Khoa học và những lợi ích của "bọt"

Trương Văn Tân

Tổng quát

Các sách giáo khoa về khoa học thường dạy rằng vật chất có ba dạng: thể khí, thể lỏng và thể rắn. Điều này quá hiển nhiên khi ta quan sát sự vật xung quanh. Tuy nhiên, các loại vật chất thiên nhiên hay nhân tạo thường xuất hiện ở một dạng "lai" kết hợp giữa thể khí và thể lỏng hoặc thể khí và thể rắn mà hiếm khi chúng ta ý thức được sự hiện diện của nó mặc dù ta ăn, uống, tiếp xúc, sử dụng trong cuộc sống hằng ngày. Đó là thể bọt (foam) khi có sự kết hợp giữa thể lỏng và khí, hay là thể xốp (sponge) khi là thể rắn và khí, có thể gọi chung là thể bọt. Thể bọt từ xưa đến nay dường như ít được "trân trọng" trong lĩnh vực ngôn ngữ văn chương. Truyện Kiều có câu "Chút thân bèo bọt dám phiền mai sau", ám chỉ thân phận nhỏ mọn, lênh đênh trôi dạt, không đáng quan tâm. Nhưng trong khoa học, như các thể khác của vật chất thể bọt là một bộ môn thú vị đầy thách thức có lịch sử nghiên cứu lâu dài từ thế kỷ 19 và cho đến ngày nay vẫn có nhiều vấn đề tồn đọng chưa được hiểu hết.

Khi nói đến bọt, người ta suy nghĩ đến bọt xà phòng, bọt bia, bọt sâm banh, bọt cà phê cappuccino, bọt nước giải khát, mỗi thứ cho một khoái cảm khác nhau. Bọt chẳng qua là không khí hay gas được bao bọc bởi chất lỏng hay chất rắn. Nó đơn giản lắm. Nhưng bia, sâm banh, cappuccino, Coca-Cola không bọt thì sẽ trở thành một thứ gì khác vô danh và vô cùng nhạt nhẽo. Cái "đậm đà" của bọt không dừng ở thức uống mà còn nhận được ở thức ăn. Bánh mì, bánh bò Nam Bộ, bánh bông lan, bánh phồng tôm, bánh kem sô-cô-la mousse mà không bọt thì sẽ vô vị biết bao. Bọt trong ẩm thực có tác dụng bao bọc mùi thơm để gia tăng hương vị, dễ ăn, gia tăng vị giác vì bọt tạo ra nhiều bề mặt tiếp xúc với lưỡi. Ngoài ra, chất chữa cháy thường là bọt chứa khí cacbon đioxit (CO₂). Khí này chữa cháy hữu hiệu. Khối bọt đè lên đám lửa ngăn chặn không cho không khí tuồn vào, đồng thời bọt chứa khí cacbon đioxit dập tắt lửa.

Sự hình thành bọt nước có thể được giải thích dễ dàng bằng sự chuyển pha từ thể lỏng sang thể khí (bọt) của nước. Áp suất trong nước tương đương với áp suất không khí. Khi có một tác động vật lý, như chân vịt của máy tàu khuấy nước, tác động khuấy/quay sẽ tạo những vùng nước có áp suất thấp hơn áp suất bình thường xung quanh. Bọt xuất hiện. Ta có thể vào nhà bếp hay phòng tắm làm thí nghiệm đơn giản. Khi mở rất nhẹ vòi nước máy dòng nước trong vắt không bọt chảy ra. Khi mở to vòi, ta sẽ thấy dòng nước đầy bọt trắng. Lý do là khi tốc độ nước chảy gia tăng, dòng nước va chạm mạnh vào thành vòi tạo ra những vùng có áp suất tụt giảm. Ở những vùng áp suất thấp này, bọt xuất hiện. Khi đun sôi, bọt cũng xuất hiện nhưng do sự gia tăng nhiệt độ. Hình 1 giải thích sự chuyển pha của nước từ thể lỏng sang thể khí.

Hình 1: Bọt được tạo ra bởi sự đun sôi khi tăng nhiệt độ (Mũi tên 1)
hay bởi sự giảm áp suất (Mũi tên 2).

Trong thiên nhiên, ta thấy bọt nước trắng xuất hiện trên sóng biển hay từ những dòng thác ào ạt trút nước. Khi dòng nước chảy êm đềm như trên một dòng sông không có vật cản, bọt nước không xuất hiện. Khác với dòng sông, dòng thác va chạm vào thành đá, hay khi sóng biển tiến gần bờ, sóng vỡ (breaking wave) do sự va chạm vào lòng đất tạo ra những vùng nước có áp suất tụt giảm tạo ra vô số bọt nước.

Bọt xà phòng là một niềm vui cho trẻ con lẫn người lớn vì nó biết "bay bay" và ẩn hiện màu sắc. Đối với nhà khoa học, bọt xà phòng là mẫu thí nghiệm cho việc nghiên cứu. Nó có "tuổi thọ" dài hơn bọt thuần nước nhờ vào chất hoạt tính bề mặt (surfactant). Chất này kết hợp với nước trong vỏ bọt khiến cho vỏ có tính đàn hồi và ngăn được sự bốc hơi của nước từ vỏ duy trì độ bền của bọt. Tuy nhiên, xà phòng không phải là chất hoạt tính bề mặt duy nhất. Nước biển là "nồi lẩu" chứa nhiều phân tử có hoạt tính bề mặt. Vì vậy, biển tạo bọt có thể duy trì hàng giờ trên bãi biển. Nước ô nhiễm thải từ nhà máy có thể tạo ra những khối bọt đứng yên nhiều ngày vì có hóa chất mang hoạt tính bề mặt rất hữu hiệu.

Protein là pôlime sinh học được hình thành bởi các axit amino có nhiều trong sữa, lòng trắng trứng, và có hoạt tính bề mặt rất cao. Bọt chữa cháy thường có mùi hôi vì bọt hàm chứa nhiều loại protein động vật nhằm gia tăng tính bền vững của khối bọt trước ngọn lửa. Theo thời gian, protein trong chất chữa cháy dần dần được thay thế bởi chất hoạt tính bề mặt không mùi; nhưng trong lĩnh vực ẩm thực protein lúc nào cũng là thành phần quan trọng. Protein cần thiết để tạo ra các loại bánh, kem tráng miệng có bọt, cà phê cappuccino. Ngược lại, chất béo (lipid) là thứ ngăn chặn sự tạo bọt. Những người học làm bánh sẽ được thầy cô chỉ dạy bài học vỡ lòng là muốn tạo bọt thì phải tránh xa chất béo. Pavlova là một loại bánh tráng miệng thơm ngon, dễ làm và phổ biến tại Úc. Nguyên liệu chính là lòng trắng trứng. Lòng trắng chứa 90 % nước và 10 % protein. Lòng đỏ trứng chứa nhiều chất béo. Cho nên, tách lòng trắng ra khỏi lòng đỏ một cách hoàn hảo là khâu quan trọng đầu tiên. Để tạo bọt, người ta đánh lòng trắng trứng và một chút giấm trong cái tô gốm sứ được rửa thật sạch để loại trừ dầu mỡ (không dùng tô plastic vì chất béo của những lần sử dụng trước có thể còn dính vào tô). Khối bọt sẽ thành hình và vỏ bọt được gia cường bởi những phân tử dài protein. Giấm là axit phóng thích ion dương hydro H⁺; H⁺ gắn vào các phân tử protein tạo ra phân tử protein mang điện dương. Nhờ vậy, phân tử cùng đẩy nhau ra xa, nếu chúng co cụm lại thì bọt sẽ teo, sụp đổ, nhất là ở nhiệt độ cao. Cuối cùng, khối bọt lòng trắng trứng này sẽ được để vào lò nướng ở 120 °C. Khối bọt sẽ thành thể rắn sau hơn 1 giờ nướng trong lò. Chúng ta có bánh Pavlova.

Cấu trúc

Khi bọt đứng một mình, nó có dạng hình cầu tuyệt đối do tác dụng của sức căng bề mặt. Quy luật vật lý cho thấy, trạng thái một vật ổn định khi ở năng lượng thấp nhất. Quả bóng lăn theo triền núi và chỉ ngừng lại (trạng thái ổn định) ở chân núi là nơi năng lượng thấp nhất (thế năng = 0). Bọt cần năng lượng để duy trì hình dạng. Diện tích bề mặt càng to thì cần nhiều năng lượng. Thiên nhiên thích sự tối giản, không muốn dùng nhiều năng lượng. Nếu một cá thể bọt có thể tích nhất định nào đó thì bề mặt hình cầu có diện tích nhỏ nhất so với các dạng hình học khác, nên có năng lượng thấp nhất [1].

