Đàn kiến bám vào nhau để tạo thành một cái bè nổi trên mặt nước (Georgia Tech)
Theo một nghiên cứu mới, loài kiến thực ra có thể hoạt động như chất lỏng và chất rắn cùng một lúc.
Các thuộc tính này có thể giải thích khả năng đặc biệt của bầy kiến: thay đổi đội hình và nhiệm vụ tùy thuộc vào yêu cầu môi trường. Khi nước lũ tràn đến, chúng bám vào nhau và tạo thành chiếc bè nổi để có thể sống sót. Chúng cũng có thể sử dụng thân mình để tạo thành chiếc cầu và bắc qua khoảng trống.
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện công nghệ Georgia đã thăm dò các thuộc tính cơ học của đàn kiến lửa bằng cách bỏ hàng ngàn con kiến vào máy đo độ lưu biến (rheometer), một loại thiết bị được sử dụng để kiểm tra phản ứng của các loại vật liệu như thực phẩm, kem tay, hoặc nhựa tan chảy, xem chúng giống chất rắn hơn hay giống chất lỏng hơn.
Những con kiến bị tác động bởi một tỷ số tốc độ cắt không đổi từ khoảng 0,0001 rpm lên đến khoảng 100 rpm. Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng hành vi của những con kiến sống cũng tương tự như những con kiến chết: khi bầy kiến bị ép xô đẩy, những con kiến sống cứ để cho mình trôi đi và giả chết. Trong trường hợp này, độ nhớt (là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau) giảm đáng kể khi tốc độ tăng lên.
“Nó không khác gì nước sốt cà chua”, Alberto Fernandez-Nieves, một giáo sư tại Khoa Vật lý nói. “Bạn càng bóp thì nó càng dễ chảy. Nhưng với những con kiến, chúng chảy còn nhanh hơn cả nước sốt cà chua.”
“Loài kiến dường như có một nút bật/tắt nên khi bị tác động bởi một lực đủ lớn, chúng tự buông trôi,” David Hu, một giáo sư tại Khoa Cơ khí George W. Woodruff nói. “Mặc dù chúng luôn muốn bám vào nhau nhưng chúng sẵn sàng buông ra để hoạt động như chất lỏng nhằm hạn chế việc bị giết hoặc bị thương.”
Thả một đồng xu qua một bầy kiến (như trong video) cũng kích hoạt hành vi này. Đàn kiến sẽ chạy quanh đồng xu để cho nó từ từ chìm dần xuống xuyên qua chúng. Sẽ mất một khoảng thời gian tương đối dài để đồng xu chìm xuống. Tuy nhiên, khi đàn kiến bị một lực tác động nhanh, nó sẽ phản ứng như một cái lò xo và trở về hình dạng ban đầu khi thôi tác dụng lực.
“Đây là biểu hiện của thuộc tính đàn – nhớt (có nghĩa là đặc điểm của vật liệu thể hiện cả 2 thuộc tính nhớt và đàn hồi khi chịu lực biến dạng)”, Fernandez-Nieves nói. “Những con kiến biểu hiện phản ứng như lò xo khi bị tấn công trong thời gian ngắn, nhưng biểu hiện đặc điểm như chất lỏng khi chịu lực tác dụng trong thời gian dài hơn.”
Sống hay chết
Nhóm nghiên cứu định lượng khả năng đàn – nhớt bằng cách xem xét phản ứng của loài kiến theo từng thay đổi của tỷ số tốc độ cắt máy đo độ lưu biến. Họ phát hiện ra rằng những con kiến hoạt động cả như chất lỏng và chất rắn. Họ làm thí nghiệm tương tự với những con kiến chết và thấy rằng nó chỉ giống chất rắn. Điều này cho thấy những con kiến sống giống như chất lỏng và chất rắn là do sự chuyển động của chúng.
(Georgia Tech)
“Thật ấn tượng, các hành vi quan sát được tương tự như những gì quan sát thấy trong các vật liệu nhân tạo, như gel polymer tại thời điểm nó chế xuất thành gel,” Fernandez-Nieves nói.
“Điều này khá khó hiểu, và hiện tại chúng tôi đang thực hiện nhiều thí nghiệm hơn để thử nghiệm và hiểu sâu hơn về nguyên nhân phát sinh những điểm tương đồng này và giới hạn của chúng. Việc làm này hy vọng sẽ mở rộng cách suy nghĩ hiện tại của chúng ta về vật liệu, giống như những con kiến, vốn luôn ở trạng thái động chứ không phải trạng thái cân bằng. Chúng tôi có rất nhiều kế hoạch thú vị muốn thực hiện với loài kiến. ”
Giống như thạch rau câu
Michael Tennenbaum, một tiến sỹ làm việc ngắn hạn tham gia vào nghiên cứu này, cũng so sánh hành vi của đàn kiến với thạch rau câu.
