Hãy xem thí nghiệm dưới đây, người đàn ông này có một quả bóng bay và một đường ống đúc hình hộp, hở cả hai đầu. Trên thực tế, nó được gọi là "van Tesla" đặt theo tên nhà khoa học đại tài Nikola Tesla, người đã phát minh ra nó từ năm 1920.
Khi người đàn ông trong thí nghiệm để miệng quả bóng bay căng phồng vào một đầu của chiếc van, quả bóng gần như không bị xì hơi. Nhưng chỉ cần xoay đầu "van Tesla" ngược lại, không khí trong quả bóng đã thoát ra một cách nhanh chóng.
Chẳng có thủ thuật mờ ám nào ở đây cả, ngoại trừ một sự thật: Không khí trong "van Tesla" gần như chỉ có thể chảy theo một chiều duy nhất, và nó sẽ bị chặn ở chiều còn lại. Vậy điều gì đã diễn ra bên trong đó? Cấu trúc của "van Tesla" có gì đặc biệt?
Van Tesla hoạt động như thế nào?
Van Tesla là gì?
Để giới hạn khả năng chảy của không khí và chất lỏng theo một chiều, Tesla đã tạo ra những đường ống vòng hình xương cá mà theo chiều thuận, không khí và chất lỏng có thể chảy hoàn toàn trơn tru. Nhưng chỉ cần xoay ngược nó lại, mỗi khi chất lỏng chảy theo chiều nghịch, nó sẽ bị đẩy ngược lại, trở thành lực cản cho chính dòng chất lỏng đang chảy tới.
Kết hợp nhiều kênh vòng hình xương cá như vậy có thể khiến lực cản theo chiều nghịch của "van Tesla" gấp từ 15-40 lần so với lực cản ở chiều thuận. Điều này biến nó trở thành một hệ thống gần như một chiều.
Nhất là khi "van Tesla" chỉ dựa vào sự sắp xếp của các cấu trúc hình học mà không cần đến bất kỳ bộ phận chuyển động nào, nó sẽ chống lại được sự mài mòn. Đây là ưu thế giúp "van Tesla" có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhất là môi trường vi chất lỏng, ở đó, không một máy móc nào có thể thu nhỏ được đến độ tạo ra được kênh bơm một chiều hiệu quả.
Sự kỳ diệu của "van Tesla" khiến chúng ta không khỏi thêm ngưỡng mộ nhà phát minh người Mỹ gốc Serbian, đại diện cho trí tuệ của loài người. Nhưng theo một nghiên cứu mới trên tạp chí Proceedings of the Royal Society B, "van Tesla" thực ra cũng có trong tự nhiên. Và những con cá mập đã sử dụng chúng trong hệ thống đường ruột của mình từ 450 triệu năm trước.
Mặc dù vậy, chắc chắn Tesla đã không bắt chước cá mập để phát minh ra chiếc van kỳ diệu của mình. Bởi cấu trúc đường ruột cá mập chỉ có thể được tìm hiểu bằng công nghệ chụp cắt lớp CT 3D mới nhất, thứ mà các nhà khoa học gần đây sử dụng để khám phá ra nó.
"Đến bây giờ chúng ta mới có được công nghệ hiện đại để khám phá những đường ruột xoắn ốc tự nhiên tuyệt vời này của cá mập. Chúng tôi đã phát triển được một phương pháp mới để quét kỹ thuật số các mô này, và bây giờ con người có thể tìm hiểu các mô mềm một cách tự nhiên mà không cần phải cắt chúng ra", Samantha Leigh, đồng tác giả nghiên cứu đến từ Đại học California, Dominguez Hills cho biết.
Bí ẩn trong đường ruột cá mập
Cá mập là một loài động vật săn mồi đỉnh cao, chúng nằm trên chuỗi thức ăn đại dương và do đó có vai trò rất quan trọng trong việc kiểm soát đa dạng sinh học của hệ sinh thái. Trước đây, các ngư dân bắt được cá mập và xẻ thịt chúng đã để ý đường ruột cá mập có những cấu trúc hình xoắn ốc với nhiều nếp gấp.
Nhưng bằng việc mổ ruột cá mập và trải nó ra trên mặt phẳng 2D, họ không thể hiểu được những cấu trúc xoắn ốc như vậy có ý nghĩa gì.
Các cấu trúc xoắn ốc bên trong đường ruột của cá mập trước đây vốn là một bí ẩn.
