tiên là "bẩn". Nhưng khi ta vượt qua cái định kiến thường có để quan sát phương thức bay của ruồi, côn trùng hay loài chim, ta nhận ngay khả năng tạo vật bay có cánh vỗ của con người vẫn còn ở trình độ sơ đẳng. Vì vậy, khi chế tạo một vật bay con người chỉ có thể làm đôi cánh lượn cố định trong khi cánh của loài chim, côn trùng là loại cánh vỗ (flabbing wing) nhiều phức tạp. Con ruồi có thể điều chỉnh tốc độ bay nhanh hay chậm, đổi hướng bay 180°. Nó có khả năng bay vòng vèo, bay "tiềm kích" bất thần chui xuống hay bay vọt lên để tránh những cú đập nháng lửa từ con người hay đáp xuống một đóa hoa đang rung rẩy trước gió. Tất cả nhờ vào đôi cánh vỗ. Sự hiểu biết của chúng ta về cơ chế bay và lực nâng (lift) của côn trùng và chim vẫn còn khiêm tốn. Cho đến ngày nay, việc lái chiến đấu cơ phản lực tung hoành trên bầu trời như … ruồi, hay bay lên đáp xuống hàng không mẫu hạm đang di động cũng là một việc khó khăn cần nhiều tập luyện. Như vậy, con người có vật bay và thiên nhiên có chim bay, ruồi bay nhưng ở hai phương thức khác nhau chỉ vì phương pháp chế tạo khác nhau. Thí dụ về con ruồi, một sản phẩm của sự tiến hóa, cho thấy con người chỉ mô phỏng cái phiến diện nhưng chưa mô phỏng được phương pháp hình thành của thiên nhiên từ mức tận cùng phân tử.

Cho đến nay, vẫn còn vô số chi tiết mà con người chưa thể nắm bắt vì ta chưa thể "nhìn" được các phân tử sinh học với những chi tiết và cơ chế vận hành đặc thù của chúng. Các nhà nghiên cứu sinh học cần kính hiển vi với độ phân giải đến mức nanomét (nm). Kính hiển vi quang học không thể quan sát vật nhỏ hơn 200 nm. Kính hiển vi điện tử (electron) có thể quan sát đến vài mươi nanomét nhưng năng lượng của electron sẽ "giết chết" các phân tử sinh học. Giải Nobel Hóa học năm 2014 mới đây được trao cho Stefan Hell, Eric Betzig và William Moerner về công trình khám phá kính hiển vi huỳnh quang cho việc quan sát các hoạt động trong trạng thái "sống" của phân tử sinh học ở độ phân giải nanomét. Khám phá vĩ đại này cho ta những tia huỳnh quang vén mở phần nào cái bí ẩn của thiên nhiên giúp ta thắp sáng các phân tử, hiểu theo cả nghĩa đen và nghĩa bóng, để nhìn và theo dõi những "hành vi" của chúng các trong các hoạt động sinh học.

Quan sát sẽ đưa đến việc lý giải nguyên lý và cơ chế của các đáp án sinh học trong việc tổng hợp, cách thiết kế có tôn ti và sự hợp nhất thành một hệ thống. Mô phỏng những yếu tố này là một yêu cầu tối quan trọng trong nỗ lực chế tạo những vật liệu nhân tạo và thiết bị tiên tiến có những đặc tính tương đương với vật liệu thiên nhiên và bộ phận sinh học. Học hỏi từ thiên nhiên và hiểu được nguyên lý và cơ chế của thiên nhiên không những sẽ cho con người một phương thức và một cách nhìn khác trong khoa học hiện đại, mà còn mở rộng sự hiểu biết về những cái kỳ bí của hệ thống và chức năng sinh học. Những bước tiến trong lĩnh vực này chỉ có thể thực hiện khi có sự cộng lực giữa các ngành khoa học như sinh học, y học, hóa học, vật lý, toán học, vật liệu học, công trình học (engineering) và công nghệ nano.

Gần 2.500 năm trước, Aristotle đã từng băn khoăn "có một cái gì đó rất kỳ diệu". Con người ngày nay chia sẻ niềm băn khoăn đó và tìm kiếm sự kỳ diệu trong cái thông thái vô tận của thiên nhiên. Bài viết này giới thiệu sơ lược một vài thí dụ về sản phẩm và hệ thống sinh học như xương động vật, vỏ bào ngư, da cá, sự quang hợp trong vi khuẩn và thực vật, và khả năng định hướng của loài chim. Những điều này xem chừng rất đổi bình dị, không màu mè trang sức của cuộc sống đời thường nhưng lại là những kỳ công của sự tiến hóa trải qua hàng tỷ năm. Làm sao xương có thể là giàn giáo bền cứng cho việc đi đứng của muôn loài động vật mà nguyên liệu chính chỉ là một hợp chất của vôi (calcium)? Vỏ bào ngư cũng từ hợp chất vôi nhưng cấu trúc tôn ti của chúng có thể được mô phỏng để chế tạo áo giáp hay vật liệu chống công phá tuyệt vời. Từ vật cứng như xương sang vật mềm như da cá, thiên nhiên cũng đã ban cho các loài cá lớn nhỏ những thiết kế làm giảm tối đa sức cản của nước để chúng bơi thoải mái. Cuối cùng, sự quang hợp để vi khuẩn dưới lòng biển sâu sống còn, cho cây ngàn xanh lá, và "nam châm" định hướng của loài chim bay muôn dặm đã cho thấy sự thống trị của hiệu ứng lượng tử. Vi khuẩn, lá cây và loài chim biết làm thuật toán lượng tử như máy vi tính lượng tử ư ? Vâng, từ kết quả thực nghiệm, đó là sự thật không hơn không kém. Như vậy, liệu thuyết lượng tử có ảnh hưởng sâu xa đến sự chọn lọc tự nhiên trong quá trình tiến hóa của muôn loài ? Câu trả lời sẽ là đề tài lớn của ngành "Sinh học lượng tử" trong thế kỷ 21.

 

2. Khoáng hóa sinh học

 

2.1 Xương động vật

 

Khả năng của thiên nhiên chế tạo một cấu trúc bằng các khoáng chất vô cơ là một điều kỳ diệu cuốn hút sự chú ý của các nhà khoa học từ nhiều năm qua. Sự hình thành bộ xương của thai nhi, vỏ sò, trẻ con mọc răng hay xương gãy lại lành là những quá trình phức tạp xảy ra trong cơ thể con người hay động vật trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường. Ta thường xem đó là một việc đương nhiên, nhưng nếu là các vật dụng làm từ khoáng chất dù rất thông thường do con người tạo ra như thủy tinh, gốm sứ thì cũng phải cần nung chảy hay thiêu kết (sintering) đến nhiệt độ cao đến một vài ngàn độ. Chưa kể có một số phương pháp cần cả nhiệt độ và áp suất cao.

