Giải đố khoa học: Thứ gì mềm nhất?

Có rất nhiều thứ mềm mại được mô tả trên thế giới này như: lông mèo, da em bé hay áo len được dệt theo các tiêu chuẩn chuyên nghiệp. Ai cũng thích chạm hay sờ vào những thứ mềm mại. Nhưng tất nhiên, loại cảm giác hay việc mô tả về độ mềm rất khó thu thập, một phần vì độ mềm của vật thường được đo lường một cách chủ quan. Vậy, hãy cùng lắng nghe quan điểm của một số nhà khoa học vật liệu để xem làm thế nào họ cân đo và xác định thứ mềm nhất trên thế giới này là gì.

"Yếu tố quyết định khiến cho các vật thể mềm là kết cấu vật liệu và hình dạng", Charles Dhong là phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật y sinh tại Đại học Delwar.

- Mọi người đều nghĩ rằng việc tìm kiếm những thứ mềm mại có vẻ khá dễ dàng. Bước vào một cửa hàng tạp hóa, bạn sẽ bắt đầu bằng cách chọn cao su, sau đó là kẹo dẻo và bọt biển. Nhưng rất khó để mọi người xác định được mức độ mềm của mọi thứ.

Trên thực tế, người ta có thể dùng cùng một chất để tạo ra hai vật thể khác nhau, nhưng hình dạng và kết cấu của chúng sẽ xác định vật đó là cứng hay mềm. Ví dụ tóc người rất mềm, nhưng nó được cấu tạo từ keratin, giống như chất có trong móng tay và sừng tê giác, rất cứng.

Tuy nhiên, chúng tôi nhận ra rằng con người không đánh giá độ mềm của một vật dựa trên sự kết hợp của hai yếu tố vật lý ở trên, mà là cảm nhận chung một tính chất vật lý duy nhất đó là "sự đàn hồi". Khi mọi người chạm vào một vật thể, hai tình huống sẽ xảy ra: Một là khi ngón tay ấn vào vật thể, nó sẽ cảm nhận được lực đàn hồi phản ứng lại; Hai là đối tượng sẽ mở rộng diện tích tiếp xúc với da tay của bạn. Sự kết hợp giữa áp lực ngón tay và vùng tiếp xúc này có thể tạo thành cơ sở vật lý cho việc con người cảm nhận độ mềm đối với các đồ vật như thế nào. Do đó, khi mọi người chạm vào một vật thể, một vết lõm lớn được hình thành trên bề mặt của vật thể hoặc vùng tiếp xúc với da được mở rộng và đối tượng sẽ được cảm thấy "mềm". Và nhận thức về sự mềm mại của một vật thể không chỉ được xác định bởi các tính chất vật lý của vật liệu, mà còn liên quan đến việc xử lý thông tin của bộ não con người.

Đồng thời, chúng tôi nghĩ rằng có nhiều cách để mọi người tìm thấy giới hạn xúc giác của mình, ví dụ như chạm vào các vật thể mềm nhất và cứng nhất. Điều này cho thấy có nhiều cách để kiểm soát sự mềm mại của các vật thể, từ đó có thể được áp dụng cho các lĩnh vực như công nghệ thực tế ảo trong tương lai. Đồng thời, nghiên cứu trong lĩnh vực này cũng giúp chúng ta tiết lộ cách não xử lý và tổng hợp thông tin xúc giác.

"Trong hầu hết các trường hợp, độ mềm thường liên quan đến các vật thể có hiệu suất cách nhiệt tốt hơn", Anthony Rollett, giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Carnegie Mellon.

- Khi chúng ta nói về sự mềm mại của một vật thể, chúng ta thường bắt đầu bằng từ "mềm". Thông thường khi mọi người ấn một vật mềm bằng ngón tay, nó rất dễ uốn cong. Nói cách khác, bạn có thể thay đổi hình dạng của các vật thể mềm mà không cần quá nhiều lực. Đây là định nghĩa về độ mềm của kỹ sư, nhưng ý nghĩa của nó còn hơn thế, bởi vì "độ mềm" vừa là cảm giác vừa là khái niệm kỹ thuật.

