Dũng Đỗ
Writer
Bằng cách sử dụng một trong những hệ thống laser mạnh nhất thế giới, các nhà nghiên cứu Đức đã thành công trong việc tạo ra carbon ở trạng thái lỏng trong phòng thí nghiệm – một trạng thái vật chất trước đây chỉ tồn tại trong lý thuyết và các mô phỏng máy tính, hứa hẹn thúc đẩy mạnh mẽ công nghệ "mặt trời nhân tạo".
Một cột mốc lịch sử trong thế giới khoa học vừa được thiết lập khi các nhà nghiên cứu lần đầu tiên trong lịch sử đã thành công trong việc tạo ra nguyên tố carbon ở trạng thái lỏng trong một phòng thí nghiệm trên Trái Đất. Thành tựu đột phá này, được thực hiện bởi một đội ngũ nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học từ Đại học Rostock và Trung tâm Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) của Đức dẫn đầu, không chỉ mở ra những hiểu biết hoàn toàn mới về vật chất trong các điều kiện cực đoan, mà còn hứa hẹn sẽ thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về năng lượng nhiệt hạch – nguồn năng lượng sạch, an toàn và gần như vô tận mà nhân loại đang khao khát chinh phục.
Hình ảnh minh họa các hình dạng tồn tại của Carbon
Carbon, một nguyên tố vô cùng quen thuộc mà chúng ta gặp hàng ngày dưới dạng than chì trong những chiếc bút chì hay sự lấp lánh của những viên kim cương, vốn không bao giờ tồn tại ở trạng thái lỏng trong các điều kiện tự nhiên trên Trái Đất. Để có thể hóa lỏng được carbon, cần phải có những điều kiện vô cùng khắc nghiệt mà tự nhiên trên hành tinh của chúng ta không thể tạo ra: nhiệt độ phải trên 4.500 độ C – nóng hơn gấp đôi dung nham núi lửa – và một mức áp suất cao gấp hàng tỷ lần so với áp suất khí quyển thông thường. Đây chính là lý do tại sao trong suốt lịch sử khoa học, carbon ở trạng thái lỏng chỉ tồn tại trong các lý thuyết và các mô phỏng trên máy tính.
Để chinh phục được một thử thách tưởng chừng như bất khả thi này, đội ngũ nghiên cứu đã phải sử dụng đến một "vũ khí" công nghệ đặc biệt: hệ thống laser DiPOLE 100-X đặt tại Anh. Đây là một trong những hệ thống laser mạnh nhất trên thế giới hiện nay, có khả năng phóng ra những xung năng lượng khổng lồ chỉ trong một khoảng thời gian cực ngắn, tính bằng vài phần tỷ giây (nanosecond). Để có thể hình dung được sức mạnh này, hãy tưởng tượng toàn bộ năng lượng điện mà một thành phố lớn tiêu thụ trong một giây được tập trung vào một điểm nhỏ chỉ bằng đầu kim, trong một thời gian còn ngắn hơn cả một cái chớp mắt.
Hệ thống laser siêu mạnh DiPOLE 100-X của Anh
Quá trình thí nghiệm đã diễn ra như một "vở kịch" khoa học đầy kịch tính. Các nhà nghiên cứu đã đặt những mẫu carbon thủy tinh (glassy carbon) – một dạng carbon trong suốt có cấu trúc giống như thủy tinh – vào đường đi của chùm tia laser siêu mạnh này. Khi những xung laser bắn trúng các mẫu carbon, chúng đã tạo ra một áp suất khủng khiếp lên tới 160 tỷ lần áp suất khí quyển, đồng thời làm nóng vật liệu lên đến những mức nhiệt độ kinh hoàng. Trong khoảnh khắc ngắn ngủi đó, carbon ở trạng thái rắn đã bị ép và nung nóng đến mức nó biến thành một chất lỏng.
Điều đặc biệt là các nhà khoa học đã có thể "nhìn thấy" được trạng thái carbon lỏng này bằng các tia X-quang siêu mạnh từ cơ sở European XFEL ở Đức. Giống như việc chúng ta chụp X-quang để có thể nhìn thấy được xương bên trong cơ thể, họ đã sử dụng các tia X-quang để có thể quan sát được cấu trúc bên trong của carbon lỏng, qua đó xác nhận được những gì mà các nhà lý thuyết vật lý đã dự đoán từ nhiều thập kỷ trước.
Giáo sư Dominik Kraus, người điều phối chính của nghiên cứu, đã không giấu được sự phấn khích khi chia sẻ: "Đây là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Lần đầu tiên, chúng tôi đã có thể quan sát trực tiếp cấu trúc của carbon lỏng, xác nhận những dự đoán lý thuyết. Đây là một chất lỏng phức tạp đáng kinh ngạc với những tính chất độc đáo, có thể sẽ cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khoa học trong tương lai."