Tuy nhiên, khoáng hóa sinh học không phải là một quá trình tùy tiện có tính ngẫu nhiên, mà là sự tổng hợp đưa đến một sản phẩm thích nghi cho từng ứng dụng, không thừa không thiếu. Thí dụ, bộ xương các loài động vật tại sao phần lớn là sợi collagen, calcium và phosphate mà không phải là kim loại? Trong bào thai xương thoạt đầu chỉ là xương non mà phần lớn là collagen, không cứng lắm nhưng rất dai. Collagen là một loại protein hay một polymer sinh học nhiều nhất trong các loài động vật. Khi bào thai lớn dần thì sự khoáng hóa xảy ra với tạo ra composite với calcium và phosphorus trong dạng 3Ca₃(PO₄)₂.Ca(OH)₂, gọi là hydroxylapatite (HA). Sự khoáng hóa tiếp tục cho đến khi đứa bé trưởng thành thì xương có độ cứng (mô-đun Young) gia tăng 30 lần đến 20 GPa (độ cứng của thép 203 GPa)và độ bền (tensile strength) có trị số 150 MPa (độ bền của thép 250 -1200 MPa). Vì vậy, khi so với thép, xương có độ bền và độ cứng 10 lần nhỏ hơn có lẽ không phải là vật liệu thích hợp để xây dựng một giàn giáo cho việc đi đứng. Phải chăng Mẹ Thiên nhiên đã sai lầm ? Không, Mẹ Thiên nhiên đã thiết kế xương có độ bền cứng vừa đúng với sự đi đứng của các loài động vật. Thép quá nặng cho việc di chuyển đi lại nếu thép là vật liệu cho xương. Thật ra, cơ thể động vật chứa một số nguyên tố kim loại nhưng thường không phải là những nguyên tố chính vì hàm lượng rất nhỏ.

Khác với các vật liệu nhân tạo mà con người có thể chế tạo ra nhiều vật liệu từ nhiều nguồn hợp chất và nguyên tố, nguyên liệu nguồn của vật liệu thiên nhiên rất giới hạn. Từ khi quả đất hình thành, hơn 4 tỷ năm đã trôi qua nhưng số nguyên tố dồi dào có trong biển, trên mặt đất, khí quyển chỉ là carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), hydrogen (H), calcium (Ca), phosphorus (P), lưu huỳnh (S) và silicon (Si). Những chất rắn được hình thành từ những nguyên tố này thường giòn và yếu. Nhưng Mẹ Thiên nhiên không có nhiều lựa chọn về vật liệu, nên bắt buộc phải sử dụng những nguyên tố có sẵn rồi đi tìm một đáp án để có được độ bền cứng và độ dai thích hợp cho xương. Đáp án đó là một thiết kế có sự tôn ti từ dưới lên, nghĩa là từ mức nguyên tử đến mức vĩ mô. Thật ra, đã có một nhà khoa học [1] đặt vấn đề: những chất liệu trong xương con người không có gì là ưu việt, nếu xương của chúng ta là thép thì có lẽ thể chất con người sẽ tốt hơn rất nhiều. Nếu có người hành tinh trong vũ trụ ngoài kia có bộ xương thép thì bộ xương của họ có cơ tính lớn gấp 4 lần xương người, thì họ sẽ cao hơn 4 lần (~7 m) và nặng hơn 64 lần (4x4x4).

Như thế, nếu thiên nhiên có nhiều nguyên tố sắt liệu một con vật to lớn như voi có thể trang bị bộ xương bằng thép? Chưa hẳn, vì không cần thiết. Mẹ Thiên nhiên mang phong cách của một người có lối làm việc chỉ bỏ ra công sức tối thiểu (minimalist) nhưng muốn đạt hiệu quả tối đa. Cho nên thiên nhiên rất bảo thủ trong thiết kế, không muốn tạo ra nhiều loại xương có thành phần khác nhau cho các độ lớn hay chủng loại khác nhau. Xương của một sinh vật nhỏ như chuột, mèo và to lớn như voi hay trung bình như con người đều được thiên nhiên tạo ra cùng thành phần và có cơ tính giống nhau. Nhưng sự di chuyển của những sinh vật to lớn có khuynh hướng chậm rãi, từ tốn hơn sinh vật nhỏ. Voi không nhảy nhót, tung tăng như chuột và gãy xương thường xảy ở những động vật to lớn.

Xương là một composite giữa sợi protein collagen và các hạt tinh thể HA mà ta có thể xem như hạt nano gốm (ceramic). Như vậy, xương là một kết hợp hài hòa giữa nhu (collagen) và cương (hạt gốm HA) và hình thành "từ dưới lên". Trước hết, ta có amino acid (độ lớn 1 nm) là đơn vị cơ bản tạo thành protein collagen (300 nm). Collagen sẽ kết tập thành sợi collagen (1 mm) được gia cường bởi các tinh thể nano HA hình thành bởi sự khoáng hóa. Đây là sợi cơ bản của xương. Các sợi này sẽ tạo nên chùm sợi (10 mm), rồi kết tập thành lớp sợi (50 mm). Những lớp sợi sẽ tạo ra một cấu trúc hình ống gọi là osteon (100 mm), đơn vị chức năng của xương (50 cm). Như thế, xương có thể xem như là một composite sinh học có chất nền là collagen được gia cường bởi những hạt gốm HA. Sự hình thành của xương hoàn toàn là do cơ chế tự lắp ráp (self-assembly) có tôn ti. Từ amino acid đến xương ta có 7 bậc tôn ti (Hình 1).

Hình 1: Cấu trúc tôn ti của xương từ mức vi mô (nanomét)
đến mức vĩ mô (centimét). Mineral crystals: tinh thể khoáng
(hạt gốm), fibril: sợi tơ, fiber: chùm sợi (Google search).

Nếu chỉ nhìn vật liệu một cách phiến diện và chỉ đơn thuần qua cơ tính, các loại composite nhân tạo được chế tạo bằng epoxy với sợi carbon có độ bền cứng tương đương với xương và rất phổ biến trong công nghệ ô tô, tàu thủy. Trong thể thao điền kinh có một vận động viên người Nam Phi tên là Oscar Pistorius. Pistorius khuyết tật không có hai chân, nên được gắn hai "chân" làm bằng composite được chế tạo từ epoxy và sợi carbon. Anh chạy đua điền kinh với các vận động viên đầy đủ tứ chi đạt được những thành tích đứng đầu. Có một lúc anh bị cấm tham gia vì chuyên gia phân tích cho thấy đôi chân nhân tạo của anh có tính đàn hồi nhiều hơn chân thật nên anh có nhiều lợi điểm khi tranh đua. Việc này làm ta tự hỏi xương có thực sự là một sản phẩm tối ưu làm khung di động cho muôn loài động vật?

