Giới khoa học phát hiện ra một trạng thái vật chất mới nằm giữa lỏng và rắn

Việc hiểu rõ các chuyển động ở cấp độ nguyên tử trong kim loại đang trở nên quan trọng hơn bao giờ hết, khi những công nghệ ngày càng phức tạp đòi hỏi phải khai thác tối đa các kim loại đất hiếm. Một trong những hướng nghiên cứu hấp dẫn nhất hiện nay nằm ngay tại ranh giới mong manh giữa hai trạng thái lỏng và rắn của kim loại.

Thông thường, vật chất được chia thành 3 trạng thái cơ bản: khí, lỏng và rắn (đôi khi có cả plasma nếu xét trong bối cảnh vật lý thiên văn). Con người đã hiểu khá rõ về chất khí và chất rắn, nhưng trạng thái thứ ba – chất lỏng – vẫn liên tục mang đến những bất ngờ khó lý giải.

Trong một nghiên cứu mới được công bố tuần này trên tạp chí ACS Nano, các nhà khoa học từ Đại học Nottingham (Anh) và Đại học Ulm (Đức) tiếp tục cho thấy vì sao chất lỏng vẫn là một trong những bí ẩn lớn của vật lý vật chất ngưng tụ.

Bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua trong quá trình kim loại nóng chảy đông đặc thành các giọt nano, nhóm nghiên cứu đã quan sát được một hiện tượng khác thường: một số nguyên tử trong chất lỏng vẫn đứng yên tại chỗ – điều trái ngược hoàn toàn với hành vi thông thường của nguyên tử trong chất lỏng, vốn luôn chuyển động hỗn loạn như đám đông không ngừng xô đẩy.

Thí nghiệm này được thực hiện nhờ kính hiển vi điện tử SALVE (Sub-Angstrom Low-Voltage Electron) tại Đại học Ulm – một thiết bị được thiết kế để nghiên cứu các vật liệu nhạy cảm với bức xạ ở độ phân giải cực cao. Khi quan sát các kim loại khác nhau ở trạng thái lỏng, các nhà khoa học nhận thấy phần lớn nguyên tử dao động đúng như dự đoán, nhưng một số nguyên tử lại “bất động” một cách khó hiểu.

“Chúng tôi bắt đầu bằng cách làm nóng chảy các hạt nano kim loại như bạch kim, vàng và palladium được đặt trên một lớp đỡ mỏng ở cấp độ nguyên tử – graphene”, ông Christopher Leist, đồng tác giả nghiên cứu từ Đại học Ulm, cho biết. “Graphene được sử dụng như một bề mặt gia nhiệt. Khi các hạt kim loại tan chảy, các nguyên tử bắt đầu chuyển động nhanh, đúng như mong đợi. Tuy nhiên, điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là một số nguyên tử vẫn đứng yên”.

Những nguyên tử “bất động” này bám chặt vào vật liệu nền xung quanh các điểm khuyết tật ở cấp độ nguyên tử. Bằng cách sử dụng chùm electron để tạo thêm các khuyết tật, nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát số lượng nguyên tử đứng yên trong chất lỏng. Đây là phát hiện mang ý nghĩa rất lớn, bởi khi một chất lỏng chuyển sang trạng thái rắn, số lượng và vị trí của các nguyên tử có thể quyết định con đường đông đặc của vật liệu.

Nếu số nguyên tử đứng yên ít, chất lỏng cuối cùng vẫn sẽ đông đặc như bình thường. Nhưng nếu số lượng này đủ lớn, quá trình hình thành mạng tinh thể có thể bị ngăn chặn hoàn toàn. Hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt khi các nhà khoa học tạo ra một “vòng vây” nguyên tử đứng yên bao quanh chất lỏng, sau đó hạ nhiệt độ xuống thấp.

“Khi chất lỏng bị giữ bên trong ‘chuồng nguyên tử’ này, nó có thể duy trì trạng thái lỏng ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với điểm đóng băng thông thường”, ông Andrei Khlobystov, đồng tác giả từ Đại học Nottingham, cho biết. “Thành tựu này có thể mở ra một dạng vật chất mới, kết hợp đặc tính của cả chất rắn và chất lỏng trong cùng một vật liệu”.

Điều kỳ lạ là chất lỏng này cuối cùng vẫn sẽ đông đặc, nhưng không tạo thành tinh thể thông thường mà trở thành một dạng “chất rắn vô định hình” rất kém ổn định. Khi vòng nguyên tử đứng yên bị phá vỡ, cấu trúc vô định hình này nhanh chóng tái sắp xếp và hình thành tinh thể bình thường.

Theo các tác giả, đột phá này có thể mở đường cho những thay đổi lớn trong cách sử dụng kim loại đất hiếm trong các công nghệ chuyển đổi và lưu trữ năng lượng sạch. Đồng thời, nó cũng hứa hẹn cải thiện đáng kể các chất xúc tác bạch kim–carbon, vốn được sử dụng rộng rãi trong pin nhiên liệu.

Theo PM

Huyền Chi