Sơ đồ thiết lập thử nghiệm
Thành công này mang một ý nghĩa vô cùng to lớn đối với lĩnh vực nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch – một công nghệ mà các nhà khoa học thường ví như việc tạo ra một "mặt trời nhân tạo" ngay trên Trái Đất. Năng lượng nhiệt hạch hoạt động bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro (thường là các đồng vị deuterium và tritium) thành các nguyên tử helium, giải phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình này. Đây chính là nguồn năng lượng đã, đang và sẽ tiếp tục nuôi sống Mặt Trời cũng như các ngôi sao trong vũ trụ.
Carbon ở trạng thái lỏng, với điểm nóng chảy cực kỳ cao và các tính chất nhiệt độc đáo, có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Nó có thể hoạt động như một "người điều khiển giao thông" cho các hạt neutron, giúp làm chậm chúng lại để có thể duy trì một phản ứng dây chuyền ổn định. Đồng thời, các tính chất nhiệt đặc biệt của carbon lỏng cho thấy nó có thể sẽ trở thành một chất làm mát cực kỳ hiệu quả – một yếu tố vô cùng quan trọng để có thể kiểm soát được mức nhiệt độ khủng khiếp bên trong một lò phản ứng nhiệt hạch.
Trước khi có nghiên cứu này, các nhà khoa học vẫn còn tranh luận về các tính chất chính xác của carbon ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Giờ đây, với những phép đo chính xác lần đầu tiên được thực hiện, họ có thể loại bỏ được những sự bất định và tập trung nghiên cứu một cách hiệu quả hơn về tiềm năng ứng dụng của carbon trong công nghệ nhiệt hạch.
Các thí nghiệm sử dụng thiết bị Mật độ năng lượng cao tại cơ sở XFEL của Châu Âu gần Hamburg, Đức
Ngoài các ý nghĩa về mặt công nghệ, việc tạo ra carbon lỏng còn mở ra một "cửa sổ" quý giá để có thể nhìn vào những hiện tượng vũ trụ xa xôi. Các điều kiện mà các nhà khoa học đã tạo ra trong phòng thí nghiệm là gần như giống hệt với những gì đang xảy ra bên trong lõi của các hành tinh băng khổng lồ trong Hệ Mặt Trời của chúng ta như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, nơi mà carbon được cho là tự nhiên tồn tại ở trạng thái lỏng. Điều này giúp các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn về cấu trúc bên trong và cách thức hoạt động của những thế giới xa xôi này.
Nghiên cứu đột phá này đã được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, tạo ra một nền tảng vững chắc cho vô số các tiến bộ khoa học và công nghệ trong tương lai.
Tạo ra vật chất "không tưởng" trên Trái Đất
Một cột mốc lịch sử trong thế giới khoa học vừa được thiết lập khi các nhà nghiên cứu lần đầu tiên trong lịch sử đã thành công trong việc tạo ra nguyên tố carbon ở trạng thái lỏng trong một phòng thí nghiệm trên Trái Đất. Thành tựu đột phá này, được thực hiện bởi một đội ngũ nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học từ Đại học Rostock và Trung tâm Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) của Đức dẫn đầu, không chỉ mở ra những hiểu biết hoàn toàn mới về vật chất trong các điều kiện cực đoan, mà còn hứa hẹn sẽ thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về năng lượng nhiệt hạch – nguồn năng lượng sạch, an toàn và gần như vô tận mà nhân loại đang khao khát chinh phục.
Hình ảnh minh họa các hình dạng tồn tại của Carbon
Carbon, một nguyên tố vô cùng quen thuộc mà chúng ta gặp hàng ngày dưới dạng than chì trong những chiếc bút chì hay sự lấp lánh của những viên kim cương, vốn không bao giờ tồn tại ở trạng thái lỏng trong các điều kiện tự nhiên trên Trái Đất. Để có thể hóa lỏng được carbon, cần phải có những điều kiện vô cùng khắc nghiệt mà tự nhiên trên hành tinh của chúng ta không thể tạo ra: nhiệt độ phải trên 4.500 độ C – nóng hơn gấp đôi dung nham núi lửa – và một mức áp suất cao gấp hàng tỷ lần so với áp suất khí quyển thông thường. Đây chính là lý do tại sao trong suốt lịch sử khoa học, carbon ở trạng thái lỏng chỉ tồn tại trong các lý thuyết và các mô phỏng trên máy tính.
Chinh phục thử thách bằng "vũ khí" laser siêu mạnh
Để chinh phục được một thử thách tưởng chừng như bất khả thi này, đội ngũ nghiên cứu đã phải sử dụng đến một "vũ khí" công nghệ đặc biệt: hệ thống laser DiPOLE 100-X đặt tại Anh. Đây là một trong những hệ thống laser mạnh nhất trên thế giới hiện nay, có khả năng phóng ra những xung năng lượng khổng lồ chỉ trong một khoảng thời gian cực ngắn, tính bằng vài phần tỷ giây (nanosecond). Để có thể hình dung được sức mạnh này, hãy tưởng tượng toàn bộ năng lượng điện mà một thành phố lớn tiêu thụ trong một giây được tập trung vào một điểm nhỏ chỉ bằng đầu kim, trong một thời gian còn ngắn hơn cả một cái chớp mắt.
