Băng siêu ion hcp: phát hiện trạng thái băng bền ở hơn 2.300°C dưới áp suất triệu atmosphere

Nước — chất lỏng quen thuộc với mọi sinh vật — vẫn ẩn chứa những bất ngờ khi bị đặt trong điều kiện cực đoan. Khi nhiệt độ và áp suất vượt xa giới hạn quen thuộc, phân tử H2O không còn hành xử như ta tưởng: thay vì bốc hơi, nó có thể bị ép thành những dạng vật chất lạ, trong đó có các pha băng mang đặc tính lai giữa chất rắn và chất lỏng.

Một nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Alexis Forestier dẫn dắt vừa công bố kết quả thí nghiệm cho thấy tồn tại một dạng băng siêu ion mới, có cấu trúc lục giác xếp chặt (hcp) và bền vững ở nhiệt độ lên tới 2.630 Kelvin (tương đương khoảng 2.357°C) khi mẫu chịu áp lực khoảng 230 gigapascal — tức xấp xỉ 2,3 triệu lần áp suất khí quyển tại mực nước biển. Công trình này được đăng trên tạp chí Physical Review Letters.

Thí nghiệm: nén giữa hai mũi kim cương và nung bằng laser

Để tạo ra trạng thái vật chất chưa từng thấy này, nhóm nghiên cứu đã kết hợp hai kỹ thuật chủ chốt: nén mẫu nước siêu nhỏ giữa hai đầu kim cương để đạt áp suất lên đến hàng trăm gigapascal, đồng thời gia nhiệt bằng chùm tia laser cường độ cao. Dưới tác động song song của lực nén và nhiệt lượng, mẫu không thể chuyển sang pha khí mà phải giữ một mật độ vật chất rất cao — điều kiện lý tưởng để xuất hiện băng siêu ion.

Trong băng siêu ion, sự phân chia vai trò giữa hai nguyên tố tạo nên nước trở nên rõ rệt: nguyên tử oxy bị cố định trong một mạng tinh thể rắn, còn hạt nhân hydro có khả năng di chuyển tương tự như trong chất lỏng. Kết quả là một trạng thái lai, vừa có tính rắn vừa có thành phần lỏng chuyển động bên trong.

Từ fcc chuyển sang hcp: dấu ấn của một quá trình chuyển pha

Trước nghiên cứu này, băng siêu ion đã từng được ghi nhận mang cấu trúc lập phương diện tâm (fcc). Tuy nhiên dữ liệu mới cho thấy khi áp suất và nhiệt độ tăng lên, một cấu trúc khác — lục giác xếp chặt (hcp) — bắt đầu chiếm ưu thế. Các phép đo nhiễu xạ tia X synchrotron cho thấy có một chuyển pha rõ rệt:

• Ở ngưỡng 155 gigapascal và khoảng 2.000 Kelvin, mẫu biểu hiện tính hỗn hợp giữa hai cấu trúc fcc và hcp.
• Khi tăng lên 197 gigapascal và 2.250 Kelvin, các dấu hiệu tương ứng với hcp trở nên nổi trội hơn.
• Tới mức 219–230 gigapascal và 2.630 Kelvin, cấu trúc fcc gần như biến mất, nhường chỗ cho mạng tinh thể hcp ổn định gần như tuyệt đối.

Những quan sát này còn chỉ ra rằng tinh thể hcp xuất hiện tính giãn nở điển hình của trạng thái siêu ion khi nhiệt độ vượt mốc khoảng 1.700 Kelvin.

Ý nghĩa cho mô hình bên trong các hành tinh băng khổng lồ

Phát hiện dạng hcp không chỉ là một kết quả phòng thí nghiệm: nó có hệ quả lớn đối với cách các nhà khoa học mô phỏng cấu trúc sâu bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Nếu băng siêu ion hcp có những đặc tính dẫn điện khác với băng fcc, thì các mô hình mô phỏng dòng điện và sự dịch chuyển điện tích trong lòng hành tinh cần được cập nhật.

