Hiện tượng nhăn ở những lớp mỏng mềm: từ bong bóng xà phòng, băng giấy, đến da người và vỏ Trái đất

Để bắt đầu, hai ông đã nhắc lại một sự kiện bất ngờ đã đến với cô Mireille Delaye đang chuẩn bị luận án tiến sỹ tại Đại học Paris . Lúc đó là năm 1973, Delaye đang sử dụng laze để tìm những thăng giáng trong một bóng xà phòng. Nói cụ thể hơn, Delaye đang nghiên cứu về một tinh thể lỏng loại smectic A (gồm các phân tử thẳng hàng sắp xếp thành những lớp riêng biệt với trục phân tử vuông góc với mặt phẳng lớp) – một vật thể giống như một bánh xenđúit gồm những lớp mềm ở quy mô phân tử (xem hình phần bên trái). Vô tình chạm vào mẫu đo nóng, cô nghiên cứu sinh vội giật tay ra và ngạc nhiên nhìn thấy trên trần nhà một dãy đỉnh nhiễu xạ do chùm laze bị phản xạ gây ra.

Hiện tượng trên không lâu sau đó đã được giải thích ở Orsay (Pháp) và Harvard (Mỹ) và đã được quan sát bởi Clarkvà Meyer (xem: P.G. de Gennes, J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, 1993, sect. 7.1.7) .Do sức căng, các lớp mềm đã nhăn lại (xem hình, phần bên phải). Khoảng cáchlgiữa các gợn là do sự dung hoà giữa một bên là năng lượng biến dạng, và bằng căn bậc hai của kích thước phân tử (tỉ số của hai suất đàn hồi) nhân với kích thước của mẫu đo (bề rộng). Sự nhăn lại này vừa được Cerda và Mahadevan xem xét trong một bối cảnh rộng lớn hơn.

Các tác giả đã xuất phát từ một nhận xét chung. Lấy một tờ mỏng băng chất dẻo (loại dùng để gói thực phẩm), cắt ra một băng và kéo ở hai đầu, Một tập hợp các gợn song song với băng sẽ xuất hiện. Các tác giả lại chứng minh rằng bước sóngltỉ lệ với căn bậc hai của kích thước mẫu đo. Kết quả này mới xem dường như chỉ là một bài tập vui về cơ học. Thực chất nó rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày trên nhiều phương diện. Cerda và Mahadevan đã chỉ cho thấy một quả táo già đã nhăn lại như thế nào và kích thước dài của các gợn bằng bao nhiêu. Hai ông cũng đã nói đến da người gồm một lớp biểu bì tương đối cứng gắn vào một lớn chân bì (da trong) dầy hơn khoảng 10 lần. Lớp da tổ hợp này nằm yên ở phần lớn cơ thể trừ hai ngoại lệ. Thứ nhất, đó là những vùng mà da dày hơn lên. Theo sự phân tích của các tác gải, bằng cách châm vào mu bàn tay, ta sẽ gây ra một sự không ổn định với bước sóng điển hình là 2,5mm. Thứ hai, ở những vùng mà da nằm gần xương và xếp nếp trên xương, sức căng có thể gây ra sự nhăn lại giống như trường hợp tờ chất dẻo.

Các ý tưởng trên cũng đúng ở quy mô nhỏ hơn nhiều. Khi một tế bào trườn trên một nền mềm , nó sẽ làm cái nền này bị nhăn lại. Theo Cerda và Mahadevan, về nguyên tắc ta có thể suy ra sức căng đặt vào tế bào từ khoảng cách giữa hai gợn kế tiếp nhau (bước sóng)l. Một thí dụ khác là cái “mụn nước” (vesicle) – một túi mềm, mỏng, tạo thành những lớp kép lipit kín có độ dày~3nm. Nếu có một sức căng nhẹ đặt lên cái mụn nước (thí dụ như do các dòng chảy trượt) thì nó sẽ nhăn lại.

Ta có thể mở rộng các nhận xét trên các lớp “da” (lớp vỏ ngoài) đá rắn bao phủ Trái đất của chúng ta hay không, lớp “da” này có phần nào giống như lớp váng trong một tách sữa nóng? Ta không thấy ở sữa nóng có sự nhăn lại (sự xuất hiện các gợn). Nhưng ở quy mô địa vật lý, ta có thể không quan sát được sự không ổn định do sức căng theo lý thuyết Cerda – Mahadevan: lớp mỏng rắn có thể bị đứt gãy trước khi nó nhăn lại.

Công trình của Cerda và Mahadevan, theo đánh giá của Brochard – Wyard và de Genne, là một hiểu biết đơn giản và đẹp đẽ về nhiều hiện tượng tự nhiên – nó là cái cầu nối giữa hình học , cơ học, vật lý học và ngay cả sinh học. Kết quả này có thể so sánh với kết quả mà T.Witten và các cộng sự đã đạt được cách đây mấy năm về vật lý của giấy bị vò nhàu (Science, 270, 1482, 1995), cũng là một hiện tượng dường như đơn giản nhưng ý nghĩa của nó rất rộng rãi và để hiểu biết được cần phải có những nghiên cứu rất sâu sắc.

Chú thích ảnh:Sự nhăn lại do chất căng. Ở mức phân tử, một tinh thể lỏng smetic là một chồng lớp chất lỏng (bên trái), Nếu chồng này chịu một sức căng T, các lớp sẽ nhăn lại để lấp kín khoảng không gian tăng thêm. Bước sónglcủa các gợn vào cỡ vài micrômét.