Nếu có 2 đơn vị bọt thì chúng kết hợp đối xứng, chia đều khoảng không gian. Nếu có 3 đơn vị bọt, thì chúng gắn vào nhau với góc 120° (Hình 2). Số đơn vị bọt gia tăng, nhưng sức căng bề mặt vẫn là yếu tố đưa đến việc giảm thiểu diện tích bề mặt dẫn đến trạng thái ổn định có năng lượng thấp nhất. Lúc đó, như Hình 2 cho thấy bọt không còn giữ được dạng hình cầu nữa mà chuyển đến một dạng khác để các mặt tiếp xúc có diện tích tối thiểu. Nếu số đơn vị bọt tăng lên với con số thật lớn và gắn vào nhau thành một khối bọt khổng lồ thì hình dạng của một đơn vị bọt sẽ ra sao để diện tích của toàn thể mặt tiếp giáp đạt đến con số tối thiểu? Đó là câu hỏi của Lord Kelvin (Sir William Thomson) đưa ra vào năm 1887 mà người đời sau gọi là "câu hỏi Kelvin". Lord Kelvin là nhà khoa học người Anh nổi tiếng với những đóng góp lớn trong nhiệt động học và đã đưa ra khái niệm nhiệt độ tuyệt đối (ký hiệu K). Nói một cách khoa học hơn, "câu hỏi Kelvin" được diễn tả như sau: nếu một không gian có thể tích nhất định, thì ta phải phân chia không gian này thế nào để những đơn vị có hình dạng và kích cỡ giống nhau và các mặt tiếp giáp giữa chúng có tổng diện tích thấp nhất.

Hình 2: Hai và ba chiếc bọt chia đều không gian
nhằm giảm thiểu diện tích bề mặt. (Nguồn: Google)

Bằng sự phân tích thiên tài dựa trên sự cân bằng năng lượng giữa các bọt xà phòng, Lord Kelvin dẫn đến kết luận là hình dạng bọt trong khối bọt có vô số đơn vị bọt là dạng lập thể 8 mặt (octahedron) mà 6 đỉnh của nó bị chặt cụt (Hình 3). Ông đặt cái tên phức tạp "tetrakaidecahedron" cho cấu trúc này, gọi một cách đơn giản đơn vị bọt Kelvin. Trong tinh thần thực dụng của người Anh, ông dùng dây kẽm tạo ra một mô hình để hình dung khối bọt có tổng diện tích của các mặt tiếp giáp ở trị số nhỏ nhất. Nó giống như hệ thống lò xo của chiếc gường ngủ nên hậu thế cho một biệt danh là "lò xo giường ngủ Lord Kelvin" (Lord Kelvin's bedspring) (Hình 4). Nhưng hình dạng của khối bọt lý thuyết Kelvin vẫn còn khác xa khối bọt trong thực tế (Hình 5).

Hình 3: (a) Lập thể 8 mặt,
(b) Lập thể 8 mặt bị chặt cụt ở 6 đỉnh (đơn vị bọt Kelvin)
và (c) Hai đơn vị bọt Kelvin gắn vào nhau [2].

Hình 4: Mô hình 3D của khối bọt Kelvin. (a) Làm bằng dây kẽm
[2] và (b) Mô hình vi tính (Nguồn: Wikipedia).

Hình 5: Khối bọt xà phòng của đời thực. (Nguồn: Wikipedia)

Mô hình của Lord Kelvin không nhận được thách thức nào từ cộng đồng khoa học hơn 100 năm qua. Điều này chứng tỏ Lord Kelvin đã có tầm nhìn sâu xa và sự phân tích trác tuyệt. Nhưng sự mặc nhận của cộng đồng khoa học không có nghĩa là sự thiếu vắng của nỗ lực truy tìm những mô hình khác. Khi thời đại vi tính xuất hiện các nhà toán học và vật lý lý thuyết trở lại tìm lời giải đáp với hy vọng có thể vượt qua trí tuệ của Lord Kelvin. Năm 1993, Denis Weaire và học trò Robert Phelan tại đại học Trinity College (Dublin, Ireland) dùng máy tính tạo ra mô hình bền vững của bọt có tên là cấu trúc Weaire-Phelan mà hai ông cho rằng có diện tích mặt tiếp giáp nhỏ hơn cấu trúc Kelvin [3]. Thật sự, kết quả tính toán của máy tính hiện đại cho ra một cấu trúc không khác nhiều so với cấu trúc Kelvin (Hình 6).

Hình 6: Mô hình vi tính Weaire-Phelan [3].

Vào năm 1946, hơn nửa thế kỷ sau sự phát hiện của Lord Kelvin, đã có những nỗ lực truy tìm bằng chứng về sự hiện hữu của đơn vị bọt Kelvin. Nhà thực vật học Edwin Matzke đã vô cùng kiên nhẫn dùng ống tiêm nhúng vào dung dịch xà phòng, tạo ra từng cá thể bọt bằng tay làm nên hàng ngàn bọt xà phòng và gắn chúng vào nhau [4]. Ông quan sát khối bọt dưới kính hiển vi và nhìn thấy các mặt tiếp giáp tam giác, tứ giác, ngũ giác, lục giác nhưng không nhìn thấy cấu trúc Kelvin. Matzke thất vọng cho rằng lý do ông đã không nhìn thấy cấu trúc Kelvin là vì ông đã không tạo được những khoảng cách giống nhau giữa các đơn vị bọt. Vài năm sau, một nhà thực vật học khác, John Dodd, rút kinh nghiệm từ thất bại của Matzke chấp nhận thử thách kiên nhẫn tạo ra những chuỗi bọt có khoảng cách đều đặn giống nhau. Dodd đã nhìn thấy và chụp được hình của cấu trúc Kelvin [5]. Nhưng ông thừa nhận rằng đây là công trình gian nan và chỉ nhìn thấy được vài lần trong hàng trăm lần làm thí nghiệm. Tuy nhiên, trong một quyển sách xuất bản năm 1999 [6], tác giả quyển sách tuyên bố phương thức tạo ra cấu trúc Kelvin trong vòng một phút nhưng với lời khuyên là "cần nhiều kinh nghiệm và một chút may mắn"!

Như vậy, trong cuộc truy tìm bằng cớ thực nghiệm cho cấu trúc Kelvin hay cấu trúc Weaire-Phelan tính lặp lại (reproducibility) rất thấp và cần sự may mắn. Nó mang tính chất của nghệ thuật đen (black art) hơn là khoa học. Mục đích của Lord Kelvin hay Weaire-Phelan là tìm kiếm tổng diện tích tối thiểu của các bề mặt tiếp giáp để có trạng thái ổn định với năng lượng thấp nhất. Trong thí dụ bên trên, quả bóng lăn theo triền núi và ngừng ở chân núi nơi có năng lượng thấp nhất. Quá trình bóng lăn là quá trình tự phát. Sự thành hình của một cá thể bọt hình cầu trong chất lỏng hay chất rắn cũng là quá trình tự phát và tức thời. Nhưng chúng ta không thấy sự tự phát trong khối bọt mà cần bàn tay điêu luyện và sự kiên nhẫn cộng thêm chút may mắn. Điều này đưa đến một câu hỏi cơ bản: hình dạng bọt trong khối bọt có cần thiết phải tuân theo nguyên lý "năng lượng tối thiểu", hay chẳng qua chỉ là một quá trình ngẫu nhiên (random)? Để có quan điểm trung dung, ta có thể nghĩ rằng khối bọt như bọt biển được hình thành bởi những đơn vị bọt có nhiều hình dạng ngẫu nhiên (random) khác nhau rồi cùng tiến đến mô hình Lord Kelvin hay Weaire-Phelan. Vì những dạng ngẫu nhiên của bọt bị khóa vào nhau, sự chuyển dạng này cần một thời gian dài, như quả bóng lăn xuống núi trên con đường dốc lài, thỉnh thoảng lại bị vướng vào chướng ngại vật. Và trước khi khối bọt có thể đạt được diện tích thấp nhất thì nó đã teo lại hay vỡ vụn vì sự mong manh.

Thể bọt có bản chất vừa thể rắn vừa thể lỏng. Như ta thường thấy ở bọt bia, bọt cappuccino, bọt kem cạo râu, bọt biển, chúng đứng yên như thể rắn, nhưng "mềm" như thể lỏng mang hình dạng của vật chứa chúng. Khi ta chưa nắm bắt được hình dạng đích thực của các đơn vị bọt tiếp giáp trong khối bọt thì ta không thể tiên đoán chính xác được cơ tính và đặc tính động (dynamic properties) của thể bọt, chẳng hạn như liên hệ ứng lực và ứng suất (stress/strain) và tính lưu động (flows) của nó. Dù vậy, những ứng dụng của bọt vẫn được con người trong mọi thời đại bình thản triển khai.