“Hãy tưởng tượng nếu bạn muốn làm được rau câu ngon nhất từ gelatin. Nó vừa rắn nhưng lại vừa lỏng,” ông nói. “Đó là vì gelatin có thể làm cho nó rắn lại nhưng không đủ rắn hoàn toàn. Thạch rau câu vẫn ở cả dạng rắn và lỏng. ”
Hu cũng sử dụng các tính chất giống như chất lỏng của loài kiến để nghiên cứu vật liệu tự phục hồi.
“Nếu bạn cắt một miếng bánh mì bằng một con dao, bạn sẽ có hai miếng bánh”, Hu nói. “Nhưng nếu bạn cắt qua một đống kiến, chúng chỉ đơn giản là cho các con dao đi qua, sau đó trở lại trạng thái ban đầu. Nó giống như kim loại lỏng như cảnh trong phim Terminator (Kẻ hủy diệt)”.
Hu nói sự linh hoạt này cho phép những con kiến thưởng thức những điều tuyệt vời nhất trong cả hai thế giới. Chúng có thể trở thành chất rắn để làm mọi việc và trở thành chất lỏng để tránh bị phá vỡ thành từng “mảnh vụn”.
Nghiên cứu được công bố trên Nature Materials.
Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội Mỹ và Viện nghiên cứu Khoa học cơ khí Văn phòng Bộ Lục Quân Hoa Kỳ, Chương trình cơ chế và hệ thống phức, hỗ trợ nghiên cứu này. Bất kỳ kết luận thể hiện là của các điều tra viên chính và có thể không nhất thiết thể hiện quan điểm chính thức của các tổ chức tài trợ.
Bài viết này được đăng lần đầu tại Georgia Tech. Tái xuất bản với sự cho phép của Futurity.org,Creative Commons License 4.0.
6 điều bạn có thể làm sau khi thưởng thức cà phê
(Thomas Ricker/CC BY 2.0)
Nhiều người trong chúng ta cần phải có một cốc cà phê để nạp năng lượng cho một buổi sáng sớm với các cuộc họp, một buổi trưa uể oải hay những buổi học thâu đêm. Ngày nay, cụm từ “cà phê” và “nhiên liệu” được nói đùa như là những từ đồng nghĩa. Hơn 9 triệu tấn hạt cà phê được sản xuất mỗi năm trên toàn thế giới, khi chúng được pha chế xong sẽ tạo ra một lượng chất thải vô cùng lớn. Hiện nay chủ yếu chúng được xử lý bằng cách chôn cùng các chất thải khác.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Hàn Quốc đã khám phá ra một cách sử dụng phế thải từ cà phê làm một dạng nhiên liệu vô cùng có ích. Trong một nghiên cứu về công nghệ Nano, họ đã sử dụng chất thải cà phê để sản xuất một chất liệu carbon với rất nhiều các lỗ nhỏ làm tăng diện tích bề mặt, được gọi là carbon “đã hoạt hóa”. Vật liệu mới này có khả năng hấp thụ và lưu trữ methane và hydrogen – đều là những chất có thể được sử dụng làm nhiên liệu.
Trong khi khả năng lưu trữ các nhiên liệu này từ một loại vật liệu giá rẻ như vậy là một bước tiến lớn, giúp cho công nghệ này có thể đứng vững được, nó cũng đem tới một lợi ích đối với môi trường: methane là loại khí nhà kính có hại.
Đây không phải là cách sử dụng duy nhất đối với bã cà phê thải. Do nó là một nguồn chất thải tương đối tinh khiết và cơ bản là miễn phí, các nhà khoa học, kỹ sư và doanh nhân đã và đang có những cách tiếp cận khác nhau đối với việc tận dụng nó.
Dùng cà phê làm nhiên liệu đốt với chi phí thấp
Những năm gần đây, hãng Nestle đã bắt đầu dùng bã cà phê từ sản phẩm cà phê hòa tan của mình làm nhiên liệu nhiệt. Hiện hãng dùng cà phê để nấu thực phẩm do hãng này sản xuất tại hơn 20 nhà máy toàn cầu, thay vì đổ đi 800.000 tấn bã cà phê mỗi năm vào những bãi rác phế liệu.
Công ty Bio-bean có trụ sở ở London đang cố gắng để biến chất thải từ các nhà sản xuất cà phê hòa tan địa phương (gần 200.000 tấn chỉ riêng tại London và đông nam nước Anh) thành các viên sinh khối để sản xuất điện, cũng như thành sản phẩm sưởi gia dụng dùng phương thức đốt khí hóa trấu hiện đại. Những hạt cà phê đốt sạch hơn và chứa năng lượng nhiều hơn 50% so với viên gỗ truyền thống. Tuy nhiên, không giống như Nestlé, Bio-bean đầu tiên tách dầu từ cà phê và đem tới công dụng thứ 2 dưới đây.
Biến cà phê thành nhiên liệu lỏng
Giống với hầu hết các giống cây trồng, hạt cà phê có chứa một lượng dầu đáng kể mà có thể được vắt ép ra hoặc chiết xuất hóa học. Sau đó nó có thể được biến đổi thành dầu diesel sinh học, có các thành phần tương tự như dầu diesel thông thường.
Nhiên liệu này có thể được sử dụng trong các động cơ dầu diesel tiêu chuẩn. (Paul Joseph/CC BY 2.0)
Nghiên cứu của tôi cho thấy dầu diesel sinh học chiết xuất từ cà phê không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như địa phương nơi cà phê được trồng, chủng loại cà phê hay nó được ủ như thế nào. Đây là điểm cộng tuyệt vời vì điều này có nghĩa rằng khi đốt nhiên liệu làm từ cà phê sẽ phát ra năng lượng ổn định và nhất quán.
Bã cà phê cũng có thể được lên men để sản xuất ethanol hoặc dưới điều kiện nhiệt độ và áp rất cao có thể tạo thành dầu sinh học, là vật liệu tương tự như dầu thô. Tuy nhiên, cả hai quá trình này đều rất tốn kém. Dầu diesel sinh học là nhiên liệu duy nhất mà có vẻ là khả thi đối với quy mô lớn hơn, vì vậy hãng Bio-bean mới nỗ lực thương mại hóa nó.
Với nhiều hóa chất có giá trị
Cà phê có chứa nhiều hóa chất trong nó mà khi được phân tách và làm sạch có thể phục vụ cho nhiều mục đích cụ thể. Ví dụ như nó có axít chlorogenic, một loại phụ gia thực phẩm có thể hạ huyết áp; trigonelline giúp phòng chống và điều trị tiểu đường và các bệnh hệ thống thần kinh trung ương, polyhydroxyalkanoate được dùng làm nhựa sinh học; và một loạt các chất chống oxy hóa được dùng trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe hoặc thêm vào trong nhiên liệu và chất bôi trơn để kéo dài tuổi thọ của chúng.
Phân trộn cà phê?
Đồn điền cà phê Hawai đưa ra ý tưởng sáng tạo. (Scot Nelson, CC BY-SA 2.0)
Bã cà phê rất giàu đạm, một chất dinh dưỡng quan trọng đối với sự tăng trưởng của thực vật. Rất nhiều cửa hàng cà phê biết điều này và họ cung cấp cà phê đã qua sử dụng cho những khách hàng có yêu cầu. Nó giúp họ bớt chất thải và còn góp phần làm tăng trái cây và rau hữu cơ được chăm bón bằng cà phê. Các cửa hàng có lý do gì để từ chối?
Thấm các kim loại nặng
Bã cà phê thậm chí còn hiệu quả trong việc thấm các “kim loại nặng” có hại như crom, đồng, niken, hoặc chất chì vốn hay bị rò rỉ từ nhà máy hóa chất, trang trại, hoặc các nhà máy và gây ra thiệt hại đáng kể. Trong những điều kiện cụ thể trong phòng thí nghiệm, bã cà phê cho thấy có thể loại bỏ đến 91 phần trăm các ion kim loại nặng trong dung dịch – một ví dụ tuyệt vời về lợi ích môi trường tiềm năng.
Cà phê trong công nghệ
Phức tạp hơn hết, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra việc dùng cà phê để làm siêu tụ điện – có khả năng tích tụ nhiều điện năng hơn với chu kỳ nạp dài hơn so với pin truyền thống. Những tấm nanosheet carbon xốp siêu mỏng với các ưu điểm điện tử đã được đưa vào sản xuất.
Cho dù nó được sử dụng làm phân bón trong vườn, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hoặc ngay cả trong sản xuất nhiên liệu công nghiệp, rõ ràng chất thải từ cà phê có thể được dùng trong rất nhiều việc. Sự đa dạng về mặt ứng dụng có thể lại là mặt trái của nó. Cuối cùng thì, làm sao bạn có thể quyết định được đối với thứ quá đa năng.
Nhưng có một điều chắc chắn rằng, chúng ta không nên vứt chúng đi.
Rhodri Jenkins là nhà nghiên cứu với học vị tiến sỹ về nhiên liệu sinh học tại University of Bath, Vương quốc Anh. Bài viết này đã từng được đăng trên TheConversation.com