Những thay đổi này có thể liên quan trực tiếp đến cách giải thích nguồn gốc các trường từ tính bất đối xứng và phức tạp quan sát được quanh hai hành tinh này. Do đó, xác định chính xác cấu trúc và tính chất vật lý của băng siêu ion ở điều kiện áp suất cực cao là bước thiết yếu để hiểu các quá trình nội tại của hành tinh băng khổng lồ.

Những bước tiếp theo được đề xuất

Nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng hiểu biết về băng hcp mới đang ở giai đoạn khởi đầu. Họ kêu gọi tiến hành thêm cả nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm nhằm:

• Đo đạc tính dẻo và độ bền cơ học của mạng hcp dưới áp suất và nhiệt độ tương ứng.
• Xác định chính xác độ dẫn điện của dạng hcp so với fcc.
• Vạch rõ ranh giới ổn định nhiệt động giữa hai pha fcc và hcp khi điều kiện biến đổi.

Những dữ liệu bổ sung sẽ giúp kết luận xem hcp có thực sự chiếm ưu thế trong các lớp sâu của các hành tinh băng hay không, và mức độ ảnh hưởng của nó tới các hiện tượng vĩ mô như từ trường hành tinh.

Nhận diện lại các quan sát cũ

Khi rà soát các dữ liệu nhiễu xạ từ thí nghiệm trước đây, các nhà nghiên cứu phát hiện một đỉnh nhiễu xạ bí ẩn từng được ghi nhận ở áp suất trên 130 gigapascal. Giờ đây, đỉnh đó rất có thể là dấu hiệu của băng hcp mà trước đây các đội thí nghiệm chưa nhận ra. Phát hiện này gợi ý rằng hcp có thể đã xuất hiện trong những thí nghiệm trước đó nhưng không được xác định rõ ràng.

Kết luận: một cửa sổ mới vào vật chất ở điều kiện cực hạn

Phát hiện băng siêu ion hcp mở rộng danh sách các pha băng nước đã biết — hiện thiên văn và vật lý chất rắn cần xem xét ảnh hưởng của pha này trong nhiều bối cảnh, từ mô phỏng hành tinh đến vật liệu dưới điều kiện siêu cao. Dù còn nhiều câu hỏi chưa có lời giải, kết quả thí nghiệm này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nỗ lực mô tả vật chất ở ranh giới cực đoan của áp suất và nhiệt độ.

Việc tiếp tục khảo sát các đặc tính cơ học và điện của băng hcp là bước đi tiếp theo để biến những quan sát phòng thí nghiệm thành hiểu biết có thể áp dụng cho mô phỏng vũ trụ và các lý thuyết về cấu trúc hành tinh.

Để mở rộng góc nhìn sang các yếu tố rủi ro sức khỏe liên quan thói quen ăn uống và nhiệt độ thức uống, bạn có thể đọc phân tích chuyên sâu về mối liên hệ giữa việc uống đồ rất nóng và nguy cơ ung thư thực quản trong bài nghiên cứu về uống đồ rất nóng và nguy cơ ung thư thực quản, nơi trình bày kết quả, giới hạn nghiên cứu và các biện pháp giảm thiểu rủi ro.

Nếu bạn quan tâm đến tác động xã hội của công nghệ và các cảnh báo học thuật về bất bình đẳng do AI gây ra, bài viết phân tích hệ quả xã hội của AI và nguy cơ tân phong kiến nhận thức cung cấp các luồng ý chính và hệ lụy đối với giáo dục cùng năng lực tư duy.

Để hiểu sâu hơn về lịch sử tiến hóa hành vi con người — tại sao chúng ta vừa sáng tạo vừa có khả năng bạo lực tập thể — bạn có thể khám phá bài viết giải mã nghịch lý hành vi loài người: sáng tạo và bạo lực, nơi tổng hợp các giả thuyết tiến hóa và các mô hình giải thích mâu thuẫn này.