Nhưng khi chúng ta nhìn toàn diện, composite sợi carbon chỉ là một sự pha trộn đơn giản giữa hai vật liệu, epoxy và sợi carbon, mà không có một tôn ti đi từ mức vi mô đến mức vĩ mô như xương. Vì vậy, sự gia cường cũng không có tôn ti và khi có một tác lực từ ngoài lên composite cơ chế hấp thụ năng lượng duy nhất là sự kéo giãn của sợi carbon. Ngược lại, thiên nhiên đã thiết kế xương để di động, chạy nhảy, từ ngày này qua ngày nọ, năm này đến năm kia cho đến suốt đời. Thiên nhiên còn đã dự phòng ngay từ thang phân tử cho việc chống gãy nứt và tự chữa (self-healing) nếu sự gãy nứt xảy ra. Composite sợi gia cường nhân tạo không có những đặc tính này.

Một vật liệu có độ chống gãy nứt cao khi nó có khả năng hấp thụ năng lượng của chấn động và va đập mà nó phải hứng chịu. Vật liệu giòn như thủy tinh dễ bị gãy nứt nhưng thép bền dai vì thép có khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn thủy tinh. Để hiểu rõ sự gãy nứt, đổ vỡ của vật liệu, Alan A. Griffith (1893-1963) kỹ sư cơ khí người Anh, đã đưa ra một tiêu chuẩn gọi là độ dài vết nứt tới hạn (critical crack length), a_c. Theo Griffith, độ dài này được diễn tả một cách định tính như sau [2],

a_c ~ Năng lượng cần thiết tạo ra vết nứt / Năng lượng tích trữ do sức căng

Năng lượng cần thiết là năng lượng bề mặt (surface energy) và năng lượng tích trữ liên quan đến ứng suất (lực tác dụng) và độ cứng (mô-đun Young).

Trong mọi vật liệu đều có những vết nứt tiềm ẩn, một phần được tạo ra ngẫu nhiên trong lúc chế tạo thành phẩm, một phần gây ra bởi va đập, trầy xước trong lúc sử dụng. Khi vật liệu hứng chịu một ngoại lực, thì a_c tương ứng có thể tính được theo lý luận Griffith (Phụ lục). Lúc đó, nếu những vết nứt tiềm ẩn nhỏ hơn độ dài a_c thì an toàn. Nếu lớn hơn thì sự gãy đổ xảy ra bất thần, rất nhanh vì vận tốc triển khai của vết nứt tương đương với vận tốc tiếng động trong không khí. Trong một tích tắc, cầu sẽ sập, tàu sẽ gãy và máy bay sẽ rớt. Để hình dung sự lợi hại của tiêu chuẩn Griffith, hãy tưởng tượng một quả bong bóng được thổi phình. Vì là cao su nên năng lượng cần thiết tạo ra vết nứt rất nhỏ, nhưng năng lượng tàng trữ bởi sức căng rất to. Cho nên, độ dài a_c rất ngắn khoảng vài micromét (μm, phần ngàn của milimét). Chỉ cần dùng cây kim châm nhẹ tạo vết nứt (đầu nhọn cây kim có đường kính 0,5 mm = 500 μm dài hơn a_c) thì bong bóng nổ "pop" nghe giòn tai. Một hiện tượng bình thường nhưng ít người đặt câu hỏi vì sao cây kim làm nổ bong bóng. Tương tự, ta hình dung dễ dàng thủy tinh là vật liệu giòn dễ vỡ vì năng lượng để tạo ra vết nứt trong thủy tinh nhỏ (xem Phụ lục để biết phương pháp tính a_c của thủy tinh).

Tiêu chuẩn a_c của Griffth đơn giản nhưng cũng là một cơ bản để chọn lựa vật liệu thiết kế từ cái cầu, chiếc tàu đến một con ốc. Về việc chọn lựa vật liệu cho một cấu trúc lớn như cây cầu hay chiếc tàu làm bằng thép, người ta phải thiết kế sao a_c có độ dài ở khoảng một vài mét. Theo phương trình P9 (Phụ lục) của Griffith, để có được tiêu chuẩn này độ bền của thép phải nhỏ nên người ta sẽ chọn loại thép mềm (mild steel). Nhưng để chế tạo một con ốc vặn, ta không cần a_c dài 1 mét mà chỉ cần trong khoảng 1 cm. Như vậy, ta có thể dùng loại thép có độ bền cao (high tensile strength) cho các loại ốc mà khi ta siết mạnh mà không sợ bị phá vỡ.

Trở lại sự gãy nứt của xương. Thiên nhiên thật sự rất chu đáo đã thiết kế xương có những cơ chế chống gãy nứt, hay nói cách khác, xương có sự gia cường với tôn ti từ cấp vi mô, ở mức độ phân tử, cho đến cấp vĩ mô. Cái nhu của collagen làm cho xương có khả năng hấp thụ năng lượng như cao su. Khi xương bị lão hóa, collagen không còn bền và "nhu" như lúc trẻ mà trở nên giòn nên sự hấp thụ năng lượng giảm đi. Cái cương của HA ngăn bước tiến của vết nứt bằng cách gia cường các sợi (fibril) collagen (1 mm), gia tăng độ bền và độ dai của collagen. Trong các composite nhân tạo người ta thường dùng chất độn cứng để gia cường, bê tông có chứa đá sỏi là một thí dụ dễ hiểu nhất. Nhưng kích cỡ của chất độn không được lớn hơn độ dài tới hạn Griffith của vết nứt. Nếu kích cỡ đá sỏi trong bê tông quá to thì sự gia cường cho xi măng trở nên vô nghĩa. Tệ hại hơn, đá sỏi sẽ trở thành điểm nhấn nơi đó ứng suất bị phóng đại nên khi có ngoại lực tác động viên đá sỏi này sẽ là điểm xuất phát các đường nứt và phá sập toàn bộ bê tông. Ở điểm này, thiên nhiên dường như cũng đã hiểu được ý nghĩa và tính toán được độ dài tới hạn Griffith để thiết kế hạt gốm HA ở mức nanomét. Kích cỡ của hạt gốm HA nhỏ hơn rất nhiều độ dài vết nứt tới hạn của xương.

Khi xương bị một chấn động mạnh vì trợt té hay từ một cú nhảy từ trên cao, việc gì sẽ xảy ra theo tôn ti từ dưới lên trên của xương. Ta hãy xem khúc phim quay chậm cho thấy xương phản ứng ra sao trước một xung lực từ vi mô đến vĩ mô. Trước hết, các phân tử collagen có hình xoắn như chiếc lò xo sẽ bị kéo giãn bởi lực tác động. Các phân tử collagen trượt lên nhau và các nối liên phân tử (intermolecular bond) như nối hydrogen, nối ion sẽ gãy đứt. Như vậy, ở mức phân tử, sự kéo giãn, trượt và gãy đứt đã hấp thụ một phần năng lượng va đập áp đặt từ bên ngoài. Các loại nối là "vật hy sinh" nhưng sau đó chúng sẽ được hình thành trở lại.

