Khoa học nông nghiệp

Nghiên cứu cơ chế vận chuyển nước dọc kênh dẫn (03/11/2023)

Một dòng chảy chảy nhanh như thế nào dọc theo một kênh dẫn? Nó phụ thuộc vào đường kính của kênh dẫn, và cấu trúc của nó. Đó là những phát hiện của một nghiên cứu do các nhà nghiên cứu từ trường đại học Liège quan tâm đến kênh dẫn vi lưu, đặc biệt khai thác nước trong các vùng khô cằn và bán khô cằn của trái đất.

Các kết quả nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Physical Review Fluids ¹.

Tương tự như các trang trại khai thác độ ẩm trong không khí vẫn được hình dung như trong các thế giới khoa học viễn tưởng như “Star Wars”, nhiều loài thực vật từ các vùng đất khô cằn hay bán khô cằn trên trái đất đã phát triển những chiến lược khéo léo để thu nước từ không khí để đảm bảo cho sự sinh tồn của mình. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào tìm hiểu về các cơ chế cơ bản của vận chuyển nước, hướng đến việc tái tạo và cải thiện thêm, cụ thể là sự thuận tiện trong việc thu thập độ ẩm trong khí quyển ở các sa mạc.

Một nghiên cứu gần đây do Nhóm nghiên cứu và ứng dụng vật lý thống kê (GRASP) tại trường đại học Liège giúp hiểu tốt hơn các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động của các giọt quý báu đó. Để làm điều này, các nhà khoa học đã dò theo các đặc tính và động lực của các giọt chất lỏng theo thời gian thực khi chúng trượt dọc theo từng kênh dẫn hoặc bó kênh dẫn.

“Theo một giọt nước từ lúc nó được truyền dọc theo một kênh thẳng đứng dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn là một thách thức thực nghiệm: làm cách nào để dò theo một giọt nước qua hàng mét dẫn?”, Matteo Léonard, một nhà nghiên cứu tại GRASP và tác giả thứ nhất của nghiên cứu nói. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một thiết bị rất thú vị trong phòng thí nghiệm của mình. “Thay vì theo quá trình rơi xuống của một giọt nước, chúng tôi thiết lập một kênh dẫn chuyển động sao cho vận tốc của nó tương đồng một cách chính xác và ngược lại với chuyển động của giọt nước. Theo cách này, giọt nước vẫn ‘dừng’ ở mặt trước camera”.

(a) Hình ảnh thí nghiệm về các giọt nước thể tích 3 μl rơi xuống một, hai và ba kênh dẫn có đường kính 140μm, từ trái sang phải. Một màng chất lỏng ở phía sau giọt nước. Đặc điểm hình dạng giọt nước: chiều cao L và chiều rộng ℓ được tô màu đỏ. (b) Ba mặt cắt ngang của hệ kênh dẫn: kênh dẫn khô ở phía trước giọt nước (màu cam), mặt cắt ngang của giọt nước (màu xanh nhạt) và màng chất lỏng có độ dày δ sau khi giọt nước đi qua (màu xanh đậm).

Với việc vượt qua thách thức này, đầu tiên các nhà nghiên cứu sử dụng các kênh dẫn với những đường kính khác nhau. Họ quan sát thấy giọt nước có tốc độ chậm hơn với một khối lượng nước cho trước khi các kênh dẫn dày hơn như lý thuyết đã dự đoán. Sau đó. Các nhà nghiên cứu tạo ra các bó kênh dẫn bằng việc bó phần cuối của một hoặc nhiều kênh dẫn lại với nhau và xoắn nhẹ để đảm bảo sự tiếp xúc giữa mọi kênh dẫn.

“Hình dạng này tạo ra một bó các kênh dẫn với các đường rãnh, tương tự như việc bện các sợi trong một dây thằng, với kết quả là các rãnh xuất hiện ở trong dây thừng này”, Leonard giải thích. Trong hình dạng này, các nhà nghiên cứu quan sát các hành xử tương tự như khi ở trong các kênh dẫn độc lập: khi số lượng các kênh dẫn trong bó gia tăng, đường kính tổng thể của cả bó sẽ gia tăng, kết quả là vận tốc thấp hơn trong một thể tích cho trước. Hành xử đã được dự đoán này, tuy nhiên, ẩn dấu một hiện tượng phức tạp hơn nhiều.

Hơn thế, hành xử của giọt nước trong trường hợp này là gì, khi cả hai hình thức (từng kênh dẫn và cả bó kênh dẫn) đều có cùng một đường kính (ví dụ một kênh với đường kính 0,28 mm với hai kênh có đường kính 0,14mm)? Trở lực của hiện tượng này là sự hao tán (ví dụ sự ma sát trong chất lỏng và giữa chất lỏng với kênh dẫn), người ta có thể chờ đợi là cả hai trường hợp đều thu được những kết quả giống nhau bởi vì bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và kênh dẫn đều tương đương.

“Không hẳn như vậy. Chúng tôi quan sát thấy giọt nước trong bó kênh dẫn đã chuyển động nhanh hơn trong cùng quãng đường. Đó chính là sự mất mát thể tích”, Leonard nói. Các nhà nghiên cứu tin rằng trong hình thức này, giọt nước mất thể tích bởi vì xu hướng ‘làm đầy’ các rãnh với thể tích của nó, do đó tạo ra một đường ray chất lỏng mà việc di chuyển trên đó hiệu quả hơn và do đó nhanh hơn.

Kết quả của nghiên cứu này đem lại một đóng góp đáng kể vào lĩnh vực thiết kế các cấu trúc để thu thập nước trong khí quyển. Thậm chí, nó có tiềm năng cải thiện hiệu quả của các mạng lưới mây, vốn bao gồm một mạng lưới các kênh dẫn, ở mức chi phí thấp.

Hơn nữa, nghiên cứu này nhấn mạnh vào tầm quan trọng ngày một gia tang của các cấu trúc phụ quan sát được trong các sinh vật sống trong môi trường sa mạc. Các cấu trúc phụ đó, như các rãnh bi mô hoặc các sợi tóc kết cấu vi mô, thể hiện sự khéo léo của tự nhiên trong việc nắm bắt và vận chuyển nước, sẽ truyền cảm hứng cho những đổi mới sáng tạo công nghệ trong tương lai.

Thanh Đức tổng hợp

Ngày cập nhật: 03/11/2023

https://tiasang.com.vn/tin-noi-bat/tieu-diem-phai/nghien-cuu-co-che-van-chuyen-nuoc-doc-kenh-dan/