Đan len là công việc đầy nữ tính trong mắt nhiều người, nhưng với khoa học, đó là cách tạo nên siêu vật chất mới

Những sản phẩm đan móc như khăn, tất hay áo len đều có tính đàn hồi, kéo dãn được tới 2 lần chiều dài nguyên bản, thế nhưng bạn không thể kéo được sợi len ra xa như thế. Chính cách những sợi len được đan vào nhau, tạo nên một mạng lưới sợi đã khiến lớp vải đan, móc dãn ra được như thế; các nhà vật lý hứng thú vô cùng với tính chất này của vải len.

Họ đang cố gắng giải mã bí mật của việc đan len, tìm ra nguyên lý toán học của những cách đan len, biến một vật liệu có tính này thành một tổ hợp có tính chất khác. Họ muốn tạo ra một vật liệu mới mà khi vận dụng theo những cách khác nhau, ta sẽ có sản phẩm cuối cùng sở hữu đặc tính khác nhau, có thể được sử dụng vào nhiều mục đích.

"Việc đan len cực kỳ phức tạp, tôi đang nói tới việc biến đổi một sợi len một chiều thành một lớp vải phức tạp", nhà vật lý học Elisabetta Matsumoto từ Viện Công nghệ Georgia nói. "Về cơ bản, đây cũng giống như lập trình vậy".

Tìm ra được bí ẩn đằng sau việc mỗi cách đan móc tạo ra hình dáng gì, sức chống chịu của sản phẩm cuối cùng ra sao sẽ cho phép ta tìm ra những vật liệu thiết kế mới cho tương lai, những ngành hưởng lợi kéo dài từ dệt may cho tới du hành vũ trụ. Những mô hình giả lập do đội ngũ cô Matsumoto dựng lên còn áp dụng được cho ngành công nghiệp game, sức mạnh đồ họa sẽ cho phép những sợi lông, cọng tóc thực tế hơn bao giờ hết xuất hiện trên màn hình.

Những tấm vải len đan có thể được xếp vào hàng ngũ của "siêu vật liệu – metamaterial, những thứ vật liệu nhân tạo có thuộc tính từ cấu trúc chứ không dựa trên bản chất của thành phần tạo ra chúng. Theo cô Matsumoto, kỹ nghệ trang trí áo quần theo hình tổ ong – smocking là ví dụ về siêu vật liệu. Nhìn bằng con mắt của vật lý, smocking sử dụng những điểm nối để biến chuyển năng lượng bẻ cong thành năng lượng kéo dãn.

Tính đàn hồi và kéo giãn của vải đan vô cùng đặc biệt, toàn bộ cấu trúc vải phức tạp hơn tổng số thành phần vật liệu tạo nên chúng. Cách thức từng sợi len nằm lên nhau, đan vào nhau quyết định tính chất toàn bộ tấm vải đan.

Có thể coi tấm khăn người yêu đan cho bạn như một cục vàng vậy: thứ kim loại quý hiếm cấu thành từ hàng triệu triệu nguyên tử ở mức hiển vi, nhưng cục vàng lại xuất hiện dưới dạng một thể rắn, có màu vàng đặc trựng; bản thân từng hạt nguyên tử không có những thuộc tính đó, cũng như từng sợi len không giãn được ra theo cách cái khăn yêu quý.

Từ thuở nhỏ, nhà nghiên cứu Matsumoto đã đam mê việc đan len. Nhưng phải tới khi bước chân vào ngành khoa học, cô mới thích thú với yếu tố toán học, vật lý vật chất nằm sau từng sản phẩm mình làm ra.

"Một kho tàng kiến thức ẩn sâu trong cộng đồng đan lát, nhưng ta chưa thể dựng nó thành mô hình nghiên cứu được", cô nói. "Chúng tôi đang cố gắng đưa những hiểu biết ấy vào thế giới vật lý, nơi tôi có thể nghiên cứu ký hơn về đặc tính vật chất và những yếu tố tạo nên thuộc tính của chúng".

Bản chất của những tấm vải len đan là sử dụng chỉ một sợi duy nhất, khóa chúng lại với nhau bằng những được móc nối điêu luyện, thực hiện thành một vòng lặp; đan khác biệt với dệt ở chỗ đó, khi dệt là đặt những sợi chỉ chồng lên nhau tạo thành một tấm vải.

Những người đan len điêu luyện sẽ có những cách tùy biến riêng để biến tấm khăn thành một tác phẩm nghệ thuật thực sự: họ có thể kết hợp được nhiều kiểu đan, nhưng vẫn cho ra một sản phẩm cuối cùng là một tấm khăn len thỏa mãn mọi yếu tố toán học và vật lý học đáng nghiên cứu.

"Có hàng ngàn quyển sách với hàng ngàn cách đan khác nhau, độ phức tạp dường như không có giới hạn", cô Matsumoto nói. "Và mỗi kiểu đan lại cho ra độ co dãn khác nhau". Cô so sánh việc chọn giữa các mẫu đan cũng giống như chọn vật liệu phù hợp với ngành nghề: từ thủ công mỹ nghệ cho tới du hành vũ trụ.

Matsumoto không phải người duy nhất để ý tới sự phức tạp đáng kinh ngạc của những tác phẩm đan len. Mới chỉ năm ngoái, một nhóm các nhà vật lý học Pháp phát triển một mẫu toán học sơ đẳng để mô tả cách một tấm vải len đan bị biến dạng khi tác động lực.

Công trình nghiên cứu được truyền cảm hứng từ hành động rất đời thường: khi đồng tác giả bản báo cáo khoa học, Frédéric Lechenault, ngắm người vợ đang mang thai đan đồ len cho con, anh để ý thấy vật thể quay trở lại trạng thái nguyên dạng ngay cả khi bị kéo dãn. Lechenault và cộng sự đã dựng viết được những phương trình cơ bản của chuyển động tấm vải len, áp dụng lên được những cách thức đan khác.

Có ba yếu tố chính quyết định các phương trình nói trên:

- Khả năng con của sợi len.

- Độ dài của sợi len.

- Số điểm giao nhau của sợi len trong một khoảng diện tích.

Khả năng co giãn của tấm vải len đan là kết quả của một vòng lặp: khi những đường len đan vào nhau bị kéo giãn, nó cũng sẽ tạo ra lực để phản ứng lại với lượng lực đưa vào khi bị kéo, đưa len về vị trí bình thường. Khả năng bị kéo giãn bị giới hạn bởi số lần len đan vào nhau và độ dài của sợi len.

Khi họ áp dụng mô hình này lên một "tấm vải" đan bằng dây câu, mọi hoạt động của "tấm vải" này đều khớp với mọi dự đoán của mô hình giả lập.

Cũng như mọi nghiên cứu ở thời kỳ đầu khác, sẽ cần nhiều thử nghiệm để tận dụng hết khả năng của tấm vải len đan và những yếu tố toán học, vật lý đằng sau nó. Con người vốn cứng đầu, nên ta rồi sẽ tìm ra được chân lý đan len sau hàng loạt nỗ lực nghiên cứu thôi.

Sẽ tới một ngày, cấu trúc đan len – biến một sợi dây thành một hình khối 3 chiều sẽ giống như cấu trúc tinh thể: sẽ được ứng dụng vào nhiều loại vật chất để cho ta những siêu vật liệu của tương lai.

Theo Dink