Có điểm thú vị là trong việc tìm hiểu hình dạng bọt theo nguyên lý "bề mặt tối thiểu" hay "năng lượng tối thiểu" để đạt tới trạng thái ổn định theo quy luật vật lý, chúng ta có thể tìm ra được một bài học nhân văn cho con người và xã hội loài người. Một trong những mục đích của giáo dục là đào tạo một con người, mà nói theo tiếng Anh là "a round person", hay là một con người toàn vẹn. Điều này có thể nhìn thấy trong một cá thể bọt hình thành trong dạng tròn (round) của hình cầu. Khi nhiều cá thể nối kết với nhau, thì phải có sự chia sẻ đồng đều, có qua có lại, như trong sinh hoạt của những mái ấm gia đình. Khi số lớn cá thể tập hợp lại với nhau như trong xã hội loài người, các góc cạnh của cá thể cần được bào mòn chặt cụt để tương hợp ráp nối nhau tạo ra xã hội hài hòa ở trong trạng thái ổn định ở mực năng lượng thấp nhất, ít mỏi mệt, nhiều niềm vui. Con người cần nhìn "bọt", để hiểu khái niệm "hòa"…

Ẩm thực

Thán khí (cacbon đioxit) cũng như không khí đã có mặt từ lúc sự sống xuất hiện trên quả đất. Cacbon đioxit là nguồn sống của thực vật. Thực vật hấp thụ cacbon đioxit duy trì sự sống và thải ra oxy. Động vật hít thở oxy thải ra cacbon đioxit. Một dòng luân lưu hài hòa của vạn vật. Tiếc thay, sự lạm dụng thiên nhiên của con người hiện đại do bản tính tham lam và sự cố chấp vô minh của một số chính trị gia phản khoa học đang phá hủy vòng luân lưu này tạo ra quá nhiều khí thải cacbon đioxit gọi là "khí nhà kính", nguyên nhân của sự ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Cuộc cháy rừng dai dẳng kéo dài 4 tháng tại Úc ảnh hưởng đến 75% dân Úc và giết đi gần 1 tỉ động vật nuôi và thú rừng là một minh chứng. Tuy nhiên, ở một khía cạnh khác cacbon đioxit đã được con người sử dụng thông minh trong những ứng dụng quan trọng như ẩm thực, công nghiệp ở dạng bọt. May thay, một hàm lượng nhỏ cacbon đioxit thì không mùi, không độc.

Thức ăn phương Tây phụ thuộc rất nhiều vào bọt. Rượu sâm banh, bánh kem, bánh sô-cô-la mousse là những thứ khoái khẩu. Bọt trong ẩm thực không phải để trang trí mà để phục vụ cho nhiều mục đích. Bánh mì có bọt để dễ ăn. Bọt trong rượu hay trong nước giải khát là để nâng cao vị giác. Nghề làm bánh mì và làm bia bằng sự lên men có lịch sử hàng ngàn năm. Trong quá trình lên men khí cacbon đioxit phát sinh tạo nên vô số bọt khí trong môi trường rắn (bánh mì) hay môi trường lỏng (rượu). Bột nở chứa natri bicacbonat (bột soda = baking soda, NaHCO₃) phóng thích khí cacbon đioxit như tác dụng của men. Nam Bộ bộ có nhiều loại bánh có bọt như bánh bông lan, bánh tiêu, bánh bò, dầu quẩy. Giống như bánh mì, bánh bò nổi bọt từ men. Bánh mì để vào lò nướng nhưng bánh bò cần phải hấp trong hơi nước. Bánh bò ăn chan với nước dừa thành món tráng miệng. Nhưng khi ăn với chiếc dầu quẩy thành một món ăn nhẹ. Ăn cách nào cũng ngon.

Bánh phồng tôm là đặc sản Nam Bộ bộ xuất hiện đầu tiên tại thị xã Sa Đéc (tỉnh Đồng Tháp) ở thập niên 60 của thế kỷ trước. Ở đây là vùng sông nước yên bình của đồng bằng sông Cửu Long đầy tôm cá với những con tôm sông to tương đương với tôm hùm biển. Thị xã Sa Đéc gạo trắng nước trong, có nhiều làng làm bột ăn nổi tiếng với lịch sử 100 năm sản xuất các loại bột chất lượng nhờ phẩm chất nước của vùng đất này. Từ nhiều điều kiện khách quan thuận lợi người dân Sa Đéc dùng bột để sản xuất bánh hủ tiếu dai mềm và bánh phồng tôm. Bánh phồng tôm dần dần được công nghệ hóa bởi công ty Sa Giang mang hương vị dân dã của miền Tây Nam bộ đi khắp thế giới. Người tiên phong "sáng chế" ra bánh phồng tôm là phu nhân của những ông giáo về hưu ở thị xã. Các bà muốn tăng thu nhập nên cùng nhau tạo ra công thức chế biến mà trong đó bột nở chứa bột soda là thành phần làm "phồng" chiếc bánh. Dưới tác dụng của nhiệt có thể từ chảo dầu nóng hay lò vi ba, natri bicacbonat phóng thích CO₂ biến thành bọt trong bánh. Bọt giữ lại mùi thơm của tôm và cùng lúc cho đặc tính dòn của bánh để mỗi lần ăn cắn một miếng nghe dòn rụm. Ăn vài chiếc bánh phồng tôm rồi hớp một ngụm rượu sâm banh khai vị, Đông Tây hòa hợp, tận hưởng hương vị mà thể bọt cống hiến thì không gì ngon bằng.

Nước có hơi cacbon đioxit chảy ra từ những nguồn nước thiên nhiên được thiên hạ đồn đãi rất tốt cho việc trị liệu nhiều thứ bệnh. Điều này có thể đúng vì sự hiện hữu của chất khoáng nhưng khí cacbon đioxit thì hiển nhiên không có tác dụng. Thiên hạ cứ thế đua nhau tìm nước khoáng có hơi, nhưng nguồn thiên nhiên thì có hạn, nhu cầu "uống cho bổ" lại gia tăng. Những người có đầu óc kinh doanh nghĩ ra phương pháp chế tạo nước khoáng nhân tạo bằng cách "nhồi nhét" khí cacbon đioxit dưới áp suất cao vào nước thường. Nước có hơi hay là nước soda là khởi điểm của các loại nước ngọt được sản xuất bắt chước nước khoáng thiên nhiên. Năm 1851 hãng Schweppes đã bán ra 2 triệu chai nước khoáng nhân tạo [7]. Trước 75 tại miền Nam, nước suối Vĩnh Hảo ra đời được người dân nồng nhiệt đón nhận. Nước ngọt có hơi không thể thiếu vắng trong cuộc sống hiện đại. Doanh thu cho các loại nước ngọt được dự đoán cho năm 2020 là 250 tỷ đô la tại Mỹ, 750 tỷ đô la cho toàn thế giới. Nước Coca-Cola từ một loại quả hạch chứa caffein được sản xuất vào năm 1886 và cho đến ngày nay công thức chế tạo vẫn còn bảo mật.

Việc hòa tan khí cacbon đioxit vào các loại nước ngọt được thực hiện dưới áp suất 60 psi, gấp đôi áp suất không khí trong vỏ xe hơi. Theo cách làm được chỉ dẫn trong Youtube, nước khoáng nhân tạo có thể chế tạo dễ dàng tại nhà nếu có dụng cụ thích hợp. Sự hòa tan của khí trong thể lỏng được giải thích bởi định luật Henry bằng một công thức đơn giản trong hóa lý. Nghĩa là, khi ta gia tăng áp suất thì lượng khí hòa tan gia tăng. Khi ta giảm áp suất như lúc ta khui lon nước ngọt, khí hòa tan sẽ trở lại thể khí dưới dạng bọt. Người ta cũng biết rằng khí cacbon đioxit hòa tan dễ dàng hơn oxy vì cacbon đioxit "thích" nước hơn oxy. Tại sao thiên hạ lại thích uống nước có hơi? Câu trả lời đơn giản là vì nó ngon hơn. Ly nước chanh đá dùng nước soda sẽ uống ngon hơn nước thường. Bọt của nước cola ngoài những tiếng nổ xèo xèo vui tai, nó còn cho cảm giác "đã khát", thêm chút cay cay ở lưỡi và cổ họng thoang thoảng mùi bạc hà. Nhưng tại sao "ngon hơn" thì phải cần nhiều chứng cứ khoa học.