Cũng có những cách để làm cho mọi người cảm thấy mềm mại khi họ chạm vào một vật thể, thay vì liên quan đến việc vật thể uốn cong bao nhiêu hoặc nó biến dạng bao nhiêu. Đó là cách một vật thể xử lý nhiệt hoặc cách điện tốt như thế nào.

Trong hầu hết các trường hợp, độ mềm thường liên quan đến các vật thể có hiệu suất cách nhiệt tốt hơn. Ví dụ: chăn thường khiến mọi người cảm thấy mềm mại, một phần là do phản ứng liên quan tới tính chất vật lý của chúng. Nhưng một phần lý do khác là chúng không dễ truyền hoặc dẫn nhiệt. Bởi so với các loại gel, chúng tạo cảm giác hơi ẩm ướt và mọi người không liên kết nó với sự mềm mại, mặc dù chúng mềm mại.

Do đó, tôi nghĩ rằng chăn duvet (loại chăn trong nhồi lông vũ hoặc bông mềm) có thể là một trong những thứ mềm nhất, một phần vì cấu trúc của nó là đa quy mô. Tôi cũng đoán rằng cấu trúc của các vật thể đa quy mô cũng là thứ tạo ra một trong những vật thể mềm nhất, hoặc những vật chất như vậy làm cho mọi người cảm thấy rất mềm mại. Và cấu trúc đa quy mô của chăn duvet sẽ mang đến cho làn da một số cảm xúc đặc biệt, và bởi vì nó không dễ dẫn nhiệt, sẽ mang lại cả cảm giác ấm áp, khiến người ta càng nghĩ đến sự mềm mại.

"Vật chất mềm không giới hạn ở Trái đất, chúng tôi đã quan sát thấy một số hành tinh kỳ lạ gọi là hành tinh siêu mềm mịn", Jana Grcevich, nhà thiên văn học tại Đại học Columbia

- Có người từng hỏi tôi: Vật liệu mềm nhất thế giới là gì? Câu hỏi này quá hạn chế. Tôi xin mạo hiểm đặt câu hỏi: Hành tinh nào mịn và mềm nhất trong vũ trụ?

Cho đến nay, con người chúng ta đã quan sát thấy hơn 4.000 hành tinh quay quanh các ngôi sao ngoài hệ mặt trời. Nhưng trên thực tế, chúng chỉ là phần nổi của tảng băng chìm, về số lượng các hành tinh trong vũ trụ. Chỉ riêng trong Dải Ngân hà, hàng trăm tỷ hành tinh đang chờ đợi được con người khám phá. Trước đây, chúng tôi đã tìm thấy một số hành tinh đá tương tự Trái đất, một số hành tinh bí ẩn có "hai mặt trời" và một số hành tinh bị bao phủ hoàn toàn bởi dung nham. Đồng thời, chúng tôi cũng tìm thấy một số "hành tinh mềm" đầy kỳ lạ, chúng có thể được gọi là một loại hành tinh "siêu mịn".

Về cơ bản, ánh sáng được phản xạ hoặc giải phóng bởi bất kỳ hành tinh nào cũng đều quá yếu. So với ánh sáng chói lóa phát ra từ các ngôi sao xung quanh, chúng khiến ta không thể quan sát được ánh sáng của các hành tinh. Nhưng khi quan sát quỹ đạo phía trước của các ngôi sao, ánh sáng bị "chặn" chứng tỏ sự hiện diện của các hành tinh này. Bằng cách quan sát mức độ mà ánh sáng từ các ngôi sao bị chặn, các nhà thiên văn học có thể phán đoán đường kính của các hành tinh. Ngoài ra, bằng một số cách khác, chúng ta có thể ước tính được khối lượng của nó.

Đối với các quỹ đạo quay, lực hấp dẫn của hành tinh tạo ra hiệu ứng kéo nhất định lên ngôi sao chính của nó. Sức kéo của lực hấp dẫn của một hành tinh có liên quan mật thiết đến khối lượng của hành tinh. Sự kết hợp giữa khối lượng và thể tích có thể suy ra mật độ của hành tinh. Và những hành tinh "siêu mềm mịn" này có mật độ rất thấp, thậm chí chỉ bằng 1/10 mật độ của nước. Nó rõ hơn là có hành tinh mịn với thể tích gần bằng Sao Mộc, nhưng khối lượng chỉ bằng 1% Sao Mộc.