Đi lên một mức cao hơn ở micromét và milimét, các chùm sợi collagen được gia cường bởi HA cũng bị kéo giãn và đứt (Hình 2). Nhờ vào quá trình này, vết nứt không đi tới. Khi lên đến mức vĩ mô cấp centimét, các chùm sợi collagen kết tập thành từng lớp ở nhiều hướng khác nhau để hình thành osteon hình ống bền chắc (~ 10 cm). Osteon hành xử như chất độn cứng khiến cho vết nứt một mặt lệch đi hướng khác và một mặt làm cùn đầu vết nứt (Hình 2). Khi vết nứt bị cùn đầu thì ứng suất ở đầu vết nứt giảm đi rất nhiều và ngăn chặn sự lan truyền của vết nứt [3].

 

Hình 2: (a) Ở cấp vi mô micromét, những chùm sợi collagen được cường hóa
bởi hạt gốm HA, hấp thụ năng lượng va đập qua việc kéo giãn sợi làm giảm
sự lan truyền vết nứt. (b) Ở cấp vĩ mô milimét và centimét,
những ống osteon hành xử như chất độn cứng làm lệch hướng đi
và làm cùn đầu vết nứt ngăn chặn sự lan truyền của vết nứt.

 

2.2 Vỏ bào ngư

 

Một tuyệt tác khác của thiên nhiên là mai rùa, vỏ bào ngư (xa cừ), ốc hến, tôm cua, các loài mà ta thường gọi là "hải sản"… Ta thường "thưởng thức" chúng, chén chú chén anh với vài cốc bia, lắm lúc bực bội với cái vỏ che thân vô cùng bền cứng của chúng. Nếu dùng từ văn vẻ khoa học thì bào ngư, ốc hến được gọi là loài ngoại cốt (xương bên ngoài, exoskeleton) trong khi động vật có vú là loài nội cốt (xương bên trong, endoskeleton). Chỉ ở vị trí trong hay ngoài, thiên nhiên đã có sự thiết kế khác nhau. Bộ xương là khung cho sự di động, trong khi vỏ là một thứ áo giáp bảo vệ thân thể. Thoạt nhìn, vỏ của các loài nghêu sò ốc hến xem như không gì liên quan đến các bộ chén dĩa trong nhà bếp, gạch men đắt tiền, xinh đẹp dùng để trang trí nhà cửa, nhưng về chất liệu chúng có nhiều điểm tương đồng. Chúng cùng được hình thành từ chất vô cơ (chiếm 95%), carbonate cho vỏ sò và oxide cho các bộ chén đĩa gốm sứ. Nhưng ta sẽ nhận thấy được sự khác biệt rất lớn khi ta lỡ tay đánh rơi chúng. Trong khi chén đĩa sẽ bể tan tác thì vỏ sò các loại vẫn còn nguyên vẹn, thậm chí có nhiều loại vỏ không gì hề hấn dù bị chọi mạnh vào đá. Phấn viết bảng cùng có hợp chất calcium carbonate như vỏ sò, bào ngư, nhưng sự khác nhau một trời một vực về sự bền cứng của viên phấn và vỏ bào ngư là một thường thức. Nói một cách định lượng, vỏ bào ngư có cơ tính 3.000 lần lớn hơn viên phấn.

Đó là kinh nghiệm thường ngày, nhưng tại sao cơ tính lại có sự khác biệt to lớn như vậy? Để trả lời câu hỏi này ta thử nhìn vào cấu tạo của vỏ bào ngư qua kính hiển vi. Trong kính hiển vi vỏ bào ngư được hình thành bởi những mảnh gốm phẳng có độ dày khoảng 1 µm giống như bức tường gạch được chồng chập một cách trật tự bởi người thợ nề (Hình 3). Cấu trúc này hoàn toàn khác với xương động vật và rõ ràng là một áo giáp phòng vệ chống những xung kích đến từ bên ngoài. "Xi măng" của cấu trúc này là một loại protein làm dính các mảnh gốm này lại với nhau.

 

(a)	(b)
Hình 3: (a) Vỏ bào ngư và (b) vết nứt là một đường khúc khuỷu (Google search).

 

Vỏ bào ngư là hình ảnh vi mô của một chồng gạch dính vào nhau bằng xi măng. Khi có một lực đập mạnh từ ngoài thì vết nứt sẽ đi theo dọc đường "xi măng" giống như bức tường. Cơ chế làm lệch hướng đi và cùn đầu vết nứt của osteon trong xương được lặp lại trong vỏ bào ngư. Như trong Hình 3, vết nứt là một con đường đi khúc khuỷu dọc theo lớp "xi măng". Ta thấy đường khúc khuỷu làm cho vết nứt không thọc sâu vào trong. Điều này giải thích được hiện tượng một mảnh gốm sứ sẽ dễ vỡ hơn so với vỏ bào ngư có kích cỡ tương đương.

Cấu trúc bức tường gạch với lớp "xi măng" mềm là một cấu trúc tối ưu cho áo giáp chống lực tấn công. Nhưng chất "xi măng" của vỏ bào ngư không đơn giản như xi măng của con người. Nó là chất protein, tức là một vật liệu mềm, "dính" vào với các mảnh gốm bằng những nối hóa học. Những "viên gạch" là calcium carbonate chiếm 95% và "xi măng" protein chiếm 5%. Ta lại thấy sự kết hợp "cương" và "nhu" trong xương được lặp lại trong vỏ bào ngư trong một sắp xếp khác. Nó cho ta thấy rằng, dù calcium carbonate là một vật liệu có cơ tính tầm thường, nhưng cũng như xương, khi có một lực tấn công lên mặt vỏ, các nối hóa học giữa chất keo protein và mặt gốm sẽ đứt. Vết nứt tiến vào trong môi trường protein mềm. Vì mềm, nên một phần năng lượng của lực bị hấp thụ làm giảm tiến trình đi tới của vết nứt.

Nhưng đây chỉ là một cách nói định tính. Muốn mô phỏng vỏ bào ngư, ta cần con số định lượng. Nhìn lại Hình 3b và hiểu theo thường thức, nếu những viên gạch quá mỏng và quá dài, đường đi của lực không phải là đường khúc khuỷu mà sẽ là đường thẳng phá vỡ những viên gạch. Nhưng thiên nhiên rất thông minh, đã tính toán và có đáp áp tối ưu với những con số thích ứng về độ dài ngắn, dày mỏng của những "viên gạch" bào ngư để hướng xung lực đi vào những con đường loanh quanh nhằm phát tán sức công phá của nó. Như sẽ được đề cập chi tiết ở phần kế tiếp, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy lời giải này và mô phỏng nó để chế tạo áo giáp và vật liệu chống công phá.

