Dũng Virgo
Nước thường được biết đến như một chất lỏng quen thuộc, nhưng dưới áp suất và nhiệt độ cực lớn, nó có thể chuyển sang những trạng thái hoàn toàn khác với trải nghiệm hằng ngày. Một nghiên cứu mới đã tạo ra và quan sát trực tiếp một dạng băng siêu ion có cấu trúc lục giác xếp chặt, hay còn gọi là hcp.
Thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ lên tới 2.630 Kelvin, tương đương khoảng 2.357 độ C, cùng áp suất 230 gigapascal. Đây là điều kiện khắc nghiệt gần với môi trường sâu bên trong các hành tinh băng khổng lồ như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Kết quả có thể giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về vật chất, sự dẫn điện và nguồn gốc những từ trường bất thường quanh hai hành tinh này.
Nước biến đổi thế nào dưới điều kiện cực hạn?
Ở điều kiện thông thường, nước đóng băng thành chất rắn, tan thành chất lỏng và bay hơi khi được đun nóng. Tuy nhiên, cách ứng xử của nước không hoàn toàn giống nhiều chất lỏng khác. Khi đông đặc, nước nở ra thay vì co lại; băng có khối lượng riêng thấp hơn nước lỏng nên có thể nổi trên mặt hồ.
Những đặc tính khác thường đó mới chỉ là phần dễ quan sát. Khi bị đặt dưới áp suất hàng triệu lần áp suất khí quyển và được gia nhiệt đến hàng nghìn độ C, cấu trúc phân tử nước thay đổi mạnh. Áp suất lớn ngăn vật chất giãn nở, khiến mẫu nước không thể đơn giản chuyển thành hơi hoặc phân rã hoàn toàn thành hydro và oxy tự do.
Trong thí nghiệm, một lượng nước cực nhỏ được ép giữa hai mũi kim cương có độ cứng rất cao. Sau đó, các nhà nghiên cứu dùng tia laser cường độ lớn để nâng nhiệt độ mẫu. Sự kết hợp giữa nén cơ học và gia nhiệt đã đưa nước vào một vùng trạng thái vật chất đặc biệt: băng siêu ion.
Băng siêu ion không giống băng thông thường
Điểm đặc biệt của băng siêu ion nằm ở sự tồn tại đồng thời của đặc tính rắn và lỏng. Các nguyên tử oxy vẫn bị giữ trong một mạng tinh thể tương đối ổn định, tạo thành bộ khung giống chất rắn. Trong khi đó, hạt nhân hydro có thể di chuyển, khuếch tán qua mạng oxy như các hạt trong chất lỏng.
Có thể hình dung trạng thái này như một cấu trúc tinh thể cố định nhưng bên trong vẫn có những thành phần chuyển động liên tục. Chính khả năng dịch chuyển của hydro khiến băng siêu ion có những tính chất điện đặc biệt, khác xa băng nước quen thuộc trong tủ lạnh hoặc tự nhiên.
Trước nghiên cứu này, các thí nghiệm đã từng ghi nhận một dạng băng siêu ion có mạng oxy lập phương diện tâm, được gọi là băng fcc. Lần này, nhóm nghiên cứu quan sát được cấu trúc lục giác xếp chặt hcp. Sự khác biệt giữa hai dạng không nằm ở thành phần hóa học, mà ở cách các lớp nguyên tử oxy sắp xếp và chồng lên nhau.
Thí nghiệm tái hiện môi trường bên trong hành tinh
Công trình do nhà vật lý Alexis Forestier thuộc Ủy ban Năng lượng Nguyên tử và Năng lượng Thay thế Pháp dẫn dắt. Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh áp suất và nhiệt độ theo từng giai đoạn để theo dõi cách cấu trúc của mẫu nước chuyển đổi.
- Ở khoảng 155 gigapascal và 2.000 Kelvin, mẫu cho thấy sự hiện diện đồng thời của hai cấu trúc fcc và hcp.
- Khi điều kiện tăng lên 197 gigapascal và 2.250 Kelvin, các dấu hiệu của cấu trúc hcp trở nên rõ ràng hơn.
- Đến 219 gigapascal và 2.630 Kelvin, tín hiệu của fcc gần như biến mất, trong khi mạng hcp chiếm ưu thế.
Để xác định cấu trúc bên trong mẫu, nhóm nghiên cứu sử dụng chùm tia X synchrotron. Phương pháp này cho phép đọc các dấu hiệu nhiễu xạ do mạng tinh thể tạo ra, từ đó phân biệt cách các nguyên tử được sắp xếp dù mẫu vật có kích thước cực nhỏ và nằm trong điều kiện khó tiếp cận.
Kết quả còn giúp giải thích một dữ liệu từng bị bỏ ngỏ trong các thí nghiệm trước. Một đỉnh nhiễu xạ bí ẩn xuất hiện ở áp suất trên 130 gigapascal có thể chính là dấu vết của băng hcp, nhưng khi đó chưa được nhận diện đúng. Việc phân tích lại dữ liệu cho thấy cấu trúc này có thể đã xuất hiện từ sớm hơn các quan sát trực tiếp hiện nay.
Vì sao phát hiện liên quan đến Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương?
Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương thường được xếp vào nhóm hành tinh băng khổng lồ. Bên dưới lớp khí quyển dày, chúng được cho là chứa lượng lớn nước, amoniac và methane trong những điều kiện áp suất, nhiệt độ rất cao. Ở độ sâu đủ lớn, nước có thể không tồn tại dưới dạng lỏng, khí hay băng thông thường mà chuyển sang trạng thái siêu ion.
