Các nhà khoa học tạo ra dạng băng mới ở nhiệt độ hơn 2.000°C

Nước vốn đã là một chất kỳ lạ, nhưng ở áp suất và nhiệt độ cực đoan, nó còn trở nên dị thường hơn gấp nhiều lần. Mới đây, các nhà khoa học Pháp đã tạo thành công một dạng băng mới có cấu trúc tinh thể chưa từng được quan sát rõ ràng trong phòng thí nghiệm. Phát hiện này không chỉ mở rộng hiểu biết của chúng ta về nước, mà còn có thể giúp lý giải từ trường bí ẩn của các hành tinh băng khổng lồ trong Hệ Mặt Trời.

Nước ở dạng lỏng luôn ẩn chứa những đặc tính kỳ lạ

Ở điều kiện bình thường trên Trái Đất, nước đã hành xử khác biệt so với hầu hết các chất lỏng khác. Nó giảm mật độ khi đông đặc, có sức căng bề mặt cao bất thường, điểm sôi cũng cao một cách khó hiểu. Thậm chí, dựa trên khối lượng phân tử, lẽ ra nước phải tồn tại ở thể khí trong điều kiện nhiệt độ phòng.

Chỉ cần điều chỉnh áp suất và nhiệt độ vài nấc, hành vi kỳ quặc của nước càng trở nên khó lường hơn. Các nhà khoa học hiện đã chứng minh được một trong những dạng băng lạ lùng nhất từ trước tới nay: tồn tại dưới áp suất lên tới 2,3 triệu lần khí quyển và nhiệt độ lên tới 2.630 kelvin (tương đương 2.357°C).

Băng siêu ion: Vừa rắn vừa lỏng

Ở những nhiệt độ như vậy, lẽ thường nước phải là chất khí, thậm chí bị tách thành các nguyên tử oxy và hydro riêng lẻ. Nhưng tại áp suất khổng lồ tồn tại sâu bên trong lòng các hành tinh, một hiện tượng thú vị lại xảy ra.

Khi nước chuyển từ thể lỏng sang thể khí, nó giãn nở. Dưới áp suất nghiền nát của hàng triệu lần khí quyển, sự giãn nở này bị kìm hãm. Thay vào đó, nước có thể duy trì mật độ cực cao và khoác lên mình những dạng thức kỳ dị, khác hoàn toàn với băng mà chúng ta gặp trên bề mặt Trái Đất.

Một trong số đó là băng siêu ion — trạng thái vật chất vô cùng kỳ lạ, không hoàn toàn rắn cũng chẳng hoàn toàn lỏng. Các nguyên tử oxy vẫn cố định trong mạng tinh thể cứng như trong chất rắn, nhưng hạt nhân hydro lại di động, khuếch tán xuyên qua mạng tinh thể đó giống như các hạt trong chất lỏng.

Sự chuyển động qua lại của oxy và hydro trong băng siêu ion

Ở những tổ hợp điều kiện hơi khác nhau, cách sắp xếp của các nguyên tử oxy lại chuyển sang những cấu hình được gọi là pha. Hiện đã biết khoảng hơn 20 pha băng của nước, trong đó một vài pha trở thành siêu ion dưới điều kiện cực đoan. Giới khoa học vẫn luôn tìm kiếm thêm những pha mới.

Áp suất hàng triệu lần khí quyển

Trong thí nghiệm mới, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Alexis Forestier thuộc Ủy ban Năng lượng Nguyên tử và Năng lượng Thay thế Pháp dẫn đầu đã đưa những mẫu nước siêu nhỏ vào điều kiện cực đoan tương tự bên trong lòng các hành tinh băng khổng lồ.

Họ ép mẫu nước giữa các đầu kim cương để đạt áp suất lên tới 230 gigapascal, đồng thời dùng laser nung nóng chúng lên tới hàng nghìn độ. Để so sánh, áp suất này gấp 2,3 triệu lần áp suất khí quyển Trái Đất ở mực nước biển — trong khi áp suất tại tâm Trái Đất chỉ vào khoảng 360 gigapascal.

