Bạn đã bao giờ vô tình làm đổ nước lên một tờ giấy và kinh ngạc nhìn vệt nước loang ra nhanh chóng, thậm chí "leo" lên cả phần giấy khô chưa? Hiện tượng quen thuộc này thực ra là một màn trình diễn ngoạn mục của vật lý và hóa học.
Lực dính và lực mao dẫn là gì?
Đầu tiên, các phân tử nước có một lực hút rất mạnh với các phân tử xenlulozơ (cellulose) cấu tạo nên sợi giấy. Lực hút giữa các loại phân tử khác nhau này được gọi là lực dính.
Lực dính này mạnh hơn cả lực hút giữa các phân tử nước với nhau (lực cố kết). Vì vậy, khi tiếp xúc, nước ngay lập tức "bám" chặt vào sợi giấy.
Tiếp theo, giấy không phải là một bề mặt phẳng lì. Dưới kính hiển vi, nó là một mạng lưới chằng chịt các sợi xenlulozơ, tạo ra vô số các khe hở và ống rỗng siêu nhỏ.
Khi nước bám vào thành của các "ống" tí hon này, lực dính sẽ kéo các phân tử nước đi lên. Đồng thời, lực cố kết kéo các phân tử nước khác đi theo, tạo ra một hiệu ứng dây chuyền.
Toàn bộ quá trình nước tự động di chuyển trong các không gian hẹp này, thậm chí đi ngược lại trọng lực, được gọi là hiệu ứng mao dẫn.
>>> Nắm rõ thêm: Vì sao nước sôi? Bí ẩn hiện tượng bong bóng khi nước sôi
Tại sao một số vật liệu như lá sen hay áo mưa lại không bị thấm nước?
Nếu nước dễ dàng làm ướt giấy, tại sao nó lại trượt đi trên lá sen hay áo mưa? Sự khác biệt nằm ở tính chất vật liệu và cấu trúc bề mặt.
- Vật liệu kỵ nước (Hydrophobic): Bề mặt của lá sen và các loại vải chống thấm được bao phủ bởi một lớp sáp tự nhiên hoặc các hợp chất hóa học đặc biệt. Các chất này không có lực hút mạnh với phân tử nước. Thay vì bám vào, nước sẽ co lại thành giọt tròn và lăn đi dễ dàng.
- Cấu trúc bề mặt nano: Bề mặt lá sen còn có vô số các cấu trúc gai siêu nhỏ, làm giảm tối đa diện tích tiếp xúc với giọt nước. Điều này khiến giọt nước gần như "nổi" trên một lớp không khí thay vì chạm vào bề mặt lá.
Ngược lại, giấy được xem là vật liệu "ưa nước" (hydrophilic), luôn sẵn sàng liên kết và để nước lan tỏa.
>>> Bài viết liên quan: Giải thích vì sao bóng bay nổ? Mối liên hệ giữa áp suất và giới hạn đàn hồi
Lý giải sâu hơn nước làm ướt giấy qua các ứng dụng thực tế
Hiểu được nguyên lý nước làm ướt giấy cũng chính là hiểu được cách hiệu ứng mao dẫn hoạt động. Hiện tượng vật lý này có vô số ứng dụng quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
- Bút máy và bút lông: Mực được kéo từ ống mực xuống ngòi bút chính là nhờ các rãnh siêu nhỏ trong bộ phận dẫn mực hoạt động như những ống mao dẫn.
- Thực vật hút nước: Cây cối vận chuyển nước và chất dinh dưỡng từ rễ lên đến lá, dù cây cao hàng chục mét, cũng là nhờ vào hệ thống mao dẫn phức tạp trong thân cây.
- Khăn giấy thấm hút: Khả năng lau khô vết bẩn của khăn giấy dựa hoàn toàn vào cấu trúc sợi xenlulozơ có nhiều khoảng trống, tạo ra hiệu ứng mao dẫn mạnh mẽ để hút chất lỏng vào bên trong.
- Xét nghiệm y tế: Nhiều loại que thử nhanh (như que thử thai) sử dụng giấy đặc biệt để chất lỏng tự di chuyển dọc theo que nhờ hiệu ứng mao dẫn.
Câu chuyện về việc nước làm ướt giấy là một ví dụ điển hình cho thấy những nguyên tắc khoa học cơ bản đang vận hành xung quanh chúng ta mỗi ngày. Hãy chia sẻ trải nghiệm của bạn và khám phá thêm về thiên nhiên qua các bài viết khoa học của chúng tôi!
>>> Đừng bỏ lỡ: Khám phá cách động cơ và đường ray giúp tàu hỏa chạy với tốc độ cao