Một thí nghiệm đơn giản cho học sinh cấp hai sẽ cho chúng ta biết mật độ của mọi thứ trong cuộc sống hàng ngày. Viên đá có mật độ dày đặc hơn nhiều so với nước, vì vậy chúng chìm xuống nước. Ngược lại, băng có mật độ thấp hơn nên nổi trên bề mặt nước. Trong hệ mặt trời của chúng ta, Sao Thổ có mật độ thấp hơn nước, vì vậy mọi người có thể liên tưởng rằng nó có thể "nổi trên mặt nước". Nhưng mật độ của các hành tinh siêu mềm mịn bên ngoài hệ mặt trời thậm chí còn nhỏ hơn cả băng và gần hơn với kẹo bông.

Giống như bong bóng nổi lên từ đáy cốc nước, một hành tinh làm từ hydro và heli có mật độ thấp hơn nhiều so với hành tinh đá. Mật độ của Sao Thổ cao hơn một chút so với mật độ của khí tạo thành nó, bởi vì trọng lực của bầu khí quyển phía trên nén khí quyển xuống thấp hơn. Còn các hành tinh siêu mềm có mật độ gần như viên kẹo bông.

Mặc dù các chuyên gia đã đưa ra một số giả thuyết, nhưng bí ẩn về các hành tinh siêu mềm mịn vẫn chưa được giải quyết. Họ suy đoán rằng bầu khí quyển của các hành tinh siêu mịn được các ngôi sao đốt nóng, khiến chúng trở nên mịn màng và khí có thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn của hành tinh và thoát ra ngoài không gian theo thời gian. Có lẽ bụi thoát ra từ bầu khí quyển phía trên của hành tinh này đã khiến các nhà khoa học đánh giá sai khối lượng của chúng, hoặc giả định của chúng ta về mật độ của các hành tinh đã bị hiểu lầm.

May mắn thay, các nhà thiên văn học đang dần tìm ra nhiều hành tinh siêu mềm mịn hơn, đo lường cách chúng hình thành và phát triển và hiểu được "sự mềm mại" của các hành tinh này.

"Độ mềm của kem là sự kết hợp giữa độ tan và lực. Bạn cần dùng một chiếc thìa nhỏ để cảm nhận sự tan chảy và mềm mại của kem. Đối với áo phông, độ mềm cảm nhận được là sự trượt của đầu ngón tay trên vải", John E. Hayes, phó giáo sư tại Trung tâm đánh giá cảm giác của Đại học bang Pennsylvania.

- Sự mềm mại thực chất là một vấn đề nhận thức, được tạo ra bởi ý thức của bộ não và có nghĩa là nó chỉ có thể được đo lường bằng đánh giá của con người. Đối với bất kỳ hệ thống cảm giác nào của con người, có các giá trị giới hạn. Đó là các giá trị tối đa và tối thiểu. Vượt quá các giới hạn này, chúng ta không thể phân biệt sự khác biệt trong nhận thức, ngay cả khi đó là bằng máy hay dụng cụ. Ví dụ người ta có thể nghĩ về độ cứng của thủy tinh và kim cương. Nhưng khi mọi người chạm vào chúng, áp lực mà chúng tác động lên da người gần như tương đương nhau, vì vậy chúng ta không thể phân biệt trực tiếp độ cứng của chúng.

Tất nhiên, rất khó để đo lường mọi thứ bằng nhận thức của con người, vì vậy khi mọi người sử dụng các từ như mềm mại, sẽ có sự khác biệt lớn trong các bối cảnh khác nhau. Ví dụ, loại kem này mềm hơn loại kem đó, áo phông này mềm hơn áo phông đó. Đối với độ mềm của kem, nó là sự kết hợp giữa độ tan và lực. Bạn cần phải dùng một cái muỗng nhỏ để cảm nhận sự tan chảy và độ mềm của kem. Đối với áo phông, độ mềm cảm nhận được là sự ma sát do trượt ngón tay của chúng ta trên vải. Cũng có thể là một số ảnh hưởng của lực nén và lực uốn.