Sau đó, nhóm nghiên cứu dùng một chùm tia X synchrotron cực hẹp để dò tìm những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của băng.

Kết quả thu được là một cấu hình đã được dự đoán về mặt lý thuyết nhưng chưa từng được quan sát rõ ràng trong thực nghiệm: băng hcp (hexagonal close-packed — lục giác xếp chặt). Khi tinh thể hcp được nung nóng, sự giãn nở của nó cũng cho thấy dấu hiệu của hành vi siêu ion, gợi ý rằng nó đã chuyển sang trạng thái siêu ion ở khoảng 1.700 kelvin.

Ý nghĩa đối với Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương

Tên gọi hcp đề cập đến cách sắp xếp của các nguyên tử oxy. Hãy tưởng tượng bạn xếp những quả bóng giống hệt nhau thành từng lớp; có nhiều cách khác nhau để chồng các lớp đó lên nhau sao cho các quả bóng vẫn được xếp chặt nhất có thể. Một dạng băng siêu ion từng được xác định trước đây có cấu trúc fcc (face-centered cubic — lập phương tâm mặt).

Ở dạng băng hcp mới được xác định, các lớp được xếp theo một trình tự khác. Nhóm nghiên cứu tìm thấy bằng chứng rằng dạng này có thể chuyển hóa thành dạng kia khi các lớp dịch chuyển vị trí, và quá trình chuyển đổi này dường như xảy ra khi điều kiện trở nên cực đoan hơn.

Cụ thể, ở 155 gigapascal và 2.000 kelvin, tín hiệu từ tia X cho thấy sự pha trộn giữa fcc và hcp. Khi tăng lên 197 gigapascal và 2.250 kelvin, tín hiệu hcp trở nên mạnh hơn so với fcc. Đến điều kiện cuối cùng — 219 gigapascal và 2.630 kelvin — tín hiệu fcc gần như biến mất và hcp chiếm ưu thế rõ rệt.

Điều thú vị là đây có thể không phải lần đầu nhóm nghiên cứu tạo ra băng hcp. Nhìn lại dữ liệu từ một thí nghiệm trước đó, họ nhận ra rằng một đỉnh nhiễu xạ tia X chưa được nhận diện trước đây, xuất hiện ở áp suất trên 130 gigapascal, rất có thể chính là dấu hiệu của băng hcp — chỉ là họ chưa nhận ra vào thời điểm đó.

Kết quả này gợi ý rằng ở áp suất trên khoảng 200 gigapascal, hcp có thể trở thành cấu trúc ổn định hơn của băng siêu ion.

Băng do nhóm nghiên cứu tạo ra còn nóng hơn cả dung nham

Nghe có vẻ chỉ là một thay đổi nhỏ — đúng nghĩa ở quy mô nguyên tử — nhưng sự khác biệt này có thể mang ý nghĩa lớn đối với Hệ Mặt Trời. Nếu băng hcp dẫn điện khác với băng fcc, sự hiện diện của nó sâu bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thể làm thay đổi các mô hình về cách vật chất và điện tích di chuyển trong lòng hai hành tinh này — những quá trình được cho là có liên quan đến việc tạo ra từ trường kỳ lạ, lộn xộn và méo mó của chúng.

Còn nhiều điều chưa biết

Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa thực sự hiểu về các đặc tính của băng hcp — loại vật chất này vừa mới được phát hiện. Nhóm nghiên cứu kêu gọi tiến hành thêm các công trình lý thuyết để làm sáng tỏ những đặc tính đó, đặc biệt là tính dẻo cơ học và độ dẫn điện.

Nước thật sự rất kỳ lạ, và băng siêu ion còn kỳ lạ hơn thế.

Các thí nghiệm tiếp theo cũng sẽ cần thiết để xác định chính xác phạm vi áp suất và nhiệt độ mà ở đó băng hcp ổn định so với dạng fcc tương ứng. Giới khoa học mới chỉ vừa chạm tới bề mặt của những gì phân tử nước kỳ dị này có thể làm — và ở một khía cạnh nào đó, thật trớ trêu khi chính chúng ta lại phụ thuộc vào nó để duy trì sự sống.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.