 

2.3 Mô Phỏng

 

Áo giáp là một công cụ phòng vệ có từ khi loài người xuất hiện, biết chế tạo vũ khí, tranh dành và đánh nhau. Ngày nay, composite gia cường bởi sợi polymer Kevlar là một vật liệu thông dụng làm áo giáp hay nón cối chống đạn hay công phá. Khi chưa có sợi Kevlar, thép vẫn là vật liệu cho áo giáp và nón cối quân dụng mãi cho đến thời cận đại. Dù các composite sợi Kevlar nhẹ hơn rất nhiều so với thép nhưng chiếc áo giáp composite cũng không dưới 20 kg. Sự thông dụng của sợi Kevlar dùng trong áo giáp là do độ dai (toughness) lớn hơn các sợi hữu cơ hiện có trên thị trường. Vỏ của các loài giáp xác là một thí dụ tiêu biểu của áo giáp thiên nhiên. Nhưng thiên nhiên không tạo ra áo giáp cùng một thể loại cho muôn loài. Tùy vào điều kiện và môi trường sống, vỏ của sinh vật sống dưới nước đã đi qua quá trình tiến hóa khác nhau để thích nghi với hoàn cảnh. Có loại mỏng nhẹ như vảy cá để cá có thể di động cho đến loại thật dày như mai rùa. Dù cho thể loại có khác nhưng trên phương diện cấu trúc và hình thành, Mẹ Thiên nhiên đều sử dụng những nguyên lý giống nhau.

Nhu cầu làm áo giáp hay những vật liệu chống công phá lúc nào cũng là một đề tài nghiên cứu đặc biệt cho các ứng dụng dân sự và quốc phòng. Cũng vì lý do này, số lượng các công trình nghiên cứu và mô phỏng về các loại vỏ giáp xác nhiều hơn các công trình nghiên cứu về xương. Để chống sức công phá của một xung lực, một viên đạn chẳng hạn, vật liệu cần phải hấp thụ phần lớn năng lượng tạo ra từ sự va đập của viên đạn. Khả năng hấp thụ tùy vào độ bền cứng, độ dai và mật độ của vật liệu áo giáp. Sự kết hợp và hòa hợp "cương nhu" phải được phát huy ở mức tối đa. Một trường hợp đơn giản nhất là nguyên lý kết hợp vật liệu "cương nhu" đã được triển khai cho thân tàu thủy, tàu ngầm và xe bọc sắt trên chiến trường. Khi một lớp phủ polymer dày vài centimét được áp dính vào mặt sau của vỏ thép thì sự công phá lên trên mặt thép bị giảm thiểu rất nhiều nhờ vào sự phân tán xung lực rất hữu hiệu của lớp thép ngoài và sự hấp thụ năng lượng xung lực của lớp polymer bên trong. Cơ chế hấp thụ năng lượng của tổ hợp cương nhu này vẫn chưa được hiểu rõ nhưng đã có nhiều mô hình toán học được lập ra để tối ưu hóa các biến số nhằm phân tán sức công phá và gia tăng sự hấp thụ.

Đặc điểm của composite thiên nhiên như xương hay vỏ giáp xác là thành phần "cương" chiếm 95%. Mô phỏng theo composite thiên nhiên, những composite nhân tạo dùng polymer (thành phần "nhu") và các mảnh gia cường vô cơ có kích cỡ nanomét đã được chế tạo theo cấu trúc bức tường gạch của vỏ bào ngư. Những mảnh nano vô cơ là thủy tinh, silicon carbide (SiC), aluminium boron (AlB₂), mica hay đất sét (clay). Nanocomposite với mảnh nano khoáng chất từ đất sét đã được nghiên cứu trong nhiều thập niên qua vì giá rẻ và dễ chế tạo. Các nanocomposite nhân tạo này có cơ tính đạt được đồ bền cứng cao khi các mảnh gia cường có hàm lượng thấp. Nhưng khi hàm lượng gia tăng hơn 10% thì sự gia cường mất hiệu lực. Lý do chính là trong khi chế tạo nanocomposite bị pha trộn "loạn xạ", không có sự sắp đặt tôn ti như composite thiên nhiên.

Việc mô phỏng vỏ các loài giáp xác để chế tạo các vật liệu chống công phá là một đề tài nghiên cứu trong hai thập niên qua [4-5]. Trước tiên, chúng ta cần phải hiểu cấu tạo và kích thước của những "viên gạch". Một nhóm nghiên cứu tại Thụy Sĩ [6] đã dùng mô hình toán học để tính tỷ số tối ưu giữa chiều dài và độ dày của những "viên gạch" sao cho vỏ vừa bền (strength) và vừa dai (toughness). Nói cách khác, khi lực tác động thì lực không phá vỡ các "viên gạch" gia cường. Nhóm này làm khảo sát thực nghiệm 5 loại vỏ giáp xác và phát hiện cả 5 loại vỏ đều có những "viên gạch" với tỷ số giữa chiều dài và độ dày gần với trị số tối ưu của mô hình toán học. Thật là một điều kỳ diệu. Trong khi con người hiện đại loay hoay với mô hình toán phức tạp để tính những con số thì Mẹ Thiên nhiên trong quá trình tiến hóa đã đạt được sự tối ưu từ hàng trăm triệu năm trước.

Dựa vào những số liệu và tính toán trên, một nhóm nghiên cứu khác [7] mô phỏng vỏ bào ngư, dùng những mảnh alumina (Al₂O₃) làm những "viên gạch" gia cường cho chất nền polymer. Những "viên gạch" có độ dày tương đương với các mảnh gốm trong vỏ bào ngư (~200 nm) và chiều dài được thiết kế sao cho tỷ lệ chiều dài và bề dày có trị số tối ưu. Kết quả cho thấy khi có tỷ lệ tối ưu, các mảnh alumina không bị phá vỡ, nhờ vậy độ bền được duy trì và xung lực bị phân tán và hấp thụ bởi cơ chế trượt của alumina nhờ vậy độ dai gia tăng (Hình 4). Nếu mảnh alumina quá dài vết nứt sẽ đi xuyên qua và phá vỡ mảnh, và nếu quá ngắn sự truyền tải và phân tán lực sẽ mất hiệu lực. Công trình này đã chế tạo thành công một composite có độ bền cứng và độ dai chống gãy nứt rất hiệu quả nhờ vào sự điều chỉnh tối ưu bề dày và chiều dài của những mảnh alumina.

 

Hình 4: (a) Khi chiều dài của mảnh alumina (viên gạch)
dài hơn trị số tối ưu thì lực sẽ phá gãy các "viên gạch".
(b) Khi có tỷ lệ tối ưu, mảnh alumina vẫn nguyên vẹn và
xung lực bị phân tán và hấp thụ bởi cơ chế trượt của mảnh alumina.