Là một nhánh của tâm lý học thực nghiệm, tâm lý học đã nghiên cứu sự mềm mại của những thứ mà con người nhận thấy trong hơn 150 năm qua và đã nghiên cứu ra cách đo lường sự mềm mại này tốt hơn.

Và sự khác biệt tinh tế này rất quan trọng để người tiêu dùng nhận biết và chấp nhận các sản phẩm. Ví dụ khi mọi người nhìn thấy một chiếc áo hoodie trong cửa hàng, điều đầu tiên họ thường làm là dùng tay chạm vào chiếc áo và cảm nhận độ mềm mại. Nếu mảnh quần áo này không đặc biệt mềm mại và thoải mái, chúng ta sẽ tìm kiếm một cái khác. Vì vậy, sự hiểu biết và đo lường cảm giác phức tạp này có liên quan rất lớn đến nền kinh tế hàng hóa.

"Màng tế bào là một trong những thứ mềm nhất được biết đến", David Needham, giáo sư kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Đại học Duke.

- Đầu tiên, sự mềm mại là gì? Năm 1962, Francis Crick và Jim Watson đã giành giải thưởng Nobel về Sinh lý học hoặc Y học cho "Khám phá cấu trúc phân tử của axit nucleic và ý nghĩa của chúng đối với việc truyền thông tin trong vật liệu sinh học". Watson chỉ ra rằng để hiểu về trầm cảm, bạn phải nghiên cứu hạnh phúc. Tương tự, nếu bạn muốn hiểu sự mềm mại của mọi thứ, trước tiên bạn nên phân tích về độ cứng.

Vậy, độ mềm chỉ là một mức thấp hơn của độ cứng? Từ góc độ kỹ thuật, độ cứng được đo bằng phản ứng của vật liệu với các lực bên ngoài hoặc ứng suất. Hiện tại có một số thang đo độ cứng tiêu chuẩn, chẳng hạn như thang đo Mohs. Theo định nghĩa này, độ cứng đặc trưng cho tính chất chống lại vết trầy xước trên những khoáng vật khác nhau: khoáng vật có độ cứng lớn hơn sẽ làm trầy khoáng vật có độ cứng nhỏ hơn.

Có rất nhiều vật liệu rất mềm trong cuộc sống hàng ngày của mọi người, chẳng hạn như sợi len, bông gòn, thạch, lông... nhưng chất liệu mềm mại nào có thể hỗ trợ sự sống của Trái đất?

Màng tế bào là một trong những thứ mềm nhất được biết đến. Nó được phân phối trong mọi tế bào trên trái đất. Trong 40 năm nghiên cứu, chúng tôi đã nghiên cứu màng tế bào phospholipid. Phospholipid là một loại lipid và là thành phần chính của tất cả các màng tế bào. Màng tế bào bao gồm các phân tử lipid kép có độ dày chỉ có hai phân tử. Sử dụng công nghệ đặc biệt, độ mềm của màng tế bào có thể được đo trong buồng kính hiển vi chứa dung dịch nước, bằng áp lực hút và áp lực thổi. Trong trường hợp này, sự mềm mại là điều kiện cần thiết để kéo dài và uốn màng tế bào.

Các chuyên gia đã chỉ ra rằng độ mềm của màng tế bào nằm giữa chất lỏng và không khí. Nhưng chất lỏng mềm như thế nào? Và không khí mềm như thế nào?

Bạn cảm thấy thế nào khi nhúng ngón tay vào ly nước ấm và khuấy nhẹ? Đó là độ mềm của nước. Còn khi ngón tay của bạn vẫy trong không khí mà không chạm vào bất cứ thứ gì, đây là cách mọi người cảm nhận được "sự mềm mại" của không khí. Cảm giác độ mềm của màng tế bào ở giữa hai mức độ cảm nhận trên.

Tham khảo Gizmodo