Rượu sâm banh có lịch sử lâu dài, nổi tiếng là rượu vang có bọt (sparkling wine) và tên tuổi gắn liền với nước Pháp. Với 300 năm lịch sử, sâm banh mãi mãi là một hiện tượng toàn cầu trong thế giới ẩm thực của giới thượng lưu lẫn giới bình dân. Rượu của các nước phương Đông từ ngàn xưa không có bọt. Rượu đế của ta hay rượu sake hoặc shochu của Nhật không bọt. "Bồ đào mỹ tửu" [8] hay rượu maotai ngày nay của Trung Hoa cũng không bọt. Vì vậy, rượu sâm banh là đặc sản Pháp quốc, có một không hai, thuộc một đẳng cấp khác của rượu cũng chỉ vì "bọt". Sâm banh cũng đánh dấu và hòa nhập vào cuộc đổi đời của đất Việt, từ ông đồ học chữ thánh hiền đến ông thầy phán "Tối rượu sâm banh, sáng sữa bò", dù thoang thoảng mùi thuộc địa!

Rượu là thứ giải tỏa, phóng khoáng thậm chí cuồng nhiệt đến nông nổi. Những ẩm giả đệ tử của Lưu Linh từ xưa không hiếm. Có người chỉ khi say mà đầu óc trở nên sáng suốt phun châu nhả ngọc thành những vần thơ bất hủ lưu truyền dân gian như Lý Bạch. Cũng có những kẻ sĩ hào sảng như Uy Viễn tướng công vì rượu mà từ đại thần thượng thư lọt xuống thành phó thường dân lính thú. Nhưng thời nay bọt sâm banh khiến cho người uống điệu đàng, điềm tĩnh và trong cái ngà ngà say lâu lâu cầm ly rượu đưa lên tầm mắt nhìn chuỗi bọt nhẹ nhàng nổi lên từ đáy ly rồi khe khẽ gật gù, người uống cảm thấy mình sành điệu và thượng lưu hơn lên. Cho nên, không như rượu đế dân dã, sâm banh hấp dẫn đàn ông lẫn đàn bà. Nó xuất hiện từ sự ngẫu nhiên ở vùng có tên là Champagne phía đông Paris rồi từ đó bùng nỗ thành một cuộc cách mạng ẩm thực kéo dài đến hôm nay làm túy lúy toàn thế giới. Cũng vì sự ngẫu nhiên, chế tạo rượu sâm banh phải nói là một nghệ thuật hơn là khoa học. Kinh nghiệm tích tụ trong vài trăm năm của những nghệ nhân làm rượu người Pháp càng ngày càng hoàn thiện sâm banh. Năm 1850, sâm banh bán ra 20 triệu chai. Cơn khát sâm banh của con người gia tăng theo ngày tháng đã đẩy con số tới 350 triệu chai/năm ngày nay. Thương hiệu "Champagne" là của Pháp, nước Pháp sẵn sàng kiện những ai lạm dụng chữ "Champagne" trên nhãn hiệu của rượu vang có bọt làm ngoài nước Pháp.

Nước ngọt có hơi được sản xuất từ thế kỷ 19 nhưng mãi đến đầu thế kỷ 21 các nhà khoa học mới tìm hiểu tác dụng của bọt cacbon đioxit. Kết quả nghiên cứu cho thấy bọt cacbon đioxit đóng vai trò chính trong việc làm gia tăng lượng của các hợp chất thơm trong nước ngọt và được mũi sâu sắc cảm nhận [9]. Thí nghiệm về vị giác của lưỡi cũng cho thấy khi bọt vỡ trên lưỡi khí cacbon đioxit kích thích thần kinh vị giác tạo cảm giác sảng khoái trong vòm miệng. Nhưng bọt cacbon đioxit trong sâm banh có một vai trò tinh tế hơn vì chúng được tạo thành tự nhiên qua sự lên men của đường trong từng chai rượu. Quá trình này cần nhiều thời gian và được chăm chút nâng niu dưới những bàn tay chuyên gia. Nó rất khác với sự hòa tan khí carbon đioxit trong nước hay nước ngọt bằng phương pháp dùng áp suất gia công đại trà để bán ra ào ạt, uống vào ào ạt. Phải nói "tinh tế" là một tĩnh từ thích đáng cho rượu sâm banh từ cách lên men, cách rót rượu, cái ly cái tách, nhiệt độ đến cách thưởng thức. Giáo sư Gérard Liger-Belair của Université de Reims Champagne-Ardene, đã khảo sát nghệ thuật sâm banh dưới ánh sáng khoa học [10]. Tất cả đều xuất phát từ phản ứng lên men hóa học đơn giản của đường,

C₆H₁₂O₆ ^_> 2CH₃CH₂OH + 2CO₂

Đường (C₆H₁₂O₆) lên men trở thành rượu (ethanol, CH₃CH₂OH) và phóng thích khí cacbon đioxit (CO₂) trong chai được niêm kín. Áp suất trong chai gia tăng vì khí cacbon đioxite được phóng thích liên tục cho đến khi sự lên men chấm dứt. Lúc đó áp suất đạt đến 80 psi, gần 3 lần áp suất trong bánh vỏ xe hơi. Vì vậy, việc mở chai sâm banh là việc đòi hỏi sự cẩn trọng vì nút chai bắn ra với tốc độ 50 km/h ở nhiệt độ 20 °C. Cái hồn của sâm banh là bọt cacbon đioxit. Chất lượng sâm banh ngon hay tồi tùy thuộc vào số lượng bọt được tạo thành trên vách ly khi rượu đổ vào. Nhiều bọt quá gây ra sự khó chịu; ít quá đưa đến sự nhạt nhẽo. Con số này từ lâu là một câu hỏi lớn cho các nhà làm rượu, chuyên gia thử rượu và người thưởng thức. Theo phương pháp truyền thống, người ta cần 24 gram đường để làm ra 1 lít rượu (24 g/L). Dựa theo phản ứng hóa học bên trên, ta sẽ thu hoạch được 11,8 g/L khí cacbon đioxite theo các cách tính hóa học có trong sách giáo khoa. Bọt khí có đường kính trung bình 0,5 mm và chai rượu có thể tích 750 mL (mililít). Như vậy, khi mở nút chai, 750 mL rượu sẽ phát sinh ra 100 triệu bọt. Một ly rượu vang có thể tích 100 mL, vậy mỗi ly có khoảng 15 triệu bọt.

Tuy nhiên, không phải toàn bộ khí hòa tan đều có thể biến thành bọt và một số lượng lớn của khí thất thoát khi rót rượu vào ly. Để có ly rượu ngon, lượng khí hòa tan không được phí phạm và phải được gìn giữ ở mức tối đa. Nhiệt độ tối ưu ở khoảng 8 - 10 °C để giữ khí hòa tan. Lạnh quá thì rượu không ngon. Nóng quá thì rượu mất hơi rất nhanh lúc mở nút. Cách rót rượu cũng ảnh hưởng đến lượng khí hòa tan. Theo sự tính toán và số liệu đo đạc của Liger-Belair, khi 100 mL rượu được rót thẳng đứng đụng đáy ly 1 triệu bọt (so với con số lý thuyết là 15 triệu) sẽ được phóng thích. Nhưng nếu nghiêng ly về một phía và rót nhẹ nhàng trên vách ly thì khí hòa tan trong chai sẽ được bảo tồn hiệu quả hơn và ta sẽ thu hoạch vài mươi ngàn bọt nhiều hơn.

Nói về ly uống sâm banh, loại ly thon dài (flute glass) giữ được bọt lâu hơn. Ly bầu tròn (coupe glass), tương truyền dạng bầu tròn được mô phỏng theo bộ ngực của hoàng hậu Marie-Antoinette, sẽ mất bọt 30% nhanh hơn ly thon dài. Ly plastic không phải là loại ly cho sâm banh. Bọt trong ly plastic không mềm mại nổi lên như ly thủy tinh mà dính vào thành ly rồi từ từ phình to. Bọt to hay nhỏ không phải là vấn đề cho nước soda hay nước cola. Người ta có thể uống ừng ực phó mặc kích cỡ của bọt. Nhưng với sâm banh, bọt to hay nhỏ cũng là một yếu tố quan trọng. Dường như bọt to kém thanh nhã và hương vị không còn đậm đà như bọt nhỏ.

Liger-Belair cũng quan sát những chuỗi bọt trồi lên trên mặt rượu. Ở đây, hàng trăm bọt vỡ cùng lúc tạo ra hàng trăm hạt rượu li ti bắn vào không khí (Hình 7). Khi hạt rượu càng nhỏ nó càng bốc hơi dễ dàng và tức thời tỏa ra hương rượu hòa vào không khí. Người uống sẽ nhắm mắt, hít hít rồi lâng lâng mỉm cười trước khi đưa ly vào miệng. Hiện tượng này cũng xảy ra trong nước ngọt có hơi nhưng không dịu dàng như sâm banh.