 

Một thành quả khác của công trình này là họ chỉ dùng 15% alumina trong chất nền polymer, 6 lần ít hơn lượng gia cường argonite (~ 95% CaCO₃) của vỏ bào ngư, nhưng độ bền cứng và độ dai to gấp nhiều lần vỏ thiên nhiên này. Nhược điểm của xương động vật và vỏ giáp xác là khoáng chất vô cơ, không có hợp chất kim loại. Nhưng ưu điểm của chúng là sự sắp xếp có tôn ti từ phân tử đi lên. Mẹ Thiên nhiên không có cách nào hơn là dùng ưu điểm để tối ưu hóa nhược điểm. Nhưng làm sao trong quá trình tiến hóa, Mẹ Thiên nhiên biết rút kinh nghiệm, tự học hỏi, sáng tạo từ những khoáng chất có cơ tính "tồi" để chế tạo những sản phẩm dùng suốt đời. Đây là một bí ẩn lớn chưa có lời giải đáp.

Trị số tối ưu của tỷ số giữa chiều dài và bề dày viên gạch chỉ là một mặt nhỏ của "bí ẩn" thiên nhiên, nên việc thực dụng hóa công trình này cần nhiều thời gian nghiên cứu. Chẳng hạn, làm sao có thể dồn được 95% alumina hay các oxit kim loại như thiên nhiên đã dồn 95% CaCO₃ vào vỏ các loài giáp xác? Ngoài ra, để chế tạo áo giáp chất nền phải là vật liệu mềm như cao su thích ứng cho sự chuyển động của cơ thể, và phải thông hiểu cơ chế hình thành của cấu trúc tôn ti. Nếu thực hiện được những điều này thì quả tình con người có thể chế tạo được một composite bền chắc hơn cả "thành đồng vách sắt" cho áo giáp, vỏ xe tăng, tàu chiến và tàu ngầm.

Như trên, chỉ cần 15% alumina và theo nguyên lý của tỷ số tối ưu, người ta đã có thể chế tạo được một composite tuyệt vời có cơ tính hơn cả vỏ bào ngư. Câu hỏi của một nhà khoa học ở trên [1] về việc tại sao xương động vật không phải thép mà chỉ là vôi, thật ra không phải là một câu hỏi ngớ ngẩn. Con người mô phỏng các vật liệu sinh vật nhưng dùng nguyên liệu tốt hơn để chế ngự những cái mong manh vốn có trong thế giới sinh vật. Đây mới là đỉnh cao của trí tuệ loài người! Nhưng con người vẫn còn một quảng đường rất xa, xa lắm để bắt kịp trí tuệ thiên nhiên.

 

3. Giảm lực cản của dòng chảy và da cá

3.1 Các phương pháp giảm lực cản

Giả dụ ta đang ở trên chiếc du thuyền dạo chơi ngoài biển khơi vào mùa hè rực nắng. Chiếc thuyền vượt trùng dương, lướt đi lúc nhanh lúc chậm trên mặt biển lung linh sóng nước. Nhìn vào dòng nước chảy dọc theo mạn thuyền, ta nhìn thấy lúc thuyền chạy chậm thì dòng nước chảy một cách "hiền hòa", lúc chạy nhanh thì dòng nước cuồn cuộn nổi sóng, phì phèo bọt nước, tạo ra tiếng ồn phần lớn gây ra từ sự vỡ của vô số bong bóng nước. Trong thủy động lực học, người ta gọi dòng chảy "hiền hòa" là dòng tầng (laminar flow) và dòng chảy cuồn cuộn là dòng rối (turbulent flow). Dòng tầng hay dòng rối cũng có thể quan sát được dễ dàng từ vòi nước trong nhà. Khi ta mở vòi, vặn nhỏ thì dòng nước chảy đều đặn, ta có dòng tầng nhẹ nhàng không nghe tiếng động. Nhưng khi vặn to, dòng nước chảy mạnh, ta có dòng rối phì phèo bọt nước gây tiếng động.

Từ những quan sát đơn giản trên ta nhận thấy ngay khi vận tốc dòng chảy gia tăng thì dòng tầng sẽ trở thành dòng rối. Dòng tầng của lưu thể, dù là thể khí hay thể lỏng, là dòng chảy lý tưởng vì khác với dòng rối nó không gây nhiễu, ít sức cản gây ra bởi lưu thể và ít tiếng động. Nhưng con người vốn nhiều tham vọng, chúng ta muốn có dòng tầng dù vận tốc gia tăng. Câu hỏi được đặt ra là: có phương cách nào để khi gia tăng vận tốc ta có thể khống chế sự chuyển biến dòng tầng sang dòng rối, duy trì được dòng tầng của lưu thể? Nói cách khác, làm thế nào để tránh sự xuất hiện của dòng rối khi gia tăng vận tốc? Nguyên lý của thủy động lực học đã có câu trả lời: làm giảm sự ma sát giữa dòng chảy và vật di chuyển. Những công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này kéo dài cho đến nay đã hơn bảy thập niên [8]. Có thể nói đây là một vấn đề quan trọng hàng đầu cho những vật chuyển động trong lưu thể (không khí, nước), từ một trái banh golf nhỏ bé đến chiếc máy bay vận tải Antonov khổng lồ, hay từ một con cá mập hung tợn đến chiếc tàu ngầm chuyển động lặng lẽ trong lòng biển. Nó cũng là một vấn đề quan trọng cho việc tiết kiệm năng lượng trong việc lưu chuyển các loại dầu thô trong ống dầu dài hàng mươi ngàn cây số.

Một trong những phương pháp hữu hiệu để có được dòng tầng là thiết kế hình dạng của vật chuyển động. Các công ty chế tạo xe hơi hay máy bay đã bỏ nhiều vốn vào việc tối ưu hóa hình dạng nhằm tránh sự xuất hiện của dòng rối của không khí, giảm thiểu lực cản gây ra bởi sự ma sát giữa không khí và vật. Những vòng xoáy (vortex) của dòng rối là nguyên nhân của mọi vấn đề. Chúng gây ra lực cản và tiếng động. Khi hình dạng được cải thiện những vòng xoáy phiền toái sẽ bị triệt tiêu (Hình 5), xe hay máy bay có thể chạy hoặc bay nhanh hơn mà ít hao tốn nhiên liệu.

Hình 5: Tối ưu hóa hình dạng xe để tránh sự xuất hiện của dòng rối với những vòng xoáy (hình trên) để tạo ra dòng tầng bằng cách nâng mui xe (hình dưới).

Có lẽ, những người lái xe hơi cảm nhận rõ rệt trong vài mươi năm qua, lượng tiêu thụ xăng của xe giảm nhờ vào hình dạng xe được thiết kế tối ưu dù phân khối máy to hơn và xe chạy nhanh hơn. Cũng nhờ vào thiết kế, ta có thể nhận thấy rõ sự khác biệt giữa xe đời cũ và đời mới khi chạy trên đường cao tốc. Xe đời cũ bị gió giật mạnh trong khi xe đời mới chỉ là một cái rung nhẹ mỗi lần có xe chạy ngược chiều. Những người sử dụng máy bay thường xuyên cũng nhận thấy rằng, đầu tận cùng của đôi cánh máy bay được bẻ cong lên 90° thành hình chữ L. Không phải để làm cho đẹp mà để triệt tiêu dòng rối ở vùng tận cùng của đôi cánh.