Để kiểm tra điều đó, các nhà khoa học biết rằng họ phải tái tạo lại được cấu trúc xoắn ốc trong ruột cá mập trong môi trường 3D. Và việc này chỉ có thể làm được thông qua việc quét CT cắt lớp, dùng tia X bắn vào ruột cá mập theo các góc độ khác nhau rồi sử dụng thuật toán máy tính để tái tạo lại ảnh 3D của nó.
"Chụp CT là một trong những cách duy nhất để hiểu hình dạng của ruột cá mập trong không gian ba chiều", Adam Summers, nhà nghiên cứu đến từ Phòng thí nghiệm Friday Harbour của Đại học Washington cho biết.
"Ruột vốn là một cơ quan rất phức tạp với rất nhiều lớp xếp chồng lên nhau. Mổ xẻ nó ra sẽ dẫn đến sự phá hủy mẫu vật và khả năng kết nối của các mô trong đó. Nó giống như cố gắng đọc hiểu một tờ báo khi nó đã bị cuộn lại rồi lấy kéo cắt ra từng mảnh".
Để bảo toàn được mẫu ruột cá mập và quét ảnh CT của chúng, Summers và cộng sự đã đổ đầy chất lỏng vào 22 mẫu vật mà họ thu thập được từ Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Los Angeles. Đây đều là những mẫu ruột cá mập đã được các ngư dân thu hồi và bảo toàn nguyên vẹn.
Các nhà khoa học trước đó đã xả sạch chúng bằng nước khử ion để không còn bất kỳ tạp chất nào trong đó. Nhóm nghiên cứu của Summers sau đó đông khô mẫu ruột để giữ nguyên hình dạng cho chúng, rồi đưa tất cả vào máy quét tia X để tạo ra các mô hình 3D.
Cuối cùng, hình ảnh cho ra đã tiết lộ một cái nhìn tuyệt vời về cấu tạo thực sự của ruột cá mập. Các nhà khoa học bây giờ đã có thể xác nhận các nếp nhăn và đường xoắn ốc trong đó chính là cấu trúc "van Tesla" trong tự nhiên.
Ảnh chụp CT lần đầu tiết lộ cấu trúc 3D của đường ruột cá mập, tiết lộ nó chính là một chiếc van Tesla
Tại sao cá mập lại có một chiếc "van Tesla" trong bụng?
Để kiểm tra giả thuyết, Summers và các đồng nghiệp đã lấy các mẫu ruột cá mập còn lại chưa được đông khô để làm một số thí nghiệm. Họ rót chất lỏng qua một đầu ruột và nhận thấy nó mất 35 phút để chảy hết quãng đường đó. Nhưng nếu rót theo chiều ngược lại, quá trình thậm chí còn dài ra gấp đôi, lên tới 70 phút.
Điều này phù hợp với hiệu ứng mà "van Tesla" gây ra.
Giải thích lý do tại sao cá mập lại phát triển một đường ruột kiểu "van Tesla", các nhà khoa học cho biết đó là bởi chúng là một loài săn mồi có bữa ăn lớn. Cá mập có thể săn được một bữa khổng lồ và rồi nhịn liên tục nhiều ngày hoặc nhiều tuần.
Cấu trúc xoắn ốc kiểu "van Teslta" cung cấp một diện tích bề mặt lớn và mở rộng thể tích cho phép cá mập chứa được nhiều thức ăn hơn.
Ngoài ra, cấu trúc ưu tiên một chiều chuyển động giúp cá mập kéo dài thời gian thức ăn tồn đọng trong ruột. Điều này làm tăng khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng và làm giảm năng lượng cần thiết trong quá trình tiêu hóa thức ăn của chúng.
Vậy là một lần nữa, sự sáng tạo của con người và tự nhiên lại hội tụ trong một phát minh kỳ diệu. Summers cho biết ông và các đồng nghiệp sẽ tiếp tục kiểm tra cấu trúc "van Tesla" ở một số loài cá mập khác và để xem các loài động vật khác liệu có chúng hay không.
"Phần lớn các loài cá mập và cấu trúc sinh lý của chúng vẫn chưa hoàn toàn được biết đến", ông nói. "Vì vậy mỗi lần quan sát lịch sử tự nhiên, hình dung ra những cấu trúc giải phẫu bên trong của các sinh vật, chúng ta đều thấy những điều hết sức bất ngờ mà bản thân không thể nào đoán trước được".