Một tờ giấy bị nghiền nát thành một quả bóng và ném vào sọt rác, phần đầu của một chiếc ô tô biến dạng trong một vụ tai nạn , và lớp vỏ Trái đất dần hình thành núi qua hàng triệu năm đều có điểm gì chung? Tất cả chúng đều đang trải qua một quá trình vật lý được gọi là nhàu nát, xảy ra khi một tấm vật liệu tương đối mỏng - một tấm có độ dày nhỏ hơn nhiều so với chiều dài hoặc chiều rộng của nó - phải vừa với một diện tích nhỏ hơn.
Và trong khi thật dễ dàng để tưởng tượng việc nhàu nát chỉ là một mớ hỗn độn thiếu văn hóa, nhưng các nhà khoa học đã nghiên cứu việc nhàu nát đã phát hiện ra rằng đó là bất cứ thứ gì khác ngoài thứ đó. Ngược lại, vò nát hóa ra lại là một quá trình có thể dự đoán được, có thể tái tạo được do toán học chi phối. Bước đột phá mới nhất trong hiểu biết của chúng ta về việc vò là một bài báo gần đây được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, trong đó các nhà nghiên cứu mô tả một mô hình vật lý cho những gì xảy ra khi các tờ giấy mỏng được nhàu nát, mở ra và thu lại.
Christopher Rycroft , tác giả của tờ báo , giải thích: “Ngay từ khi còn nhỏ, mọi người đã quen với việc vò một tờ giấy thành một quả bóng, mở nó ra và nhìn vào mạng lưới phức tạp của các nếp nhăn đó . Ông là phó giáo sư tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John Al Paulson tại Đại học Harvard, đồng thời là người đứng đầu Nhóm Rycroft về tính toán khoa học và mô hình toán học. "Nhìn bề ngoài, đây có vẻ như là một quá trình ngẫu nhiên, rối loạn và bạn có thể nghĩ rằng rất khó để dự đoán bất cứ điều gì về những gì sẽ xảy ra."
"Giả sử bây giờ bạn lặp lại quá trình này, vò tờ giấy một lần nữa và mở nó ra. Bạn sẽ có nhiều nếp nhăn hơn", Rycroft viết trong một email. "Tuy nhiên, bạn sẽ không tăng gấp đôi số lượng, bởi vì các nếp gấp hiện có đã làm tấm giấy bị yếu đi và cho phép nó gấp lại lần thứ hai dễ dàng hơn."
Tổng chiều dài các nếp nhăn = "Dặm"
Ý tưởng đó đã hình thành cơ sở của các thí nghiệm được thực hiện cách đây vài năm bởi một tác giả khác của bài báo, cựu nhà vật lý học Harvard Shmuel M. Rubinstein , hiện đang làm việc tại Đại học Hebrew ở Jerusalem, và các sinh viên của ông. Như Rycroft giải thích, Rubenstein và nhóm của ông đã vò nát một tờ giấy mỏng liên tục và đo tổng chiều dài của các nếp nhăn trên tờ giấy, họ gọi là "số dặm". Nghiên cứu đó được mô tả trong bài báo năm 2018 này .
Rycroft cho biết: “Họ phát hiện ra rằng sự tăng trưởng của số dặm có thể tái tạo một cách đáng kinh ngạc, và mỗi lần tích lũy số dặm mới sẽ ít đi một chút, bởi vì tờ giấy này đang dần trở nên yếu hơn,” Rycroft nói.
Phát hiện đó đã khiến cộng đồng vật lý bối rối, và Rycroft và ứng viên tiến sĩ Harvard Jovana A Andrejevic muốn hiểu tại sao việc vò nát lại hành xử như vậy.
Rycroft nói: “Chúng tôi nhận thấy rằng cách để đạt được tiến bộ không phải là tập trung vào các nếp nhăn mà là xem xét các khía cạnh không bị hư hại được phác thảo bởi các nếp nhăn.