Vấn đề lưu chuyển dầu thô trong ống dầu xuyên quốc gia dài hàng mươi ngàn cây số, nhất là đi qua những vùng băng giá, cũng cần phải có một kỹ thuật bơm dầu sao cho ít tốn hao năng lượng. Vào thập niên 40 mươi của thế kỷ trước, những nhà nghiên cứu lưu thể đã nhận ra rằng một lượng nhỏ của chất hoạt tính bề mặt (surfactant), một thành phần chính trong xà phòng, có khả năng làm giảm sự ma sát giữa lưu thể và thành ống. Nói cách khác, dầu có thể chảy nhanh hơn nhưng vẫn duy trì được dòng tầng, tiết kiệm rất lớn năng lượng dùng để chống lại sự ma sát giữa dòng chảy và ống dẫn. Bảy mươi năm sau cho đến ngày nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng giảm ma sát của các loại hoạt tính bề mặt vẫn còn tiếp diễn.

Một phương pháp khác là dùng polymer hòa tan trong nước, dung môi hay dầu cho ống dẫn dầu. Đặc biệt là chỉ cần dùng một vài phần triệu (par per million) lượng polymer là có thể làm giảm sự ma sát. Nếu ta không triệt tiêu được các vòng xoáy như trường hợp xe hơi (Hình 5), thì phải mang chúng ra xa hay ngăn chặn không cho chúng tiếp xúc với bề mặt vật chuyển động. Người ta gọi đây là hiệu ứng Toms được phát hiện vào năm 1948. Lợi điểm dùng một lượng nhỏ polymer đã hấp dẫn nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng cho đến nay. Một số lý thuyết dựa trên thủy động lực học cũng đã được thiết lập nhằm giải thích sự tương tác giữa phân tử polymer và dòng chảy. Nói một cách đơn giản, polymer như một sợi dây dài cuộn tròn, khi bị đặt dưới ảnh hưởng lực của dòng chảy thì phân tử polymer sẽ bị kéo dài ra. Việc biến đổi hình dạng từ dạng cuộn tròn đến sợi dây thẳng khiến cho độ nhớt (viscosity) của dung dịch polymer gia tăng. Khi dung dịch này nằm ở vùng tiếp giáp giữa lưu thể và vật thì các vòng xoáy lớn nhỏ của dòng rối bị "bức tường" dung dịch polymer có độ nhớt cao ngăn chặn không cho chúng chạm vào bề mặt của vật. Nhờ vậy, sự giảm lực cản xảy ra.

Phương pháp dùng chất hoạt tính bề mặt và polymer không những thông dụng trong ống dầu mà còn là đề tài nghiên cứu triển khai liên quan đến các ứng dụng cho tàu thuyền, vì việc thiết kế hình dạng tàu không có nhiều tự do như trong xe hơi hay máy bay. Đối với thiên nhiên, việc sử dụng chất hoạt tính hay polymer không có gì mới lạ. Khi cá bơi, vảy của chúng thường trực tiết ra chất nhờn để duy trì dòng tầng như chất hoạt tính bề mặt hay polymer. Chất nhờn cũng giúp cho cá không bị trầy xước khi va vào vật cứng và tránh sự bám dính của rong rêu hay vi sinh vật.

Trong quốc phòng, hải quân Mỹ và Liên Xô (cũ) ngay từ thập niên 50 của thế kỷ trước đã tích cực nghiên cứu việc sử dụng chất hoạt tính bề mặt và polymer xung quanh tàu ngầm để duy trì dòng tầng và kiềm chế tiếng động khi tàu di động ở tốc độ cao. Dòng rối và tiếng động là hai nhân tố chết người "thưa ông, con ở bụi này" mà đối phương dễ dàng phát hiện bằng những thiết bị truy lùng sonar. Trong phòng thí nghiệm, các kết quả thực nghiệm dùng chất hoạt tính hay polymer có thể làm giảm sự ma sát từ 50 đến 80%. Một kết quả kinh ngạc vì hiệu quả khá cao so với lượng nguyên liệu rất nhỏ được sử dụng. Nhưng, nếu áp dụng cho các tàu thuyền khổng lồ thì sẽ gây ô nhiễm môi trường. Dù là lượng nhỏ, nhưng nếu tàu thuyền dân sự lẫn quân sự đều dùng chất hoạt tính hay polymer thì biển sẽ tràn ngập bọt xà phòng và chất polymer.

Một phương pháp "xanh" hơn là dùng bọt (không khí) vi mô có kích cỡ khoảng milimét. Công trình nghiên cứu về bọt vi mô làm giảm sự ma sát và lực cản của dòng chảy đã kéo dài vài thập niên. Dù vậy, cho đến nay (2014) vẫn chưa có một lý thuyết thích hợp hay mô hình toán học thuyết phục khả dĩ giải thích được hiện tượng bọt vi mô làm giảm ma sát gây ra bởi dòng chảy [9]. Kết quả thực nghiệm cho thấy bọt vi mô có thể giảm lực cản đến 80% trên một mặt phẳng, 40% khi dòng chảy trong một đường kênh. Nếu kết hợp bọt vi mô và polymer thì kết quả cho thấy hai thành phần này rất tương hợp có thể dễ dàng giảm lực cản đến 80% [10]. Nhưng đây là con số thực nghiệm dựa trên những điều kiện lý tưởng. Dù vậy, tại Nhật Bản nghiên cứu ứng dụng vẫn tiếp tục cho các loại tàu có sàn tàu phẳng và chạy chậm như tàu hàng (tanker) (Hình 6) [11]. Kết quả thực nghiệm trên thân tàu cho thấy lực cản giảm 50% cho tàu dài 12 m và 32% cho tàu dài 50 m [12]. Thật sự, việc tiết kiệm nhiên liệu nhờ vào bọt vi mô và chi phí thiết kế và năng lượng tiêu hao cho việc tạo bọt phun dưới sàn tàu là vấn đề mà chủ tàu cần phải đắn đo suy nghĩ…

Hình 6: Bọt vi mô được phun dưới sàn tàu hàng làm giảm lực cản của dòng chảy [11].

