Hiệu ứng lá sen: vì sao giọt nước lăn tròn trên lá sen, lá khoai môn

Giọt nước lăn tròn như hạt thuỷ ngân trên lá sen, lá khoai môn vì mặt lá vừa phủ sáp không ưa nước, vừa lởm chởm vô số gai cực nhỏ. Giọt nước chỉ chạm vào đỉnh các gai, bên dưới là một lớp không khí, nên nó gần như "đứng trên đệm khí" và chỉ cần lá nghiêng nhẹ là lăn đi. Khi lăn, giọt nước cuốn theo bụi bẩn, giữ cho lá luôn sạch: đó là hiệu ứng lá sen.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Sáng sớm ra đầm sen, hoặc ngay sau một trận mưa rào, là lúc dễ thấy nhất. Trên lá sen mọc cao khỏi mặt nước, nước mưa không loang ra thành vệt mà gom lại thành những giọt tròn lấp lánh, gió đung đưa là chúng chạy qua chạy lại rồi dồn về giữa lá, nơi lõm nhất. Lá khoai môn, khoai nước ven mương cũng y hệt: hắt một gáo nước lên, nước trượt sạch, mặt lá gần như khô.

Để ý kỹ sẽ thấy giọt nước trên lá sen có ánh bạc ở đáy, như được tráng gương. Ánh bạc ấy chính là ánh sáng phản xạ trên lớp không khí mỏng kẹt giữa giọt nước và mặt lá. Nhấn cả chiếc lá chìm xuống nước, mặt lá cũng óng lên màu bạc vì cùng lý do: một lớp áo khí bao lấy lá.

Không chỉ sen và khoai môn. Lá su hào, bắp cải, lá cải xanh có lớp phấn trắng, lá lúa, cánh bướm, cánh ve, lông vịt (một phần nhờ cấu trúc lông) đều đẩy nước ở những mức khác nhau. Còn lá rau muống, lá mồng tơi thì nước bám thành vệt, lá ướt sũng: so hai loại lá cạnh nhau là thấy ngay khác biệt.

Cơ chế: hoá chất và hình dạng cùng làm việc

Lớp sáp không ưa nước

Phân tử nước có hai đầu tích điện trái dấu, thích bám vào những chất cũng có điện tích như thuỷ tinh sạch, giấy, vải bông. Sáp thực vật thì khác: đó là chuỗi dài nguyên tử cacbon và hiđrô, gần như không mang điện, nước không có gì để "nắm". Nhỏ nước lên một mặt sáp phẳng, ví dụ đáy cây nến, giọt nước co lại thành hình bán cầu hơi phồng chứ không loang ra.

Người ta đo độ "ghét nước" bằng góc tiếp xúc: nhìn ngang giọt nước, đó là góc giữa mặt rắn và đường viền giọt nước tại chỗ chúng gặp nhau. Góc nhỏ nghĩa là nước loang, góc lớn nghĩa là giọt nước co tròn. Trên một mặt phẳng nhẵn, dù hoá chất kỵ nước đến đâu, góc tiếp xúc cũng chỉ lên được khoảng 110–120 độ. Teflon của chảo chống dính nằm quanh mức này. Vậy mà trên lá sen, góc tiếp xúc vượt 150 độ, giọt nước gần như là một quả cầu. Phần chênh ấy đến từ hình dạng mặt lá.

Rừng gai siêu nhỏ

Dưới kính hiển vi điện tử, mặt lá sen không phẳng chút nào. Nó phủ kín những nốt nhú cao cỡ vài chục micromet (mảnh hơn sợi tóc nhiều lần), và trên mỗi nốt nhú lại mọc chi chít những ống sáp nhỏ hơn nữa, cỡ phần nghìn milimet trở xuống. Đó là cấu trúc hai tầng: nhám trên nhám.

Khi giọt nước đáp xuống, nó không đủ sức len vào các khe hẹp giữa những nốt nhú phủ sáp. Không khí bị nhốt lại trong các khe đó. Kết quả là giọt nước chỉ thực sự chạm vào một phần rất nhỏ diện tích lá, phần còn lại của đáy giọt nằm trên không khí. Giới khoa học gọi trạng thái này là trạng thái Cassie–Baxter, theo tên hai nhà nghiên cứu đã mô tả nó vào thập niên 1940. Nước gần như không bám vào gì nên chỉ cần nghiêng lá vài độ là giọt nước lăn đi.

Vì sao lăn chứ không trượt

Trên kính có mỡ, giọt nước trượt và để lại vệt. Trên lá sen, giọt nước lăn như hòn bi. Khi lăn, mặt ngoài giọt nước liên tục chạm vào bụi, phấn hoa, bào tử nấm nằm trên lá. Những hạt bẩn này bám vào nước dễ hơn bám vào đỉnh các gai sáp, nên bị giọt nước nhặt lên và mang đi. Đó là lý do lá sen mọc giữa đầm bùn mà mặt lá lúc nào cũng sạch, và cũng là lý do câu "gần bùn mà chẳng hôi tanh mùi bùn" có một cái nền vật lý rất thật.