Andrejevic, tác giả chính của bài báo năm 2021, giải thích qua email: “Trong thử nghiệm, các tờ giấy mỏng của Mylar, một màng mỏng có tính chất nhàu nát tương tự như giấy, được nhàu một cách có hệ thống nhiều lần, tạo ra một số nếp nhăn mới sau mỗi lần lặp lại. "Ở giữa các lần nhàu nát, các tấm vải được làm phẳng một cách cẩn thận và biên dạng chiều cao của chúng được quét bằng một công cụ gọi là máy đo độ cao. Máy đo độ cao thực hiện các phép đo của bản đồ độ cao trên bề mặt của tấm giấy, cho phép chúng tôi tính toán và hình dung vị trí của các nếp nhăn như một hình ảnh."
Bởi vì việc tạo nếp gấp có thể lộn xộn và không theo quy luật, nó tạo ra dữ liệu "nhiễu" mà có thể khó khăn cho quá trình tự động hóa của máy tính. Để giải quyết vấn đề đó, Andrejevic đã tự tay theo dõi các mẫu nếp gấp trên 24 tờ giấy, sử dụng máy tính bảng, Adobe Illustrator và Photoshop. Điều đó có nghĩa là ghi lại tổng cộng 21.110 khía cạnh, như bài báo gần đây của New York Times đã nêu chi tiết.
Rycroft giải thích rằng, nhờ công sức và phân tích hình ảnh của Andrejevic, "chúng tôi có thể xem xét sự phân bố của các kích thước khía cạnh khi quá trình vò nát diễn ra". Họ phát hiện ra rằng sự phân bố kích thước có thể được giải thích bằng lý thuyết phân mảnh, xem xét cách các vật thể từ đá, mảnh thủy tinh và mảnh vỡ núi lửa vỡ thành những mảnh nhỏ theo thời gian. (Đây là một bài báo gần đây của Tạp chí Glaciology áp dụng nó cho các tảng băng trôi.)
Rycroft nói: “Chính lý thuyết đó có thể giải thích chính xác cách các mặt của tấm giấy nhàu nát vỡ ra theo thời gian khi hình thành nhiều nếp nhăn hơn. "Chúng tôi cũng có thể sử dụng nó để ước tính xem tờ giấy trở nên yếu hơn như thế nào sau khi nhàu nát và từ đó giải thích cách tích lũy dặm chậm lại. Điều này cho phép chúng tôi giải thích kết quả số dặm - và tỷ lệ logarit - đã được thấy trong nghiên cứu năm 2018. Chúng tôi tin rằng lý thuyết phân mảnh cung cấp một góc nhìn về vấn đề và đặc biệt hữu ích để mô hình hóa sự tích lũy thiệt hại theo thời gian, "Rycroft nói.
Tại sao lý thuyết thô bạo lại quan trọng?
Có được những hiểu biết sâu sắc về nhàu nát có khả năng thực sự quan trọng đối với tất cả mọi thứ trong thế giới hiện đại. Rycroft nói: “Nếu bạn đang sử dụng một vật liệu trong bất kỳ khả năng kết cấu nào, thì điều quan trọng là phải hiểu các đặc tính hư hỏng của nó. "Trong nhiều tình huống, điều quan trọng là phải hiểu vật liệu sẽ hoạt động như thế nào khi tải nhiều lần. Ví dụ, cánh máy bay rung lên xuống hàng nghìn lần trong suốt thời gian tồn tại của chúng. Nghiên cứu của chúng tôi về sự nhàu nát lặp đi lặp lại có thể được xem như hệ thống mô hình về cách vật liệu bị hư hỏng dưới tải trọng lặp đi lặp lại. Chúng tôi hy vọng rằng một số yếu tố cốt lõi trong lý thuyết của chúng tôi, về cách vật liệu bị suy yếu do đứt gãy / nếp nhăn theo thời gian, có thể có các chất tương tự trong các loại vật liệu khác. "
Và đôi khi, việc vò nát có thể thực sự được sử dụng về mặt công nghệ. Rycroft lưu ý rằng ví dụ, các tấm graphene nhàu nát đã được đề xuất như một khả năng để tạo ra các điện cực hiệu suất cao cho pin Li-ion. Ngoài ra, lý thuyết vỡ vụn cung cấp cái nhìn sâu sắc về tất cả các loại hiện tượng, từ cách mở ra cánh của côn trùng và cách DNA đóng gói vào nhân tế bào, như bài báo trên New York Times năm 2018 này lưu ý.