3.2 Da cá heo

Max O. Kramers là một nhà nghiên cứu thủy động lực học nhưng có cái nhìn rất sinh học. Ông quan sát sự di động nhanh nhẹn và êm ái của cá heo và nảy sinh ra ý nghĩ chế tạo một vật liệu mô phỏng da cá heo. Trong thời đại của ông vào thập niên 50 của thế kỷ trước, khi sinh học là một ngành chỉ có tính miêu tả và gần như không có gì liên hệ đến vật lý, thì Kramer đã có cái nhìn mô phỏng từ thiên nhiên. Ông muốn chế tạo "da cá heo nhân tạo" hay là một lớp phủ mềm (compliant coating) có thể chiều theo áp suất của nước để làm giảm lực cản. Nếu một vật liệu mềm được phủ lên thân tàu thì những phiền toái do ô nhiễm gây ra bởi chất hoạt tính và polymer, hay sự tốn kém của máy phun bọt không khí sẽ không còn là yếu tố đắn đo. Kramer biến ý tưởng này thành một thí nghiệm trên một hồ nước bằng cách kéo một chiếc tàu con theo sau chiếc tàu mô-tô. Chiếc tàu con này được phủ lên một lớp cao su bên trong có chứa chất nhớt được chế tạo giống như biểu bì của cá heo [13-14]. Ông ghi nhận lực cản giảm đến 60%. Là một công trình tiên phong, kết quả của Kramer bị nghi ngờ trong một thời gian dài và cho đến 1985 mới được cộng đồng khoa học chấp nhận [15]. Mặc dù các công trình nghiên cứu tiếp theo công nhận hiệu quả giảm lực cản của lớp phủ mềm, nhưng khả năng giảm lực cản chỉ có 7%. Con số này vẫn chưa đạt được hiệu quả của da cá heo thật sự [16].

 

3.3 Da cá mập

 

Trong khi việc nghiên cứu "da cá heo nhân tạo" còn đang tiếp diễn thì công nghệ nano xuất hiện. Phương thức hình thành "từ dưới lên" của các bộ phận và hệ thống sinh học khiến cho các nhà khoa học đặc biệt lưu tâm đến da cá mập. Từ khi con người biết làm tàu viễn dương vài trăm năm trước, người ta nhận thấy rằng khi mạn thuyền gỗ được đánh nhám dọc theo hướng đi của dòng chảy thì tàu chạy nhanh hơn. Nhưng đây chỉ cảm nhận và chưa có số liệu chứng minh. Cho đến thập niên 80 của thế kỷ trước công ty 3M (Mỹ) đã mô phỏng những đường gân vi mô (riblet) của da cá mập để chế tạo bề mặt polymer chứa những đường gân có mặt cắt hình răng cưa để dán vào mạn thuyền của những chiếc tàu đua trong các sự kiện thể thao lớn như Olympic hay American Cup. Những chiếc thuyền này đoạt giải vô địch tại Thế Vận Hội Los Angeles 1984 và American Cup 1987 khiến cho ban tổ chức cuộc đua hoảng hốt. Từ đó về sau các loại bề mặt làm thay đổi dòng chảy bị cấm triệt để. Tại Thế Vận Hội Bắc Kinh 2008, áo tắm FastSkin của công ty Speedo mô phỏng da cá mập đã được vận động viên Michael Phelps sử dụng khiến cho nhiều kỷ lục bơi lội bị bức phá. Speedo hùng hồn tuyên bố cho toàn thế giới biết rằng áo tắm FastSkin có thể làm giảm lực cản 3% cho nữ và 4% cho nam [17]. Lực cản bị giảm ít hơn ở người nữ vì phần nhô ra ở ngực và hông.

Cũng như cá heo, cá mập là động vật biển đã có lịch sử tiến hóa hơn 350 triệu năm. Khi ta nhìn da cá mập bằng đôi mắt trần tục thì da cá trơn tru mịn màng. Nhưng dưới kính hiển vi người ta nhìn thấy vô số vảy cá li ti có độ lớn khoảng 500 µm (0,5 mm) (Hình 7). Những vảy này có những đường gân nằm xuôi theo hướng của dòng chảy. Giữa hai đường gân là một vùng lõm. Cấu trúc này có kích thước micromét. Như vậy, những vảy micromét này đã có tác dụng như thế nào làm giảm lực cản? Một thí nghiệm được thực hiện bằng cách thổi một dòng khói đi dọc theo mặt phẳng và mặt mô phỏng da cá mập [18]. Như Hình 8 cho thấy, khi có dòng rối thì các vòng xoáy xuất hiện tiếp giáp với mặt phẳng. Vòng xoáy là nguyên nhân của sự ma sát. Nhưng trên mặt mô phỏng da cá mập, vòng xoáy được nâng ra ngoài vùng lõm của mặt (Hình 8). Mặt mô phỏng này loại trừ các vòng xoáy ra khỏi khu vực tiếp giáp với bề mặt vật thể làm giảm lực cản.

 

Hình 7: Vảy cá mập có kích thước 0,3 - 0,5 mm
nằm xuôi theo dòng chảy (trái sang phải) (Google search).

 

v = 3m/s                                        v = 5m/s

Hình 8: Khói dầu được thổi thẳng góc với mặt giấy ở hai tốc độ 3m/s và 5m/s
đi qua mặt phẳng (hình trên) và mặt mô phỏng da cá mập (hình dưới).
Ở cả hai tốc độ, vòng xoáy tiếp giáp với mặt phẳng nhưng bị nâng ra ngoài
vùng lõm trong mặt mô phỏng và thay vào đó là dòng chảy tầng [18].

 

Theo sự tính toán của Berchert và cộng sự [19] thì bề mặt mô phỏng chỉ làm giảm lực cản tối đa là 10%. Nhưng con số này vẫn còn thấp so với độ nhanh nhẹn của con cá mập. Một cái vẫy nhẹ của kình ngư cũng có thể đưa chúng đi xa vài mươi mét trong lòng biển với vận tốc 28 km/h (~8 m/s), trong khi cao thủ Michael Phelps mặc áo tắm FastSkin uốn tới uốn lui thì nhiều lắm di động được 7 km/h (~2 m/s) trong hồ bơi. Sự quan sát đơn giản này cho thấy, (1) bề mặt mô phỏng chưa có kích thước tối ưu và (2) cấu trúc hình học không phải là yếu tố duy nhất làm giảm lực cản của dòng chảy.

Hình 9: Mặt cắt của ba loại bề mặt mô phỏng (từ trên xuống): mặt răng cưa, mặt bán nguyệt và mặt cái giếng. Mô hình toán cho thấy đường cong của vòng xoáy bị nâng ra ngoài vùng lõm [20].

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Bhushan (Ohio State Universtity, Mỹ) [20] dùng mô hình toán để thay đổi hình dạng và tối ưu hóa kích thước mặt cắt. Họ tạo ra 3 loại mặt cắt khác nhau: hình răng cưa, hình bán nguyệt và hình cái giếng (Hình 9). Giống như kết quả thực nghiệm (Hình 8), mô hình toán cho thấy những vòng xoáy bị nâng ra ngoài các vùng lõm và thay vào đó là dòng tầng có tốc độ chảy thấp (Hình 9). Dòng tầng này làm cho lực cản giảm đi rõ rệt. Sau khi tối ưu hóa chiều ngang và chiều cao của vùng lõm, kết quả cho thấy mặt cắt hình cái giếng tạo ra