Băng đá có thể có nhiệt độ lên đến hàng nghìn độ C

  •  
  • 1.022

Không phải lúc nào băng đá cũng lạnh. Trong một thí nghiệm mới đây các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra loại băng siêu ion có nhiệt độ lên đến hàng nghìn độ C.

Có thể nói, điều này gần giống như việc tìm kiếm băng trên bề mặt mặt trời vậy. Loại băng đá có nhiệt độ vài nghìn độ C này khác hoàn toàn với những viên đá để trong ngăn đá tủ lạnh. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) ở Hoa Kỳ đã sử dụng thiết bị thí nghiệm cực kỳ tinh vi để tạo ra khối đá nóng này trong suốt 4 năm.

Bước đầu tiên là nén nước siêu tinh khiết bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là "diamond anvil cell". Thiết bị này giống như một phiên bản nhỏ gọn của máy ép (vì nó có chiều dài nhỏ hơn 1 mm), và nó có thể giữ cho nước giữa các viên kim cương không thay đổi mà không bị biến dạng.

Áp suất mà nó tạo ra có thể lên tới 2,5 tỷ Pascal, gấp gần 25.000 lần áp suất khí quyển tiêu chuẩn, khiến nước lỏng trở thành băng rắn ở 25°C.

Ở nhiệt độ bình thường, chuyển động của các phân tử nước là không đồng đều, và biên độ chuyển động của chúng tăng khi nhiệt độ tăng, do đó ở điều kiện bình thường nước là chất lỏng.

Nước chỉ đóng băng ở 0°C dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn
Nước chỉ đóng băng ở 0°C dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn. (Ảnh: ITZONE)

Chỉ khi nhiệt độ giảm xuống 0°C thì các phân tử nước mới chuyển động từ từ tạo thành liên kết bền chặt hơn giữa các phân tử nước, từ đó cố định vị trí tương đối của chúng nên lúc này nước sẽ tạo thành băng. Tuy nhiên, nước chỉ đóng băng ở 0°C dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Khi áp suất thay đổi, nhiệt độ mà nước đóng băng có thể thay đổi.

Các phân tử nước trong đe kim cương sẽ hình thành liên kết bền hơn do chịu nhiều áp lực. Tuy nhiên, điểm giống nhau giữa nước đá hình thành theo cách này và nước đá thông thường chỉ giới hạn ở vẻ bề ngoài: các phân tử nước ở lớp trước được sắp xếp chặt chẽ hơn và mật độ cao hơn 60% so với lớp sau.

Nhưng cho đến thời điểm hiện tại, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra băng nóng, và nó có thể rắn ở nhiệt độ cao, loại băng này còn được gọi là "băng siêu ion". Việc sản xuất băng siêu ion cần sử dụng tia laser, chính xác hơn là sáu tia laser.

Các nhà nghiên cứu đã gửi những viên đá trong đe kim cương được làm bằng nước tinh khiết đến Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser (LLE) của Đại học Rochester, Hoa Kỳ, và đặt toàn bộ thiết bị vào trung tâm của một quả cầu có đường kính 3,3m, sau đó đặt tảng băng giữa hai viên kim cương.

Khối này sau đó sẽ được chiếu xạ bởi 6 tia laser UV. Việc chiếu xạ chỉ kéo dài trong khoảng thời gian cực ngắn, khoảng 1 nano giây (một phần tỷ giây). Mặc dù chỉ trong khoảng thời gian ngắn nhưng nó đủ sức để tạo ra công suất lên đến 1 nghìn tỷ watt.

Băng siêu ion chỉ có thể tồn tại trong vòng 20 nano giây
Băng siêu ion chỉ có thể tồn tại trong vòng 20 nano giây. (Ảnh: ITZONE)

Năng lượng khổng lồ này được chuyển hóa thành sóng xung kích xuyên qua lớp vỏ băng và làm tăng áp suất của lớp băng nén, do đó nó có thể chịu được áp suất gấp 2 triệu lần áp suất khí quyển.

Ngoài áp suất cực lớn, năng lượng do chùm tia laze cung cấp sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ của khối nước đá lên ít nhất là 1700°C. Đây là điều kiện cần thiết để điều chế băng siêu ion. Giải thích sẽ khá dài dòng, nhưng toàn bộ thí nghiệm chỉ có thể kéo dài 20 nano giây, và sau khi sóng xung kích đi qua, đe kim cương và băng siêu ion sẽ bay hơi gần như ngay lập tức.