Tên gọi "hiệu ứng lá sen" từ đâu ra

Người ta biết lá sen không thấm nước từ rất lâu, nhưng phải tới khi có kính hiển vi điện tử quét mới thấy được rừng gai siêu nhỏ trên lá. Năm 1997, hai nhà thực vật học người Đức Wilhelm Barthlott và Christoph Neinhuis công bố nghiên cứu so sánh bề mặt lá của hàng trăm loài cây, chỉ ra mối liên hệ giữa độ nhám vi mô, lớp sáp và khả năng tự làm sạch. Họ gọi nó là hiệu ứng lá sen (Lotus effect), và cái tên ấy được dùng rộng rãi từ đó.

Từ đây, nhiều ngành bắt đầu chép bài của lá sen: sơn tường tự làm sạch, kính chống bám nước, vải chống thấm, lớp phủ cho tấm pin mặt trời. Nguyên tắc chung luôn là hai thứ đi cùng nhau: chất liệu kỵ nước và bề mặt nhám ở nhiều tầng kích thước.

So sánh các mặt quen thuộc

Các con số trên chỉ để hình dung thứ bậc; góc thực tế thay đổi theo độ sạch, độ già của lá và cách đo.

Biến thể và hiện tượng họ hàng

Lá lúa và cánh bướm: lăn theo một hướng

Trên lá lúa, các nốt nhú xếp thành dãy chạy dọc theo gân lá. Giọt nước lăn dọc lá dễ hơn hẳn lăn ngang. Nhờ thế nước mưa được dẫn về phía bẹ và gốc. Cánh bướm cũng có vảy xếp lớp như ngói, khiến giọt nước chạy dễ theo hướng từ thân ra mép cánh.

Cánh hoa hồng: kỵ nước nhưng giữ giọt

Có những bề mặt góc tiếp xúc rất lớn mà giọt nước vẫn dính chặt, lật ngược cũng không rơi. Cánh hoa hồng là ví dụ hay được nhắc. Ở đây nước len được vào phần rãnh lớn nhưng không vào rãnh nhỏ, giọt nước vừa tròn vừa "bám rễ". Nhờ vậy sương sớm đọng trên cánh hoa thành giọt tròn mà không lăn mất.

Áo khí dưới nước

Một số côn trùng thuỷ sinh, và cả nhện nước, mang một lớp không khí bám trên lông khi lặn, giống lá sen bị nhấn chìm. Lớp khí này giúp chúng thở hoặc nổi. Khả năng đi trên mặt nước của gọng vó dựa vào cùng nguyên lý chân siêu kỵ nước, cộng với sức căng bề mặt; chuyện đó được giải thích ở bài riêng về sức căng bề mặt.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Lá sen không ướt vì có dầu." Lớp phủ là sáp, không phải dầu, và sáp một mình chưa đủ. Chính độ nhám siêu nhỏ mới đẩy góc tiếp xúc lên trên 150 độ. Sáp phẳng như đáy nến vẫn để giọt nước nằm yên.
• "Càng nhẵn càng không thấm nước." Với bề mặt ưa nước thì ngược lại: làm nhám một mặt ưa nước khiến nước loang mạnh hơn. Độ nhám chỉ khuếch đại tính chất sẵn có: kỵ nước thành siêu kỵ nước, ưa nước thành siêu ưa nước.
• "Lá sen không bao giờ bị ướt." Giọt nước rơi rất mạnh từ trên cao, nước có pha xà phòng, hoặc nước nóng bốc hơi rồi ngưng tụ trong khe gai đều có thể làm hỏng đệm khí. Khi đó nước len vào khe, giọt nước dẹt xuống và bám lại.
• "Lá nào xanh bóng cũng là lá sen." Lá bóng như lá bàng non, lá xoài thường nhẵn chứ không nhám vi mô; nước vẫn bám thành mảng.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Không cần đến đầm sen; chợ có bán lá khoai môn, bắp cải, su hào là đủ. Mọi thí nghiệm dưới đây chỉ dùng nước, lá rau và nước rửa bát.

1. So ba loại lá. Đặt cạnh nhau một lá bắp cải ngoài cùng (còn phấn), một lá rau muống và một lá khoai môn hoặc lá sen. Dùng ống hút nhỏ vài giọt nước lên mỗi lá. Nhìn ngang ở tầm mắt và so hình dạng giọt.
2. Tìm ánh bạc. Nhấn chìm lá khoai môn vào chậu nước, nghiêng dưới đèn. Mặt lá sáng bạc như gương: bạn đang nhìn thấy lớp áo khí.
3. Thử tự làm sạch. Rắc một chút bột tiêu hoặc bột ca cao lên lá, nghiêng lá rồi nhỏ từng giọt nước ở mép trên. Giọt nước lăn qua để lại một đường sạch.
4. Phá đệm khí. Lấy ngón tay xoa mạnh một góc lá, rồi nhỏ nước lên chỗ vừa xoa. Giọt nước dẹt xuống và dính lại, vì lớp sáp và gai đã bị miết vỡ.
5. Phá bằng xà phòng. Pha một giọt nước rửa bát vào cốc nước, nhỏ lên lá. Nước xà phòng loang ra ngay vì sức căng bề mặt giảm, không còn giữ được hình cầu.
6. Chụp ảnh. Đặt điện thoại thấp ngang mặt lá, chạm lấy nét vào giọt nước, chụp ngược sáng nhẹ. Bạn sẽ thấy rõ góc tiếp xúc và cả hình phản chiếu lộn ngược của cảnh vật bên trong giọt.

Rửa tay sau khi sờ lá ngoài ao hồ. Không lội xuống đầm sen sâu để hái lá; bùn đáy đầm có thể lún sâu bất ngờ.