Hệ thống laser siêu mạnh DiPOLE 100-X của Anh
Quá trình thí nghiệm đã diễn ra như một "vở kịch" khoa học đầy kịch tính. Các nhà nghiên cứu đã đặt những mẫu carbon thủy tinh (glassy carbon) – một dạng carbon trong suốt có cấu trúc giống như thủy tinh – vào đường đi của chùm tia laser siêu mạnh này. Khi những xung laser bắn trúng các mẫu carbon, chúng đã tạo ra một áp suất khủng khiếp lên tới 160 tỷ lần áp suất khí quyển, đồng thời làm nóng vật liệu lên đến những mức nhiệt độ kinh hoàng. Trong khoảnh khắc ngắn ngủi đó, carbon ở trạng thái rắn đã bị ép và nung nóng đến mức nó biến thành một chất lỏng.
Điều đặc biệt là các nhà khoa học đã có thể "nhìn thấy" được trạng thái carbon lỏng này bằng các tia X-quang siêu mạnh từ cơ sở European XFEL ở Đức. Giống như việc chúng ta chụp X-quang để có thể nhìn thấy được xương bên trong cơ thể, họ đã sử dụng các tia X-quang để có thể quan sát được cấu trúc bên trong của carbon lỏng, qua đó xác nhận được những gì mà các nhà lý thuyết vật lý đã dự đoán từ nhiều thập kỷ trước.
Giáo sư Dominik Kraus, người điều phối chính của nghiên cứu, đã không giấu được sự phấn khích khi chia sẻ: "Đây là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Lần đầu tiên, chúng tôi đã có thể quan sát trực tiếp cấu trúc của carbon lỏng, xác nhận những dự đoán lý thuyết. Đây là một chất lỏng phức tạp đáng kinh ngạc với những tính chất độc đáo, có thể sẽ cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khoa học trong tương lai."
Sơ đồ thiết lập thử nghiệm
Mở đường cho nguồn năng lượng nhiệt hạch của tương lai
Thành công này mang một ý nghĩa vô cùng to lớn đối với lĩnh vực nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch – một công nghệ mà các nhà khoa học thường ví như việc tạo ra một "mặt trời nhân tạo" ngay trên Trái Đất. Năng lượng nhiệt hạch hoạt động bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro (thường là các đồng vị deuterium và tritium) thành các nguyên tử helium, giải phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình này. Đây chính là nguồn năng lượng đã, đang và sẽ tiếp tục nuôi sống Mặt Trời cũng như các ngôi sao trong vũ trụ.
Carbon ở trạng thái lỏng, với điểm nóng chảy cực kỳ cao và các tính chất nhiệt độc đáo, có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Nó có thể hoạt động như một "người điều khiển giao thông" cho các hạt neutron, giúp làm chậm chúng lại để có thể duy trì một phản ứng dây chuyền ổn định. Đồng thời, các tính chất nhiệt đặc biệt của carbon lỏng cho thấy nó có thể sẽ trở thành một chất làm mát cực kỳ hiệu quả – một yếu tố vô cùng quan trọng để có thể kiểm soát được mức nhiệt độ khủng khiếp bên trong một lò phản ứng nhiệt hạch.
Trước khi có nghiên cứu này, các nhà khoa học vẫn còn tranh luận về các tính chất chính xác của carbon ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Giờ đây, với những phép đo chính xác lần đầu tiên được thực hiện, họ có thể loại bỏ được những sự bất định và tập trung nghiên cứu một cách hiệu quả hơn về tiềm năng ứng dụng của carbon trong công nghệ nhiệt hạch.
Các thí nghiệm sử dụng thiết bị Mật độ năng lượng cao tại cơ sở XFEL của Châu Âu gần Hamburg, Đức
Mở ra cánh cửa nhìn vào các hành tinh xa xôi
Ngoài các ý nghĩa về mặt công nghệ, việc tạo ra carbon lỏng còn mở ra một "cửa sổ" quý giá để có thể nhìn vào những hiện tượng vũ trụ xa xôi. Các điều kiện mà các nhà khoa học đã tạo ra trong phòng thí nghiệm là gần như giống hệt với những gì đang xảy ra bên trong lõi của các hành tinh băng khổng lồ trong Hệ Mặt Trời của chúng ta như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, nơi mà carbon được cho là tự nhiên tồn tại ở trạng thái lỏng. Điều này giúp các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn về cấu trúc bên trong và cách thức hoạt động của những thế giới xa xôi này.
Nghiên cứu đột phá này đã được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, tạo ra một nền tảng vững chắc cho vô số các tiến bộ khoa học và công nghệ trong tương lai.