Việc xác định băng siêu ion hcp ổn định ở áp suất trên 200 gigapascal giúp các nhà khoa học có thêm dữ liệu để xây dựng mô hình bên trong hai hành tinh này. Trước đây, các mô phỏng có thể phải dựa nhiều vào giả định về cấu trúc fcc hoặc những trạng thái chuyển tiếp chưa được kiểm chứng trực tiếp.
Điều này quan trọng vì mạng tinh thể và khả năng chuyển động của hydro có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện của vật chất. Nếu băng hcp dẫn điện khác đáng kể so với băng fcc, sự phân bố của hai pha trong lòng hành tinh sẽ tác động đến cách dòng điện hình thành và di chuyển.
Băng siêu ion không chỉ là một dạng băng mới. Nó có thể là một thành phần vật chất quan trọng trong việc giải thích môi trường sâu bên trong các hành tinh băng khổng lồ.
Manh mối về những từ trường kỳ lạ
Từ trường của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có hình dạng phức tạp, lệch đáng kể so với trục quay và không giống cấu trúc tương đối gọn của từ trường Trái Đất. Nguồn gốc của hiện tượng này vẫn chưa được giải thích hoàn toàn.
Một giả thuyết cho rằng các lớp vật chất dẫn điện bên trong hai hành tinh tạo ra hiệu ứng dynamo, tức quá trình chuyển động của vật chất dẫn điện tạo nên từ trường. Tuy nhiên, để mô phỏng chính xác, các nhà nghiên cứu cần biết vật chất ở đó tồn tại dưới dạng nào, dẫn điện ra sao và nằm ở độ sâu nào.
Sự hiện diện của băng siêu ion hcp có thể bổ sung một mảnh ghép quan trọng. Những proton hoặc hạt nhân hydro có khả năng di chuyển trong mạng oxy sẽ tạo nên môi trường khác với chất rắn thông thường. Nếu các tính chất điện của hcp thay đổi theo nhiệt độ và áp suất, chúng có thể góp phần lý giải vì sao từ trường của hai hành tinh có cấu trúc bất đối xứng và nhiều cực từ phức tạp.
Tuy vậy, phát hiện này chưa đủ để khẳng định băng hcp là nguyên nhân duy nhất tạo ra từ trường. Thành phần hóa học, chuyển động đối lưu, tốc độ quay và sự phân tầng vật chất bên trong hành tinh cũng cần được đưa vào các mô hình tiếp theo.
Những câu hỏi vẫn chưa có lời giải
Nghiên cứu mới chủ yếu xác nhận sự tồn tại và vùng ổn định của cấu trúc hcp trong điều kiện cực hạn. Các tính chất chi tiết của nó vẫn cần được đo đạc thêm. Một trong những vấn đề quan trọng nhất là độ dẫn điện thực tế của băng hcp và cách đại lượng này thay đổi khi nhiệt độ hoặc áp suất biến thiên.
Các nhà khoa học cũng cần làm rõ ranh giới nhiệt động lực học giữa hcp và fcc. Ở vùng chuyển tiếp, hai cấu trúc có thể cùng tồn tại hoặc biến đổi qua lại tùy tốc độ nén, tốc độ gia nhiệt và thành phần của mẫu. Những yếu tố này có thể khiến kết quả trong phòng thí nghiệm khác với điều kiện tự nhiên bên trong một hành tinh.
Ngoài ra, nước trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thể không hoàn toàn tinh khiết. Sự hiện diện của các hợp chất khác sẽ tác động đến nhiệt độ chuyển pha, độ ổn định mạng tinh thể và khả năng dẫn điện. Vì vậy, các thí nghiệm tương lai cần tiến gần hơn đến hỗn hợp vật chất thực tế được dự đoán trong lòng hành tinh.
Bước tiến của vật lý vật chất cực hạn
Việc tạo ra băng siêu ion hcp cho thấy những khái niệm quen thuộc như “băng” không thể áp dụng một cách đơn giản trong mọi môi trường. Cùng là nước, nhưng cấu trúc và tính chất của nó có thể thay đổi hoàn toàn khi chịu áp suất hàng triệu lần khí quyển và nhiệt độ vượt xa điểm sôi thông thường.
Quan sát mới không chỉ mở rộng hiểu biết về các pha của nước mà còn cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho ngành khoa học hành tinh. Trong tương lai, kết quả này có thể được kết hợp với mô hình máy tính và dữ liệu quan sát thiên văn để tái dựng chính xác hơn cấu trúc bên trong các hành tinh băng khổng lồ.
Công trình đã được công bố trên Physical Review Letters. Dù còn nhiều điểm phải kiểm chứng, băng siêu ion hcp đang trở thành một ứng viên đáng chú ý trong nỗ lực giải mã vật chất sâu bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.
Vì sao smartphone màn hình gập là chiến trường mới?
Vì sao con người vừa hợp tác vừa có khả năng bạo lực?
AI có đẩy xã hội vào một trật tự “tân phong kiến”?
Uống trà, cà phê quá nóng có thể tăng nguy cơ ung thư thực quản
Ăn sốt cà chua 3 tháng có thể thay đổi hoạt động não?
Đồng Nai đưa phòng học công nghệ mới đến hơn 1.000 học sinh
Ba thảm họa cổ đại vẫn khiến giới nghiên cứu bối rối