Hình 7: (a) Bọt cacbon đioxit trồi lên từ đáy ly và (2) Bọt vỡ
trên mặt tiếp giáp rượu/không khí tạo ra vô số hạt rượu li ti [10].

Tiếng "pop" của chai sâm banh khi được mở đánh dấu khởi đầu của một buổi liên hoan. Cùng lúc, nó cũng đánh dấu sự thay đổi đột biến từ cao đến thấp của áp suất trong chai rượu, đưa đến nhiều hiện tượng vật lý. Sau tiếng "pop" vui tai lập tức chiếc nút chai bắn ra xa, màn sương khói xuất hiện ở cổ chai, bọt trào ra, rượu đổ vào ly rồi tiếp theo là tiếng xèo xèo do bọt vỡ. Tất cả đều có thể lý giải bằng các định luật khoa học. Thưởng thức sâm banh không phải chỉ là uống mà còn là những cái vui của bọt đi kèm. Liger-Belair đã giải thích "cái vui" và "tinh tế" của rượu sâm banh từ sự tích lũy kinh nghiệm có hàng trăm năm lịch sử bằng thí nghiệm và công thức dựa trên quy luật hóa lý. Ngoài những bài báo cáo thú vị, ông đã viết một quyển sách về khoa học của sâm banh [11]. Nhưng không phải ai cũng hoan nghênh đón nhận những thành tựu này. Một số tửu đồ bảo thủ cùng với các tín đồ sâm banh tranh cãi với ông, nhao nhao phản đối. Cớ chi phải soi mói chai sâm banh dưới ánh sáng khoa học? Có hay không có khoa học sâm banh vẫn là thứ ngất ngưởng, mãi mãi tuyệt vời. Hãy cho chúng tôi uống với huyền thoại. Liger-Belair chỉ có mỗi một "tội" là ông đã phá vỡ huyền thoại sâm banh bằng những con tính và công thức toán học!

Các ứng dụng khác

Tác dụng của bọt trong ẩm thực có thể lý giải rõ ràng dựa vào những định luật khoa học. Nhưng trong nhiều lĩnh vực khác, ứng dụng của bọt cho nhiều kết quả kinh ngạc tuy cơ chế của chúng vẫn chưa được hiểu rõ. Thí dụ, việc làm giảm lực cản của nước là đề tài nghiên cứu trong ba thập niên qua nhằm tiết kiệm nhiên liệu trong việc vận chuyển tàu thủy. Nhiên liệu được đốt phần lớn để chống lại lực cản của dòng nước. Nếu có một cơ chế hay vật liệu nào có thể làm giảm lực cản thì phí tổn chuyên chở sẽ giảm đi rất nhiều. Trong quá khứ, một số công trình sử dụng chất hoạt tính bề mặt và pôlime hòa tan trong nước có thể làm giảm lực cản từ 50 đến 80%. Đây là kết quả khả quan nhưng không mang tính thực dụng. Nếu áp dụng cho tàu thuyền thì chúng sẽ gây ô nhiễm môi trường. Biển sẽ tràn ngập hóa chất và pôlime.

Một phương pháp "xanh" hơn là dùng bọt không khí có kích cỡ milimét. Công trình nghiên cứu về bọt vi mô làm giảm sự ma sát và lực cản của dòng chảy đã kéo dài vài mươi năm. Nhưng cho đến ngày nay vẫn chưa có một lý thuyết thích hợp hay mô hình toán học khả dĩ giải thích được hiện tượng bọt làm giảm ma sát gây ra bởi dòng chảy [12]. Kết quả thực nghiệm cho thấy bọt trên một mặt phẳng có thể giảm lực cản đến 80%, và 40% khi dòng chảy trong một đường kênh. Nếu kết hợp bọt và polymer pôlime thì kết quả cho thấy hai thành phần này rất tương hợp, có thể dễ dàng giảm lực cản đến 80% [13]. Kết quả này dựa trên những điều kiện thực nghiệm ở điều kiện lý tưởng. Dù vậy, tại Nhật Bản nghiên cứu ứng dụng vẫn tiếp tục cho các loại tàu có sàn tàu phẳng và chạy chậm như tàu hàng (tanker) (Hình 8) [14]. Kết quả thực nghiệm trên thân tàu cho thấy lực cản giảm 50% cho tàu dài 12 m và 32% cho tàu dài 50 m [14-15].

Hình 8: Bọt không khí được phun dưới sàn tàu hàng
làm giảm lực cản của dòng chảy [14].

Điều chúng ta có thể hiểu được là những luồng bọt không khí có tác dụng như chất nhờn và tác dụng này bị chi phối bởi nồng độ, kích cỡ và hình dạng của bọt [16]. Các nhà khoa học và kỹ sư hải dương học tiếp tục tìm hiểu ảnh hưởng bằng lý thuyết toán học lẫn thực nghiệm của những yếu tố này nhằm tối ưu hóa tác dụng của bọt [17]. Đối với các công ty thương thuyền, giảm thiểu phí tổn vận chuyển là việc hàng đầu nhưng ngân sách cho việc mua và duy trì thiết bị làm bọt liệu có quá tốn kém khi so với phí tổn tiêu hao nhiên liệu?

Một ứng dụng khác quan trọng là hấp thụ năng lượng sóng xung kích (shock wave) phát ra từ một quả bom. Thế giới đang ở một giai đoạn bất ổn vì chiến tranh và khủng bố. Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Quốc gia Sandia (Sandia National Laboratories, Mỹ) khảo sát hiện tượng bọt hấp thụ năng lượng phát ra từ sóng xung kích khi quả bom nổ [18]. Quả bom plastic nặng 2,5 kg, loại bom ưa chuộng của những kẻ khủng bố, được đặt dưới một khối bọt giống như bọt chữa cháy. Khi kích hoạt, năng lượng của sóng xung kích được bọt hấp thụ 90 %. Một kết quả kinh ngạc! Năng lượng sóng tác động lên khối bọt biến bọt thành vô số hạt nước li ti rồi nhanh chóng biến thành hơi nước. Thí nghiệm này được lặp lại với lượng chất nổ nhiều hơn [19]. Họ cho ra một kết quả tương tự và ngoài ra ghi nhận tốc độ phát tán của sóng xung kích giảm 50 %.

Hai công trình chỉ ghi nhận kết quả nhưng không giải thích cơ chế của quá trình hấp thụ năng lượng từ bọt. Cho đến nay, người viết không tìm được tư liệu nói về cơ chế và sự liên hệ giữa chất làm nên bọt và khả năng hấp thụ năng lượng sóng. Thí dụ, nếu ta thay đổi chất hoạt tính bề mặt trong bọt thì ảnh hưởng thế nào đến sự hấp thụ năng lượng từ sóng xung kích. Chất hoạt tính bề mặt cho bọt tính đàn hồi. Nếu khối bọt có nhiều tính đàn hồi, khả năng hấp thụ năng lượng sẽ nâng cao. Nhưng đây chỉ là sự suy luận do trực cảm, cần kiểm chứng bằng thực nghiệm. Trên thực tế, sẽ không có ai sử dụng bọt để che chắn bom nổ trong lúc hữu sự mà người ta sẽ dùng thể xốp của pôlime có tên là polyurethane (PU) có thể đặt thường trực ở những nơi kém an ninh cần được phòng vệ [20]. Vật liệu này sẽ được đề cập phần kế tiếp. Nhóm nghiên cứu thuộc lực lượng công binh của quân đội Mỹ có một ứng dụng thực tế hơn. Họ dùng bọt để giảm thanh, một dạng hấp thụ năng lượng, cho những cuộc nổ lớn của các hoạt động khai thác quặng mỏ, xây cất hay giải tỏa nhà cao tầng nhất ở những vùng dân cư đông đúc [21].

PU là pôlime/chất dẻo công nghiệp (engineering polymer/plastic) có ứng dụng rộng khắp, xuất hiện mọi nơi. Giả thử có một ngày vì lý do nào đó PU biến đi thì con người sẽ mất mát và hụt hẫng rất nhiều. PU đa dụng như cao su nhưng dễ chế biến hơn cao su nên được giới doanh nghiệp sản xuất vật liệu ưa thích. PU được chế tạo ở thể rắn có thể được điều chỉnh từ mềm đến cứng tùy vào nhu cầu. Chúng có những ứng dụng như sơn, dầu đánh bóng, chất dính, vật liệu ô-tô, vật liệu cấy y khoa (implant), vật liệu áo giáp chống đạn v.v… Trên thị trường, có nhiều loại pôlime công nghiệp nhưng PU được đề cập ở đây là vì đặc điểm tạo bọt để chế tạo thể xốp không có ở những pôlime khác. Thể xốp PU được dùng làm nệm giường, nệm ghế xa lông, miếng xốp rửa chén, giảm âm thanh, giữ nhiệt và chống bom như đề cập bên trên. Việc tạo ra bọt trong thể rắn PU khá đơn giản. Người ta nhỏ vài phần trăm nước vào nguyên liệu nguồn keo resin (urethane resin) trong phản ứng chế tạo PU. Nước phản ứng với gốc hóa học (nhóm isocyanate) của keo resin tạo ra bọt khí cacbon đioxit. Nhiều bọt hay ít bọt tùy vào lượng của nước. Nhờ vào sự đơn giản của phản ứng tạo bọt trong PU, ngày nay những sản phẩm plastic có bọt phần lớn là PU.

