Mạnh Quân✔
Writer
Nước là chất lỏng kỳ lạ ngay cả trong điều kiện bình thường trên Trái Đất. Nó nở ra khi đóng băng thay vì co lại, có sức căng bề mặt rất cao, và điểm sôi cao bất thường so với khối lượng phân tử. Nhưng khi bị đẩy vào điều kiện áp suất và nhiệt độ cực đoan, sự kỳ lạ của nước còn vượt xa hơn nữa.
Một nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Alexis Forestier tại Hội đồng Năng lượng Thay thế và Năng lượng Nguyên tử Pháp dẫn đầu, vừa tạo ra và quan sát được một dạng băng chưa từng thấy trong thực nghiệm, ở áp suất lên tới 2,3 triệu lần áp suất khí quyển và nhiệt độ hơn 2.357 độ C. Ở điều kiện thông thường, nước tại nhiệt độ này lẽ ra phải ở dạng khí, thậm chí phân hủy thành oxy và hydro. Nhưng áp suất cực lớn đã ngăn nước giãn nở, buộc nó duy trì trạng thái đặc bất thường.
Các nhà khoa học ép mẫu nước giữa hai đầu kim cương, nung nóng bằng tia laser, rồi dùng chùm tia X synchrotron để dò cấu trúc tinh thể. Kết quả cho thấy nước hình thành một dạng gọi là băng lục giác xếp chặt, hay băng hcp, cấu hình từng được dự đoán trên lý thuyết nhưng chưa bao giờ quan sát rõ ràng. Khi bị nung nóng, tinh thể này còn chuyển sang trạng thái gọi là băng siêu ion, một dạng vật chất lạ lùng nằm giữa ranh giới rắn và lỏng, trong đó các nguyên tử oxy đứng yên như trong chất rắn, còn hạt nhân hydro lại di chuyển tự do như trong chất lỏng.
Trước đây, giới khoa học từng biết đến một dạng băng siêu ion khác có cấu trúc lập phương tâm mặt, gọi tắt là fcc. Khác biệt giữa hai loại nằm ở cách các lớp nguyên tử oxy xếp chồng lên nhau. Trong thí nghiệm mới, nhóm nghiên cứu ghi nhận đặc tính hcp dần lấn át fcc khi áp suất và nhiệt độ tăng cao, cho thấy hcp có thể là cấu trúc ổn định hơn ở áp suất trên khoảng 200 gigapascal. Thú vị hơn, khi rà soát lại dữ liệu cũ, nhóm nghiên cứu phát hiện một tín hiệu nhiễu xạ tia X từng bị bỏ sót trước đây thực chất chính là dấu hiệu của băng hcp.
Phát hiện này không chỉ có ý nghĩa trong phòng thí nghiệm. Băng siêu ion được cho là tồn tại sâu bên trong sao Thiên Vương và sao Hải Vương, hai hành tinh nổi tiếng với từ trường kỳ lạ và bất đối xứng. Nếu khả năng dẫn điện của băng hcp khác với băng fcc, điều đó có thể làm thay đổi cách các nhà khoa học hình dung về cách vật chất và điện tích di chuyển bên trong hai hành tinh này, quá trình vốn được cho là nguồn gốc tạo ra từ trường bất thường của chúng.
Dù vậy, các đặc tính của băng hcp, đặc biệt là độ dẫn điện và tính dẻo cơ học, vẫn còn là ẩn số. Nhóm nghiên cứu cho biết cần thêm nhiều thí nghiệm và mô hình lý thuyết để xác định chính xác trong điều kiện nào băng hcp chiếm ưu thế so với băng fcc.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Một nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Alexis Forestier tại Hội đồng Năng lượng Thay thế và Năng lượng Nguyên tử Pháp dẫn đầu, vừa tạo ra và quan sát được một dạng băng chưa từng thấy trong thực nghiệm, ở áp suất lên tới 2,3 triệu lần áp suất khí quyển và nhiệt độ hơn 2.357 độ C. Ở điều kiện thông thường, nước tại nhiệt độ này lẽ ra phải ở dạng khí, thậm chí phân hủy thành oxy và hydro. Nhưng áp suất cực lớn đã ngăn nước giãn nở, buộc nó duy trì trạng thái đặc bất thường.
Các nhà khoa học ép mẫu nước giữa hai đầu kim cương, nung nóng bằng tia laser, rồi dùng chùm tia X synchrotron để dò cấu trúc tinh thể. Kết quả cho thấy nước hình thành một dạng gọi là băng lục giác xếp chặt, hay băng hcp, cấu hình từng được dự đoán trên lý thuyết nhưng chưa bao giờ quan sát rõ ràng. Khi bị nung nóng, tinh thể này còn chuyển sang trạng thái gọi là băng siêu ion, một dạng vật chất lạ lùng nằm giữa ranh giới rắn và lỏng, trong đó các nguyên tử oxy đứng yên như trong chất rắn, còn hạt nhân hydro lại di chuyển tự do như trong chất lỏng.
Trước đây, giới khoa học từng biết đến một dạng băng siêu ion khác có cấu trúc lập phương tâm mặt, gọi tắt là fcc. Khác biệt giữa hai loại nằm ở cách các lớp nguyên tử oxy xếp chồng lên nhau. Trong thí nghiệm mới, nhóm nghiên cứu ghi nhận đặc tính hcp dần lấn át fcc khi áp suất và nhiệt độ tăng cao, cho thấy hcp có thể là cấu trúc ổn định hơn ở áp suất trên khoảng 200 gigapascal. Thú vị hơn, khi rà soát lại dữ liệu cũ, nhóm nghiên cứu phát hiện một tín hiệu nhiễu xạ tia X từng bị bỏ sót trước đây thực chất chính là dấu hiệu của băng hcp.
Phát hiện này không chỉ có ý nghĩa trong phòng thí nghiệm. Băng siêu ion được cho là tồn tại sâu bên trong sao Thiên Vương và sao Hải Vương, hai hành tinh nổi tiếng với từ trường kỳ lạ và bất đối xứng. Nếu khả năng dẫn điện của băng hcp khác với băng fcc, điều đó có thể làm thay đổi cách các nhà khoa học hình dung về cách vật chất và điện tích di chuyển bên trong hai hành tinh này, quá trình vốn được cho là nguồn gốc tạo ra từ trường bất thường của chúng.
Dù vậy, các đặc tính của băng hcp, đặc biệt là độ dẫn điện và tính dẻo cơ học, vẫn còn là ẩn số. Nhóm nghiên cứu cho biết cần thêm nhiều thí nghiệm và mô hình lý thuyết để xác định chính xác trong điều kiện nào băng hcp chiếm ưu thế so với băng fcc.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
