Trí tuệ nhân tạo phát hiện dạng vật chất kì lạ vừa rắn vừa lỏng cùng lúc

Các nhà khoa học vừa phát hiện một dạng vật chất mới mà bạn chưa bao giờ gặp thấy trước đây, nó có thể vừa ở thể rắn và vừa ở thể lỏng cùng một lúc.

Theo kiến thức phổ thông mà chúng ta được học từ nhà trường, vật chất luôn tồn tại ở ba dạng cơ bản đó là rắn, lỏng và khí. Ngoài ra còn có vật chất plasma có thể được tìm thấy ở Mặt Trời và các ngôi sao trong vũ trụ.

Thế nhưng, các nhà khoa học vừa tìm ra một dạng vật chất mới mà có thể bạn thậm chí vẫn chưa tưởng tượng đến. Sử dụng trí tuệ nhân tạo khi tiến hành thí nghiệm khoa học ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt, các nhà khoa học phát hiện có một dạng vật chất mới tồn tại với phân tử kali.

Các nhà khoa học vừa phát hiện dạng vật chất mới, vừa ở dạng lỏng và vừa ở dạng rắn cùng một lúc. (Ảnh: Turtle Rock Scientific).

Kali khi ở dạng vật chất này là một khối rắn nóng chảy, chất lỏng bên trong nó chảy rỉ ra bên ngoài rồi sau tất cả nó sẽ tan biến đi. “Hãy tưởng tượng trên tay bạn là miếng bọt biển cứ dần tan chảy rồi sau cùng là biến mất”, nhà vật lý Andreas Hermann tại Đại học Edinburgh, là đồng tác giả của nghiên cứu, chia sẻ kết quả.

Thể vật chất bất thường này của kali có thể tìm thấy trong tự nhiên ở lớp phủ (lớp matle) ở gần lõi Trái Đất. Tuy vậy, phân tử kali ở thể này thường không ở dạng thuần khiết và được liên kết với các chất khác.

Các tinh thể rỉ nước

Các kim loại như kali có cấu tạo khá đơn giản ở mức độ vi mô. Khi ở thể rắn, các nguyên tử kali liên kết với nhau một cách có trật tự và dẫn điện rất tốt. Dựa vào tính ổn định này, các nhà khoa học có thể dự đoán được kết quả sẽ xảy ra khi cấu trúc này bị nén ở một mức áp lực lớn.

Khoảng 15 năm trước, giới khoa học đã phát hiện ra natri kim loại cũng có tính chất tương tự như kali khi được nén áp lực cao. Với áp lực lớn gấp 20.000 lần so với ở bề mặt Trái Đất, natri biến đổi từ một khối kim loại màu bạc thành một vật liệu trong suốt, nó không chỉ dẫn điện mà còn ngăn dòng điện chạy qua một cách hiệu quả.

Natri kim loại dạng rắn khi ở điều kiện thông thường. (Ảnh: Wikipedia).

Bằng cách khảo sát natri bằng tia X, các nhà khoa học nhận thấy các nguyên tử natri đã bị "buộc" phải liên kết lại với nhau để tạo thành dạng tinh thể trong suốt với cấu trúc vô cùng phức tạp, thay vì tạo thành kim loại với cấu trúc đơn giản như ở dạng rắn.

Kali trong nghiên cứu này cũng vậy. Sau khi bị nén đến một mức độ gần như chạm đến giới hạn, các nguyên tử kali cũng liên kết lại với nhau theo một cấu trúc vô cùng phức tạp. Theo chiều dọc, các nguyên tử tạo thành 5 chuỗi dài hình trụ; theo chiều ngang, chúng tạo thành hình chữ X. Ngoài ra, các nguyên tử cũng tạo thành 4 chuỗi khác nằm đan xen nhưng không dính vào nhau.

Kali dạng rắn ở điều kiện môi trường thông thường. (Ảnh: Live Science).

Hermann cho biết, bằng cách nào đó các nguyên tử kali này quyết định phân chia thành hai mạng tinh thể liên kết lỏng lẻo với nhau. Nhưng khi các nhà khoa học tăng nhiệt độ cao hơn, hình ảnh chụp qua tia X cho thấy 4 chuỗi biến mất khiến các nhà nghiên cứu tiếp tục tranh luận về những gì đang xảy ra.

Công đầu thuộc về trí tuệ nhân tạo

Hermann và nhóm của mình đã tiến hành dựng mô phỏng máy tính bằng trí tuệ nhân tạo để tìm hiểu. Trí tuệ nhân tạo sau khi được nạp dữ liệu về các nhóm nhỏ nguyên tử kali, nó đã học được kiến thức cơ học lượng tử đủ nhiều để mô phỏng các cấu trúc phân tử phức tạp chứa hàng chục ngàn nguyên tử.

Phòng thí nghiệm hóa học tại Đại học Edinburgh, nơi thí nghiệm đã được diễn ra. (Ảnh: University of Edinburgh).

Mô hình máy tính đã xác nhận rằng ở mức áp suất gấp từ khoảng 20.000 đến 40.000 lần áp suất khí quyển và ở mức nhiệt độ từ 400 đến 800 Kelvin (khoảng từ 126 đến 526 độ C), kali bước vào trạng thái tan chảy ở mức độ chuỗi liên kết, trong đó các chuỗi hòa tan thành chất lỏng trong khi các chuỗi tinh thể còn lại thì trở thành chất rắn.

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học xác định trạng thái ổn định về mặt nhiệt động đối với bất kỳ nguyên tố nào trong tự nhiên. Ngoài ra, công nghệ trí tuệ nhân tạo mà nhóm nghiên cứu đã sử dụng có thể áp dụng được trong việc dựng mô phỏng cho các nguyên tố khác.