Cấu trúc sinh học

Xương là thể xốp cứng. Sự tiến hóa của xương trong muôn loài động vật có mục đích duy nhất là tạo ra khung di động với thành phần chính là chất vôi (canxi) có đặc tính vừa nhẹ vừa bền cho việc đi đứng chạy nhảy. Nhưng để hiểu rõ hơn sự bền nhẹ của sản phẩm sinh học chúng ta hãy tìm hiểu lông chim. Lông chim là một thiết kế tuyệt đỉnh của sự bền nhẹ cho việc phi hành. Trục lông chim có thành phần chính là chất keratin. Keratin là phân tử sinh học (protein) có trong sừng, móng, mỏ chim, lông và tóc. Vì vậy, trục lông chim có màu sắc trắng đục như móng tay móng chân con người, nhưng cứng hơn. Tỷ trọng của keratin khoảng 1,3 g/cm³ nhẹ hơn rất nhiều so với tỷ trọng của xương (1,85 g/ cm³). Khi ta quan sát kỹ lông chim, trục lông có phần rỗng và phần "đặc". "Đặc" thật sự là thể xốp chứa vô số lỗ trống không khí có đường kính khoảng 20 micromét (1/5 đường kính sợi tóc) (Hình 9). Bức tường ngăn cách những lỗ trống không khí này lại là thể xốp với vô số lỗ không khí nhỏ hơn. Ta có thể xốp trong một thể xốp (foam–in–foam) (Hình 9c và 9d). Dưới kính hiển vi, thể xốp của bức tường là những sợi keratin có đường kính ở kích thước nanomét giống như đĩa mì spaghetti có nhiều lỗ trống 0,1–0,5 micromét. Như vậy, phần "đặc" không đặc mà là thể xốp 100 %. Trong trục lông chim, đoạn rỗng hay đoạn "đặc" (thể xốp) đều có ý nghĩa cơ học. Đoạn rỗng cho sự nhẹ cân nhưng thể xốp hiện diện ở khúc đoạn nơi chịu ảnh hưởng của sức gió nhiều nhất nhằm chống chọi với lực bẻ cong và bẻ xoắn của gió khi chim bay. Cấu tạo thể xốp trong thể xốp có khả năng hấp thụ rất hữu hiệu năng lượng va đập của gió với độ bền cao hơn của thể khối (bulk) keratin cùng một trọng lượng. Cấu trúc "thể xốp trong thể xốp" cho thấy tôn ti từ nhỏ đến lớn, thể xốp mỏng của những "sợi mì" keratin tạo nên những lỗ trống nhỏ là bức tường phân cách giữa các lỗ trống lớn của thể xốp to hơn. Đây là cấu trúc của phương pháp "từ dưới lên" của công nghệ nano mà Mẹ Thiên Nhiên đã sử dụng tài tình để giải quyết hai yếu tố đối kháng: bền và nhẹ.

Hình 9: (a) Lông chim và trục lông, (b) Cấu tạo của trục với lằn gợn (ridge) và thể xốp keratin, (c) Thể xốp phóng đại với lỗ trống không khí và (d) tường phân cách giữa lỗ trống không khí cũng là thể xốp, một thể xốp trong một thể xốp [22].

Trục lông còn có những lằn gợn (ridge) gia cường giống như dạng mái tôn lợp nhà tiếp sức thêm cho thể xốp. Nó cho thấy thiên nhiên vô cùng thông thái và chu đáo khi biết lựa chọn những vật liệu thích hợp có tỷ trọng khác nhau, có sự sắp xếp tôn ti với mục đích định sẵn ngay từ thang phân tử; nhằm thành hình một khung di động biết bay với lằn gợn và thể xốp. Tất cả vì sự bền nhẹ để chim có thể cất cánh bay cao, đảo ngang, bay lượn (gliding) và hạ cánh đúng theo nguyên lý của khí động lực học.

Hệ thống cánh chim và lông chim khi được khảo sát bằng kính hiển vi cho thấy nhiều thông tin dồi dào về một cấu tạo vừa bền cứng vừa nhẹ cân chưa từng thấy trong các vật liệu hay composite nhân tạo. Một số nhóm nghiên cứu liên quan đến vật liệu học đang mô phỏng trục lông chim: chế tạo "thể xốp trong thể xốp" bằng máy in 3D để tạo sợi polymer pôlime có đường kính vài trăm nanomét. Nhưng dù có nhiều nỗ lực, sản phẩm con người hiện nay (2019) vẫn chưa đạt đến trình độ tinh vi của loài chim để chế tạo những composite tinh vi có tôn ti từ mức vi mô, vừa bền nhẹ vừa có cơ tính đề kháng đối với các lực bẻ cong và bẻ xoắn.

Phổi của động vật là cấu tạo thể xốp mềm biết co giãn. Xương ở trạng thái tĩnh nhưng phổi ở trạng thái động, vì vậy phổi phức tạp hơn xương. Phổi con người có khoảng 300 triệu quả cầu rỗng gọi là phế nang. Chúng kết thành từng chùm như chùm nho (Hình 10). Tổng số diện tích bề mặt của các phế nang là 90 m², cần thiết để phân tử oxy đi qua vỏ nang, khuyếch tán vào vô số mao mạch máu để duy trì sự sống. Mẹ Thiên Nhiên là nhà khoa học siêu phàm đã thiết kế những cơ quan của muôn loài sinh linh có chức năng rõ rệt với một sự hoàn chỉnh, không dư không thiếu. Phổi cũng không ngoại lệ. Cũng như bọt nước, phế nang có thể teo lại hay chập vào nhau làm thành phế nang to hơn. Nếu xảy ra, số phế nang sẽ giảm, diện tích bề mặt giảm, con người sẽ khó thở, lượng oxy tiếp nhận trong máu giảm và dẫn đến tử vong. Để tránh sự kết tập và sự teo của phế nang, phổi cần chất hoạt tính bề mặt gia tăng tính đàn hồi. Mặt khác, khác với bọt nước, phế nang co giãn theo dịp thở lúc nào cũng ở trạng thái động. Sự co giãn sẽ dễ dàng hơn và con người sẽ dễ thở hơn nếu phế nang có sức căng bề mặt thấp. Vì vậy, chất hoạt tính bề mặt của phổi là một phức chất đa thành phần chứa protein lẫn chất béo và dĩ nhiên phức tạp hơn chất hoạt tính của xà phòng. Protein gia tăng tính đàn hồi, như đã biết, và chất béo làm giảm sức căng bề mặt. Chất hoạt tính bề mặt của phổi là một đề tài thú vị và có chức năng quan trọng trong sinh y học, nhưng nó vượt ra ngoài nội dung của bài viết này. Người đọc có thể tìm hiểu thêm trong tài liệu tham khảo [23].

Hình 10: Cấu tạo phổi (Respiratory tree:
Cây hô hấp, Pulmonary alveoli: phế nang). (Nguồn: Google)

Bọt âm học

Sóng điện từ lẫn sóng âm tác dụng với bọt tạo nên nhiều hiện tượng đặc biệt. Màng bọt xà phòng cho nhiều màu sắc do sự nhiễu xạ ánh sáng. Bột biển màu trắng, do sự tán xạ ánh sáng (light scattering); giống như tán xạ từ những vầng mây, có tên gọi là tán xạ Mie (Mie scattering). Bọt và âm thanh có tương quan sâu đậm. Âm thanh tác động lên bọt tạo ra sự tán âm (sound scattering) và hấp thụ (sound absorption). Tác dụng của sóng âm trên bọt là câu chuyện dài như trường thiên tiểu thuyết, có nhiều chi tiết ly kỳ. Nhiều nhà khoa học dành suốt cuộc đời chỉ cho việc nghiên cứu sự tương tác giữa sóng âm và bọt, và đã viết thành những quyển sách có giá trị [24]. Mặt khác, bọt tạo ra âm thanh. Tiếng tí tách của giọt mưa rơi xuống vũng nước, tiếng mái chèo của chiếc ghe tam bản chạm vào mặt nước nghe róc rách trên một dòng sông yên tĩnh, tiếng ầm ầm của thác, tiếng rền của biển, tiếng vỡ của bọt sâm banh... là những âm thanh của bọt.

Âm học hiện đại bắt đầu ở thế kỷ 19, từ công trình nghiên cứu của các khoa học gia tiền bối như Helmholtz (Đức), Lord Rayleigh (Anh), và William Bragg (Anh/Úc). Âm học là bộ môn khá phức tạp trong vật lý, cả lý thuyết lẫn thực nghiệm. Nghiên cứu về sự tương tác giữa sóng âm và bọt chỉ bắt đầu ở đầu thế kỷ 20 và đến nay vẫn còn là đề tài nhiều thách thức cho các nhà toán học, vật lý và vật liệu học. Sóng điện từ có thể truyền trong chân không, nhưng sóng âm cần môi trường vật chất như thể khí, lỏng và rắn để truyền. Sóng âm là sóng cơ học, nghĩa là sóng mang năng lượng tác động lên một vật làm rung, ép hoặc đẩy. Sóng xung kích của quả bom có thể làm thủng màng nhĩ hay gây sức ép chết người. Nếu ta đặt trang giấy mỏng trước nguồn âm, ta sẽ thấy tờ giấy rung động tới lui do sự dao động của áp suất không khí. Tương tự, nếu ta cho nguồn âm tác dụng lên bọt trong nước thì chiếc bọt sẽ rung động co giãn như quả tim, đập theo tần số của nguồn âm.

Mỗi vật thể hay cấu trúc đều có một tần số cộng hưởng tự nhiên tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của vật thể hay cấu trúc đó. Khi tần số nguồn âm bằng tần số tự nhiên của vật bị tác động thì sự cộng hưởng xảy ra. Lúc đó, vật sẽ hấp thụ năng lượng tối đa do nguồn âm cung cấp. Một thí dụ dễ hiểu về sự cộng hưởng là có đoàn quân vài ngàn người cùng diễn hành qua một cây cầu. Khi nhịp đi của đoàn quân có tần số tương tự như tần số cộng hưởng tự nhiên của cây cầu thì năng lượng va đập vào cầu của hàng ngàn đôi chân được chiếc cầu hấp thụ và có khả năng làm sập cầu. Bọt cũng như chiếc cầu, là vật gây cộng hưởng và có tần số cộng hưởng tự nhiên. Vậy làm cách nào để tìm ra công thức tần số cộng hưởng tự nhiên của bọt để biết tần số của nguồn âm mà bọt có thể hấp thụ tối đa năng lượng? Công thức này rất quan trọng khi áp dụng vào thực tế chẳng hạn như để tìm hiểu cơ chế hấp thụ sóng xung kích từ một quả bom của khối bọt hay thể xốp polyurethane như đã đề cập ở phần trên. Liên quan đến vấn đề này, chúng ta hãy tìm hiểu công trình của giáo sư Marcel Minnaert.

Giáo sư Marcel Minnaert (1893-1970), người Bỉ, từng giảng dạy và nghiên cứu tại Utrecht University (Hà Lan). Ông là người đa tài, học sinh học rồi chuyển sang vật lý, chuyên về thiên văn nhưng lại thích nghiên cứu âm thanh. Ông nhạy cảm với thiên nhiên, khảo sát sự vật xung quanh rồi giải thích bằng ngôn ngữ giản dị viết thành một quyển sách khoa học đại chúng thú vị xuất bản năm 1954 được dịch ra tiếng Anh, có tựa đề "The nature of light and colour in the open air" (Bản chất của ánh sáng và màu sắc ngoài trời). Ở đầu dòng trong một bài báo cáo khoa học của ông xuất bản vào năm 1933 có tựa đề "On musical air-bubbles and the sounds of running water" (Nói về bọt không khí âm nhạc và âm thanh của dòng nước) ông viết, "Những nhà vật lý hiếm khi khảo sát âm thanh của dòng nước. Thật ra, chúng ta biết rất ít về tiếng róc rách của dòng suối, tiếng ầm ầm của dòng thác hay tiếng rền của biển khơi" [25]. Những âm thanh đó đã góp phần làm thiên nhiên nên thơ, hùng vĩ và đáng sống hơn. Khi truy tìm nguồn gốc của chúng, chúng ta có thể quy về một đơn vị nhỏ nhất. Đó là bọt.

Trong bài báo Minnaert xem bọt là vật co giãn tạo cộng hưởng. Từ tiền đề này ông triển khai thành công thức tìm ra tần số cộng hưởng tự nhiên của bọt. Công thức này mang tên ông "cộng hưởng Minnaert". Để kiểm chứng lý thuyết, ông làm thí nghiệm tạo những cá thể bọt có kích cỡ khác nhau ở mức vài milimét rồi ghi nhận tần số âm thanh do bọt phát ra. Ta có thể lặp lại thí nghiệm của ông tạo bọt bằng ống tiêm đặt trong nước. Khi bơm, bọt xuất hiện và có cái "đuôi" dính vào ống tiêm. Khi bọt đứt đuôi lìa ra khỏi ống, áp suất không khí bên trong bọt dao động. Sự dao động của áp suất dẫn đến sự co giãn của bọt và gây ra âm thanh giống như chiếc âm thoa dùng để điều chỉnh nhạc cụ. Sự dao động sẽ lịm dần khi bọt nước đạt đến một kích cỡ nhất định trong quá trình nổi lên trên mặt nước.

Công thức Minnaert cho thấy sự liên quan giữa tần số cộng hưởng và các yếu tố của bọt như đường kính, độ đàn hồi của không khí trong bọt và tỷ trọng của nước. Đúng như công thức Minnaert đã tiên đoán, bọt phát ra âm thanh khi trầm lúc bổng tùy vào kích cỡ của bọt. Khi ta có bọt nhỏ (vài mm) ta nghe tiếng "ping" bổng (tần số cao); khi có bọt to ta nghe tiếng "bụp" trầm (tần số thấp) [26]. Những từ trong tiếng Việt như ầm ầm, rền rĩ, róc rách, tí tách, là chữ tượng âm diễn tả sống động âm điệu gây ra từ bọt và nếu được biểu hiện bằng con số thì đó là các tần số từ thấp đến cao.

Sự hiện diện của hạt bọt trong nước tạo lắm điều ngạc nhiên khác khi khảo sát về tốc độ truyền sóng của sóng âm. Tốc độ của sóng âm trong không khí là 343 m/s (= 1253 km/h) và trong nước là 1500 m/s (= 5400 km/h). Hai con số này đã được tính toán, kiểm chứng thực nghiệm có thể tìm thấy trong sách giáo khoa. Lạ lùng thay, trong nước có bọt, tốc độ của sóng âm hoàn toàn đổi khác, nó không phải là con số đâu đó giữa hai con số 343 m/s và 1500 m/s. Điều ngạc nhiên là: trong nước chứa bọt, tốc độ truyền sóng có thể thấp hơn 343 m/s.

Dựa trên công thức âm học cơ bản và xem nước có bọt như là một vật liệu composite, người viết đã thiết lập được sự tương quan giữa tốc độ truyền sóng và nồng độ bọt trong nước và cho ra kết quả thú vị. Khi nước chứa 0,1% bọt (99,9 % nước) tốc độ sóng sẽ giảm mạnh đến 370 m/s từ con số 1500 m/s. Khi lượng bọt tăng đến 50%, tốc độ giảm xuống chỉ còn 24 m/s (= 86 km/h). Đây là tốc độ thấp nhất mà sóng âm có thể đạt được. Người chạy nhanh nhất hành tinh là lực sĩ điền kinh Usain Bolt có tốc độ 10 m/s. Con báo cheetah chạy với tốc độ 28 m/s, hay chiếc xe hơi chạy 100 km/h, có thể đua và dễ dàng qua mặt sóng âm trong nước chứa 50% bọt! Khi lượng bọt vượt qua 50% tốc độ truyền sóng tăng nhẹ và đến 90% thì từ từ tiến đến con số 343 m/s của 100% không khí. Việc làm chậm tốc độ sóng âm một cách ly kỳ là do sự hiện diện của bọt trong nước [27]. Bọt gây ra sự tán âm mãnh liệt như ta bắn một vòi nước xuyên qua một bức tường có vô số lỗ trống làm chậm đi tốc độ bắn của nước và đồng thời làm nước văng tung tóe khắp nơi. Sự so sánh này hơi khập khiễng nhưng đủ để cho ta hình dung ra sự việc.

Như vậy, màng nước chứa bọt có thể vừa hấp thụ âm thanh do cộng hưởng Minneart ở một tần số nhất định vừa làm phân tán âm thanh trên băng tần rộng (broadband). Màng nước chứa bọt thật sự đã được thực hiện và đã có một số ứng dụng thực tiễn. Vào năm 2000, Bộ Xây dựng của tiểu bang California (Mỹ) thực hiện một dự án làm cầu băng ngang vịnh San Francisco [28]. Việc đóng cột cầu vào lòng biển gây ra nhiều tiếng động to lớn có ảnh hưởng xấu đến các loài cá lớn nhỏ và động vật biển. Các nhà khoa học và kỹ sư xây dựng đã tạo ra màng bọt như bức tường ngăn chặn tiếng động bao bọc xung quanh chiếc cột được đóng. Kết quả rất khả quan, không có cá và động vật biển nào bị thương vong.

Sau gần 100 năm, cộng hưởng Minnaert vẫn là một chuẩn mực quan trọng. Nghiên cứu về sự tương tác giữa bọt và âm thanh vẫn còn đang tiếp diễn. Các kỹ sư xây dựng đã thiết lập được màng bọt trong lòng biển. Tương tự, các nhà khoa học vật liệu tạo bọt trong pôlime mềm thông dụng như polydimethylsiloxane (PDMS) hay PU đã đề cập bên trên để hấp thụ và phát tán sóng xung kích của bom. Từ đó, họ có thể điều chỉnh lý tính, cơ tính vật liệu để hấp thụ và phân tán những sóng âm "hòa bình" hơn như tiếng ồn trên xa lộ hay các thứ âm thanh hổ lốn của loại nhạc ồn ào từ ngôi nhà hàng xóm.

Bọt cũng có những đóng góp vào các liệu pháp y học. Siêu âm (ultrasound) được sử dụng sâu rộng để quan sát các bộ phận trong cơ thể con người mà không gây tổn hại như tia X. Máy siêu âm dùng để quan sát sự trưởng thành của thai nhi giờ đây là một hoạt động y khoa bình thường. Nhờ vào đặc tính tán âm tuyệt vời của bọt, bọt được bơm vào mục tiêu quan sát, siêu âm phản hồi nhiều hơn và tạo nên hình ảnh rõ nét hơn.

Lời kết

Bọt không "bèo bọt" mà là một hiện tượng lớn của vật lý học có một tiềm năng vô biên trong vật liệu học và là niềm vui của ẩm thực. Bọt xuất hiện khắp nơi, từ nhà bếp đến mọi sinh hoạt ngoài đời, từ bộ phận trong cấu tạo động thực vật đến những ngọn sóng bạc đầu của biển khơi. Ta nhìn, ta nghe, ta nếm, ta dùng, ta sở hữu chúng, nhưng hiếm khi ta cảm nhận được sự hiện hữu của chúng. Còn rất nhiều điều chưa hiểu hết về bọt mà bài viết này chỉ nói đến một vài khía cạnh dẫn nhập. Những điều đã biết trong 100 năm qua đã cho chúng ta hiểu rõ hơn về bọt với nhiều kinh ngạc và phản trực giác. Nhưng đó chỉ là phần nổi của tảng băng ngầm. Con người tranh đua ngụp lặn đi tìm, nhìn, sờ phần chìm còn lại của tảng băng như một thách thức từ thiên nhiên. Có nhiều niềm hân hoan, cũng có nhiều nỗi thất vọng nhưng đó là khám phá khoa học.

Thiên nhiên cũng tiếp sức rất lớn vào những nỗ lực con người. Nó im lìm nhưng thỉnh thoảng hé lộ những ngẫu nhiên kỳ diệu và ban bố cho con người rất nhiều ân huệ. Bọt khí cacbon đioxit là ân huệ và cũng là một ngẫu nhiên. Ngẫu nhiên là theo bất kỳ phương pháp nào, dù đó là sự lên men, sự phân rã của bột soda hay phản ứng giữa nước và keo urethane resin, tất cả đều dẫn tới việc phóng thích khí cacbon đioxit. Ân huệ là cacbon đioxit không độc không mùi. Cuộc đời của chúng ta nhờ vậy mà vui sướng, nên thơ hơn. Nếu là khí độc và có mùi thì chúng ta sẽ không có bánh mì, bánh bò, bánh phồng tôm để ăn; nước ngọt, bia bọt, sâm banh để uống và cả chiếc giường nệm êm ái để nằm. Kết quả là cuộc đời sẽ vô cùng nhàm chán. Xã hội loài người sẽ ra sao nếu sự nhàm chán bao trùm?

Hãy biết ơn và tử tế với thiên nhiên.

T.V.T.

Mùa hè khói lửa
Melbourne, tháng 2 2020

Tài liệu tham khảo và ghi chú

1.   Thí dụ: Một vật có thể tích 1 cm3, nếu là khối vuông thì diện tích 6 bề mặt là 6 cm2. Nhưng nếu là hình cầu thì diện tích mặt cầu là 4,84 cm2. Con số 4,84 cm2 là diện tích bề mặt nhỏ nhất cho thể tích 1 cm3.

2.    E. G. Klarreich, American Scientists, 88 (2000) 151.

3.    D. Weaire, Proc. Am.Phil. Soc., 145 (2001) 564.

4.    E. B. Matzke, Am. J. Botany, 33 (1946) 58.

5      J. B. Dodd, Am. J. Botany, 42 (1955) 566.

6.    D. Weaire and S. Hutzler,"The Physics of Foams", Clarendon Press, Oxford, 1999.

7.    S. Perkowitz, "Universal foam", Walker Co., New York, 2000.

8.    Trích từ bài "Lương Châu từ" của Vương Hàn đời Đường,

Bồ đào mỹ tửu dạ quang bôi
Dục ẩm tỳ bà mã thượng thôi
Tuý ngoạ sa trường quân mạc tiếu
Cổ lai chinh chiến kỷ nhân hồi.

9.     A. Saint-Eve et al, J. Agric. Food Chem., 57 (2009) 5891.

10.   G. Liger-Belair, J. Phys. Chem. B, 118 (2014) 3156.

11.  G. Liger-Belair, "Uncorked: The science of champagne", Princeton University Press, New    Jersey, 2013.

12. V. S. L’vov, A. Pomyalov, I. Procaccia, and V. Tiberkevich, Phys. Rev. Lett., 94 (2005) 174502.

13.  A. A. Fontaine, S. Deutsch, T. A. Brungart, H. L. Petrieand and M. Fenstermacker, Exp. Fluids, 26 (1999) 397.

14.   Y. Kodama et al, "Drag reduction of ships by microbubbles" (Google search).

15.    T. Takahashi et al, (a) "Experimental skin friction reduction by microbubbles using a ship
  with a flat bottom", 31st Symposium on Turbulence Flow (1999). (b) "A brief report on
  microbubble experiments using 50 m-long flat plate ship", 74th General Meeting of SRI
  (2000).

16.    S.L. Ceccio, Annu. Rev. Fluid Mech., 42 (2010) 183.

17.    R. A. Verschoof et al, Phys. Rev. Lett., 117 (2016) 104502.

18.    Sandia Lab News, Vol. 54, No. 23. November 15, 2002.

19.    L. Domergue et al, Safety and Security Engineering III, 108 (2009) 83.

20.    R. L. Woodfin, Sandia Report SAND 2000-0958, Sandia National Laboratories, April 2000.

21.    R. Raspet et al, USA-CERL Technical Manuscript N-89/01, November 1988.

22.    T. N. Sullivan, B. Wang, H. D. Espinosa and M. A. Meyers, Materials Today, 20 (September
  2017) 377.

23.    M. Chakraborty and S. Kotecha, Breathe, 9 (2013) 77.

24.    Thí dụ: T. G. Leighton, "The Acoustic Bubble", Academic Press, New York – London, 1994.

25.    M. Minnaert, Phil. Mag., 16 (1933) 236.

26.    Công thức Minnaert được diễn tả như sau,

Nếu a = 1 mm, tần số cộng hưởng của chiếc bọt này là f_R = 3.300 Hz. Vùng khả thính của tai con người là vùng âm thanh có tần số từ 20 Hz đến 20.000 Hz. Như vậy, chiếc bọt có bán kính a = 1 mm sẽ phát âm thanh ở tần số 3.300 Hz khi bọt tách lìa khỏi ống tiêm, mà tai con người có thể nghe được. Ngược lại, nếu ta phát ra một nguồn âm có tần số 3.300 kHz đến bọt, bọt sẽ hấp thụ âm thanh này vì cộng hưởng.

Bán kính a tỷ lệ nghịch với tần số cộng hưởng f_R. Khi a = 10 mm, f_R = 330 Hz, âm thanh phát ra trầm hơn âm thanh ở tần số f_R = 3.300 Hz.

27.    M. Kafesaki, R. S. Penciu and E. N. Economou, Phys. Rev. Lett., 84 (2000) 6050.

28.    J. A. Reyff, "Reducing undewater sounds with air bubble curtains" (Google search).