Tại sao một số đồ vật lại vỡ vụn, trái ngược với việc chỉ đơn giản là vỡ ra thành nhiều mảnh nhỏ?
Andrejevic giải thích: “Giấy và các vật liệu khác có đặc tính linh hoạt và dễ uốn cong, vì vậy chúng không có khả năng bị vỡ. "Tuy nhiên, các vật liệu cứng như đá hoặc thủy tinh không dễ uốn cong và do đó bị vỡ khi phản ứng với lực nén. Tôi muốn nói rằng quá trình vò và vỡ là hai quá trình khá khác biệt, nhưng chúng ta có thể nhận ra một số điểm tương đồng. Ví dụ, cả hai quá trình vò và đứt gãy là các cơ chế làm giảm ứng suất trong vật liệu. Ý tưởng về các nếp nhăn bảo vệ các vùng khác của tấm khỏi bị hư hại đề cập đến việc hư hỏng cục bộ thành các đường gờ rất hẹp trên tấm. Thực tế, các đỉnh và đường gờ sắc nhọn hình thành khi tấm bị nhăn là các vùng kéo dài cục bộ trong tấm, không thuận lợi về mặt năng lượng. Kết quả là,
"Các tờ giấy mỏng thường bị co lại thích uốn cong hơn là kéo dài, một quan sát mà chúng ta có thể dễ dàng thực hiện với một tờ giấy bằng cách cố gắng uốn cong hoặc kéo căng nó bằng tay. Về mặt năng lượng, điều này có nghĩa là việc uốn cong tốn ít năng lượng hơn nhiều so với việc kéo căng . Khi một tấm bị bó hẹp đến mức không thể giữ được phẳng nữa, nó sẽ bắt đầu bị uốn cong để phù hợp với khối lượng thay đổi. Nhưng sau một thời điểm nhất định, nó trở nên không thể phù hợp với một khối lượng nhỏ chỉ bằng cách uốn cong. "
Tăng cường hiểu biết về các nếp nhăn
Còn rất nhiều điều cần phải học về việc vò nát. Ví dụ, như Rycroft lưu ý, không rõ liệu các kiểu vò khác nhau - chẳng hạn như sử dụng một piston hình trụ, thay vì dùng tay của bạn - có tạo ra một kiểu nếp gấp khác hay không. Ông nói: “Chúng tôi muốn hiểu những phát hiện của chúng tôi tổng quát như thế nào.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu thêm về cơ chế thực tế của cách các nếp nhăn hình thành và có thể thực hiện các phép đo trong quá trình này, thay vì chỉ kiểm tra kết quả cuối cùng.
Rycroft nói: “Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi hiện đang phát triển một mô phỏng cơ học 3D của một tấm giấy nhàu nát, có thể cho phép chúng tôi quan sát toàn bộ quá trình. "Hiện tại, mô phỏng của chúng tôi có thể tạo ra các mẫu nếp gấp tương tự như những nếp nhăn đã thấy trong thử nghiệm và nó cung cấp cho chúng tôi cái nhìn chi tiết hơn nhiều về quá trình nhàu nát."
Bây giờ điều đó thật thú vị
Như Andrejevic giải thích, các nghiên cứu trước đây về việc nhàu nát thực sự cho thấy rằng một tờ giấy càng bị nhàu nát thì nó càng chịu được sức nén hơn nữa, do đó ngày càng cần nhiều lực hơn để nén nó. Bà nói: “Điều này được giả thuyết là kết quả của việc các rặng núi xếp thành hàng và hoạt động giống như các trụ cấu trúc giúp cho tấm nhàu nát tăng thêm độ bền”.
