Khoa học ẩn sau các hoa văn và màu sắc trong thế giới tự nhiên

Quan sát xung quanh, dường như mọi nơi ta đều có thể phát hiện ra các hoa văn trong tự nhiên. Các mẫu hình này tuân theo các quy luật toán học, vật lý và hóa học,…một cách chính xác và tinh tế, như thể chúng được thiết kế thông minh, khó có thể nói rằng chúng hoàn toàn là tạo thành ngẫu nhiên. 

Dưới đây là một vài ví dụ điển hình cho những hoa văn và màu sắc đó:

1. Hình dáng cuộn tròn của đuôi tắc kè hoa không đơn giản như cuộn ống nước. Sự thuôn nhọn dần một cách tinh tế của chiếc đuôi tạo nên một xoắn ốc logarit (Logarithmic Spiral) với một đầu nhỏ hơn. Kết cấu của phần nhỏ vẫn được “thiết kế” giống hệt như phần lớn.

2. Vỏ của loài nhuyễn thể không chỉ có hình xoắn ốc logarit mà còn có hoa văn dạng sóng màu (sắc). Hoa văn này hình thành khi loài nhuyễn thể tạo ra các sắc tố không đồng nhất, mà theo quy luật tăng dần. Kết quả tạo thành các đường kẻ xiên dọc theo gờ xoắn ốc.

3. Hình dạng xoáy ốc của chiếc vỏ cho phép ốc anh vũ thêm vào liên tục các căn buồng chứa khí lớn dần, vừa đảm bảo cho quá trình phát triển của nó vừa duy trì nguyên dạng xoắn ốc theo tỉ lệ vàng điển hình của chiếc vỏ. Ngoài ra giữa các buồng có ống thông cho phép điều tiết sự phân bố khí giúp nó nổi hoặc chìm. 

4. Tổ ong có mặt cắt là các hình khối lục giác xếp chặt và đáy mỗi ô bao gồm 3 hình thoi bằng nhau. Nếu so sánh ba hình lục giác, tam giác và hình vuông có cùng chu vi thì diện tích của hình lục giác là lớn nhất. Như vậy hình dáng này của tổ ong mang lại diện tích tối đa với cùng một lượng sáp tiêu thụ, hay nói cách khác giúp các con ong tiết kiệm năng lượng và công sức trong việc xây tổ nhất. 

Các kỹ sư cũng xác nhận rằng cấu trúc lục giác cung cấp khả năng chịu lực tối đa. Mặc dù các vách bằng sáp chỉ dày khoảng 0.05 nm, mỗi ô có thể chịu được sức nặng gấp 25 lần khối lượng của nó.

5. Mặc dù có một số chỗ không hoàn hảo nhưng đối với hầu hết các phần, các bong bóng giao nhau tại các nối ba với góc gần bằng 120^o. Xu hướng này quyết định bởi diện tích bề mặt và lực căng bề mặt của vật liệu.

6. Khi tiếp xúc với một bề mặt không dính ướt, chẳng hạn lá sen, nước sẽ co cụm lại thành các giọt nhờ tác dụng lực căng bề mặt – loại lực có xu hướng kéo chất lỏng về dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất. Bên dưới các giọt nước là các nhánh gân lá mà sự lặp lại của chúng tuân theo quy luật phân dạng.

7. Phân dạng còn thể hiện trong khoáng vật (giống) hình cây có nhánh được tìm thấy trong đá. Mẫu hình này được tạo thành thông qua sự kết cụm. Khi các hạt vật chất tương đồng kết dính lại với nhau, chúng tạo nên các đường mảnh và dài, chia nhánh đồng thời giữa các nhánh còn có khoảng không.

Một hạt vật chất mới tham gia vào quá trình kết tụ có xu hướng gắn vào đầu cuối của các nhánh và nối dài nhánh hình cây, hơn là khuếch tán sâu hơn vào giữa các nhánh và lấp đầy các khoảng trống.

8. Các cánh bướm thường thể hiện các mảng màu và đường kẻ sặc sỡ, có thể giống như hình đôi mắt hoặc để cảnh báo về độc tố nhằm đe dọa những kẻ săn mồi.

Cấu trúc màu sắc này là nhờ việc cánh bướm được tạo thành từ rất nhiều các lớp vảy đặc biệt. Trên các vảy này là các đường rãnh song song, có tác dụng thay đổi tần số của sóng ánh sáng chiếu đến vì vậy chỉ một số màu sắc nhất định được phản chiếu, chính là màu sắc mà chúng ta nhìn thấy.

Đôi khi cánh bướm dường như còn thay đổi màu sắc và óng ánh nhiều màu. Hiện tượng này xảy ra khi ánh sáng xuyên qua một bề mặt trong suốt, cấu tạo từ nhiều lớp và ánh sáng bị phản xạ nhiều lần.

Chú thích:

Một phân dạng (fractal) là một vật thể hình học thường có hình dạng gấp khúc trên mọi tỷ lệ phóng đại, và có thể được tách ra thành từng phần: mỗi phần trông giống như hình tổng thể, nhưng ở tỷ lệ phóng đại nhỏ hơn. Như vậy phân dạng có vô tận các chi tiết, các chi tiết này có thể có cấu trúc tự đồng dạng ở các tỷ lệ phóng đại khác nhau. Nhiều trường hợp, có thể tạo ra phân dạng bằng việc lặp lại một mẫu toán học, theo phép hồi quy.

Dãy Fibonacci là dãy vô hạn các số tự nhiên bắt đầu bằng hai phần tử 0 và 1 hoặc 1 và 1, các phần tử sau đó được thiết lập theo quy tắc mỗi phần tử luôn bằng tổng hai phần tử trước nó. Tỉ số giữa số đứng trước và số liền sau trong dãy tiến dần đến giá trị 1.618034…Xoắn ốc logarit tiếp xúc với các cạnh trong của các hình chữ nhật vàng – là các hình chữ nhật có chiều dài cạnh tương ứng với các số tăng dần của dãy Fibonacci.

Thế giới tự nhiên quả là đa dạng và kỳ diệu phải không mọi người! Dù đó chỉ là những màu sắc hay cấu trúc đơn giản và rất quen thuộc với chúng ta nhưng ẩn chứa đằng sau chúng là vô số kiến thức mà bản thân con người chưa đã biết hoặc chưa từng biết. 

Mẹ thiên nhiên luôn cho chúng ta đi hết từ bất ngờ này đến bất ngờ khác nhưng con người mới chỉ khám phá một phần rất nhỏ trong số chúng. Không chỉ thiên nhiên mà vũ trụ ngoài kia vẫn còn ẩn chứa rất nhiều những bí ẩn đang chờ chúng ta khám phá. 

Ngự Yên