Do đó, các nhà nghiên cứu chỉ có thể quan sát băng siêu ion trong một khoảng thời gian ngắn. Nhưng họ đã thành công trong việc "nhìn thấy" băng siêu ion. Họ cũng sử dụng máy ảnh tốc độ cực cao có thể chụp ảnh 1000 pixel mỗi 20 pico giây.

Với thiết bị này, các nhà nghiên cứu đã khám phá thành công bí mật về khả năng dẫn điện của băng siêu ion. Ở trạng thái siêu âm, băng có thể dẫn điện!

Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã đoán ra đặc điểm này trước khi tiến hành thí nghiệm, bởi vì nghiên cứu lý thuyết về băng siêu ion đã được thực hiện thông qua mô phỏng máy tính trong gần 30 năm.

Theo mô hình tương ứng, nước đá không giải phóng các electron trong các điều kiện thí nghiệm này, nhưng nó giải phóng các nguyên tử hydro trong phân tử nước. Chính xác hơn, đó là một nguyên tử hydro bị mất một electron: chỉ giữ lại các proton, là các hạt mang điện tích dương tạo nên hạt nhân hydro.

Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, chúng ta cần quan sát khối nước đá đặc biệt này. Ở cấp độ nguyên tử, nước đá là chất rắn kết tinh: tất cả các phân tử tạo nên nước đá đều được sắp xếp theo một khuôn mẫu nhất định.

Khi nước đá chuyển từ dạng này sang dạng khác, sự sắp xếp của các phân tử của nó cũng thay đổi. Khi chúng ta nén chúng dưới áp suất cao, các phân tử có cấu trúc lập phương của chúng buộc phải tổ chức lại và rút ngắn khoảng cách giữa các phân tử, do đó một số nguyên tử hydro có thể di chuyển giữa các phân tử nước.

Nguyên tử hydro sẽ từ bỏ các điện tử ban đầu trong quá trình chuyển động, do đó trở thành một proton chuyển động được. Trong băng siêu ion, hiện tượng này rõ ràng hơn: áp suất lớn hơn rút ngắn khoảng cách giữa các phân tử, và nhiệt độ cực cao cung cấp rất nhiều năng lượng, vì vậy tất cả các proton đều chuyển động.

Các nguyên tử oxy trong dạng phân tử nước này vẫn được sắp xếp theo cách ban đầu, nhưng các proton thì không ngừng chuyển động.

Do đó, các hạt mang điện tích dương này có thể di chuyển chậm, đó là lý do tại sao băng siêu ion có thể dẫn điện. Ngoài việc xác nhận các dự đoán trên lý thuyết, việc chuẩn bị và quan sát băng siêu ion trong phòng thí nghiệm cũng sẽ giúp giải thích những bí ẩn về Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, vì hai hành tinh này có thành phần chủ yếu là nước.

Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thành phần chủ yếu là nước
Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thành phần chủ yếu là nước. (Ảnh: ITZONE)

Dựa trên kích thước của chúng (Sao Thiên Vương có đường kính khoảng 51.000 km, Hải Vương Tinh có đường kính khoảng 49.000 km), Các nhà vật lý ước tính rằng băng siêu ion chỉ có thể được tìm thấy trong bầu khí quyển cực kỳ dày đặc của hai hành tinh này khi chúng xuyên qua khoảng 8.000 km.

Các nhà nghiên cứu suy đoán thêm rằng phần bên trong của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương là một lớp vỏ rắn bao gồm một lớp băng siêu siêu dày. Cấu trúc này có thể giải thích từ trường cực kỳ đặc biệt của hai hành tinh này: thay vì có hai cực từ trường như trái đất, chúng có bốn cực từ trường.

Nhưng cho đến nay, nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở các bước trên, sao Thiên Vương và sao Hải Vương không được tạo thành từ nước tinh khiết, chúng còn chứa amoniac và metan ... Nếu thêm các tạp chất này vào thì băng siêu ion sẽ hoạt động hiệu quả đến mức nào? Tất cả câu trả lời chỉ có thể đợi thời gian và những thí nghiệm tiếp theo sẽ trả lời.

Cập nhật: 07/03/2021 Theo Soha
  • 1.022

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook